第3章紫外可见吸收光谱法

1、第三章第三章 紫外可见吸收光谱法紫外可见吸收光谱法( (UV-Vis) ) Ultraviolet - visible Absorption Spectrometry 第一节概述第一节概述 第二节紫外可见吸收光谱第二节紫外可见吸收光谱 第三节紫外及可见分光光度计第三节紫外及可见分光光度计 第四节第四节 紫外可见光谱法应用紫外可见光谱法应用 第一节概述第一节概述 紫外可见吸收光谱法是根据溶液中物质的分子或离子紫外可见吸收光谱法是根据溶液中物质的分子或离子 对紫外和可见光区辐射能的吸收来研究物质的组成和结构的对紫外和可见光区辐射能的吸收来研究物质的组成和结构的 方法，也称为紫外可见吸收光度法方法，

2、也称为紫外可见吸收光度法. . 紫外光又分为紫外光又分为远紫外光远紫外光1010 200nm200nm和近紫外光和近紫外光200200 400nm400nm。 远紫外光只能在真空中研究，故本章仅讨论近紫外光谱。远紫外光只能在真空中研究，故本章仅讨论近紫外光谱。 物质颜色与吸收光的关系：物质颜色与吸收光的关系： 物质对光的选择性吸收物质对光的选择性吸收:分子结构的复杂性使其对不同分子结构的复杂性使其对不同 波长光的吸收程度不同波长光的吸收程度不同. 有色溶液对各种波长的光的吸收情况，常用光吸有色溶液对各种波长的光的吸收情况，常用光吸 收曲线来描述。收曲线来描述。物质对光的吸收曲线物质对光的吸收曲

3、线 吸收光谱特征：吸收光谱特征： 吸收峰吸收峰max 吸收谷吸收谷min 肩峰肩峰sh 末端吸收末端吸收 吸收曲线吸收曲线: :用不同波长用不同波长 的单色光照射，测吸的单色光照射，测吸 光度光度. .以吸光度对波长以吸光度对波长 作图得作图得吸收曲线吸收曲线即即吸吸 收光谱收光谱 第二节紫外可见吸收光谱第二节紫外可见吸收光谱 一、有机化合物的紫外一、有机化合物的紫外- -可见光谱的产生可见光谱的产生 （一）电子跃迁类型（一）电子跃迁类型 无机化合物和有机化合物吸收光谱的产生在本质上是相同的，无机化合物和有机化合物吸收光谱的产生在本质上是相同的， 都是外层电子跃迁的结果，但二者在电子跃迁类型上

4、有一定区别。都是外层电子跃迁的结果，但二者在电子跃迁类型上有一定区别。 有机化合物的紫外有机化合物的紫外可见吸收光谱是三种价电子跃迁可见吸收光谱是三种价电子跃迁 的结果：的结果：电子、电子、n电子。 CO H n p p s s H 分子轨道理论分子轨道理论：一个成键轨道必定有一个相应的反键轨道。一个成键轨道必定有一个相应的反键轨道。 通常外层电子均处于分子轨道的基态，即成键轨道或非键轨通常外层电子均处于分子轨道的基态，即成键轨道或非键轨 道上。成键轨道（道上。成键轨道（、）反键轨道（反键轨道（ 、 、 ) ) 当外层电子吸收紫外或可见辐射后，就从基态向激发态当外层电子吸收紫外或可见辐射后，就

5、从基态向激发态 ( (反键轨道反键轨道) )跃迁。主要有四种类型跃迁，跃迁。主要有四种类型跃迁， 其所需能量其所需能量大小顺序为：大小顺序为： n n n n 1 1、ssss* *跃迁跃迁 所需能量最大，饱和烷烃的分子吸收光谱出所需能量最大，饱和烷烃的分子吸收光谱出 现在远紫外区现在远紫外区(吸收波长吸收波长200nm。这类跃迁在。这类跃迁在 跃迁选律上属于禁阻跃迁，摩尔吸光系数一般为跃迁选律上属于禁阻跃迁，摩尔吸光系数一般为10100 Lmol-1 cm-1，吸收谱带强度较弱。分子中孤对电子和，吸收谱带强度较弱。分子中孤对电子和键同键同 时存在时发生时存在时发生n 跃迁。丙酮 跃迁。丙酮n

