第9章紫外吸收光譜分析UltravioletSpectrophotometry,UV22025/8/14主要內(nèi)容9-1分子吸收光譜9-2有機化合物的紫外吸收光譜9-3無機化合物的紫外-可見吸收光譜9-4溶劑效應(yīng)9-5紫外-可見分光光度計9-6紫外吸收光譜的應(yīng)用32025/8/14一、概述

基于物質(zhì)光化學(xué)性質(zhì)而建立起來的分析方法稱之為光化學(xué)分析法。分為:光譜分析法和非光譜分析法。光譜分析法是指在光（或其它能量）的作用下，通過測量物質(zhì)產(chǎn)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。

吸收光譜分析發(fā)射光譜分析分子光譜分析原子光譜分析§

9-1分子吸收光譜42025/8/14概述:

在光譜分析中，依據(jù)物質(zhì)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,主要有:

紅外吸光光度法：分子振動光譜，吸收光波長范圍2.51000m,主要用于有機化合物結(jié)構(gòu)鑒定。

紫外吸光光度法：電子躍遷光譜，吸收光波長范圍200400nm（近紫外區(qū)），可用于結(jié)構(gòu)鑒定和定量分析。

可見吸光光度法：電子躍遷光譜，吸收光波長范圍400750nm，主要用于有色物質(zhì)的定量分析。本章主要講授紫外可見吸光光度法。52025/8/1462025/8/14二、紫外可見吸收光譜1．光的基本性質(zhì)

光是一種電磁波，具有波粒二象性。光的波動性可用波長

、頻率

、光速c、波數(shù)（cm-1）等參數(shù)來描述：

=c

；波數(shù)=1/

=

/c

光是由光子流組成，光子的能量：

E=h=hc/

（Planck常數(shù)：h=6.626×10-34J×S)

光的波長越短（頻率越高），其能量越大。白光(太陽光)：由各種單色光組成的復(fù)合光

單色光：單波長的光(由具有相同能量的光子組成)

可見光區(qū)：400-750nm

紫外光區(qū)：近紫外區(qū)200-400nm

遠紫外區(qū)10-200nm（真空紫外區(qū)）

72025/8/142.物質(zhì)對光的選擇性吸收及吸收曲線M+熱M+熒光或磷光

E=E2-

E1=h

量子化；選擇性吸收;

分子結(jié)構(gòu)的復(fù)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，測吸光度—吸收曲線與最大吸收波長

max；M+

h

M*

光的互補：藍

黃基態(tài)激發(fā)態(tài)E1

（△E）E282025/8/14吸收曲線的討論：

（1）同一種物質(zhì)對不同波長光的吸光度不同。吸光度最大處對應(yīng)的波長稱為最大吸收波長λmax

（2）不同濃度的同一種物質(zhì)，其吸收曲線形狀相似λmax不變。而對于不同物質(zhì)，它們的吸收曲線形狀和λmax則不同。

（3）③吸收曲線可以提供物質(zhì)的結(jié)構(gòu)信息，并作為物質(zhì)定性分析的依據(jù)之一。（4）不同濃度的同一種物質(zhì)，在某一定波長下吸光度A有差異，在λmax處吸光度A的差異最大。此特性可作為物質(zhì)定量分析的依據(jù)。（5）在λmax處吸光度隨濃度變化的幅度最大，所以測定最靈敏。吸收曲線是定量分析中選擇入射光波長的重要依據(jù)。92025/8/143.紫外—可見分子吸收光譜與電子躍遷

物質(zhì)分子內(nèi)部三種運動形式：

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

、振動能量Ev

、轉(zhuǎn)動能量Er

即E＝Ee+Ev+ErΔΕe>ΔΕv>ΔΕr

102025/8/14能級躍遷

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(zhuǎn)動能級間的躍遷。即電子光譜中總包含有振動能級和轉(zhuǎn)動能級間躍遷產(chǎn)生的若干譜線而呈現(xiàn)寬譜帶。112025/8/14討論：（1）轉(zhuǎn)動能級間的能量差ΔEr：0.005～0.050eV，躍遷產(chǎn)生吸收光譜位于遠紅外區(qū)。遠紅外光譜或分子轉(zhuǎn)動光譜；（2）振動能級的能量差ΔEv約為：0.05～１eV，躍遷產(chǎn)生的吸收光譜位于紅外區(qū)，紅外光譜或分子振動光譜；（3）電子能級的能量差ΔEe較大1～20eV。電子躍遷產(chǎn)生的吸收光譜在紫外—可見光區(qū)，紫外—可見光譜或分子的電子光譜122025/8/14討論：

