儀器分析課件 第2章 紫外吸收光譜分析法

*主要內(nèi)容

§9.1分子吸收光譜▲

§9-2有機物的紫外吸收光譜▲▲

§9-3無機物的紫外及可見光吸收光譜

§9.4溶劑對紫外吸收光譜的影響(溶劑效應(yīng))▲§9.5紫外及可見光分光光度計

§9.6紫外吸收光譜的應(yīng)用▲光分析方法的分類分子光譜原子光譜3§9.1.1紫外-可見吸收光譜法

是基于分子內(nèi)價電子躍遷產(chǎn)生的吸收光譜進行分析的一種常用的光譜分析法。紫外-可見光區(qū)一般用波長（nm）表示。研究對象：

在200-380nm的近紫外光區(qū)380-780nm的可見光區(qū)紫外-可見吸收測定的靈敏度取決于產(chǎn)生光吸收分子的摩爾吸光系數(shù)（ε）。如醫(yī)院的常規(guī)化驗中，95%的定量分析都用紫外-可見分光光度法。在化學研究中，如平衡常數(shù)的測定、求算主-客體結(jié)合常數(shù)等都離不開紫外-可見吸收光譜。

構(gòu)成物質(zhì)的分子一直處于運動狀態(tài)，包括電子相對于原子核的運動，對應(yīng)于電子能級，能級躍遷產(chǎn)生紫外、可見光譜；原子核在其平衡位置附近的振動，對應(yīng)于振動能級，能級躍遷產(chǎn)生振動光譜；分子本身繞其重心的轉(zhuǎn)動，對應(yīng)于轉(zhuǎn)動能級，能級躍遷產(chǎn)生轉(zhuǎn)動光譜。

分子的總能量由以下幾種能量組成：

E＝Ee+Ev+Er

分子從外界吸收能量后，就能引起分子能級的躍遷，即從基態(tài)能級躍遷到激發(fā)態(tài)能級。分子吸收能量具有量子化的特征，即分子只能吸收等于二個能級之差的能量：

ΔＥ=E2－E1=hυ=hc/λ9.2

式中，E2,E1分別為高能級、低能級的能量，

h為普朗克(Planck)常數(shù)，h=6.6256×10-34j·s；v

及λ分別為所發(fā)射電磁波的頻率及波長，c為光在真空中的速度,c=2.997×1010cm·s-1。

ΔＥ=E1－E2=hυ=hc/λ9.2

根據(jù)9-2式可計算某能量對應(yīng)的波長，或某波長對應(yīng)的能量，如5eV對應(yīng)的波長計算：已知h=6.626

×10－34j·s=4.136×10－15eV·sc=2.997×1010cm·s－1λ=hc/ΔE

=4.136×10－15eV·s×2.997×1010cm·s－1/5eV=2.48×10－5cm=248nm

1eV=1.6022

×10－19j能級躍遷

電子能級間躍遷的同時，總伴隨有振動和轉(zhuǎn)動能級間的躍遷。即電子光譜中總包含有振動能級和轉(zhuǎn)動能級間躍遷產(chǎn)生的若干譜線而呈現(xiàn)寬譜帶。(P271/圖9-1)討論：（1）電子能級的能量差ΔΕe較大，為：1～20eV。電子躍遷產(chǎn)生的吸收光譜在紫外—可見光區(qū)（200-780nm），稱紫外—可見光譜或分子的電子光譜；（2）振動能級的能量差ΔΕv約為：0.025～１eV，躍遷產(chǎn)生的吸收光譜位于紅外區(qū)，稱紅外光譜或分子振動光譜；P272表9-1電磁波譜（3）

轉(zhuǎn)動能級間的能量差ΔΕr：0.005～0.025eV，躍遷產(chǎn)生吸收光譜位于遠紅外區(qū)。稱遠紅外光譜或分子轉(zhuǎn)動光譜。10

