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第09章 UV-Vis

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仪器分析-UV-vis

仪器分析-UV-vis

《仪器分析》华中农业大学食品科技学院仪器分析教研室( 刘晓宇)仪器分析是食品科学与工程专业和食品安全专业的基础课程之一，是测定物质的化学组成、含量、状态和进行科学研究与质量监控的重要手段。

课程内容既有成分分析又有结构分析，既有无机分析又有有机分析。

它是从事化学、生物、地质、食品分析等学科工作人员的基础知识。

通过本课程的学习，使学生能基本掌握常用仪器分析方法，初步具有应用此类方法解决相应问题的能力。

常用仪器分析方法是：原子发射光谱法、原子吸收光谱法、紫外-可见吸收光谱法、红外吸收光谱法、核磁共振波谱法、、色谱法、质谱法等。

通过本课程的学习，学生对这些方法的原理、仪器结构及其应用要有基本的理解。

具体的要求可归纳为：1．理解各分析方法的原理。

如定性、定量分析的依据，有关的定律、公式及其应用。

2．知道有关仪器的结构。

如仪器由几部分组成，有哪些重要部件，简单工作过程。

3．了解各方法的特点、应用范围及局限性，能根据实际问题，选择合适的方法。

4．掌握各方法的分析步骤和数据处理。

了解各方法对样品的要求与样品的处理，实验条件的选择，基本数据的运用，分析数据的处理。

第一章绪论授课主要内容第一节仪器分析简介一、仪器分析和化学分析分析化学(a n a l y t i c a l c h e m i s t r y)是研究物质化学组成的测量和表征的科学。

主要任务是鉴定物质的化学组成、结构和测量有关组分的含量。

是研究物质及其变化的重要方法。

•化学分析：以物质的化学反应为基础的分析方法。

•仪器分析（物理物化分析）：以物质的物理和物理化学性质(光、电、热、磁等)为基础的分析方法这类分析方法一般要依靠仪器来完成，故习惯上称为仪器分析。

二、仪器分析方法的分类（一）光学分析法(spectroscopic analysis)以物质的光学性质（吸收，发射，散射，衍射）为基础的仪器分析方法。

包括原子吸收光谱法、原子发射光谱法、紫外-可见吸收光谱法、红外光谱法、核磁共振波谱法等。

UV-Vis

UV-Vis

溶剂
乙醚 水
λmax
417 343 238 254 203.5 261 200 225 7000
C2H5CH＝NC5H6 异辛烷 ＝ 苯 水 水
CH3
甲苯
助色团 Auxochromous group
－F<－CH3<－Cl<－Br<－OH<－OCH3<－NH2< － － － － － － －NHCH3< －N(CH3)2 <－NHC6H5<－O－ － －
E带（I，E1） 带 ， E带（K，E2） 带 ， 精细结构 B带（III） 带 ） I带 带 E带 带 II带 带 K带 带 III带 带 B带 带
E1带 E2带 B带 带 180 204 255 6.0x104 8.0x103 2.0x102
苯的同系物的吸收光谱
苯环共轭的影响
B带，λmax 带 苯 萘 蒽 丁省 戊省 256 314 380 480（黄） （ 580（蓝） （
4.1 紫外 可见吸收光谱概述（5） 紫外-可见吸收光谱概述 可见吸收光谱概述（ ）
定量分析基础
标准曲线 标准加入
4.1 紫外 可见吸收光谱概述（6） 紫外-可见吸收光谱概述 可见吸收光谱概述（ ）
电子能级与电子跃迁
HCHO σ σ π σ n
成键轨道： σ、 π 成键轨道： 反键轨道： 、 反键轨道： σ*、π* 非键轨道 ： n
键共轭） （带孤对电子的杂原子与其他π键共轭） 带孤对电子的杂原子与其他 键共轭
n→π* 跃迁 π
ε
λmax/nm
CH3COOH CH3CONH2 CH3N＝NCH3 ＝ CH3－NO2 CH3COCH3 饱和醛酮 204 214 339 280 186 280 280～300 ～