（4）吸收光譜的波長分布是由產(chǎn)生譜帶的躍遷能級間的能量差所決定，反映了分子內(nèi)部能級分布狀況，是物質(zhì)定性的依據(jù)。（5）吸收譜帶強度與分子偶極矩變化、躍遷幾率有關(guān)，也提供分子結(jié)構(gòu)的信息。通常將在最大吸收波長處測得的摩爾吸光系數(shù)εmax也作為定性的依據(jù)。不同物質(zhì)的λmax有時可能相同，但εmax不一定相同；（6）吸收譜帶強度與該物質(zhì)分子吸收的光子數(shù)成正比，定量分析的依據(jù)。132025/8/14三、光的吸收定律

1.朗伯—比耳定律

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

1852年比耳(Beer)又提出了光的吸收程度和吸收物濃度之間也具有類似的關(guān)系。A∝c

二者的結(jié)合稱為朗伯—比耳定律，其數(shù)學(xué)表達式為：

142025/8/14朗伯—比耳定律數(shù)學(xué)表達式

A＝lg（I0/It)=εbc

式中A：吸光度；描述溶液對光的吸收程度；

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；

或:A＝lg（I0/It)=abc

c：溶液的濃度，單位g·L－１

a：吸光系數(shù)，單位L·g－１·cm－１

a與ε的關(guān)系為：

a=ε/M

（M為摩爾質(zhì)量）152025/8/14透光度(透光率)T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(guān)系:

A

＝－lgT

朗伯—比耳定律是吸光光度法的理論基礎(chǔ)和定量測定的依據(jù)。應(yīng)用于各種光度法的吸收測量；摩爾吸光系數(shù)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；吸光系數(shù)a(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。162025/8/142.摩爾吸光系數(shù)ε的討論

（1）吸收物質(zhì)在一定波長和溶劑條件下的特征常數(shù)；

（2）不隨濃度c和光程長度b的改變而改變。在溫度和波長等條件一定時，ε僅與吸收物質(zhì)本身的性質(zhì)有關(guān)，與待測物濃度無關(guān)；（3）可作為定性鑒定的參數(shù)；

（4）同一吸收物質(zhì)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(zhì)最大限度的吸光能力，也反映了光度法測定該物質(zhì)可能達到的最大靈敏度。

172025/8/14摩爾吸光系數(shù)ε的討論（5）εmax越大表明該物質(zhì)的吸光能力越強，用光度法測定該物質(zhì)的靈敏度越高。ε>105：超高靈敏；

ε=(6～10）×104

：高靈敏；

ε<2×104：不靈敏。（6）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。182025/8/143.偏離朗伯—比耳定律的原因

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—比耳定律的偏離。引起這種偏離的因素（兩大類）：（1）物理性因素，即儀器的非理想引起的；（2）化學(xué)性因素。192025/8/14（1）物理性因素

難以獲得真正的純單色光。朗—比耳定律的前提條件之一是入射光為單色光。分光光度計只能獲得近乎單色的狹窄光帶。復(fù)合光可導(dǎo)致對朗伯—比耳定律的正或負偏離。

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

202025/8/14非單色光作為入射光引起的偏離

假設(shè)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：

A1＝lg（Ｉo1/Ｉt1

）＝ε1bc

A2＝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?qū)嶋H上只能測總吸光度A總，并不能分別測得A1和A2，故212025/8/14

A總＝lg（Ｉo總/Ｉt總)

＝lg(Io1+Ｉo2)/(Ｉt1+Ｉt2）

＝lg(Io1+Ｉo2)/(Ｉo110-ε1bc

+Ｉo210-ε2bc

）令：ε1-ε2＝

；設(shè)：Ｉo1＝Ｉo2A總＝lg(2Io1)/Ｉt1(1＋10-

εbc

）

＝A1+lg2-lg(1＋10-

εbc

)

