第3章紫外可見(jiàn)吸收光譜法

第三章

紫外－可見(jiàn)吸收光譜法(UV-Vis)Ultraviolet-visibleAbsorptionSpectrometry

第一節(jié)概述第二節(jié)紫外－可見(jiàn)吸收光譜第三節(jié)紫外及可見(jiàn)分光光度計(jì)第四節(jié)紫外－可見(jiàn)光譜法應(yīng)用第一節(jié)概述

紫外－可見(jiàn)吸收光譜法是根據(jù)溶液中物質(zhì)的分子或離子對(duì)紫外和可見(jiàn)光區(qū)輻射能的吸收來(lái)研究物質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu)的方法，也稱為紫外可見(jiàn)吸收光度法.

紫外光又分為遠(yuǎn)紫外光10~200nm和近紫外光200~400nm。遠(yuǎn)紫外光只能在真空中研究，故本章僅討論近紫外光譜。物質(zhì)顏色與吸收光的關(guān)系：

物質(zhì)對(duì)光的選擇性吸收:分子結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性使其對(duì)不同波長(zhǎng)光的吸收程度不同.有色溶液對(duì)各種波長(zhǎng)的光的吸收情況，常用光吸收曲線來(lái)描述。物質(zhì)對(duì)光的吸收曲線吸收光譜特征：吸收峰→λmax吸收谷→λmin肩峰→λsh末端吸收吸收曲線:用不同波長(zhǎng)的單色光照射，測(cè)吸光度.以吸光度對(duì)波長(zhǎng)作圖得吸收曲線即吸收光譜第二節(jié)紫外－可見(jiàn)吸收光譜一、有機(jī)化合物的紫外-可見(jiàn)光譜的產(chǎn)生

（一）電子躍遷類型

無(wú)機(jī)化合物和有機(jī)化合物吸收光譜的產(chǎn)生在本質(zhì)上是相同的，都是外層電子躍遷的結(jié)果，但二者在電子躍遷類型上有一定區(qū)別。

有機(jī)化合物的紫外—可見(jiàn)吸收光譜是三種價(jià)電子躍遷的結(jié)果：σ電子、π電子、n電子。COHnpsH分子軌道理論：一個(gè)成鍵軌道必定有一個(gè)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。成鍵軌道（σ、π）—反鍵軌道（σ＊、π＊)

當(dāng)外層電子吸收紫外或可見(jiàn)輻射后，就從基態(tài)向激發(fā)態(tài)(反鍵軌道)躍遷。主要有四種類型躍遷，其所需能量ΔΕ大小順序?yàn)椋?/p>

n→π＊<π→π＊<n→σ＊<σ→σ＊

1、*躍遷所需能量最大，飽和烷烴的分子吸收光譜出現(xiàn)在遠(yuǎn)紫外區(qū)(吸收波長(zhǎng)λ<200nm，只能被真空紫外分光光度計(jì)檢測(cè)到)。如甲烷的λ為125nm,乙烷λmax為135nm。4、n*躍遷需能量最低，吸收波長(zhǎng)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(qiáng)度較弱。分子中孤對(duì)電子和π鍵同時(shí)存在時(shí)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)。

3、*躍遷

所需能量較小，吸收波長(zhǎng)處于遠(yuǎn)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(qiáng)吸收。不飽和烴、共軛烯烴和芳香烴類均可發(fā)生該類躍遷。2、n*躍遷所需能量較大。吸收波長(zhǎng)為150～250nm，大部分在遠(yuǎn)紫外區(qū)。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。專業(yè)術(shù)語(yǔ)：⑴、生色團(tuán)：電子和n電子易激發(fā)，*的能量又低，所以由這兩類躍遷產(chǎn)生的吸收峰波長(zhǎng)一般都大于200nm，這兩類躍遷都要求化合物中含有不飽和官能團(tuán)，因此，把含有鍵的不飽和基團(tuán)稱為生色團(tuán)。表3-1一些常見(jiàn)生色團(tuán)的吸收特性某些有機(jī)化合物經(jīng)取代反應(yīng)引入含有未共用電子對(duì)的基團(tuán)（-OH、-OR、-NH2、-SH、-Cl、-Br、-SR、-NR2）之后，吸收峰的波長(zhǎng)將向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，這種效應(yīng)稱為紅移效應(yīng)。這種會(huì)使某化合物的最大吸收波長(zhǎng)向長(zhǎng)波方向移動(dòng)的基團(tuán)稱為向紅基團(tuán)。⑶、紅移與藍(lán)移（紫移）：由于化合物結(jié)構(gòu)變化（共軛、引入助色團(tuán)取代基）或采用不同溶劑后，吸收峰位置向長(zhǎng)波方向的移動(dòng)，叫紅移（長(zhǎng)移）。吸收峰位置向短波方向移動(dòng)，叫藍(lán)移（紫移，短移）(4)、增色與減色

