新編儀器分析第四版第二章分子吸光分析法

1第二章分子吸光分析法2第一節(jié)光譜分析法導論光譜分析法：基于物質(zhì)對不同波長光的吸收、發(fā)射等現(xiàn)象建立的分析法。光譜：光的不同波長成分及強度分布按波長或波數(shù)次序排列的記錄，描述物質(zhì)吸收或發(fā)射光的特征，給出有關組成、含量和結(jié)構(gòu)。3光譜分析法原子光譜分子光譜原子吸收光譜原子發(fā)射光譜分子發(fā)光光譜分子吸收光譜（分子熒光、磷光、化學發(fā)光）(UV-Vis、IR)4一、分子能級能級：分子具有的不同運動狀態(tài)對應的能量值，每一種分子都有特定的能級數(shù)目與能級值，這些能級值是量子化的。基態(tài)：分子處于最低能級的狀態(tài)。激發(fā)態(tài)：分子從外界獲得能量而躍遷至較高能級的狀態(tài)。光致激發(fā):處于基態(tài)的分子受到光的能量激發(fā)，選擇性吸收特征頻率的能量而躍遷到能量較高激發(fā)態(tài)能級。

高能態(tài)（激發(fā)態(tài)）Ei低能態(tài)（基態(tài)）E0吸收h滿足△E=ε光=h5Er轉(zhuǎn)動能0.004~0.025eV——分子大小、鍵長Ee價電子能1~20eV——化學性質(zhì)信息Ev振動能0.025~1eV——價鍵特性△E總=△Ee+△Ev+△ErE總=E內(nèi)能

+E平動+Ee+Ev+Er分子是由多個原子以各種不同化學鍵組成E內(nèi)能是分子的固有內(nèi)能，即在溫度絕對零度時仍然存在的能量E平動是分子平均動能，與溫度有關，連續(xù)變化與光譜無關與光譜有關67二、光的性質(zhì)光是一種電磁波，以巨大速度通過空間不需要任何物質(zhì)作為傳播媒介的一種能量。具有波粒二重性和單色性光強度λ/nm單色性——描述光純度的參數(shù)激光1.0×10-8nm8第二節(jié)紫外-可見吸收光譜一、吸收曲線（吸收光譜）

以物質(zhì)對不同波長光的吸光度A為縱坐標，以入射光的波長λ為橫坐標，在200-800nm波長范圍所繪制的曲線葉綠素a在丙酮溶液中的吸收光譜摩爾吸光系數(shù)ε

在一定λ下，c=1mol/L，b=1cm時的吸光度，物質(zhì)在一定條件下（波長，溫度，溶劑）的特性常數(shù)。9二、有機化合物分子的電子躍遷分子軌道理論反鍵軌道＞非鍵軌道＞成鍵軌道λ/nm能量軌道：電子圍繞分子或原子運動的幾率分布。101.n→*躍遷孤對n電子躍遷到*反鍵軌道，含雜原子的飽和有機化合物

（表2.2）2.→*躍遷

處于成鍵軌道上的電子躍遷到*反鍵軌道，不飽和有機化合物-C=C-,ε很大（＞104）為強吸收。共軛體系λmax↑3.n→*躍遷孤對n電子躍遷到*反鍵軌道,C＝O；C＝N；—N＝N—,ε較小吸收波長200~400nm11三、無機化合物分子的電子躍遷2.配位體場躍遷發(fā)生在過渡元素的配位化合物中。能量相等的d軌道或f軌道分裂成能量不等的軌道間的躍遷1.電荷轉(zhuǎn)移躍遷當受到光致激發(fā)時，電子在分子內(nèi)從供給體外層軌道躍遷到接受體軌道上。由此產(chǎn)生的吸收光譜為電荷轉(zhuǎn)移光譜，ε>10412四、相關的基本概念1、預離解躍遷分子接受的能量用于發(fā)生化學鍵的斷裂，不產(chǎn)生分子光譜。2、生色團、助色團生色團（發(fā)色團）:能吸收紫外可見光的基團。具有不飽和鍵和未成對電子的基團C＝O；C＝C；—N＝N—,助色團：本身無紫外吸收，與生色團或飽和烴相連，可使吸收峰向長波方向移動，并使吸收強度增加的基團。—OH，—NH2,—X

