第1节 紫外可见分光光度法基本原理

1、第三章第三章 紫外紫外-可见分可见分光光度分析法光光度分析法一、概述一、概述二、紫外可见吸收光谱二、紫外可见吸收光谱三、分子吸收光谱与电三、分子吸收光谱与电子跃迁子跃迁四、光的吸收定律四、光的吸收定律第一节第一节 基本原理基本原理一、概述一、概述 光谱分析法是指在光（或其它能量）的作用下，光谱分析法是指在光（或其它能量）的作用下，通过测量物质产生的发射光、吸收光或散射光的波通过测量物质产生的发射光、吸收光或散射光的波长和强度来进行分析的方法。长和强度来进行分析的方法。 吸收光谱吸收光谱 (Absorption Spectrometry)发射光谱发射光谱 (Emission Spectromet

2、ry)分子光谱分子光谱(Molecular Spectrometry)原子光谱原子光谱(Atomic Spectrometry)紫外紫外可见分光光度法是一种分子吸收光谱法。可见分光光度法是一种分子吸收光谱法。概述概述: 在光谱分析中，依据物质对光的选择性吸收而建立起来在光谱分析中，依据物质对光的选择性吸收而建立起来的分析方法称为吸光光度法的分析方法称为吸光光度法, ,主要有主要有: : 红外吸收光谱红外吸收光谱(Infrared Absorption Spectroscopy)：分子分子振动光谱，吸收光波长范围振动光谱，吸收光波长范围2.5 1000 m ,主要用于有机化合主要用于有机化合物结

3、构鉴定。物结构鉴定。 紫外吸收光谱紫外吸收光谱(Ultraviolet Spectrophotometry)：电子跃电子跃迁光谱，吸收光波长范围迁光谱，吸收光波长范围200 400 nm（近紫外区）近紫外区） ，可用，可用于结构鉴定和定量分析。于结构鉴定和定量分析。 可见吸收光谱可见吸收光谱(Visible Spectrophotometry ：电子跃迁光电子跃迁光谱，吸收光波长范围谱，吸收光波长范围400 750 nm ，主要用于有色物质的定主要用于有色物质的定量分析。量分析。 本章主要讲授紫外可见吸收光谱法。本章主要讲授紫外可见吸收光谱法。二、紫外可见吸收光谱二、紫外可见吸收光谱 1 1光

4、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。光的波动性可用光是一种电磁波，具有波粒二象性。光的波动性可用波长波长 、频率、频率 、光速、光速c、波数（波数（cm-1）等参数来描述：等参数来描述： = 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（频率越高），其能量越大。光的波长越短（频率越高），其能量越大。 白光白光(太阳光太阳光)：由各种单色光组成的复合光：由各种单色光组成的复合光 单色光单色光：单波长的光：单波长的光(

5、由具有相同能量的光子组成由具有相同能量的光子组成) 可见光区可见光区：400-750 nm 紫外光区紫外光区：近紫外区：近紫外区200 - 400 nm 远紫外区远紫外区10 - 200 nm （真空紫外区）真空紫外区） 2. 2. 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M + 荧光或磷光 E = E2 - E1 = h 量子化量子化 ；选择性吸收；选择性吸收; 分子结构的复杂性使其对不同波分子结构的复杂性使其对不同波长光的吸收程度不同；长光的吸收程度不同； 用不同波长的单色光照射，测吸光用不同波长的单色光照射，测吸光度度 吸收曲线与最大吸收波长吸收曲线与最大吸

6、收波长 max；M + h M * 光的互补光的互补：蓝：蓝 黄黄基态基态 激发态激发态E1 （E） E2关于吸收曲线的讨论：关于吸收曲线的讨论：（1）同一种物质对不同波长光的吸光度不同。吸）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光度最大处对应的波长称为最大吸收波长最大吸收波长max（2）不同浓度的同一种物质，其吸收曲线形状相）不同浓度的同一种物质，其吸收曲线形状相似似max不变。而对于不同物质，它们的吸收曲线不变。而对于不同物质，它们的吸收曲线形状和形状和max则不同。则不同。（动画动画）（3）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）吸收曲线可以提供物

