紫外可见吸收光谱法

1、第三章 紫外-可见吸收光谱法2021-10-30紫外-可见吸收光谱法是利用某些物质的分子吸收200800nm光谱区的辐射来进行分析测定的方法。这种分子吸收光谱产生于价电子和分子轨道上的电子在电子能级间的跃迁，广泛用于有机和无机物质的定性和定量测定。包括比色法和紫外-可见光分光光度法概述13:36:17波长范围：100 800 nm。远紫外区： 100 200 nm；近紫外区： 200 400 nm；可见光区： 400 800 nm。 紫外吸收光谱：价电子能级跃迁。结构鉴定和定量分析。 电子跃迁同时，伴有振动转动能级的跃迁，带状光谱。 最大吸收峰的波长max和相应的摩尔吸光系数max反映了构成有

2、机分子部分结构的发射团的特征。 紫外-可见吸收光谱的产生 13:36:18M + 热M + 荧光或磷光E = E2 - E1 = h量子化 ；选择性吸收；吸收曲线与最大吸收波长表征参数： max； maxmaxM + h M *基态基态 激发激发态态E1 （E） E2 不同分子发生能级跃迁时，E及所吸收光的波长不同。 由、 分子结构的相关关系结构鉴定。 250 300 350 400nm1234电子跃迁与分子吸收光谱13:36:18物质分子内部三种运动形式： （1）电子相对于原子核的运动。 （2）原子核在其平衡位置附近的相对振动。 （3）分子本身绕其重心的转动。分子有三种不同能级：电子能级、振

3、动能级和转动能级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Ee 、振动能量Ev 、转动能量Er 即: EEe+Ev+Er evr 电子的能级跃迁13:36:18 分子轨道理论：分子中电子轨道有成键轨道和 *反键轨道， 成键轨道和 *反键轨道和n未成键轨道能量高低： n * *基态时成键电子占据成键轨道，未成键孤对电子占据非键轨道分子吸收紫外或可见光辐射后，电子就由基态跃迁到激发态的反键轨道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级和转动能级间跃迁产生的若干谱线而呈现宽谱带。电子跃迁和吸收带类型13:36:18 有机化合物的紫外-可见

4、吸收光谱是三种电子、四种跃迁的结果：电子、电子、电子、电子、n电子电子。分子轨道理论分子轨道理论：成键轨道反键轨道，非键轨道。 当外层电子吸收紫外或可见辐射后，就从基态向激发态(反键轨道)跃迁。主要有四种跃迁，四种跃迁，所需能量能量大小顺大小顺序序为：n n s sp p *s s *RKE,Bnp p ECOHnp ps sH1.跃迁13:36:18 所需能量最大，所需能量最大，电子只有吸收远紫外线的能量电子只有吸收远紫外线的能量才能发生跃迁。才能发生跃迁。 饱和烷烃的分子吸收光谱出现在远紫外区。饱和烷烃的分子吸收光谱出现在远紫外区。 吸收波长吸收波长 200 nm。例：甲烷例：甲烷max为

5、为125 nm , 乙烷乙烷max为为135 nm， 环丙烷（饱和烃中最长）环丙烷（饱和烃中最长） max为为190 nm。 在近紫外没有饱和碳氢化合物的光谱，需真空在近紫外没有饱和碳氢化合物的光谱，需真空紫外分光光度计检测；可作为溶剂使用。紫外分光光度计检测；可作为溶剂使用。2.n跃迁13:36:18 所需能量较大,但比小。 吸收波长为150250 nm，大部分在远紫外区，近紫外区仍不易观察到。 含非键电子的饱和烃衍生物(含N，O，S和卤素等杂原子)均呈现n* 跃迁。n* 跃迁所需能量取决于带有n电子的原子的性质以及分子结构。 3.n 跃迁13:36:18 由n*跃迁产生的吸收带称为R带(德