仪器分析第六章UV-VIS

仪器分析第六章UV-VIS

因此，这类化合物一般在远紫外区（ ～ 因此，这类化合物一般在远紫外区（10～ 200nm）才有吸收带，在200～800nm范 ）才有吸收带， ～ 范 围内无吸收。因此，饱和烃在紫外-可见吸 围内无吸收。因此，饱和烃在紫外 可见吸 收光谱分析中常用作溶剂。 收光谱分析中常用作溶剂。 化合物中的氢被O、 、 （2）当饱和单键 ）当饱和单键C-H化合物中的氢被 、N、 化合物中的氢被 S、X等杂原子取代时，最大吸收波长向长 等杂原子取代时， 、 等杂原子取代时 波长方向移动（红移）， ），但一般还在远紫 波长方向移动（红移），但一般还在远紫 外区。 外区。 这类化合物也常用作溶剂。如甲醇、 这类化合物也常用作溶剂。如甲醇、乙醇 等。
本章主要内容
概述 6.1 分子吸收光谱基本原理 6.2 有机化合物紫外 可见吸收光谱 有机化合物紫外—可见吸收光谱 6.3 无机化合物紫外 可见吸收光谱 无机化合物紫外—可见吸收光谱 6.4 溶剂对紫外 可见吸收光谱的影响 溶剂对紫外—可见吸收光谱的影响 6.5 紫外 可见分光光度计 紫外—可见分光光度计 6.6 紫外 可见吸收光谱的应用 紫外—可见吸收光谱的应用
三、各类有机化合物紫外-可见吸收光谱 各类有机化合物紫外 可见吸收光谱 现根据电子跃迁类型来讨论有机化合物中 较为重要的一些紫外-可见吸收光谱 可见吸收光谱， 较为重要的一些紫外 可见吸收光谱，由此 可以看到紫外-可见吸收光谱与分子结构的 可以看到紫外 可见吸收光谱与分子结构的 关系。 关系。 1.饱和烃 饱和烃 （1）甲烷、己烷、环己烷等饱和单键C-H ）甲烷、己烷、环己烷等饱和单键 化合物只有σ键电子，ΔE最大，只有吸收 化合物只有σ键电子， 最大， 很高的能量后，才能产生σ→σ*跃迁。 跃迁。 很高的能量后，才能产生 跃迁

4-UV-VIS吸光光度法解析

4-UV-VIS吸光光度法解析
向短波方向移动称为蓝移 (或紫
移)。吸收强度即摩尔吸光系数ε
增大或减小的现象分别称为增色效 应或减色效应，如图所示。
2.金属配合物的紫外—可见吸收光谱
金属离子与配位体反应生成配合物的颜色一般不同于游离金属离子 (水合离子)和配位体本身的颜色。金属配合物的生色机理主要有三种类 型：
⑴配位体微扰的金属离子d一d电子跃迁和ｆ一ｆ电子跃迁
(三)操作简便，测定速度快
(四)应用广泛 几乎所有的无机离子和有机化合物都可 直接或间接地用吸光光度法进行测定。
紫外吸收光谱：电子跃迁光谱，吸收光波长范围 200400 nm（近紫外区） ，可用于结构鉴定和定量 分析。
可见吸收光谱：电子跃迁光谱，吸收光波长范围 400750 nm ，主要用于有色物质的定量分析。
摩尔吸收系数ε很小，对定量分析意义不大。
⑵金属离子微扰的配位体内电子跃迁
金属离子的微扰，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，若静电引力结合，变化一般很小。若共价键和配位键结合， 则变化非常明显。
⑶电荷转移吸收光谱
在分光光度法中具有重要意义。
电荷转移吸收光谱
当吸收紫外可见辐射后，分子中原定域在金属M轨道上电荷的转移
分子具有三种不同能级：电子能级、振动能级和转动能级 三种能级都是量子化的，且各自具有相应的能量 分子的内能：电子能量Ee 、振动能量Ev 、转动能量Er
即 E＝Ee+Ev+Er ΔΕe>ΔΕv>ΔΕr
能级跃迁
紫外-可见光谱属于电子 跃迁光谱。
电子能级间跃迁的同时 总伴随有振动和转动能级间 的跃迁。即电子光谱中总包 含有振动能级和转动能级间 跃迁产生的若干谱线而呈现 宽谱带。
二、紫外可见吸收光谱

