儀器分析3 紫外可見光譜法

第三章紫外可見吸收光譜Ultraviolet-visibleAbsorptionspectrometry

概述紫外－可見光譜紫外-可見分光光度計(jì)紫外可見吸收光譜法的應(yīng)用§1

概述利用被測(cè)物質(zhì)的分子(離子)對(duì)紫外-可見光選擇性吸收的特性而建立起來的定性、定量分析方法

真空紫外：10～200nm紫外：10～400nm

紫外：200～400nm可見：400～780nm能級(jí)躍遷示意圖振動(dòng)能級(jí)電子能級(jí)轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)第一電子激發(fā)態(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)能極躍遷振動(dòng)能級(jí)躍遷電子能級(jí)躍遷一．分子吸收光譜的產(chǎn)生

分子中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)都有能級(jí)。電子能級(jí)振動(dòng)能級(jí)轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)能級(jí)都是量子化的△E電子＞△E振動(dòng)＞△E轉(zhuǎn)動(dòng)由于分子選擇性的吸收了某些波長(zhǎng)的光，所以這些光的能量就會(huì)降低，將這些光的波長(zhǎng)及其所吸收的能量按一定順序排列起來，就得到了分子的吸收光譜。二、分子吸收光譜類型分子的轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)躍遷:轉(zhuǎn)動(dòng)光譜或遠(yuǎn)紅外光譜

(50-1000m)分子的振動(dòng)能級(jí)躍遷:振-轉(zhuǎn)光譜或紅外光譜(2.5-50m)分子的電子能級(jí)的躍遷:電子光譜或紫外-可見吸收光譜

(10-780nm)三．吸收曲線及最大吸收波長(zhǎng)1．吸收曲線：

每一種物質(zhì)對(duì)不同波長(zhǎng)光的吸收程度是不同的。如果我們讓各種不同波長(zhǎng)的光分別通過被測(cè)物質(zhì)，分別測(cè)定物質(zhì)對(duì)不同波長(zhǎng)光的吸收程度。以波長(zhǎng)為橫坐標(biāo)，吸收程度為縱坐標(biāo)作圖所得曲線。例：丙酮

max=279nm(=15)

nm300400500600700/nm350525545Cr2O72-MnO4-1.00.80.60.40.2Absorbance350Cr2O72-、MnO4-的吸收光譜2、最大吸收峰和最大吸收波長(zhǎng)max吸收曲線表明了某種物質(zhì)對(duì)不同波長(zhǎng)光的吸收能力分布。曲線上的各個(gè)峰叫吸收峰。峰越高，表示物質(zhì)對(duì)相應(yīng)波長(zhǎng)的光的吸收程度越大。其中最高的那個(gè)峰叫最大吸收峰，它的最高點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)叫最大吸收波長(zhǎng)，用max表示。

3.物質(zhì)的吸收曲線和最大吸收波長(zhǎng)的特點(diǎn)

1）不同的物質(zhì)，吸收曲線的形狀不同，最大吸收波長(zhǎng)不同。2）對(duì)同一物質(zhì)，其濃度不同時(shí)，吸收曲線形狀和最大吸收波長(zhǎng)不變，只是吸收程度要發(fā)生變化，表現(xiàn)在曲線上就是曲線的高低發(fā)生變化。四.光的選擇性吸收與物質(zhì)顏色的關(guān)系1．可見光的顏色和互補(bǔ)色：在可見光范圍內(nèi)，不同波長(zhǎng)的光的顏色是不同的。平常所見的白光（日光、白熾燈光等）是一種復(fù)合光，它是由各種顏色的光按一定比例混合而得的。利用分光器可將它分解成紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫等不同顏色的單色光。白光除了可由所有波長(zhǎng)的可見光復(fù)合得到外，還可由適當(dāng)?shù)膬煞N顏色的光按一定比例復(fù)合得到。能復(fù)合成白光的兩種顏色的光叫互補(bǔ)色光。/nm顏色互補(bǔ)光400-450紫黃綠450-480藍(lán)黃480-490綠藍(lán)橙490-500藍(lán)綠紅500-560綠紅紫560-580黃綠紫580-610黃藍(lán)610-650橙綠藍(lán)650-780紅藍(lán)綠2．物質(zhì)的顏色與吸收光的關(guān)系：

