第3章紫外可见吸收光谱法

第三章

紫外－可见吸收光谱法(UV-Vis)Ultraviolet-visibleAbsorptionSpectrometry

第一节概述第二节紫外－可见吸收光谱第三节紫外及可见分光光度计第四节紫外－可见光谱法应用第一节概述

紫外－可见吸收光谱法是根据溶液中物质的分子或离子对紫外和可见光区辐射能的吸收来研究物质的组成和结构的方法，也称为紫外可见吸收光度法.

紫外光又分为远紫外光10~200nm和近紫外光200~400nm。远紫外光只能在真空中研究，故本章仅讨论近紫外光谱。物质颜色与吸收光的关系：

物质对光的选择性吸收:分子结构的复杂性使其对不同波长光的吸收程度不同.有色溶液对各种波长的光的吸收情况，常用光吸收曲线来描述。物质对光的吸收曲线吸收光谱特征：吸收峰→λmax吸收谷→λmin肩峰→λsh末端吸收吸收曲线:用不同波长的单色光照射，测吸光度.以吸光度对波长作图得吸收曲线即吸收光谱第二节紫外－可见吸收光谱一、有机化合物的紫外-可见光谱的产生

（一）电子跃迁类型

无机化合物和有机化合物吸收光谱的产生在本质上是相同的，都是外层电子跃迁的结果，但二者在电子跃迁类型上有一定区别。

有机化合物的紫外—可见吸收光谱是三种价电子跃迁的结果：σ电子、π电子、n电子。COHnpsH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。成键轨道（σ、π）—反键轨道（σ＊、π＊)

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。主要有四种类型跃迁，其所需能量ΔΕ大小顺序为：

n→π＊<π→π＊<n→σ＊<σ→σ＊

1、*跃迁所需能量最大，饱和烷烃的分子吸收光谱出现在远紫外区(吸收波长λ<200nm，只能被真空紫外分光光度计检测到)。如甲烷的λ为125nm,乙烷λmax为135nm。4、n*跃迁需能量最低，吸收波长λ>200nm。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10～100L·mol-1·cm-1，吸收谱带强度较弱。分子中孤对电子和π键同时存在时发生n→π＊跃迁。丙酮n→π＊跃迁的λ为275nmεmax为22L·mol-1·cm-1（溶剂环己烷)。

3、*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。不饱和烃、共轭烯烃和芳香烃类均可发生该类跃迁。2、n*跃迁所需能量较大。吸收波长为150～250nm，大部分在远紫外区。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。专业术语：⑴、生色团：电子和n电子易激发，*的能量又低，所以由这两类跃迁产生的吸收峰波长一般都大于200nm，这两类跃迁都要求化合物中含有不饱和官能团，因此，把含有键的不饱和基团称为生色团。表3-1一些常见生色团的吸收特性某些有机化合物经取代反应引入含有未共用电子对的基团（-OH、-OR、-NH2、-SH、-Cl、-Br、-SR、-NR2）之后，吸收峰的波长将向长波方向移动，这种效应称为红移效应。这种会使某化合物的最大吸收波长向长波方向移动的基团称为向红基团。⑶、红移与蓝移（紫移）：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，吸收峰位置向长波方向的移动，叫红移（长移）。吸收峰位置向短波方向移动，叫蓝移（紫移，短移）(4)、增色与减色

强带和弱带：εmax>105→强带εmin<103→弱带

当一种化合物中含有两个或两个以上的生色团时分非共轭和共轭两种情况考虑。非共轭体系各生色团将独立地产生吸收,但吸收强度相加。共轭体系时，随着共轭系统的延长，*跃迁的吸收带将明显向长波方向移动(红移)，吸收强度也随之增强(增色)。（二）生色团的共轭作用1.共轭作用