7、质的结构信息，并作为物质定性分析的依据之一。据之一。 （4）不同浓度的同一种物质，在某一定波长下吸光度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分析的依据。的差异最大。此特性可作为物质定量分析的依据。 （5）在在max处吸光度随浓度变化的幅度最大，所以测定最灵敏。吸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。收曲线是定量分析中选择入射光波长的重要依据。3.3.紫外紫外可见分子吸收光谱与电子跃迁可见分子吸收光谱与电子跃迁 物质分子内部三种运动形式：物质分子内部三种运

8、动形式： （1）价电子相对于原子核的运动）价电子相对于原子核的运动 （2）原子核在其平衡位置附近的振动）原子核在其平衡位置附近的振动 （3）分子本身绕其重心的转动）分子本身绕其重心的转动 分子具有三种不同能级：电子能级、振动能级和转动能级分子具有三种不同能级：电子能级、振动能级和转动能级 三种能级都是量子化的，且各自具有相应的能量三种能级都是量子化的，且各自具有相应的能量 分子的能量包括分子的能量包括: 电子能量电子能量Ee 、振动能量振动能量Ev 、转动能量、转动能量Er 即即 EEe+Ev+Er 能级跃迁能级跃迁 紫外紫外- -可见光谱属于电子可见光谱属于电子跃迁光谱。跃迁光谱。 电子能级

9、电子能级间跃迁的同时间跃迁的同时总伴随有振动和转动能级间总伴随有振动和转动能级间的跃迁。即电子光谱中总包的跃迁。即电子光谱中总包含有振动能级和转动能级间含有振动能级和转动能级间跃迁产生的若干谱线而呈现跃迁产生的若干谱线而呈现宽谱带。宽谱带。 分子吸收光谱是带状光谱分子吸收光谱是带状光谱evr讨论：讨论：1（1 1）转动能级间的能量差）转动能级间的能量差EEr r：0.0050.0050.0500.050eVeV，跃迁产跃迁产生吸收光谱位于远红外区，称为远红外光谱或分子转动光谱；生吸收光谱位于远红外区，称为远红外光谱或分子转动光谱；1（2 2）振动能级的能量差）振动能级的能量差E Ev v约为：

10、约为：0.050.05eVeV，跃迁产生跃迁产生的吸收光谱位于红外区，称为红外光谱或分子振动光谱；的吸收光谱位于红外区，称为红外光谱或分子振动光谱；1（3 3）电子能级的能量差）电子能级的能量差EEe e较大，为较大，为1 12020eVeV。电子跃迁产电子跃迁产生的吸收光谱在紫外生的吸收光谱在紫外可见光区，称为可见光区，称为紫外紫外可见光谱可见光谱或分子或分子的的电子光谱电子光谱。讨论：讨论：1 （4 4）吸收光谱的波长分布是由产生谱带的跃迁能级间的）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，是物质定性能量差所决定，反映了分子内部能级分布状况，是物

11、质定性的依据。的依据。1 （5 5）吸收谱带强度与分子偶极矩变化、跃迁几率有关，吸收谱带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。通常将在最大吸收波长处测得的摩也提供分子结构的信息。通常将在最大吸收波长处测得的摩尔吸光系数尔吸光系数max也作为定性的依据。也作为定性的依据。不同物质的不同物质的max有时可能有时可能相同，但相同，但max不一定相同不一定相同；1 （6 6）吸收谱带强度与该物质分子吸收的光子数成正比，）吸收谱带强度与该物质分子吸收的光子数成正比，这是定量分析的依据。这是定量分析的依据。三、分子吸收光谱与电子跃迁三、分子吸收光谱与电子跃迁1 1有机化合物的紫外有机化

12、合物的紫外可见吸收光谱可见吸收光谱 有机化合物的紫外有机化合物的紫外可见吸收光谱，是其分子中外层价可见吸收光谱，是其分子中外层价电子跃迁的结果（三种）：电子跃迁的结果（三种）：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：一个成一个成键轨道必定有一个相应的反键轨道必定有一个相应的反键轨道。通常外层电子均处键轨道。通常外层电子均处于分子轨道的基态，即成键于分子轨道的基态，即成键轨道或非键轨道上。轨道或非键轨道上。 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( (反反键轨道键轨道) )跃迁。主要有四种跃迁所需能量跃迁。主要有四种跃

