第2章仪器分析第四版紫外-可见光谱分析

1、第二章第二章 紫外紫外- -可见吸收光可见吸收光谱分析谱分析本章知识体系：本章知识体系：1.紫外可见吸收光谱法基本原理紫外可见吸收光谱法基本原理2.光的吸收定律光的吸收定律3.紫外可见分光光度计紫外可见分光光度计5.紫外可见吸收光谱法的应用紫外可见吸收光谱法的应用4.化合物紫外光谱解析化合物紫外光谱解析导言：导言： 光的基本性质光的基本性质 光是一种电磁波，具有波粒二象性。光的波动性光是一种电磁波，具有波粒二象性。光的波动性可用波长可用波长、频率频率、光速光速c、波数（波数（cm-1）等参数来描等参数来描述：述： = c ； 波数波数 = 1/ = /c 光是由光子流组成，光子的能量：光是由光

2、子流组成，光子的能量： E = h= h c / （Planck常数：常数：h=6.626 10 -34 J S ) 光的波长越短光的波长越短/频率越高频率越高, 其能量越大。其能量越大。物质对光的选择性吸收及吸收曲线物质对光的选择性吸收及吸收曲线 M + 热热 M + h M * M + 荧光或磷光荧光或磷光 基态E1（E） E2激发态 E = E2 E1 = h 选择性吸收产生的原因 吸收曲线与最大吸收波长max 基于物质对基于物质对200-800nm光谱区辐射的吸光谱区辐射的吸收特性建立起来的分析测定方法称为紫外收特性建立起来的分析测定方法称为紫外-可见吸收光谱法或紫外可见吸收光谱法或紫

3、外-可见分光光度法。可见分光光度法。 它具有如下特点：它具有如下特点：1.灵敏度高。灵敏度高。 可以测定可以测定10-7-10-4gmL-1的微量组分。的微量组分。2.准确度较高。其相对误差一般在准确度较高。其相对误差一般在1%-5%之内。之内。3. 仪器价格较低，操作简便、快速。仪器价格较低，操作简便、快速。4. 应用范围广。应用范围广。 一、一、 紫外紫外- -可见吸收光谱法定义可见吸收光谱法定义第一节紫外可见吸收光谱法基本原理第一节紫外可见吸收光谱法基本原理6二、二、 紫外紫外- -可见吸收光谱可见吸收光谱 紫外吸收光谱紫外吸收光谱:200 400 nm; 可见吸收光谱可见吸收光谱:40

4、0 800 nm 吸收光谱讨论：吸收光谱讨论：1.同一种物质对不同波长光的吸光度不同。吸光度最大处对应的波长称为最大吸收波长max2.不同浓度的同一种物质，其吸收曲线形状相似max不变。而对于不同物质，它们的吸收曲线形状和max则不同。 3.吸收曲线可以提供物质的结构信息，并吸收曲线可以提供物质的结构信息，并作为物质定性分析的依据之一。作为物质定性分析的依据之一。a 不同浓度的同一种物质，在某一定波不同浓度的同一种物质，在某一定波长下吸光度长下吸光度 A 有差异，在有差异，在max处吸光度处吸光度A 的差异最大。此特性可作为物质定量的差异最大。此特性可作为物质定量分析的依据。分析的依据。b 在

5、在max处吸光度随浓度变化的幅度最处吸光度随浓度变化的幅度最大，所以测定最灵敏。吸收曲线是定量大，所以测定最灵敏。吸收曲线是定量分析中选择入射光波长的重要依据。分析中选择入射光波长的重要依据。 4.吸收谱带的强度与分子偶极矩变化、跃迁几率有关，也提供分子结构的信息。5.吸收谱带强度与该物质分子吸收的光子数成正比，定量分析的依据。 （一）物质分子内部三种运动形式：（一）物质分子内部三种运动形式：1 1、电子相对于原子核的运动、电子相对于原子核的运动2 2、原子核在其平衡位置附近的相对振动、原子核在其平衡位置附近的相对振动3 3、分子本身绕其重心的转动。、分子本身绕其重心的转动。 与这与这3 3种