133．長移和短移吸收峰位置向長波方向的移動，叫長移（紅移），相應的基團稱為向紅基團吸收峰位置向短波方向移動，叫短移（藍移），相應的基團稱為向藍基團。（表2.3）增色效應（濃色效應）：使吸收強度增強。減色效應（淡色效應）：使吸收強度降低。144．溶劑效應:溶劑極性的不同，引起吸收峰的紅移或藍移（1）對λmax影響：

n-π*躍遷：溶劑極性↑，λmax↓藍移

π-π*躍遷：溶劑極性↑，λmax↑紅移（2）對吸收光譜精細結(jié)構(gòu)影響溶劑極性↑，苯環(huán)精細結(jié)構(gòu)消失（3）影響對光譜強度選擇溶劑時要考慮溶劑本身的吸收光譜155、吸收帶吸收帶：吸收峰在光譜中的位置。（1）R吸收帶

由含雜原子的不飽和基團的n→π*躍遷產(chǎn)生,通常在200~400nm,ε＜100(弱吸收)（2）K吸收帶由共軛體系的π→π*躍遷產(chǎn)生，通常在217~280nm

ε>104，共軛體系增長，λmax↑→紅移，εmax↑16（3）B吸收帶由芳香族化合物π→π*躍遷產(chǎn)生，通常在230~270nm，一系列吸收峰，又稱精細結(jié)構(gòu)吸收帶,λmax=254nm,ε=100（4）E吸收帶由芳香族化合物的環(huán)狀共軛系統(tǒng)π→π*躍遷產(chǎn)生E1184nmε>104

（在遠紫外區(qū)）E2204nmε>103

（強吸收）

B吸收帶和E吸收帶芳香族化合物的特征吸收帶可用來判斷是否有芳香環(huán)存在17第三節(jié)紫外-可見分光光度計一、儀器基本組成光源單色器吸收池檢測器顯示器1.光源具有足夠的輻射強度、較好的穩(wěn)定性;輻射光是連續(xù)的且有較長的使用壽命。紫外區(qū)：氫、氘燈，發(fā)射160～375nm的連續(xù)光譜?？梢姽鈪^(qū)：碘鎢燈作為光源，350～1000nm。

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2.單色器

將光源發(fā)射的連續(xù)光分出單一波長的單色光的光學系統(tǒng)。光柵——衍射和干涉，分出光波長等距棱鏡——對不同波長的光折射率不同，分出光波長不等距色散元件狹縫入射狹縫出射狹縫透鏡準光裝置聚光裝置193.吸收池用于盛放試液或參比溶液的裝置玻璃—能吸收UV光，僅適用于可見光區(qū)石英——不能吸收紫外光，適用于紫外和可見光區(qū)要求：匹配性（對光的吸收和反射應一致）

4.檢測器將光學信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕难b置要求：靈敏度高；響應時間短選擇性高，穩(wěn)定性好

5.信號顯示器記錄顯示信號的裝置，工作站、打印機等20二、儀器的類型1、單波長單光束分光光度計2、單波長雙光束分光光度計參比池光源單色器樣品池檢測器光源單色器參比池樣品池檢測器斬光器213、雙波長分光光度計4、多通道分光光度計λ1λ2檢測器切光器光源吸收池PMT光源透鏡吸收池光柵光電二極管陣列PDA22第四節(jié)紫外-可見吸收光譜的應用一、定性分析從吸收光譜中初步推斷官能團，尤其是共軛體系