討論:

因?qū)嶋H上只能測總吸光度A總，并不能分別測得A1和A2，故：222025/8/14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。232025/8/14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(nèi)，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—比耳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(yīng)選擇比較好的單色器。此外還應(yīng)將入射波長選定在待測物質(zhì)的最大吸收波長且吸收曲線較平坦處。242025/8/14(2)化學(xué)性因素

朗—比耳定律的假定：所有的吸光質(zhì)點之間不發(fā)生相互作用；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(zhì)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—比耳定律只適用于稀溶液。

溶液中存在著離解、聚合、互變異構(gòu)、配合物的形成等化學(xué)平衡時。使吸光質(zhì)點的濃度發(fā)生變化，影響吸光度。

例：鉻酸鹽或重鉻酸鹽溶液中存在下列平衡：

CrO42-＋2H＋

=Cr2O72-＋H2O

溶液中CrO42-、Cr2O72-的顏色不同，吸光性質(zhì)也不相同。故此時溶液pH對測定有重要影響。252025/8/14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(jié)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(yīng)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輻射后，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＊

§

9-2有機化合物的紫外吸收光譜262025/8/14

⑴

σ→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。

⑵

n→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。272025/8/14

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鍵同時存在時發(fā)生n→π＊躍遷。丙酮n→π＊躍遷的λ為275nmεmax為22L·mol-1·cm-1（溶劑環(huán)己烷)。282025/8/14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(chǎn)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鍵的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。292025/8/14紅移與藍移

有機化合物的吸收譜帶常常因引入取代基或改變?nèi)軇┦棺畲笪詹ㄩLλmax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(或紫移)。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(yīng)或減色效應(yīng)，如圖所示。302025/8/141．飽和烴飽和烴類分子中只含有σ鍵，因此只能產(chǎn)生σ→σ＊躍遷，即σ電子從成鍵軌道（σ

）躍遷到反鍵軌道（σ*），所需能量最大。飽和烷烴的分子吸收光譜出現(xiàn)在遠紫外區(qū)，只能被真空紫外分光光度計檢測到（空氣中的氧吸收波長<160nm的紫外光）。這類物質(zhì)在紫外光譜分析中常用作溶劑。當飽和烷烴的分子中的氫被氧、氮、鹵素、硫等雜原子取代時，因有n電子存在，而產(chǎn)生n→σ＊躍遷，所需能量減小，紅移。312025/8/142．不飽和脂肪烴含有σ鍵和π鍵，可以產(chǎn)生σ→σ＊和π→π＊兩種躍遷。當有兩個以上的雙鍵共軛形成大π鍵時，隨著共軛系統(tǒng)的延長，π→π＊躍遷的吸收帶將明顯向長波方向移動，吸收強度也隨之增強.在共軛體系中，π→π＊躍遷產(chǎn)生的吸收帶又稱為K（Konjugation）帶。K帶（π→π＊）的特點：強度大，εmax?104；位置一般在217～280nm；λmax和εmax的大小共軛鏈的長短及取代基的位置有關(guān)。根據(jù)K帶是否出現(xiàn)，可判斷分子中共軛體系的存在的情況。在紫外光譜分析中有重要應(yīng)用。322025/8/143．芳香烴苯有三個吸收帶，都是由π→π＊躍遷引起的。E1帶出現(xiàn)在185nm（εmax=47，000），E2帶出現(xiàn)在204nm（εmax=79，00），強吸收帶。它們是由苯環(huán)結(jié)構(gòu)中，三個乙烯的環(huán)狀共軛系統(tǒng)的躍遷所產(chǎn)生的，是芳香族化合的特征吸收。B帶出現(xiàn)在255nm（εmax=200），是由π→π＊躍遷的振動重疊引起的。在氣態(tài)或非極性溶劑中，苯及其許多同系物的B譜帶有許多的精細結(jié)構(gòu)，這是由于振動躍遷在基態(tài)電子躍遷上的疊加而引起的。在極性溶劑中，這些精細結(jié)構(gòu)消失。332025/8/14

