第六章分子吸光分析1

光譜分析法導論紫外-可見吸收光譜法的應用紅外吸收光譜法紫外-可見吸收光譜實驗技術第六章分子吸光分析法紫外-可見分光光度計第一節(jié)光譜分析法導論基于物質對不同波長光的吸收、發(fā)射等現(xiàn)象建立起來的一類光學分析法稱為光譜分析法。由原子吸收或發(fā)射所形成的光譜稱為原子光譜。原子光譜是線光譜。由分子的吸光或發(fā)光所形成的光譜稱為分子光譜，分子光譜是帶狀光譜。光譜類型光譜形狀光譜分類主要分析方法原子光譜線狀原子發(fā)射光譜原子吸收光譜原子發(fā)射光譜、原子熒光分析法火焰原子吸收法、石墨爐原子吸收法分子光譜帶狀分子發(fā)光光譜分子吸收光譜分子熒光、磷光、化學發(fā)光分析法紫外-可見吸收光譜法，紅外吸收光譜法一、分子能級分子具有不同的運動形式，對應每一種狀態(tài)都有一定的能量值，每一種分子都有其特定的能級數(shù)目與能級值，并由此組成特定的能級結構。處于基態(tài)的分子受到光的能量激發(fā)時，可以選擇性地吸收特征頻率的能量而躍遷到較高的能級，這種現(xiàn)象稱為光致激發(fā)。ΔΕ總=ΔΕe+ΔΕv+ΔΕr遠紅外轉動光譜紅外轉動和振動紫外電子能級躍遷二、光的性質波粒二重性和單色性第二節(jié)紫外-可見吸收光譜一、紫外-可見吸收曲線有色物質的不同顏色是由于吸收了不同波長的光所致。溶液能選擇性地吸收某些波長的光，而讓其他波長的光透過，這時溶液呈現(xiàn)出透過光的顏色。透過光的顏色是溶液吸收光的互補色。有色溶液對各種波長的光的吸收情況，常用光吸收曲線來描述。將不同波長的單色光依次通過一定的有色溶液，分別測出對各種波長的光的吸光度。以波長為橫坐標，吸光程度為縱坐標作圖，所得的曲線稱為吸收曲線或吸收光譜曲線。KMnO4

的顏色及吸收光譜KMnO4是紫紅色，原因是KMnO4吸收了紫紅色的互補色光（綠光），其互補色光紫紅色透過溶液，刺激人的眼睛，使人感覺到它的顏色是紫紅色。

/nm顏色互補光400-450紫黃綠450-480藍黃480-490綠藍橙490-500藍綠紅500-560綠紅紫560-580黃綠紫580-610黃藍610-650橙綠藍650-760紅藍綠互補色：兩種波長的光按一定的比例形成無色的光，這兩種波 長的光稱互補光

350525545Cr2O72-Cr2O72-、MnO4-的吸收光譜苯(254nm)甲苯(262nm)A230250270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∝b

ItI0bdxII-dIs1852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：A=εbc

化合物的光譜特征既可以用曲線的全貌來表示，也可以用吸收峰的特征來表示：Λ丙酮max663nm(7.3×104）

二、有機化合物分子的電子躍遷

分子外層電子的分子軌道可以分為五種：

σ成鍵、σ*反鍵軌道,π成鍵、π*反鍵軌道,ｎ非鍵軌道σ，π，n鍵軌道為基態(tài)軌道；σ*，π*為激發(fā)態(tài)軌道σ→σ*、σ→π*、π→σ*躍遷所需要的能量較大，一般處于真空紫外區(qū)。飽和烴可以發(fā)生此類躍遷：甲烷、乙烷1.ｎ→σ*躍遷具有孤對電子的生色團其n電子躍遷到σ*鍵上形成此類躍遷。飽和碳氫化合物中的H被N、O、S和鹵素等雜原子取代時，可發(fā)生此類躍遷。

2.π→π*躍遷不飽和有機化合物上有π電子，π→π*躍遷一般在200nm左右。共軛程度越大，所需要的能量越低。3、n→π*躍遷羰基、羧基、?；?、硝基、亞硝基、偶氮基等，一般在近紫外區(qū)（200-400nm），吸光強度較小。三、一些基本概念1、預解離躍遷如果分子中的化學鍵能低于電子激發(fā)能，分子在接受較高能量的躍遷過程中，使某些化學鍵發(fā)生斷裂，這種躍遷稱為預解離躍遷。預解離躍遷不會產(chǎn)生分子的吸收光譜或發(fā)光光譜。2、助色團：本身無紫外吸收，但可以使生色團吸收峰加強同時使吸收峰長移的基團。對有機化合物：主要為連有雜原子的飽和基團。例：—OH，—OR，—NH—，—NR2—，—X