13、迁所需能量大小顺序为：大小顺序为：n n n n 11跃迁跃迁 所需能量最大，所需能量最大，电子只有吸收远紫外光的能量才能发生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跃迁。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200nm。这类跃迁在跃迁选律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时存在键同时存在时发生时发生n 跃迁。丙酮跃迁。丙酮n 跃迁的跃迁的为为275nm max为为22 Lmol-1

14、cm -1（溶剂环己烷溶剂环己烷)。几类有机化合物的紫外吸收光谱：几类有机化合物的紫外吸收光谱： 饱和烃饱和烃饱和单键碳氢化合物只有饱和单键碳氢化合物只有 键电子键电子,一般在远紫外区一般在远紫外区(10200nm)才才有吸收带。有吸收带。这类化合物在这类化合物在2001000nm范围内无吸收带，在紫外吸收光谱分析中常范围内无吸收带，在紫外吸收光谱分析中常用作溶剂用作溶剂(如己烷、庚烷、环已烷等如己烷、庚烷、环已烷等)。 当饱和单键碳氢化合物中的氢被氧、氮、卤素、硫等杂原子取代当饱和单键碳氢化合物中的氢被氧、氮、卤素、硫等杂原子取代时，产生时，产生 n * 跃迁。例如甲烷一般跃迁的范围在跃迁。

15、例如甲烷一般跃迁的范围在125135nm(远远紫外区紫外区)，碘甲烷，碘甲烷(CH3I)的吸收峰则处在的吸收峰则处在150210nm(跃迁跃迁)及及259nm(跃迁跃迁)：C IHHH*n*(150210nm)(259nm)（2 2）不饱和脂肪烃）不饱和脂肪烃l这类化合物有孤立双键的烯烃这类化合物有孤立双键的烯烃(如乙烯如乙烯)和共轭双键的烯和共轭双键的烯烃烃(如丁二烯如丁二烯)，它们含有，它们含有键电子，吸收能量后产生键电子，吸收能量后产生*跃迁。乙烯跃迁。乙烯(孤立双键孤立双键)的的 为为171nm( 15530 )；而丁二烯；而丁二烯( )由由于两个双键共轭，此时吸收峰发生深色移动于两个

16、双键共轭，此时吸收峰发生深色移动( =217nm)，吸收强度也显著增加，吸收强度也显著增加 ( 21000 )。l 共轭分子包括共轭二烯（环状二烯，链状二烯）、不共轭分子包括共轭二烯（环状二烯，链状二烯）、不饱和酮饱和酮 、不饱和酸、多烯、芳香核与双键或羰基的共、不饱和酸、多烯、芳香核与双键或羰基的共轭等。轭等。max11cmmolLH2CCHCHCH2max11cmmolL K K吸收带和吸收带和R R吸收带吸收带K K吸收带：吸收带：由于共轭双键中由于共轭双键中 * 跃迁所产生的吸收带称为跃迁所产生的吸收带称为K K吸收吸收带带 从德文从德文Konjugation(Konjugation(

17、共轭作用共轭作用) )得名得名 。其特点是强度大，摩尔吸。其特点是强度大，摩尔吸光系数通常在光系数通常在1000010000200000(200000(10104 4) ) 之间；吸收峰位置之间；吸收峰位置一般处在一般处在217217280nm280nm范围内。范围内。K K吸收带的波长及强度与共体系的数目、吸收带的波长及强度与共体系的数目、位置、取代基的种类等有关。例如共轭双键愈多，深色移动愈显著，位置、取代基的种类等有关。例如共轭双键愈多，深色移动愈显著，甚至产生颜色。据此可以判断共轭体系的存在情况，这是紫外吸收光甚至产生颜色。据此可以判断共轭体系的存在情况，这是紫外吸收光谱的重要应用。谱

18、的重要应用。R R吸收带：吸收带：由由n *跃迁所引起的吸收带称为跃迁所引起的吸收带称为R R吸收带吸收带 从德文从德文Radikal(Radikal(基团基团) )得名得名 。R R吸收带的强度较弱吸收带的强度较弱( )( )。11max100cmmolL11cmmolL（3 3）芳香烃）芳香烃芳香族化合物为环状共轭体系：芳香族化合物为环状共轭体系： l苯在苯在185nm(47000 Lmol-1cm-1)和和204nm (7900 Lmol-1cm-1)处有两个强吸收带，分处有两个强吸收带，分 别称为别称为El和和E2吸收带，是由苯环结构中三个乙烯吸收带，是由苯环结构中三个乙烯 的环状共轭