6、运动相对应，分子存在种运动相对应，分子存在3 3种能级种能级三、有机化合物的紫外三、有机化合物的紫外- -可见吸收产生的机制可见吸收产生的机制分子具有三种不同能级：电子能级、振动能级和转分子具有三种不同能级：电子能级、振动能级和转动能级。动能级。三种能级都是量子化的，且各自具有相应的能量。三种能级都是量子化的，且各自具有相应的能量。分子的内能：电子能量分子的内能：电子能量Ee 、振动能量振动能量Ev 、转动能转动能量量Er 即即e+v+r evr （二）能级跃迁：（二）能级跃迁：电子能级间跃迁的同时，总伴随有电子能级间跃迁的同时，总伴随有振动和转动能级间的跃迁。即电子光谱中总包含有振动能振动和

7、转动能级间的跃迁。即电子光谱中总包含有振动能级和转动能级间跃迁产生的若干谱线而呈现宽谱带。级和转动能级间跃迁产生的若干谱线而呈现宽谱带。讨论：讨论：（1）转动能级间的能量差）转动能级间的能量差r：0.0050.050eV，跃迁产跃迁产生吸收光谱位于远红外区。远红外光谱或分子转动光谱；生吸收光谱位于远红外区。远红外光谱或分子转动光谱；（2）振动能级的能量差）振动能级的能量差v约为：约为：0.05eV，跃迁产跃迁产生的吸收光谱位于红外区，红外光谱或分子振动光谱；生的吸收光谱位于红外区，红外光谱或分子振动光谱；（3）电子能级的能量差）电子能级的能量差e较大较大120eV。电子跃迁产电子跃迁产生的吸收

8、光谱在紫外生的吸收光谱在紫外可见光区，紫外可见光区，紫外可见光谱或分可见光谱或分子的电子光谱子的电子光谱 （4）吸收光谱的波长分布是由产生谱带的跃迁能级间）吸收光谱的波长分布是由产生谱带的跃迁能级间的能量差所决定，反映了分子内部能级分布状况，是物的能量差所决定，反映了分子内部能级分布状况，是物质定性的依据。质定性的依据。14（三）有机化合物分子外层价电子跃迁（三）有机化合物分子外层价电子跃迁吸收光谱产生吸收光谱产生机制机制 外层价电子：外层价电子：电子、电子、电子、电子、n电子。电子。 外层电子吸收紫外或可见辐射后，就从基态向激发态外层电子吸收紫外或可见辐射后，就从基态向激发态(反键轨道反键轨

9、道)跃迁。主要有四种跃迁所需能量跃迁。主要有四种跃迁所需能量大小顺序为大小顺序为n n 105：超高灵敏；=(610)104 ：高灵敏；2104 ：不灵敏。（三）偏离朗伯比耳定律的原因标准曲线法测定未知溶液的浓度时，发现：标准曲线常发生弯曲（尤其当溶液浓度较高时），这种现象称为对朗伯对朗伯比耳定律的偏离比耳定律的偏离。 引起这种偏离的因素（两大类）：一类是物理性因素，即仪器的非理想引起的；另一类是化学性因素。 1、物理性因素 朗伯比耳定律的前提条件之一是入射光为单色光。 难以获得真正的纯单色光。分光光度计只能获得近乎单色的狭窄光带。复合光可导致对朗伯比耳定律的正或负偏离。 非单色光、杂散光、非

10、平行入射光都会引起对朗伯比耳定律的偏离，最主要的是非单色光作为入射光引是非单色光作为入射光引起的偏离起的偏离。 在图上则表现为Ac曲线上部(高浓度区)弯曲愈严重。故朗伯比耳定律只适用于稀溶液。 为克服非单色光引起的偏离，首先应选择比较好的单色器。此外还应将入射波长选定在待测物质的最大吸收波长且吸收曲线较平坦处。 2、化学性因素朗伯比耳定律的假定：所有的吸光质点之间不发生相互作用。这种假定只有在稀溶液(c10 2 mol/L 时，吸光质点间可能发生缔合等相互作用，直接影响了对光的吸收。故：故：朗伯朗伯比耳定律只适用于稀溶液。比耳定律只适用于稀溶液。 溶液中存在着离解、聚合、互变异构、配合物的形成