6、文Radikal)。 能量最小；200700 nm； max 104 Lmol-1cm-1 ，强吸收。 （1）K带（德 Konjugation，共轭 ） 非封闭共轭体系的 p p * 跃迁丁二烯（CH2CHCHCH2） K带：max=217nm，max=21 000 Lmol-1cm-1 。 极性溶剂使 K 带发生红移。苯乙烯、苯甲醛、乙酰苯等，也都会出现 K 带。 紫外-可见吸收光谱常用术语13:36:181.1.非发色团非发色团 在200800 nm近紫外和可见区域内无吸收的基团。 只具有键电子或具有键电子和n非键电子的基团为非发色团； 一般指的是饱和碳氢化合物和大部分含有O，N，S，X等

7、杂原子的饱和化合物； 对应的跃迁类型*跃迁和n*跃迁，大部分都出现在远紫外区。2.发色团 13:36:181 在近紫外和可见区域有特征吸收的基团。 发色团的电子结构特征是具有电子： CC，CO，CN，NN，NO，NO2等。1 一个双键：*跃迁,强吸收，远紫外区。 多个发色团（共轭）：吸收出现在近紫外区。1 发色团对应跃迁类型是*和n*。1 在紫外光谱中，发色团并非一定有颜色。3.助色团 13:36:181 具有非键电子n的基团：NH2，NR2，OH， OR，SR，Cl，SO3H，COOH等；1 本身在紫外和可见光区无吸收；1 至少有一对能与电子相互作用的n电子； 相当于共轭体系 ()，使发色团

8、max （红移），1 “助色”能力：FCH3ClBrOHOCH3NH2 NHCH3 N(CH3)2NHC6H5 O-。4.红移-蓝移13:36:18红移：由取代基或溶剂效应引起的使吸收向长波长方向移动称为红移。蓝移：使吸收向短波长方向移动称为蓝移。 增色效应增色效应max ； 减色效应减色效应max ；强带强带 max104 Lmol-1cm-1 弱带弱带max103 Lmol-1cm-1 ； 溶剂影响 13:36:181.1.紫外紫外- -可见吸收可见吸收常用的溶剂常用的溶剂 常见溶剂：环己烷、95的乙醇和二氧六环。 杂质去除：活性硅胶过滤的方法来去除溶剂中微量的芳香烃和烯烃杂质。 非极性溶

9、剂 ：环己烷，“透明”极限波长210 nm； 极性溶剂 ：95的乙醇 ，透明”极限波长是210 nm 。溶剂选择时需要考虑的因素： 溶剂本身的透明范围； 溶剂对溶质是惰性的； 溶剂对溶质要有良好的溶解性。 光吸收定律（朗伯-比耳定律）13:36:18 Alg（I0/It)= - lg T =c l 式中 A：吸光度，描述溶液对光的吸收程度； l：液层厚度(光程长度)，通常以cm为单位； c：溶液的摩尔浓度，单位 molL-1； ：摩尔吸光系数，单位 Lmol-1 cm -1 ； 或 Alg（I0/It)= a l ：溶液的质量浓度，单位 gL -1 a：吸光系数，单位 Lg -1 cm -1

10、a与的关系为： a =/M （M为摩尔质量） 吸收曲线的讨论：13:36:18 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max 。 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 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。不同浓度的同一种物质，在某一定波长下吸光度 A 有差异，在max 处吸光度A 的差异最大。此特性可作作为物质定量分析的依据。在max 处吸光度随浓度变化的幅度最大，所以测定最灵敏。吸收曲线是定量分析中选择入射光波长的重要依据。光路图光路图基本组成1. 1. 光源光源 在

11、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。光 源单色器信号放大和测量检测器样品池显 示 2.单色器 将光源发射的复合光分解成单色光并可从中选出一任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：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。 出射狭缝出射狭缝。3.样品池 试样室： 吸收池(比色皿)+池架