可見吸收光譜：電子躍遷光譜吸收光波長范圍380780nm，主要用于有色物質(zhì)的定量分析。紫外吸收光譜：電子躍遷光譜

吸收光波長范圍200380

nm（近紫外區(qū)），可用于結(jié)構(gòu)鑒定和定量分析。特點靈敏度高選擇性較好通用性強準確度較好操作簡單價格低廉§9-2有機化合物的紫外吸收光譜

有機化合物的紫外—可見吸收光譜是三種價電子躍遷的結(jié)果：σ鍵電子、π鍵電子、n鍵電子。分子軌道理論：

成鍵軌道—反鍵軌道。sp

*s*RKE,BnpECOHnpsH紫外可見吸收光譜有機物的紫外吸收光譜

當外層電子吸收一定的能量ΔＥ后，就從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，此時電子所占得軌道稱為反鍵軌道，反鍵軌道能量更高。主要的四種躍遷所需能量ΔΕ由小到大順序為：

n→π＊

<π→π＊

<n→σ＊

<σ→σ＊

sp

*s*RKE,BnpECOHnpsH

二、幾種躍遷形式

1.σ→σ＊躍遷（飽和烷烴）

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；σ＊為σ鍵電子的反鍵軌道。

飽和烷烴的分子吸收光譜出現(xiàn)在遠紫外區(qū)；吸收波長10-200nm；例：甲烷的最大吸收波長（λmax）為125nm；乙烷λmax為135nm。

遠紫外區(qū)又稱真空紫外，因小于160nm的紫外光會被空氣中的氧所吸收，只能被真空紫外分光光度計檢測到。飽和烷烴在200-1000nm內(nèi)無吸收帶，常作為溶劑使用。2.n→σ＊躍遷

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。(遠紫外區(qū)與近紫外區(qū)之間)

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。n比σ更易激發(fā)，所需能量降低，吸收峰向長波方向移動（紅移）。εmax為摩爾吸光系數(shù)3.π→π＊躍遷（不飽和烴）

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)，εmax一般在104L·mol－1·cm－1以上，屬于強吸收。

（1）不飽和烴π→π*躍遷乙烯π→π*躍遷的λmax為171nm，εmax為:15530

L·mol-1·cm－1

C=C發(fā)色基團，

→

*，λmax

200nm。max=171nm助色基團取代

*（K帶)發(fā)生紅移165nm217nm

?

?

?

(HOMOLVMO)

max

（2）共軛烯烴中的→*丁二烯：

max=217nm，εmax為:21000L·mol-1·cm－1（3）羰基化合物共軛烯烴中的→*①Y=H,Rn→*

180-190nm

→

*

150-160nm

n→*

275-295nm②Y=-NH2,-OH,-OR

等助色基團K帶紅移，R帶蘭移；R帶max=205nm

；10-100K

K

R

R

n

n

165nm

n

③不飽和醛酮K帶紅移：165250nmR

帶蘭移：290310nm

乙酰苯紫外光譜圖

(P276圖9-4)羰基雙鍵與苯環(huán)共扼：K帶強；苯的E2帶與K帶合并，紅移；取代基使B帶簡化；氧上的孤對電子：R帶，躍遷禁阻，弱；CCH3On

p*

;

R帶p

p*

;

K帶（4）芳香烴及其雜環(huán)化合物

苯：E1帶180185nm；

=47000L·mol－1·cm－1E2帶200204nm=7900是苯環(huán)上三個共扼雙鍵的→*躍遷特征吸收帶；B帶230-270nm，=200

→

*與苯環(huán)振動的重疊引起；含取代基時，B帶簡化，紅移。

P278圖9-5

max（nm）

max苯254200甲苯261300間二甲苯2633001，3，5-三甲苯266305六甲苯272300（5）立體結(jié)構(gòu)和互變結(jié)構(gòu)的影響順反異構(gòu)：

順式：λmax=280nm；εmax=10500反式：λmax=295.5nm；εmax=29000互變異構(gòu)：

酮式：λmax=204nm

烯醇式：λmax=243nm

1.生色團：

最有用的紫外—可見光譜是由π→π＊和n→π＊躍遷產(chǎn)生的。這兩種躍遷均要求有機物分子中含有不飽和基團。這類含有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—N＝N—、乙炔基、腈基等。P276（表9-3）

歸納總結(jié)

一、生色團與助色團2.助色團：

一些含有n電子的基團(如—OH、—OR、—NH２、—NHR、—X等)，它們本身沒有生色功能，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。

P275（表9-2）二、紅移與藍移

有機化合物的吸收譜帶常常因引入取代基或改變?nèi)軇┦功薽ax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)。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(yīng)或減色效應(yīng)。

注：本書摩爾吸光系數(shù)為κ！1.K吸收帶共軛雙鍵中π→π＊躍遷所產(chǎn)生的吸收帶稱為K吸收帶（由共軛作用的德文Konjugation而得名）。其波長及強度與共軛體系的數(shù)目、位置、取代基的種類等有關(guān)。共軛雙鍵愈多，深色移動愈顯著，甚至產(chǎn)生顏色，據(jù)此可以判斷共軛體系的存在情況，這是紫外吸收光譜的重要應(yīng)用。三、K吸收帶、R吸收帶、B吸收帶2.R吸收帶：

