1、第九章 紫外吸收光譜分析,9-1 分子吸收光譜 9-2 有機(jī)化合物的紫外吸收光譜 9-3 無(wú)機(jī)化合物的紫外及可見(jiàn)光吸收光譜 9-4 影響 紫外吸收光譜的因素 9-5 紫外及可見(jiàn)光分光光度計(jì) 9-6 紫外吸收光譜的應(yīng)用,4. 了解紫外吸收光譜法的定性分析和定量分析方法及其應(yīng)用。 教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)： 1.分子吸收光譜的產(chǎn)生及特征； 2.紫外吸收光譜法的定性分析和定量分析,教學(xué)目的及要求,1. 理解分子吸收光譜的產(chǎn)生及特征；,2. 了解紫外分光光度計(jì)的主要部件及其類(lèi)型；,3. 掌握紫外吸收光譜儀操作條件的選擇；,在光譜分析中，依據(jù)物質(zhì)對(duì)光的選擇性吸收而建立起來(lái)的分析方法稱(chēng)為吸光光度法,主要有: 紅外吸

2、收光譜：分子振動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)光譜，吸收光波長(zhǎng)范圍2.51000 m , 主要用于有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)鑒定。 紫外吸收光譜：電子躍遷光譜，吸收光波長(zhǎng)范圍200380 nm(近紫外區(qū))，可用于結(jié)構(gòu)鑒定和定量分析。 可見(jiàn)吸收光譜：電子躍遷光譜，吸收光波長(zhǎng)范圍380750 nm，主要用于有色物質(zhì)的定量分析。,9-1 分子吸收光譜,紫外-可見(jiàn)分光光度法的特點(diǎn)：,1 與其它光譜分析方法相比，其儀器設(shè)備和操作都比較簡(jiǎn)單，費(fèi)用少，分析速度快;,2 靈敏度高;,3 選擇性好;,4 精密度和準(zhǔn)確度較高;,5 用途廣泛。,1 原理 運(yùn)動(dòng)的分子外層電子 - 吸收紫外-可見(jiàn)光區(qū)的輻射 - 產(chǎn)生電子能級(jí)躍遷 - 紫外-可見(jiàn)吸收光譜,一

3、、紫外-可見(jiàn)分子吸收光譜與電子躍遷,一、紫外-可見(jiàn)分子吸收光譜與電子躍遷,物質(zhì)分子內(nèi)部三種運(yùn)動(dòng)形式： 1.電子相對(duì)于原子核的運(yùn)動(dòng)， 2.原子核在其平衡位置附近的相對(duì)振動(dòng) 3.分子本身繞其重心的轉(zhuǎn)動(dòng)。,分子具有三種不同能級(jí)：電子能級(jí)、振動(dòng)能級(jí)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)。 三種能級(jí)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(dòng)能量Ev 、轉(zhuǎn)動(dòng)能量Er 即 e+v+r evr,其中Ee：1-20eV; Ev：0.05-1eV; Er：0.05eV,由于三種能級(jí)躍遷所需能量不同，所以需要不同波長(zhǎng)的電磁輻射使它們躍遷，即在不同的光學(xué)區(qū)出現(xiàn)吸收譜帶，形成所謂的帶狀光譜 不同物質(zhì)結(jié)構(gòu)不同或者說(shuō)其分子能

4、級(jí)的能量間隔各異，因此不同物質(zhì)將選擇性地吸收不同波長(zhǎng)或能量的外來(lái)輻射，這是UV-Vis定性分析的基礎(chǔ),苯蒸氣的吸收曲線,討論：,（1） 轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)間的能量差r：0.0050.050eV，躍遷產(chǎn)生吸收光譜位于遠(yuǎn)紅外區(qū)。遠(yuǎn)紅外光譜或分子轉(zhuǎn)動(dòng)光譜； （2）振動(dòng)能級(jí)的能量差v約為：0.05eV，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(dòng)光譜； （3）電子能級(jí)的能量差e較大120eV。電子躍遷產(chǎn)生的吸收光譜在紫外可見(jiàn)光區(qū)，紫外可見(jiàn)光譜或分子的電子光譜。,（4）吸收光譜的波長(zhǎng)分布是由產(chǎn)生譜帶的躍遷能級(jí)間的能量差所決定，反映了分子內(nèi)部能級(jí)分布狀況，是物質(zhì)定性的依據(jù)。 （5）吸收譜帶的強(qiáng)度與分子偶極矩變化

