紫外可见分光光度法

第十章紫外-可见分光光度法

紫外-可见分光光度法（Ultravioletandvisiblespectrophotometry,UV-VIS），又称紫外-可见吸收光谱法，研究物质分子对紫外-可见光的吸收情况进行定性、定量及结构分析的方法。紫外-可见光区分为远紫外(10~200nm)、近紫外(200~360nm)和可见部分(360~760nm)；由于远紫外的吸收测量必须在真空条件下进行，故使用受到限制；通常研究的是物质在近紫外-可见光范围的光谱行为。2022/12/1310-2nm10nm102nm104nm0.1cm10cm103cm105cm射线x射线红外光微波无线电波紫外--可见光在电磁波谱中的位置远紫外蓝黄紫红绿紫黄绿绿蓝橙红蓝绿光的互补性2022/12/132022/12/13§10－1分子光谱概述§10－2化合物电子光谱的产生讲授内容：1．分子光谱的产生（如何表述？）2．分子光谱分类（如何分类？）3．分子光谱的特征及表示方法（如何表示？）4．光吸收定律（基本形式是什么？）1．电子的跃迁类型、能量及其所在的波长区2．常用述语：生色团、助色团和吸收带3．各类有机化合物的紫外吸收光谱4．无机化合物的紫外－可见吸收光谱5．影响紫外－可见光谱的因素2022/12/13§10－3紫外－可见分光光度计§10－4紫外－可见分光光度法的应用1．紫外－可见分光光度计的基本组成部件（有哪些部件？）2．紫外－可见分光光度计的类型（有哪些？）1．定性分析（Woodward规则）（根据什么定性？）2．有机化合物的构形、构象测定3．有机化合物的纯度检查4．定量分析（单组份、多组份、其它分光光度方法）（定量分析的基本定律是什么？）5．紫外－可见分光光度法在溶液平衡研究中的应用2022/12/13§10－1分子光谱概述1．分子光谱的产生

M＋hνM*

△E＝hν

△E为正值产生吸收光谱，负值产生发射光谱

E分＝E电子＋E振动＋E转动由于转动和振动能级的存在，分子光谱为带光谱。若涉及分子电子能级的变化，则产生紫外-可见光谱；△E电子包含有△E振动和△E转动的变化。若涉及分子振动能级的变化，则产生红外光谱；△E振动包含有△E转动的变化。若只涉及△E转动的变化，则产生远红外光谱。2022/12/13图中:S0、S1、S2－能级(基态、单重激发态)；T1、T2－三重激发态；R－振动弛豫(10-12~10-13s)；A－吸收；E－共振发射(荧光)(10-7~10-9s)；F－荧光(10-7~10-9s)；P－磷光(10-3~10s)；H－非辐射传热(外部转换)；C－内部转换(10-12~10-13s)；X－体系跨越(10-6~10s)。2022/12/132022/12/132．分子光谱的分类(结合第一章讨论)分子吸收光谱

eV，波长250~25μm

振动光谱（红外光谱），0.05~1eV，μm

电子光谱（紫外-可见光谱），20~1eV，μm

分子发射光谱

电子光谱（分子荧光、磷光），20~1eV，μm

2022/12/133．吸收光谱的特征及表示方法吸收光谱又称吸收曲线。其横坐标用波长或频率表示，一定波长对应于一定的能量；物质的吸收峰相应于分子结构，是定性的依据。其纵坐标用光强的参数表示，如：透光率、吸光度、吸光系数等，是定量分析的依据。2022/12/134．光吸收定律：朗伯－比尔(Lambert－Beer)定律式中，A为吸光度，T为透光率，I0、I分别为入射光和透过光的强度；K为吸光系数，当c用物质的量浓度表示，b用厘米表示时，用ε代替K，称为摩尔吸光系数，单位为（L·mol-1·cm-1）；当c用百分浓度（g/100mL），b用厘米表示时，用E1cm1%表示K，称为比吸光系数。它们的关系如下：2022/12/13A是波长的函数，当bc=1时，A＝K，可见吸光系数也是波长的函数。物质在某一波长下的吸光系数，是物质对某一特定波长光吸收能力的衡量；吸光系数越大，吸光能力越强，测定时灵敏度越高。A(ε)ε增大2022/12/13(1)用原子轨道线性组合法产生出各个分子轨道；(2)把电子加到每个分子轨道中去，在每个分子轨道中最多加进两个电子，由此产生分子的电子组态；(3)把电子对加到最低能量轨道中去，从而产生最低能量的电子组态（基态电子组态）例：甲醛的分子轨道最高占有分子轨道最低空轨道电子基态§10－2化合物电子光谱的产生2022/12/13电子的多重态h+单重态（自旋配对）电子跃迁激发单重态（自旋配对）电子跃迁和自旋翻转h+单重态（自旋配对）三重态（自旋平行）2022/12/132．电子跃迁类型、能量及所在的波长区根据分子轨道和配位体场理论，化合物分子主要有六种类型的跃迁：

