第二章 紫外 - 可见分子吸收光谱法

1. 第二章 紫外-可见分子吸收光谱法

2. 紫外-可见吸收光谱法基本要点： 1.理解分子吸收光谱的产生及特征； 2. 了解紫外-可见分光光度计的主要部件及其类型； 3. 掌握紫外-可见吸收光谱仪操作条件的选择； 4. 了解紫外-可见吸收光谱法的定性分析和定量分析方法及其应用。

3. 第一节 基本原理 概述: 在光谱分析中，依据物质对光的选择性吸收而建立起来的分析方法称为吸光光度法,主要有: 红外吸收光谱：分子振动光谱，吸收光波长范围2.51000 m ,主要用于有机化合物结构鉴定。 紫外吸收光谱：电子跃迁光谱，吸收光波长范围200400 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400750 nm，主要用于有色物质的定量分析。 本章主要讲授紫外可见分光光度法。

4. 一、紫外-可见吸收光谱的产生 • 物质分子内部三种运动形式： • 1.电子相对于原子核的运动， • 2.原子核在其平衡位置附近的相对振动 • 3.分子本身绕其重心的转动。 • 分子具有三种能级： • 电子能级、振动能级和转动能级 • 分子内能：电子能量Ee 、振动能量Ev 、转动能量Er • 即 Ｅ＝Ｅe+Ｅv+Ｅr • ΔΕe>ΔΕv>ΔΕr

5. 能级跃迁 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。

6. （1） 转动能级间的能量差ΔΕr：0.005～0.050eV，跃迁产生吸收光谱位于远红外区。远红外光谱或分子转动光谱； • （2）振动能级的能量差ΔΕv约为：0.05～１eV，跃迁产生的吸收光谱位于红外区，红外光谱或分子振动光谱； • （3）电子能级的能量差ΔΕe较大1～20eV。电子跃迁产生的吸收光谱在紫外—可见光区，紫外—可见光谱或分子的电子光谱。

7. （1）．吸收光谱（吸收曲线）：不同波长光对样品作用不同，吸收强度不同（1）．吸收光谱（吸收曲线）：不同波长光对样品作用不同，吸收强度不同 以λ~A作图 next （2）．吸收光谱特征：定性依据 二、紫外可见吸收光谱

8. back 图示

9. 吸收光谱的波长分布是由产生谱带的跃迁能级间的能量差所决定，反映了分子内部能级分布状况，是物质定性的依据。吸收光谱的波长分布是由产生谱带的跃迁能级间的能量差所决定，反映了分子内部能级分布状况，是物质定性的依据。 • 对于不同物质，它们的吸收曲线形状和λmax则不同。通常将在最大吸收波长处测得的摩尔吸光系数εmax也作为定性的依据。不同物质的λmax有时可能相同，但εmax不一定相同； • 吸收谱带强度与该物质分子吸收的光子数成正比，定量分析的依据。

10. 不同浓度的同一种物质，其吸收曲线形状相似λmax不变。不同浓度的同一种物质，其吸收曲线形状相似λmax不变。 • 不同浓度的同一种物质，在某一定波长下吸光度 A 有差异，在λmax处吸光度A 的差异最大。此特性可作为物质定量分析的依据。

11. 按能量大小：σ→ σ* >n → σ* >π→ π* >n→ π* 1.电子跃迁类型 有机化合物的紫外-可见吸收光谱，是其分子中外层价电子跃迁的结果（三种）：σ电子、π电子、n电子。 三 有机化合物电子跃迁类型：

12. = = o=n  H o  o C O    o  o H O n H C s H p 电子类型 形成单键的σ电子 C-H、C-C 形成双键的π电子 C=C、C=O 未成对的孤对电子n 电子 C=O：

13. 外层电子吸收紫外或可见辐射后，就从基态向激发态(反键轨道)跃迁。外层电子吸收紫外或可见辐射后，就从基态向激发态(反键轨道)跃迁。 • σ→ σ*跃迁： 饱和烃（甲烷，乙烷） E很高，λ<150nm（远紫外区） • n → σ*跃迁： 含杂原子饱和基团（—OH，—NH2） E较大，λ150~250nm（真空紫外区） • π→ π*跃迁： 不饱和基团（—C＝C—，—C ＝ O ） E较小，λ~ 200nm 体系共轭，E更小，λ更大 • n→ π*跃迁： 含杂原子不饱和基团（—C ≡N ，C＝ O ） E最小，λ 200~400nm（近紫外区）

15. 注： 紫外光谱电子跃迁类型： n—π*跃迁 π—π*跃迁 饱和化合物无紫外吸收 根据分子结构→推测可能产生的电子跃迁类型； 根据吸收谱带波长和电子跃迁类型 →推测分子中可能存在的基团（分子结构鉴定） 续前

