第三章 紫外 - 可见吸收光谱法

1. 第三章 紫外-可见吸收光谱法 (Ulltraviolet-Visible Absorption Spectrometry)

2. 紫外-可见吸光光度法是根据溶液中物质的分子或 离子对紫外和可见光谱区辐射能的吸收来研究物质的 组成和结构的方法。 §3-1 概述 分类 按测量光的单色程度分类： 分光光度法：应用波长范围很窄的光(即较纯的单色光) 与被测物质作用。 比色法：应用波长范围较宽的光(即单色性较差的光)与被 测物质作用。又分为：目视比色法和光电比色法。 仅在可见光区使用。

3. 按所用光的波谱区域的不同分类： 紫外分光分光光度法 用于无机及有机芳香结构、共轭结构的分析 远紫外光：10~200nm 近紫外光：200~400nm 可见分光光度法 可见光：其电磁辐射能被人的眼睛所感觉的区域 即：400~780nm 光辐射的选择吸收 几个名词： 复合光：具有不同波长的光。 如 白光是一种混合光，由七种颜色组成的复合光。

4. 单色光：单一波长的光。 七色光中某一中颜色的光都叫单色光。 互补光：两种颜色单色光按一定强度、比例混合也 可成为白光，这两种光称互补光。 绿 互补图 (p16) 黄 蓝绿 橙 白光 绿蓝 红 蓝 紫

5. 吸收 反射 光照到物体上 透过 对于不透明的物质：（吸收、反射） 光 物质颜色 举 例 全吸收 黑色 冬天穿深色衣服 不透明物质 白色 全反射 夏天穿浅色衣服 吸收一定 波长的光 呈现反射 光的颜色 红旗反射光红色 吸收其他色光

6. 对于透明的物质：（吸收、透过） 光 物质颜色 举 例 全透过 无 色 透明物质 绿玻璃 透过光：绿光 吸收其他色光 吸收一部分 透过一部分 取决于透 过光颜色 当一束白光(复合光)通过某一溶液时，某些波长的 光被溶液选择性地吸收，另一些波长的光则透过，人们 看到的是溶液透射光的颜色，也就是物质所吸收的光的 互补色。 例 KMnO4呈紫色，吸收的光为互补光；绿光 CuSO4 呈蓝色，吸收的光为互补光：黄光

7. 紫外和可见分光光度法的特点 1、灵敏度高 通常可测定µg级或浓度为10-5mol/L 2、选择性较好 一般可不经分离测定多种组分共存溶液中的 待测组分。 3、通用性强，应用广泛 可用于定性分析、定量分析、官能团的鉴定 以及有关物理常数的测定。 4、设备和操作简单，价格低廉，分析速度快 5、准确度较好 相对误差约为2%，适用于微量分析。

8. §3-2 紫外-可见吸收光谱 紫外吸收光谱的产生 紫外吸收光谱是由分子中价电子的跃迁产生的。 形成单键的  电子 价电子 形成双键的  电子 未成键的 n 电子 按分子轨道理论，分子中的电子轨道分为：  成键 轨道、 * 反键轨道、  成键轨道、 * 反键轨道和 n未 成键轨道(或称非键轨道)。其轨道能量顺序为：  <  < n < * < *

9. 当基态价电子吸收紫外或可见辐射后，价电子就 由基态的成键轨道或非键轨道跃迁至激发态的反键轨 道，这些跃迁可分为三类； (1)成键轨道与反键轨道之间的跃迁  → *  → * (2)非键轨道向反键轨道的跃迁 n → * n → * (3)电荷转移跃迁 总之，价电子可能产生的跃迁主要为:  → * 、  → * 、 n → * 、 n → * 各种跃迁所需的能量也不同。

10. * 近UV区 Vis区 远UV区 * 6 5 4 3 2 1 → * n→* n→* →* E →* → * lg n→* n→* n  n→*  10 100 200 300 400 500 600 700 800 波长/nm 电子跃迁能级示意图 电子跃迁所处的波长范围及强度

11. 紫外-可见吸收光谱中常用术语 生色团 能产生特征吸收带的具有不饱和键和未共用 电子对的基团。如：>C=C< 、—C≡C— 、 >C=O—、—CHO、—COOH、—N=N—、 —N=O、—NO2等。P18 如果两个生色团相邻、发生共轭作用，则原来 的各自的吸收带将消失，并在较长的波长处产生强 度比原来吸收带强的新吸收带。