R吸收帶（由基團的德文Radikal而得名）是相當于生色團及助色團中n→π＊躍遷引起的。CCH3On→p*

;

R帶p

→p*

;

K帶在230-270nm處較弱的一系列吸收帶，稱為精細結(jié)構(gòu)的吸收帶。E1,E2兩個強吸收帶是苯環(huán)上三個共扼雙鍵的→*躍遷所產(chǎn)生特征吸收帶；若苯環(huán)上有助色團，如-OH,-CI等取代基，E2吸收帶向長波方向移動（210nm左右）。B吸收帶是由于π→π＊躍遷和苯環(huán)的振動的重疊引起的，B吸收帶的的精細結(jié)構(gòu)常用來辨認芳香族化合物。3.B吸收帶（精細結(jié)構(gòu)吸收帶-五指峰）

二取代苯的兩個取代基在對位時，εmax和波長都較大，而間位和鄰位取代時，εmax和波長都較小。如苯的兩個取代基為-OH與-NO2，

對位

λmax=317.5nm

間位

λmax=273.5nm

鄰位

λmax=278.5nm

如果對位二取代苯的一個是推電子基團，而另一個是拉電子基團，深色移動就非常大。如苯的兩個取代基為-NH2與-NO2在對位時

λmax=381nm§9-3無機物的紫外及可見光吸收光譜

一、電荷遷移輻射下，分子中原定域在金屬M軌道上的電荷轉(zhuǎn)移到配體L的軌道，或按相反方向轉(zhuǎn)移，所產(chǎn)生的吸收光譜稱為躍遷：電荷遷移光譜。（紫外區(qū)）Mn+—Lb-M(n-1)+—L(b-1)-h[Fe3+SCN-]2+h[Fe2+SCN]2+電子接受體電子給予體分子內(nèi)氧化還原反應(yīng)；>104L·mol－1·cm－1Fe2+與鄰菲羅啉配合物（1,10-鄰二氮菲）的紫外吸收光譜屬于荷移光譜。

二、配位場躍遷

元素周期表第四、五周期的過渡金屬元素分別含有3d和4d軌道，鑭系、錒系元素分別含有4f和5f軌道。在配體的作用下,過渡元素五個能量相等的d軌道和鑭系、錒系元素的七個能量相等的f軌道分別裂分成幾組能量不等的d軌道和f軌道，吸收光后，產(chǎn)生d一d、f一f

躍遷。由于d-d躍遷和f-f躍遷必須在配體的配位場作用下才有可能產(chǎn)生，因此稱之為配位場躍遷。

§9.4溶劑對紫外吸收光譜的影響(溶劑效應(yīng))

有些溶劑，特別是極性溶劑，對溶質(zhì)吸收峰的波長、強度及形狀可能產(chǎn)生影響。（表9-5）

→*躍遷：極性由小→大，紅移；；

n

→

*躍遷：極性由小→大，蘭移；；溶劑的影響1：乙醚2：水12250300苯酰丙酮非極性→極性→*躍遷：紅移；；n

→

*躍遷：蘭移；；

極性溶劑使精細結(jié)構(gòu)消失(p280圖9-7)

溶劑效應(yīng)的成因：

1.溶劑和溶質(zhì)間形成氫鍵；2.溶劑的偶極使溶質(zhì)的極性增強，引起n→π＊及π→π＊吸收帶的遷移。3.溶劑除了對吸收波長有影響外，還影響吸收強度和精細結(jié)構(gòu)。例：苯酚的B吸收帶的精細結(jié)構(gòu)在非極性溶劑庚烷中清晰可見，而在極性溶劑中完全消失

(圖9-7）。應(yīng)選擇極性較小的溶劑。表9-6溶劑使用最低波長極限光電比色計單光束雙光束

紫外-可見分光光度計單光束雙光束或單波長雙波長比色分析分類目視比色法光度法§9.5紫外及可見光分光光度計目視比色法用眼睛比較溶液顏色的深淺以測定物質(zhì)的含量。常用的目視比色法是標準系列法：