19、系统的跃迁所产生的，是芳香族化合物的特征吸收。的环状共轭系统的跃迁所产生的，是芳香族化合物的特征吸收。l在在230270nm处处(256nm处处200 Lmol-1cm-1)还有较弱的一系列吸还有较弱的一系列吸收带，称为精细结构吸收带，亦称为收带，称为精细结构吸收带，亦称为B吸收带吸收带从德文从德文Benzenoid(苯的苯的)得名得名，这是由于跃迁和苯环的振动的重叠引起的。，这是由于跃迁和苯环的振动的重叠引起的。B吸收带的精细结构吸收带的精细结构常用来辨认芳香族化合物。常用来辨认芳香族化合物。l苯环与生色团连结时，有苯环与生色团连结时，有B和和K两种吸收带，有时还有两种吸收带，有时还有R吸收

20、带，其中吸收带，其中R吸收带的波长最长吸收带的波长最长 。生色团与助色团生色团与助色团生色团生色团(C(Chromophorehromophore) )： 最有用的紫外最有用的紫外可见光谱是由可见光谱是由和和n跃迁产生的跃迁产生的。这两种跃迁均要求有机物分子中含有不饱和基团。这类含。这两种跃迁均要求有机物分子中含有不饱和基团。这类含有有键的不饱和基团称为生色团。简单的生色团由双键或叁键的不饱和基团称为生色团。简单的生色团由双键或叁键体系组成，键体系组成，如乙烯基、羰基、亚硝基、偶氮基如乙烯基、羰基、亚硝基、偶氮基NN、乙炔基、腈基乙炔基、腈基CN等等。助色团助色团(A(Auxochromeux

21、ochrome) )： 有一些含有有一些含有n n电子的基团电子的基团(如如OH、OR、NH、NHR、X等等)，它们本身没有生色功能它们本身没有生色功能( (不能吸收不能吸收200nm200nm的光的光) )，但当它们与生色团相连时，就会发生，但当它们与生色团相连时，就会发生n n共轭作用共轭作用，增强生色团的生色能力，增强生色团的生色能力( (吸收波长向长波方向移动，且吸吸收波长向长波方向移动，且吸收强度增加收强度增加) )，这样的基团称为助色团。，这样的基团称为助色团。红移红移(Einstein shift)(Einstein shift)与蓝移与蓝移(Blueness shift)(Bl

22、ueness shift) 有机化合物的吸收谱带常常因有机化合物的吸收谱带常常因引入取代基或改变溶剂使最大吸收引入取代基或改变溶剂使最大吸收波长波长maxmax和吸收强度发生变化和吸收强度发生变化: : maxmax向长波方向移动称为向长波方向移动称为红移红移，向短波方向移动称为向短波方向移动称为蓝移蓝移。吸收强度即摩尔吸光系数吸收强度即摩尔吸光系数增大或增大或减小的现象分别称为减小的现象分别称为增色效应增色效应或或减减色效应色效应，如图所示。，如图所示。2.2.金属配合物的紫外金属配合物的紫外可见吸收光谱可见吸收光谱 金属离子与配位体反应生成配合物的颜色一般不同于游金属离子与配位体反应生成配

23、合物的颜色一般不同于游离金属离子离金属离子( (水合离子水合离子) )和配位体本身的颜色。金属配合物的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：生色机理主要有三种类型：配位体微扰的金属离子配位体微扰的金属离子d d一一d d电子跃迁和电子跃迁和一一电子跃迁电子跃迁 摩尔吸收系数摩尔吸收系数很小，对定量分析意义不大。很小，对定量分析意义不大。金属离子微扰的配位体内电子跃迁金属离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。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。若变化与成键性质有关，若静电引力

24、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。共价键和配位键结合，则变化非常明显。电荷转移吸收光谱电荷转移吸收光谱 在分光光度法中具有重要意义。在分光光度法中具有重要意义。电荷转移吸收光谱（荷移光谱）电荷转移吸收光谱（荷移光谱）1 当吸收紫外可见辐射后，分子中原定域在金属当吸收紫外可见辐射后，分子中原定域在金属M轨道上电荷的转移轨道上电荷的转移到配位体到配位体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产生的吸收光谱称为荷移光谱荷移光谱。1 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

