第九章紫外-可見(jiàn)吸收光譜法

(Ultraviolet-VisibleAbsorptionSpectrometry,UV-Vis)UV-Vis法優(yōu)點(diǎn)：靈敏度及準(zhǔn)確度高、選擇性較好；使用的儀器設(shè)備簡(jiǎn)單，易于操作；應(yīng)用廣泛，幾乎可應(yīng)用于所有無(wú)機(jī)和有機(jī)物質(zhì)的分析。缺點(diǎn)：譜線重疊引起的光譜干擾比較嚴(yán)重；在可見(jiàn)分光光度法中被分析物通常必須用化學(xué)法將其轉(zhuǎn)變?yōu)槲馕镔|(zhì)，手續(xù)麻煩，有時(shí)還帶來(lái)干擾。1第九章紫外-可見(jiàn)吸收光譜法

(Ultraviolet-

§9-1

分子吸收光譜一、分子吸收光譜的產(chǎn)生

分子的總能量包括：

E總=E電子+E振動(dòng)+E轉(zhuǎn)動(dòng)

E電為分子中電子相對(duì)于原子核的運(yùn)動(dòng)所需的能量；

E振為分子在平衡位置附近振動(dòng)所需的能量；

E轉(zhuǎn)為分子繞分子重心轉(zhuǎn)動(dòng)所需的能量；

E電、E振、E轉(zhuǎn)是不連續(xù)的，是量子化的，即分子具有電子（價(jià)電子）能級(jí)、振動(dòng)能級(jí)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)，分子也有其特征分子能級(jí)。

2§9-1分子吸收光譜一、分子吸收光譜的產(chǎn)生

分子

分子吸收外界輻射能后，引起分子能級(jí)的躍遷，分子總能量變化為：

E總=E電子+E振動(dòng)+E轉(zhuǎn)動(dòng)

且E電子>E振動(dòng)>E轉(zhuǎn)動(dòng)

同樣分子吸收的能量應(yīng)具有量子化特征：

E=E2-E1=h

3分子吸收外界輻射能后，引起分子能級(jí)的躍遷，分子總能量4455

200-380nm為近紫外區(qū)；380-780nm為可見(jiàn)光區(qū)；10-200nm為遠(yuǎn)紫外區(qū)，由于空氣中氮、氧、水等均對(duì)此區(qū)域光有吸收，若利用此范圍的光進(jìn)行吸收測(cè)定時(shí)，必須先對(duì)光學(xué)系統(tǒng)抽真空，然后充入惰性氣體，所以稱(chēng)為真空紫外區(qū)，實(shí)際應(yīng)用受到一定限制。6

200-380nm為近紫外區(qū)；380-78（1）電子類(lèi)型形成單鍵的電子C-HC-C形成雙鍵的電子C=CC=O未成對(duì)的孤對(duì)電子n電子C=OCOHnpsH§9-2有機(jī)化合物的紫外吸收光譜7COHnpsH§9-2有機(jī)化合物的紫外吸收光譜7分子軌道有σ、σ*、π、π*、n能量高低σ＜π＜n＜π*＜σ*

88*位于遠(yuǎn)紫外區(qū)，吸收強(qiáng)度大，有機(jī)化合物中飽和烴均為單鍵，吸收帶小于160nm，在遠(yuǎn)紫外區(qū)，因此，此類(lèi)化合物常用于紫外-可見(jiàn)吸收光譜分析的溶劑。9*位于遠(yuǎn)紫外區(qū)，吸收強(qiáng)度大，有機(jī)化合物中飽和烴均為

n*躍遷的吸收帶如含-OH、-NH2、-X、-S等基團(tuán)的化合物，其雜原子中的孤對(duì)電子吸收能量后向*反鍵軌道躍遷，其吸收波長(zhǎng)在200nm左右。電負(fù)性越強(qiáng)，躍遷所需能量越高，吸收波長(zhǎng)越短。n*躍遷的摩爾吸光系數(shù)較小。10n*躍遷的吸收帶10

