第三章-紫外-可見分光光度法

第二章

紫外-可見分光光度法(UV-vis)第一節(jié)光譜基礎一、定義；二、特點；三、產(chǎn)生；四、光的吸收定律。1一、紫外-可見分光光度法定義：

研究物質在

紫外、可見光區(qū)

的分子吸收光譜

的分析方法稱為紫外-可見分光光度法，又稱為紫外-可見(分子)吸收光譜法。紫外-可見分光光度法是利用某些物質的分子吸收200~800nm光譜區(qū)的輻射來進行分析測定的方法。

2這種分子吸收光譜產(chǎn)生于價電子在電子能級間的躍遷，廣泛用于無機和有機物質的定性和定量測定。

吸收光的波長范圍：200-800nm:(1)（近）紫外光區(qū):

200-400nm(2)可見光區(qū):400-800nm

(3)遠紫外區(qū)：10-200nm3二、紫外-可見分光光度法特點1儀器設備和操作都比較簡單，價格低，分析速度較快。2靈敏度較高。3有較好的選擇性。通過適當?shù)剡x擇測量條件，一般可在多種組分共存的體系中，對某一種物質進行測定。44精密度和準確度較高。在儀器設備和其他測量條件較好的情況下，其相對誤差可減小到1％一2％。5用途廣泛。醫(yī)藥、化工、冶金、環(huán)境保護、地質等諸多領域---已成為必不可少的測試手段之一。5三、紫外-可見吸收光譜的產(chǎn)生

1.分子吸收光譜的產(chǎn)生——由能級間的躍遷引起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

6三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

分子內運動涉及三種躍遷能級，所需能量大小順序：

ΔΕe>ΔΕv>ΔΕr

7

若用一連續(xù)的電磁輻射照射樣品分子，將照射前后的光強度變化轉變?yōu)殡娦盘柌⒂涗浵聛?，就可得到光強度變化對波長的關系曲線，即為分子吸收光譜。躍遷：電子受激發(fā)，從低能級轉移到高能級的過程。

分子只有選擇性的吸收(hν=△E)某些波長（頻率）的光才能由較低的能級躍遷到較高能級上。

8（1）轉動能級間的能量差ΔEr：0.005～0.050eV，躍遷產(chǎn)生吸收光譜位于遠紅外區(qū)，稱為遠紅外光譜或分子轉動光譜；（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)，稱為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)，稱為紫外-可見光譜或分子的電子光譜2．能級躍遷的討論9

（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，反映了分子內部能級分布狀況，是物質定性的依據(jù)。（5）吸收譜帶的強度與分子偶極矩變化、躍遷概率有關，也提供分子結構的信息。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分子吸收的光子數(shù)成正比,定量分析的依據(jù)。10

由于分子吸收紫外-可見光區(qū)的電磁輻射，分子中價電子（或外層電子）的能級躍遷而產(chǎn)生紫外-可見吸收光譜。

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(chǎn)生的若干譜線而呈現(xiàn)寬譜帶，即帶狀光譜。（線狀光譜）3．紫外-可見吸收光譜的產(chǎn)生11四、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系。A∝Ｌ

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系。A∝c

二者的結合稱為朗伯—比耳定律，其數(shù)學表達式為：

12朗伯—比耳定律數(shù)學表達式

A＝lg（I0/It)=ELc

式中A：吸光度；描述溶液對光的吸收程度；

L：液層厚度(光程長度)，通常以cm為單位；

c：溶液的濃度；

E：吸光系數(shù)；

132．吸光系數(shù)E常有兩種表示法：

1）摩爾吸光系數(shù)ε(單位：L·mol-1

·cm-1

)，：在一定λ下，C=1mol/L，L=1cm時的吸光度。

2）百分含量吸光系數(shù)或比吸光系數(shù)

(單位：100mL·g-1·cm-1

)

