第三章-紫外-可见分光光度法

第二章

紫外-可见分光光度法(UV-vis)第一节光谱基础一、定义；二、特点；三、产生；四、光的吸收定律。1一、紫外-可见分光光度法定义：

研究物质在

紫外、可见光区

的分子吸收光谱

的分析方法称为紫外-可见分光光度法，又称为紫外-可见(分子)吸收光谱法。紫外-可见分光光度法是利用某些物质的分子吸收200~800nm光谱区的辐射来进行分析测定的方法。

2这种分子吸收光谱产生于价电子在电子能级间的跃迁，广泛用于无机和有机物质的定性和定量测定。

吸收光的波长范围：200-800nm:(1)（近）紫外光区:

200-400nm(2)可见光区:400-800nm

(3)远紫外区：10-200nm3二、紫外-可见分光光度法特点1仪器设备和操作都比较简单，价格低，分析速度较快。2灵敏度较高。3有较好的选择性。通过适当地选择测量条件，一般可在多种组分共存的体系中，对某一种物质进行测定。44精密度和准确度较高。在仪器设备和其他测量条件较好的情况下，其相对误差可减小到1％一2％。5用途广泛。医药、化工、冶金、环境保护、地质等诸多领域---已成为必不可少的测试手段之一。5三、紫外-可见吸收光谱的产生

1.分子吸收光谱的产生——由能级间的跃迁引起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具有三种不同能级：电子能级、振动能级和转动能级

6三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E＝Ee+Ev+Er

分子内运动涉及三种跃迁能级，所需能量大小顺序：

ΔΕe>ΔΕv>ΔΕr

7

若用一连续的电磁辐射照射样品分子，将照射前后的光强度变化转变为电信号并记录下来，就可得到光强度变化对波长的关系曲线，即为分子吸收光谱。跃迁：电子受激发，从低能级转移到高能级的过程。

分子只有选择性的吸收(hν=△E)某些波长（频率）的光才能由较低的能级跃迁到较高能级上。

8（1）转动能级间的能量差ΔEr：0.005～0.050eV，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；（2）振动能级的能量差ΔEv约为：0.05～１eV，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；（3）电子能级的能量差ΔEe较大1～20eV。电子跃迁产生的吸收光谱在紫外-可见光区，称为紫外-可见光谱或分子的电子光谱2．能级跃迁的讨论9

（4）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，是物质定性的依据。（5）吸收谱带的强度与分子偶极矩变化、跃迁概率有关，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。

（6）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。10

由于分子吸收紫外-可见光区的电磁辐射，分子中价电子（或外层电子）的能级跃迁而产生紫外-可见吸收光谱。

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，即带状光谱。（线状光谱）3．紫外-可见吸收光谱的产生11四、光的吸收定律

1.朗伯—比耳定律

布格(Bouguer)和朗伯(Lambert)先后于1729年和1760年阐明了光的吸收程度和吸收层厚度的关系。A∝Ｌ

1852年比耳(Beer)又提出了光的吸收程度和吸收物浓度之间也具有类似的关系。A∝c

二者的结合称为朗伯—比耳定律，其数学表达式为：

12朗伯—比耳定律数学表达式

A＝lg（I0/It)=ELc

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：溶液的浓度；

E：吸光系数；

132．吸光系数E常有两种表示法：

1）摩尔吸光系数ε(单位：L·mol-1

·cm-1

)，：在一定λ下，C=1mol/L，L=1cm时的吸光度。

2）百分含量吸光系数或比吸光系数

(单位：100mL·g-1·cm-1

)

：在一定λ下，C=1g/100mL，L=1cm时的吸光度。

3）两者关系：14透光度(透光率)T透光度T:描述入射光透过溶液的程度:

T=It/I0吸光度A与透光度T的关系:

A＝－lgT

朗伯—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；153.摩尔吸光系数ε的讨论

（1）吸收物质在一定波长和溶剂条件下的特征常数；

（2）不随浓度c和光程长度Ｌ的改变而改变。在温度和波长等条件一定时，ε仅与吸收物质本身的性质有关，与待测物浓度无关；

（3）可作为定性鉴定的参数；

（4）同一吸收物质在不同波长下的ε值是不同的。在最大吸收波长λmax处的摩尔吸光系数，常以εmax表示。16εmax表明了该吸收物质最大限度的吸光能力，也反映了光度法测定该物质可能达到的最大灵敏度。

