知其然,更要知其所以然——紫外-可見吸收光譜深度解讀

2021-02-15 材料人
紫外吸收光譜和可見吸收光譜都屬於分子光譜,它們都是基於物質分子吸收紫外輻射或者可見光,其外層電子躍遷而成,又稱分子的電子躍遷光譜。紫外-可見光區的劃分可以分為:可見光部分(360-760 nm),近紫外區(200-360 nm),遠紫外區(10-200 nm),由於遠紫外的吸收測量必須在真空條件下進行,使用範圍受限,通常紫外可見光區域指的是200-800 nm的範圍。σ→σ*躍遷,能量很高,在遠紫外區測定,電子以單鍵存在,如飽和碳氫化合物,一般在波長> 220 nm時無強的紫外吸收;
n→σ*躍遷,能量相對較高,化合物種含有非鍵合的O,N,S,或X-的電子,在紫外區短波長端至遠紫外區有強吸收;π→π*躍遷,芳香環的雙鍵吸收,共軛多烯的吸收,芳香環、芳香雜環合物的吸收,具有精細結構;只有π→π* n→π*兩種躍遷能量小,相應波長出現在近紫外區甚至可見光區,且對光的吸收強烈,也就是說紫外光譜只適合用於分析分子中具有不飽和結構的化合物。由於分子中的每個電子能級上都耦合有許多振-轉能級,所以,紫外-可見吸收光譜具有「帶狀吸收」的特點。當稀薄氣態分子吸收紫外輻射後,電子從基態躍遷到激發態,其同時伴隨有振動能級的躍遷和轉動能級的躍遷,所以圍繞I, II, III,有一系列分立的轉動能級躍遷譜線,如圖1a;當濃度增大時,轉動能級受限制,則形成連續曲線,如圖1b;在低極性溶劑中測定紫外吸收,還能保留一些紫外吸收的精細結構如圖1c;在高極性溶劑中作圖,精細結構則完全消失,如圖1d。
λmax:紫外-可見光譜中最大吸收峰對應的波長,用來描述某種有機物分子在紫外可見光譜中的特徵吸收。生色團:產生紫外或可見吸收的不飽和基團,如C=C、C=O、NO2等。助色團:其本身是飽和基團(常含雜原子),連到生色團時,能使後者吸收波長變長或吸收強度增加(或同時兩者兼有),如OH、NH2、Cl等。深色位移:由於基團取代或溶劑效應,最大吸收波長變長,深色位移也稱為紅移。淺色位移:由於基團取代或溶劑效應,最大吸收波長變短,深色位移也稱為藍移。肩峰,吸收曲線在下降或上升處有停頓,或吸收稍微增加或降低的峰,是由於主峰內隱藏有其他峰。a. 飽和的碳氫化合物;如甲烷、乙烷等唯一可發生的躍遷為σ→σ*,屬於遠紫外範圍;b. 含雜原子的飽和化合物;如硫醚、而硫化物、硫醇、胺、溴化物、碘化物等有n→σ*躍遷,但在近紫外的吸收很弱;c. 含非共軛烯、炔基團的化合物,可以發生π→π*躍遷,如乙烯吸收在165 nm,乙炔在175nm,在近紫外區仍無吸收;d. 含不飽和雜原子的化合物,由於存在n→π*躍遷,儘管吸收強度低,但是其吸收位置佳,易於檢測,在紫外鑑定中有不可忽視的作用。共軛體系的形成使吸收向長波方向,如乙烯到共軛丁二烯,原烯基的兩個能級各自分裂為兩個新的能級,在原有π→π*躍遷的長波方向出現新的吸收。計算舉例:
計算舉例
溶劑極性增大導致π→π*躍遷能量減少,吸收帶紅移;n→π*躍遷能量增大,吸收帶藍移。
將分析樣品和標準樣品以相同濃度配製在同一溶劑中,在同一條件下分別測定紫外可見吸收光譜。若兩者是同一物質,則兩者的光譜圖應完全一致。如果沒有標樣,也可以和現成的標準譜圖對照進行比較。這種方法要求儀器準確,精密度高,且測定條件要相同。不同的極性溶劑產生氫鍵的強度也不同,這可以利用紫外光譜來判斷化合物在不同溶劑中氫鍵強度,以確定選擇哪一種溶劑。紫外吸收光譜能測定化合物中含有微量的具有紫外吸收的雜質。如果化合物的紫外可見光區沒有明顯的吸收峰,而它的雜質在紫外區內有較強的吸收峰,就可以檢測出化合物中的雜質。例如:要鑑定甲醇和乙醇中的雜質苯,可利用苯在254nm處的B吸收帶,而甲醇或乙醇在此波長範圍內幾乎沒有吸收;四氯化碳中有無二硫化碳雜質,只要觀察在318nm處有無二硫化碳的吸收峰即可。藉助於分光光度法可以得出一些化學反應速度常數,並從兩個或兩個以上溫度條件下得到的速度數據,得出反應活化能。Lambert-Beer定律——吸收光譜法的基本定律,描述了物質對單色光吸收強弱與液層厚度和待測物濃度的關係。假設一束平行單色光通過一個均勻的、非散射的吸光物體,取物體中一極薄層,則吸光度A=-lgT= kbc,k:吸光係數,當c濃度以g/L表示時,以a表示;當c以mol/L表示時,以摩爾吸光係數ε表示。Lambert-Beer定律適用條件:入射光為單色光,均勻非散射的稀溶液。Lambert-Beer定律測量條件:測量波長選最大吸收波長;吸光度讀數範圍選擇A= 0.15-1.00。樣品吸光度A與光程b總是成正比,但當b一定時,A與c並不總是成正比,即偏離L-B定律,這種偏離由樣品性質和儀器決定。a. 待測物高濃度導致吸收質點間隔變小,質點間相互作用改變,導致對特定輻射的吸收能力發生變化,即ε變化;b. 試液中各組分的相互作用,如締合、離解、光化反應、異構化、配體數目改變等,都會引起待測組分吸收曲線的變化;c. 溶劑的影響:對待測物生色團吸收峰強度及位置產生影響;a. 顯色劑的選擇:使配合物吸收係數最大,選擇性好、組成恆定、配合物穩定、顯色劑吸收波長與配合物吸收波長相差大;b. 顯色劑用量:配位數與顯色劑用量有關,在形成逐級配合物時,其用量要嚴格控制;a. 溶劑參比:式樣組成簡單、共存組分少,顯色劑不吸收時,直接採溶劑為參比(多為蒸餾水);
b. 試劑參比:當顯色劑或其他試劑在測定波長處有吸收時,採用試劑作參比(不加待測物);c. 試樣參比:如果試樣基體在測定波長處有吸收,但不與顯色劑反應時,可用試樣做參比(不加顯色劑);配合物穩定性與pH有關,控制酸度提高反應的選擇性,使副反應減少。配製濃度梯度的標準溶液,測量其在最大吸收波長處的吸光度,求出吸收係數,然後又L-B定律求出cx。[1] 朱明華,胡坪, 儀器分析, 4 ed., 高等教育出版社2008.[2] Li C, Fu Y, Wu Z, et al. Sandwich-like reduced graphene oxide/yolk-shell-structured Fe@ Fe3O4/carbonized paper as efficient freestanding electrode for electrochemical synthesis of ammonia directly from H2O and N2[J]. nanoscale, 2019.[3] 邢梅霞,夏德強,光譜分析,中國石化出版社 2012.[4] 張正行,有機光譜分析,人民衛生出版社 2009.

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