：在一定λ下，C=1g/100mL，L=1cm時的吸光度。

3）兩者關系：14透光度(透光率)T透光度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—比耳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；153.摩爾吸光系數(shù)ε的討論

（1）吸收物質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Ｌ的改變而改變。在溫度和波長等條件一定時，ε僅與吸收物質本身的性質有關，與待測物濃度無關；

（3）可作為定性鑒定的參數(shù)；

（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。16εmax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。

（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。ε>104：強吸收；102＜ε＜

10

4：中強吸收；

ε<102：弱吸收。174、偏離朗伯—比耳定律的原因（了解）

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）化學性因素。18（1）物理性因素難以獲得真正的純單色光。朗伯—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。復合光可導致對朗伯—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，其中非單色光是引起偏離的最主要的因素。

19(2)化學性因素

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

溶液中存在著離解、聚合、互變異構、配合物的形成等化學平衡時。使吸光質點的濃度發(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，吸光性質也不相同。故此時溶液pH對測定有重要影響。20第二章

紫外-可見分光光度法一、紫外-可見分光光度計的類型二、構成第二節(jié)

紫外-可見分光光度計21一、紫外-可見分光光度計的類型1.單光束

優(yōu)點：簡單，價廉，適于在給定波長處測量吸光度或透光度。缺點：一般不能作全波段光譜掃描，要求光源和檢測器具有很高的穩(wěn)定性。222.雙光束

優(yōu)點：自動記錄，快速全波段掃描。可消除光源不穩(wěn)定、檢測器靈敏度變化等因素的影響，特別適合于結構分析。儀器復雜，價格較高。是目前用的最多的分光光度計。233.雙波長

將不同波長的兩束單色光(λ1、λ2)快束交替通過同一吸收池而后到達檢測器。產(chǎn)生交替信號。無需參比池?！?1～2nm。兩波長同時掃描即可獲得導數(shù)光譜。光源檢測器單色器單色器切光器吸收池雙波長分光光度計示意圖24優(yōu)點：

⑴利用吸光度差值定量：

△A＝（ελ1－ελ2）CL；

⑵消除干擾和吸收池不匹配引起的誤差（即可以扣除背景吸收）；

⑶可以測定較高濃度的樣品溶液。25儀器可見分光光度計二、基本組成26儀器紫外-可見分光光度計27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?，F(xiàn)多用碘鎢燈。

紫外區(qū)：氫、氘燈。發(fā)射185～400nm的連續(xù)光譜。現(xiàn)多用氘燈。28

2.單色器

單色器是從連續(xù)光譜中獲得所需單色光的裝置。常用的有棱鏡和光柵兩種單色器。棱鏡單色器的缺點是色散率隨波長變化，得到的光譜呈非均勻排列，而且傳遞光的效率較低。光柵單色器在整個光學光譜區(qū)具有良好的幾乎相同的色散能力。因此，現(xiàn)代紫外-可見分光光度計上多采用光柵單色器。包括以下部分：

29

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色散元件：將復合光分解成單色光：棱鏡或光柵；④聚焦裝置：透鏡或凹面反射鏡，將分光后所得單色光聚焦至出射狹縫；⑤出射狹縫。30313.樣品室

樣品室放置各種類型的吸收池（比色皿）和相應的池架附件。吸收池主要有石英池和玻璃池兩種。在紫外區(qū)須采用石英池，可見區(qū)一般用玻璃池，也可用石英池。要求：兩個的透光率相差要小于0.5％。32玻璃360nm2.25mm33石英200nm2.5mm34吸收池的形狀波長范圍、使用注意事項：容易破碎可拆卸圓形測量池兩面透光圓形測量池兩面透光1cm長方形測量池兩面透光氣體測量池兩面透光微量測量池兩面透光流動測量池兩面透光354.檢測器