5、、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(zhǎng)處測(cè)得的摩爾吸光系數(shù)max也作為定性的依據(jù)。不同物質(zhì)的max有時(shí)可能相同，但max不一定相同； （6）吸收譜帶強(qiáng)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)。,吸收曲線,將不同波長(zhǎng)的光透過(guò)某一固定濃度和厚度的待測(cè)溶液，測(cè)量每一波長(zhǎng)下待測(cè)溶液對(duì)光的吸收程度（即吸光度），然后以波長(zhǎng)為橫坐標(biāo)，以吸光度為縱坐標(biāo)作圖，可得一曲線。這曲線描述了物質(zhì)對(duì)不同波長(zhǎng)的吸收能力，稱(chēng)吸收曲線或吸收光譜。,L,不同波長(zhǎng)的光,吸收曲線的討論：,同一種物質(zhì)對(duì)不同波長(zhǎng)光的吸光度不同。吸光度最大處對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)稱(chēng)為最大吸收波長(zhǎng)max 不同濃度的同一種物質(zhì)，其吸收曲線形狀

6、相似max不變。而對(duì)于不同物質(zhì)，它們的吸收曲線形狀和max則不同。,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。 不同濃度的同一種物質(zhì)，在某一定波長(zhǎng)下吸光度 A 有差異，在max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)。,共軛基團(tuán)相同的不同分子，紫外、可見(jiàn)吸收光譜很相似。,O=CC =C,兩分子具有相同的共軛基團(tuán),4-2 有機(jī)物和無(wú)機(jī)物的紫外、可見(jiàn)吸收光譜,一 有機(jī)物的吸收光譜與電子躍遷,（一）電子躍遷類(lèi)型,電子躍遷能級(jí)示意圖,它們的能級(jí)高低為：n * n *, 躍遷,所需能量最大，電子只有吸收遠(yuǎn)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(yuǎn)紫外區(qū)(吸

7、收波長(zhǎng)200nm的光)，但當(dāng)它們與生色團(tuán)相連時(shí)，就會(huì)發(fā)生n共軛作用，增強(qiáng)生色團(tuán)的生色能力(吸收波長(zhǎng)向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，且吸收強(qiáng)度增加)，這樣的基團(tuán)稱(chēng)為助色團(tuán)。,有機(jī)化合物的吸收譜帶常因引入取代基或改變?nèi)軇┦棺畲笪詹ㄩL(zhǎng)max和吸收強(qiáng)度發(fā)生變化. max向長(zhǎng)波方向移動(dòng)稱(chēng)為紅移，向短波方向移動(dòng)稱(chēng)為藍(lán)移 (或紫移)。吸收強(qiáng)度即摩爾吸光系數(shù)增大或減小的現(xiàn)象分別稱(chēng)為增色效應(yīng)或減色效應(yīng)，如圖所示。,3) 紅移和藍(lán)移 (或紫移),四 各種常見(jiàn)有機(jī)化合物紫外吸收光譜,1. 飽和烴及其取代衍生物 飽和烴類(lèi)： 分子中只含有鍵，因此只能產(chǎn)生*躍遷，最大吸收峰一般小于150nm，已超出紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)的測(cè)量范圍，處于真

8、空紫外區(qū)。,飽和烴的取代衍生物： 如鹵代烴，其鹵素原子上存在n電子，可產(chǎn)生n* 的躍遷。 n* 的能量低于*。其相應(yīng)的吸收波長(zhǎng)小于200nm 直接用烷烴和鹵代烴的紫外吸收光譜分析這些化合物的實(shí)用價(jià)值不大。但是它們是測(cè)定紫外吸收光譜的良好溶劑。例：己烷、氯仿。,2. 不飽和烴及共軛烯烴,(A) 非共軛不飽和烯烴 除含有鍵外，還含有鍵，它們可以產(chǎn)生*和*兩種躍遷。 *躍遷的能量小于 *躍遷。例如，在乙烯分子中， *躍遷最大吸收波長(zhǎng)為180nm左右。,C=C 發(fā)色基團(tuán)， 但 *200nm。,max=177nm,（B）共軛烯烴,* 在不飽和烴類(lèi)分子中，當(dāng)有兩個(gè)以上的雙鍵共軛時(shí)，隨著共軛系統(tǒng)的延長(zhǎng)， *