使用一套比色管分別加入一系列不同量的標準溶液，再加入等量的顯色劑和其他試劑，稀釋至一定刻度。用同樣方法配制待測溶液，從管口垂直向下觀察，比較，得到待測溶液濃度。優(yōu)點：設(shè)備簡單，操作簡單，比色管內(nèi)液層厚，顏色易觀察，在復合光下進行測定，不需嚴格地服從朗伯-比爾定律。缺點：準確度不高，若待測溶液中存在第二種有色物質(zhì)，相對誤差5%~20%光度法用光電計測定溶液的吸光度,稱之為光電比色法。用分光光度計進行測定的方法為分光光度法。

測定原理相同獲得單色光的方法不同(濾光片，棱鏡或光柵)光度法與目視法比較有以下優(yōu)點：(1)提高了準確度

用儀器代替了人眼進行測量，消除了人的主觀誤差。(2)提高了選擇性

測定的溶液中若有其他物質(zhì)共存時，可選擇適當?shù)膯紊夂蛥⒈热芤簛硐蓴_。(3)提高了分析速度

在分析大批試樣時，使用標準曲線法可簡化手續(xù)，加快分析速度。分光光度計的種類和型號很多：單光束分光光度計、雙光束分光光度計、雙波長分光光度計。單光束分光光度計光源單色器試樣池檢測器顯示系統(tǒng)參比池如：國產(chǎn)751型、752型、721型、722型、724型。分光光度計的分類37雙光束分光光度計光源單色器試樣池檢測器顯示系統(tǒng)參比池如：國產(chǎn)710型、730型、740型。切光器

雙光束分光光度計是把光源發(fā)出的一束光變成兩束，幾乎同時通過參比溶液和被測溶液，然后同時測量透射光的強度，克服了由于光源和檢測系統(tǒng)不穩(wěn)定帶來的測量誤差。雙波長分光光度計光源單色器試樣池檢測器顯示系統(tǒng)12切光器

雙波長分光光度計是采用兩個單色器把光源發(fā)出的光分成兩束強度相同、波長分別為1、2的單色光交替照射到同一吸收池上，其透過光被檢測器所吸收，經(jīng)信號處理系統(tǒng)處理可直接獲得溶液對不同波長單色光的吸收度之差。

單色器A=A1-A2消除人工配制的空白溶液與本底之間的差別而引起的誤差，可測定多組分溶液和混濁溶液。構(gòu)造：與可見光光度計相似（圖9-8）

儀器

紫外-可見分光光度計一、基本組成

generalprocess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。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：透鏡或反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.樣品室

樣品室放置各種類型的吸收池（比色皿）和相應(yīng)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(yīng)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(jié)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(jié)果處理光路圖

現(xiàn)代儀器在主機中裝有處理機或外接微型計算機，控制儀器操作和處理測量數(shù)據(jù)，組裝有屏幕顯示、打印機和繪圖儀等。采用光電二極管陣列檢測器構(gòu)成的二極管陣列分光光度計，在全部波長（200-900nm）范圍內(nèi)可同時快速檢測（0.1—1s），使液相色譜不停流檢測，應(yīng)用于化學反應(yīng)及反應(yīng)動力學研究?！?.6紫外吸收光譜的應(yīng)用

紫外吸收光譜具有一些突出特點,可用于在紫外區(qū)有吸收峰的物質(zhì)的鑒定及結(jié)構(gòu)分析，如有機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)的測定等。

物質(zhì)的紫外吸收光譜基本上是其分子中生色團及助色團的特性，而不是它的整個分子的特性。單根據(jù)紫外光譜不能完全決定物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)，還須與IR、MNR、MS及其他化學的和物理化學的方法配合起來，才能得出可靠的結(jié)論。

一、定性分析：

1.以紫外吸收光譜鑒定有機化合物時，通常是在相同的測定條件下，比較未知物與已知標準物的紫外光譜圖，若兩者的譜圖相同，則可認為待測試樣與已知化合物具有相同的生色團；

2.比較λmax與ε的一致性

紫外光譜主要是由分子內(nèi)的發(fā)色基團所產(chǎn)生的，具有相同發(fā)色基團的不同分子結(jié)構(gòu)，在較大分子中吸收光譜形狀變化不大，但ε差別較大。

max，max都相同，可能是一個化合物；

標準譜圖庫：46000種化合物紫外光譜的標準譜圖?Thesadtlerstandardspectra,Ultraviolet?