11、等化学平衡时。使吸光质点的浓度发生变化，影响吸光度。光源 单色器 吸收池 检测器 显示装置 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，具有足够的辐射强度、较好的稳定性、较长的使用寿命。 可见光区：钨灯作为光源，其辐射波长范围在3202500 nm。 紫外区：氢、氘灯。发射185400 nm的连续光谱。 一、基本组成一、基本组成 第三节紫外可见分光光度计第三节紫外可见分光光度计 将光源发射的复合光分解成单色光并可从中选出任一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；准光装置：透镜或返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；棱镜或光栅；聚焦装置：

12、透镜或凹面反射镜，将分光后所得单色光聚焦至出射狭缝；出射狭缝。2单色器单色器3. 样品室样品室样品室放置各种类型的吸收池（比色皿）和相应的池架附件。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。 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，常用的有光电池、光电管或光电倍增管。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处理。 1单光束型单光束型简单，价廉，适于在给定波长处测量吸光度或透光度，一般不能作全波段光谱扫描，要求光源和检测器具有很高的稳定性。 2双光束型双光束型自动记录，快速全波段扫描。可消除光源

13、不稳定、检测器灵敏度变化等因素的影响，特别适合于结构分析。仪器复杂，价格较高。二、分光光度计的类型二、分光光度计的类型将不同波长的两束单色光(1、2) 快束交替通过同一吸收池而后到达检测器。产生交流信号。无需参比池。=12nm。两波长同时扫描即可获得导数光谱。3. 双波长双波长第四节第四节 化合物紫外光谱解析化合物紫外光谱解析饱和烃饱和烃只含有CH和CC单键，只有键电子，电子结合牢固，电子最不易激发，电子只有吸收远紫外光的能量才能发生*跃迁。饱和烷烃的分子吸收光谱出现在远紫外区出现在远紫外区(吸收波长150nm，只能被真空紫外分光光度计检测到)。如甲烷的max为125nm,乙烷max为135n

14、m。所以在紫外吸收光谱分析中常用它作溶剂。如己烷，环己烷，庚烷，异辛烷，乙醇，甲醇等。 一、饱和烃及其取代衍生物一、饱和烃及其取代衍生物当饱和单键碳氢化合物中的当饱和单键碳氢化合物中的H被被O、N、S、卤卤素等杂原子取代时素等杂原子取代时，这类原子中的n电子较电子易激发，电子跃迁所需能量减低，产生n*跃迁，吸收波长向长波方向移动。如：甲烷的max为125nm（远紫外区），碘甲烷（CH3I）的吸收峰在150210nm(*跃迁)及259 nm（n*跃迁），CH2I2 -292nm, CHI3 -349nm。助色团助色团，如-NH2，-NR2，-OH，-OR，-SR，-X等产生红移。 不饱和烃类分子

15、不饱和烃类分子中，含有键和键电子，它可以产生*跃迁和*跃迁。*跃迁所需能量较小，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max一般在104Lmol1cm1以上，属于强吸收。如乙烯*跃迁的max为162nm，max为1104Lmol-1cm1。 二、不饱和烃及共轭烯烃二、不饱和烃及共轭烯烃共轭烯烃共轭烯烃（两个双键被一个单键隔开），相间的键与键相互作用（-共轭效应），生成大键，由于大键各能级间的距离较近（键的平均化），电子易激发，电子跃迁所需能量降低，所以吸收峰向长波移动，吸收带的强度较强，且随着共轭体系的增加，吸收波长也随之增长。 在共轭体系中，*跃迁所产生的吸收带又称为K（Ko

16、njugation共轭作用）带。如: CH2=CH2 max=162nm， max=1104Lmol-1cm1;CH2=CH2CH2=CH2 max=217 max=21000醛、酮中含有羰基醛、酮中含有羰基(-C=O), 存在、n三种电子，能实现四种跃迁：n* max=270300nm，max=1020Lmol-1cm1n* 180 nm左右* 180 nm左右 *n*跃迁所产生的吸收带又称为R（Radikal基团）带。 三、羰基化合物三、羰基化合物当羰基双键与乙烯基双键共轭羰基双键与乙烯基双键共轭时，形成，-不饱和醛酮。由于共轭效应使乙烯基的*跃迁吸收带红移到220260nm成为K带，羰基