*和n躍遷的吸收帶

*和n躍遷的吸收帶在近紫外區(qū)或可見(jiàn)光區(qū)，最常用。n吸收較弱。*躍遷幾率比n大，故吸收帶強(qiáng)度大。若具有共軛雙鍵，則電子容易激發(fā)，則吸收帶還“紅移”，且摩爾吸光系數(shù)更大。11112.2UV常用術(shù)語(yǔ)生色團(tuán)：能在某一段光波內(nèi)產(chǎn)生吸收的基團(tuán)，稱(chēng)為這一段波長(zhǎng)的生色團(tuán)或生色基。

（C=C、C≡C、C=O、COOH、COOR、COR、CONH2、NO2、－N=N－）

助色團(tuán)：當(dāng)具有非鍵電子的原子或基團(tuán)連在雙鍵或共軛體系上時(shí)，會(huì)形成非鍵電子與電子的共軛(p-共軛)，從而使電子的活動(dòng)范圍增大，吸收向長(zhǎng)波方向位移，顏色加深，這種效應(yīng)稱(chēng)為助色效應(yīng)。能產(chǎn)生助色效應(yīng)的原子或原子團(tuán)稱(chēng)為助色基。（－OH、－Cl）122.2UV常用術(shù)語(yǔ)生色團(tuán)：能在某一段光波內(nèi)產(chǎn)生吸收的基團(tuán)紅移(redshift)亦稱(chēng)長(zhǎng)移：由于化合物的結(jié)構(gòu)改變，如發(fā)生共軛作用，引入助色團(tuán)以及溶劑改變等，使吸收峰向長(zhǎng)波方向移動(dòng)。藍(lán)（紫）移（blueshift）亦稱(chēng)短移：當(dāng)化合物的結(jié)構(gòu)改變時(shí)或受溶劑影響使吸收峰向短波方向移動(dòng)。13133.有機(jī)化合物的紫外吸收2.3.1飽和化合物含飽和雜原子的化合物：σ*、n*，吸收弱，只有部分有機(jī)化合物（如C-Br、C-I、C-NH2）的n*躍遷有紫外吸收。

飽和烷烴：*，能級(jí)差很大，紫外吸收的波長(zhǎng)很短，屬遠(yuǎn)紫外范圍。例如：甲烷125nm，乙烷135nm143.有機(jī)化合物的紫外吸收2.3.1飽和化合物含飽和雜原子

小結(jié)：一般的飽和有機(jī)化合物在近紫外區(qū)無(wú)吸收，不能將紫外吸收用于鑒定；反之，它們?cè)诮贤鈪^(qū)對(duì)紫外線是透明的，所以可用作紫外測(cè)定的良好溶劑。15小結(jié)：一般的飽和有機(jī)化合物在近紫外區(qū)無(wú)吸收，152.3.2不飽和脂肪烴非共軛*躍遷，λmax位于190nm以下的遠(yuǎn)紫外區(qū)。例如：乙烯165nm（ε15000），乙炔173nmC＝C與雜原子O、N、S、Cl相連，由于雜原子的助色效應(yīng)，λmax紅移。

小結(jié)：C＝C，C≡C雖為生色團(tuán)，但若不與強(qiáng)的助色團(tuán)N，S相連，*躍遷仍位于遠(yuǎn)紫外區(qū)。162.3.2不飽和脂肪烴非共軛*共軛體系的形成使吸收移向長(zhǎng)波方向共軛烯烴的π

π*躍遷均為強(qiáng)吸收帶，≥10000，稱(chēng)為K帶。共軛體系越長(zhǎng)，其最大吸收越移往長(zhǎng)波方向，且出現(xiàn)多條譜帶。17共軛體系的形成使吸收移向長(zhǎng)波方向共軛烯烴的ππ*躍遷1818例：請(qǐng)將下列化合物的紫外吸收波長(zhǎng)max值按由長(zhǎng)波到短波排列，并解釋原因。