①σ→σ＊跃迁；有机化合②n→σ＊跃迁；物的跃迁③π→π＊跃迁；④n→π＊跃迁；无机化合⑤电荷转移跃迁（p-d跃迁）；物的跃迁⑥配位体场跃迁（d-d，f-f跃迁）。前四种跃迁的能量次序如下图：

σ→σ＊>n→σ＊>π→π＊>n→π＊2022/12/132022/12/13电荷转移跃迁：2022/12/132022/12/133．常用述语：发色团、助色团和吸收带①发色团：能导致化合物在紫外-可见光区产生吸收作用的基团，主要是含有不饱和键和未成对电子的基团。如-C=C-、-C=C-、>C=O、-N=O、-N=N-、-C=N、-C=C-C=C-等，相应于π→π＊；n→π＊；n→σ＊跃迁。说明：相同生色团，λmax相同，但随生色团的数目及助色团的不同有变，一般是随生色团数增加而波长增长；不同生色团，有不同的λmax，同一化合物中有几个不同的生色团时，吸收光谱上有几个吸收峰（但不一定能分开）。

②助色团：本身无吸收，但能使生色团吸收强度和波长发生改变的基团，通常是含有孤对电子的基团。如：-OH、-NH2、>NH、-CH3、-X、-OR等。n电子与生色团上的π电子作用（n-π共轭）使π＊的状态稳定，能量降低。2022/12/13③红移、蓝（紫）移、增色效应和减色效应由于在化合物中引入取代基、或改变溶剂、或引入增敏试剂等，使最大吸收波长移向长波方向为红移；移向短波方向为紫移。伴随强度增大或减小为增色效应或减色效应。④吸收带：吸收带是指吸收峰在光谱中的波带位置，根据电子及分子轨道理论，紫外-可见光区的吸收带有四种类型：R吸收带－由化合物中的n→π＊跃迁产生的吸收带。其强度小，ε<100；λmax位于较长波长处，>270nm。K吸收带－由共轭体系中π→π＊跃迁产生的吸收带。其强度大，ε>104；λmax比R带的短，一般>200nm。2022/12/13B吸收带－由苯环本身振动及闭合环状共轭双键π→π＊跃迁产生的吸收带。在230-270nm呈现一宽吸收带,且有精细结构；λmax255nm有ε约为200的弱吸收。E吸收带－由芳香族化合物的特征吸收，是苯环内三个乙烯基共轭的π→π＊跃迁产生的。分为E1、E2两个吸收带，E1大约在180nm，强度大于104，一般看不见；E2约在200nm，强度约为7000。当苯环上有共轭取代时，E2带常与K带合并，吸收峰移向长波方向。（苯乙酮的吸收光谱。）2022/12/132022/12/13芳香烃吸收带2022/12/132022/12/134．各类有机化合物的紫外吸收光谱①饱和化合物：σ→σ＊跃迁，λmax一般在150nm；当含有n电子的原子取代时产生n→σ＊跃迁，可使λmax增大，达到近紫外区(200~270nm)。②烯烃：有双键，产生π→π＊跃迁，λmax约在180nm；共轭体系中的π→π＊跃迁，对应K带吸收，ε大；π→π＊跃迁的λmax随共轭增长，移向长波方向，当有五个双键时，λmax达到可见光区。③醛酮：有＞C＝O基因，产生n→π＊；n→σ＊；π→π＊三种跃迁。n→π＊跃迁吸收带对应R带，其ε小，λmax位于较长波方向(300nm左右)。④芳香族：芳环共轭跃迁，由π→π＊跃迁产生，有三个吸收带，E1、E2和B带特征。随共轭增长吸收带红移。2022/12/135．无机化合物的紫外－可见（电子）光谱两种类型的跃迁产生无机化合物电子光谱：电荷迁移跃迁和配位体场跃迁（1）电荷转移吸收光谱 当分子同时具有电子给予体部分和电子接受体部分，它们在外来辐射的作用下，强烈地吸收紫外-可见光，电子从给予体外层轨道向接受体跃迁，这样产生的光谱称为电荷转移光谱。 一般说来，在配合物中，金属离子是电子接受体，配位体是电子给予体，例如