第09章 UV-Vis

第09章 UV-Vis
第9 章
紫外-可见吸收光谱法 P270
Chapter 9 Ultraviolet and visible Spectroscopy, UV-Vis
本章内容
分子能级及紫外（可见）光谱的产生
紫外及可见光谱仪
紫外及可见光谱法的应用
9.1
分子能级及紫外光谱的产生
9.1.1分子能级
分子有三种运动方式 · 形成化学键的电子云形状变化 · 化学键振动 · 分子沿某一轴转动 对应有三种能级 电子能级 振动能级 转动能级
O C O C2H5
本章总结
1 紫外可见光谱的形成 1）有机化合物的分子能级 2）紫外可见光谱的产生，哪些化合物有紫外 吸收 2 紫外可见光谱仪 1）紫外可见光谱仪的组成部分 2）部件名称，特点 3 紫外可见光谱法应用 1）单组分定量分析 2）多组分定量分析 3）紫外可见光谱法定性分析
1）简单分子 A 饱和有机化合物：饱和烃，醇，醚。不吸收或吸 收极弱，可作为溶剂 B 非共轭烯，炔：无紫外吸收 C 含不饱和杂原子的化合物：有吸收（下页） 2）含共轭体系的分子 （见后） 3）芳香族化合物（见后）
2 紫外光谱的定性分析
1） 验证已知物
被测样品做紫外光谱
·查化合物标准紫外光谱图 进行比较
紫外光谱仪光路图
9.3
吸收定律
朗伯-比尔定律 Beer’s Law A = bc
b T=I/I0
I0
I
A= -lgT
Transmittance 透光率

Absorbance 吸光度
9.4
紫外（可见）光谱法应用
9.4.1定量分析
1、单组份定量分析
2、多组份定量分析
1.
A A3
单组份定量分析

UV-vis

UV-vis
有机化合物的紫外-可见吸收光谱
刘丹 Email：daniellliu@
0 课程引入
问题
为什么硫酸铜溶液呈现蓝色呢？ 而高锰酸钾水溶液呈现出紫红色呢？
原因
单色光
复色光
互补光
由于溶液对光的选择性吸收引起的，溶液呈现的是被吸收光的互补色。
如何更精确地说明物质具有选择性吸收不同波长的光的性质？ 最大吸收峰 吸收曲线测定方法
E带
由环状共轭系统π-π*跃迁产生，芳香族化合物的 特征吸收带 E1 180nm εmax>104 L·mol-1 ·cm-1 （常观察不到） E2 >200nm εmax=7000 L·mol-1 ·cm-1,强吸收 苯环有发色团取代且与苯环共轭时，E2带与 K带合并一起红移
E2带和K带合并，并一起红移，且吸收强度增大
4.0 3.5
B带精细结构减弱 B带精细结构消失 且显著红移
E2带红移
3.0 2.5
苯苯苯 苯 苯苯
A
2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 200 250 300 350 400
E2带 R带吸收强度太 弱 未观测到
B带 弱吸收带 有精细结构
λ (nm)
苯、苯酚、苯乙酮在正庚烷中的紫外吸收光谱
极性增大，K带红移，E2带和K带分开
n-σ* ： 含 有 孤 对 电 子 的 分 子 ， 如 H2O(167nm) ； CH3OH(184nm) ； CH3Cl (173nm); CH3I(258nm) ； (CH3)2S(229nm) ； (CH3)2O(184nm); CH3NH2(215nm) ； (CH3)3N(227nm)，大多数波长仍小于 大多数波长仍小于200nm。
R带
由含杂原子的不饱和基团的n →π*跃迁产生 如C＝O；C＝N；—N＝N— 250 nm<λmax<400 nm 弱吸收带，εmax<100 L·mol-1 ·cm-1 溶剂极性增大，λmax蓝移

(UV-Vis)紫外-可见吸收光谱分析..

