仪器分析 教学课件 ppt 作者 魏培海电子教案 第一章 紫外可见分光光度法 .ppt

'第一章紫外可见分光光度法利用物质对紫外可见光的吸收特征和吸收强度，对物质进行定性和定量分析的一种仪器分析方法。在化工、医药、冶金、环境监测等领域广泛应用。 了解紫外可见吸收光谱的产生理解化合物电子能级跃迁的类型和特点熟悉紫外可见分光光度计的工作原理掌握光吸收定律的应用及测量条件的选择掌握紫外可见分光光度法在定量分析中的应用知识目标 能解释物质产生的颜色能操作常见的紫外可见分光光度计能应用紫外可见分光光度法进行物质的定量分析能力目标 第一节基本原理一、光的基本特性二、光与物质的作用三、光谱吸收曲线四、光吸收定律 一、光的基本特性1．光的波动性光具有波动性：光的折射、衍射和干涉等;光属于电磁波(电磁辐射)，可在真空中传输;光速(真空中)：C=2.997×108m•s-1。 描述参数频率ν(赫兹，Hz)：每秒内振动的次数波长λ(m，cm，μm，nm)：相邻两个波峰或波谷间的直线距离波数σ(cm-1)：每厘米内波的振动次数 电磁波谱电磁辐射按波长顺序排列称为电磁波谱 2．光的粒子性光具有粒子性:光电效应光由光子(光量子)组成:光子具有能量光子的能量与光的频率或波长有关:E:焦耳(J)或电子伏特(eV)1eV=1.602×10-19Jh:普朗克常数6.626×10-34J·s 【例1-1】试计算波长为400nm的电磁辐射的能量。分别用焦耳和电子伏特表示。解： 思考试比较波谱区各种辐射的能量大小。 2．单色光、复合光和互补色光单色光：具有同一波长（或频率）的光。复合光：由不同波长的光组合而成的光；复合光可分离出单色光。可见光：能被肉眼感受到的光；波长范围：400～780nm。 日光：复合白光，由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等各种色光按一定比例混合而成。 互补色光：如果两种适当颜色的光按一定强度比例混合得到白光，则这两种颜色的光称为互补色光。 二、光与物质的作用光的发射、吸收、反射、折射、散射、干涉、衍射等。反射、折射、干涉、衍射等过程中，光的传播方向发生改变，但光与物质之间没有能量的传递。 1．光的吸收特点：在光的吸收过程中，光与物质之间会产生能量的传递。微观过程：能级跃迁。M(基态,E0)+hνM*(激发态,Ej)光吸收的条件：ΔE=Ej-E0 【例1-2】〗某分子中两个电子能级之间的能级差为1eV，若要电子在两个能级之间发生跃迁，需要吸收光的波长为多少nm？如果能级差为20eV，波长应为多大？解：对应能量的波长分别为： 由上述例题得出什么结论？结论：物质对光的吸收具有选择性。 2.物质颜色的产生如果完全吸收各种波长的光，则呈黑色；如果完全反射即没有光的吸收，则呈白色；如果选择性吸收了某些波长的光，则呈现的颜色与其反射或透过的光的颜色有关。光学现象：当一束白光照射到固体物质时 如果各种颜色的光透过的程度相同，则溶液无色透明；如吸收了某种波长的光，则溶液呈现的是它吸收的光的互补色。光学现象：当一束白光照射到溶液时 完全吸收完全透过吸收黄光 物质呈现的颜色与吸收光的对应关系 三、光谱吸收曲线1.紫外可见吸收光谱产生的机理分子内的三种运动形式电子运动:在不同分子轨道上；原子核之间的相对振动；分子本身绕其重心的转动。 分子内的三种能级电子能级：Ee振动能级:Ev转动能级：ErΔE 在光吸收受过程中，基于分子中电子能级的跃迁而产生的光谱，称为紫外—可见吸收光谱。紫外—可见吸收光谱 2.