（5）εmax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。ε>104：强吸收；102＜ε＜

10

4：中强吸收；

ε<102：弱吸收。174、偏离朗伯—比耳定律的原因（了解）

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—比耳定律的偏离。引起这种偏离的因素（两大类）：（1）物理性因素，即仪器的非理想引起的；（2）化学性因素。18（1）物理性因素难以获得真正的纯单色光。朗伯—比耳定律的前提条件之一是入射光为单色光。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、非平行入射光都会引起对朗伯—比耳定律的偏离，其中非单色光是引起偏离的最主要的因素。

19(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；只有在稀溶液(c<10-2mol/L)时才基本符合。当溶液浓度c>10－2mol/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：朗伯—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、配合物的形成等化学平衡时。使吸光质点的浓度发生变化，影响吸光度。

例：铬酸盐或重铬酸盐溶液中存在下列平衡：

CrO42-＋2H＋

=Cr2O72-＋H2O溶液中CrO42-、Cr2O72-的颜色不同，吸光性质也不相同。故此时溶液pH对测定有重要影响。20第二章

紫外-可见分光光度法一、紫外-可见分光光度计的类型二、构成第二节

紫外-可见分光光度计21一、紫外-可见分光光度计的类型1.单光束

优点：简单，价廉，适于在给定波长处测量吸光度或透光度。缺点：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。222.双光束

优点：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。仪器复杂，价格较高。是目前用的最多的分光光度计。233.双波长

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。产生交替信号。无需参比池。△=1～2nm。两波长同时扫描即可获得导数光谱。光源检测器单色器单色器切光器吸收池双波长分光光度计示意图24优点：

⑴利用吸光度差值定量：

△A＝（ελ1－ελ2）CL；

⑵消除干扰和吸收池不匹配引起的误差（即可以扣除背景吸收）；

⑶可以测定较高浓度的样品溶液。25仪器可见分光光度计二、基本组成26仪器紫外-可见分光光度计27光源单色器样品室检测器显示1.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320～2500nm。现多用碘钨灯。

紫外区：氢、氘灯。发射185～400nm的连续光谱。现多用氘灯。28

2.单色器

单色器是从连续光谱中获得所需单色光的装置。常用的有棱镜和光栅两种单色器。棱镜单色器的缺点是色散率随波长变化，得到的光谱呈非均匀排列，而且传递光的效率较低。光栅单色器在整个光学光谱区具有良好的几乎相同的色散能力。因此，现代紫外-可见分光光度计上多采用光栅单色器。包括以下部分：

29

①入射狭缝：光源的光由此进入单色器；②准光装置：透镜或返射镜使入射光成为平行光束；③色散元件：将复合光分解成单色光：棱镜或光栅；④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；⑤出射狭缝。30313.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，也可用石英池。要求：两个的透光率相差要小于0.5％。32玻璃360nm2.25mm33石英200nm2.5mm34吸收池的形状波长范围、使用注意事项：容易破碎可拆卸圆形测量池两面透光圆形测量池两面透光1cm长方形测量池两面透光气体测量池两面透光微量测量池两面透光流动测量池两面透光354.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.结果显示记录系统检流计、数字显示、微机进行仪器自动控制和结果处理36第二章

紫外-可见分光光度法(UV-vis)第三节

吸收带类型

与溶剂效应一、电子跃迁类型；

二、吸收带类型；

三、常用术语；

四、溶剂的影响；

37

有机化合物的紫外-可见吸收光谱是三种电子、四种跃迁的结果：σ电子、π电子、n电子。示意图分子轨道理论：一个成键轨道必定有一个相应的反键轨道。通常外层电子均处于分子轨道的基态，即成键轨道或非键轨道上。外层电子吸收紫外或可见辐射后，就从基态向激发态(反键轨道)跃迁。主要有四种跃迁，所需能量ΔΕ大小顺序为：n→π＊<π→π＊<n→σ＊<σ→σ＊

一、紫外-可见吸收光谱的电子跃迁类型381、σ→σ＊跃迁

所需能量最大，σ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。吸收波长λ<200nm。例：甲烷λmax为125nm,乙烷λmax为135nm，环丙烷（饱和烃中最长）λmax为190nm。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。39

所需能量较大。吸收波长为150～250nm，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→σ*跃迁。如一氯甲烷、甲醇、三甲基胺n→σ*跃迁的λ分别为173nm、183nm和227nm。2、n→σ＊跃迁403、π→π＊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εmax一般在104L·mol－1·cm－1以上，属于强吸收、允许跃迁。

不饱和烃、共轭烯烃和芳香烃类均可发生该类跃迁。

如：乙烯π→π*跃迁的λ为175nm，

εmax为:1×104L·mol-1·cm－1。414、n→π＊跃迁

需能量最低，吸收波长λ>200nm。摩尔吸光系数一般为10～100L·mol-1·cm-1，吸收谱带强度较弱，禁阻跃迁。

分子中同时存在孤对电子和π键时发生n→π＊

跃迁。如：C=O，N=N，N=O，C=S丙酮n→π＊跃迁的λ为275nmεmax为22L·mol-1·cm-1（溶剂环己烷)。42综上所述：☆紫外-可见光谱电子跃迁类型包括：n—π*跃迁和