3、長移和短移由于化合物結構變化（共軛、引入助色團取代基）或采用不同溶劑后

吸收峰位置向長波方向的移動，叫紅移吸收峰位置向短波方向移動，叫藍移濃色（增色）效應：吸收強度增強的效應。淡色（減色）效應：吸收強度減小的效應。4、溶劑效應

溶劑極性不同會引起某些化合物的吸收峰發(fā)生紅移或藍移，這種作用稱為溶劑效應。

在進行紫外光譜分析時，所選用的溶劑都要知道它的最低使用波長限度，為什么？溶劑會影響吸收光譜的強度和溶解分子光譜的精細結構。一般說來，溶劑的極性增加會使溶質的精細結構清晰度減弱，甚至會呈現(xiàn)一個寬峰。因此在溶解度容許范圍內(nèi)，應選擇使用極性較小的溶劑。另外，溶劑本身也有自己的吸收光譜，該光譜如果與溶質的吸收光譜有重疊，就會影響對溶質吸收帶的觀察。因此紫外吸收光譜分析中常用的溶劑都有一個波長限度，低于此限度時溶劑的吸收必須加以考慮。5、吸收帶吸收峰在紫外-可見吸收光譜中的波帶位置稱為吸收帶，一般分四種。R吸收帶：由n-π*躍遷產(chǎn)生的吸收帶；K吸收帶:在共軛非封閉系統(tǒng)中π-π*躍遷產(chǎn)生的吸收帶；B吸收帶：是芳香族化合物和雜芳香族化合物的特征譜帶，由π-π*躍遷產(chǎn)生的吸收帶；E吸收帶：在封閉共軛系統(tǒng)（如芳香族化合物和雜芳香族化合物）中π-π*躍遷產(chǎn)生的K吸收帶；四、無機化合物分子的電子躍遷1、電荷轉移躍遷某些無機化合物分子本身既含有電子供給體，又含有電子接受體，當受到光致激發(fā)時，電子從供給體的外層軌道躍遷到接受體軌道上。這種由于電子在分子內(nèi)轉移產(chǎn)生的吸收光譜稱為電荷轉移光譜。Fe3+-SCN-→Fe2+-SCN2、配位體場躍遷過渡元素均含有未填滿的d電子層，鑭系和錒系元素含有f電子層，這些電子軌道均由能量相等的簡并軌道組成。當金屬離子受到配位體場作用時，5個簡并的d軌道和7個簡并的f軌道分別裂成機組能量有差異的d軌道和f軌道。如果軌道未充滿，這些離子吸收光能后，低能態(tài)的d電子或f電子可以分別躍遷到高能態(tài)的d軌道和f軌道，分別稱為d-d躍遷和f-f躍遷。這兩類躍遷必須在配位體的配位場作用下才有可能發(fā)生，故又稱為配位體場躍遷，相應的光譜稱為配位體場光譜。d-d躍遷的吸收帶在可見光區(qū)，強度較弱。f-f躍遷的吸收帶在紫外-可見光區(qū)，吸收帶較窄。第三節(jié)紫外-可見分光光度計測定范圍200-1000nm光源單色器吸收池檢測器顯示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320～1000nm。

紫外區(qū)：氫、氘燈。發(fā)射160～375nm的連續(xù)光譜。一、儀器的基本組成2.

單色器

將光源發(fā)射的復合光分解成單色光并可從中選出一任波長單色光的光學系統(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。3.吸收池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。4.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.信號顯示器由檢測器進行光電轉換后，信號經(jīng)適當放大，用記錄儀進行記錄或數(shù)字顯示。二、儀器的類型1、單波長單光束分光光度計適于給定波長處測量吸光度或透光度，一般不能作全波段光譜掃描，要求光源和檢測器有高的穩(wěn)定性。2、單波長雙光束分光光度計

單波長雙光束分光光度計的光路設計與單光束相似，不同的是在單色器和吸收池之間加了一個斬光器。它的作用是把均勻的單色光變成一定頻率、強度相同的交替光，一束通過參比溶液，一束通過樣品溶液。雙光束分光光度計光路圖3、雙波長分光光度計

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)生交流信號。無需參比池。△=1～2nm。兩波長同時掃描即可獲得光譜。4、多通道分光光度計不同之處在于使用了一個光電二極管陣列檢測器。第四節(jié)紫外-可見吸收光譜法的應用物質的紫外吸收光譜基本上是其分子中生色團及助色團的特征，而不是整個分子的特征。如果物質組成的變化不影響生色團和助色團，就不會顯著地影響其吸收光譜，例如甲苯和乙苯具有相同的紫外吸收光譜。