6、 跃迁的 跃迁的为为275nm max 为为22 Lmol-1 cm -1（溶剂环己烷（溶剂环己烷)。 3 3、pppp* *跃迁跃迁所需能量较小，吸收波长处于远紫外区的所需能量较小，吸收波长处于远紫外区的 近紫外端或近紫外区，摩尔吸光系数近紫外端或近紫外区，摩尔吸光系数max一般在一般在104Lmol 1cm1以上，属于强吸收。不饱和烃、共轭烯烃和芳香烃类 以上，属于强吸收。不饱和烃、共轭烯烃和芳香烃类 均可发生该类跃迁。均可发生该类跃迁。 2 2、n nss* *跃迁跃迁所需能量较大。吸收波长为所需能量较大。吸收波长为150250nm，大部，大部 分在远紫外区。含非键电子的饱和烃衍生物分在

7、远紫外区。含非键电子的饱和烃衍生物(含含N、O、S和卤和卤 素等杂原子素等杂原子)均呈现均呈现n *跃迁。如一氯甲烷、甲醇、三甲基跃迁。如一氯甲烷、甲醇、三甲基 胺胺n *跃迁的跃迁的分别为分别为173nm、183nm和和227nm。 专业术语：专业术语： 、生色团：、生色团：p p电子和电子和n电子易激发，电子易激发， p p*的能量又低，所以的能量又低，所以 由这两类跃迁产生的吸收峰波长一般都大于由这两类跃迁产生的吸收峰波长一般都大于200nm，这两类，这两类 跃迁都要求化合物中含有不饱和官能团，因此，把含有跃迁都要求化合物中含有不饱和官能团，因此，把含有p p键键 的的不饱和基团称为生色

8、团。不饱和基团称为生色团。 表3-1一些常见生色团的吸收特性 某些有机化合物经取代反应引入含有未共用电子对的某些有机化合物经取代反应引入含有未共用电子对的 基团（基团（-OH-OH、-OR-OR、-NH-NH2 2、-SH-SH、-Cl-Cl、-Br-Br、-SR-SR、- NR- NR2 2）之）之 后，吸收峰的波长将向长波方向移动，这种效应称为后，吸收峰的波长将向长波方向移动，这种效应称为红移红移 效应。这种会使某化合物的最大吸收波长向长波方向移动效应。这种会使某化合物的最大吸收波长向长波方向移动 的基团称为向红基团。的基团称为向红基团。 、红移与蓝移（紫移）：、红移与蓝移（紫移）：由于化

9、合物结构变化（共轭、由于化合物结构变化（共轭、 引入助色团取代基）或采用不同溶剂后，吸收峰位置向引入助色团取代基）或采用不同溶剂后，吸收峰位置向 长波方向的移动，叫红移（长移）。吸收峰位置向短波长波方向的移动，叫红移（长移）。吸收峰位置向短波 方向移动，叫蓝移（紫移，短移）方向移动，叫蓝移（紫移，短移） (4)(4)、增色与减色增色与减色 强带和弱带：强带和弱带：max105 强带强带 min200nm的光的光)，但当它们与生色团相，但当它们与生色团相 连时，就会发生连时，就会发生n共轭作用，共轭作用，增强生色团的生增强生色团的生 色能力色能力(吸收波长向长波方向移动，且吸收强度增吸收波长向长

10、波方向移动，且吸收强度增 加加)，这样的基团称为，这样的基团称为助色团助色团 助色团助色团至少要有一对非键至少要有一对非键n电子，这样才能与电子，这样才能与 苯环上的苯环上的电子相作用，产生助色作用。电子相作用，产生助色作用。 例如：苯环上的氨基含有一对非键电子，具有助例如：苯环上的氨基含有一对非键电子，具有助 色作用，当形成苯铵正离子时，非键的色作用，当形成苯铵正离子时，非键的n电子消失电子消失 了，助色作用也随之消失。酚负离子中的氧原子了，助色作用也随之消失。酚负离子中的氧原子 比原来多了一个非键比原来多了一个非键n电子，助色效果更好。电子，助色效果更好。 3.3.苯环上助色基团对吸收带的

11、影响苯环上助色基团对吸收带的影响 苯环上经引入含有未共用电子对的基团（苯环上经引入含有未共用电子对的基团（-OH-OH、-OR-OR、-NH-NH2 2、- - SHSH、-Cl-Cl、-Br-Br、-SR-SR、- NR- NR2 2）之后，吸收峰的波长将）之后，吸收峰的波长将红移红移。 （三）溶剂对吸收光谱的影响（三）溶剂对吸收光谱的影响 1 1、对最大吸收波长和吸收强度的影响、对最大吸收波长和吸收强度的影响 CO CO 极性 n p p p p n n p CC CC p p p p n p p p p p 极性 n p*跃迁：兰移；兰移； ； p p*跃迁：红移； ； max(正己烷)

