仪器分析 第七章 紫外-可见吸收光谱法

仪器分析第七章紫外可见吸收光谱法知识总结，包括紫外-可见吸收光谱、紫外-可见分光光度计、紫外-可见吸收光谱法的应用等内容。

第七章 紫外-可见吸收光谱法

• 概述
  • 定义
    • 基于分子的价电子跃迁，吸收紫外-可见光谱区辐射能来研究物质的组成和结构的方法。
  • • 紫外光
      • 波长为10-400nm的电磁辐射
      • • 远紫外光
          • 10-200nm
          • 可被大气中的水汽、氮、氧和二氧化碳等所吸收，只能在真空中做研究
        • 近紫外光
          • 200-400nm
    • 可见光
      • 波长为400-780nm的电磁辐射，可被人的眼睛所感觉，呈现出一定的颜色
  • 该方法
    • 所用仪器简单、价廉
    • 分析操作比较简便
    • 具有较高准确度和分析速度
• 紫外-可见吸收光谱
  • • 三种电子跃迁的结果：σ电子、π电子、n电子。
    • 分子外层电子有形成σ键的σ电子，形成π键的π电子和未成键的n电子。
    • 受到光的照射基态电子吸收能量后变为激发态π*和σ*电子，同时产生吸收光谱。
  • 电子能级和跃迁类型
    • 当外层电子吸收紫外或可见辐射后，就从基态向激发态(反键轨道)跃迁。主要有四种跃迁
    • 所需能量ΔΕ大小顺序为：n→π＊< π→π＊< n→σ＊< σ→σ＊
    • 常用术语
      • 生色团
        • 最有效的紫外—可见光谱是由π→π*和n→π*跃迁产生的。这两种跃迁均要求有机物分子中含有不饱和基团。这类含有π键的不饱和基团称为生色团。
        • 简单的生色团由双键或叁键体系组成，如乙烯基、羰基、亚硝基、偶氮基—N＝N—、乙炔基、腈基—C三N等。
      • 助色团
        • 有一些含有n电子的基团(如—OH、—OR、—NH２、—NHR、—X等)，它们本身没有生色功能(不能吸收λ>200nm的光)，但当它们与生色团相连时，就会发生n—π共轭作用，增强生色团的生色能力(吸收波长向长波方向移动，且吸收强度增加)，这样的基团称为助色团。
      • • 有机化合物的吸收谱带常常因引入取代基或改变溶剂使最大吸收波长λmax和吸收强度发生变化
        • • 红移
            • λmax向长波方向移动称为红移
          • 蓝移
            • λmax向短波方向移动称为蓝移
        • • 增色效应
            • 吸收强度即摩尔吸光系数ε增大的现象
          • 减色效应
            • 吸收强度即摩尔吸光系数ε减小的现象
    • 跃迁类型
      • σ→σ＊跃迁
        • 分子中形成单键的电子为σ电子，σ电子只有吸收远紫外光的能量才能发生跃迁；所需能量最大。
        • 饱和烷烃的分子吸收光谱出现在远紫外区；吸收波长λ<200 nm
        • 例
          • 甲烷的λmax为125nm , 乙烷λmax为135nm。只能被真空紫外分光光度计检测到； 通常作为溶剂使用
      • n→σ＊跃迁
        • 含非键电子（未共用电子对）的饱和烃衍生物(含N、O、S和卤素等杂原子)均可发生n→σ*跃迁。
        • 所需能量较大。吸收波长为150～250nm，大部分在远紫外区，近紫外区仍不易观察到。
      • π→π＊和n→p*跃迁
        • • 在含有不饱和键如烯烃、炔烃、羰基和氮氮双键等的有机物分子中含有p电子，可以发生p→p*跃迁。
          • 若形成不饱和键的原子含有非键电子，也能发生n→p*跃迁。
        • n→p*跃迁比p→p*跃迁所需能量小，吸收波长要长些。
        • 但两类的吸收波长都处于远紫外区的近紫外端或近紫外区，都大于200nm，p→p*跃迁的εmax一般在10^4L·mol－1·cm－1以上，属于强吸收。
    • • 不饱和烃及共轭烯烃
        • 不饱和烃类分子中含有σ和π键，可以产生σ→σ*和π→π*跃迁。
        • 当不饱和烃分子中有两个以上双键时，随着共轭系统的延长，π→π*跃迁的吸收带将明显向长波移动，吸收强度也随之加强。
        • 在共轭体系中，π→π*跃迁产生的吸收带称为R带。
      • 羰基化合物
        • 羰基化合物含有>C=O 基团，可以产生n→σ*，n→π*和π→π*三个吸收带。n→π*吸收带又称K带，落于近紫外或紫外光区。
        • 醛酮的n→π*吸收带出现在270~300nm附近，但对于α，β-不饱和醛酮类化合物，由于羰基与乙烯基共轭（π→π共轭），使π→π* 和n→π*吸收带分别红移至220~260nm（强度高）和310~330nm（强度低），该特征可用于识别α，β-不饱和醛酮。
        • 羧酸及其衍生物由于羰基上的碳原子直接连接含有未共用电子对的助色团上的n电子与羰基双键的π电子产生n→π共轭，使n→π*吸收带蓝移至210nm左右。
      • 苯及其衍生物
        • 苯有三个吸收带
          • （均由π→π*跃迁引起）
          • • E1带（强）：180nm
