第11章 紫外-可見(jiàn)吸收光譜

《儀器分析》課程廈門(mén)大學(xué)精品課程儀器分析(含實(shí)驗(yàn))第十一章ChapterEleventhUltravioletandVisibleAbsorptionSpectrumUltravioletandVisibleSpectrophotometryForShort：UV-VIS紫外-可見(jiàn)吸收光譜法§11.1分子光譜概述

§11.2光吸收定律

§11.3紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)

§11.4化合物的電子光譜

§11.5紫外-可見(jiàn)分光光度法的應(yīng)用紫外-可見(jiàn)吸收光譜法第十一章一.分子光譜的產(chǎn)生1.分子的能級(jí)§11.1分子光譜概述E2E1E0υ0υ1υ2υ,0υ,1υ,21J023J0231J0231J0231分子紫外吸收光譜分子可見(jiàn)吸收光譜分子紅外吸收光譜分子光譜：連續(xù)光譜帶光譜遠(yuǎn)紅外光譜中紅外光譜紫外-可見(jiàn)光譜２.單重態(tài)與三重態(tài)受激有機(jī)分子的電子激發(fā)態(tài)可以歸納為兩種狀態(tài)：基態(tài)激發(fā)態(tài)單重態(tài)激發(fā)態(tài)三重態(tài)激發(fā)態(tài)平均壽命

10-8sec激發(fā)態(tài)平均壽命10-4~1secS0S0S0S1T1二.分子的活化與去活化S0S1T1S2紫外可見(jiàn)吸收光譜外轉(zhuǎn)移紫外可見(jiàn)共振熒光光譜內(nèi)轉(zhuǎn)移熒光系間竄躍磷光反系間竄躍遲滯熒光振動(dòng)弛豫２.無(wú)輻射躍遷的類(lèi)型振動(dòng)弛豫:Vr

10-12sec外轉(zhuǎn)移:無(wú)輻射躍遷回到基態(tài)內(nèi)轉(zhuǎn)移:S2~S1能級(jí)之間有重疊系間竄躍:

S2~T1能級(jí)之間有重疊反系間竄躍:由外部獲取能量后T1~

S2１.輻射躍遷的類(lèi)型共振熒光：10-12sec熒光：10-8sec磷光：1~10-4sec遲滯熒光:102~10-4sec§11.2光吸收定律一.Lambert–Beer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(guān)系：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(lèi)似的關(guān)系:A

∝

b

A

∝

c二者的結(jié)合稱為朗伯-比耳定律，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：式中：A：吸光度；T:透射率；

b：液層厚度(光程長(zhǎng)度)，通常以cm為單位；

c：溶液的摩爾濃度，單位mol·L-1；

ε：摩爾吸光系數(shù)，單位L·mol-1·cm-1；A＝－lgT

＝－

lg（It/I0)=εbc

（動(dòng)畫(huà)）（動(dòng)畫(huà)）１.光吸收定律的表達(dá)式及其含義２.吸光度與透射率A＝-lgT

＝-lg(It/I0)=εbc

T＝10–A=10-εbc

C1.00.50AC100500T%多組分混合體系中，如果各組分分子之間不存在離解、聚合、化學(xué)反應(yīng)等化學(xué)平衡時(shí)，其吸光度具有加合性，即：３.吸光度的加合性3.摩爾吸光系數(shù)ε

吸光物質(zhì)的特征常數(shù)ε(λ)；在最大吸收波長(zhǎng)λmax處，常以εmax表示。在溫度和介質(zhì)條件一定時(shí)，ε

僅與吸光物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)有關(guān)，可作為定性鑒定的參數(shù)；不隨濃度c和光程長(zhǎng)度b的改變而改變：ε＝bc

/A。吸光能力與測(cè)定靈敏度的度量；

εmax越大表明該物質(zhì)的吸光能力越強(qiáng)，測(cè)定的靈敏度越高。

ε>105：超高靈敏；C=A/ε

b

=0.01/105=10-7mol/Lε=(6～10)×104

：高靈敏；C=A/εb=0.01/5×104=2×10-7mol/Lε<104：不靈敏。C=A/εb=0.01/104=10-6mol/Lε

在數(shù)值上等于濃度為1mol/L、液層厚度為1cm時(shí)該溶液在某一波長(zhǎng)下的吸光度。Uv-vis

吸收曲線A＝-lgT

＝εbc

４.吸光系數(shù)的幾種表示方法

C---mol/Lε---摩爾吸光系數(shù)

L·mol–1·cm-1C--g/La---吸光系數(shù)