紫外－可见吸收光谱法
物质对光的吸收具有选择性，当改变通过某一物质的 入射光的波长，并且记录该物质在每一波长处的吸光 度时，这样就可以获得该物质的吸收光谱。
由于分子中电子能级的范围刚好在紫外-可见光（200800nm）波段，因此当入射光的波长在200-800nm时， 所获得的吸收光谱就是紫外-可见吸收光谱。
i 1
a i 是在小单元体积中第i种吸光分子对指定频率的光
子的吸收截面，
dni是在小单元体积中第i种吸光分子的数目， m是能 m 吸光的分子的种类。因此： dI ai dni

x
Ix

i 1
s
当光束通过厚度为b的吸收层时，产生的总的吸光度等 于在全部吸收层内吸收的总和，对上式积分得到：
i i I0 ln i 1 I s I0 A log 吸光度是指吸光体对光的吸收程度，通常人们用 I
间接禁带 光的吸收是和电子的间接跃迁相关
1.允许的直接跃迁 直接跃迁指的是半导体材料价带中的电子在吸收一 个光子能量后，直接从价带跃迁到相同波失的导带 中，根据绝热近似和单电子近似，通过直接跃迁能 量和波矢的关系，以及对吸收光谱进行计算，可以 获得吸收系数和光子能量的关系:

B(hv E g )
固体中的吸收规律
I0 A log bC I
是物质对光的吸收的基本规律。
不仅适用于溶液，而且能很好的适用于固体和气体。
C 定义为 当光在固体中传播时，由于C是常数，
另外，光通过吸光体的长度b相当于样品的厚度d，
因此：
I0 I0 A log d ed I I 0 e d I I
一. 紫外-可见吸收光谱的基本概念和基本原理 二. 紫外-可见吸收光谱的方法和设备 三.紫外-可见吸收光谱在半导体材料中的应用

UV-Vis原理及应用概述 ppt课件


特点：① n→π*跃迁的能量最小，处于长波方
向，一般λmax>270nm
② 跃迁的几率小，吸收强度弱，ε<100
ppt课件
28
（CH3 ）2 -C=O λmax=280nm ε max=16
CH3NO2
λmax=280nm ε max=22
CH3(CH2)7CNO λmax=370nm ε max=55
ppt课件
16
电子跃迁类型不同，实际跃迁需要的能量不同， 吸收能量的次序为：
σ→σ*＞n→σ*≥π→π*＞n→π* σ→σ* ～150nm n→σ* ～200nm π→π* ～200nm n→π* ～300nm
ppt课件
17
常见电子跃迁所处的波长范围及强度
ppt课件
18
实例
下列结构中所需能量最低和最高的跃迁类 型？ CH2=CHCH= CH2 CH3-CH=CH-CHO
Lambert：λ、c一定时：A∝l
Beer： λ、 l一定时：A∝c 合并两式：A ∝ l ·c
（c为吸光物质浓度，l为透光液层厚度）
Lambert-Beer定律的物理意义：当一束平行单
色光通过含有吸光物质的稀溶液时，溶液的吸光
度与吸光物质浓度、液层厚度乘积成正比。
ppt课件
43
朗伯 Lambert
溶剂 正庚烷 正庚烷 乙醇 水 正己烷 乙醇 异辛酯204 214 186 339，665 280 300，665 270
max
13000 10000 41 60 1000 150000 22 100 12
跃迁类型
* * n* n*
n*，n*
n*， n* n* n*
ppt课件

现代仪器分析(UV-Vis)


*），跃迁能量较高，这些跃迁所产生的吸收谱多位于真空紫外区，因
而在此不加讨论。 只有 -*和 n-*两种跃迁的能量小，相应波长出现在近紫外区甚至 可见光区，且对光的吸收强烈，是我们研究的重点。
现代仪器分析 —— UV-Vis
• • • • • • • • •
2、几个概念 —— 生色团、助色团、红移、紫移 3、芳香族化合物的吸收光谱 （1）苯的吸收光谱（E1、E2 、B） （2）烷基取代 — 使B带稍向长波移动； （3）助色团取代 — 使E、B带红移，强度增加； （4）生色团取代 — 使B带显著红移（见表）； （5）稠环芳香族化合物 — 共轭越大，红移越多； （6）杂环芳香族化合物 — 与相对应的芳族类似（见）
• 2、测定条件的选择
• （1）波长的选择 • —— 一般为最大吸收波长（灵敏、稳定） • （2）狭缝的选择 • —— 影响灵敏度和线性范围（不减少A的最大狭缝） • （3）吸光度的选择 • —— 吸光度在0.2 – 0.8 时，测量误差最小
由L-B定律：
A lg T bc
d lg T 0.434
围内。
现代仪器分析 —— UV-Vis
• • •
3、反应条件的选择 —— 多数测定均经显色，使：更灵敏、高选择性、 组成恒定稳定等（与显色剂颜色不同）。
• （1）溶液的酸度 — 影响吸收曲线 • NaH2PO4 + HCl (pH = 3) • NaAc + HCl (pH = 5) • KH2PO4 + NaOH (pH = 7) • H3BO3 + KCl (pH = 9) • H3BO3 + NaOH (pH = 11)
• 二、仪器结构与原理
• • • • • • • •