當(dāng)白光照射到物質(zhì)上時(shí)，如果物質(zhì)對(duì)白光中某種顏色的光產(chǎn)生了選擇性的吸收，則物質(zhì)就會(huì)顯示出一定的顏色。物質(zhì)所顯示的顏色是吸收光的互補(bǔ)色。完全吸收完全透過吸收黃色光光譜示意表觀現(xiàn)象示意復(fù)合光補(bǔ)充：光的吸收定律

1.朗伯—比耳定律定律內(nèi)容：當(dāng)用一束強(qiáng)度為I0的單色光垂直通過厚度為b、物質(zhì)濃度為c的溶液時(shí)，溶液的吸光度正比于溶液的厚度b和溶液中吸光物質(zhì)的濃度c的乘積。朗伯—比耳定律數(shù)學(xué)表達(dá)式

A＝εbc

式中A：吸光度；描述溶液對(duì)光的吸收程度；

b：液層厚度(光程長(zhǎng)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＝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）

透光度(透過率)T透過率T

:描述入射光透過溶液的程度:

吸光度A與透光度T的關(guān)系:

A＝－lg

T

A＝－lg

T＝εbc

朗伯—比耳定律是吸光光度法的理論基礎(chǔ)和定量測(cè)定的依據(jù)。

2.摩爾吸光系數(shù)ε的討論

吸收物質(zhì)在一定波長(zhǎng)和溶劑條件下的特征常數(shù)在溫度和波長(zhǎng)等條件一定時(shí)，ε僅與吸收物質(zhì)本身的性質(zhì)有關(guān)

可作為定性鑒定的參數(shù)

同一吸收物質(zhì)在不同波長(zhǎng)下的ε值是不同的。在最大吸收波長(zhǎng)λmax處的摩爾吸光系數(shù)，常以εmax表示。反映了光度法測(cè)定該物質(zhì)可能達(dá)到的最大靈敏度。

εmax越大表明該物質(zhì)的吸光能力越強(qiáng)，用光度法測(cè)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<1×104：不靈敏。ε在數(shù)值上等于濃度為1mol/L、液層厚度為1cm時(shí)該溶液在某一波長(zhǎng)下的吸光度。COHnpsHσ電子、π電子、n電子甲醛一．有機(jī)化合物的紫外—可見吸收光譜（一）、躍遷類型§2紫外－可見吸收光譜sp

*s*RKE,BnpEn→π＊

<π→π＊

<n→σ＊

<σ→σ＊

σ→σ*

n→σ*

n→π*π→π*σ→σ*

躍遷主要發(fā)生在真空紫外區(qū)。b.π→π*

躍遷吸收的波長(zhǎng)較長(zhǎng)，孤立的π→π*躍遷一般在200nm左右。c.

n→π*

躍遷一般在紫外區(qū)（200－400nm），吸光強(qiáng)度較小。d.

n→σ*

躍遷吸收波長(zhǎng)仍然在150－250nm范圍，因此在紫外區(qū)不易觀察到這類躍遷。在以上幾種躍遷中，只有-*和n-*兩種躍遷的能量小，相應(yīng)波長(zhǎng)出現(xiàn)在近紫外區(qū)甚至可見光區(qū)，且對(duì)光的吸收強(qiáng)烈，是我們研究的重點(diǎn)。

常用的是π→π*躍遷和n→π*，這兩種躍遷都需要分子中有不飽和基團(tuán)提供π軌道。n→π*躍遷與π→π*躍遷的比較如下

π→π*n→π*波長(zhǎng)與組成雙鍵的有關(guān)原子種類基本無關(guān)強(qiáng)度強(qiáng)吸收弱吸收

溶劑極性紅移藍(lán)移影響(長(zhǎng)波)(短波)

