第二章紫外－可見吸收光譜法分析法第一節(jié)基本原理一、概述二、紫外–可見吸收光譜三、光的吸收定律第一頁，共三十一頁。光的基本性質

光是一種電磁波，具有波粒二象性。單色光：單一波長的光(由具有相同能量的光子組成)

白光：由各種單色光組成的復合光一、概述第二頁，共三十一頁。白光紫綠紅橙藍青藍青黃光的互補示意圖白光白光第三頁，共三十一頁。表2-1物質顏色和吸收光顏色之間的關系

物質顏色吸收光顏色波長范圍/nm黃綠紫400-450黃藍450-480橙綠藍480-490紅藍綠490-500紫紅綠500-560紫黃綠560-580藍黃580-600綠藍橙600-650藍綠紅650-700第四頁，共三十一頁。

在光譜分析中，依據(jù)物質對光的選擇性吸收而建立起來的分析方法稱為吸光光度法。1.定義

光譜分析法是指在光的作用下，通過測量物質產生的發(fā)射光、吸收光或散射光的波長和強度來進行分析的方法。本章主要講授紫外-可見吸光光度法。二、紫外–可見吸收光譜分析法第五頁，共三十一頁。2.物質對光的選擇性吸收及其吸收曲線

E=E2-

E1=h

量子化；選擇性吸收;分子結構的復雜性使其對不同波長光的吸收程度不同；用不同波長的單色光照射，吸收曲線—測吸光度與吸收波長之間的關系。M+h

M*基態(tài)激發(fā)態(tài)E1

（△E）E2第六頁，共三十一頁。第七頁，共三十一頁。吸收曲線的討論：

（1）同一種物質對不同波長的光的吸光度不同。吸光度最大處對應的波長稱為最大吸收波長λmax（2）不同濃度的同一種物質，其吸收曲線形狀相似，λmax不變。而對于不同物質，它們的吸收曲線形狀和λmax則不同。

（3）吸收曲線可以提供物質的結構信息，并作為物質定性分析的依據(jù)之一.（4）不同濃度的同一種物質，在每一波長下吸光度A有差異，在λmax處吸光度A的差異最大，所以測定最靈敏，此特性可作為物質定量分析的依據(jù)。第八頁，共三十一頁。3.紫外-可見吸收光譜與電子躍遷的關系物質分子內部三種運動形式：

（1）電子相對于原子核的運動（2）原子核在其平衡位置附近的相對振動（3）分子本身繞其重心的轉動分子具有三種不同能級：電子能級、振動能級和轉動能級三種能級都是量子化的，且各自具有相應的能量。分子的內能：電子能量Ee、振動能量Ev

、轉動能量Er即E＝Ee+Ev+Er

Εe>Εv>Εr

第九頁，共三十一頁。

紫外-可見光譜屬于電子躍遷光譜。電子能級間躍遷的同時總伴隨有振動和轉動能級間的躍遷。即電子光譜中總包含有振動能級和轉動能級間躍遷產生的若干譜線而呈現(xiàn)寬譜帶。能級躍遷第十頁，共三十一頁。吸收光譜與電子躍遷1．紫外—可見吸收光譜有機化合物的紫外-可見吸收光譜，是其分子中外層價電子躍遷的結果（三種）：σ電子、π電子、n電子。分子軌道理論：一個成鍵軌道必定有一個相應的反鍵軌道。通常外層電子均處于分子軌道的基態(tài)，即成鍵軌道或非鍵軌道上。

外層電子吸收紫外或可見光后，就從基態(tài)向激發(fā)態(tài)(反鍵軌道)躍遷。主要有四種躍遷所需能量ΔΕ大小順序為：n→π＊<π→π＊<n→σ＊<σ→σ＊

第十一頁，共三十一頁。⑴σ→σ＊躍遷

所需能量最大，σ電子只有吸收遠紫外光的能量才能發(fā)生躍遷。飽和烷烴的分子吸收光譜出現(xiàn)在遠紫外區(qū)(吸收波長λ<200nm，只能被真空紫外分光光度計檢測到)。如甲烷的λ為125nm,乙烷λmax為135nm。⑵n→σ＊躍遷

所需能量較大。吸收波長為150～250nm，大部分在遠紫外區(qū)，近紫外區(qū)仍不易觀察到。含非鍵電子的飽和烴衍生物(含N、O、S和鹵素等雜原子)均呈現(xiàn)n→σ*躍遷。如一氯甲烷、甲醇、三甲基胺n→σ*躍遷的λ分別為173nm、183nm和227nm。n→π＊<π→π＊<n→σ＊<σ→σ＊