L·g–1·cm-1C--g/100mLE1%1cm---比吸光系數(shù)100mL·g–1·cm-1、a、E1%1cm之間的相互換算：二.Beer定律的的局限性１.儀器偏離單色光Lambert–Beer定律的前提條件之一是入射光為單色光。

但實(shí)際上難以獲得真正意義上的純單色光。分光光度計(jì)只能獲得近乎單色的狹窄光普通帶。復(fù)合光可導(dǎo)致對(duì)朗伯-比耳定律的正或負(fù)偏離。1.00.50AC正偏離負(fù)偏離２.濃度的限制稀溶液Beer定律的假定：所有的吸光質(zhì)點(diǎn)之間不發(fā)生相互作用；假定只有在稀溶液(C<10-2mol/L)時(shí)才基本符合。當(dāng)溶液濃度C>10-2mol/L時(shí)，吸光質(zhì)點(diǎn)間可能發(fā)生締合等相互作用，直接影響了對(duì)光的吸收。溶液中存在著離解、聚合、互變異構(gòu)、配合物的形成等化學(xué)平衡時(shí)。使吸光質(zhì)點(diǎn)的濃度發(fā)生變化，影響吸光度。e.g.鉻酸鹽或重鉻酸鹽溶液中存在下列平衡：CrＯ42-＋2H＋

=Cr2Ｏ72-＋H2Ｏ

CrＯ42-、Cr2Ｏ72-的吸光性質(zhì)不同，即ε(λ)不同。此時(shí)溶液pH對(duì)測(cè)定有重要影響。３.化學(xué)偏離恒定的化學(xué)環(huán)境e.g.光吸收定律的假定：溶液必須使均相體系。膠體、乳膠、懸浮物、沉淀等非均相體系產(chǎn)生的光散射會(huì)引起對(duì)朗伯-比耳定律的偏離。４.非均相體系偏離真溶液４.最佳的吸光度測(cè)量范圍-ln

T

＝εbC

d[lnT]＝-εbd

C

0.4343d

T/T＝-εbd

C

d

C/C=

0.4343d

T/(T

lgT)A=-lgT

＝0.4343T＝0.368△

C/C×100

=

0.4343△

T/(T

lgT)×100=

0.4343×(±0.01)/[0.368×(-0.4343)]×100=±2.7%最佳的吸光度范圍：A＝0.2~0.8當(dāng)△

T=±0.01，即透射率的測(cè)量誤差為1%時(shí)：△

T=0.01△

T=0.01△

T=0.005△

T=0.005△

T=0.001△

T=0.001△

T=0.0005△

T=0.0005△

T=0.0001△

T=0.0001最佳的吸光度范圍A＝0.2~0.8d

C/C=

0.4343d

T/(T

lgT)三.吸收光譜的表示方法1.logε~λnm(或埃)

1232.logε~波數(shù)/cm-1

3.logε~頻率/sec-1

菲的吸收光譜4.ε~λnm(或埃)5.A~λnm(或埃)最常用的譜圖6.T~λnm(或埃)456菲的吸收光譜§11.4紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)一.主要組成及部件的功能1.工作原理基儀器結(jié)構(gòu)框圖光源碘鎢燈氘燈單色器測(cè)量池參比池樣品池光電倍增管數(shù)據(jù)處理和儀器控制光源樣品池單色器檢測(cè)器數(shù)據(jù)處理儀器控制二.光源（輻射源）1.光源的要求：發(fā)射強(qiáng)度足夠且穩(wěn)定的連續(xù)光譜;光輻射強(qiáng)度隨波長(zhǎng)的變化小;有足夠的使用壽命．鎢燈（鎢的熔點(diǎn)為3680K）；

