第 4 章紫外 - 可见光谱

第4章紫外-可见光谱 4.1 基本原理 4.2 紫外-可见光谱仪 4.3 分光光度测量方法 4.4 紫外-可见光谱的应用

医院常规化验中，95%的定量分析是用紫外-可见光谱医院常规化验中，95%的定量分析是用紫外-可见光谱 • 化学反应过程研究，比如平衡常数测量也较多的用到紫外-可见光谱 • 水质检测，基于紫外-可见光谱技术的检测仪器已经较成熟 • 其它的定性或定量分析的领域

AOT浓度对纳米银颗粒的紫外-可见光谱的影响 张万忠, 乔学亮, 罗浪里, 陈建国. AOT 微乳体系中纳米银的可控合成及其紫外-可见光谱研究. 光谱学与光谱分析, 2009, 29(3): 789-792.

朱砂颜料-365nm光照 三青颜料-365nm光照武敬青, 罗曦芸, 耿金培, 李晓玉, 李秀勇, 杜一平. 紫外可见光谱结合主成分分析对文物颜料光致变色的评价研究. 计算机与应用化学, 2012, 29(2): 211-214.

4.1 基本原理 • 紫外-可见光谱来源于物质分子外层电子跃迁 • 光谱坐标习惯用波长，单位为nm • 分为3个波段 • 远紫外（真空紫外）区 10~200 nm • 近紫外区 200~380 nm • 可见光区 380~760 nm

4.1.1 电子跃迁与紫外-可见光谱

多呈现为连续谱带？ • 转动能级间隙小 • 非气态，碰撞作用→谱线展宽

与紫外-可见光谱相关的电子 • 单键——σ电子双键——π电子未成键——n电子 • 成键轨道——波函数线性相加，核间电子几率密度大反键轨道——波函数线性相减，核间电子几率密度小，用*号区分于成键轨道

所允许的电子能级跃迁

所允许电子能级跃迁的具体说明 • σ→σ*：远紫外<170 nm，饱和有机化合物，甲烷(125 nm) • n→σ*：远紫外<200 nm，含有S, N, O, Cl, Br, I等杂原子的饱和烃衍生物，一氯甲烷、甲醇、甲胺(213 nm)，杂原子电负性越小越容易激发 • π→π*：强吸收带，1个双键150~200 nm，2个双键被多个单键分隔吸收增强，2个双键被单个单键分隔（共轭）吸收增强和波长增大，乙烯(185 nm)、共轭丁二烯(217 nm)、共轭己三烯(258 nm) • n→π*：近紫外或可见光，弱吸收带，含有杂原子的不饱和烃衍生物，-COOH基团( 205 nm)

无机化合物的紫外-可见光谱的来源 • 电荷迁移跃迁：给体电子向受体电子轨道跃迁近紫外光区，吸收强度大，灵敏度高光照受体硫氰酸盐，给体呈红色 • 配位体场跃迁：过渡金属离子处在配位体形成的负电场中时，电子轨道会分裂成能量不同的轨道，在外来辐射的激发下电子会从低能量轨道跃迁到高能量轨道。可见光区，吸收弱，对定量分析作用不大 [Cu(H2O)4]2+ 蓝色[CuCl4]2- 绿色[Cu(NH3)4]2+ 深蓝色

4.1.2 吸收定律——朗伯-比尔定律 • 当一束平行的单色光通过某一均匀的溶液时，溶液的吸光度A与溶液的浓度c和光程b的乘积成正比 • 比例常数，与待测物质特性相关 • 浓度c— mol / L，光程b— cm，摩尔吸光系数ε— L/(mol•cm) 取值范围10~105，弱<103，强>104 • 浓度c— cm-3(单位体积内的分子数)，光程b— cm，吸收截面ε— cm2

吸收定律的讨论 • 吸收定律具有叠加性， • 吸收定律的两点假设： 1、入射光为单色平行光 2、待测物质为均一的稀溶液或气体，无散射 • 入射光非单色对吸收定律的影响？不平行？ • 为什么要求稀溶液？高浓度下，物质分子相互作用可能性增大，发生化学反应的可能性增大，则“此物非彼物” • 浓度对比尔定律的影响：溶液浓度→折射率→摩尔吸光系数

4.1.3 基本术语 • 最大吸收波长λmax：吸收曲线上吸收度最大处，该处的摩尔吸光系数称为最大摩尔吸光系数εmax • 不同物质最大吸收波长不同，定性分析基础 • 同一物质最大摩尔吸光系数随浓度变化，定量分析基础

增色吸收强度蓝移红移减色波长 • 生色团：具有n→π*或π→π*跃迁、能吸收紫外-可见光的基团助色团：连有杂原子的饱和基团，无紫外-可见吸收，但能使生色团吸收峰向长波方向移动并提高吸收峰强度 C=C，C=O，C=N，-N=N-，-OH-，-OR，-NH-，-NH2-，-X • 引入取代基或改变溶剂会使λmax和εmax发生改变红移：最大吸收波长朝长波方向移动蓝移：最大吸收波长朝短波方向移动增色：最大摩尔吸光系数增加减色：最大摩尔吸光系数减小