9、躍遷的吸收帶將明顯向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，吸收強(qiáng)度也隨之增強(qiáng)。共軛雙鍵愈多，紅移愈顯著，甚至產(chǎn)生顏色。 在共軛體系中， *躍遷產(chǎn)生的吸收帶又稱(chēng)為K帶。 K帶共軛非封閉體系的*躍遷,3. 羰基化合物,C=O基團(tuán)可產(chǎn)生n* 、 n*、 *三個(gè)吸收帶， n* 吸收帶又稱(chēng)R帶，落于近紫外或紫外光區(qū)， R帶吸收較弱（max100） 醛、酮、羧酸及羧酸的衍生物，如酯、酰胺等，都含有羰基。由于在結(jié)構(gòu)上的差異，它們n*吸收帶的光區(qū)稍有不同。 醛酮的羰基與雙鍵共軛時(shí)，形成不飽和醛酮類(lèi)化合物，發(fā)生紅移，強(qiáng)度增強(qiáng),苯*躍遷的三個(gè)吸收帶,E1帶: 180 nm =60000,E2帶: 204 nm =8000,B帶: 256

10、 nm =200,4. 苯及其衍生物,苯有三個(gè)吸收帶，是由 *與苯環(huán)振動(dòng)能級(jí)躍遷疊加引起；B帶也稱(chēng)精細(xì)結(jié)構(gòu)吸收帶.,苯環(huán)上的取代基使 B帶簡(jiǎn)化、紅移， 吸收強(qiáng)度增大。,苯環(huán)與羰基雙鍵 共軛 羰基雙鍵： K帶和R帶紅移； 苯環(huán)： B帶簡(jiǎn)化，E2帶與 K帶重合且紅移,乙酰苯的紫外吸收光譜,稠環(huán)芳烴及雜環(huán)化合物,苯的三個(gè)吸收帶紅移，且強(qiáng)度增加。苯環(huán)的數(shù)目越多，波長(zhǎng)紅移越多。,蒽,萘,芘,9-3 無(wú)機(jī)化合物的紫外及可見(jiàn)光吸收光譜,產(chǎn)生無(wú)機(jī)化合物紫外、可見(jiàn)吸收光譜的 電子躍遷形式，一般分為兩大類(lèi)： 電荷遷移躍遷和配位場(chǎng)躍遷。,一、電荷遷移躍遷,Mn+ + Lb- M(n-1)+L(b+1)-,h,Fe3

11、+SCN-2+ Fe2+SCN2+,h,無(wú)機(jī)配合物有電荷遷移躍遷產(chǎn)生的電荷遷移吸收光譜。,M為中心離子，是電子接受體，L是配體，為電子給予體。受輻射能激發(fā)后，使一個(gè)電子從給予體外層軌道向接受體躍遷而產(chǎn)生電荷遷移吸收光譜。,二、配位場(chǎng)躍遷 配位場(chǎng)躍遷包括d - d 躍遷和f - f 躍遷。元素周期表中第四、五周期的過(guò)渡金屬元素分別含有3d和4d軌道，鑭系和錒系元素分別含有4f和5f軌道。在配體的存在下，過(guò)渡元素五個(gè)能量相等的d軌道和鑭系元素七個(gè)能量相等的f軌道分別分裂成幾組能量不等的d軌道和f軌道。,當(dāng)它們的離子吸收光能后，低能態(tài)的d電子或f電子可以分別躍遷至高能態(tài)的d或f軌道，這兩類(lèi)躍遷分別稱(chēng)