波長(zhǎng)范圍：320~2500nm；

工作溫度：3000K；

Ihv∝

V3~4．2.白熾光源常用類(lèi)型：白熾光源與氣體放電光源．鹵鎢燈：在鎢燈中加入鹵化物提高白熾燈的使用壽命．3.氣體放電光源氫弧燈（氫燈）：波長(zhǎng)范圍：165~350nm；氫氣壓力：0.2~5mmHg。氘燈：內(nèi)充氣為氘輻射強(qiáng)度比起氫燈達(dá)3~5倍。三.單色器:平面衍射光柵四.檢測(cè)器：PMT-前面已經(jīng)介紹光源碘鎢燈氘燈單色器測(cè)量池CCD檢測(cè)器數(shù)據(jù)處理和儀器控制CCD光二極管陣列檢測(cè)器五.測(cè)量池：液池、樣品池、比色皿。1.吸收池的材料玻璃360nm2.25mm石英200nm2.5mm2.吸收池的形狀波長(zhǎng)范圍3.使用注意事項(xiàng)容易破碎可拆卸圓形測(cè)量池兩面透光圓形測(cè)量池兩面透光1cm長(zhǎng)方形測(cè)量池兩面透光氣體測(cè)量池兩面透光微量測(cè)量池兩面透光流動(dòng)測(cè)量池兩面透光六.紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)儀器的類(lèi)型1.單光束分光光度計(jì)單光束動(dòng)畫(huà)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉．缺點(diǎn)：受光源、檢測(cè)器的波動(dòng)影響：不能自動(dòng)記錄吸收光譜。問(wèn)題：請(qǐng)扼要敘述在非掃描型（單光束）的紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)上，人工繪制吸光物質(zhì)的UV-VIS吸收光譜過(guò)程中需要注意的事項(xiàng)。類(lèi)型動(dòng)畫(huà)波長(zhǎng)增量的選擇；改變波長(zhǎng)都要用參比溶液調(diào)節(jié)T=100%；固定光譜通帶與儀器參數(shù)；選擇合適的溶液濃度與參比。2.雙光束分光光度計(jì)雙光束動(dòng)畫(huà)優(yōu)點(diǎn)：能自動(dòng)記錄吸收光譜（自動(dòng)掃描）；比切光器的頻率慢的光源、檢測(cè)器的波動(dòng)不影響；是目前用得最多的分光光度計(jì)．雙波長(zhǎng)動(dòng)畫(huà)優(yōu)點(diǎn)：可以測(cè)定較高濃度的樣品溶液；可以扣除背景吸收（樣品池、渾濁等）；比切光器的頻率慢的光源、檢測(cè)器的波動(dòng)不影響；導(dǎo)數(shù)吸收光譜曲線（

=1~2nm)。3.雙波長(zhǎng)分光光度計(jì)

A

A/

雙波長(zhǎng)分紫外-可見(jiàn)吸收光譜§11.３化合物的電子光譜一.有機(jī)化合物的電子光譜１.躍遷類(lèi)型CCCCσσ*σ→σ*

σ→π*Px

Py

PzPx

Py

PzCCCCππ*π→π*

π→σ*

n→π*n→σ*ππ*σ*σnA.σ→σ*：一般發(fā)生在遠(yuǎn)紫外線區(qū)，飽和烴類(lèi)C-C鍵B.

π→π*：發(fā)生在近紫外線區(qū)~200nmC.

n→σ*：發(fā)生在遠(yuǎn)、近紫外線區(qū)之間150nm~250nmC—X鍵，X—S、N、O、Cl、Br、I等雜原子甲烷：λmax=125nm乙烷：λmax=135nm因此該類(lèi)化合物的紫外-可見(jiàn)吸收光譜應(yīng)用價(jià)值很小。CH2=CH2：λmax=165nm、CH≡CH：λmax=173nm但是隨著共扼體系的增大或雜原子的取代，λmax向長(zhǎng)波移動(dòng);εmax≥104，是強(qiáng)吸收帶。CH3OH：λmax=183nm、CH3NH：λmax=213nm但是大多數(shù)吸收峰λmax小于200nm。

D.

n→π*

：發(fā)生在近紫外線區(qū)與可見(jiàn)光區(qū)之間，是生色團(tuán)中的未成鍵孤對(duì)電子向π*軌道躍遷。屬于禁阻助躍遷，εmax＜

100，是弱吸收帶。

E.

電荷遷移躍遷

：電子從給予體向與接受體相聯(lián)系的軌道上躍遷，發(fā)生在近紫外線區(qū)與可見(jiàn)光區(qū)之間。NCH3CH3－+hvhvCRO+_吸收譜帶較寬、吸收強(qiáng)度大、εmax≥104，是強(qiáng)吸收帶。電子接受體電子接受體電子給予體電子給予體A.生色團(tuán)(chromophore)2.一些常用名詞是指分子中產(chǎn)生吸收帶的主要官能團(tuán)；吸收帶的λmax＞210nm,屬于π→π*