12. 助色团 含有未共用的n电子对的氧原子、氮原子或卤 素原子的基团。如：—OH 、—NH2、—Br等 助色团不会使物质具有颜色，但引进这些基团能 增加生色团的生色能力、使其吸收波长向长波方向移 动，并增加了吸收强度。生色团是最有力的助色团。 红移 由于取代基或溶剂的影响造成有机化合物结构 的变化，使吸收峰向长波方向移动的现象。 蓝移 由于取代基或溶剂的影响造成有机化合物结构 的变化，使吸收峰向短波方向移动的现象。

13. 增色效应 由于有机化合物结构的变化，使吸收峰 强度增加的现象。 减色效应 由于有机化合物结构的变化，使吸收峰 强度减小的现象。 溶剂效应 由于溶剂的极性不同引起某些化合物吸收 峰的红移或蓝移的现象。

14. 吸收带类型 吸收带是指吸收峰在紫外光谱中的谱带位置，可分 为四种类型； 吸收带类型 跃迁类型 max max 吸收峰特征 典型实例 R 吸收带 n→* <100 270 弱 羰基、硝基 K 吸收带 →* >104 217 很强 共轭烯 B 吸收带 →* 250~3000 230~270 多重吸收 苯、苯同系物 E 吸收带 →* 2000~10000 强 芳环中C=C

15. 有机化合物的紫外-可见吸收光谱 饱和烃 饱和单键碳氢化合物只有 键, 因而只能产生→* 跃迁。由于 键电子最不易激发，需要吸收很大的能 量，这类化合物在200nm以上无吸收，常作溶剂。 当饱和单键碳氢化合物中的氢被氧、氮、卤素、 硫等取代时，这类化合物既有 电子，又有n电子，可 以实现→*和n→*跃迁，使电子跃迁所需能量降低， 其吸收峰向长波方向移动，出现“深色移动”现象， 即红移，吸收峰落在远紫外区和近紫外区。 甲醇：177nm，乙醇186nm。

16. 不饱和脂肪烃 (1)含孤立不饱和键的烃类化合物 具有孤立双键或叁键的烯烃或炔烃都产生→*跃 迁，但多数在200nm以上无吸收，如：乙烯：171nm 乙炔173nm。若烯分子中的氢被助色团取代时，吸收 峰发生红移，吸收强度增加。 (2)含共轭体系的不饱和烃类化合物 具有共轭双键的化合物，其大键各能级之间的距 离较近，电子易被激发，产生 K 吸收带，其波长及强 度与共轭体系的长短、位置取代基种类有关，共轭双 键越多，波长越长，以至由无色变为有色吸收峰进入 可见区。 P19表3-3

17. (3)含共轭体系的醛、酮和羧酸 碳氧双键同烯键之间的共轭作用也会降低*轨道 能量，使→* 、n→*跃迁的吸收峰发生红移。 例 巴豆醛 (CH3CH=CHCHO) →* n→* 单独 烯键 170nm 羰基 166nm 280nm 巴豆醛 220nm 322nm 显然，共轭作用使得→* 跃迁和n→*跃迁吸收峰 都发生了明显的红移。

18. 芳香化合物 芳香化合物为环状共轭体系 左图为苯的UV谱图 E1 5 4 3 2 1 E2 三个→*跃迁特征吸收谱带： B lg 1 85nm E1带 最强 204nm E2带 较强 230~270nm B带 较弱 180 200 220 240 260 280 /nm

19. E1和E2带是由苯环结构中三个乙烯的环状共轭 体系的跃迁所产生的，是芳香化合物的特征吸收。 若苯环上有助色团，如—OH、—Cl等取代，由 于n-共轭，使E2带向长波方向移动，一般为210nm； 若生色团取代且与苯环共轭(-共轭)，E2吸收 带与K吸收带合并，并且红移。 B带是由-*跃迁和苯环振动的重叠引起。又称 苯的特征吸收带。可用于鉴别芳香族的化合物。

20. 溶剂对UV吸收的影响 (1)对最大吸收波长的影响 在n-*跃迁时，由于n电子在基态时与极性溶剂易 形成稳定的氢键，使n轨道的能量降低大约一个氢键 的能量，而激发态能量降低较小，使跃迁所需要的能 量增加，引起吸收带蓝移。溶剂极性越大，形成氢键 能力越强，吸收带蓝移越显著。 例 异丙叉丙酮CH3COCH=C(CH3)2 溶剂 正己烷 三氯甲烷 甲醇 n-*跃迁max 329nm 315nm 309nm

21. 在-*跃迁时，其激发态的极性比基态强，则 极性溶剂使其激发态能量降低，而使-*跃迁更容 易，引起吸收带红移。 (2)对光谱精细结构和吸收强度的影响 当物质处于气态时，分子间的作用很小，其振 动和转动光谱也能表现出来，因而具有非常清晰的 精细结构，当它溶于非极性溶剂时，由于溶剂化作 用，限制了分子的自由转动，则转动光谱不能表现 出来，随着溶剂极性的增大，分子振动也受到限制 精细结构逐渐消失，呈现一宽而低的吸收带。 P21 图3-2

