第21讲- 紫外可见吸收光谱-131220

第21讲紫外-可见吸收光谱（UV-VIS）2013.12.20一、紫外－可见光谱的产生；二、有机化合物的电子光谱；三、无机化合物的电子光谱；四、溶剂对紫外－可见光谱的影响；五、紫外分光光度计；六、紫外可见吸收光谱法的应用。概述四、溶剂对紫外－可见光谱的影响1.改变溶剂的极性，会引起吸收带形状的变化。例如，当溶剂的极性由非极性改变到极性时，精细结构消失，吸收带变向平滑。2.改变溶剂的极性，还会使吸收带的最大吸收波长发生变化。下表为溶剂对亚异丙酮紫外吸收光谱的影响。

正己烷CHCl3CH3OHH2O

*

max/nm230238237243n*max/nm329315309305原因由n*跃迁产生的峰，随着溶剂极性增加，形成氢键能力增加，蓝移；由*跃迁产生的峰，随极性增加，激发态比基态能量有更多的下降，发生红移。在吸收光谱图上或数据表中必须注明所用的溶剂。3.在进行紫外光谱法分析时，必须正确选择溶剂。选择溶剂时注意下列几点：（1）溶剂应能很好地溶解被测试样，溶剂对溶质应该是惰性的。即所形成的溶液应具有良好的化学和光化学稳定性。（2）在溶解度允许的范围内，尽量选择极性较小的溶剂。（3）溶剂在样品的吸收光谱区应无明显吸收。5五、紫外分光光度计一、组成部件

紫外-可见分光光度计的基本结构是由五个部分组成：即光源、单色器、吸收池、检测器和信号指示系统。图3.6紫外分光光度计6

（一）光源

对光源的基本要求是应在仪器操作所需的光谱区域内能够发射连续辐射、有足够的辐射强度和良好的稳定性，而且辐射能量随波长的变化应尽可能小。分光光度计中常用的光源有热辐射光源和气体放电光源两类。热辐射光源用于可见光区，如钨丝灯和卤钨灯；气体放电光源用于紫外光区，如氢灯和氘灯。钨灯和碘钨灯可使用的范围在340~2500nm。这类光源的辐射能量与施加的外加电压有关，在可见光区，辐射的能量与工作电压4次方成正比。光电流与灯丝电压的n次方（n1）成正比。因此必须严格控制灯丝电压，仪器必须配有稳压装置。

在近紫外区测定时常用氢灯和氘灯。它们可在160~375nm范围内产生连续光源。氘灯的灯管内充有氢的同位素氘，它是紫外光区应用最广泛的一种光源，其光谱分布与氢灯类似，但光强度比相同功率的氢灯要大3~5倍。7（二）单色器单色器是能从光源辐射的复合光中分出单色光的光学装置，其主要功能：产生光谱纯度高的波长且波长在紫外可见区域内任意可调。单色器一般由入射狭缝、准光器（透镜或凹面反射镜使入射光成平行光）、色散元件、聚焦元件和出射狭缝等几部分组成。其核心部分是色散元件，起分光的作用。单色器的性能直接影响入射光的单色性，从而也影响到测定的灵敏度、选择性及校准曲线的线性关系等。能起分光作用的色散元件主要是棱镜和光栅。8

棱镜有玻璃和石英两种材料。它们的色散原理是依据不同的波长光通过棱镜时有不同的折射率而将不同波长的光分开。由于玻璃可吸收紫外光，所以玻璃棱镜只能用于350~3200nm的波长范围，即只能用于可见光域内。石英棱镜可使用的波长范围较宽，可从185~4000nm，即可用于紫外、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，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。它具有色散波长范围宽、分辨本领高、成本低、便于保存和易于制备等优点。缺点是各级光谱会重叠而产生干扰。

9入射、出射狭缝，透镜及准光镜等光学元件中狭缝在决定单色器性能上起重要作用。狭缝的大小直接影响单色光纯度，但过小的狭缝又会减弱光强。（三）吸收池吸收池用于盛放分析试样，一般有石英和玻璃材料两种。石英池适用于可见光区及紫外光区，玻璃吸收池只能用于可见光区。为减少光的损失，吸收池的光学面必须完全垂直于光束方向。在高精度的分析测定中（紫外区尤其重要），吸收池要挑选配对。因为吸收池材料的本身吸光特征以及吸收池的光程长度的精度等对分析结果都有影响。1011（四）检测器检测器的功能是检测信号、测量单色光透过溶液后光强度变化的一种装置。常用的检测器有光电池、光电管和光电倍增管等。