強(qiáng)帶和弱帶：εmax>105→強(qiáng)帶εmin<103→弱帶

當(dāng)一種化合物中含有兩個(gè)或兩個(gè)以上的生色團(tuán)時(shí)分非共軛和共軛兩種情況考慮。非共軛體系各生色團(tuán)將獨(dú)立地產(chǎn)生吸收,但吸收強(qiáng)度相加。共軛體系時(shí)，隨著共軛系統(tǒng)的延長(zhǎng)，*躍遷的吸收帶將明顯向長(zhǎng)波方向移動(dòng)(紅移)，吸收強(qiáng)度也隨之增強(qiáng)(增色)。（二）生色團(tuán)的共軛作用1.共軛作用

2、不飽和烴及共軛烯烴在不飽和烴類分子中，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在不飽和烴類分子中，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)，*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)。表3-3共軛作用對(duì)烯烴吸收的影響Κmax/L·mol-1·cm-1n＝1n＝2n＝3n＝4n＝5n＝11化合物H(CH＝CH)nH溶劑已烯1,3-丁二烯1，3，5-已三烯1，3，5，7-辛四烯1，3，5，7，9-癸五烯β-胡蘿卜素蒸氣蒸氣已烷異辛烷環(huán)已烷異辛烷己烷λmax/nm

16221021726840443448010000-2090042700-121000139000對(duì)于多烯烴，非共軛體系最大吸收波長(zhǎng)與單烯烴相同，但摩爾吸光系數(shù)與烯烴數(shù)目同增。對(duì)于共軛體系，吸收紅移，摩爾吸光系數(shù)也有顯著變化。

3、羰基化合物

含有C=O基團(tuán)（醛、酮、羧酸及羧酸的衍生物）。C=O基團(tuán)主要可產(chǎn)生*(170/166nm)、n*、n*(280nm)三個(gè)吸收帶，落于近紫外或紫外光區(qū)。如果與烯鍵之間共軛也會(huì)降低*的能量,使吸收峰發(fā)生紅移(如巴豆醛CH3CH=CHCHO,220nm,322nm,單獨(dú)烯鍵*170nm,羰基166nm,n*280nm.)。

4、苯及其衍生物芳香族化合物有三個(gè)吸收帶，184nm（MAX=50,000）、204nm（MAX=7,400）及254nm（MAX=200），它們都是由*躍遷引起的。其中254nm（MAX=200）稱為B帶。在氣態(tài)或非極性溶劑中，B譜帶有許多的精細(xì)結(jié)構(gòu)，這是由于振動(dòng)躍遷在基態(tài)電子上的躍遷上的疊加而引起的。在極性溶劑中，這些精細(xì)結(jié)構(gòu)消失。當(dāng)苯環(huán)上有取代基時(shí)，苯的三個(gè)特征譜帶都會(huì)發(fā)生顯著的變化，其中影響較大的是E2帶和B譜帶。有一些含有n電子的基團(tuán)(如—OH、—OR、—NH２、—NHR、—X等)，它們本身沒(méi)有生色功能(不能吸收λ>200nm的光)，但當(dāng)它們與生色團(tuán)相連時(shí)，就會(huì)發(fā)生n—π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)稱為助色團(tuán)助色團(tuán)至少要有一對(duì)非鍵n電子，這樣才能與苯環(huán)上的π電子相作用，產(chǎn)生助色作用。例如：苯環(huán)上的氨基含有一對(duì)非鍵電子，具有助色作用，當(dāng)形成苯銨正離子時(shí)，非鍵的n電子消失了，助色作用也隨之消失。酚負(fù)離子中的氧原子比原來(lái)多了一個(gè)非鍵n電子，助色效果更好。

3.苯環(huán)上助色基團(tuán)對(duì)吸收帶的影響苯環(huán)上經(jīng)引入含有未共用電子對(duì)的基團(tuán)（-OH、-OR、-NH2、-SH、-Cl、-Br、-SR、-NR2）之后，吸收峰的波長(zhǎng)將紅移。（三）溶劑對(duì)吸收光譜的影響