利用光電效應將透過吸收池的光信號變成可測的電信號，常用的有光電池、光電管或光電倍增管。5.結果顯示記錄系統(tǒng)檢流計、數(shù)字顯示、微機進行儀器自動控制和結果處理36第二章

紫外-可見分光光度法(UV-vis)第三節(jié)

吸收帶類型

與溶劑效應一、電子躍遷類型；

二、吸收帶類型；

三、常用術語；

四、溶劑的影響；

37

有機化合物的紫外-可見吸收光譜是三種電子、四種躍遷的結果：σ電子、π電子、n電子。示意圖分子軌道理論：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＊

一、紫外-可見吸收光譜的電子躍遷類型381、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。例：甲烷λmax為125nm,乙烷λmax為135nm，環(huán)丙烷（飽和烴中最長）λmax為190nm。在近紫外沒有飽和碳氫化合物的光譜，需真空紫外分光光度計檢測；可作為溶劑使用。39

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。2、n→σ＊躍遷403、π→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、允許躍遷。

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175nm，

εmax為:1×104L·mol-1·cm－1。414、n→π＊躍遷

需能量最低，吸收波長λ>200nm。摩爾吸光系數(shù)一般為10～100L·mol-1·cm-1，吸收譜帶強度較弱，禁阻躍遷。

分子中同時存在孤對電子和π鍵時發(fā)生n→π＊

躍遷。如：C=O，N=N，N=O，C=S丙酮n→π＊躍遷的λ為275nmεmax為22L·mol-1·cm-1（溶劑環(huán)己烷)。42綜上所述：☆紫外-可見光譜電子躍遷類型包括：n—π*躍遷和

π—π*躍遷☆飽和化合物無紫外吸收☆電子躍遷類型與分子結構及存在基團有密切聯(lián)系：

﹡根據(jù)分子結構→推測可能產(chǎn)生的電子躍遷類型；

﹡根據(jù)吸收譜帶波長和電子躍遷類型→推測分子中可能存在的基團（分子結構鑒定）43二、吸收帶類型1．R帶:(由德語Radikal而來，是基團的意思)

由含雜原子的不飽和基團的n→π*躍遷產(chǎn)生如：C＝O；C＝N；—N＝N—

△E小，λmax250~400nm，εmax<100

弱吸收，禁阻躍遷。44175nm

210nm

?

?

?

2．K帶:(由德語Konjugation而來，是共軛的意思)

由共軛非封閉體系中雙鍵的π→π*躍遷產(chǎn)生如：(—CH＝CH—)n，—CH＝C—CO—λmax>200nm，εmax>104強吸收共軛體系增長，λmax↑→紅移，εmax↑45

3．B帶：(苯吸收帶)

由π→π*躍遷產(chǎn)生，是芳香族化合物的主要特征吸收帶，在230～270nm(λmax=254nm)之間出現(xiàn)精細結構吸收，又稱苯的多重吸收。

464．E帶：(EthyleneicBand)

由封閉共軛體系的π→π*躍遷產(chǎn)生，是芳香族化合物的特征吸收帶。E1180nmεmax>104

（常觀察不到）E2200nmεmax=7000

中強吸收475、電荷轉移躍遷吸收帶（主要指一些無機化合物）

電荷轉移躍遷：一個電子從體系中的電子給予體部分轉移到該體系中的電子接受體產(chǎn)生的躍遷。躍遷所產(chǎn)生的吸收帶稱為電荷轉移吸收帶。特點：吸收強度大（εmax>104L·mol-1·cm-1）。

適宜于微量金屬的檢出和測定。

在分光光度法中具有重要意義。48491、吸收光譜（吸收曲線）

不同波長光對樣品作用不同，吸收強度不同。以A~λ作圖即得到物質的吸收光譜曲線。幾個術語：

吸收峰；

最大吸收波長(λmax)；

最小吸收波長(λmin)；

肩峰；末端吸收。

三、常用術語5051吸收曲線的討論：

（1）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往往是不同。（3）不同濃度的同一種物質，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，測定最靈敏。所以吸收曲線是定量分析中選擇入射光波長的重要依據(jù)。

