光度法基本原理

關(guān)于光度法基本原理第1頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三光分析法光譜分析法非光譜分析法原子光譜分析法分子光譜分析法原子吸收光譜原子發(fā)射光譜原子熒光光譜X射線熒光光譜折射法圓二色性法X射線衍射法干涉法旋光法紫外光譜法紅外光譜法分子熒光光譜法分子磷光光譜法核磁共振波譜法基于電磁輻射能量與待測物質(zhì)相互作用后所產(chǎn)生的輻射信號與物質(zhì)組成及結(jié)構(gòu)關(guān)系所建立起來的分析方法基于物質(zhì)與輻射能作用時，分子發(fā)生能級躍遷而產(chǎn)生的發(fā)射、吸收或散射的波長強度進行分析的方法不涉及能級躍遷，物質(zhì)與輻射作用時，僅改變傳播方向等物理性質(zhì)第2頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三（1）分子吸收光譜的產(chǎn)生——由能級間的躍遷引起能級：電子能級、振動能級、轉(zhuǎn)動能級躍遷：電子受激發(fā)，從低能級轉(zhuǎn)移到高能級的過程一、有機化合物紫外吸收光譜的產(chǎn)生1.產(chǎn)生原因第3頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三第4頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三（2）分子吸收光譜的分類：分子內(nèi)運動涉及三種躍遷能級，所需能量大小順序：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。所以紫外-可見吸收光譜是帶狀光譜。第5頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三光譜區(qū)波長范圍原子或分子的運動形式X射線0.01-10nm原子內(nèi)層電子的躍遷遠紫外10-200nm分子中原子外層電子的躍遷紫外200-380nm分子中原子外層電子的躍遷可見光380-780nm分子中原子外層電子的躍遷近紅外780nm-2.5μm分子中涉及氫原子的振動紅外2.5-50μm分子中原子的振動及分子轉(zhuǎn)動遠紅外50-300μm分子的轉(zhuǎn)動微波0.3mm-1m分子的轉(zhuǎn)動無線電波1-1000m核磁共振電磁波譜第6頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三有機化合物的紫外—可見吸收光譜，是其分子中外層價電子躍遷的結(jié)果（三種）：①形成單鍵的σ電子；②形成雙鍵的π電子；③未成鍵的n電子。分子軌道理論：一個成鍵軌道必定有一個相應(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：σ→σ＊>

n→σ＊

>π→π＊

>

n→π＊

2.電子躍遷形式第7頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三（1）σ→σ＊躍遷所需能量最大，吸收遠紫外光的能量才能發(fā)生躍遷，只能被真空紫外分光光度計檢測到。遠紫外區(qū)吸收波長：λ<200nm如甲烷的λ為125nm，乙烷λmax為135nm。

特點：在紫外區(qū)吸收光譜分析中常用作溶劑。（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)。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。特點：使吸收峰向長波長方向移動。第8頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三（3）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)，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162nm。

特點：摩爾吸光系數(shù)κ

max:1×104L·mol-1·cm－1。屬于強吸收（4）n→π＊躍遷

所需能量最低，吸收波長λ>200nm。分子中孤對電子和π鍵同時存在時發(fā)生n→π＊

躍遷。如：丙酮n→π＊躍遷的λ為275nm，κmax為22L·mol-1·cm-1（溶劑環(huán)己烷)。

特點：摩爾吸光系數(shù)一般為10～100L·mol-1·cm-1，吸收譜帶強度較弱。第9頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三

一般說來：未成鍵的孤對電子較易激發(fā)。成鍵電子能級低，反鍵電子相反，n→π*躍遷需要能最低。所產(chǎn)生的吸收波長最長。n→σ*,π→π*次之，σ→σ*出現(xiàn)在遠紫外區(qū)，吸收波長<200nm。如圖：第10頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三最有用的紫外—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。由于其存在能使分子產(chǎn)生吸收而出現(xiàn)譜帶的含有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—C三N等。吸收波長向長波方向移動，吸收強度增加。㎜3.常用術(shù)語（1）生色團（P276表9-3）第11頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三