第十二頁，共三十一頁。⑶π→π＊躍遷

所需能量較小，吸收波長處于遠紫外區(qū)的近紫外端或近紫外區(qū)，摩爾吸光系數(shù)εmax一般在104L·mol-1·cm-1以上，屬于強吸收。不飽和烴、共軛烯烴和芳香烴類均可發(fā)生該類躍遷。如：乙烯π→π*躍遷的λ為162nm，

εmax為:1×104L·mol-1·cm-1。⑷n→π＊躍遷

需能量最低，吸收波長λ>200nm。這類躍遷在躍遷選律上屬于禁阻躍遷，摩爾吸光系數(shù)一般為10～100L·mol-1·cm-1，吸收譜帶強度較弱。分子中孤對電子和π鍵同時存在，同時發(fā)生n→π＊

躍遷。丙酮n→π＊躍遷的λ為275nm,εmax為22L·mol-1·cm-1（溶劑環(huán)己烷)。第十三頁，共三十一頁。生色團與助色團生色團：

最有用的紫外-可見光譜是由π→π＊和n→π＊躍遷產生的。這兩種躍遷均要求有機物分子中含有不飽和基團。這類含有π鍵等不飽和基團稱為生色團。簡單的生色團由雙鍵或叁鍵體系組成，如乙烯基、羰基、亞硝基、偶氮基-N＝N-、乙炔基、腈基-C三N等。助色團：有一些含有n電子的基團(如-OH、-OR、-NH２、-NHR、-X等)，它們本身沒有生色功能(不能吸收λ>200nm的光)，但當它們與生色團相連時，就會發(fā)生n-π共軛作用，增強生色團的生色能力(吸收波長向長波方向移動，且吸收強度增加)，這樣的基團稱為助色團。第十四頁，共三十一頁。紅移和藍移

有機化合物的吸收譜帶常常因引入取代基或改變溶劑使最大吸收波長λmax和吸收強度發(fā)生變化:

λmax向長波方向移動稱為紅移，向短波方向移動稱為藍移。吸收強度即摩爾吸光系數(shù)ε增大或減小的現(xiàn)象分別稱為增色效應或減色效應，如圖所示。第十五頁，共三十一頁。4.定性和定量分析依據(jù)（1）定性分析依據(jù)：

可根據(jù)吸收光譜曲線的形狀，即曲線上吸收峰的數(shù)目，峰所對應的波長及峰的相對高度來進行定性分析。（2）定量分析的依據(jù)：根據(jù)某一特征峰的高度與物質濃度成正比的關系來進行定量分析。A＝lg(I0/It)=εbc

第十六頁，共三十一頁。三、光的吸收定律

1.朗白-比爾定律

布格(Bouguer)和朗伯(Lambert)先后于1729年和1760年闡明了光的吸收程度與吸收層厚度的關系。A∝b

1852年比爾(Beer)又提出了光的吸收程度與吸收物濃度之間的關系。A∝c

二者的結合稱為朗伯-比爾定律A=εbc

第十七頁，共三十一頁。

A＝lg(I0/It)＝

εbc

式中A：吸光度；描述溶液對光的吸收程度；（A無單位）

b：液層厚度(光程長度)，通常以cm為單位；

c：溶液的摩爾濃度，單位mol·L-1；ε：摩爾吸光系數(shù)，單位L·mol-1·cm-1；在數(shù)值上等于濃度為1mol/L、液層厚度為1cm時該溶液在某一波長下的吸光度；

或:

A＝lg(I0/It)＝abc

（A無單位）

c：溶液的濃度，單位g·L-1

a：吸光系數(shù)，單位L·g-1·cm-1，相當于濃度為1g/L、液層厚度為1cm時該溶液在某一波長下的吸光度。朗伯–比爾定律數(shù)學表達式第十八頁，共三十一頁。摩爾吸收系數(shù)ε的討論（1）ε在數(shù)值上等于濃度為1mol/L、液層厚度為1cm時該溶液在某一波長下的吸光度。（2）吸收物質是在一定溫度、波長和溶劑條件下的特征常數(shù)。（3）不隨濃度c和光程長度b的改變而改變。ε僅與吸收物質本身的性質有關，與待測物濃度無關；（4）同一吸收物質在不同波長下的ε值是不同的。在最大吸收波長λmax處的摩爾吸光系數(shù)，常以εmax表示。εmax表明了該吸收物質最大限度的吸光能力，也反映了光度法測定該物質可能達到的最大靈敏度。

第十九頁，共三十一頁。（5）εmax越大表明該物質的吸光能力越強，用光度法測定該物質的靈敏度越高。

通常，在λmax處：

ε﹥105

超高靈敏的方法

ε＝（6～10）×104

高靈敏的方法

ε＝（2～6）×104

中靈敏的方法

ε﹤2×104

不靈敏的方法

（6）可作為定性鑒定的參數(shù)；第二十頁，共三十一頁。透過度T:描述入射光透過溶液的程度:

T=It

/I0吸光度A與透光度T的關系:

A=

-lgT朗伯-比爾定律是吸光光度法的理論基礎和定量測定的依據(jù)。應用于各種光度法的吸收測量。2.透光度T第二十一頁，共三十一頁。應用舉例某有色物質溶液的濃度為4.5×10-3g·L-1,在530nm波長下用2.0cm的吸收池所測得的吸光度為0.300，試計算（a）吸收系數(shù)；（b)使用5cm的吸收池時溶液的百分透光度。解：第二十二頁，共三十一頁。應用舉例某有色物質溶液的濃度為4.5×10-3g·L-1,在530nm波長下用2.0cm的吸收池所測得的吸光度為0.300，試計算(a)吸收系數(shù)；(b)使用5cm的吸收池時溶液的百分透光度。解：（a）a=A/bc=0.300/2.0×4.5×10-3=33.3L·g-1·cm-1（b）T=10-ab’c=10-A’T%=10-ab’c×100％=10-A’×100％=17.81％第二十三頁，共三十一頁。3.朗伯-比爾定律偏離的原因

標準曲線法測定未知溶液的濃度時，發(fā)現(xiàn)：標準曲線常發(fā)生彎曲(尤其當溶液濃度較高時)，這種現(xiàn)象稱為對朗伯-比爾定律的偏離。引起這種偏離的因素（兩大類）：（1）物理性因素，（2）化學性因素。第二十四頁，共三十一頁。（1）物理性因素朗白-比爾定律的前提條件之一是入射光為單色光。難以獲得真正的純單色光。

分光光度計只能獲得近似于單色的狹窄光帶。復合光可導致對朗伯-比爾定律的正或負偏離。

非單色光、雜散光、非平行入射光都會引起對朗白-比爾定律的偏離，最主要的是非單色光作為入射光引起的偏離。

第二十五頁，共三十一頁。非單色光作為入射光引起的偏離

假設由波長為λ1和λ2的兩單色光組成的入射光通過濃度為c的溶液，則：

A

1

＝lg(Ｉo1/Ｉt1）＝ε1bc

A

2

＝lg(Ｉo2/Ｉt2）＝ε2bc故：式中：Ｉo1、Ｉo2分別為λ1、λ2的入射光強度；

Ｉt1、Ｉt2分別為λ1、λ2的透射光強度；

ε1、ε2分別為λ1、λ2的摩爾吸光系數(shù)；因實際上只能測總吸光度A總，并不能分別測得A1和A2，故第二十六頁，共三十一頁。

A總＝lg(Io總/It總)＝lg(Io1+Io2)/(It1+It2）

＝lg(Io1+Io2)/(Io110-ε1bc

+Io210-ε2bc

)令：ε2–ε1＝；

Io1＝Io2A總＝lg(2Io1)/It1(1＋10-

bc

)

＝A1+lg2-lg(1＋10-

bc

)

討論如下:第二十七頁，共三十一頁。討論:

A總=A1+lg2-lg(1＋10-εbc

)

(1)=0；即：

1=

2=

則：

A總

＝lg（Ｉo/Ｉt）＝bc(2)

≠0

若

<0

；即

2<

1；

-

bc>0,

lg(1＋10

-

bc)值隨c值增大而增大，則標準曲線偏離直線向c軸彎曲，即負偏離；反之，則向A軸彎曲，即正偏離。第二十八頁，共三十一頁。討論:

A總=A1+lg2-lg(1＋10-εbc

)

(3)｜｜很小時，即ε1≈ε2：

可近似認為是單色光。在低濃度范圍內，不發(fā)生偏離。若濃度較高，即使｜｜很小，A總≠Ａ1，且隨著c值增大，

A總與A1的差異愈大，在圖上則表現(xiàn)為A-c曲線上部(高濃度區(qū))彎曲愈嚴重。故朗伯-比爾定律只適用于稀溶液。(4)為克服非單色光引起的偏離，首先應選擇比較好的單色器。此外還應將入射光波長選定在待測物質的最大吸收波長且吸收曲線較平坦處。第二十九頁，共三十一頁。(2)化學性因素

朗白-比爾定律的假定：所有的吸光質點之間不發(fā)生相互作用；此假定只有在稀溶液(c<10-2mol/L)時才基本符合。當溶液濃度c>10-2mol/L時，吸光質點間可能發(fā)生締合等相互作用，直接影響了對光的吸收。

故：朗伯-比爾定律只適用于稀溶液。

溶液中存在著離解、聚合、互變異構、配合物的形成