4.1.4 影响紫外-可见光谱的因素 ( 1 ) 共轭效应红移，增色

( 2 ) 空间阻碍效应 当取代基较大时，分子共面性会变差，形成空间阻碍，破坏共轭体系，蓝移，减色

( 3 ) 取代基 • 给电子基：有未共用电子对，增加电子流动性，降低体系能量，造成吸收光谱红移 • 吸电子基：能吸引电子，增加电子流动性，增加吸收强度给电子基给电子能力由大到小吸电子基吸电子能力由大到小

( 4 ) 溶剂 • 溶剂的极性 → 吸收曲线形状和最大吸收波长 • 溶剂极性增大会蓝移 • 在紫外-可见光谱图中一般需标记溶剂 N-亚硝基二甲胺

4.2 紫外-可见光谱仪 4.2.1 基本组成入射狭缝准直镜光栅或棱镜物镜出射狭缝需在紫外-可见波段透明光电倍增管线阵探测器检流计微安表电位计数字电压表 x-y记录仪示波器计算机氘灯+卤钨灯

4.2.2 紫外-可见光谱仪类型——（1）单光束 • 单一波长，单一路光 • 结构简单、价格低廉 • 易受光源和探测器的不稳定性的影响，不实用

4.2.2 紫外-可见光谱仪类型——（2）双光束 • 利用切光器将出射光分为两路，样品池，参考池 • 以两路信号的比值作为测量结果 • 可克服单光束情况下，光源和探测器不稳带来的误差

4.2.2 紫外-可见光谱仪类型——（3）双波长 • 两个单色器分出不同波长的两束光 • 由斩光器并束，使其在同一光路交替通过样品池 • 可降低杂散光，具有较高的光谱精度 • 两个波长相邻，对波长进行扫描，导数光谱

4.2.3 紫外-可见光谱仪的定标——（1）波长定标 • 辐射光源：氢灯—— 486.13 nm, 656.28 nm 氘灯—— 486.00 nm, 656.10 nm 石英低压汞灯——253.65 nm, 435.88 nm, 546.07 nm

氧化钬 4.2.3 紫外-可见光谱仪的定标——（1）波长定标(Cont.) • 镨钕玻璃或氧化钬玻璃 • 苯蒸汽，在紫外光区的特征吸收峰也可用于波长定标，在样品池中滴一滴液体苯，盖上样品池，待苯挥发后测量苯蒸汽吸收光谱

4.2.3 紫外-可见光谱仪的定标——（2）光度定标 • 重铬酸钾标准溶液：0.0303克重铬酸钾溶于1升浓度为0.05 mol/l的氢氧化钾 • 1cm 样品池，25°C，测定吸收光谱

4.2.3 紫外-可见光谱仪的定标——（3）杂散光标定 • 一般选择透射率为0的波长处进行杂散光定标 • NaI标准溶液——240 nm • 纯丙酮——310 nm

4.3 分光光度测定方法 4.3.1 光度测量条件的选择 • 选择最大吸收波长λmax 处，灵敏度高 • 吸光度应该控制在合适范围，使浓度测量相对误差最小

4.3.2 差示分光光度法 • 高浓度测量时，直接测量会带来较大误差 • 差示法是选择稍低于待测溶液浓度的已知浓度溶液为参比

差示法的标尺放大作用 例题：如果未知溶液的透射率Tx=5%，参比溶液的透射率Ts=10%，透射率测量误差ΔT=1%，试估计普通法和差示法测得的浓度测量误差。解答：普通法透射率5% 差示法透射率50%

4.3.3 双波长分光光度法 • 以一个波长的吸光度作为另一个波长的参比 • 两个波长处的吸光度差与浓度成正比背景吸收，与波长关系不大

4.3.4 导数分光光度法 • 吸光度对波长的导数仍与浓度成正比 • 双波长分光光度计，两个波长彼此邻近，对波长扫描，可直接得到一阶导数光谱 • 借助计算机，可从原始光谱数据中计算出一阶或高阶导数光谱 • 导数光谱能够分辨重叠谱带、增强肩峰等次要谱带，具有灵敏度高的优点

4.4 紫外-可见光谱的应用 4.4.1 定性分析——（1）化合物验证 • 将化合物的紫外-可见光谱与标准谱图对比 • 可比较的光谱特征：形状、峰的数目、峰的波长和强度有机化合物的紫外-可见光谱判别

4.4.1 定性分析——（2）异构体判别，共轭状态判别 • 异构体：原子种类和数目均相同，但空间结构不同酮式λmax=272 nmεmax=16 烯醇式λmax=243 nmεmax=16,000 • 判断共轭生色团的所有原子是否共面反式二苯乙烯 λmax=295 nm εmax=27,000 顺式二苯乙烯 λmax=280 nm εmax=13,500

4.4.2 单组份定量分析 (1) 绝对法：摩尔吸光系数ε查表得到，吸光度A实验测定，再利用吸收定律直接计算浓度A=εbc (2) 标准对照法：根据浓度与吸光度成正比，配置标准溶液，将待测溶液与标准溶液的吸光度进行比较 (3) 标准曲线法：首先配制一系列已知浓度的溶液，测定其吸光度，获得吸光度-浓度曲线，然后在相同条件下测量未知浓度溶液吸光度，从曲线中查出样品浓度

4.4.3 混合物分析 • 如果各个组份的吸收曲线在最大吸收波长位置没有重叠，则与单组份测量一样 • 如果有重合，则在测得多个波长下的吸光度后，解联立方程得到各个组份的浓度

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