12、為d - d 躍遷和f - f 躍遷。由于這兩類(lèi)躍遷必須在配體的配位場(chǎng)作用下才可能發(fā)生，因此又稱(chēng)為配位場(chǎng)躍遷。,八面體場(chǎng),E,配位場(chǎng)躍遷屬禁戒躍遷，吸收強(qiáng)度弱，max 102，不適合用于定量分析，但可用于研究配合物的結(jié)構(gòu)及無(wú)機(jī)配合鍵理論等。,1 溶劑效應(yīng) (1)對(duì)max影響：,溶劑對(duì)亞異丙基丙酮吸收帶的影響,一般來(lái)說(shuō),隨著溶劑極性增大, * 躍遷吸收峰紅移, n* 躍遷吸收峰紫移,9-4 影響紫外吸收光譜的因素,(2)對(duì)吸收光譜精細(xì)結(jié)構(gòu)影響 隨著溶劑極性的增大,分子振動(dòng)受到限制, 精細(xì)結(jié)構(gòu) 就會(huì)逐漸消失,合并為一條寬的吸收帶,在選擇測(cè)定吸收光譜曲線的溶劑時(shí)，應(yīng)注意如下幾點(diǎn)： （1）盡量選用低極

13、性溶劑 （2）能很好地溶解被測(cè)物，并且形成的溶液具有良好的化學(xué)和光化學(xué)穩(wěn)定性 （3）溶劑在樣品的吸收光譜區(qū)無(wú)明顯吸收。,吸收光譜中常用的溶劑,2 共軛體系的存在 - 紅移 如 CH2=CH2 的* 躍遷， max 165200nm ；而 1,3- 丁二烯， max =217nm 由于相間的鍵與鍵相互作用，產(chǎn)生共軛效應(yīng)，生成大鍵，使*軌道的能量降低，*躍遷所需的能量也減小，所以生色團(tuán)的吸收譜帶移向長(zhǎng)波區(qū)，且吸收強(qiáng)度增加,共軛雙鍵數(shù)增加，波長(zhǎng)紅移,例下列兩對(duì)異構(gòu)體，能否用紫外光譜加以區(qū)別？,（）,（）,解；可以，（）中第一個(gè)化合物含有三個(gè)共軛雙鍵，最大吸收波長(zhǎng)比第二種化合物要長(zhǎng)，強(qiáng)度也較高同理（）

14、中第二個(gè)化合物含有三個(gè)共軛雙鍵,一、基本組成 二、分光光度計(jì)的類(lèi)型,9-5 紫外及可見(jiàn)光分光光度計(jì),圖 紫外分光光度計(jì),1：光源；2：?jiǎn)紊鳎?：吸收池；4：檢測(cè)器； 5：信號(hào)指示系統(tǒng),一、 主要部件與性能,（一） 光源,基本要求,所需的光譜區(qū)域內(nèi)能夠發(fā)射連續(xù)輻射 足夠的輻射強(qiáng)度 良好的穩(wěn)定性 輻射能量隨波長(zhǎng)的變化應(yīng)盡可能小,連續(xù)光源,可見(jiàn)區(qū) 鎢燈, 碘鎢燈,紫外區(qū) 氘燈, 氫燈,可見(jiàn)光 400750nm 紫外光 200400 nm,（二） 單色器,1 單色器：能從光源輻射的復(fù)合光中分出單色光的裝置 2 組成：狹縫、準(zhǔn)直鏡、色散元件（棱鏡，光柵） 3 棱鏡色散原理：依據(jù)不同的波長(zhǎng)光通過(guò)棱鏡時(shí)有

15、不同的折射率而將不同波長(zhǎng)的光分開(kāi) (1) 玻璃棱鏡：由于玻璃可吸收紫外光，所以玻璃棱鏡只能用于350 3200 nm的波長(zhǎng)范圍，即只能用于可見(jiàn)光域內(nèi) (2) 石英棱鏡：石英棱鏡可使用的波長(zhǎng)范圍較寬，可從185 4000nm，即可用于紫外、可見(jiàn)和近紅外三個(gè)光域,4 光柵 原理：利用光的衍射與干涉作用制成的 范圍：紫外、可見(jiàn)及紅外光域，而且在整個(gè)波長(zhǎng)區(qū)具有良好的、幾乎均勻一致的分辨能力 優(yōu)點(diǎn)：它具有色散波長(zhǎng)范圍寬、分辨本領(lǐng)高、成本低、便于保存和易于制備等優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn)：各級(jí)光譜會(huì)重疊而產(chǎn)生干擾,可用二維色散技術(shù)克服,（三）吸收池,1 吸收池功能：用于盛放分析試樣 2 材料 玻璃能吸收UV光，僅適用于可