第11章--紫外可见分光光度法(UV-VIS


解： c(Fe)=1.0 mg/L=1.0×10-3 g/L /55.85g/mol =1.8×10-5mol/L
=
0.38 2 1.8 10-5
= 1.110（4 L mol-1
cm-1）
S=M/ =55.85/1.1×104=0.0051 (g/cm2)
§11.3 紫外—可见分光光度计
紫外-可见分光光度计一般包括光源、单色器、吸 收池和检测显示几部分，基本结构如下：
吸光度的加合性
在多组分体系中如果各吸光物质之间无相互作用这时 体系总的吸光度等于各个吸光物质的吸光度之和。
A＝ Ai
吸光度的测量： 用参比溶液调T=100%（A=0），再测样品溶液 的吸光度，即消除了吸收池对光的吸收、反射， 溶剂、试剂对光的吸收等。
§11.2 光吸收基本定律:
A Kbc Lambert-Beer定律
2b
显示器
0.00
0.10
吸光度与浓度的关系 A = Kbc
检测器
比
光源
尔
参
定
比
律
(1852)
c
0.20
2c
吸光系数(K) c：mol / L
c：g / L c：g / 100 mL
物质的性质 入射光波长 温度
与浓度无关,取值与浓度的单位相关
K 摩尔吸光系数，L ·mol –1 ·cm -1
= c ； 波数 = 1/ = /c
微粒性 光是由光子流组成，光子的能量：
E h
h－普朗克(Planck)常数 6.626×10-34J·s
－频率
E－光量子具有的能量 单位：J(焦耳)，eV(电子伏特) 1eV=1.602×10－19 J
波粒二象性
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2 ：在1处组分2的摩尔吸收系数，可测
1
1
2
2
2
：在2处组分2的摩尔吸收系数，可测
解方程，求出C1，C2
9.4.2
1
定性分析
各类化合物的紫外吸收 1）简单分子 2）含共轭体系的分子
3）芳香族化合物
2 紫外光谱法定性分析
1）验证已知物
2） 判断异构体
3） 推断未知物结构
1 各类化合物的紫外吸收
紫外光谱仪光路图
9.3
吸收定律
朗伯-比尔定律 Beer’s Law A = bc
b T=I/I0
I0
I
A= -lgT
Transmittance 透光率
Absorbance 吸光度
9.4
紫外（可见）光谱法应用
9.4.1定量分析
1、单组份定量分析
2、多组份定量分析
1.
A A3
单组份定量分析
A C3
含有共轭双键、苯环、羰基等生色基团的有机化合物，
在受到一定波长的紫外（或可见）光照射时，会产生
吸收。不同的官能团有不同的特征吸收，这种特征吸
收峰即化合物的紫外（可见）吸收光谱。 生色基团chromophore
·含有共轭体系，会使吸收波长红移 共轭体系越长，红移程度越大。 C=C 吸收在175nm
C=C-C=C吸收在213nm
1）简单分子 A 饱和有机化合物：饱和烃，醇，醚。不吸收或吸 收极弱，可作为溶剂 B 非共轭烯，炔：无紫外吸收 C 含不饱和杂原子的化合物：有吸收（下页） 2）含共轭体系的分子 （见后） 3）芳香族化合物（见后）
2 紫外光谱的定性分析
1） 验证已知物
被测样品做紫外光谱
·查化合物标准紫外光谱图 进行比较
《The Sadtler Standard Spectra UV》 ·利用标准物做UV图 注意实验条件： 进行比较 溶剂 pH
2）
判断异构体
CH3
O CH3 C CH2 CH2 O C CH3
CH3
O CH3 CH2 C O C CH2 CH3
O H CH3 C C H
O C O C2H5
OH CH3 C C H
1.σ-σ*跃迁能级差大，产生σ-σ*跃迁
需要光波长 2.n-σ*跃迁能级差大, 150nm 160-200nm
3.π-π*跃迁能级差小, 产生π-π*跃迁
需要光波长 160-250nm
4.n-π*跃迁能级差最小, 200nm以上
1、饱和烃（P273） 助色基团（使红移的杂原子基团） 2、不饱和脂肪烃（P274）
A2
A1 C2 C1
பைடு நூலகம்