單根據(jù)紫外光譜不能完全決定物質的分子結構，還必須與紅外吸收光譜、核磁共振波譜、質譜以及其它化學、物理方法共同配合才能得出可靠的結論。一、定性分析根據(jù)吸收曲線做以下判斷：在200～800nm無吸收峰，該有機化合物可能是鏈狀或環(huán)狀的脂肪族化合物及其簡單的衍生物。在210～250nm有強吸收帶，ε>1.0×104，可能含有兩個共軛雙鍵。在210～300nm有強吸收帶，可能含有3～5個共軛雙鍵。如果在270～350nm有強吸收帶產(chǎn)生一個很弱的吸收帶，并且在200～270nm無任何吸收時，可能含有帶孤對電子的未共軛生色團。如果化合物的長波吸收峰在260nm附近有中強吸收，可能具有芳香環(huán)結構。如果出現(xiàn)多個吸收峰，可能含有長鏈共軛體系或稠環(huán)芳烴，若化合物有顏色，則至少有4～5個共軛發(fā)色團和助色團。1、比較法

在相同儀器、溶劑條件下對未知純試劑的紫外吸收圖與標準純試樣的紫外吸收光譜，或與標準紫外吸收光譜圖比較進行定性分析，濃度相同時，若兩紫外吸收圖的λmax和εmax相同，則此兩種物質可能為同一物質。工具書：薩特勒標準圖譜（紫外）2、最大吸收波長計算法1）Woodwart-Fieser計算規(guī)則Woodwart提出了計算共軛雙烯、多烯烴和不飽和羰基化合物π-π*躍遷最大吸收波長的經(jīng)驗過則，計算時以母體生色團的最大吸收波長為基數(shù)，再加上連接再母體π電子體系上的不同取代基助色團的修正值。

1.朗伯—比耳定律朗伯—比耳定律是紫外可見吸收光譜法進行定量分析的理論基礎：

A=εbc

（2.6）式中ε為摩爾吸光系數(shù)，單位為L.mol-1.cm-1,它僅與入射光的波長、被測組分的本性和溫度有關，在一定條件下是被測物質的特征性常數(shù)。二、定量分析

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；

ε=(1～10）×103較強吸收；

ε=(1～10）×102中強吸收；ε＜102

弱吸收；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。

2、比較法被測組分的濃度Cx

：

Cx=A樣*C標

/A標

（２.７）使用比較法時，所選擇標準溶液的濃度應盡量與樣品溶液的濃度接近，以降低溶液本底差異所引起的誤差。

3、標準曲線法配制一系列不同濃度的標準溶液，在λ最佳處分別測定標準溶液的吸光度A,然后以濃度為橫坐標，以相應的吸光度為縱坐標繪制出標準曲線，在完全相同的條件下測定試液的吸光度，并從標準曲線上求得試液的濃度。該法適用于大批量樣品的測定。

4、多組分物質的定量分析對含有兩個以上組分的混合物，根據(jù)吸收光譜相互干擾的具體情況和吸光度的加和性，不需分離而直接進行測定，下面分三種情況討論。①吸收光譜不重疊可在各自的λmax處測定其含量，與單組分物質的測定完全相同。