1、對(duì)最大吸收波長(zhǎng)和吸收強(qiáng)度的影響極性n

np

n

p

極性n

→

*躍遷：蘭移；；

→*躍遷：紅移；；

max(正己烷)max(氯仿)max(甲醇)max(水)→*230nm238nm237nm243nmn→*329nm315nm309nm305nm當(dāng)溶劑的極性增大時(shí)，由n

*躍遷產(chǎn)生的吸收帶發(fā)生藍(lán)移，而由*躍遷產(chǎn)生的吸收帶發(fā)生紅移。

2、對(duì)光譜精細(xì)結(jié)構(gòu)的影響當(dāng)物質(zhì)處于氣態(tài)時(shí)，分子間的作用極弱，其振動(dòng)光譜和轉(zhuǎn)動(dòng)光譜也能表現(xiàn)出來(lái)，因而具有非常精細(xì)的結(jié)構(gòu)。當(dāng)它溶于非極性溶劑時(shí)，由于溶劑化作用限制了分子的自由轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)光譜就不能表現(xiàn)出來(lái)，隨著溶劑極性的增大，分子振動(dòng)也受到限制，精細(xì)結(jié)構(gòu)就會(huì)逐漸消失，合并為一條寬而低的吸收帶。圖苯酚的B吸收帶

在繪制有機(jī)化合物的吸收光譜時(shí)，應(yīng)依照經(jīng)下原則選擇溶劑：（1）、比較未知物質(zhì)與已知物質(zhì)的吸收光譜時(shí)，必須采用相同的溶劑。

（2）、盡量選擇非極性性溶劑，以獲得物質(zhì)吸收光譜的特征精細(xì)結(jié)構(gòu)。（3）、溶劑在樣品的測(cè)定光譜區(qū)內(nèi)無(wú)明顯吸收。二、無(wú)機(jī)化合物的吸收光譜

一些無(wú)機(jī)物（主要是金屬離子絡(luò)合物）也產(chǎn)生紫外-可見(jiàn)吸收光譜，其躍遷類型包括受配位體影響的金屬離子的d-d,f–f躍遷或稱配場(chǎng)躍遷、p-d躍遷或稱電荷轉(zhuǎn)移躍遷以及受金屬離子影響的配位體π-π*躍遷。

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。絡(luò)合物吸收光能后，電子在不同能量的d軌道之間躍遷，㈠、配位場(chǎng)躍遷d-d

躍遷和f-f

躍遷

與配體的配位場(chǎng)強(qiáng)弱有關(guān),躍遷概率較?、妗㈦姾蛇w移躍遷輻射下，配合物分子中原定域在金屬M(fèi)軌道上的電荷轉(zhuǎn)移到配位體L的軌道，或按相反方向轉(zhuǎn)移，所產(chǎn)生的吸收光譜稱為電荷遷移吸收光譜。不少過(guò)渡金屬離子與含生色團(tuán)的試劑反應(yīng)所生成的配合物以及許多水合無(wú)機(jī)離子，均可產(chǎn)生電荷遷移躍遷。[Fe3+CNS-]2+h[Fe2+CNS]2+電子給予體電子接受體取決于電子親和力的大小,摩爾吸光系數(shù)較大10000L.moL-1.cm-1

吸收光度法所使用的顯色劑絕大多數(shù)含有生色團(tuán)及助色團(tuán)，本身為有色物質(zhì)。當(dāng)與金屬離子配位時(shí)，作為配位體的顯色劑，其共軛結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，產(chǎn)生π-π*躍遷，導(dǎo)致其吸收光譜藍(lán)移或紅移。定量分析中，要求絡(luò)合物與配位劑的最大吸收波長(zhǎng)之差大約在60nm以上。

（三）金屬離子影響下的配位體π-π*躍遷第三節(jié)紫外及可見(jiàn)分光光度計(jì)儀器結(jié)構(gòu)：1、基本部件光源單色器吸收池檢測(cè)器顯示2、儀器簡(jiǎn)介影像一、儀器基本部件：1.光源

在整個(gè)紫外光區(qū)或可見(jiàn)光譜區(qū)可以發(fā)射連續(xù)光譜，具有足夠的輻射強(qiáng)度、較好的穩(wěn)定性、較長(zhǎng)的使用壽命?？梢?jiàn)光區(qū)：鎢燈作為光源，其輻射波長(zhǎng)范圍在320～2500nm。紫外區(qū)：氫、氘燈。發(fā)射185～400nm的連續(xù)光譜。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(zhǎng)單色光的光學(xué)系統(tǒng)。

①入射狹縫：光源的光由此進(jìn)入單色器；②準(zhǔn)光裝置：透鏡或反射鏡使入射光成為平行光束；③色散元件：將復(fù)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。3.吸收池

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(jiàn)區(qū)一般用玻璃池。4.檢測(cè)器利用光電效應(yīng)將透過(guò)吸收池的光信號(hào)變成可測(cè)的電信號(hào)。5.