12、max(氯仿)max(甲醇)max(水) pp*230nm238nm237nm243nm np*329nm315nm309nm305nm 当溶剂的极性增大时，由当溶剂的极性增大时，由n n pp* * 跃迁产生的吸收带发生蓝移，跃迁产生的吸收带发生蓝移， 而由而由pppp* * 跃迁产生的吸收带发生红移。跃迁产生的吸收带发生红移。 2 2、对光谱精细结构的影响、对光谱精细结构的影响 当物质处于气态时，分子当物质处于气态时，分子 间的作用极弱，其振动光间的作用极弱，其振动光 谱和转动光谱也能表现出来，谱和转动光谱也能表现出来， 因而具有非常精细的结构。因而具有非常精细的结构。 当它溶于非极性溶剂

13、时，由于当它溶于非极性溶剂时，由于 溶剂化作用限制了分子的自溶剂化作用限制了分子的自 由转动，转动光谱就不能表现由转动，转动光谱就不能表现 出来，随着溶剂极性的增大，出来，随着溶剂极性的增大， 分子振动也受到限制，精细结分子振动也受到限制，精细结 构构 就会逐渐消失，合并为一条就会逐渐消失，合并为一条 宽而低的吸收带。宽而低的吸收带。 图 苯酚的B吸收带 在绘制有机化合物的吸收光谱时，应在绘制有机化合物的吸收光谱时，应 依照经下原则选择溶剂：依照经下原则选择溶剂： （1 1）、）、比较未知物质与已知物质的吸收光谱时，比较未知物质与已知物质的吸收光谱时， 必须采用相同的溶剂。必须采用相同的溶剂。

14、 （2 2）、）、尽量选择非极性性溶剂，以获得物质吸收尽量选择非极性性溶剂，以获得物质吸收 光谱的特征精细结构。光谱的特征精细结构。 （3 3）、）、溶剂在样品的测定光谱区内无明显吸收。溶剂在样品的测定光谱区内无明显吸收。 二、无机化合物的吸收光谱二、无机化合物的吸收光谱 一些无机物（主要是金属离子络合物）也产生紫外一些无机物（主要是金属离子络合物）也产生紫外- - 可见吸收光谱，其跃迁类型包括受配位体影响的金属离子可见吸收光谱，其跃迁类型包括受配位体影响的金属离子 的的d - d, , f f 跃迁跃迁或称或称配场跃迁配场跃迁、 p-dp-d跃迁跃迁或称或称电荷转移电荷转移 跃迁跃迁以及受金

15、属离子影响的配位体以及受金属离子影响的配位体-* * 跃迁跃迁。 在配体的存在下，过渡元素在配体的存在下，过渡元素 五个能量相等的五个能量相等的d轨道和镧系元素轨道和镧系元素 七个能量相等的七个能量相等的f轨道分别分轨道分别分 裂成裂成 几组能量不等的几组能量不等的d轨道和轨道和f轨道。络轨道。络 合物吸收光能后，电子在不同能合物吸收光能后，电子在不同能 量的量的d轨道之间跃迁，轨道之间跃迁， 、配位场跃迁配位场跃迁d - d 跃迁和跃迁和f - f 跃迁跃迁 与配体的配位场强弱有关与配体的配位场强弱有关,跃跃 迁概率较小迁概率较小 、电荷迁移跃迁电荷迁移跃迁 辐射下，配合物分子中原定域在金属

16、辐射下，配合物分子中原定域在金属M轨道上的电轨道上的电 荷转移到配位体荷转移到配位体L的轨道，或按相反方向转移，所产的轨道，或按相反方向转移，所产 生的吸收光谱称为生的吸收光谱称为电荷迁移吸收光谱。电荷迁移吸收光谱。 不少过渡金属离子与含生色团的试剂反应所生不少过渡金属离子与含生色团的试剂反应所生 成的配合物以及许多水合无机离子，均可产生电荷迁成的配合物以及许多水合无机离子，均可产生电荷迁 移跃迁。移跃迁。 Fe3+CNS-2+ h Fe2+CNS2+ 电子给予体电子接受体 取决于电子亲和力的大小,摩尔吸光系数较大10 000L.moL-1.cm-1 吸收光度法所使用的显色剂绝大多数含有生色团