π—π*跃迁☆饱和化合物无紫外吸收☆电子跃迁类型与分子结构及存在基团有密切联系：

﹡根据分子结构→推测可能产生的电子跃迁类型；

﹡根据吸收谱带波长和电子跃迁类型→推测分子中可能存在的基团（分子结构鉴定）43二、吸收带类型1．R带:(由德语Radikal而来，是基团的意思)

由含杂原子的不饱和基团的n→π*跃迁产生如：C＝O；C＝N；—N＝N—

△E小，λmax250~400nm，εmax<100

弱吸收，禁阻跃迁。44175nm

210nm

₃

₁

₂

2．K带:(由德语Konjugation而来，是共轭的意思)

由共轭非封闭体系中双键的π→π*跃迁产生如：(—CH＝CH—)n，—CH＝C—CO—λmax>200nm，εmax>104强吸收共轭体系增长，λmax↑→红移，εmax↑45

3．B带：(苯吸收带)

由π→π*跃迁产生，是芳香族化合物的主要特征吸收带，在230～270nm(λmax=254nm)之间出现精细结构吸收，又称苯的多重吸收。

464．E带：(EthyleneicBand)

由封闭共轭体系的π→π*跃迁产生，是芳香族化合物的特征吸收带。E1180nmεmax>104

（常观察不到）E2200nmεmax=7000

中强吸收475、电荷转移跃迁吸收带（主要指一些无机化合物）

电荷转移跃迁：一个电子从体系中的电子给予体部分转移到该体系中的电子接受体产生的跃迁。跃迁所产生的吸收带称为电荷转移吸收带。特点：吸收强度大（εmax>104L·mol-1·cm-1）。

适宜于微量金属的检出和测定。

在分光光度法中具有重要意义。48491、吸收光谱（吸收曲线）

不同波长光对样品作用不同，吸收强度不同。以A~λ作图即得到物质的吸收光谱曲线。几个术语：

吸收峰；

最大吸收波长(λmax)；

最小吸收波长(λmin)；

肩峰；末端吸收。

三、常用术语5051吸收曲线的讨论：

（1）不同浓度的同一种物质，其吸收曲线形状相似，λmax不变。而对于不同物质，它们的吸收曲线形状和λmax往往是不同。（3）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λmax处吸光度A的差异最大，测定最灵敏。所以吸收曲线是定量分析中选择入射光波长的重要依据。

（2）吸收曲线可以提供物质的结构信息（如

λmax、εmax、肩峰等），可作为物质定性分析的依据之一。52

含有π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。

如：乙烯基、羰基、亚硝基、偶氮基、乙炔基、腈基等。注：当出现几个发色团共轭，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。2、生色团（或发色团）53

有一些含有n电子的基团，它们本身没有生色功能(不能吸收λ>200nm的光)，但当它们与生色团相连时，就会发生n—π共轭作用，增强生色团的生色能力(吸收波长向长波方向移动，且吸收强度增加)，这样的基团称为助色团(如—OH、—OR、—NH２、—NHR、—X等)

。3、助色团54

有机化合物的吸收谱带常常因共轭、引入取代基或改变溶剂使最大吸收波长λmax和吸收强度发生变化:λmax向长波方向移动称为红移，向短波方向移动称为蓝移(或紫移)。4、红移和蓝移5、增色效应和减色效应

吸收强度即摩尔吸光系数ε增大或减小的现象分别称为增色效应或减色效应，如上图所示。55四、紫外-可见吸收光谱的影响因素1、对λmax影响

（1）极性溶剂对n→π*跃迁的影响规律：极性溶剂使n→π*吸收带发生蓝移；极性，蓝移的幅度。

为什么？原因：Cδ+=Oδ-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。

A溶剂的影响56溶剂极性增大吸收峰呈规律性蓝移57（2）极性溶剂对π→π*跃迁的影响

规律：使π→π*吸收带发生红移，ε

max略有降低。原因：C=C基态时，两个π电子位于π成键轨道上，无极性；π→π*跃迁后，分别在成键π和反键π*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。58极性溶剂致使π→π*跃迁的K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。