含有n電子的基團如:—OH、—OR、—NH２、—NHR、—X等本身沒有生色功能（不能吸收λ>200nm的光），但當它們與生色團相連時，增強生色團的生色能力，能使生色基的吸收譜帶明顯地向長波移動，而且吸收強度也相應(yīng)的增加，這樣的基團稱為助色團。由于n電子與π電子的P-π共軛效應(yīng)導(dǎo)致π→π*躍遷能量降低，吸收波長向長波方向移動，吸收強度增加。飽和單鍵碳氫化合物中，由于助色團中n電子較σ電子易于激發(fā)，使電子躍遷所需能量降低，產(chǎn)生n→σ*躍遷，吸收峰向長波方向移動。如:甲烷λ為125nm~135nm(σ→σ＊躍遷)碘甲烷λ為150nm~210nm(σ→σ＊躍遷)及259nm(n→σ＊躍遷)（2）助色團（P275表9-2）第12頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三

有機化合物的吸收譜帶常常因引入取代基或改變?nèi)軇┦棺畲笪詹ㄩLλmax和吸收強度發(fā)生變化:λmax向長波方向移動稱為紅移（或深色移動），紅移一般是由于共軛體系延長或增加了助色基引起；λmax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)κ增大的現(xiàn)象稱為增色效應(yīng)；吸收強度即摩爾吸光系數(shù)κ減小的現(xiàn)象稱為減色效應(yīng)。（3）紅移、藍移、增色效應(yīng)、減色效應(yīng)第13頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三紫外光譜譜帶有：R帶κ

值<100B帶κ

值約250~3000E帶κ

值約2000~10000K帶κ

值≥100004.譜帶分類第14頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三（1）R帶:(Radikalartin德文:基團型的)

由n→π*躍遷引起的吸收帶，產(chǎn)生該吸收帶的發(fā)色團是分子中的P-π*共軛體系，如-C=O，-NO2，-CHO等。

特征：強度弱，κ

<100(logκ

<2)，吸收峰一般在270nm以上

CH3CHOλmax291nm,κ11CH2=CH-CHOλmax315nm,κ14

第15頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三

CH2=CH-CH=CH-CH=CH2λmax258(κ

35000)

CH2=CH-CH=CH2

λmax223(κ

22600)

孤立雙鍵的π→π*躍遷一般<200nm，共軛雙鍵增加時，不但發(fā)生紅移，而且強度也加強。特點：吸收峰強度很強，κ

≥10000(logκ≥4)。（2）K帶:(Konjugierte德文:共軛的)由π→π*躍遷引起的吸收帶，產(chǎn)生該吸收帶的發(fā)色團是分子中共軛系統(tǒng)。第16頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三（3）B帶(Benzenoidband，苯型譜帶)和E帶(Ethylenicband，乙烯型譜帶)。①B帶由苯的π→π*躍遷和振動效應(yīng)的重疊引起，為一寬峰并出現(xiàn)若干小峰，在230~270nm之間，中心在254nm處，κ

max250左右。是苯環(huán)的特征峰。苯環(huán)被取代后，精細結(jié)構(gòu)消失或部分消失。B帶常用來識別芳香族化合物。均為芳香化合物的π→π*吸收帶，苯環(huán)有三個π→π*躍遷的吸收峰。

第17頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三

b.

E2帶:λmax203nm左右，κ

max7400。是苯環(huán)中共軛二烯引起的π→π*躍遷。該帶相當K帶。當苯環(huán)引入發(fā)色團時，與苯環(huán)共軛，E2帶移至220~250nm,κ

>l0000，此時亦稱為K帶。a.

E1帶:乙烯帶(Ethylenicband),λmax~184nm，logκ

>4。為苯環(huán)的特征譜帶，吸收強度較大。當苯環(huán)上有助色團時，向長波方向移至200~220nm。②E帶:E1和E2帶第18頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三二、各類有機化合物的紫外光譜1.飽和烴飽和單鍵碳氫化合物只有σ鍵電子。σ鍵電子最不易激發(fā)。只有吸收很大能量后，才能產(chǎn)生σ→σ*躍遷。僅在遠紫外區(qū)（10～200ｎｍ）有吸收帶，且κ小。紫外吸收光譜中常用作溶劑,如己烷，庚烷等。當飽和烴中的氫被Ｏ,Ｎ,Ｘ,Ｓ取代時，這些原子上存在

n電子，可產(chǎn)生n*

躍遷。當含有S、I、N原子時有可能在>200nm處有吸收。有時在近紫外區(qū)，但κ小。例如CH4130nmCH3Cl173nmCH3Br204nmCH3I258nm氯、溴和碘原子引入甲烷后，其相應(yīng)的吸收波長發(fā)生了紅移，顯示了助色團的助色作用。第19頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三2.不飽和脂肪烴（1）單烯烴：π-π*躍遷雖然強度很大，但落在真空紫外區(qū)，仍然看不見。（2）共軛雙鍵體系：由多個雙鍵組成共軛雙鍵體系，隨著共軛體系的延伸，生色團加強，吸收強度增加，顏色逐漸變深，吸收光譜發(fā)生較大幅度的紅移。例如:

λmax(nm)lgκ

max

H2C=CH2162~4CH2=CH－CH=CH2217~4第20頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三K吸收帶：由共軛雙鍵中π→π*躍遷所產(chǎn)生的吸收帶。特點：強度大κ

max在104

～20×104之間，吸收峰位置在217-280nm范圍內(nèi)。

K吸收帶波長、強度與共軛體系數(shù)目、位置、取代種類有關(guān)，即：共軛雙鍵越多，紅移越顯著。P277表9-4

據(jù)此可判斷共軛體系存在的情況，這是紫外吸收的重要應(yīng)用。第21頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三烯類紫外光譜有下列特點:(1)在雙鍵碳原子上的氫被含氫的烷基取代時，由于超共軛效應(yīng)，吸收峰向長波方向移動。雙鍵上每增加一個烴基，吸收峰譜帶向長波移動約5nm。

乙烯及其同系物的吸收光譜化合物

λmax(nm)

κ

CH2=CH2

162

12000

R-CH=CH2

187

9000

(H3C)2C=C(CH3)2

197

11500第22頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三

(2)順反異構(gòu)體中反式比順式吸收波長長。(4)環(huán)狀烯烴中，吸收光譜與雙鍵所處的位置有關(guān)，當雙鍵處于環(huán)外時，吸收峰明顯地向長波移動。(3)雙鍵形成共軛使譜帶發(fā)生紅移。第23頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三3.芳香烴苯環(huán)中有三個吸收帶E1、E2、B帶。苯的UV吸收：λmax/nmκ

E118447000E22037000B254230有取代基取代后，E2帶和B帶發(fā)生紅移，同時降低了B帶的精細結(jié)構(gòu)特征。應(yīng)用：根據(jù)以上規(guī)律判斷苯環(huán)的存在。第24頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三（1）在苯環(huán)上有取代基時

a.復(fù)雜的B帶簡單化，吸收強度增加，發(fā)生紅移。b.連有助色團，如-OH、-Cl等，由于n→π*共軛，E2向長波方向移動，一般210nm左右。

c.連有生色團且與苯環(huán)共軛時（π-π共軛），

E2與E1合并且發(fā)生紅移（K帶）第25頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三

λmax(E2)203.5230203

κ

700086007500

在苯胺分子中，與苯比較，氨基的n電子由于p-π共軛向苯環(huán)轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致苯胺的B帶紅移至280nm，且強度增加。E2（π→π*）也紅移。苯胺在酸性溶液中轉(zhuǎn)變?yōu)殇@正離子時，由于質(zhì)子與氨基的n電子結(jié)合，而不再與苯環(huán)的電子共軛。這種離子吸收帶的位置和強度變得與苯相似，結(jié)果苯胺的吸收帶藍移至與苯相同的位置。苯胺-苯胺離子相互轉(zhuǎn)化反應(yīng)在光譜上的變遷可以方便地用于結(jié)構(gòu)鑒定。第26頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三

苯酚轉(zhuǎn)化成酚氧負離子時，增加了一對可以用來共軛的電子對，結(jié)果酚的吸收波長紅移，強度增加。再加入鹽酸，吸收峰又回到原處。λmax(E2)203211236

κ

700062009400

苯酚一苯酚鈉的相互轉(zhuǎn)化可用來檢查化合物中是否有酚羥基與芳香環(huán)相連的結(jié)構(gòu)。注意苯酚與羧酸在堿性溶劑中的紫外光譜變化規(guī)律的差別。酸性與堿性化合物在不同pH值下紫外光譜可能變化。第27頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三（2）苯環(huán)上有兩個取代基時

無論推電子取代基還是吸電子基，都使Ｅ２帶紅移。兩個取代基在對位時，κmax和波長較大，間位和鄰位時，κmax和波長較小。例如：硝基苯酚當硝基與羥基處于對位λmax317.5nm

