第九章 紫外可见光谱法

第九章紫外吸收光谱分析

(UltravioletSpectrophotometry)9.1紫外可见吸收光谱原理9.2紫外可见分光光度计9.3紫外可见吸收光谱法的应用本章重点紫外吸收光谱的基本原理光吸收基本定律影响紫外吸收光谱的因素紫外吸收光谱仪的结构紫外可见吸收光谱法的应用波谱区-射线波长5~140pm跃迁类型核能级X-射线远紫外光10-3~10nm10~200nm原子内层电子近紫外光可见光200~400nm400~750nm原子外层电子/分子成键电子UV-Vis紫外可见吸收光谱法是基于物质对200～750nm光谱区辐射的吸收特性建立起来的分析测定方法。紫外吸收光谱法的基本特点：1.灵敏度高。检出限低（10-7～10-4gml-1）。2.准确度较高。3.仪器价格便宜，操作简单。4.应用范围广。主要应用于共轭体系及芳香族化合物的分析。光谱图比较简单，峰形较宽。一般来说，利用紫外吸收光谱进行定性分析信号较少。常用于共轭体系的定量分析。在分子中存在着电子的运动，以及组成分子的各原子间的振动和整个分子的转动。分子的总能量等于这三种运动能量之和：E分子=E电子+E振动+E转动1．分子吸收光谱的产生9.1紫外-可见吸收光谱这三种运动状态对应的能级：电子能级、振动能级和转动能级。其中电子能级的间距最大，振动能级次之，转动能级的间距最小。当用光照射分子时，若光的能量等于分子某两个能级的能量差，分子由较低的能级跃迁到较高能级上，产生吸收。分子就要选择性的吸收某些波长（频率）的光。紫外-可见光谱的产生是由外层价电子能级跃迁所致，其能级差的大小决定了:

（1）吸收峰的强度

（2）吸收峰的数目

（3）吸收峰的位置

（4）吸收峰的形状

分子吸收光谱类型有：远红外光谱、红外光谱及紫外-可见光谱三类。每一种物质对不同波长光的吸收程度不同。当各种不同波长的光分别通过被测物质，分别测定物质的吸收程度。以波长为横坐标，吸收程度A为纵坐标作图所得曲线叫吸收光谱又称吸收曲线。

2.吸收光谱紫外-可见吸收光谱中包含分子的化学键信息。其吸收峰的位置与分子中特定的功能基团密切相关，是有机化合物、无机配位化合物、生物分子的有效定性、定量分析手段。

最大吸收峰所对应的波长称为λmax，相应的摩尔吸收系数为εmax。曲线中的谷称为吸收谷或最小吸收(λmin),有时在曲线中还可看到肩峰（sh）。

3．吸收曲线的特点

由于每个电子能级上耦合有许多的振-转能级，所以吸收光谱具有“带状吸收”的特点。

1）不同的物质，吸收曲线的形状不同，最大吸收波长λmax不同。2）对同一物质，其浓度不同时，吸收曲线形状和最大吸收波长不变，只是吸收程度要发生变化，表现在曲线上就是曲线的高低发生变化。

3）吸收曲线是定量分析中选择入射光波长的重要依据。在λmax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,测定最灵敏。4）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。通常将在最大吸收波长处测得的摩尔吸光系数εmax也作为定性的依据。不同物质的λmax有时可能相同，但εmax不一定相同.原子吸收产生的特征频率少，光谱比分子吸收光谱简单。原子吸收光谱是线光谱，分子吸收光谱为连续光谱。Didyounoticethat??原子吸收和分子吸收光谱的区别？三种主要价电子：σ电子→饱和的σ键π电子→不饱和的π键n电子→未参与成键的孤对电子分子轨道有成键轨道与反键轨道。它们的能级高低为：σ<π<n<π*<σ*9.1.1有机化合物的紫外吸收光谱*n*n***n*

**可以产生六种电子跃迁：σ→σ*、σ→π*、π→σ*、π→π*、n→σ*、n→π*。1、电子的跃迁类型VacuumultravioleradianNearultravioleradiationVisiblelight

→*π→π*n→*n→π*n→π*Chargetransferλ/nmWavelengthregionandintensityofCommonelectronictransitionsσ→σ*～150nmn→σ*