59苯的B带吸收光谱苯蒸气苯的乙醇溶液60B立体化学的影响空间位阻使共轭体系破坏，max蓝移减小61(I)顺式二苯乙烯(II)反式二苯乙烯二苯乙烯的紫外吸收光谱λmax280nm，max10500λmax296nm，max29000(I)顺式二苯乙烯(II)反式二苯乙烯62C共轭效应的影响63pH的改变可能引起共轭体系的延长或缩短，或引从而引起吸收峰位置改变。λmax235，287nmλmax211，270nmDpH效应的影响64（a）苯酚的UV光谱图（b）苯胺的UV光谱图652、对吸收光谱精细结构影响

溶剂极性↑，苯环精细结构消失66

溶剂极性↑，苯酚精细结构消失673、溶剂的选择⑴在溶解度允许的范围内，尽量选择低极性溶剂；⑵应能很好地溶解试样，对试样应该是惰性的；⑶溶剂的极限波长应小于试样的λmax。

溶剂极限波长/nm溶剂极限波长/nm乙醇

210

正己烷195环己烷210四氯化碳257正丁醇210乙酸乙酯255乙醚215氯仿237水191丙酮3306869第二章

紫外-可见分光光度法一、共轭多烯伍德沃德－菲泽规则第四节

典型有机化合物的紫外-可见吸收光谱70现代有机合成之父1917年4月10日生于美国马萨诸塞州的波士顿。1933年，只有16岁的伍德沃德就以优异的成绩，考入美国的著名大学麻省理工学院。在全班学生中，他是年龄最小的一个，素有“神童”之称，学校为了培养他，为他一人单独安排了许多课程。他聪颖过人，只用了3年时间就学完了大学的全部课程，并以出色的成绩获得了学士学位。伍德沃德获学士学位后，直接攻取博士学位，只用了一年的时间，学完了博士生的所有课程，通过论文答辩获博士学位。获博士学位以后，伍德沃德在哈佛大学执教，1950年被聘为教授。他培养的学生，许多人成了化学界的知名人士，其中包括获得1981年诺贝尔化学奖的美国化学家霍夫曼（R.Hoffmann）。伍德沃德（Woodward）

1917-197971一、伍德沃德-菲泽(WoodWard-Fieser)规则

共轭多烯（不多于四个双键）π→π*跃迁吸收带的最大吸收波长，可以用经验公式伍德沃德-菲泽（WoodWard-Fieser）规则来估算。λmax=λ基+Σniλi

λ基是由非环和六元环共轭二烯母体结构决定的基准值。

λi和ni是由双键上取代基的种类和个数决定的校正项。72

分子中与共轭体系无关的孤立双键不参与计算；

不在双键上的取代基不进行校正；

环外双键是指在某一环的环外并与该环直接相连的双键（共轭体系中）。λmax=λ基+Σniλi

73共轭体系延长74增加一个共轭双键：增加的双键必须与母体双键共轭共轭体系，修正值加30非共轭体系，修正值加0非共轭体系，修正值加075环外双键：紧靠环的，并且形成共轭的环外的双键一个环外双键，修正值加5无环外双键，修正值加07677787980例5共轭双烯基本值2174个环残基取代+5×4

计算值237nm（238nm）8182838485其他结构因素的修正值醛-6－OAcα、β、γ或更高6当X为HO或RO时-22－ORα35每增加一个共轭双键30β30同环二烯化合物39γ17环外双键5δ（或更高）31每个取代烷基α10－SRβ85β12－Clα15γ（或更高）18β12每个极性基－Brα25－OHα35β30β30－NR2β95γ（或更高）5086溶剂校正乙醇，甲醇0氯仿1二氧六环5乙醚7己烷，环己烷11水-8878889斯科特（Scott）规则9091思考题计算出下列化合物在溶剂氯仿中的最大吸收波长（λmax）92（1）λmax=214（基值）+（2x5）（环外双键）+（4x5）（R）+（1x30）（共轭延长）=274nm（2）λmax=253（基值）+（3x5）（环外双键）+（5x5）（R）+（2x30）（共轭延长）=353nm（3）λmax=230（基值）+15（对位Br）=245nm（4）λmax=215（基值）+（1x5）（环外双键）+（12+（3x18））（R）+（2x30）（共轭延长）+39（同环二烯）+1（溶剂）=386nm93949596第二章

紫外-可见分光光度法一、显色反应的选择二、显色反应条件的选择三、共存离子干扰的消除四、测定条件的选择第五节

实验技术及分析条件97一、显色反应的选择1.选择显色反应时，应考虑的因素

灵敏度高、选择性高、生成物稳定、显色剂在测定波长处无明显吸收，两种有色物最大吸收波长之差：“对比度”，要求△>60nm。2.配位显色反应

当金属离子与有机显色剂形成配合物时，通常会发生电荷转移跃迁，产生很强的紫外—可见吸收光谱。983.氧化还原显色反应