(1)CH2=CHCH2CH=CHNH2

(2)CH3CH=CHCH=CHNH2

(3)CH3CH2CH2CH2CH2NH2

解：（2），（1），（3）19例：請(qǐng)將下列化合物的紫外吸收波長(zhǎng)max值按由長(zhǎng)波到短波排2.3.3苯及其衍生物的紫外吸收

苯環(huán)顯示三個(gè)吸收帶,都是起源于π

π*躍遷.max=184nm(=60000）E1帶max=204nm(=7900）E2帶

max=255nm(=250）B帶202.3.3苯及其衍生物的紫外吸收苯環(huán)顯示三個(gè)吸收帶生色團(tuán)取代的苯：含有π鍵的生色團(tuán)與苯環(huán)相連時(shí)，產(chǎn)生更大的π

π*共軛體系，使B帶E帶產(chǎn)生較大的紅移。

助色團(tuán)取代苯：助色團(tuán)含有孤電子對(duì)，它能與苯環(huán)π

電子共軛。使B帶、E帶均移向長(zhǎng)波方向。21生色團(tuán)取代的苯：含有π鍵的生色團(tuán)與苯環(huán)相連時(shí)，助色芳香族化合物乙酰苯紫外光譜圖：羰基雙鍵與苯環(huán)共扼，K帶強(qiáng)；苯的E2帶與K帶合并，紅移；取代基使B帶簡(jiǎn)化；氧上的孤對(duì)電子：R帶弱，躍遷禁阻。CCH3On→p*

;

R帶p

→p*

;

K帶22芳香族化合物乙酰苯紫外光譜圖：羰基雙鍵與苯環(huán)共扼，K帶強(qiáng)；苯1、問(wèn)：在分子(CH3)2NCH＝CH2

中，預(yù)計(jì)發(fā)生的躍遷類(lèi)型有哪些？下列化合物中，同時(shí)有n*,*,*躍遷的化合物是----()(1)一氯甲烷(2)丙酮(3)1，3－丁二烯(4)

甲醇

2、問(wèn)：下列化合物中，同時(shí)有n*,*,*

躍遷的化合物是

(1)一氯甲烷

(2)丙酮

(3)1，3－丁二烯

(4)

甲醇σ→σ*；n→*；n→σ*；→*；

σ→σ*；n→*；n→σ*；→*；

σ→σ*；n→*；n→σ*；→*；(2)丙酮231、問(wèn)：在分子(CH3)2NCH＝CH2中，預(yù)計(jì)發(fā)生的躍9-3無(wú)機(jī)化合物的紫外可見(jiàn)吸收光譜1、電荷轉(zhuǎn)移躍遷電荷轉(zhuǎn)移躍遷是指當(dāng)外來(lái)輻射照射到某些化合物時(shí)，可能發(fā)生一個(gè)電子從體系的電子給予體部分轉(zhuǎn)移到該體系的另一電子接受體部分，即給予體的一個(gè)電子向接受體的一個(gè)電子軌道躍遷，相當(dāng)于化合物內(nèi)部發(fā)生了內(nèi)氧化還原過(guò)程，如：電荷轉(zhuǎn)移吸收帶的特點(diǎn)是吸收強(qiáng)度大，εmax＞104L·mol-1·cm-1。利用它進(jìn)行定量分析，有利于靈敏度的提高。249-3無(wú)機(jī)化合物的紫外可見(jiàn)吸收光譜電荷轉(zhuǎn)移躍遷是指當(dāng)外2、配位場(chǎng)躍遷是指含有過(guò)渡金屬及鑭系錒系元素的配合物在配位體的配位場(chǎng)作用下d軌道或f軌道發(fā)生能級(jí)分裂，電子吸收能量發(fā)生d能級(jí)或f能級(jí)躍遷，由此產(chǎn)生配位場(chǎng)吸收帶，主要用于配合物結(jié)構(gòu)的研究。d－d電子躍遷吸收帶是由于d電子層未填滿(mǎn)的第一(3d)、二(4d)過(guò)渡金屬離子的d電子，在配位體場(chǎng)影響下分裂出的不同能量的d軌道之間的躍遷而產(chǎn)生的。這種吸收帶在可見(jiàn)光區(qū)，強(qiáng)度較弱，εmax約為0.1－100L/mol/cm。f－f電子躍遷吸收帶在紫外－可見(jiàn)光區(qū)，它是由鑭系和錒系元素的4f和5f電子躍遷產(chǎn)生的。因f軌道被已填滿(mǎn)的外層軌道屏蔽，不易受溶劑和配位體的影響，所以吸收帶較窄。252、配位場(chǎng)躍遷是指含有過(guò)渡金屬及鑭系錒系元素的配合物在配位體§9-4溶劑對(duì)紫外吸收光譜的影響一、生色團(tuán)或助色團(tuán)的影響：