～200nmπ→π*～200nm(孤立双键)n→π*～300nm跃迁能量大小：n→σ*>π→π*>

n→π*σ→σ*、σ→π*、π→σ*跃迁所需的能量较大，其相应的吸收光谱<200nm,一般的仪器难以测量。紫外-可见吸收光谱分析中，有机化合物的吸收光谱主要由π→π*、n→σ*、n→π*及电荷转移跃迁产生。

1.n→σ*跃迁

由含氧，氮，硫，卤素等杂原子饱和基团（—OH，—NH2,—SH，—X等）化合物产生。摩尔吸光系数较小，λ150~250nm（远、近紫外区）。2.π→π*跃迁

不饱和基团（-C=C-，-C=O），摩尔吸光系数较大（≥104Lmol-1cm-1)，λ~200nm(近紫外区）。-*和n-*跃迁的能量小，相应波长出现在近紫外区甚至可见光区，对光的吸收强烈，是我们的研究重点。含杂原子不饱和基团（-C=O，-C=S，-N=N-，-C≡N，-N=O）产生。能量最小，摩尔吸光系数较小（<100Lmol-1cm-1)。λ200-400nm（近紫外区甚至可见光区）。3.n→π*跃迁电荷转移跃迁见P235。

9.1.2无机化合物的紫外吸收光谱9.1.2.1电荷迁移跃迁Mn++Lb-

M(n-1)+—L(b+1)-h{Fe3+—SCN-]2+[Fe2+—SCN]2+h9.1.2.2

配位场跃迁（d-d跃迁，f-f跃迁）中心离子为电子受体，配体是电子给体。

9.1.3常用术语与谱带分类9.1.3.1生色团

能吸收紫外-可见光的基团叫生色团。对有机化合物：主要为具有不饱和键和未成对电子的基团。例：

注：当分子中出现几个发色团，它们不共轭，吸收光谱由这些的发色团吸收带组成；如果共轭则几个发色团所产生的吸收带将消失，代之出现新的共轭吸收带，其波长将比单个发色团的吸收波长长，强度也增强。常见生色团的吸光特性见表9-1。9.1.3.2助色团本身无紫外吸收，但可以使生色团吸收峰加强同时使吸收峰红移的基团。对有机化合物主要为连有杂原子的饱和基团。例：—OH，—OR，—NH2，—NR2，—X等。常见助色团的助色顺序：-F<-CH3<-Br<-OH<-OCH3<-NH2<-NHCH3<-N(CH3)2<-NHC6H5<-O-

9.1.3.3

红移和蓝移

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会移动。向长波方向移动叫红移；向短波方向移动叫蓝移。9.1.3.4

增色效应和减色效应

增色效应：吸收强度（摩尔吸光系数）增强。减色效应：吸收强度减小的效应。9.1.3.5

强带和弱带

εmax>105→强带εmax<103→弱带(1)R带[来自德文Radikalartig(基团)]由n-*跃迁引起,或者说由带孤对电子的发色团产生。特点：①λmax200~400nm，吸收强度弱,εmax＜100；②溶剂极性↑时，λmax发生蓝移。吸收带分类

(2)K带[来自德文Konjugierte(共轭)]由共轭体系的π-*跃迁引起。共轭双烯、α,β－不饱和醛/酮、芳香族醛/酮以及被发色团取代的苯（如苯乙烯）等，都有K带吸收。K带是最重要的UV吸收带之一，应用最多。特点：①λmax210－270nm，吸收很强，εmax＞10000；②溶剂极性↑，λmax不变(双烯)或发生红移(烯酮)。3）B带—德文Benzienoid(苯系)由苯环的-*跃迁引起，是芳香族化合物的特征吸收。特点：＊宽峰，有精细结构(苯的B带在230－270nm，中心在256nm左右)；但是在极性溶剂中精细结构会消失。＊εmax偏低：250＜ε＜3000(苯为215)。4）E带-Ethylenic(乙烯型)