光谱吸收曲线用一连续波长的光以波长大小顺序分别照射分子，测定物质分子对各种波长光的吸收程度（用吸光度A表示）。实验测量：数据处理：以波长(λ)为横坐标，吸光度为纵坐标作图，得到A～λ关系曲线，即光谱吸收曲线，通常称为吸收光谱。 λmax吸收峰峰谷肩峰250300350400λ/nm1234A末端吸收特征：曲线形状峰的数目峰的位置峰的强度 图1-3KMnO4水溶液的吸收曲线。其中（a）、（b）、（c）对应的浓度分别为：1.4×10-2、2.8×10-2、5.6×10-2g/L。 同一种物质对不同波长光的吸光度不同；同一物质不同浓度的溶液，曲线形状相似，但一定波长处的吸光度随溶液的浓度增加而增大。物质定量分析的依据；不同物质吸收曲线的特性不同，与物质特性有关。物质定性分析的依据。谱线讨论 四、光吸收定律光的吸收程度与光通过物质前后的光的强度变化有关。 1.光强度、透光率和吸光度术语定义符号光强度单位时间(s)、单位面积(1cm2）上辐射光的能量，与光子的数目有关。I0:入射It:透射透光率透射光强度与入射光强度的比值（It/I0）T吸光度透光率的负对数-lg(It/I0）A吸光系数单位浓度、单位厚度是物质的吸光度,a 讨论T:0.00％～100.0％。T=0.00%表示光全部被吸收；T=100.0%表示光全部透过。A:0.00～∞。A=0.00表示光全部通过；A→∞表示光全部被吸收。 当一束平行单色光垂直通过溶液时，溶液对光的吸收程度与溶液浓度和液层厚度的乘积成正比。k为比例常数；b的单位为cm。2.朗伯-比耳吸收定律 K的讨论k的物理意义：液层厚度为1cm的单位浓度溶液，对一定波长光的吸光度。k愈大，表示吸收光的能力愈强，分光光度测定的灵敏度就愈高。k的单位及数值还与浓度采用的单位有关。浓度单位k的单位名称符号定量关系mol·L-1L·mol-1·cm-1摩尔吸光系数εε=aMM：物质的摩尔质量g·L-1L·g-1·cm-1质量吸光系数a 3.应用条件入射光必须为单色光；被测样品必须是均匀介质；在吸收过程中，吸收物质之间不能发生相互作用。 应用范围即适于紫外光、可见光，也适于红外光；即适于均匀非散射的液态样品，也适于微粒分散均匀的固态或气态样品；即可用于单组分分析，也可用于多组分的同时，测定吸光度具有加和性。 【例1-3】已知某化合物的分子量为251，用乙醇作溶剂将此化合物配成浓度为0.150mmol/L的溶液，在480nm波长处用2.00cm吸收池测得透光率为39.8%，求该化合物在上述条件下的摩尔吸光系数ε及质量吸光系数a。【解】已知c=0.150×10-3mol/L，b=2.00cm，T=0.398摩尔吸光系数：质量吸光系数： 4.朗伯-比耳定律的偏离现象 朗伯-比耳定律的局限性:浓度不高的溶液；非单色入射光引起的偏离:仪器因素；溶液本身发生化学变化引起的偏离。原因 第二节化合物的紫外可见光谱一、有机化合物的紫外可见光谱二、无机化合物的紫外可见光谱 光谱产生:由构成分子的原子的外层价电子跃迁所产生;电子跃迁:与分子的组成、结构以及溶剂等因素有关。一、有机化合物的紫外可见光谱 1．电子跃迁的类型分子轨道类型成键轨道：σ轨道、π轨道；反键轨道：σ*轨道、π*轨道；非键轨道：n轨道。图示 电子类型成键电子：σ电子、π电子；非键轨道：n电子。电子吸收光能，由低能极轨道跃迁到高能极轨道。