17、双键n*跃迁的R带红移至310330nm，K带强度高（max为104Lmol-1cm1左右），R带强度低（max100Lmol-1cm1）。这一特征可以识别，-不饱和醛酮。 羧酸及其衍生物羧酸及其衍生物也有n*跃迁吸收带，但其羰基上的碳原子直接连接含有未共用电子对的助色团，产生n共轭，导致*轨道的能级提高，但这种共轭作用不能改变n轨道的能级，因此n*跃迁所需的能量变大，n*吸收带紫移至210nm左右。 芳香族化合物为环状共轭体系。苯有三个吸收带，都是由*跃迁所引起的。E1(三个乙烯基共轭发生的*跃迁)带在180nm（max80000Lmol-1cm1），强吸收，因在远紫外区，实用意义不大。E2

18、带在204nm（max8000Lmol-1cm1），中强吸收，在末端吸收范围，也不常用。四、苯及其衍生物四、苯及其衍生物B（Benzenoid）带在230270nm（max200Lmol-1cm1）范围内有弱吸收，这是苯环的精细吸收带或苯带，在蒸气状态或非极性溶剂中精细结构极为明显。这是由于振动跃迁在基态电子跃迁上的叠加，在极性溶剂中精细结构消失。 当苯环上有取代基时苯环上有取代基时，苯的三个特征谱带都将发生显著的变化，其中影响较大的是E2带和B带。当苯环上引入-NH2、-OH、-CHO、-NO2等基团时，使B带简单化，向长波移动，同时吸收强度增加。这些基团上有n电子，可产生n*跃迁。如：硝基

19、苯、苯甲醛的n*吸收带为330和328nm。稠环芳香烃稠环芳香烃，其紫外吸收光谱的最大特征是共轭体系增加，使吸收带红移，吸收强度增强。杂环化合物杂环化合物，与相应的碳环化合物相似，如吡啶与苯相似，喹啉与萘相似等。杂环化合物还有n*吸收带。吡啶在非极性溶剂中吸收带出现在270nm处（max450Lmol-1cm1）。 金属离子与配位体反应生成配合物的颜色一般不同于游离金属离子(水合离子)和配位体本身的颜色。金属配合物的生色机理主要有三种类型：配位体微扰的金属离子d一d电子跃迁和f-f电子跃迁，摩尔吸收系数很小，对定量分析意义不大。五金属配合物的紫外五金属配合物的紫外可见吸收光谱可见吸收光谱金属离

20、子微扰的配位体内电子跃迁 金属离子的微扰，将引起配位体吸收波长和强度的变化。变化与成键性质有关，若静电引力结合，变化一般很小。若共价键和配位键结合，则变化非常明显。 电荷转移吸收光谱 在分光光度法中具有重要意义。电荷转移吸收光谱电荷转移吸收光谱当吸收紫外可见辐射后，分子中原定域在金属M轨道上电荷的转移到配位体L的轨道，或按相反方向转移，这种跃迁称为电荷转移跃迁，所产生的吸收光谱称为荷移光谱荷移光谱。电荷转移跃迁本质上属于分子内氧化还原反应，因此呈现荷移光谱的必要条件是构成分子的二组分，一个为电子给予体，另一个应为电子接受体。 电荷转移跃迁在跃迁选律上属于允许跃迁，其摩尔吸光系数一般都较大(10

21、 4左右)，适宜于微量金属的检出和测定。 电荷转移跃迁在紫外区或可见光区呈现荷移光谱，荷移光谱的最大吸收波长及吸收强度与电荷转移的难易程度有关。 例：Fe3与SCN形成血红色配合物，在490nm处有强吸收峰。其实质是发生了如下反应： Fe3 SCN h= Fe SCN 2 溶剂的极性对溶质吸收峰的波长、强度和形状都有影响。（1）当溶剂的极性由非极性改变到极性时，精细结构消失，吸收带变向平滑。（2）改变溶剂的极性，使吸收带的max发生变化：当溶剂的极性增大时，由n*跃迁产生的吸收带发生紫移，而由*跃迁产生的吸收带发生红移。 由于未成键电子对的溶剂化作用增加，降低了n轨道的能量，使n*跃迁紫移。

22、所以在测定紫外吸收光谱数据时，应注明所使用的溶剂。六、溶剂对电子光谱的影响六、溶剂对电子光谱的影响（3）溶剂选择的原则：尽量选用低极性溶剂；能很好地溶解被测物，并且形成的溶液具有良好的化学和光化学稳定性；溶剂在样品的吸收光谱区无明显的吸收。 第五节紫外可见吸收光谱法的应用第五节紫外可见吸收光谱法的应用 一、有机化合物紫外光谱解析一、有机化合物紫外光谱解析了解共轭程度、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。 紫外紫外可见吸收光谱中有机物发色体系信息分析的可见吸收光谱中有机物发色体系信息分析的一般规律是：一般规律是： 若在200750nm波长范围内无吸收峰，则可能是直链烷