12、附件。 吸收池：石英池，玻璃池。 在紫外区须采用石英池，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，常用的有光电池、光电管或光电倍增管。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处理。分光光度计的类型1.1.单光束单光束 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。2.2.双光束双光束 自动记录，快速全波段扫描。可消除光源不稳定，检测器灵敏度变化等因素的影响，特别适合于结构分析。复杂，价高。3.3.双波长双波长 将不同波长的两束将不同波

13、长的两束单色光单色光( (1 1、2 2) ) 快快束交替通过同一吸收束交替通过同一吸收池而后到达检测器。池而后到达检测器。产生交流信号。无需产生交流信号。无需参比池。参比池。 = 12 nm。两波长同时扫描两波长同时扫描即可获得导数光谱即可获得导数光谱。13:36:182. 溶剂的影响 13:36:18 对烯和炔影响较小，但使酮峰值位移。 （1）极性溶剂对n* 跃迁的影响规律：极性溶剂使n*吸收带发生蓝移，max ； 极性，蓝移的幅度 。 为什么？原因：C+=O-极性，激发态时O电子云密度，键极性；基态时的作用强，基态能量大，激发态能量小。能级间的能量差 ，蓝移。 （2）极性溶剂对*跃迁的影

14、响 13:36:19规律：使规律：使*吸收带发生红移，吸收带发生红移，max略有降低。略有降低。原因：原因：C=C基态时，两个电子位于成键轨道上，无极性；*跃迁后，分别在成键和反键*轨道上，C+=C-，极性，与极性溶剂作用强，能量。能级间的能量差，红移 。使分子的吸收峰向长波方向移动的效应称红移红移。使分子的吸收峰向短波方向移动的效应称蓝移蓝移。13:36:19极性溶剂致使极性溶剂致使* *跃迁的跃迁的K带发生红移。带发生红移。 既有K带又有R带时，溶剂极性越大则K带与R带的距离越近(K带红移,R带蓝移)，见图(因为R在右，K在左)； 而随着溶剂极性的变小两个谱带则逐渐远离。 共轭烯：共轭使-

15、*的E，吸收峰红移，强度增大，这种吸收带称K K吸收带（共轭带）吸收带（共轭带）有、n电子，可产生n-*、-*、n-*，其中n-*跃迁在270300nm称R R吸收带吸收带（基团带）（基团带）溶剂的影响13:36:19非极性非极性 极性极性n p p*跃迁：跃迁：蓝移，蓝移， ， 。p p p p*跃迁：红移，跃迁：红移， ， 。极性溶剂使精细结构消失。1：乙醚2：水12250300/nm乙酰丙酮的紫外-可见吸收光谱13:36:19（3）发色团取代苯衍生物13:36:19 具有双键的基团的取代，它与苯环共轭在200250 nm出现K带，使B带发生强烈红移，有时B带被淹没在K带之中。 羰基双键与

16、苯环共扼：K带强，苯的E2带与K带合并，红移；取代基使B带简化；氧上的孤对电子：R带，跃迁禁阻，弱。CC H3On p* ; R带p p* ; K带紫外-可见吸收光谱图中提供的化合物结构信息13:36:19（1）200800 nm 无吸收峰，饱和化合物，单烯。（2）210-250nm有强吸收峰，含有双键。如，260、300、330有高强吸收峰，含有3-5个共轭双键（3）270300 nm有吸收峰，可能含有羟基（4）269左右nm有中等强度的吸收峰，是芳环的特征（5）如果有许多吸收峰，甚至到可见区，则可能为多环芳烃定量分析13:36:19 依据：朗伯依据：朗伯- -比尔定律比尔定律 吸光度：吸光度： A= l c 透光度：透光度：-lgT = l c 灵敏度高：灵敏度高： max：104105 L mol-1 cm -1； 测量误差与吸光度读数有关：测量误差与吸光度读数有关： A = 0.434，读数相对误差最小。读数相对误差最小。多组分；双波长法13:36:19（1）多组分定量方法）多组分定量方法联立方程为： A1=X1cXl+Y1cYl A2=X2c