（2）吸收曲線可以提供物質的結構信息（如

λmax、εmax、肩峰等），可作為物質定性分析的依據(jù)之一。52

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、乙炔基、腈基等。注：當出現(xiàn)幾個發(fā)色團共軛，則幾個發(fā)色團所產(chǎn)生的吸收帶將消失，代之出現(xiàn)新的共軛吸收帶，其波長將比單個發(fā)色團的吸收波長長，強度也增強。2、生色團（或發(fā)色團）53

有一些含有n電子的基團，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(如—OH、—OR、—NH２、—NHR、—X等)

。3、助色團54

有機化合物的吸收譜帶常常因共軛、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(或紫移)。4、紅移和藍移5、增色效應和減色效應

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，如上圖所示。55四、紫外-可見吸收光譜的影響因素1、對λmax影響

（1）極性溶劑對n→π*躍遷的影響規(guī)律：極性溶劑使n→π*吸收帶發(fā)生藍移；極性，藍移的幅度。

為什么？原因：Cδ+=Oδ-極性，激發(fā)態(tài)時O電子云密度，鍵極性；基態(tài)時的作用強，基態(tài)能量大，激發(fā)態(tài)能量小。能級間的能量差，藍移。

A溶劑的影響56溶劑極性增大吸收峰呈規(guī)律性藍移57（2）極性溶劑對π→π*躍遷的影響

規(guī)律：使π→π*吸收帶發(fā)生紅移，ε

max略有降低。原因：C=C基態(tài)時，兩個π電子位于π成鍵軌道上，無極性；π→π*躍遷后，分別在成鍵π和反鍵π*軌道上，C+=C-，極性，與極性溶劑作用強，能量。

能級間的能量差，紅移。58極性溶劑致使π→π*躍遷的K帶發(fā)生紅移。

既有K帶又有R帶時，溶劑極性越大則K帶與R帶的距離越近(K帶紅移,R帶藍移)，見圖(因為R在右，K在左)；而隨著溶劑極性的變小兩個譜帶則逐漸遠離。

59苯的B帶吸收光譜苯蒸氣苯的乙醇溶液60B立體化學的影響空間位阻使共軛體系破壞，max藍移減小61(I)順式二苯乙烯(II)反式二苯乙烯二苯乙烯的紫外吸收光譜λmax280nm，max10500λmax296nm，max29000(I)順式二苯乙烯(II)反式二苯乙烯62C共軛效應的影響63pH的改變可能引起共軛體系的延長或縮短，或引從而引起吸收峰位置改變。λmax235，287nmλmax211，270nmDpH效應的影響64（a）苯酚的UV光譜圖（b）苯胺的UV光譜圖652、對吸收光譜精細結構影響

溶劑極性↑，苯環(huán)精細結構消失66

溶劑極性↑，苯酚精細結構消失673、溶劑的選擇⑴在溶解度允許的范圍內，盡量選擇低極性溶劑；⑵應能很好地溶解試樣，對試樣應該是惰性的；⑶溶劑的極限波長應小于試樣的λmax。

溶劑極限波長/nm溶劑極限波長/nm乙醇

210

正己烷195環(huán)己烷210四氯化碳257正丁醇210乙酸乙酯255乙醚215氯仿237水191丙酮3306869第二章

紫外-可見分光光度法一、共軛多烯伍德沃德－菲澤規(guī)則第四節(jié)