            • E2带（较强）：204nm
            • B带（弱）255nm
        • 当苯环上有取代基，苯的三个特征吸收谱带都将发生显著变化，尤其是E2带和B带。
        • 苯环上助色团对吸收带的影响
        • 苯环上生色团对吸收带的影响
  • 溶剂对吸收光谱的影响
    • 溶剂对电子光谱的影响较为复杂。改变溶剂的极性，会引起吸收带形状的变化；改变溶剂的极性，还会使吸收带的最大吸收波长发生变化。
    • • 对最大吸收波长的影响
        • n→p*跃迁：蓝移
        • p→ p*跃迁：红移
      • 对精细结构和吸收强度的影响
        • 极性溶剂使精细结构消失
        • 非极性→极性
    • 选择溶剂应注意
      • 尽量选用低极性或非极性溶剂，以获得特征精细结构。
      • 能很好地溶解被测物，并且形成的溶液具有良好的化学和光化学稳定性
      • 溶剂在样品的吸收光谱区无明显吸收
      • 比较未知物质与已知物质的吸收光谱时，必须采用相同的溶剂
  • 无机化合物的吸收光谱
    • 产生机理
      • d-d配体场跃迁
        • 在配体的作用下过渡金属离子的d轨道发生能级分裂，吸收辐射后，产生d一d跃迁
        • 必须在配体的配位场作用下才可能产生，也称配位场跃迁
        • 摩尔吸收系数ε很小，对定量分析意义不大
      • 金属离子影响下的配位体内电子跃迁
        • 金属离子的影响，将引起配位体吸收波长和强度的变化。变化与成键性质有关，若共价键和配位键结合，则变化非常明显。
      • 电荷转移吸收光谱
        • 电荷转移跃迁：辐射下，分子中原定域在金属M轨道上的电荷转移到配位体L的轨道，或按相反方向转移，所产生的吸收光谱称为荷移光谱
• 紫外-可见分光光度计
  • 基本组成
    • 光源
      • 在整个紫外光区或可见光谱区可以发射连续光谱，具有足够的辐射强度、较好的稳定性、较长的使用寿命。
      • • 可见光区
          • 钨灯作为光源，其辐射波长范围在320-2500 nm。
        • 紫外区
          • 氢、氘灯。发射185-400 nm的连续光谱。
    • 单色器
      • 将光源发射的复合光分解成单色光并可从中选出任一波长单色光的光学系统。
      • ①入射狭缝：光源的光由此进入单色器
      • ②准光装置：透镜或反射镜使入射光成为平行光束
      • ③色散元件：将复合光分解成单色光（棱镜或光栅）
      • ④聚焦装置：透镜或凹面反射镜，将分光后所得单色光聚焦至出射狭缝
      • ⑤出射狭缝
    • 吸收池
      • 样品室放置各种类型的吸收池（比色皿）和相应的池架附件。吸收池主要有石英池和玻璃池两种。在紫外区须采用石英池，可见区一般用玻璃池。
    • 检测器
      • 利用光电效应将透过吸收池的光信号变成可测的电信号，常用的有光电池、光电管或光电倍增管。
    • 结果显示记录系统
      • 检流计、数字显示、微机进行仪器自动控制和结果处理
  • 分光光度计的类型
    • • 单光束
        • 简单，价廉，适于在给定波长处测量吸光度或透光度，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
      • 双光束
        • 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，特别适合于结构分析。仪器复杂，价格较高。
      • 双波长
        • 将不同波长的两束单色光(λ1、λ2) 快速交替通过同一吸收池而先后到达检测器，产生交流信号。无需参比池。△λ= 1-2nm。两波长同时扫描即可获得导数光谱。
• 紫外-可见吸收光谱法的应用
  • 定性分析
    • emax：化合物特性参数，可作为定性依据
    • 有机化合物紫外吸收光谱
      • 反映结构中生色团和助色团的特性，不完全反映分子特性
      • 结构确定的辅助工具
    • emax ，λmax都相同，可能是一个化合物
    • 标准谱图库：46000种化合物紫外光谱的标准谱图
  • 定量分析
    • 依据：朗伯-比耳定律—分子吸收光谱定量分析的基本定律，它指出：当一束单色光穿过透明介质时，光强度的降低同入射光的强度、吸收介质的厚度以及光路中吸光微粒的数目成正比。
    • • 吸光度
      • 透光度
      • 注
        • 1. 化合物的摩尔吸收系数ε与所用波长、温度和溶剂特性有关
        • 2. 为了补偿入射光和透射光损失的影响，在实际测量中，采用在另一等同的吸收池中放入溶剂作为参比
        • 3. 吸光度具有加和性
  • 有机化合物结构辅助解析
    • （1）220-280nm无吸收峰。表明为饱和化合物，单烯，即不含苯环、共轭双键、醛基、酮基、溴和碘等基团。
    • （3）270-300nm有随溶剂极性增大而向短波方向移动的弱吸收带，表明有羟基存在。
    • （4）250-300nm有中等强度的吸收峰（ε=200-2000），芳环的特征吸收（具有精细结构的B带）。