npCOHH n**n→*→*n→*→*电子跃迁过程示意 →*发生范围：所有有机化合物；吸收光波长：<200nm；n→*发生范围：含N、O、S、P和卤素原子的有机化合物；吸收光波长：200nm附近； →*发生范围：含有不饱和键的有机化合物；如:C=C、C≡C吸收光波长：200nm附近；n→*发生范围：含有不饱和杂原子基团的有机化合物；既有键又有孤对电子；如：-C=O、-NO2,吸收光波长：近紫外区甚至可见去； 电荷转移跃迁发生范围：具有电子给予体和电子接受体化合物；吸收光波长：近紫外区甚至可见区；NR1R2hvNR1R2+电子接受体电子给予体 2．常用术语生色团定义：含有π键的结构单元举例：>C＝C<、—C≡C—、>C＝O—N＝N—、—N＝O、—C≡N电子跃迁：π→π*或n→π*跃迁 助色团定义：含有未共用电子对的杂原子基团举例：—NH2、—OH、—NR2、—OR—SH、—SR、—Cl、—Br作用原理：本身无生色功能，与生色团相连时，基团中的n电子与生色团中的π电子发生n—π共轭作用，使π→π*跃迁能量降低，跃迁几率变大，增强生色团的生色能力，使吸收波长向长波方向移动。 红移和蓝移红移：使化合物的吸收峰向长波长方向移动的现象。不饱和键之间的共轭效应、引入助色团或改变溶剂的极性，都会引起红移现象。蓝移：使化合物的吸收峰向短波长方向移动的现象称为蓝移（或紫移）。改变溶剂的极性会引起蓝移现象。 3．影响紫外可见吸收光谱的因素（1）共轭效应（2）容剂效应（3）溶液pH 共轭效应两个或两个以上不饱和键共轭时，由于共轭后π电子的运动范围增大，引起π*轨道的能量降低，π—π*跃迁的能级差ΔE减小，吸收光谱产生红移，同时摩尔吸光系数增大。 化合物溶剂λmax/nmεmax/L/mol·cmCH2＝CH－(CH2)－CH3己烷17711800CH2＝CHCH2CH2CH＝CH2异辛烷17826000CH2＝CH－CH＝CH2己烷21721000CH2＝CH－CH＝CH－CH＝CH2异辛烷26843000 溶剂效应使用的溶剂不同，同一种物质得到的光谱可能不一样。溶剂异辛烷氯仿甲醇水π—π*λmax/nm235238237243n—π*λmax/nm321315309305溶剂对异丙叉丙酮紫外吸收光谱的影响极性增加 np非极性极性n>pn→*跃迁：蓝移；；→*跃迁：红移；；非极性极性nnpn<pn 溶液pH不同pH的溶液中，分子或离子的解离形式可能发生变化，其吸收光谱的形状、λmax和吸收强度可能不一样。测定这些化合物的紫外可见光谱时，须注意溶液的pH。 4．常见有机化合物的紫外可见吸收光谱只能生σ→σ*跃迁，λ～150nm。可作为测定紫外－可见光谱时的溶剂。引入杂原子，可产生n→σ*跃迁，吸收波长变大。如：CH3I、CH3Br、CH3Cl、CH4的λmax分别为259nm、204nm、173nm、125nm。电负性越小，λmax越大。饱和烃及其取代衍生物 产生σ→σ*和π→π*跃迁。π→π*跃迁吸收光波长大，有实用价值。共轭烯烃，因共轭效应产生红移，共轭体系越大，吸收波长越长。不饱和烃及共轭烯烃 化合物溶剂λmaxεmax颜色1,3－丁二烯己烷21721,000无色1,3,5－己三烯异辛烷26843,000无色1,3,5,7－辛四烯环己烷304—无色1,3,5,7,9－癸五烯异辛烷334121,000微黄1,3,5,7,9,11－十二烷基六烯异辛烷364138,000微黄某些共轭多烯的吸收光谱特性 特征吸收带：180nm、204nm处产生E1、E2两个强吸收带，由苯环结构中三个π键环状共轭系统的跃迁产生。精细结构吸收带：230～270nm处出现B吸收带，由π→π*跃迁和苯环振动的重叠引起。对于稠环芳烃化合物，苯环的数目越多，λmax越大。