典型有機化合物的紫外-可見吸收光譜70現(xiàn)代有機合成之父1917年4月10日生于美國馬薩諸塞州的波士頓。1933年，只有16歲的伍德沃德就以優(yōu)異的成績，考入美國的著名大學麻省理工學院。在全班學生中，他是年齡最小的一個，素有“神童”之稱，學校為了培養(yǎng)他，為他一人單獨安排了許多課程。他聰穎過人，只用了3年時間就學完了大學的全部課程，并以出色的成績獲得了學士學位。伍德沃德獲學士學位后，直接攻取博士學位，只用了一年的時間，學完了博士生的所有課程，通過論文答辯獲博士學位。獲博士學位以后，伍德沃德在哈佛大學執(zhí)教，1950年被聘為教授。他培養(yǎng)的學生，許多人成了化學界的知名人士，其中包括獲得1981年諾貝爾化學獎的美國化學家霍夫曼（R.Hoffmann）。伍德沃德（Woodward）

1917-197971一、伍德沃德-菲澤(WoodWard-Fieser)規(guī)則

共軛多烯（不多于四個雙鍵）π→π*躍遷吸收帶的最大吸收波長，可以用經(jīng)驗公式伍德沃德-菲澤（WoodWard-Fieser）規(guī)則來估算。λmax=λ基+Σniλi

λ基是由非環(huán)和六元環(huán)共軛二烯母體結構決定的基準值。

λi和ni是由雙鍵上取代基的種類和個數(shù)決定的校正項。72

分子中與共軛體系無關的孤立雙鍵不參與計算；

不在雙鍵上的取代基不進行校正；

環(huán)外雙鍵是指在某一環(huán)的環(huán)外并與該環(huán)直接相連的雙鍵（共軛體系中）。λmax=λ基+Σniλi

73共軛體系延長74增加一個共軛雙鍵：增加的雙鍵必須與母體雙鍵共軛共軛體系，修正值加30非共軛體系，修正值加0非共軛體系，修正值加075環(huán)外雙鍵：緊靠環(huán)的，并且形成共軛的環(huán)外的雙鍵一個環(huán)外雙鍵，修正值加5無環(huán)外雙鍵，修正值加07677787980例5共軛雙烯基本值2174個環(huán)殘基取代+5×4

計算值237nm（238nm）8182838485其他結構因素的修正值醛-6－OAcα、β、γ或更高6當X為HO或RO時-22－ORα35每增加一個共軛雙鍵30β30同環(huán)二烯化合物39γ17環(huán)外雙鍵5δ（或更高）31每個取代烷基α10－SRβ85β12－Clα15γ（或更高）18β12每個極性基－Brα25－OHα35β30β30－NR2β95γ（或更高）5086溶劑校正乙醇，甲醇0氯仿1二氧六環(huán)5乙醚7己烷，環(huán)己烷11水-8878889斯科特（Scott）規(guī)則9091思考題計算出下列化合物在溶劑氯仿中的最大吸收波長（λmax）92（1）λmax=214（基值）+（2x5）（環(huán)外雙鍵）+（4x5）（R）+（1x30）（共軛延長）=274nm（2）λmax=253（基值）+（3x5）（環(huán)外雙鍵）+（5x5）（R）+（2x30）（共軛延長）=353nm（3）λmax=230（基值）+15（對位Br）=245nm（4）λmax=215（基值）+（1x5）（環(huán)外雙鍵）+（12+（3x18））（R）+（2x30）（共軛延長）+39（同環(huán)二烯）+1（溶劑）=386nm93949596第二章

紫外-可見分光光度法一、顯色反應的選擇二、顯色反應條件的選擇三、共存離子干擾的消除四、測定條件的選擇第五節(jié)

實驗技術及分析條件97一、顯色反應的選擇1.選擇顯色反應時，應考慮的因素

靈敏度高、選擇性高、生成物穩(wěn)定、顯色劑在測定波長處無明顯吸收，兩種有色物最大吸收波長之差：“對比度”，要求△>60nm。2.配位顯色反應

當金屬離子與有機顯色劑形成配合物時，通常會發(fā)生電荷轉移躍遷，產(chǎn)生很強的紫外—可見吸收光譜。983.氧化還原顯色反應