芳香族化合物的特征吸收。分为E1和E2两个吸收带：E1带：由苯环乙烯键电子*跃迁产生，吸收峰在184nm，lg＞4。E1带特强，无精细结构。E2带：由苯环共轭二烯键电子*跃迁产生，吸收峰在204nm，lg=4（约为7900）,中等强度。有不清晰的精细结构。苯环最重要的吸收带是B带，虽然强度不高但具有精细结构很典型，是苯最重要的吸收带，又称苯型带。E1带：

*184nm(＞10000)E2带：

*203nm(≈7400)B带：

*254nm(≈200)识别上述几种吸收带，对推导有机化合物的结构有很大帮助。苯环上引入取代基并和苯环共轭时，E带和B带红移，但E2一般不超过210nm。如果超过210nm，E带将衍变为K带。

9.1.4.影响因素共轭效应使得各能级间的能量差减小，吸收波长红移。吸光度也增强。9.1.4.1共轭效应溶剂极性↑，精细结构消失。9.1.4.2溶剂效应1.溶剂极性对光谱精细结构的影响改变溶剂的极性，会引起吸收带形状、最大吸收波长吸收强度及精细结构（finestructure）发生变化。

2.溶剂极性对π-π*跃迁的影响

溶剂极性增大，λmax红移；3.溶剂极性对n-π*跃迁的影响溶剂极性↑，λmax蓝移；π→π*跃迁的吸收峰在下列哪种溶剂中测量，其最大吸收波长最大？

（1）水

（2）甲醇

（3）乙醇

（4）正己烷★掌握溶剂极性对π-π*、n-π*两种跃迁的影响及原因★会区分π-π*、n-π*跃迁的两种吸收带由于溶剂对电子光谱图影响很大，因此，在吸收光谱图上或数据表中必须注明所用的溶剂。在进行紫外光谱法分析时，必须正确选择溶剂。4.溶剂的选择1.极性适当；尽量选用非极性或低极性溶剂.2.溶解度好，溶液稳定。3.纯度高；4.溶剂在试样的吸收光谱区无明显吸收。截止波长<λmax.详见表9-3（a）苯酚的UV光谱图（b）苯胺的UV光谱图9.1.4.3pH的影响

如果化合物在不同pH下存在不同型体，其吸收峰位置会随pH的改变而改变。9.2紫外及可见分光光度计9.2.1分光光度计的结构A光源单色器吸收池检测器显示器

热辐射光源用于可见光区和近红外区。如钨灯、卤钨灯(碘钨灯),可使用范围320~2500nm。气体放电光源用于紫外光区，如氢灯、氘灯和氙灯（200~360nm）。另外，为了使光源发出的光在测量时稳定，光源的供电一般都要用稳压电源，即加一个稳压器。1.光源

用于提供足够强度和稳定的连续光谱。常用光源有热辐射光源和气体放电光源两类。单色器包括狭缝、准直镜、色散元件。能从光源辐射的复合光中分出单色光，其主要功能：产生光谱纯度高的光波且波长在紫外可见区域内任意可调。2．单色器棱镜有玻璃和石英两种材料。玻璃可吸收紫外光，玻璃棱镜只能用于350~3200nm的波长范围，即可见光域内。石英棱镜可使用的波长从185~4000nm，可用于紫外、可见和近红外三个光域。光栅是利用光的衍射与干涉作用制成的，是光的衍射与干涉的总效果。它可用于紫外、可见及红外光域，而且在整个波长区具有良好的、几乎均匀一致的分辨能力。棱镜和光栅产生的光谱主要区别：（1）光栅光谱是均匀排列光谱，棱镜光谱是非均匀排列光谱.（2）光栅光谱中各谱线排列是由紫到红，棱镜光谱中各谱线排列是由红到紫。（3）光栅光谱有级，极与极之间有重叠现象，棱镜光谱没有这种现象。（4）光栅适用的范围比棱镜宽。

3．吸收池

玻璃—能吸收UV光，仅适用于可见光区石英—不吸收紫外光，适用于紫外和可见光区要求：匹配性（对光的吸收和反射应一致）4．检测器光电池光电管（红敏和蓝敏）光电倍增管二极管阵列检测器光电管：是在抽成真空或充有惰性气体的玻璃或石英泡内装上2个电极构成；光电倍增管：是一个非常灵敏的光电器件，可以把微弱的光转换成电流。它利用二次电子发射以放大光电流，放大倍数可达到108倍。