Fe3+-SCN-hνFe2+—SCN电子给予体电子接受体2022/12/13一些具有d10电子结构的过渡金属卤化物和硫化物的颜色就是这种跃迁产生的，如AgI，AgBr，PbI2，HgS等。 一些有机化合物也产生这类光谱，如其中，苯环为电子给予体、氧为电子接受体。 电荷转移吸收光谱的最大特点是摩尔吸光系数大，lgε>4。2022/12/13（2）配位体场吸收光谱

过渡金属离子与配位体形成配合物时，金属离子原来在先的d或f轨道发生分裂，成为几组能量不等的d或f轨道；在外来辐射的作用下，吸收紫外及可见光，处于低能态的d或f电子跃迁到高能态的d或f轨道上，这种跃迁称为配位场跃迁，由此产生的吸收光谱称为配位体场吸收光谱。例如配位体场对d-d跃迁的影响如下:2022/12/132022/12/13d-d跃迁产生的光谱2022/12/13f-f跃迁产生的光谱2022/12/136．影响紫外可见光谱的因素 简单地说，凡能影响分子能级变化的因素都会影响光谱，如改变轨道能级、共轭、加重、pH的影响等。（1）溶剂效应①成键和反键轨道及n电子受极性溶剂的影响，使各状态的能量发生改变。n电子的能量降低最大，其次是反键轨道。如下图：

2022/12/13溶剂对分子轨道能量的影响使得△E’π-π*<△Eπ-π*，π→π＊跃迁的吸收红移；△E’σ-σ*<△Eσ-σ*，σ→σ＊跃迁的吸收红移；△E’n-σ*>△En-σ*，n→σ＊跃迁的吸收紫移；

△E’n-π*>△En-π*

，n→π＊跃迁的吸收紫移。可以利用这一现象判断是哪类跃迁。2022/12/13②影响吸收强度和精细结构极性溶剂使精细结构消失，典型的例子是对称四嗪在不同溶剂中的吸收光谱（下图）。2022/12/13③溶剂的选择原则：(a)溶解样品；(b)在样品吸收的范围内无吸收；(c)尽量选用非极性溶剂。（2）空间效应如果一个共轭有机化合物的分子处于同一平面时，则各个生色团之间的相互作用可以达到最大，分子的激发能降低，吸收较长波长的光，且强度增大。2022/12/13（3）超共轭效应－使吸收峰移向长波方向共轭体系中烷基取代的-C-H键的σ轨道可与分子中的π轨道发生重叠，引起能量降低，吸收红移。（4）pH值的影响当物质含有酸性基团时，在碱介质中吸收红移；当物质含有碱性基团时，在酸介质中吸收蓝移。（5）吸收与结构的关系①共轭链越长（链、环），吸收红移越多，λ越大；非共轭的双键不产生红移；②含有极性共轭基团（醛、酮，例如：丁烯醛220nm，丁二烯217nm）的吸收偏于长波方向；2022/12/13③助色团越多，红移越大；④反式异构体λmax和ε都大于顺式（二苯乙烯：反式295nm,27000;顺式280nm,13500）；⑤烯醇式(272nm)比二酮式(243nm)偏向长波方向；⑥饱和化合物的吸收小于200nm，可作为溶剂；⑦芳香烃的二取代时，对位的吸收波长长；一个是推电子基团，另一个是拉电子基团时，颜色加深，红移大。2022/12/13§10－3紫外－可见分光光度计紫外-可见分光光度计组件光源单色器样品池检测器信号输出基本要求：光源强，能量分布均匀，稳定作用：将复合光色散成单色光棱镜光栅玻璃350~2500nm,石英185~4500nm平面透射光栅，反射光栅玻璃，光学玻璃，石英作用：将光信号转换为电信号，并放大光电管，光电倍增管，光电二极管，光导摄像管（多道分析器）表头、记录仪、屏幕、数字显示2022/12/13光路示意图2022/12/131．基本组成部件紫外－可见分光光度计，一般由五个部件组成：辐射源（光源）、单色器（波长选择器）、试样室（吸收池）、信号接收器（光电转换装置）、显示器（读数装置）。（1）辐射源（光源）