25、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。接受体。1 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都较大(10 4左右左右)，适宜于微量金属的检出和测定。，适宜于微量金属的检出和测定。1 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。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：例：Fe3与与SCN形成血红色配合物，在形成血红色配合物，在490n

26、m处有强吸收峰。其处有强吸收峰。其实质是发生了如下反应：实质是发生了如下反应： Fe3 SCN h= Fe SCN 2 四、光的吸收定律四、光的吸收定律 1.1.朗伯朗伯比耳定律比耳定律(Law of LambertBeer)布格布格( (Bouguer) )和朗伯和朗伯( (Lambert) )先后于先后于17291729年和年和17601760年年阐明了光的吸收程度和吸收层厚度的关系。阐明了光的吸收程度和吸收层厚度的关系。A Ab b （动画（动画1）（动画（动画2） 18521852年比耳年比耳( (Beer) )又提出了光的吸收程度和吸收物又提出了光的吸收程度和吸收物浓度之间也具有类似

27、的关系。浓度之间也具有类似的关系。A A c c 二者的结合称为朗伯比耳定律，其数学表达式为：二者的结合称为朗伯比耳定律，其数学表达式为： 朗伯朗伯比耳定律数学表达式比耳定律数学表达式 Alg（I0/It)= b c 式中式中A：吸光度；描述溶液对光的吸收程度；吸光度；描述溶液对光的吸收程度； b：液层厚度液层厚度(光程长度光程长度)，通常以，通常以cm为单位；为单位； c：溶液的摩尔浓度，单位溶液的摩尔浓度，单位molL； ：摩尔吸光系数，单位摩尔吸光系数，单位Lmolcm； 或或: Alg（I0/It)= a b c c：溶液的浓度，单位溶液的浓度，单位gL a：吸光系数，单位吸光系数，单

28、位Lgcm a与与的关系为：的关系为： a =/M （M为摩尔质量）为摩尔质量） 透光度透光度( (透光率透光率) )T T透光度透光度T : 描述入射光透过溶液的程度描述入射光透过溶液的程度: T = I t / I0吸光度吸光度A与透光度与透光度T的关系的关系: A lg T 朗伯朗伯比耳定律是吸光光度法的理论基础和定量测定的比耳定律是吸光光度法的理论基础和定量测定的依据。应用于各种光度法的吸收测量；依据。应用于各种光度法的吸收测量； 摩尔吸光系数摩尔吸光系数在数值上等于浓度为在数值上等于浓度为1 mol/L、液层厚度液层厚度为为1cm时该溶液在某一波长下的吸光度；时该溶液在某一波长下的吸

29、光度； 吸光系数吸光系数a(Lg-1cm-1）相当于浓度为相当于浓度为1 g/L、液层厚度液层厚度为为1cm时该溶液在某一波长下的吸光度。时该溶液在某一波长下的吸光度。2.2.摩尔吸光系数摩尔吸光系数的讨论的讨论 （1 1）吸收物质在一定波长和溶剂条件下的）吸收物质在一定波长和溶剂条件下的特征常数特征常数； （2 2）不随浓度不随浓度c c和光程长度和光程长度b b的改变而改变的改变而改变。在温度和波。在温度和波长等条件一定时，长等条件一定时，仅与吸收物质本身的性质有关，与待测仅与吸收物质本身的性质有关，与待测物浓度无关；物浓度无关； （3 3）可作为）可作为定性鉴定的参数定性鉴定的参数； （

30、4）同一吸收物质在不同波长下的）同一吸收物质在不同波长下的值是不同的。在最大值是不同的。在最大吸收波长吸收波长max处的摩尔吸光系数，常以处的摩尔吸光系数，常以max表示。表示。max表明了表明了该该吸收物质最大限度的吸光能力吸收物质最大限度的吸光能力，也反映了光度法测定该物，也反映了光度法测定该物质可能达到的最大灵敏度。质可能达到的最大灵敏度。 摩尔吸光系数摩尔吸光系数的讨论的讨论（5 5）max越大表明该物质的吸光能力越强，用光度法测定越大表明该物质的吸光能力越强，用光度法测定该物质的灵敏度越高。该物质的灵敏度越高。105：超高灵敏；：超高灵敏； =(610）104 ：高灵敏；：高灵敏； 2104 ：不灵敏。：不灵敏。3.3.偏离朗伯偏离朗伯比耳定律的原因比耳定律的原因 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