(二)常用術(shù)語生色團(tuán)——含不飽和鍵基團(tuán)，有π鍵含有不飽和鍵，能吸收紫外可見光，產(chǎn)生n→π*或π→π*躍遷的基團(tuán)稱為生色團(tuán)(發(fā)色團(tuán))

助色團(tuán)——含雜原子的飽和基團(tuán)一些本身在紫外和可見光區(qū)無吸收，但能使生色團(tuán)吸收峰紅移，吸收強(qiáng)度增大的基團(tuán)稱為助色團(tuán)例：λmax=254nm=230λmax=270nm=1250紅移：最大吸收波長(zhǎng)向長(zhǎng)波方向移動(dòng)叫紅移，也叫長(zhǎng)移藍(lán)移：最大吸收波長(zhǎng)向短波方向移動(dòng)叫藍(lán)移，也叫短移（三）、有機(jī)化合物的紫外可見光譜飽和烴及其衍生物：——飽和烴只有電子，產(chǎn)生σ→σ*躍遷，所需能量高，不產(chǎn)生紫外可見吸收，在遠(yuǎn)紫外區(qū)——飽和烴衍生物，可產(chǎn)生n→σ*躍遷，能量低于σ→σ*躍遷不飽和烴及其共軛烯烴

——含有雙鍵的化合物和含雜原子的雙鍵化合物可產(chǎn)生π→π*、n→π*、n→σ*

——共軛雙鍵的化合物：使π→π*所需能量降低，吸收峰紅移，吸收強(qiáng)度增強(qiáng)。羰基化合物——羰基化合物含有C=O，可產(chǎn)生n→σ*、n→π*、π→π*躍遷?！驶c雙鍵共軛時(shí)，產(chǎn)生n→π*、π→π*躍遷的波長(zhǎng)紅移

共軛使π*軌道能量降低。芳香族化合物——π→π*躍遷產(chǎn)生了芳香族化合物的特征吸收帶，——當(dāng)苯環(huán)上有羥基、氨基等取代基時(shí),吸收峰紅移，吸收強(qiáng)度增大?！〈煌?，變化程度不同，可由此鑒定各種取代基(2%甲醇)例：λmax

εmax苯254200甲苯262225

苯酚2711260苯甲酸272970（四）影響紫外－可見吸收光譜的因素1.

共軛效應(yīng)——π→π共軛——中間有一個(gè)單鍵隔開的雙鍵或三鍵，形成大π鍵。由于存在共軛雙鍵，使吸收峰長(zhǎng)移，吸收強(qiáng)度增加

２.空間位阻由于空間位阻，防礙兩個(gè)發(fā)色團(tuán)處在同一平面，使共軛程度降低。吸收峰短移，吸收強(qiáng)度降低的這種現(xiàn)象例：反式大共軛體系順式max=294nmmax=280nm=2.7104=1.4104３.溶劑效應(yīng)隨著溶劑極性的增大——π→π*躍遷吸收峰向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，即發(fā)生紅移——n→π*躍遷吸收峰向短波方向移動(dòng)，即發(fā)生藍(lán)移例：異亞丙基丙酮

溶劑正己烷氯仿水極性越大

π→π*230nm238nm243nm長(zhǎng)移

n→π*329nm315nm305nm短移二、無機(jī)化合物的吸收光譜1.d—d配位場(chǎng)躍遷——按晶體場(chǎng)理論，金屬離子與水或其它配體生成配合物時(shí)，原來能量相同的d軌道會(huì)分裂成幾組能量不等的d軌道，d軌道之間的能量差稱為分裂能，配合物吸收輻射能，發(fā)生d—d躍遷，吸收光的波長(zhǎng)取決于分裂能的大小——配位體的配位場(chǎng)越強(qiáng)，d軌道的分裂能就越大，吸收峰波長(zhǎng)就越短。例：H2O的配位場(chǎng)強(qiáng)度＜NH3的配位場(chǎng)強(qiáng)度[Cu(H2O)4]2+吸收峰在794nm淺藍(lán)色[Cu(NH3)4]2+吸收峰在663nm深藍(lán)色一些配位體配位場(chǎng)強(qiáng)度順序I-