16. 2.生色团与助色团 生色团：含有π键的不饱和基团称为生色团。简单的生色团由双键或叁键体系组成，如乙烯基、羰基、亚硝基、偶氮基—N＝N—、乙炔基、腈基—C≡N等。 • 助色团：含有n电子的基团(如—OH、—OR、—NH２、—NHR、—X等)，本身没有生色功能(不能吸收λ>200nm的光)，但当与生色团相连时，发生n—π共轭作用，增强生色团的生色能力(吸收波长向长波方向移动，且吸收强度增加) • 乙烯—Cl(+5nm ) —OR(+30nm) —NH２(+40nm)

17. 3.红移与蓝移 有机化合物的吸收谱带常常因引入取代基或改变溶剂使最大吸收波长λmax和吸收强度发生变化:λmax向长波方向移动称为红移，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。

18. （1）R带：由含杂原子的不饱和基团的n →π*跃迁产生 C＝O；C＝N；—N＝N— E小，λmax>270nm，εmax<100 （2）K带：由共轭双键的π→ π*跃迁产生 (—CH＝CH—)n，—CH＝C—CO—,芳环有发色基团取代 λmax217~280nm，εmax>104 共轭体系增长，λmax↑→红移，εmax↑ 4.吸收带类型

19. 图示

20. （3）B带：芳香族化合物的π→ π*跃迁产生 芳香族化合物的主要特征吸收带 λmax =254nm，宽带，具有精细结构； εmax=200 极性溶剂中，或苯环连有取代基，精细结构消失 （4）E带：由苯环环形共轭系统的π→ π*跃迁产生芳香族化合物的特征吸收带 E1 180nm εmax>104 （常观察不到） E2 200nm εmax=7000 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（长移） 续前

21. 图示

22. 5 影响吸收带位置的因素： （1）溶剂效应 n-π*跃迁：溶剂极性↑，R带蓝移 π-π*跃迁：溶剂极性↑ ， R带红移 对吸收光谱精细结构影响 next 溶剂极性↑，苯环精细结构消失，变得平滑 续前

23. back 吸收光谱图上或数据表中必须注明所用的溶剂 在进行紫外光谱法分析时，必须正确选择溶剂 一般非极性化合物多用环己烷作溶剂，极性化合物多用甲醇或乙醇 图示

24. 在溶解度允许的范围内，尽量选择极性较小的溶剂。在溶解度允许的范围内，尽量选择极性较小的溶剂。 • 溶剂应能很好地溶解被测试样，溶剂对溶质应该是惰性的。即所成溶液应具有良好的化学和光化学稳定性。 • 溶剂在样品的吸收光谱区应无明显吸收。

25. （2）共轭体系的存在----红移 • （3）取代基：红移或蓝移。 • 取代基为含孤对电子，如-NH2、-OH、-Cl，可使分子红移； • 取代基为斥电子基，如-R，-OCOR，则使分子蓝移。 • 苯环或烯烃上的H被各种取代基取代，多产生红移。 • （4）空间障碍效应----影响共轭共平面，蓝移

26. 四 无机物分子能级跃迁 一些无机物也产生紫外-可见吸收光谱，其跃迁类型包括 p-d 跃迁（电荷转移跃迁）以及 d-d, f-f 跃迁（配场跃迁）。 1. 电荷转移跃迁 (Charge transfer transition) 一些同时具有电子予体(配位体)和受体(金属离子)的无机分子，在吸收外来辐射时，电子从予体跃迁至受体所产生的光谱。 过渡金属（有d10电子结构）的卤化物及硫化物 max 较大 (104以上)，可用于定量分析。

27. 2. 配场跃迁(Ligand field transition) 过渡元素的 d 或 f 轨道为简并轨道(Degeneration orbit)，当与配位体配合时，轨道简并解除，d 或 f 轨道发生能级分裂。如果轨道未充满，则低能量轨道上的电子吸收外来能量时，将会跃迁到高能量的 d 或 f 轨道，从而产生吸收光谱。位于可见区 吸收系数 max 较小 (102)，很少用于定量分析；多用于研究配合物结构及其键合理论。

28. 复合光 光谱示意 表观现象示意 完全吸收 完全透过 吸收黄色光 第二节 光的吸收定律 一．光的选择性吸收与物质颜色的关系：

29. 二、比色法与可见紫外吸收光谱法 • 比色法：基于比较有色物质溶液颜色深度及进行定量分析的方法。 • 方法：目视比色法 光电比色法

30. 比色法与吸光法比较

31. 三、光吸收定律——朗白—比耳定律 • 1 朗伯比尔定律 a－吸光系数 A－吸光度.为无因次量 A=-lgT T= I /Io T常用百分比（T%）表示。 b－液层厚度.一般单位为cm