結(jié)果顯示記錄系統(tǒng)

檢流計(jì)、數(shù)字顯示、微機(jī)進(jìn)行儀器自動(dòng)控制和結(jié)果處理。1)光電管是一個(gè)真空或充有少量惰性氣體的二極管。陰極是金屬做成的半圓筒，內(nèi)側(cè)涂有光敏物質(zhì)，當(dāng)光照射陰極時(shí)，即發(fā)射電子，在電壓的作用下，流向陽(yáng)極，形成光電流。陰極表面涂布的光敏材料不同，適應(yīng)的范圍不同，藍(lán)敏適用波長(zhǎng)范圍為600～1200nm；紫敏光電管適用波長(zhǎng)范圍為220～625nm。90VDC直流放大陰極R-+光束e陽(yáng)極絲（Ni）抽真空優(yōu)點(diǎn)：阻抗大，電流易放大；響應(yīng)快；應(yīng)用廣。2)光電倍增管是由光電管改進(jìn)而成的。管中有若干個(gè)稱為倍增極的附加電極。因此，可使光激發(fā)的電流得以放大，一個(gè)光子約產(chǎn)生106～107個(gè)電子。它的靈敏度比光電管高200多倍。適用波長(zhǎng)范圍為160~700nm。優(yōu)點(diǎn)：高靈敏度；響應(yīng)快；適于弱光測(cè)定，甚至對(duì)單一光子均可響應(yīng)。缺點(diǎn)：熱發(fā)射強(qiáng)，因此暗電流大，需冷卻（-30oC)。不得置于強(qiáng)光(如日光)下，否則可永久損壞二、分光光度計(jì)的構(gòu)造原理（一）單光束分光光度計(jì)

經(jīng)單色器分光后的一束平行光，輪流通過(guò)參比溶液和樣品溶液。這種分光光度計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，維修容易。

雙光束分光光度計(jì)一般都能自動(dòng)記錄吸收光譜曲線。由兩束光同時(shí)分別通過(guò)參比池和樣品池，能自動(dòng)消除光源強(qiáng)度變化所引起的誤差。

（二）雙光束分光光度計(jì)

由同一光源發(fā)出的光被分成兩束經(jīng)過(guò)兩個(gè)單色器，得到兩束不同波長(zhǎng)（1和2）的單色光；用切光器使兩束光交替照射同一吸收池，再經(jīng)過(guò)檢測(cè)系統(tǒng)，最后由顯示器顯示出兩個(gè)波長(zhǎng)處的吸光度差值ΔA=A1-A2。對(duì)于多組分混合物、混濁試樣分析以及存在背景干擾或共存組分吸收干擾的情況下，利用雙波長(zhǎng)分光光度法，往往能提高方法的靈敏度和選擇性。（三）雙波長(zhǎng)分光光度計(jì)第四節(jié)紫外－可見(jiàn)吸收光譜法的應(yīng)用

二、催化動(dòng)力學(xué)光度法

一、定性分析

（一）、化合物的鑒定

（二）、結(jié)構(gòu)分析

一、定性分析

（一）化合物的鑒定

有機(jī)化合物的鑒定，一般采取光譜比較法，將未知純化合物的吸收光譜特征與已知純化合物的吸收光譜比較。（峰的數(shù)目、位置、相對(duì)強(qiáng)度及形狀）驗(yàn)證已知物

1.查化合物標(biāo)準(zhǔn)紫外光譜圖進(jìn)行比較《TheSadtlerStandardSpectraUV》2.利用標(biāo)準(zhǔn)物做UV圖進(jìn)行比較

光譜簡(jiǎn)單，特征不明顯，用來(lái)鑒定未知化合物具有較大的局限性。有機(jī)合物紫外光譜解析:了解共軛程度、空間效應(yīng)、氫鍵等；可對(duì)飽和與