17、吸收光度法所使用的显色剂绝大多数含有生色团 及助色团，本身为有色物质。当与金属离子配位时，及助色团，本身为有色物质。当与金属离子配位时， 作为配位体的显色剂，其共轭结构发生了变化，产生作为配位体的显色剂，其共轭结构发生了变化，产生 -* * 跃迁，导致其吸收光谱蓝移或红移。跃迁，导致其吸收光谱蓝移或红移。 定量分析中，要求络合物与配位剂的最大吸收波定量分析中，要求络合物与配位剂的最大吸收波 长之差大约在长之差大约在60nm60nm以上。以上。 （三）金属离子影响下的配位体（三）金属离子影响下的配位体-* 跃迁跃迁 第三节紫外及可见分光光度计第三节紫外及可见分光光度计 仪器结构：仪器结构： 1

18、1、基本部件、基本部件 光源 单色器 吸收池 检测器显示 2 2、仪器简介、仪器简介影像影像 一、一、 仪器基本部件：仪器基本部件： 1. 1. 光源光源 在整个紫外光区或可见光谱区可以发射连续光谱，具有在整个紫外光区或可见光谱区可以发射连续光谱，具有 足够的辐射强度、较好的稳定性、较长的使用寿命足够的辐射强度、较好的稳定性、较长的使用寿命。 可见光区可见光区：钨灯作为光源，其辐射波长范围在：钨灯作为光源，其辐射波长范围在3203202500 nm2500 nm。 紫外区紫外区：氢、氘灯。发射：氢、氘灯。发射185185400 nm400 nm的连续光谱。的连续光谱。 2.2.单色器单色器 将

19、光源发射的复合光分解成单色光将光源发射的复合光分解成单色光, ,并可从中选出一任并可从中选出一任 波长单色光的光学系统。波长单色光的光学系统。 入射狭缝：光源的光由此进入单色器；入射狭缝：光源的光由此进入单色器； 准光装置：透镜或反射镜使入射光成为平行光束；准光装置：透镜或反射镜使入射光成为平行光束； 色散元件：将复合光分解成单色光；色散元件：将复合光分解成单色光；棱镜或光栅棱镜或光栅； 聚焦装置：透镜或凹面反射镜，将分光后所得单色光聚焦聚焦装置：透镜或凹面反射镜，将分光后所得单色光聚焦 至出射狭缝；至出射狭缝； 出射狭缝。出射狭缝。 3.吸收池吸收池 吸收池主要有石英池和玻璃池两种。在紫外区

20、须采用石吸收池主要有石英池和玻璃池两种。在紫外区须采用石 英池，可见区一般用玻璃池英池，可见区一般用玻璃池。 4.4. 检测器检测器 利用光电效应将透过吸收池的光信号变成可测的电信号。利用光电效应将透过吸收池的光信号变成可测的电信号。 5.5. 结果显示记录系统结果显示记录系统 检流计、数字显示、微机进行仪器自动控制和结果检流计、数字显示、微机进行仪器自动控制和结果 处理。处理。 1)光电管光电管是一个真空或充有少量惰性气体的二极管。阴极是金是一个真空或充有少量惰性气体的二极管。阴极是金 属做成的半圆筒，内侧涂有光敏物质，当光照射阴极时，属做成的半圆筒，内侧涂有光敏物质，当光照射阴极时， 即发

21、射电子，在电压的作用下，流向阳极，形成光电流。即发射电子，在电压的作用下，流向阳极，形成光电流。 阴极表面涂布的光敏材料不同，适应的范围不同，蓝敏适阴极表面涂布的光敏材料不同，适应的范围不同，蓝敏适 用波长范围为用波长范围为600 1200nm；紫敏光电管；紫敏光电管 适用波长范围为适用波长范围为220 625nm。 90V DC 直流放大直流放大 阴极阴极 R -+ 光束光束 e 阳极丝（阳极丝（Ni） 抽真空抽真空 优点：优点：阻抗大，阻抗大， 电流易放大；响电流易放大；响 应快；应用广。应快；应用广。 2)光电倍增管光电倍增管是由光电管改进而成的。管中有若干个称为倍增是由光电管改进而成的