苯及其取代衍生物 发生n→σ*、n→π*和π→π*跃迁，产生三个吸收带。n→π*跃迁所需要的能量较低，吸收波长进入近紫外光区或紫外可见光区。羰基化合物npCOHH 二、无机化合物的紫外可见光谱一些无机物也产生紫外-可见吸收光谱，其主要能级跃迁类型包括电荷转移跃迁和配位场跃迁。 电荷迁移跃迁电子接受体:配合物的金属中心离子(M);电子给予体:配位体(Ｌ)。max较大(104以上)，可用于定量分析。 配场跃迁过渡元素与配位体配合时，d或f轨道发生能级分裂。低能量轨道上的电子吸收外来能量，跃迁到高能量的d或f轨道，从而产生吸收光谱。 Co(H2O)62+、Ni(H2O)62+、Cu(NH3)42+等呈现出不同颜色，都是由配位场跃迁产生的。 一、主要组成元件二、紫外可见分光光度计的类型第三节紫外可见分光光度计的结构与原理 一、主要组成元件光源单色器吸收池检测器显示 1.光源作用：提供光能,使待测物质产生光吸收。要求：提供连续光谱、稳定性良好、使用寿命长、辐射强度随波长无明显变化。类型：辐射光源、气体放电光源 辐射光源种类：钨灯、卤钨灯：波长范围：360～1000nm应用：可见光分光光度计气体放电光源种类：氢灯、氘灯波长范围：160～375nm应用：紫外分光光度计紫外可见分光光度计需要同时安装两种光源 2.单色器作用：从复合光中分出波长可调的单色光。组成：入射狭缝、准光器、色散元件、聚焦元件和出射狭缝。类型：棱镜、光栅。 入射狭缝：光由此进入单色器；入射狭缝准直系统准直系统：使入射光成为平行光束；聚光元件：将所得单色光聚焦至出射狭缝；聚光元件色散元件色散元件：将复合光分解成单色光，棱镜或光栅；λ1λ2出射狭缝：将单色光比色皿。出射狭缝 玻璃棱镜适用于可见光区。石英棱镜适用于可用于紫外、可见光区。光栅可用于紫外、可见和近红外光谱区。 3.吸收池作用：光与物质发生作用的场所，要求吸收池能让入射光束通过。类型：玻璃池—只能用于可见光区；石英池—可用于可见光区及紫外光区。 4.检测器作用：利用光电效应将透过吸收池的光信号变成可测的电信号。类型：光电池、光电管、光电倍增管。 硒光电池SeFe(Cu)玻璃透过光Ag(Au)薄膜塑料优点：使用方便、便于携带（耐用、成本低）。缺点：电阻小，电流不易放大；响应较慢。只在高强度辐射区较灵敏；长时间使用后，有“疲劳”现象。 透过光阴极抽真空阳极直流放大90伏DC-+阴极表面可涂渍不同光敏物质。优点：电流易放大、响应快、应用广。缺点：有微小暗电流。真空光电管 光敏阴极倍增极阳极负电压光束优点：灵敏度高、响应快、适于弱光测定。缺点：暗电流大、需冷却、不得置于强光下。光电倍增管 5.信号处理及显示系统作用:放大信号、显示或记录信号。信号指示装置:有直流检流计、电位调零装置、数字显示及自动记录装置等。微处理机：对仪器进行控制，进行图谱储存和数据处理。 二、紫外可见分光光度计的类型单光束分光光度计双光束分光光度计双波长分光光度计 1.单光束分光光度计简单、价廉；测量给定波长处的吸光度或透光度；一般不能作全波段光谱扫描；要求光源和检测器具有很高的稳定性。 仪器复杂，价格较高；自动记录、快速全波段扫描；可消除光源不稳定、检测器灵敏度变化；等因素的影响；适合于结构分析。2.双光束分光光度计 3.双波长分光光度计将不同波长的两束单色光快速交替通过同一吸收池而后到达检测器。产生交流信号。无需参比池。两波长同时扫描即可获得导数光谱。 第四节紫外可见分光光度法的应用一、定性分析二、定量分析 一、定性分析有机化合物的鉴定结构推断纯度检验 1．未知化合物的定性鉴定依据：吸收光谱的形状、吸收峰的数目、位置和相应的摩尔吸光系数等。