紫外：氢、氘灯发射160~375nm的连续光。

可见：钨灯或碘钨灯发射320~2500nm的连续光。此外，氙灯适合于紫外和可见部分，发射250~750nm的连续光。（2）单色器棱镜和光栅单色器都有用。2022/12/13（3）吸收池紫外：用石英比色皿可见：用光学玻璃比色皿注意：不能擦洗，只能用溶剂泡洗；不能用手拿光学面；放入试样室时必须用滤纸（或镜头纸）吸干外面的溶液；盛溶液时只装2/3。（4）信号接收器光电池、光电管、光电倍增管。（5）读出装置数字显示、检流计、表头等。2．分光光度计的类型（见书p116）①单光束分光光度计：一般分光光度计②双光束分光光度计：在单色器后，用转动的扇形镜（斩光器）将光束分为两个光束；可以消除光源强度变化带来的误差。一般自动记录式分光光度计，是双光束的。2022/12/13③双波长分光光度计：使用了两个单色器，得到波长不同的两束光，分别照射试样溶液，得到不同波长下的吸光度的差值。可以测定高浓度试样、浑浊试样以及多组分的测定，导数分光光度法等。④多道分光光度计：在单光束分光光度计的基础上，采用多道光子检测器。可以快速扫描，跟踪化学反应过程，以研究化学反应机理；可以作为其它仪器分析方法的检测器（电泳、液相色谱）。2022/12/13单波长单光束分光光度计0.575光源单色器吸收池检测器显示比值光源单色器吸收池检测器显示光束分裂器单波长双光束分光光度计2022/12/132022/12/13§10－4紫外－可见分光光度法的应用——定性、定量、结构分析及物理常数的测定1．定性分析如前所说，溶剂作用：在极性溶剂中，物质吸收如果红移，则物质具有π电子，由π→π＊跃迁产生；如果吸收紫移，则物质含有n电子，由n→π＊跃迁产生。如果物质在碱中吸收红移，则含有酸性基团；如果物质在酸中吸收紫移，则含有碱性基团。定性分析的步骤：提纯；测定吸收、绘制光谱图；对比、验证。2022/12/13①利用纯化合物的吸收光谱－光谱形状、吸收峰的数目、最大吸收波长λmax及其摩尔吸光系数ελmax，进行功能团的定性；进一步利用标准化合物或标准图谱－如Sadtler紫外标准图谱进行比较(46000种)；利用经验规律（Woodward规则等）及不类同化合物的吸收特征进行复核；还应比较它们的摩尔吸光系数或比吸收系数；最后，应用其它物理或物理化学分析方法进行对照和验证才能确定。有相同吸收峰，并不一定是同一化合物。②