吸收光譜不重疊XYλ1

λ2

λ/nmA②吸收光譜的單向重疊

X組分的λmax處(λ1)Y組分沒有吸收，但在λ2處測定Y組分時，X組分有吸收.此時，可列下面的聯(lián)立方程式求解：

解上述方程組即可計算出Cx和CY。XYAλ1λ2λ(nm)③吸收光譜相互重疊

據(jù)吸光度的加和性，分別在λ1和λ2

波長處測定混合液的總吸光度，并解以下聯(lián)立方程：λ1λ2λ(nm)AXY22、某組分X溶液的濃度為5.00×10-4mol.L-1，在1.0cm吸收池中于440nm及590nm時其吸光度為0.68及0.139；組分Y溶液的濃度為8.00×10-4mol.L-1，在1.0cm吸收池中于440nm及590nm下測定其吸光度分別為0.106及0.470?，F(xiàn)有一組分X和組分Y的混合液，在1.0cm吸收池中于440nm及590nm下測定其吸光度分別為1.022及0.414,試計算該混合液中組分X合組分Y的濃度。29、在1.004mol.L-1的H2SO4溶液中含有Cr2O72-和MnO4-。用1.00cm比色皿在440nm處測定的吸光度為0.385，在545nm處測定的吸光度為0.653。1.004mol.L-1的H2SO4溶液中用8.33×10-4mol.L-1Cr2O72-標準溶液，在440nm處用1.00cm比色皿測定的吸光度為0.308，在545nm處測定的吸光度為0.009；又用1.00cm比色皿測定3.77×10-4mol.L-1的MnO4-標準溶液，在440nm處測定的摩爾吸光系數(shù)為0.035，在545nm處測定的吸光度為0.886。計算Cr2O72-在440nm處的摩爾吸光系數(shù)和MnO4-在545nm處的摩爾吸光系數(shù)，同時，計算混合液中Cr2O72-和MnO4-的濃度。紅外光譜又稱分子振動轉動光譜，屬分子吸收光譜。樣品受到頻率連續(xù)變化的紅外光照射時，分子吸收其中一些頻率的輻射，分子振動或轉動引起偶極矩的凈變化，使振-轉能級從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，相應于這些區(qū)域的透射光強減弱，記錄百分透過率T%對波數(shù)或波長的曲線，即紅外光譜。第五節(jié)紅外吸收法區(qū)域/m/cm-1能級躍遷類型近紅外(泛頻區(qū))0.78~2.512820~4000OH、NH和CH鍵的倍頻吸收區(qū)中紅外(基本振動區(qū))2.5~254000~400分子的振動、轉動遠紅外(轉動區(qū))25~1000400~10分子的轉動表6.1紅外光譜區(qū)劃分1.雙原子分子的振動分子振動可以近似的看作是分子中的原子以平衡點為中心，以非常小的振幅作周期性的簡諧振動。這種分子振動的模型可以用經(jīng)典的方法來模擬。如圖2.13所示。用經(jīng)典力學可導出振動頻率f的計算公式。一、基本原理圖2.13雙原子分子振動示意圖

1.雙原子分子的振動

(2.8)或

式中，k為化學鍵的力常數(shù)，是兩原子由平衡位置伸長單位長度時的恢復力，一般來說單鍵的k=4～6N·cm-1，雙鍵的k=8～12N·cm-1，叁鍵的k=12～18N·cm-1；為波數(shù)，單位是cm-1；c為光速（3×1010cm·s-1）；μ為原子的折合質量，單位為g。(2.9)

1.雙原子分子的振動式中，μ以折合相對原子質量Ar表示時根據(jù)小球的質量和相對原子質量之間的關系，（2.9）可寫為：

(2.10)

(2.11)

(2.12)

2、原子分子振動

雙原子分子振動只能發(fā)生在連接兩個原子的直線上，并且只有沿軸方向的伸縮振動，而多原子分子振動還有變形振動（又稱變角振動或彎曲振動）等多種振動方式。振動方式的數(shù)目稱為振動自由度，每個振動自由度相應于紅外光譜圖上一個基頻吸收帶。

圖2.14水分子的振動及紅外吸收為什么大多數(shù)化合物在紅外光譜圖上實際出現(xiàn)的峰數(shù)比理論計算的少得多？某些振動頻率完全相同，簡并為一個吸收峰某些振動吸收頻率十分接近，儀器無法分辨，表現(xiàn)為一個吸收峰。某些對稱振動沒有偶極矩的變化，不產(chǎn)生吸收光譜。某些振動吸收強度太弱，儀器靈敏度不夠，檢測不出來。某些振動吸收頻率超出了儀器的檢測范圍。

3、基團頻率和指紋區(qū)不同分子中的同一類基團的振動頻率非常接近，都在一定的頻率區(qū)間出現(xiàn)吸收譜帶，這種吸收譜帶的頻率稱為相應官能團的基團頻率。波數(shù)范圍在4000－1300㎝－1之間。將波數(shù)4000－600㎝－1范圍分為四個區(qū)域：①X－H伸縮振動區(qū)，4000－2500㎝－1，X可以是O、N、C和S原子，通常又稱為“氫鍵區(qū)”。②叁鍵和累積雙鍵區(qū)，2500～1900㎝－1，主要有炔鍵－C≡C、腈鍵－C≡N，丙二烯基－C＝C＝C－，烯酮基－C＝C＝O等基團的非對稱伸縮振動。③雙鍵伸縮振動區(qū)，1900～

1200㎝－1，主要包括C＝O、C＝N、C＝C、－NO2等的伸縮振動，芳環(huán)的骨架振動等。④單鍵區(qū)，＜1650㎝－1，這個區(qū)域的情況比較復雜，主要包括C－H、N－H彎曲振動，C－O、C－X（鹵素）等伸縮振動，以及C－C單鍵骨架振動等。影響基團頻率位移的因素外部因素內(nèi)部因素（1）電子效應