2、不饱和烃及共轭烯烃在不饱和烃类分子中，除含有键外，还含有键，它们可以产生*和*两种跃迁。*跃迁的能量小于*跃迁。例如，在乙烯分子中，*跃迁最大吸收波长为180nm在不饱和烃类分子中，当有两个以上的双键共轭时，随着共轭系统的延长，*跃迁的吸收带将明显向长波方向移动，吸收强度也随之增强。表3-3共轭作用对烯烃吸收的影响Κmax/L·mol-1·cm-1n＝1n＝2n＝3n＝4n＝5n＝11化合物H(CH＝CH)nH溶剂已烯1,3-丁二烯1，3，5-已三烯1，3，5，7-辛四烯1，3，5，7，9-癸五烯β-胡萝卜素蒸气蒸气已烷异辛烷环已烷异辛烷己烷λmax/nm

16221021726840443448010000-2090042700-121000139000对于多烯烃，非共轭体系最大吸收波长与单烯烃相同，但摩尔吸光系数与烯烃数目同增。对于共轭体系，吸收红移，摩尔吸光系数也有显著变化。

3、羰基化合物

含有C=O基团（醛、酮、羧酸及羧酸的衍生物）。C=O基团主要可产生*(170/166nm)、n*、n*(280nm)三个吸收带，落于近紫外或紫外光区。如果与烯键之间共轭也会降低*的能量,使吸收峰发生红移(如巴豆醛CH3CH=CHCHO,220nm,322nm,单独烯键*170nm,羰基166nm,n*280nm.)。

4、苯及其衍生物芳香族化合物有三个吸收带，184nm（MAX=50,000）、204nm（MAX=7,400）及254nm（MAX=200），它们都是由*跃迁引起的。其中254nm（MAX=200）称为B带。在气态或非极性溶剂中，B谱带有许多的精细结构，这是由于振动跃迁在基态电子上的跃迁上的叠加而引起的。在极性溶剂中，这些精细结构消失。当苯环上有取代基时，苯的三个特征谱带都会发生显著的变化，其中影响较大的是E2带和B谱带。有一些含有n电子的基团(如—OH、—OR、—NH２、—NHR、—X等)，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助色团至少要有一对非键n电子，这样才能与苯环上的π电子相作用，产生助色作用。例如：苯环上的氨基含有一对非键电子，具有助色作用，当形成苯铵正离子时，非键的n电子消失了，助色作用也随之消失。酚负离子中的氧原子比原来多了一个非键n电子，助色效果更好。

3.苯环上助色基团对吸收带的影响苯环上经引入含有未共用电子对的基团（-OH、-OR、-NH2、-SH、-Cl、-Br、-SR、-NR2）之后，吸收峰的波长将红移。（三）溶剂对吸收光谱的影响

1、对最大吸收波长和吸收强度的影响极性n

np

n

p

极性n

→

*跃迁：兰移；；

→*跃迁：红移；；

max(正己烷)max(氯仿)max(甲醇)max(水)→*230nm238nm237nm243nmn→*329nm315nm309nm305nm当溶剂的极性增大时，由n

*跃迁产生的吸收带发生蓝移，而由*跃迁产生的吸收带发生红移。

2、对光谱精细结构的影响当物质处于气态时，分子间的作用极弱，其振动光谱和转动光谱也能表现出来，因而具有非常精细的结构。当它溶于非极性溶剂时，由于溶剂化作用限制了分子的自由转动，转动光谱就不能表现出来，随着溶剂极性的增大，分子振动也受到限制，精细结构就会逐渐消失，合并为一条宽而低的吸收带。图苯酚的B吸收带

在绘制有机化合物的吸收光谱时，应依照经下原则选择溶剂：（1）、比较未知物质与已知物质的吸收光谱时，必须采用相同的溶剂。

（2）、尽量选择非极性性溶剂，以获得物质吸收光谱的特征精细结构。（3）、溶剂在样品的测定光谱区内无明显吸收。二、无机化合物的吸收光谱

一些无机物（主要是金属离子络合物）也产生紫外-可见吸收光谱，其跃迁类型包括受配位体影响的金属离子的d-d,f–f跃迁或称配场跃迁、p-d跃迁或称电荷转移跃迁以及受金属离子影响的配位体π-π*跃迁。