标准物光谱比较法：相同条件下，测定未知物和已知标准物的吸收光谱，进行图谱对比，如果二者的图谱完全一致，可初步认为待测物与标准物为同一种物质。标准谱图比较法：如果没有标准物，可借助紫外可见标准图谱或有关电子光谱数据资料进行比较。 2．有机化合物的结构推断化合物某些特征集团的判别。若在200～750nm区域内无吸收峰，则可能是直链烷烃、环烷烃、饱和脂肪族化合物或仅含一个双键的烯烃。若在270～300nm间有弱的吸收峰，且随溶剂极性增大而发生蓝移，则说明分子内含有羰基。若在184nm附近有强吸收带(E1带)，在204nm附近有中强吸收带(E2带)，在260nm附近有弱吸收带且有精细结构(B带)，说明含有苯环。 3．化合物的纯度检验如果某化合物在紫外区没有明显吸收峰，而其中的杂质有较强吸收峰，就能方便的检出该化合物中是否含有杂质。如：苯在256nm处产生B吸收带，而甲醇或乙醇在该处几乎没有吸收带，因此，要检验甲醇或乙醇中是否含有苯，可观察在256nm处是否有吸收带确定其中是否含有杂质苯。 二、定量分析基本原理：通过测定溶液对一定波长入射光的吸光度，依据朗伯-比耳定律，求出溶液中物质的浓度。应用范围：单组分、多组分。 1.单组分的定量分析在测定条件下，如果待测组分的吸光系数已知，可以测定溶液的吸光度，直接根据朗伯-比耳定律，求出组分的浓度或含量。吸光系数法（绝对法) 【例1-4】已知维生素B12的在361nm处的质量吸光系数为20.7L·g-1·cm-1。称取样品30.0mg，加水溶解后稀释至1000ml，在该波长处用1.00cm吸收池测定溶液的吸光度为0.618，计算样品溶液中维生素B12的质量分数。解：根据朗伯-比耳定律： 标准对照法预先配制浓度已知的标准溶液，要求其浓度Cs与待测试液浓度Cx接近。在相同条件下，平行测定试样溶液和标准溶液的吸光度Ax和As。由Cs可计算试样溶液中被测物质的浓度CxAx=εbCxAs=εbCs 标准曲线法配制一系列不同浓度的标准溶液。测定标准系列溶液的吸光度。绘制吸光度－浓度曲线，称为标准曲线（工作曲线或校正曲线）。在相同条件下测定试样溶液的吸光度，从校正曲线上找出与之对应的未知组分的浓度。 【例1-4】以邻二氮菲为显色剂，采用标准曲线法测定微量Fe2+。实验得到标准溶液和样品的浓度及吸光度数据，试确定样品的浓度。溶液标1标2标3标4标5标6样品浓度c×105（mol/L）1.002.003.004.006.008.00cx吸光度A0.1130.2120.3360.4340.6690.8680.712 解：得到回归方程为： 二、多组分的定量分析依据：吸光度具有加和性。测定试样中各种纯组分的吸收光谱，对比其最大吸收波长，并计算出对应的吸光系数。解方程，分别求各组分的含量。 1.两组分吸收光谱不重叠（互不干扰）两组分在各自λmax下不重叠→分别按单组分定量 2.两组分吸收光谱部分重叠λ1→测A1→y组分不干扰→按单组分定量测Cxλ2→测A2→x组分干扰→不能按单组分定量测Cy ３．吸收光谱相互重叠 第五节实验技术一、样品的制备二、仪器测量条件的选择三、显色反应条件的选择四、参比溶液的选择 一、样品的制备液体样品：选择合适的溶剂溶解。固体样品：溶剂直接溶解、酸熔融、碱熔融。溶剂：良好的溶解能力;在测定波长范围内没有明显的吸收;被测组分在溶剂中有良好的吸收峰形；挥发性小，不易燃，无毒性，价格便宜。 二、仪器测量条件的选择1．测量波长的选择：最大吸收原则：最大吸收波长为测量波长；如果λmax处吸收峰太尖锐,可选用灵敏度低的宽峰波长进行测量。