硒光电池对光的敏感范围为300~800nm，其中又以500~600nm最为灵敏。这种光电池的特点是能产生可直接推动微安表或检流计的光电流，但由于容易出现疲劳效应而只能用于低档的分光光度计中。

光电管在紫外-可见分光光度计上应用较为广泛。

光电倍增管是检测微弱光最常用的光电元件，它的灵敏度比一般的光电管要高200倍，因此可使用较窄的单色器狭缝，从而对光谱的精细结构有较好的分辨能力。12（五）信号指示系统它的作用是放大信号并以适当方式指示或记录下来。常用的信号指示装置有直读检流计、电位调节指零装置以及数字显示或自动记录装置等。很多型号的分光光度计装配有微处理机，一方面可对分光光度计进行操作控制，另一方面可进行数据处理。13二、紫外-可见分光光度计的类型紫外-可见分光光度计的类型很多，但可归纳为三种类型，即单光束分光光度计、双光束分光光度计和双波长分光光度计。1，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，以进行吸光度的测定。这种简易型分光光度计结构简单，操作方便，维修容易，适用于常规分析。14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152，双光束分光光度计经单色器分光后经反射镜分解为强度相等的两束光，一束通过参比池，一束通过样品池。光度计能自动比较两束光的强度，此比值即为试样的透射比，经对数变换将它转换成吸光度并作为波长的函数记录下来。双光束分光光度计一般都能自动记录吸收光谱曲线。由于两束光同时分别通过参比池和样品池，还能自动消除光源强度变化所引起的误差。16单波长双光束分光光度计参比池差值ΔA光源单色器吸收池检测器显示光束分裂器173，双波长分光光度计由同一光源发出的光被分成两束，分别经过两个单色器，得到两束不同波长（1和2）的单色光，利用切光器使两束光以一定的频率交替照射同一吸收池1为选好的测定波长，一般为待测物质的max2为选好的参比波长，一般为待测物质的min测得的是样品在两种波长1和2处的吸光度之差A，A为扣除了背景吸收的吸光度A=A1-A2=（K1-K2）CL优点：（1）大大提高了测定准确度，可完全扣除背景（2）可用于微量组分的测定（3）可用于混浊液和多组分混合物的定量测定1819光闸单色器斩波器参比光电倍增管单光束分光光度计原理图光电倍增管斩波器光闸试样单色器双光束分光光度计原理图20单色器单色器吸收池接收器λ1λ1λ2λ2双波长分光光度计原理图五、应用定性分析、结构分析和定量分析；以及物理化学参数（相对分子质量、配合物的稳定常数等）1.定性分析无机元素：应用较少，可用发射光谱法或化学分析法；有机化合物：有一定的局限性；鉴定不饱和有机化合物（共轭体系），推知未知物的骨架结构。辅助方法分析方法：比较吸收光谱曲线；用经验规则计算最大吸收波长，然后与实测值进行比较。相同测定条件下——比较未知物与已知标准物的吸收光谱曲线－若完全等同——有相同的生色团吸收光谱曲线的形状、吸收峰的数目及最大吸收波长的位置和相应的摩尔吸收系数——定性鉴定的依据最大吸收波长的位置和相应的摩尔吸收系数——定性鉴定的主要参数不同分子结构可能有相同的UV-VIS2.结构分析确定构型和构象顺反异构体（最大吸收波长）3.定量分析无机和有机化合物显色反应－非吸收物质朗伯－比耳定律吸收强度大，ε达104～105L·cm-1·mol-1

；灵敏度高，10－4～10－5mol/L；准确度好；⑴单组分物质工作曲线法标准对比法⑵多组分在最大吸收波长处测定其吸光度的加和值——解一次方程组——得各组分含量（二）结构分析——计算max的经验规律用经验规则计算不饱和有机化合物的max并与实测值进行比较，然后确认物质的结构。常用的规则是WoodWard（伍德瓦特）规则，可计算共轭多烯及α，β—不饱和醛酮化合物。1.共轭多烯的λmax计算

链状共轭二烯单环共轭二烯异环共轭二烯同环共轭二烯

λmax217nm217nm214nm253nm骨架母体增加值：延伸一个共轭双键+30nm

增加一个烷基或环基取代+5nm

增加一个环外双键+5nm助色团取代

：-Cl或Br+5nm-OR烷氧基+6nm对连接在母体电子体系上的不同取代基以及其它结构因素加以修正注：环外双键是指C=C双键直接与环相连，其中一个C在环上,另一个C在环外。同环二烯与异环二烯同时共存时，按同环二烯计算。例1：基本值２１７nm两个烷基取代２×５＝１０nm