飽和有機(jī)化合物中引入生色團(tuán)或助色團(tuán)，將使吸收帶紅移和εmax增大。26§9-4溶劑對(duì)紫外吸收光譜的影響一、生色團(tuán)或助色團(tuán)的影2727二、溶劑的影響1、對(duì)吸收帶精細(xì)結(jié)構(gòu)的影響：

當(dāng)物質(zhì)溶解在極性溶劑中時(shí)，溶質(zhì)分子溶劑化，使其轉(zhuǎn)動(dòng)光譜消失，并限制了溶質(zhì)分子的自由轉(zhuǎn)動(dòng)和分子振動(dòng)，導(dǎo)致精細(xì)結(jié)構(gòu)模糊甚至不出現(xiàn)。非極性溶劑中，其光譜與該物質(zhì)的氣態(tài)的光譜相似。28二、溶劑的影響282、極性大的溶劑使π→π*躍遷的吸收帶紅移；使n→π*躍遷的吸收帶紫移。292、極性大的溶劑29例：某化合物在正己烷和乙醇中分別測(cè)得最大吸收波長(zhǎng)max=305nm和max=317nm，試指出該吸收是由哪一種躍遷類(lèi)型所引起?為什么?因溶劑極性增大，max紅移，所以由π→π*躍遷引起。30例：某化合物在正己烷和乙醇中分別測(cè)得最大吸收波長(zhǎng)max=3§9-5紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)是在UV-Vis光區(qū)內(nèi)可任意選擇不同波長(zhǎng)的光測(cè)定吸光度的儀器。一、儀器類(lèi)型可分為單波長(zhǎng)、雙波長(zhǎng)分光光度計(jì)、多通道分光光度計(jì)；單波長(zhǎng)分光光度計(jì)又分為單光束和雙光束分光光度計(jì)。基本光路圖（五部分組成）：31§9-5紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)是在UV3232二、基本部件

1、光源

發(fā)射的是連續(xù)光譜，要求光強(qiáng)大而穩(wěn)定

可見(jiàn)區(qū)：白熾光源如鎢燈或碘鎢燈，

波長(zhǎng)范圍320~2500nm

紫外區(qū)：氣體放電燈，如低壓直流氫放電燈或

氘放電燈波長(zhǎng)范圍180~375nm

因玻璃對(duì)紫外光有吸收，所以應(yīng)用石英窗

2、單色器

作用：將復(fù)合光分解為單色光

類(lèi)型：濾光片

透過(guò)光即濾光片本身顏色，與吸

收物質(zhì)顏色互補(bǔ)。半寬度大于30nm。

棱鏡

利用不同波長(zhǎng)光通過(guò)棱鏡時(shí)折射率不同進(jìn)