22、。管中有若干个称为倍增 极的附加电极。因此，可使光激发的电流得以放大，一个光子极的附加电极。因此，可使光激发的电流得以放大，一个光子 约产生约产生106107个电子。它的灵敏度比光电管高个电子。它的灵敏度比光电管高200多倍。适用多倍。适用 波长范围为波长范围为160700nm。 优点：优点：高灵敏度；响应快；高灵敏度；响应快； 适于弱光测定，甚至对单适于弱光测定，甚至对单 一光子均可响应。一光子均可响应。 缺点：缺点：热发射强，因此暗热发射强，因此暗 电流大，需冷却（电流大，需冷却（-30oC)。 不得置于强光不得置于强光(如日光如日光)下，下， 否则可永久损坏否则可永久损坏 二、分光光度计

23、的构造原理二、分光光度计的构造原理 （一）单光束分光光度计（一）单光束分光光度计 经单色器分光后的一束平行光，轮流通过参比溶液和样经单色器分光后的一束平行光，轮流通过参比溶液和样 品溶液。这种分光光度计结构简单，操作方便，维修容易。品溶液。这种分光光度计结构简单，操作方便，维修容易。 双光束分光光度计一般都能自动记录吸收光谱曲线。由双光束分光光度计一般都能自动记录吸收光谱曲线。由 两束光同时分别通过参比池和样品池，能自动消除光源强两束光同时分别通过参比池和样品池，能自动消除光源强 度变化所引起的误差。度变化所引起的误差。 （二）双光束分光光度计双光束分光光度计 由同一光源发出的光被分成两束经过

24、两个单色器，得由同一光源发出的光被分成两束经过两个单色器，得 到两束不同波长（到两束不同波长（ 1 1和和 2 2）的单色光；用切光器使两束光）的单色光；用切光器使两束光 交替照射同一吸收池，再经过检测系统，最后由显示器显交替照射同一吸收池，再经过检测系统，最后由显示器显 示出两个波长处的吸光度差值示出两个波长处的吸光度差值A=AA=A 1 1-A-A 2 2。对于多组分混。对于多组分混 合物、混浊试样分析以及存在背景干扰或共存组分吸收干合物、混浊试样分析以及存在背景干扰或共存组分吸收干 扰的情况下，利用双波长分光光度法，往往能提高方法的扰的情况下，利用双波长分光光度法，往往能提高方法的 灵敏

25、度和选择性。灵敏度和选择性。 （三）双波长分光光度计（三）双波长分光光度计 第四节第四节 紫外可见吸收光谱法的应用紫外可见吸收光谱法的应用 二、催化动力学光度法二、催化动力学光度法 一一、定性分析、定性分析 （一）、化合物的鉴定（一）、化合物的鉴定 （二）、结构分析（二）、结构分析 一、定性分析一、定性分析 （一）化合物的鉴定（一）化合物的鉴定 有机化合物的鉴定，一般采取光谱比较法，将未知纯有机化合物的鉴定，一般采取光谱比较法，将未知纯 化合物的吸收光谱特征与已知纯化合物的吸收光谱比较。化合物的吸收光谱特征与已知纯化合物的吸收光谱比较。 （峰的数目、位置、相对强度及形状）（峰的数目、位置、相对

26、强度及形状） 验证已知物验证已知物 1.1.查化合物标准紫外光谱图查化合物标准紫外光谱图 进行比较进行比较 The SadtlerThe Sadtler Standard Spectra UV Standard Spectra UV 2.2.利用标准物做利用标准物做UVUV图图 进行比较进行比较 光谱简单，特征不明显，用来鉴定未知化合物光谱简单，特征不明显，用来鉴定未知化合物 具有较大的局限性。具有较大的局限性。 了解共轭程度、了解共轭程度、 空间效应、氢键等；可对饱和与不饱和化合空间效应、氢键等；可对饱和与不饱和化合 物、异构体及构象进行判别。物、异构体及构象进行判别。 （二）（二） 结构分析结构分析 有机物的紫外有机物的紫外可见吸收光谱中信息分析的一可见吸收光谱中信息分析的一 般规律是：般规律是： 若在若在200750nm波长范围内无吸收峰，则可波长范围内无吸收峰，则可 能是直链烷烃、环烷烃、饱和脂肪族化合物或能是直链烷烃、环烷烃、饱和脂肪族化合物或 仅含一个双键的烯烃等。仅含一个双键的烯烃等。 、若在若在270270350nm350nm波长范围内有低强度吸收峰波长范