、n→π*等躍遷類(lèi)型。生色團(tuán)為不飽和基團(tuán)：C=C、N=O、C=O、C=S等；生色團(tuán)吸收帶的位置受相鄰取代基或溶劑效應(yīng)的影響，吸收峰向長(zhǎng)波或短波移動(dòng)。B.助色團(tuán)(auxochrome)是指分子中的一些帶有非成鍵電子對(duì)的基團(tuán)本身在紫外-可見(jiàn)光區(qū)不產(chǎn)生吸收，但是當(dāng)它與生色團(tuán)連接后，使生色團(tuán)的吸收帶向長(zhǎng)波移動(dòng)，且吸收強(qiáng)度增大。-OH、-OR、-NHR、-SH、-Cl、-Br、-IC.紅移(redshiftorbathochromicshift)是指一些帶有非成鍵電子對(duì)的基團(tuán)與生色團(tuán)連接后，使生色團(tuán)的吸收帶向長(zhǎng)波移動(dòng)，這種效應(yīng)成為紅移，該基團(tuán)稱為紅移基團(tuán)：-OH、-OR、-NH2、-NR2、-SH、-SR、-Cl、-BrE.溶劑的極性效應(yīng)溶劑的極性不同也會(huì)引起某些化合物的吸收帶紅移或藍(lán)移，這種作用稱為溶劑效應(yīng)。ππ*nππ*n△

En→π*

△

Eπ→π*

△

En→π*

△

Eπ→π*

無(wú)溶劑化作用有溶劑化作用藍(lán)移:△

En→π*

＜△

En→π*紅移:△

Eπ→π*

＞△

Eπ→π*正己烷CHCl3CH3OHH2Oπ→π*

λmax/nm230238237243n→π*λmax/nm329315309305亞異丙酮的溶劑效應(yīng)D.藍(lán)移(hypsochromicshift)是指一些基團(tuán)與某些生色團(tuán)(C=O)連接后，使生色團(tuán)的吸收帶向短波移動(dòng)，這種效應(yīng)成為藍(lán)移，該基團(tuán)稱為藍(lán)移基團(tuán)：-CH3、-CH2CH3、-O-COCH3A.飽和烴及其衍生物：σ→σ*、n→σ*3.有機(jī)化合物的電子光譜直接用烷烴獲鹵代烴的吸收光譜來(lái)分析這些化合物的實(shí)用價(jià)值不大，是極好的溶劑。σ→σ*：λmax＜150nmn→σ*H2OCH3CICH3BrCH3Iλmax/nm：167173204258取代元素的極性B.不飽和烴及共軛烯烴：σ→σ*、π→π*

(K

吸收帶)化合物1,3-丁二烯1,3,5-己三烯1,3,5,7-辛四烯1,3,5,7,9-葵五烯1,3,5,7,9-,11十六烷基六烯λmax/nm217268304334364εmax21,00043,000121,000138,000C.羰基化合物：