在配体的存在下，过渡元素五个能量相等的d轨道和镧系元素七个能量相等的f轨道分别分裂成几组能量不等的d轨道和f轨道。络合物吸收光能后，电子在不同能量的d轨道之间跃迁，㈠、配位场跃迁d-d

跃迁和f-f

跃迁

与配体的配位场强弱有关,跃迁概率较小㈡、电荷迁移跃迁辐射下，配合物分子中原定域在金属M轨道上的电荷转移到配位体L的轨道，或按相反方向转移，所产生的吸收光谱称为电荷迁移吸收光谱。不少过渡金属离子与含生色团的试剂反应所生成的配合物以及许多水合无机离子，均可产生电荷迁移跃迁。[Fe3+CNS-]2+h[Fe2+CNS]2+电子给予体电子接受体取决于电子亲和力的大小,摩尔吸光系数较大10000L.moL-1.cm-1

吸收光度法所使用的显色剂绝大多数含有生色团及助色团，本身为有色物质。当与金属离子配位时，作为配位体的显色剂，其共轭结构发生了变化，产生π-π*跃迁，导致其吸收光谱蓝移或红移。定量分析中，要求络合物与配位剂的最大吸收波长之差大约在60nm以上。

（三）金属离子影响下的配位体π-π*跃迁第三节紫外及可见分光光度计仪器结构：1、基本部件光源单色器吸收池检测器显示2、仪器简介影像一、仪器基本部件：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。紫外区：氢、氘灯。发射185～400nm的连续光谱。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。

①入射狭缝：光源的光由此进入单色器；②准光装置：透镜或反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。3.吸收池

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。4.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。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。1)光电管是一个真空或充有少量惰性气体的二极管。阴极是金属做成的半圆筒，内侧涂有光敏物质，当光照射阴极时，即发射电子，在电压的作用下，流向阳极，形成光电流。阴极表面涂布的光敏材料不同，适应的范围不同，蓝敏适用波长范围为600～1200nm；紫敏光电管适用波长范围为220～625nm。90VDC直流放大阴极R-+光束e阳极丝（Ni）抽真空优点：阻抗大，电流易放大；响应快；应用广。2)光电倍增管是由光电管改进而成的。管中有若干个称为倍增极的附加电极。因此，可使光激发的电流得以放大，一个光子约产生106～107个电子。它的灵敏度比光电管高200多倍。适用波长范围为160~700nm。优点：高灵敏度；响应快；适于弱光测定，甚至对单一光子均可响应。缺点：热发射强，因此暗电流大，需冷却（-30oC)。不得置于强光(如日光)下，否则可永久损坏二、分光光度计的构造原理（一）单光束分光光度计

经单色器分光后的一束平行光，轮流通过参比溶液和样品溶液。这种分光光度计结构简单，操作方便，维修容易。

双光束分光光度计一般都能自动记录吸收光谱曲线。由两束光同时分别通过参比池和样品池，能自动消除光源强度变化所引起的误差。

（二）双光束分光光度计

由同一光源发出的光被分成两束经过两个单色器，得到两束不同波长（1和2）的单色光；用切光器使两束光交替照射同一吸收池，再经过检测系统，最后由显示器显示出两个波长处的吸光度差值ΔA=A1-A2。对于多组分混合物、混浊试样分析以及存在背景干扰或共存组分吸收干扰的情况下，利用双波长分光光度法，往往能提高方法的灵敏度和选择性。（三）双波长分光光度计第四节紫外－可见吸收光谱法的应用

二、催化动力学光度法

一、定性分析

（一）、化合物的鉴定

（二）、结构分析

一、定性分析

（一）化合物的鉴定

有机化合物的鉴定，一般采取光谱比较法，将未知纯化合物的吸收光谱特征与已知纯化合物的吸收光谱比较。（峰的数目、位置、相对强度及形状）验证已知物

1.查化合物标准紫外光谱图进行比较《TheSadtlerStandardSpectraUV》2.利用标准物做UV图进行比较

光谱简单，特征不明显，用来鉴定未知化合物具有较大的局限性。有机合物紫外光谱解析:了解共轭程度、空间效应、氢键等；可对饱和与