（i）誘導效應（I效應）。由于取代基具有不同的電負性，通過靜電誘導作用，引起分子中電子分布的變化，從而改變了鍵力常數(shù)，使基團的特征頻率發(fā)生位移。（ii）共軛效應（C效應）。共軛效應使共軛體系中的電子云密度平均化，結果使原來的雙鍵略有伸長（即電子云密度降低），力常數(shù)減小，使其吸收頻率往往向低波數(shù)方向移動。例如酮的C=O，因與苯環(huán)共軛而使C=O的力常數(shù)減小，振動頻率降低。（iii）中介效應（M效應）。當含有孤對電子的原子（O、N、S等）與具有多重鍵的原子相連時，也可起類似的共軛作用，成為中介效應。例如，酰胺

1650cm-1

1735cm-1

（2）氫鍵的影響

氫鍵的形成使電子云密度平均化，從而使伸縮振動頻率降低。1760cm-11700cm-1（3）振動耦合

當兩個振動頻率相同或相近的基團相鄰并具有一公共原子時，由于一個鍵的振動通過公共原子使另一個鍵的長度發(fā)生改變，產(chǎn)生一個“微擾”，從而形成了強烈的振動相互作用。其結果是使振動頻率發(fā)生變化，一個向高頻移動，一個向低頻移動，譜帶裂分。

（4）Fermi共振當一振動的倍頻與另一振動的基頻接近時，由于發(fā)生相互作用而產(chǎn)生很強的吸收峰或發(fā)生裂分，這種現(xiàn)象叫Fermi共振。

1773cm-1和1736cm-1出現(xiàn)兩個C=O吸收峰。

二、紅外光譜的定性和定量分析

1.定性分析

分子中的基團或化學鍵都有各自的特征振動頻率，所以可利用未知化合物的紅外光譜圖上吸收帶的位置，推斷出分子中可能存在的官能團和化學鍵。

被鑒定的物質應該是純樣品，否則，混合物中各組分的光譜相互重疊，給未知混合物的鑒定帶來困難。紅外光譜圖的表示方法可用波長λ、頻率ν和波數(shù)σ來表示吸收譜帶的位置σ（cm-1)=104/λ(um)E=hν=hcσ

寬峰尖峰肩峰雙峰峰強度的描述:VSSMWVW(verystrong)(strong)(medium)(weak)(veryweak)分子的不飽和度U按下式計算：

(2.13)例題：某化合物的化學式為C9H10O，它的紅外光譜圖如圖2.15所示，試推斷其結構式.

圖2.15未知物的紅外光諳圖解：①不飽和度計算

說明分子中可能存在苯環(huán)。

②1600、1500及1450㎝-1附近有三個尖銳的吸收帶，而1500㎝-1強于1600㎝-1處的帶，1600㎝-1附近又裂成兩個帶，說明苯環(huán)存在，證實苯環(huán)與π不飽和體系共軛，與不飽和度計算吻合。

③

在1700㎝-1附近無強吸收帶，證明不存在羰基。

④

在1380㎝-1無吸收，說明不存在甲基。

⑤

在3400㎝-1附近有一強而寬的吸收帶，是羥基的伸縮振動，在1050㎝-1左右有一強吸收帶，證明是伯醇，在700和750㎝-1處有兩個吸收帶，證明是一元取代苯。

如果不能獲得純樣品，可從有關手冊或相關書籍中查找出標準光譜圖進行對照，當譜圖上的特征吸收帶位置、形狀、強度相一致時即可以確證。綜上所述，可以推斷此化合物的結構式為：

2、定量分析

物質對紅外光的吸收符合Lambert-Beer定律，故紅外光譜也可用于定量分析，其優(yōu)點是紅外光譜有多個吸收譜帶可供選擇，有利于排除共存物質的干擾；缺點是紅外光譜法靈敏度低，不適于微量組分的測定，僅在特殊情況下使用.

紅外光譜定量時吸光度的測定常用基線法，如圖2.16所示.圖中I與I0之比就是透光率（T），吸光度圖2.16基線法求吸光度三、紅外吸收光譜儀

根據(jù)儀器的結構和工作原理的不同，紅外吸收光譜儀可分為色散型和干涉分光型。1.色散型紅外吸收光譜儀色散型紅外光譜儀也稱雙光紅外分光光度計，如圖2.17所示

圖2.17色散型紅外吸收光譜儀示意圖

2、干涉分光型紅外光譜儀干涉分光型紅外光譜儀及傅立葉變換紅外光譜儀，如圖2.18所示。它沒有色散元件，主