間位λmax273.5nm

鄰位λmax278.5nm如果對位二取代苯的一個取代基是推電子基團，另一個是吸電子基團，紅移非常大。例如：對硝基苯胺λmax381nm

第28頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三

苯的烴基取代物的特征吸收化合物溶劑E2B

λmax

κ

max

λ

maxκ

max

苯水2037000254205甲苯己烷2087900262260鄰二甲苯25%甲醇2108300262300

間二甲苯25%甲醇2127300264300

對二甲苯乙醇2167600274620第29頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三（3）稠環(huán)芳烴

稠環(huán)芳烴，如奈、蒽、芘等，λmax

發(fā)生紅移,κmax

也增大。結(jié)合環(huán)越多，λmax紅移越顯著。如

255nm

275nm無色

駢五苯λmax580nm紫色

駢四苯橙色λmax=460nm第30頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三4.羰基化合物（1）飽和羰基化合物在孤立羰基的化合物中，有σ電子、π電子和孤對電子n電子。因此存在著四種躍遷：

σ→σ*、π→π*、n→σ*、n→π*。前三種躍遷，λmax<200nm，一般觀察不到。孤立羰基化合物的n→π*躍遷，其吸收譜帶出現(xiàn)在270~300nm附近，一般呈低強度吸收(κ

=10~20)的寬譜帶，稱之為R帶。CH3COCH3180nm(n→σ*)280nm(n→π*),logκ

=1~2(κ

=22)第31頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三

在羧酸及其衍生物中，羰基碳原子直接連接含有未成對電子對的助色團，如-OH、-Cl、-OR等，由于這些助色團上的n電子與羰基雙鍵的電子產(chǎn)生n-共軛，使n軌道能量降低，而π*軌道的能量升高，使n→π*躍遷能量增大，與酮相比譜帶n→π*藍移。

酮

酯

第32頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三CH3COCH3280nm(n→π*)CH3CHO289nm(n→π*)RCOOR~205nm(n→π*)

RCOOH及RCOOR的n→π*比RCHO的λ小，即藍移。

RCOOH→RCOO-藍移更多。

RCOOH的紫外光譜圖與溶液的PH值有關(guān)。第33頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三（2）α

、β-不飽和羰基化合物（RCH=CH-COR’)

α、β不飽和醛酮的C=C與C=O處于共軛狀態(tài)，K帶和R帶與相應(yīng)孤立生色團的吸收帶相比處于較長波段。

R帶由n→π*躍遷產(chǎn)生，一般出現(xiàn)在300nm附近，為一弱吸收帶κ

max=10~1000。

K帶由π→π*躍遷產(chǎn)生,λmax約在220nm附近，為強吸收帶，κ

max一般大于10,000。第34頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三1.電荷遷移躍遷：輻射下，分子中原定域在金屬M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，這種躍遷稱為電荷轉(zhuǎn)移躍遷，所產(chǎn)生的吸收光譜稱為荷移光譜。Mn+—Lb-M(n-1)+—L(b-1)-h[Fe3+CNS-]2+h[Fe2+CNS]2+電子給予體電子接受體三、無機化合物的紫外—可見吸收光譜產(chǎn)生無機化合物紫外-可見吸收光譜的電子躍遷形式，一般分為兩大類：電荷遷移躍遷和配位場躍遷。第35頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三電荷轉(zhuǎn)移躍遷本質(zhì)上屬于分子內(nèi)氧化還原反應(yīng)，因此呈現(xiàn)荷移光譜的必要條件是構(gòu)成分子的二組分，一個為電子給予體，另一個應(yīng)為電子接受體。不少過渡金屬離子與含生色團的試劑反應(yīng)所生成的配合物以及許多水合無機離子，均可產(chǎn)生電荷遷移躍遷。此外，一些具有d10電子結(jié)構(gòu)的過渡元素形成的鹵化物及硫化物，如AgBr、HgS等，也由于這類躍遷而產(chǎn)生顏色。電荷轉(zhuǎn)移躍遷摩爾吸光系數(shù)一般都較大(104左右)，適宜于微量金屬的檢出和測定。荷移光譜的最大吸收波長及吸收強度取決于電子給予體和電子接受體相應(yīng)電子軌道的能量差。第36頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三2.配位場躍遷配位場躍遷包括d-d躍遷和f-f躍遷。在配體的作用下過渡金屬離子的d軌道和鑭系、錒系的f軌道裂分，吸收輻射后，產(chǎn)