Br-

Cl-F-OH-C2O42-=H2OSCN-吡啶=NH3乙二胺聯(lián)吡啶鄰二氮菲NO2-CN-d—d躍遷躍遷概率較小,很小，一般只有0.1~100L.mol-1.cm-1，定量分析價(jià)值不大,可用于配合物的結(jié)構(gòu)研究2.電荷轉(zhuǎn)移躍遷

在分光光度法中具有重要意義。Mn++Lb-

M(n+1)+—L(b-1)-[Fe3+—SCN-]2+[Fe2+—SCN]2+hh§3紫外-可見分光光度計(jì)一．分光光度計(jì)的主要部件和工作原理：0.575光源單色器吸收池檢測(cè)器顯示（一）光源：用于提供足夠強(qiáng)度和穩(wěn)定的連續(xù)光譜。分光光度計(jì)中常用的光源有熱輻射光源和氣體放電光源兩類。鎢絲燈和鹵鎢燈：

340-2500nm氫燈和氘燈：160-375nm（二）分光系統(tǒng)：分光系統(tǒng)也叫單色器。單色器是能從光源輻射的復(fù)合光中分出單色光的光學(xué)裝置。其主要功能：產(chǎn)生光譜純度高的光波且波長(zhǎng)在紫外可見區(qū)域內(nèi)任意可調(diào)。色散元件主要是棱鏡和光柵。（三）吸收池（比色皿）：在紫外可見分光光度法中，一般都是用液體溶液進(jìn)行測(cè)定的，用于盛放試液的器皿就是吸收池或比色皿。有玻璃和石英兩種。

（四）光檢測(cè)系統(tǒng)：

用于檢測(cè)光信號(hào)。利用光電效應(yīng)將光強(qiáng)度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的裝置，也叫光電器件。常用的光檢測(cè)系統(tǒng)主要有光電池、光電管和光電倍增管。1、光電池：用半導(dǎo)體材料制成的光電轉(zhuǎn)換器。用得最多的是硒光電池。其結(jié)構(gòu)和作用原理為：

硒光電池2、光電管：它是在抽成真空或充有惰性氣體的玻璃或石英泡內(nèi)裝上2個(gè)電極構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖：12341-陽極，2-陰極，3-電池，4-放大器3、光電倍增管：它是一個(gè)非常靈敏的光電器件，可以把微弱的光轉(zhuǎn)換成電流。其靈敏度比前2種都要高得多。它是利用二次電子發(fā)射以放大光電流，放大倍數(shù)可達(dá)到109倍。

（五）信號(hào)指示系統(tǒng)它的作用是放大信號(hào)并以適當(dāng)方式指示或記錄下來。二、分光光度計(jì)的類型：（一）單光束分光光度計(jì)：0.575光源單色器吸收池檢測(cè)器顯示（二）單波長(zhǎng)雙光束分光光度計(jì)比值光源單色器吸收池檢測(cè)器顯示光束分裂器光源單色器單色器檢測(cè)器切光器狹縫吸收池（三）雙光束雙波長(zhǎng)分光光度計(jì)：§4紫外可見吸收光譜法的應(yīng)用

不同的有機(jī)化合物具有不同的吸收光譜，可進(jìn)行簡(jiǎn)單的定性分析但吸收光譜較簡(jiǎn)單，只能用于鑒定共軛發(fā)色團(tuán)，推斷未知物骨架可進(jìn)行定量分析測(cè)定配合物配位比和穩(wěn)定常數(shù)一、定性分析：(一）比較吸收光譜法根據(jù)化合物吸收光譜的形狀、吸收峰的數(shù)目、強(qiáng)度、位置進(jìn)行定性分析待測(cè)樣品樣品譜