16、見(jiàn)光區(qū) 石英不能吸收紫外光，適用于紫外和可見(jiàn)光區(qū) 3 要求：匹配性（對(duì)光的吸收和反射應(yīng)一致），為減少 光的損失，吸收池的光學(xué)面必須完全垂直于光束方向,（四）檢測(cè)器,1 功能：檢測(cè)信號(hào)、測(cè)量單色光透過(guò)溶液后光強(qiáng)度變化的一種裝置 2 檢測(cè)器類(lèi)型：光電池、光電管和光電倍增管 3 硒光電池：光的敏感范圍為300800nm，其中500 600nm最為靈敏。一般用于低檔的分光光度計(jì)中 4 光電管：在紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)上應(yīng)用較為廣泛 5 光電倍增管：檢測(cè)微弱光最常用的光電元件，它的靈敏度比一般的光電管要高200倍，因此可使用較窄的單色器狹縫，從而對(duì)光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)有較好的分辨能力,（五）信號(hào)指示系統(tǒng),作用：

17、放大信號(hào)并以適當(dāng)方式指示或記錄下來(lái) 常用裝置：直讀檢流計(jì)、電位調(diào)節(jié)指零裝置，數(shù)字顯示或自動(dòng)記錄裝置,二、紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)的類(lèi)型,單光束分光光度計(jì) 雙光束分光光度計(jì) 雙波長(zhǎng)分光光度計(jì),單光束分光光度計(jì),特點(diǎn)： 使用時(shí)來(lái)回拉動(dòng)吸收池（輪流通過(guò)參比溶液和樣品溶液）移動(dòng)誤差 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，維修容易,適于在給定波長(zhǎng)處測(cè)量吸光度或透光度，一般不能作全波段光譜掃描，要求光源和檢測(cè)器具有很高的穩(wěn)定性。,光通量的比值,光源,單色器,吸收池,檢測(cè)器,顯示,光束分裂器,單波長(zhǎng)雙光束分光光度計(jì),自動(dòng)記錄，快速全波段掃描?？上庠?不穩(wěn)定、檢測(cè)器靈敏度變化等因素的影響， 特別適合于結(jié)構(gòu)分析。儀器復(fù)雜，價(jià)格較

18、高。,特點(diǎn)： 不用拉動(dòng)吸收池(同時(shí)通過(guò)參比溶液和待測(cè)溶液），可以減小移動(dòng)誤差 可以自動(dòng)掃描吸收光譜,雙波長(zhǎng)分光光度計(jì),特點(diǎn)：可消除干擾和吸收池不匹配引起的誤差，不需要參比溶液 適用于分析多組分混合物，混濁試樣（如生物組織液）,將不同波長(zhǎng)的兩束單色光(1、2) 快速交替通過(guò)同一吸收池而后到達(dá)檢測(cè)器。產(chǎn)生交流信號(hào)。無(wú)需參比池。=12nm。兩波長(zhǎng)同時(shí)掃描即可獲得導(dǎo)數(shù)光譜。,測(cè)量信號(hào)：,兩波長(zhǎng)處的背景 吸收相等,定量分析關(guān)系式：,自動(dòng)校正背景吸收原理,9-6 紫外吸收光譜的應(yīng)用,物質(zhì)的紫外吸收光譜基本上是其分子中生色團(tuán)和主色團(tuán)的特性，不是整個(gè)分子的特性。 因此，單憑紫外光譜不能完全確定物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)，還需要與其它物理化學(xué)手段結(jié)合（IR, NMR, MS）,才能得到可靠的結(jié)論。 利用紫外光譜可以提供一些有價(jià)值的分析數(shù)據(jù)。 紫外吸收光譜主要用于有機(jī)化合物的分析和鑒定，同分異構(gòu)體的鑒別，物質(zhì)結(jié)構(gòu)的測(cè)定等。,一、 定性分析 不同的有機(jī)化合物具有不同的吸收光譜。根據(jù)化合物的特征吸收峰波長(zhǎng)和強(qiáng)度可以進(jìn)行物質(zhì)的鑒定，結(jié)合紅外光譜，質(zhì)譜和核磁共振譜進(jìn)行定性鑒定和結(jié)構(gòu)分析,二、 有機(jī)化合物的構(gòu)型，構(gòu)象測(cè)定,（1）順?lè)串悩?gòu) 一