P2439.2.2.1.单光束型9.2.2仪器类型：特点：结构简单，价格便宜。主要适用于定量分析，而不适用于定性分析。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，另外，结果受电源的波动影响较大。要求光源和检测器具有很高的稳定性。9.2.2.2

单波长双光束分光光度计比值光源单色器吸收池检测器显示光束分裂器自动比较了透过参比溶液和样品溶液的光的强度，它不受光源（电源）变化的影响。能进行波长扫描，并自动记录各波长下的吸光度，并很快得到试液的吸收光谱。能用于定性分析。特别适合结构分析。双光束分光光度计特点：光源单色器单色器检测器切光器狭缝吸收池9.2.2.3双光束双波长分光光度计9.2.2.4多通道分光光度计

见教材。将不同波长的两束单色光(λ1、λ2)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。△=1～2nm。两波长同时扫描即可获得导数光谱。2.光吸收基本定律Beer’slaw(ortheBeer-Lambertlaw)wheretheconcentrationc,isusuallygiveninMandthepathlengthofthesample,b,incm,εisthemolarabsorptivityandisgivenin

M-1cm-1A=abcAAxCxC当吸光度在0.2～0.8之间时，测量误差较小。当T=0.368或A=0.434时，测量误差最小。控制适当的吸光度范围.9.3.1.1比较法定性鉴别的依据：

特征吸收光谱的形状→吸收峰的数目→吸收峰的位置→吸收峰的强度(相应的吸光系数)。在相同的测定条件下，比较未知试样与已知标准物的吸收光谱。9.3.1定性分析比较光谱时,溶剂要相同.9.3紫外-可见光谱的应用9.3.1.2最大吸收波长计算法1.利用Woodward-Fieser经验规（伍德沃德规则）求最大吸收波长适用于共轭二烯、三烯、四烯及共轭烯酮类化合物的π-π*跃迁的最大吸收波长的计算。方法：找到母体，得到其最大吸收基数，然后对连接在母体π电子体系上的取代基及其他结构因素加以修正，即加上这些取代基的相应的波长数。延伸双键30环外双键5

共轭体系上取代烷基5OR6SR30Cl,Br5位移增量（nm）:1）共轭二烯最大吸收位置的计算母体：非环或异环二烯烃基准值214nm同环二烯烃基准值253nm注：如果化合物是同时具有两种母体的二烯烃体系，则选择波长长的作为母体，即选同环二烯烃，其基数取253nm。

基值

214四个烷基取代4520二个环外双键2510计算值(max)244nm实测值(max)247nm例1（p250例二）

基值

214五个烷基取代5525二个环外双键2510共轭双键延长13030计算值(max)279nm例2abbcdeABC2），不饱和酮最大吸收位置的计算值六元环或非环，不饱和酮基准值215nm位移增量（nm）同环共轭双键39环外双键（C=C）5延伸双键30具体见表9-5共轭体系上取代基α：10；β：12；γ位或更高位：18OCORαβγδ：6OHα：35；β：30；γ：50Clα：15：β：12Brα：25；β：30NR2β：952.Fieser-Kuhn经验规则3.Scott经验规则见教材251页。不要求。9.3.2结构分析光吸收定律：朗伯—比耳定律

当强度为I0的一定波长的单色入射光通过装有均匀待测物的溶液介质时，该光束将被部分吸收Ia，部分反射Ir，余下的则通过待测物溶液It。反射光强度与器皿及溶液性质有关，在相同的测定条件下，可忽略不记：9.3.3定量分析

吸光物质的吸光度正比于其浓度c：A=-lgT=Kbc

9.3.3.1单组分的测定

标准曲线法是应用最多的一种方法。配制一系列不同含量的待测组分的标准溶液，以不含待测组分的空白溶液为参比，测定标准溶液的吸光度。绘制吸光度—浓度曲线，得到标准曲线（工作曲线）。然后在相同条件下测定试样溶液的吸光度。由测得的吸光度在曲线上查得待测组分的浓度，最后计算得到试样中待测组分的含量