二、有機化合物分子結(jié)構(gòu)的推斷

1.根據(jù)化合物的紫外及可見區(qū)吸收光譜可以推測化合物所含的官能團。①220-800nm：無吸收峰，可能是脂肪族碳氫化合物、胺、腈、醇、羧酸、氯代烴和氟代烴，不含雙鍵或環(huán)狀共軛體系，沒有醛、酮或溴、碘等基團。②210～250nm：有強吸收峰，則可能含有2個共軛雙鍵；③260～350nm：有強吸收峰，則說明該有機物含≥3個共軛雙鍵；（3-5個）④270-350nm：吸收峰很弱而無其他強吸收峰，則說明只含非共軛的具有n電子的生色團；⑤250-300nm：中等強度吸收帶且有一定的精細結(jié)構(gòu)，則表示有苯環(huán)的特征吸收

2.對某些同分異構(gòu)體進行判別例如：乙酰乙酸乙酯存在酮-烯醇互變異構(gòu)體，酮式?jīng)]有共軛雙鍵，它在204nm處僅有弱吸收；烯醇式有共軛雙鍵，因此在245nm處有強的K吸收帶。

酮式：λmax=204nm；無共軛

烯醇式：λmax=245nm，有共軛立體結(jié)構(gòu)和互變結(jié)構(gòu)的確定順式：λmax=280nm；εmax=10500反式：λmax=295.5nm；εmax=29000共平面產(chǎn)生最大共軛效應(yīng)，εmax大

結(jié)論：

紫外吸收光譜可提供識別未知物分子中可能具有的生色團、助色團以及估計共軛程度的信息，這對有機化合物結(jié)構(gòu)的推斷和鑒別很有用，這就是吸收光譜的最重要應(yīng)用。

三、純度檢查

紫外吸收靈敏度很高，可檢測化合物中所含微量的具有紫外吸收的雜質(zhì)。

1.如果化合物在紫外區(qū)沒有吸收峰，而其中的雜質(zhì)有較強吸收，就可檢出該化合物中的痕量雜質(zhì)。例子：檢定甲醇或乙醇中的雜質(zhì)苯，可利用苯在256nm處的B吸收帶，而甲醇或乙醇在256nm處沒有吸收帶。

2.如果一化合物，在可見區(qū)或紫外區(qū)有較強的吸收帶，可用摩爾吸收系數(shù)來檢查其純度。例：菲的氯仿溶液在296nm處有強吸收（lgε=4.10）。而精制的菲，熔點100℃，沸點340℃，似乎已很純，但經(jīng)紫外光譜檢查，測得實際含量只有90%，其余可能是蒽等雜質(zhì)。

3.干性油與不干性油

不干性油——飽和脂酸酯，或是雙鍵不相共軛。不相共軛的雙鍵具有典型的烯鍵紫外吸收帶，波長較短；共軛雙鍵譜帶所在波長較長，且雙鍵越多，吸收譜帶波長越長。飽和脂酸酯及不相共軛雙鍵的吸收光譜一般在210nm以下。

干性油：含二個共軛雙鍵的約在220nm處；三個共軛雙鍵的在270nm附近；四個共軛雙鍵的在310nm附近。干性油的吸收譜帶一般都在較長的波長處。工業(yè)上要設(shè)法使不相共軛的雙鍵轉(zhuǎn)變?yōu)楣曹?，將不干性油變?yōu)楦尚杂?。紫外吸收光譜可判斷雙鍵是否移動。54紫外可見吸收光譜吸收曲線的討論：同一種物質(zhì)對不同波長光的吸光度不同。吸光度最大處對應(yīng)的波長稱為最大吸收波長λmax不同濃度的同一種物質(zhì)，其吸收曲線形狀相似λmax不變。而對于不同物質(zhì)，它們的吸收曲線形狀和λmax則不同。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(nèi)部能級分布狀況，是物質(zhì)定性的依據(jù)。吸收譜帶的強度與該物質(zhì)分子吸收的光子數(shù)成正比，定量分析的依據(jù)。55四、定量分析光的吸收定律

朗伯—比耳定律布格(Bouguer)—1729年朗伯(Lambert)—1760年光的吸收程度和吸收層厚度的關(guān)系

A∝b56比耳(Beer)—1852年

朗伯—比耳定律光的吸收程度和吸收物濃度之間的關(guān)系

A∝c四、定量分析光的吸收定律57光的吸收程度和吸收層厚度的關(guān)系A(chǔ)∝b光的吸收程度和吸收物濃度之間的關(guān)系

A∝c

朗伯—比耳定律吸光光度法的理論基礎(chǔ)和定量測定的依據(jù)朗伯(Lambert)比耳(Beer)四、定量分析光的吸收定律A：吸光度---溶液對光的吸收程度b：液層厚度(光程長度,cm)c：溶液的摩爾濃度，mol·