22. §3-3 光的吸收定律 朗伯-比尔定律 （Lambert-Beer Law） 朗伯定律：当用一种适当波长的单色光照射一固定 浓度的溶液时，其吸光度与透过的液层厚度（光程） 成正比。 表达式 A= k b k与入射光的波长、溶液的性质、浓度和温度有关

23. 比尔定律：当用适当波长的单色光照射一溶液时，比尔定律：当用适当波长的单色光照射一溶液时， 若透光液层厚度固定，则吸光度与溶液浓度成正比。 表达式 A= k' c k'与入射光的波长、溶液的性质、液层厚度和温度有关 吸收定律（朗伯-比尔定律）: 当用一适当波长的单 色光照射吸收物质的溶液时，其吸光度与溶液浓度 和透光液层厚度的乘积成正比。 表达式 A=K c b

24. I I。 | b | 吸光度的意义 吸光度表示光束通过溶液时被吸收的程度。 溶液所吸收光的强度越大，透过光的强度就 越小，则吸光度A就越大。 0≤A≤∞

25. 透射比的意义 透射比也称透光率，表示透过光占入射光的比例， 也是物质吸光程度的一种量度，通常以T表示 当入射光全部被吸收时，I=0，则T=0, 当入射光 不被吸收时，I=I。，则T=1。所以0≤T≤1。光度 分析中，经常使用百分透光率，其值：0~100

26. 吸光度与透光率之间的关系 比例系数K的意义及表示方法 K值表示单位浓度、单位液层厚度的吸光度，与吸光 物质及入射光波长有关，是吸光物质的重要特征值。

27. 在液层厚度b为cm为单位时，K值随浓度单位 的表示方法的不同而不同。 浓度以g·L-1为单位时，比例系数K称为质量吸收 系数，以 a表示，单位为：L · g-1 · cm-1 浓度以mol·L-1为单位时，比例系数K称为摩尔吸收 系数，以  表示，单位为：L · mol-1 · cm-1

28. 通常 较常使用，文献中给出的某化合物的 值指最大吸收波长所对应的摩尔吸收系数，也可 表示为max。各种物质的摩尔吸收系数相差较大， 可以从10-2~105变动，可用于表示吸收峰的强弱：  >104 强吸收  =103~104 较强吸收  =102~103 较弱吸收  <10弱吸收  值越大，表示物质对某波长光的吸收能力越强， 测定的灵敏度也就越高。

29. 例1 测Cu2+ 显色剂 氨 双硫腙 铜指示剂 2,2´-双喹啉  120 158000 12800 6430

30. 例2 已知含Fe3+浓度为500g·L-1溶液用KCNS显色，在 波长480nm处用2cm吸收池测得吸光度A=0.197， 计算摩尔吸光系数。 解；

31. 例3 用氯磺酚分光光度法测定铌, 50ml溶液中含铌 50.0g, 用2.00cm吸收池测得透光率为19.9%, 计算吸光系数a, 摩尔吸光系数 。 解： 先计算该溶液的吸光度 (1)计算吸光系数a 溶液中Nb的浓度为

32. 由A=abc，已知b=2cm , 已求得A=0.701,可得 (2)计算摩尔吸光系数 溶液中Nb的浓度为 由A=bc，已知b=2cm ,A=0.701,可得

33. 例4 称取纯度为95.5%的某吸光物质0.0500g溶解后定 容至500ml，从中吸取2.00ml显色后定容至50ml, 于最大吸收波长处用2cm吸收池测得透光率为0.355 已知吸光物质的=1.50104, 试计算该吸光物质的 摩尔质量。 解： 先计算该溶液的吸光度 已知b=2cm,=1.50 104, 由A= bc，可知显色溶液 内吸光物质的浓度为

34. 吸光物质溶解定容至500ml，从中吸取2.00ml显色。吸光物质溶解定容至500ml，从中吸取2.00ml显色。 显色溶液体积为50ml，因此500ml吸光物质溶液的 浓度为 吸光物质质量为0.0500g，纯度95.5%,体积为500ml 则其摩尔质量为

35. 吸光定律的加和性 在多组分体系中，在某一波长，如果各种对光 有吸收的物质之间没有相互作用，则体系在该波长的 总吸光度等于各组分吸光度的和，即吸光度具有加和 性，称为吸光度的加和性原理。 A总=A1+ A2+ A3+···+ An =1c1b+ 2c2b+ 3c3b+···+ ncnb 吸光物质的加和性对多组分同时定量测定，校 正干扰等极为有用。