200～800nm無吸收，鏈狀或環(huán)狀脂肪族化合物

210～250nm有強吸收帶，ε＞104,兩個共軛單位

260～300nm有強吸收，可能有3～5個共軛單位

270～350nm有弱吸收峰，且200~270nm無吸收，可能有帶孤對電子的未共軛生色團，如羰基

260nm附近有吸收，可能有芳香環(huán)結(jié)構(gòu)

230～270nm有精細結(jié)構(gòu)是芳香環(huán)特征結(jié)構(gòu)如果有顏色，共軛生色團一般在4~5個以上231、比較法相同條件下，與標準品或標準圖譜比較24二、定量分析1、Lambert-Beer’sLaw——定量依據(jù)------------102--------------103------------104-----------------ε弱吸收中吸收較強吸收強吸收ε—L.mol-1.cm-1在一定條件（波長，溫度，溶劑）下，物質(zhì)特性常數(shù)Lambert-Beer定律適用范圍：單色光；均勻稀溶液（＜

10-2mol/L）25例：維生素B12

的水溶液在361nm處的摩爾吸光系數(shù)為207，用1cm比色池測得某維生素B12溶液的吸光度是0.414，求該溶液的濃度?解：262．比較法相同條件下配制樣品溶液和標準溶液，在同一波長處測二者吸光度例：精密吸取B12注射液2.50mL，加水稀釋至10.00mL；另配制對照液，精密稱定對照品25.00mg，加水稀釋至1000mL。在361nm處，用1cm吸收池，分別測定吸光度為0.508和0.518，求B12注射液注射液的濃度？273．標準曲線法配制一系列濃度不同的標準溶液，在一定波長下分別測定吸光度A。以A為縱坐標，濃度c為橫坐標，繪制A-c標準曲線。完全相同的條件下，測定被測溶液的吸光度，并從標準曲線上找出對應的被測溶液濃度或含量。BlankStandardSampleSample284．多組分物質(zhì)的定量分析三種情況：1）兩組分吸收光譜不重疊（互不干擾）2）兩組分吸收光譜單向重疊3）兩組分吸收光譜相互重疊29紅外光能量較低，只能引起分子的振動能級躍遷，振動能級躍遷時會伴隨轉(zhuǎn)動能級的躍遷——分子振-轉(zhuǎn)光譜紅外光區(qū)：波長在0.76~1000μm

近紅外區(qū)：0.76~2.5μm中紅外區(qū)：2.5~25μm

遠紅外區(qū)：25~1000μm第五節(jié)紅外吸收光譜法30紅外吸收光譜：

T%為縱坐標，σ或λ為橫坐標紅外吸收光譜法：利用物質(zhì)對紅外光區(qū)電磁輻射的選擇性吸收的特性來進行結(jié)構(gòu)、定性和定量的分析方法，又稱紅外分光光度法T~λ曲線→前密后疏T~σ曲線→前疏后密31IR與UV的區(qū)別IRUV躍遷類型分子振動能級伴隨轉(zhuǎn)動能級躍遷分子外層價電子能級躍遷適用有紅外吸收的化合物n-π*躍遷π-π*躍遷特征性特征性強簡單、特征性不強用途鑒定化合物類別鑒定官能團推測結(jié)構(gòu)定量 推測有機化合物共軛骨架321.產(chǎn)生紅外光譜的條件滿足兩個條件：

(1)輻射光子具有的能量滿足振動躍遷所需的能量；

(2)輻射與物質(zhì)分子間有相互偶合作用。分子振動有偶極矩的變化對稱分子：沒有偶極矩，輻射不能引起共振，無紅外活性。如：N2、O2、Cl2

等。非對稱分子：有偶極矩變化，紅外活性。

一、基本原理33分子振動方程式k——化學鍵的力常數(shù)（N/cm），將化學鍵兩端的原子由平衡位置拉長0.1nm后的恢復力，與鍵能和鍵長有關。單鍵：４～６；雙鍵：8～12；三鍵：12～18