n→π*(R

吸收帶)、n→σ*、π→π*

醛、酮:n→π*λmax~270~300nmεmax~10-20α,β不飽和醛酮:n→π*λmax~310-330nmεmax~10~20

π→π*λmax~220-260nmεmax~10000羧酸及其衍生物:n→π*

存在助色團(tuán)：-OH、-OR、-NH2、-Cl

形成n→π共軛，π軌道降低，π*軌道能量升高

n軌道能量不受影響，因此n→π*藍(lán)移λmax~210nm識(shí)別α,β不飽和醛酮D.Woodward規(guī)則

計(jì)算共軛二烯、多烯烴、共軛烯酮類(lèi)化合物的π→π*

最大吸收波長(zhǎng)的Woodward經(jīng)驗(yàn)規(guī)則。共軛雙鍵λ=30nm

同環(huán)二烯λ=253nm

環(huán)外雙鍵λ=5nm

烷基取代基λ=5nm

烷基取代基λ=5nm

烷基取代基λ=5nm

同環(huán)二烯λ=253nm共軛雙鍵λ=30nm環(huán)外雙鍵λ=5nm烷基取代基λ=3×5nm計(jì)算值：λmax

=303nm測(cè)定值：λmax

=306nm膽甾-2,4,6-三烯異環(huán)二烯λ=214nm

環(huán)外雙鍵λ=5nm

烷基取代基λ=5nm

烷基取代基λ=5nm

烷基取代基λ=5nm

異環(huán)二烯λ=214nm環(huán)外雙鍵λ=5nm烷基取代基λ=3×5nm計(jì)算值：λmax

=234nm測(cè)定值：λmax

=234nmα位烷基取代基λ=10nm

α,β-烯酮λ=215nm同環(huán)二烯λ=39nm共軛雙鍵λ=30nm

環(huán)外雙鍵λ=5nmα位烷基取代基λ=10nmδ位烷基取代基λ=18nm計(jì)算值：λmax

=317nm測(cè)定值：λmax

=314nm計(jì)算共軛烯酮的Woodward經(jīng)驗(yàn)規(guī)則。α,β-烯酮λ=215nm

共軛雙鍵λ=30nm

同環(huán)二烯λ=39nm

環(huán)外雙鍵λ=5nm

δ位烷基取代基λ=18nm

膽甾-2,4-二烯-6-酮E.苯及其衍生物：π→π*

λmax~180nmεmax~60000λmax~204nmεmax~800λmax~255nmεmax~200化合物λmaxnmεmax×104λmaxnmεmax×103λmaxnmεmax苯1846.82048.8254250甲苯1895.52087.9262260苯甲酸23010270800苯甲醛33055242142801400苯乙烯24815282740F.Scott規(guī)則

計(jì)算芳香族羰基衍生物的π→π*

最大吸收波長(zhǎng)的經(jīng)驗(yàn)規(guī)則。PhCOR母體λ=246nm對(duì)位-OH取代基λ=25nm間位-OH取代基λ=7nm計(jì)算值：λmax

=278nm測(cè)定值：λmax

=279nm間位-OH取代基λ=7nm

PhCOR母體λ=246nm

對(duì)位-OH取代基λ=25nm

PhCOR母體λ=246nm

間位-Br取代基λ=2nm

鄰位-烷取代基λ=3nm

PhCOR母體λ=246nm鄰位-烷取代基λ=3nm間位-Br取代基λ=2nm計(jì)算值：λmax

=251nm測(cè)定值：λmax

=248nm二.無(wú)機(jī)化合物的電子光譜

1.

電荷遷移躍遷

：與有機(jī)物類(lèi)似，電子從給予體向與接受體相聯(lián)系的軌道上躍遷，發(fā)生在近紫外線區(qū)與可見(jiàn)光區(qū)之間。hvhv電子接受體電子給予體Mn+____Lb-M(n-1)+____L(b-1)-Cl-____(H2O)nCl____(H2O)n-

hvFe3+____OH-hv[Fe3+____CNS-]2+Fe2+____OH[Fe2+____CNS]2+εmax≥104，是強(qiáng)吸收帶2.配位體場(chǎng)躍遷A.f

→f躍遷鑭系------4f錒系------5f由于f軌道被具有高量子數(shù)的外層軌道所屏蔽，受外界影響較小，并且不易受外層電子有關(guān)的鍵合性質(zhì)的影響。εmax＜

100，是弱吸收帶因此，呈現(xiàn)窄帶吸收B.d

→d躍遷一.定性分析1.定性分析的依據(jù)§11.5紫外-可見(jiàn)分光光度法的應(yīng)用定性分析、結(jié)構(gòu)分析、定量分析物理化學(xué)參數(shù)的測(cè)定：分子量、配合物的配合比與穩(wěn)定參數(shù)、酸堿離解常數(shù)、化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)常數(shù)等.2.定性分析方法吸收光譜的形狀

吸收峰的數(shù)目

εmax(λ)λmaxA.用經(jīng)驗(yàn)規(guī)則計(jì)算λmax與測(cè)定的λmax比較Woodward規(guī)則：計(jì)算共軛二烯、多烯烴、共軛烯酮類(lèi)化合物的π→π*

最大吸收波長(zhǎng)的經(jīng)驗(yàn)規(guī)則。Scott規(guī)則：計(jì)算芳香族羰基衍生物的π→π*

最大吸收波長(zhǎng)的經(jīng)驗(yàn)規(guī)則。定性分析方法缺陷：只能定性分析化合物所具有的生色團(tuán)與助色團(tuán)；光譜信息在紫外-可見(jiàn)光譜范圍重疊現(xiàn)象嚴(yán)重。Sadtler.

SdandardSpectra(Ultraviolet).Heyden,London,1978.

共收集了46000種化合物的紫外吸收光譜R.A.FriedelandM.Orchin,UltravioletSpectraofAromaticCompounds,Wiley,NewYork,1951.

共收集了579種芳香化合物的紫外吸收光譜Kenzo.Hirayama,HandbookofUltravioletandVisibleAbsorptionSpectraofOrganicCompounds,NewYork,Plenum,1967.M.J.Kamlet,OrganicElectronicSpectraData,Vol.1,1946~1952,Interscience,1960.與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)吸收光譜的比較：B.比較吸收光譜與標(biāo)準(zhǔn)吸收光譜譜圖的比較：比較未知物與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)在相同化學(xué)環(huán)境與測(cè)量條件下的紫外-可見(jiàn)吸收光譜，若吸收光譜的形狀、吸收峰的數(shù)目、

ε