行分光，半寬度大于5~10nm。光柵利用光的衍射和干涉作用進(jìn)行分光

波長(zhǎng)范圍寬，色散均勻，分辨率強(qiáng)。33二、基本部件

1、光源發(fā)射的是連續(xù)光譜，要求光強(qiáng)大而氙燈氫燈鎢燈34氙燈氫燈鎢燈343、吸收池

由無(wú)色透明的普通光學(xué)玻璃或石英玻璃制成，厚度：0.5cm,1.0cm,2.0cm,3.0cm等

4、檢測(cè)器光電轉(zhuǎn)換器

類(lèi)型：光電池：半導(dǎo)體材料受到光照逸出電子產(chǎn)生電位差。光電管，光電倍增管，光二極管陣列等5、顯示記錄裝置353、吸收池35光電倍增管(PhotomultiplierTube,PMT)1個(gè)光子可產(chǎn)生106～107個(gè)電子160-700nm36光電倍增管(PhotomultiplierTube,PM1.單光束分光光度計(jì)可變波長(zhǎng)單光束紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)示意圖三、幾種儀器介紹371.單光束分光光度計(jì)可變波長(zhǎng)單光束紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)示意單波長(zhǎng)2.單波長(zhǎng)雙光束分光光度計(jì)的特點(diǎn)：

消除光源強(qiáng)度變化的影響38單波長(zhǎng)2.單波長(zhǎng)雙光束分光光度計(jì)的特點(diǎn)：38纖維光度計(jì):將光度計(jì)放入樣品中,原位測(cè)量.對(duì)環(huán)境和過(guò)程監(jiān)測(cè)非常重要.39纖維光度計(jì):將光度計(jì)放入樣品中,原位測(cè)量.對(duì)環(huán)境和過(guò)程監(jiān)

§9-6UV-Vis吸收光譜法的應(yīng)用一、定性鑒別定性依據(jù)：多數(shù)有機(jī)化合物具有吸收光譜特征，例如吸收光譜形狀、吸收峰數(shù)目、各吸收峰的波長(zhǎng)位置、強(qiáng)度和相應(yīng)的吸光系數(shù)值等。結(jié)構(gòu)完全相同的化合物應(yīng)有完全相同的吸收光譜；但吸收光譜完全相同的化合物卻不一定是同一個(gè)化合物—這是由于有機(jī)分子中的選擇吸收的波長(zhǎng)和強(qiáng)度，主要決定于分子中的生色團(tuán)和助色團(tuán)及其共軛情況。40§9-6UV-Vis吸收光譜法的應(yīng)用一、定性鑒別40-胡羅卜素咖啡因阿斯匹林丙酮幾種有機(jī)化合物的分子吸收光譜圖。41-胡羅卜素咖啡因阿斯匹林丙酮幾種有機(jī)化合物的分子利用UV-Vis吸收光譜法進(jìn)行化合物的定性鑒別，一般采用對(duì)比法。1．比較法通常，通過(guò)未知純?cè)嚇拥淖贤馕展庾V圖與標(biāo)準(zhǔn)純?cè)嚇拥淖贤馕展庾V圖，或與標(biāo)準(zhǔn)紫外吸收光譜圖比較進(jìn)行定性。

42利用UV-Vis吸收光譜法進(jìn)行化合物的定性鑒別，一般采用對(duì)比對(duì)比吸收光譜的特征數(shù)據(jù)（max、max）43對(duì)比吸收光譜的特征數(shù)據(jù)（max、max）43對(duì)比吸收光譜的一致性（max、max、峰形均須一致）44對(duì)比吸收光譜的一致性（max、max、峰形均須一致）44二、有機(jī)化合物分子結(jié)構(gòu)的推斷45二、有機(jī)化合物分子結(jié)構(gòu)的推斷45max=204nm

弱吸收max=245nmK吸收帶=18000L·moL-1·cm-146max=204nm

弱吸收max=245nmK吸收透光率(T): 一束單色光通過(guò)樣品介質(zhì)后，入射光強(qiáng)I0減弱為I，

則透光率：T=I/I0

或用百分透光率表示：T%=I/I0100%吸光度(A)：

A=-lgT=lg(I0/I)I0I三、定量分析47透光率(T):I0I三、定量分析47二、朗伯－比爾定律(Lamber-Beer’sLaw)當(dāng)樣品濃度為mol.L-1時(shí)，稱(chēng)為摩爾吸光系數(shù)，單位為L(zhǎng).mol-1.cm-1.A為吸光度，c為濃度，b為樣品厚度，48二、朗伯－比爾定律(Lamber-Beer’sLaw朗伯(Lambert)像朗伯Lambert（1728-1777）