μ——折合質(zhì)量，

=m1m2/（m1+m2）Ar—

折合相對原子質(zhì)量

Ar=Ar

1Ar

2/（Ar

1+Ar

2）

雙原子分子的振動化學鍵的振動類似于連接兩個小球的彈簧K↑,Ar↓,則γ或σ↑342.多原子分子的振動振動方式的數(shù)目為振動的自由度，每個振動自由度相應一個基頻吸收帶E1基態(tài)υ３υ2υ1υ０基頻二倍頻三倍頻35N個原子組成分子，每個原子在空間具三個自由度水分子H2O——非線性分子36CO2分子——線性分子2400/cm660/cm37實際峰數(shù)比理論值少的原因：（1）振動頻率相同，簡并為一個峰（2）振動頻率相近，儀器無法分辨，表現(xiàn)為一個峰（3）振動無偶極矩的變化，不產(chǎn)生吸收光譜（4）振動吸收強度太弱或頻率超出檢測范圍，檢測不出383.基團頻率和指紋區(qū)基團頻率：同一類基團振動頻率非常接近，都在一定頻率區(qū)間出現(xiàn)吸收譜帶，稱為官能團的基團頻率（4000~1300cm-1）酸酐：1810cm-1,酰氯:1800cm-1,酯類1735cm-1,醛1725cm-1,酮1715cm-139403.基團頻率和指紋區(qū)基團頻率：同一類基團振動頻率非常接近，都在一定頻率區(qū)間出現(xiàn)吸收譜帶，稱為官能團的基團頻率（4000~1300cm-1）酸酐：1810cm-1,酰氯:1800cm-1,酯類1735cm-1,醛1725cm-1,酮1715cm-1指紋區(qū)：在1800~600cm-1區(qū)域中，一些單鍵的振動很容易受附近化學鍵振動的影響，分子結(jié)構(gòu)稍有不同，吸收光譜就有細微的差異，顯示分子的特征，猶如人的指紋。41424000~600cm-12500~1900cm-1叁鍵和累積雙鍵區(qū)4000~2500cm-1氫鍵區(qū)：X-H伸縮振動1900~1200cm-1雙鍵伸縮振動區(qū)＜1200cm-1單鍵區(qū)表2.8ε＞100

，vs（非常強）20-100，s10-20，m1-10,w紅外光譜中，峰強弱等級的劃分43影響峰位的因素

化學鍵的振動頻率不僅與其性質(zhì)有關，還受分子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部因素影響。

內(nèi)部因素

電子效應振動偶合氫鍵影響費米共振外部因素試樣狀態(tài)測試條件溶劑極性溫度44電子效應a．誘導效應：吸電子基團使吸收峰向高頻方向移動b.共軛效應：共軛體系使振動頻率移向低波數(shù)區(qū)45氫鍵效應費米共振

頻率相近的倍頻峰與基頻峰的相互作用使泛頻峰強度增加或分裂46（1）確定試樣的來源和理化性質(zhì)（2）計算不飽和度n1、n3、n4、分別為一價、三價、四價原子數(shù)目

U=0飽和脂肪族化合物

U=1一個雙鍵或脂環(huán)

U=2一個三鍵或兩個雙鍵

U=4一個苯環(huán)例：苯甲醛（C7H6O）不飽和度的計算二、紅外光譜定性和定量分析1.定性分析47（3）紅外光譜解析

a.紅外光譜解析順序：先特征、后指紋；先強峰，后次強峰；先粗查，后細找；先否定，后肯定;尋找有關一組相關峰→佐證b.峰的三要素：峰位、峰強、峰482.定量分析——基線法靈敏度低，不適于微量組分的測定49三、紅外吸收光譜儀1.色散型紅外吸收光譜儀特點：掃描速度慢，不能測定瞬間光譜變化，分辨率低，不能聯(lián)用。502.干涉分光型紅外光譜儀（傅里葉變換紅外光譜儀）特點：分辨率高,波數(shù)精度高（0.01cm-1）靈敏度高（10-9~10-12g）掃描速度快51第六節(jié)實驗技術(shù)一、紫外-可見