2．吸光度范围的选择A的测量范围为0.2～0.8(T％为65～15％)3．仪器狭缝宽度的选择狭缝过宽，入射光的单色性降低，标准曲线偏离比耳定律，准确度降低；狭缝宽度过窄时，光强变弱，灵敏度降低。 三、显色反应条件的选择显色反应：将待测组分转化为有色物质的反应。显色剂：与待测组分形成有色物质的试剂称为。 1．显色剂及其用量的选择显色剂与待测离子反应生成组成恒定、稳定性强的产物；显色条件易于控制；产物对紫外可见光有较强的吸收能力；显色剂与产物的颜色差异要大； 显色剂用量：固定金属离子浓度，作吸光度随显色剂浓度的变化曲线，选取吸光度恒定时的显色剂用量。 2.反应的pH固定溶液中待测组分和显色剂的浓度，改变溶液pH，分别测定在不同pH溶液的吸光度A，绘制A～pH曲线，从中找出最适宜的pH范围。 Fe3+-水杨酸配合物与pH关系pH范围配合物组成颜色＜4Fe(C7H4O3)+（1:1）紫红色4～7Fe(C7H4O3)2－（1:2）棕橙色8～10Fe(C7H4O3)33－（1:3）黄色 3.显色的时间反应速度较慢的反应体系，需要有足够的反应时间；酸度、显色剂的浓度都会影响显色时间。 4.反应的温度吸光度的测量都是在室温下进行的，温度的稍许变化，对测量影响不大显色反应受温度影响很大时，需要进行反应温度的选择和控制。 四、参比溶液的选择吸光度测量的重要步骤：先要用参比溶液调节透射比为100％，以消除溶液中其他成分以及吸收池和溶剂对光的反射和吸收所带来的误差。 1.溶剂参比选用条件:当试样溶液的组成较为简单，共存的其他组分和显色剂对测定波长的光几乎没有吸收比溶液。目的：可消除溶剂、吸收池等因素的影响。 2.试剂参比选用条件：显色剂或其他试剂在测定波长有吸收，可按显色反应的条件，在溶剂中同样加入显色剂或其他试剂，制成参比溶液。目的：消除试剂中的组分产生吸收的影响。 3.试样参比选用条件：试样基体在测定波长有吸收，且与显色剂不起显色反应，可按与显色反应相同的条件处理试样，只是不加显色剂。目的：消除共存成分的影响。 4.平行操作溶液参比用不含被测组分的试样，在相同条件下与被测试样同样进行处理。 五、干扰及消除方法干扰物质本身有颜色或与显色剂形成有色化合物，在测定条件下有吸收；在显色条件下，干扰物质水解，析出沉淀使溶液混浊，致使吸光度的测定无法进行；与待测离子或显色剂形成更稳定的配合物，使显色反应不能进行完全。 1.控制酸度根据配合物的稳定性不同，可以利用控制酸度的方法提高反应的选择性2.选择适当的掩蔽剂选取的条件是掩蔽剂不与待测离子作用，掩蔽剂以及它与干扰物质形成的配合物的颜色应不干扰待测离子的测定。 3.利用惰性配合物例如钢铁中微量钴的测定常用钴试剂为显色剂。钴试剂与Co2+、Ni2+、Zn2+、Mn2+、Fe2+等都有反应，但它与Co2+在弱酸性介质中一旦完成反应后，即使再用强酸酸化溶液，该配合物也不会分解。而Ni2+、Zn2+、Mn2+、Fe2+等与钴试剂形成的配合物在强酸介质中很快分解，从而消除了上述离子的干扰，提高了反应的选择性。 4.选择适当的测量波长如K2Cr2O7存在下测定KMnO4时，KMnO4的最大吸收波长λmax为525nm，但在此波长下，Cr2O7-也会产生吸收，因此，可选择Cr2O7-无吸收的545nm的光，既可测定KMnO4溶液的吸光度，又可避免K2Cr2O7的干扰。 5.分离在上述方法不易采用时，也可以采用预先分离的方法，如沉淀、萃取、离子交换、蒸发和蒸馏以及色谱分离法(包括柱色谱、纸色谱、薄层色谱等)。'