出生地：Alsace，F(xiàn)rance他發(fā)現(xiàn)新的幾何觀念：當(dāng)三角形面積逐漸減少時(shí)，它的角度和會(huì)逐漸增加。Lambert被大家所熟悉的是他在π上的研究。第一位提供嚴(yán)謹(jǐn)證法來(lái)說(shuō)明π是無(wú)理數(shù)。在Hermite證明e之前，Lambert早已推測(cè)出e及π是超越數(shù)了。Lambert使得雙曲函數(shù)Hyper－bolicFunctions首度有系統(tǒng)的發(fā)展，而且在物理學(xué)上對(duì)光和熱的研究有許多創(chuàng)新。因此可知Lambert在數(shù)學(xué)、物理、天文均有重要的貢獻(xiàn)。

49朗伯(Lambert)像朗伯Lambert493、單組分的定量分析標(biāo)準(zhǔn)曲線法：配制一系列不同濃度的被測(cè)組分的標(biāo)準(zhǔn)溶液，在選定的波長(zhǎng)和最佳的實(shí)驗(yàn)條件下，分別測(cè)定其A，以A與C作圖得一條件直線，在相同條件下，再測(cè)量樣品溶液的A，然后從標(biāo)準(zhǔn)曲線上查得樣品的濃度。

最常見(jiàn)的方法吸光系數(shù)法：已知（或通過(guò)手冊(cè)查到）,可根據(jù)公式求出待測(cè)物濃度。目視比色法：基本同標(biāo)準(zhǔn)曲線法，只不過(guò)是用眼睛比較溶液顏色。誤差較大，但簡(jiǎn)便。503、單組分的定量分析標(biāo)準(zhǔn)曲線法：配制一系列不同濃度的被測(cè)組分方便、靈敏，準(zhǔn)確度差.常用于限界分析.目視比色法觀察方向空白c1c2c3c451方便、靈敏，準(zhǔn)確度差.常用于限界分析.目視比色法觀察方向空4、多組分的定量分析解聯(lián)立方程：若它們的吸收峰重疊，但不嚴(yán)重，且符合Beer定律，則根據(jù)吸光度的可加和性，可不經(jīng)分離，在n個(gè)指定的波長(zhǎng)處測(cè)量樣品混合組分的吸光度，然后解n個(gè)聯(lián)立方程，求出各組分的含量。如含有x,y兩組分的混合物：需要測(cè)定試樣中的n個(gè)組分，若它們?cè)谖涨€上吸收峰互相又不重疊，則可按單組分的方法分別測(cè)定；524、多組分的定量分析解聯(lián)立方程：若它們的吸收峰重疊，但不嚴(yán)重例：1.010-3mol/L的K2Cr2O7溶液在波長(zhǎng)450nm和530nm處的吸光度A分別為0.200和0.050。1.010-4mol/L的KMnO4溶液在450nm處無(wú)吸收，在530nm處吸光度為0.420。今測(cè)得某K2Cr2O7和KMnO4的混合液在450nm和530nm處吸光度分別為0.380和0.710。試計(jì)算該混合溶液中K2Cr2O7和KMnO4濃度。假設(shè)吸收池長(zhǎng)為10mm。

∵λ=530nmKMnO4A=0.420=εmn530×1×1.0×10-4εMn530=4200L/mol.cmK2Cr2O7A=0.050=εMn530×1×1.0×10-3εCr530=50L/mol.cmλ=450nmK2Cr2O7A=0.200=εMn450×1×1.0×10-3εCr450=200L/mol.cm∵在λ=450nm時(shí)KMnO4無(wú)吸收∴0.380=εCr450×1×Ccr∴Ccr=0.380/200=1.9×10-3mol.L-1∴在λ=530nm時(shí)0.710=50×1×1.9×10-3+4200×1×CMn∴CMn=1.46×10-4mol.L-1

53例：1.