36. 偏离朗伯-比尔定律的原因 正偏离 A 负偏离 c 1、入射光非单色性引起的偏离 分光光度计提供的入射光都是有一定宽度的光 谱带，非严格的单色光，使溶液对光的吸收偏离了 吸收定律，产生误差，因此，分光光度计产生的单 色光纯度越高越好，即光谱带的宽度越窄越好。

37. 2、溶液本身引起的偏离 化学因素引起的偏离 有色化合物在溶液中受酸度、温度、溶剂等影 响，发生离解、缔合、形成新的化合物或互变异构 等化学变化而改变了浓度，因而导致偏离朗伯-比尔 定律。 溶液折射率的变化引起的偏离 当溶液浓度变化能显著改变溶液的折射率，则可 观测到偏离朗伯-比尔定律的现象，此时可对光吸收 定律进行校正。当浓度小于0.01mol/L时，其影响可 忽略不计，这是朗伯-比尔定律只适用于稀溶液的原 因之一。

38. 折射引起的偏离 溶液为胶体、乳浊液或悬浊液时，在入射光通过 溶液时，除一部分被吸收外，还有一部分被散射而损 失，使透光度减少，实测的吸光度增大，发生正偏离。

39. §3-4 比色分析的方法及仪器 目视比色法 比色 分析 分类 单光束 光电比色计 双光束 光度法 单波长 单光束 紫外-可见 分光光度计 或 双波长 双光束

40. 目视比色法 用眼睛比较溶液颜色的深浅以测定物质的含量。 常用的目视比色法是标准系列法： 使用一套比色管分别加入一系列不同量的标准 溶液，再加入等量的显色剂和其他试剂，稀释至一 定刻度。用同样方法配制待测溶液，从管口垂直向 下观察，比较，得到待测溶液浓度。 优点：设备简单，操作简单，比色管内液层厚，颜色 易观察，在复合光下进行测定，不需严格地服 从朗伯-比尔定律。 缺点：准确度不高，若待测溶液中存在第二种有色物 质，相对误差 5% ~ 20%

41. 光度法 用光电计测定溶液的吸光度,称之为光电比色法。 用分光光度计进行测定的方法为分光光度法。 两种方法的测定原理相同，所不同的在于获得单色光的方法不同，前者用滤光片，后者采用棱镜或光栅。

42. 光度法与目视法比较有以下优点： (1)提高了准确度 用仪器代替了人眼进行测量，消除了人的 主观误差。 (2)提高了选择性 测定的溶液中若有其他物质共存时，可选 择适当的单色光和参比溶液来消除干扰。 (3)提高了分析速度 在分析大批试样时，使用标准曲线法可简 化手续，加快分析速度。

43. §3-5 分光光度法与分光光度计 一、显色反应 可见分光光度法要求待测组分有色或利用一种 试剂将其转化为有色化合物。 显色剂 能够把无色或颜色很浅的待测组分转化为 有色化合物的试剂。 显色反应 显色剂与待测组分进行的化学反应称为显 色反应。

44. Fe2+颜色很浅，浓度低时几乎无色，要测定 试液中微量铁含量，可用邻菲啰啉(phen)将其转 化为橙红色络合物。 Fe2+ + 3phen = [Fe(phen)3]2+ 橙红 二、分光光度法测定步骤 首先配制一系列不同浓度的待测组分标准溶液， 在测定条件下显色。 1、吸收曲线的绘制 用一合适浓度的标准溶液在不同的波长下， 测其吸光度A。

45. A 作A~图 找出max,此处A最大， 且随变化不大。 max 2、标准曲线的绘制 /nm 将波长固定在max, 测定配制好的一系列标准 溶液测定其A值，作A~c图。若服从朗伯-比尔定律， 则标准曲线应为一条直线。

46. A • • • Ax • • cx c 右图：标准工作曲线 3、待测组分含量的测定 将待测组分在相同条件下显色，测其A值， 然后从标准曲线上查得相当于标准溶液的量， 计算出待测组分的含量。

47. 三、分光光度计

49. 主要部件 光源 单色器 吸收池 检测器 显示系统 由光源发出的光, 经色散系统获得一定波长单 色光照射到样品溶液, 被选择性吸收后, 经过检测 器将光强度变化转换为电流强度变化，再经信号指 示系统调制放大后，显示或打印出吸光度A，测定 结束。

50. 光源 提供符合要求的入射光 分光光度计对光源的要求: (1)在使用波长范围内提供连续辐射光; (2)光强度足够大; (3)具有良好的稳定性; (4)使用寿命长。