金屬離子與配位體反應(yīng)生成配合物的顏色一般不同于游離金屬離子(水合離子)和配位體本身的顏色。金屬配合物的生色機理主要有三種類型：⑴配位體微擾的金屬離子d一d電子躍遷和ｆ一ｆ電子躍遷

摩爾吸收系數(shù)ε很小，對定量分析意義不大。⑵金屬離子微擾的配位體內(nèi)電子躍遷

金屬離子的微擾，將引起配位體吸收波長和強度的變化。變化與成鍵性質(zhì)有關(guān)，若靜電引力結(jié)合，變化一般很小。若共價鍵和配位鍵結(jié)合，則變化非常明顯。⑶電荷轉(zhuǎn)移吸收光譜在分光光度法中具有重要意義?！?/p>

9-3無機化合物的紫外-可見吸收光譜342025/8/14電荷轉(zhuǎn)移吸收光譜

當吸收紫外可見輻射后，分子中原定域在金屬M軌道上電荷的轉(zhuǎn)移到配位體L的軌道，或按相反方向轉(zhuǎn)移，這種躍遷稱為電荷轉(zhuǎn)移躍遷，所產(chǎn)生的吸收光譜稱為荷移光譜。

電荷轉(zhuǎn)移躍遷本質(zhì)上屬于分子內(nèi)氧化還原反應(yīng)，因此呈現(xiàn)荷移光譜的必要條件是構(gòu)成分子的二組分，一個為電子給予體，另一個應(yīng)為電子接受體。電荷轉(zhuǎn)移躍遷在躍遷選律上屬于允許躍遷，其摩爾吸光系數(shù)一般都較大(104左右)，適宜于微量金屬的檢出和測定。

電荷轉(zhuǎn)移躍遷在紫外區(qū)或可見光呈現(xiàn)荷移光譜，荷移光譜的最大吸收波長及吸收強度與電荷轉(zhuǎn)移的難易程度有關(guān)。

例：Fe3＋與SCN－形成血紅色配合物，在490nm處有強吸收峰。其實質(zhì)是發(fā)生了如下反應(yīng)：

[Fe3＋

SCN－]

＋hν=[FeSCN]2＋

352025/8/14§9-4溶劑對紫外吸收光譜的影響一、溶劑極性的影響對λmax影響：n-π*躍遷：溶劑極性↑，λmax↓藍移；π-π*躍遷：溶劑極性↑，λmax↑紅移362025/8/14對吸收光譜精細結(jié)構(gòu)影響：溶劑極性↑，苯環(huán)精細結(jié)構(gòu)消失苯酚在庚烷和乙醇中的紫外圖譜372025/8/14選擇溶劑時注意下列幾點：①．溶劑應(yīng)能很好地溶解被測試樣，溶劑對溶質(zhì)應(yīng)該是惰性的。即所成溶液應(yīng)具有良好的化學(xué)和光化學(xué)穩(wěn)定性。②．在溶解度允許的范圍內(nèi)，盡量選擇極性較小的溶劑。③．溶劑在樣品的吸收光譜區(qū)應(yīng)無明顯吸收。二、溶劑選擇382025/8/14儀器

可見分光光度計§9-5紫外-可見分光光度計392025/8/14儀器

紫外-可見分光光度計402025/8/14一、基本組成光源單色器樣品室檢測器顯示1.光源

在整個紫外光區(qū)或可見光譜區(qū)可以發(fā)射連續(xù)光譜，具有足夠的輻射強度、較好的穩(wěn)定性、較長的使用壽命。

可見光區(qū)：鎢燈作為光源，其輻射波長范圍在320～2500nm。紫外區(qū)：氫、氘燈。發(fā)射185～400nm的連續(xù)光譜。412025/8/14

2.單色器

將光源發(fā)射的復(fù)合光分解成單色光并可從中選出一任波長單色光的光學(xué)系統(tǒng)。①入射狹縫：光源的光由此進入單色器；②準光裝置：透鏡或返射鏡使入射光成為平行光束；③色