32. 式中比例常数的表示方法： • 吸光系数：与吸光物质的性质、入射光的波长及温度等因素有关 • 当溶液浓度c的单位为g/L, 叫“吸光系数”，用a表示，单位为L/g·cm， • A=abc • 由式可知：a=A/bc，它表示的是当c=1g/L、b=1cm时溶液的吸光度。

33. 摩尔吸光系数： • 当溶液浓度c的单位为mol/L，叫“摩尔吸光系数”，用ελ表示，其单位为L/mol·cm，此时： • A=ελbc • 由此式可知：ελ=A/bc，它表示的是当c=1mol/L，b=1cm时，物质对波长为λ的光的吸光度。

34. 说明：吸收定律的适用条件： • 必须是使用单色光为入射光； • 溶液为稀溶液； • 吸收定律能够用于彼此不相互作用的多组分溶液。它们的吸光度具有加合性，且对每一组分分别适用，即： • A总= A1+ A2+ A3…+ An • =ε1bc1+ε2bc2+ε3bc3…+εnbcn • 吸收定律对紫外光、可见光、红外光都适用

35. 2 偏离朗伯—比耳定律的原因 标准曲线法测定未知溶液的浓度时，发现：标准曲线常发生弯曲（尤其当溶液浓度较高时），这种现象称为对朗伯—比耳定律的偏离。 引起这种偏离的因素（两大类）：一类是物理性因素，即仪器的非理想引起的；另一类是化学性因素。

36. （1）物理性因素 • 朗—比耳定律的前提条件之一是入射光为单色光。 • 难以获得真正的纯单色光。分光光度计只能获得近乎单色的狭窄光带。复合光可导致对朗伯—比耳定律的正或负偏离。 • 非单色光、杂散光、非平行入射光都会引起对朗伯—比耳定律的偏离，最主要的是非单色光作为入射光引起的偏离。

37. （2） 化学性因素 朗—比耳定律的假定：所有的吸光质点之间不发生相互作用；假定只有在稀溶液(c<10-2mol/L)时才基本符合。 当溶液浓度c >10 －2 mol/L 时，吸光质点间可能发生缔合等相互作用，直接影响了对光的吸收。 故：朗伯—比耳定律只适用于稀溶液

38. 溶液中存在着离解、聚合、互变异构、配合物的形成等化学平衡时。使吸光质点的浓度发生变化，影响吸光度。溶液中存在着离解、聚合、互变异构、配合物的形成等化学平衡时。使吸光质点的浓度发生变化，影响吸光度。 • 例：铬酸盐或重铬酸盐溶液中存在下列平衡： • CrＯ42- ＋2H＋= Cr2Ｏ72- ＋H2Ｏ • 溶液中CrＯ42-、 Cr2Ｏ72-的颜色不同，吸光性质也不相同。故：此时溶液pH 对测定有重要影响。

39. 0.575 光源 单色器 检测器 显示 吸收池 • 第三节 紫外可见分光光度计 • 一．分光光度计的主要部件和工作原理：

40. 1 光源： • 用于提供足够强度和稳定的连续光谱。 • 热辐射光源和气体放电光源两类。 • 热辐射光源：用于可见光区340 ~ 2500nm，如钨丝灯和卤钨灯； • 气体放电光源：用于紫外光区160 ~ 375 nm，如氢灯和氘灯。

41. 2.单色器 • 玻璃棱镜：用于350 ~ 3200 nm的波长范围，即只能用于可见光域内。 • 石英棱镜：185 ~ 4000nm，即可用于紫外、可见和近红外三 个光域。

42. 3 、吸收池(Cell，Container)： • 4、检测器： • 种类：硒光电池、 • 光电管 • 光电倍增管

44. 0.575 光源 单色器 检测器 显示 吸收池 • 2、分光光度计的类型： • （1）单光束分光光度计：

45. 比值 光束分裂器 光源 单色器 吸收池 检测器 显示 （2）单波长双光束分光光度计

46. 双光束分光光度计是自动比较了透过参比溶液和样品溶液的光的强度，它不受光源（电源）变化的影响。双光束分光光度计是自动比较了透过参比溶液和样品溶液的光的强度，它不受光源（电源）变化的影响。 • 双光束分光光度计还能进行波长扫描，并自动记录下各波长下的吸光度，很快就可得到试液的吸收光谱。所以能用于定性分析。

47. 单色器 光源 检测器 单色器 切光器 吸收池 狭缝 （3）双光束双波长分光光度计：

48. 原理 AB1和AB2分别为在1和2处的背景吸收，当1和2相近时,△=1～2nm,背景吸收近似相等。二式相减，得 特点：可测多组份试样、混浊试样、而且可作成导数光谱、不需参比液(消除了由于参比池的不同和制备空白溶液等产生的误差)、克服了电源不稳而产生的误差，灵敏度高。

49. 光纤光度仪

50. 第五节 分析条件选择 • 一、测定条件的选择 • 二、显色反应条件的选择 • 三、参比溶液的选择 • 四、干扰及消除方法