计算值λmax227nm

实测值λmax226nm例２：基本值：２17nm

加一个环外双键＋５nm

加四个烷基取代＋２０nm

计算值λmax２４２nm

实测值λmax２４３nm例３：基本值：按同环二烯２５３nm

加一个共轭双键＋３０nm

加一个环外双键＋５nm

加三个烷基取代＋15nm计算值λmax３０3nm实测值λmax３０3nm２.α,β—不饱和醛、酮母体链状αβ不饱和醛基本值λmax207nm

链状αβ不饱和酮215五元环αβ不饱和酮202六元环αβ不饱和酮215Oδαβγ增加值同环共轭二烯+39nm

每增加一个共轭双键+30nm

每增加一个环外双键+5nm

共轭双键上增加烷基或环基取代

α位+10nmβ位+12nmγ位及以上+18nm例４：链状：基本值215nm

α位烷基取代+10nm

位烷基取代+12nmC3计算值λmax237nm

实测值λmax236nm例５：环状：基本值215nm

共轭双键+30nmγ位烷基取代+18nm

环外双键+5nm

计算值λmax268nm

(三)纯度检查如果一化合物在紫外区没有吸收峰，而其杂质有较强吸收，就可方便的检出该化合物中的痕量杂质。例如要鉴定甲醇和乙醇中的杂质苯，可利用苯在254nm处的B吸收带，而甲醇或乙醇在此波长范围内几乎没有吸收。又如四氯化碳中有无二硫化碳杂质，只要观察在318nm处有无二硫化碳的吸收峰即可。

用紫外可见吸收光谱鉴定未知物的结构较困难，因谱图简单，吸收峰个数少，主要表现化合物的发色团和助色团的特征。利用紫外可见吸收光谱可确定有机化合物中不饱和基团，还可区分化合物的构型、构象、同分异构体二、结构分析1.推测官能团200～280nm无吸收不含不饱和键，不含苯环，可能是饱和化合物210～250nm强吸收π—π*，2个共轭单位260～350nm强吸收π—π*，3—5个共轭单位270～350nm弱吸收n—π*，无强吸收，孤立含杂原子的双键C=O,-NO2,-N=N-260nm（230～270）中吸收π—π*，有苯环

2.判断同分异构体酮式结构，无共轭中吸收206nm(极性溶剂中为主）烯醇式结构，共轭体系，强吸收=1.8104,245nm(非极性溶剂中为主）例：乙酰乙酸乙酯三、定量分析

应用范围：无机化合物，测定主要在可见光区，大约可测定50多种元素有机化合物，主要在紫外区

1.单组分物质的定量分析测定条件：选择合适的分析波长（λmax）A：0.2-0.8

选择适当的参比溶液

（1）比较法：在一定条件下，配制标准溶液和样品溶液，在λmax下测A

标准溶液As=κCsL

被测溶液Ax=κCxLCx=CsAx/As

注意：

Cs与Cx大致相当（2）标准曲线法12345样品标液C1C2C3C4C5CXAA1A2A3A4A5AXAλCXAX2.多组分物质的定量分析（只讨论2组分）在某特定波长下测定

A总=A1+A2+A3+……

吸光度加和性（1）吸收光谱互不重叠

ab12在1处测a组分，b组分不干扰在2处测b组分，a组分不干扰

2.多组分物质的定量分析（只讨论2组分）（2）吸收光谱单向重叠

ab1

2A1a+b=A1a+A1b

A2b=κ2

bCbL在1处a、b组分都吸收在2处b组分吸收，a组分不干扰首先在2处测定b组分，因a组分不干扰

Asb=κ2b

CsbLκ2b=Asb/CsbL在2处

Axb=κ2b

CxbL求出CxbA1a+b=A1a+A1b=κ1

aCxa

L+κ1

bCxbL

其中：κ1a=A1a/CsaLκ1b=A1b/CsbLAλλ1λ2

（3）吸收光谱双向重叠

ab1为a组分的最大吸收波长，2为b组分的最大吸收波长1处：

A1a+b=A1a+A1b

=κ1

aCxa

L+κ1

bCxbL2处：

A2a+b=A2a+A2b=κ2

aCxa