Woodward和Fieser规则是计算有机化合物最大吸收波长的经验规律。二烯及共轭二烯λmax的计算规则不饱和羰基化合物λmax的计算规则2022/12/13(1)(3)2022/12/132022/12/13α、β不饱和羰基化合物(2)(4)2022/12/132．有机化合物构型、构象的测定顺反异构体的判别：（如前空间效应中的二苯乙烯）互变异构现象：共轭的烯醇式吸收波长长并强度大，如乙酰乙酸乙酯，酮式吸收λmax=204nm，烯醇式λmax＝243nmελmax=18000。但应注意的是，不同异构体所占比例依赖于溶剂的性质，在极性溶剂中，酮式占优势，在非极性溶剂中，烯醇式占优势。构象的判别。3．化合物中纯度的检查根据最大吸收波长下的吸光度，利用比尔定律直接测定物质含量；还可以根据摩尔吸光系数的特性对物质纯度进行检查。2022/12/134．定量分析（1）单组分分析：标准曲线法或标准比较法（2）多组分的分析：①当各组分的吸收光谱不重叠时，如单组分测定。②若两组分的吸收光谱互相重叠时，可以根据吸光度的加和性，在多个波长下测定吸光度并利用解联立方程方法求解。即解两方程即可求出组份A和B的浓度。也可以利用双波长分光光度法或导数分光光度法等新方法测定。2022/12/132022/12/13（3）其它分光光度分析法①双波长分光光度法a．双波长等吸收法：当光谱重叠、但两组份的两吸收峰在测定波长范围内重叠时，在其光谱中选择两波长，在选定的波长处，干扰组分有相同的吸收；被测组分与干扰组分的吸收有足够大的差别。则两波长处吸光度的差值与被测组份的浓度成正比。2022/12/13因为所以可见，在双波长分光光度法中吸光度的差值与干扰组份无关。2022/12/13b．比例系数双波长法：当光谱重叠、但干扰组份的吸收峰不在测定波长范围内的两组份共存时，在其光谱中选择两波长，在选定的波长处，干扰组分的吸收与测定波长处的吸收存在一定比例，即，且；被测组分与干扰组分的吸收有足够大的差别。则两波长处吸光度的差值与被测组份的浓度成正比。2022/12/132022/12/13③导数分光光度法导数分光光度法是利用自动电路对光谱进行求导，其导数信号与浓度成正比，即同样高阶导数光谱信号也与浓度成正比。导数光谱可以消除干扰物质的光谱重叠、胶体和浑浊溶液对光散射及背景吸收的影响。2022/12/13奇数阶导数光谱中的零，偶数阶导数光谱中的极值（极大或极小），对应于常规吸收曲线上的最大值。2022/12/13

随着导数阶数增加，吸收峰的尖锐程度增大，带宽减小，因此有利于重叠峰的分离、有利于肩峰的测定、并能准确地确定宽吸收带上的最大吸收波长。此外应该明确的是：导数光谱的分辨率随导数阶数的增加而增加，信噪比随着导数阶数的增加而减小。导数峰的测量有：峰－谷法基线法峰－零法2022/12/13（4）光度滴定法以某波长下，滴定过程中吸光度的变化来确定滴定终点的滴定分析方法。这种方法的条件是：被滴物或滴定剂与产物的吸光度有显著差别。εx、εp、εt分别为被滴物、产物、滴定剂的摩尔吸光系数。光度滴定法的特点：准确度和精密度较一般光度法好；可适合浓溶液也适合于稀溶液；应用广泛。2022/12/13光度滴定曲线：εx、εp、εt分别为被滴物、产物、滴定剂的摩尔吸光系数2022/12/135．分光光度法在溶液平衡研究中的应用（1）络合物组成的确定和稳定常数的测定a．摩尔比法

设络合物MRn的生成反应为M、R不应干扰MRn的吸光度的测定。配制一系列固定M组分的浓度，改变R组分的浓度的溶液，而后在MRn的最大吸收波长处测定各混合溶液的吸光度。以吸光度A对加入溶液中R和M的浓度之比作图，转拆点的cR/cM对应于络合物的组成比n（如下图）。M＋nRMRn2022/12/13摩尔比法测定络合物的组成2022/12/13利用此法的结果，可以计算其生成常数βn。根据络合物的形成平衡，当M全部生成MRn时，浓度为cM，对应于Amax；当加入的R刚好与生成MRn的化学计量相等时，由于离解使