23、烃、环烷烃、饱和脂肪族化合物或仅含一个双键的烯烃等。若在270350nm波长范围内有低强度吸收峰(10100Lmol-1cm-1),（n跃迁），则可能含有一个简单非共轭且含有n电子的生色团，如羰基。若在20300nm波长范围内有中等强度的吸收峰则可能含苯环。 若在210250nm波长范围内有强吸收峰，则可能含有2个共轭双键；若在260300nm波长范围内有强吸收峰，则说明该有机物含有3个或3个以上共轭双键。 若该有机物的吸收峰延伸至可见光区，则该有机物可能是长链共轭或稠环化合物。 571定性方法定性方法 利用紫外可见分光光度法确定未知不饱和化合物结构的结构骨架时，一般有两种方法：（1）比较吸收

24、光谱曲线：（2）用经验规则计算最大吸收波长max，然后与实测值比较。 二、定性分析二、定性分析紫外光谱曲线的形状、吸收峰的数目以及最大吸收波紫外光谱曲线的形状、吸收峰的数目以及最大吸收波长的位置和长的位置和 相应的摩尔吸收系数，是进行定性鉴定的相应的摩尔吸收系数，是进行定性鉴定的依据。其中依据。其中max和相应和相应max的是定性的主要参数。比较的是定性的主要参数。比较法是在相同的测定条件下，比较未知物与已知标准物法是在相同的测定条件下，比较未知物与已知标准物的吸收光谱曲线，如果他们的吸收光谱曲线完全等同，的吸收光谱曲线，如果他们的吸收光谱曲线完全等同，则可以认为待测试样与已知化合物有相同的生

25、色团。则可以认为待测试样与已知化合物有相同的生色团。可以借助前人汇编的以实验结果为基础的各种有机化可以借助前人汇编的以实验结果为基础的各种有机化合物的紫外可见光谱标准谱图或有关电子光谱数据表。合物的紫外可见光谱标准谱图或有关电子光谱数据表。 2计算不饱和有机化合物吸收波长的经验规则计算不饱和有机化合物吸收波长的经验规则 当采用物理和化学方法判断某化合物的几种可能结构时，可用经验规则计算max并与实验值进行比较，然后确认物质的结构。常用的经验规则是由伍德沃德提出的计算共轭二烯、多烯烃及共轭烯酮类化合物*跃迁max的伍德沃德（Woodword）规则。 计算时，首先从母体得到一个最大吸收的基数，然后

26、对连接在母体电子体系上的不同取代基以及其它结构因素加以修正。 采用紫外光谱法，可以确定一些化合物的构型和构确定一些化合物的构型和构象象。一般，顺式异构体的最大吸收波长比反式异构体为小，因此有可能用紫外光谱法进行区别。采用紫外光谱法，可以测定某些化合物的互变异构现测定某些化合物的互变异构现象。象。采用紫外光谱法，还可以进行化合物纯度的检验。采用紫外光谱法，还可以进行化合物纯度的检验。如果某一化合物在紫外光区没有吸收峰，而其中的杂质有较强的吸收峰，就可以通过绘制试样的紫外吸收光谱图的方法来检出该化合物中的痕量杂质。 三、有机化合物构型的确定三、有机化合物构型的确定如：甲醇或乙醇中的杂质苯，苯的max为256nm的B吸收带，而甲醇或乙醇无吸收；CCl4中有无CS2杂质，CS2在318nm处有吸收峰。如果某一化合物在紫外光区有较强的吸收峰，可用摩尔吸光系数来检查其纯度。如：菲的氯仿溶液在296nm有强吸收（lgmax=4.10），用某种方法精制的菲，测得其lgmax比标准值低10，这说明精制品的菲含量只有90，其余的很可能是蒽等杂质。1普通分光光度法（1）单组分的测定 通常采用 A-C 标准曲线法定量测定。（2）多组分的同时测定 若各组分的吸收曲线互不重叠，则