C
2.
A
多组份定量分析
1
2 1 1
2

1
2
A1 1 C b 1 C b
1 1 2 2
A2 2 C b 2 C b
1 1 2 2
A1 ：1处的总吸收 A ： 处的总吸收 2
2
1
1
：在1处组分1的摩尔吸收系数，可测 ：在2处组分1的摩尔吸收系数，可测
第9 章
紫外-可见吸收光谱法 P270
Chapter 9 Ultraviolet and visible Spectroscopy, UV-Vis
本章内容
分子能级及紫外（可见）光谱的产生
紫外及可见光谱仪
紫外及可见光谱法的应用
9.1
分子能级及紫外光谱的产生
9.1.1分子能级
分子有三种运动方式 · 形成化学键的电子云形状变化 · 化学键振动 · 分子沿某一轴转动 对应有三种能级 电子能级 振动能级 转动能级
1 仪器组成Components of instrument：
光 源 Sources ： 钨 灯 Tungsten lamp ， 重 氢 灯
Deuterium (or hydrogen) lamp
分光器：光栅
吸收池：石英吸收池 检测器Detector：光电倍增管， 二极管阵列检测器
2 3
光路图 单光束 双光束 工作原理
电子能级
振动能级
转动能级
· 使电子能级变化需要的能量是1~20ev 相当于紫外及可见光能量范围 · 使振动能级变化需要的能量是0.05~1ev 相当于红外光能量范围 · 使转动能级变化需要的能是为0.05ev以下 相当于远红外光能量范围
9.1.2
分子吸收光谱
·用紫外（可见）光照射有机分子，分子吸收
紫外（可见）光后，从电子能级基态跃迁到激发 态，得到紫外（可见）吸收光谱 ·用红外光照射有机分子，分子从振动能级基态 跃迁到激发态，可产生红外吸收光谱 ·用远红外光照射有机分子，分子从转动能级基 态跃迁到激发态，可产生远红外吸收光谱
· 紫外（可见）光谱，红外光谱，远红外光
谱是分子能级变化形成的，称为分子光谱 ·电子能级变化时，必然伴随着振动能级的
变化，振动能级的变化又伴随转动能级的 变化，因此，分子光谱不是线状光谱，而 是带状光谱。
9.1.3
紫外及可见光谱的产生 P272
·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
σ*
π*
n π σ
电子能级和跃迁类型 Electronic molecular energy levels
O C O C2H5
本章总结
1 紫外可见光谱的形成 1）有机化合物的分子能级 2）紫外可见光谱的产生，哪些化合物有紫外 吸收 2 紫外可见光谱仪 1）紫外可见光谱仪的组成部分 2）部件名称，特点 3 紫外可见光谱法应用 1）单组分定量分析 2）多组分定量分析 3）紫外可见光谱法定性分析
3、芳香烃（P278） 精细结构 苯、萘、蒽
溶剂对紫外吸收光谱的影响 （溶剂效应）P280
1、溶剂和溶质间形成氢键，或者溶剂的偶极使溶 质极性增强，引起n-π *和π -π *，引起波长变化。 例：亚异丙基丙酮 2、精细结构 例：苯酚的精细结构。 应尽量选择极性小的溶剂。
9.2 紫外及可见分光光度计Ultravioletvisible spectrophotometer （P281）