第3章 紫外-可见光谱法

第三章紫外-可见光谱法Ultravioletandvisiblespectrophotometry（UV-VIS）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2023/2/3110-2nm10nm102nm104nm0.1cm10cm103cm105cm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2023/2/32紫外-可见光区段远紫外(10~200nm)近紫外(200~360nm)可见部分(360~760nm)真空条件下进行通常研究2023/2/33一、紫外可见（分子）光谱的产生分子中电子能级的变化-----产生紫外-可见光谱由于转动和振动能级的存在，分子光谱为带光谱2023/2/34

分子光谱——由能级间的跃迁引起能级：电子能级、振动能级、转动能级跃迁：由于转动和振动能级的存在，分子光谱为带光谱紫外-可见红外光谱远红外2023/2/35二、分子光谱的分类分子吸收光谱

转动光谱（远红外光谱），0.005~0.05eV，波长250~25μm

振动光谱（红外光谱），0.05~1eV，波长25~1.25μm

电子光谱（紫外-可见光谱），20~1eV，波长1.25~0.06μm分子发射光谱

电子光谱（分子荧光、磷光），20~1eV，波长1.25~0.06μm2023/2/36三、紫外可见吸收光谱的特征及表示方法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吸收光谱（吸收曲线）横坐标：用波长或频率表示，一定波长对应于一定的能量纵坐标：用光强的参数表示，如：透光率、吸光度、吸光系数等物质的吸收峰相应于分子结构是定性的依据是定量分析的依据2023/2/372023/2/382023/2/39不同浓度的吸收光谱2023/2/310叶绿素的结构和吸收光谱2023/2/311紫外可见吸收光谱特点紫外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；吸收谱带的强度与分子偶极矩变化、跃迁几率有关，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。吸收谱带强度与该物质分子吸收的光子数成正比-定量分析依据2023/2/312四、光吸收定律：朗伯-比尔(Lambert－Beer)定律定义吸光度=A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2023/2/313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）A=εbc2023/2/314A是波长的函数，当bc=1时，A＝K，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2023/2/315五、一些常用述语生色团助色团吸收带2023/2/3161、生色团：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-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2023/2/317生色团说明：相同生色团，λmax相同;不同生色团，有不同的λmax生色团数增加而λmax增长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）

2023/2/3182、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等孤对电子与生色团上的π电子作用（n-π共轭）使π＊的状态稳定，能量降低2023/2/3193、红移、蓝移--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；移向短波方向为蓝移伴随强度增大或减小为增色效应或减色效应2023/2/320六、有机试剂及其螯合物的生色机理

2023/2/321颜色与有机试剂有机试剂或其金属螯合物都具有独特的颜色随着介质性质改变：酸度、氧化还原电位在光度分析中十分重要的2023/2/322颜色的产生物质对光的选择性吸收当一束白光通过某溶液时如果该溶液对可见光区各波段的光都不吸收，即入射光全部透过，则溶液透明无色2023/2/323溶液选择性地吸收了可见光区中某波段的光，而让其余波段的光都透过，则溶液呈现出透过光的颜色溶液呈现出的颜色----吸收光的互补色能复合成白光的两种颜色的光叫互补色光2023/2/324KMnO4的颜色2023/2/325更精确的互补色图2023/2/3262023/2/327七、紫外可见光谱特点原子光谱是线状谱，间隔大，谱线数目少分子光谱则是带状光谱，谱线的数目多由分子中的电子能级发生跃迁产生:紫外(λ＜400nm)可见(λ＝400-750nm)2023/2/3281、有机试剂分子

π电子生色团与π-共轭作用分子中的价电子在不同能级间跃迁而产生2023/2/329甲醛羰基是甲醛分子中的π电子基团，结构如下：分子中的羰基所引起的电子跃迁2023/2/330分子轨道理论MO氧原子----sp2na和nb为包含氧原子上两对孤对电子的非键轨道C和O的pz轨道重叠成键为π分子轨道C和O的sp2杂化轨道之一重叠为成键σ轨道；对应地还有较高能级的空的反键π*和σ*轨道当吸收一定频率的光,电子将发生如下四种类型的跃迁对于简单的有机分子具有一定的普遍意义非键非键πσ

(1)σ→σ*跃迁：(2)n→π*跃迁：(3)π→σ*跃迁：(4)π→π*跃迁：2023/2/331n→π*跃迁和π→π*跃迁更为重要-----位于紫外及可见光区2023/2/332

(1)σ→σ*跃迁：(2)n→π*跃迁：(3)π→σ*跃迁：(4)π→π*跃迁：四种类型的跃迁2023/2/333(1)σ→σ*跃迁：需要吸收很大的能量，吸收光谱常处在150nm以下的远紫外区例如，乙烷的最大吸收波长为125nm

超出了石英棱镜的分光范围正因为饱和烃在紫外区没有吸收带，所以常用它们(如己烷)作紫外吸收光谱的溶剂2023/2/334(2)n→π*跃迁：含有杂原子的双键化合物，由于在杂原子上有非键电子，形成n-π共轭基团所需能量较小----------吸收近紫外光就能使之激发特点是处于较长波带范围，但吸光强度较小，一般ε＜1002023/2/335(3)π→σ*跃迁：杂原子上末成键电子跃迁到σ*轨道上，将形成π→σ*跃迁

所需能量与π→π*跃迂相近2023/2/336(4)π→π*跃迁：发生在含有双键、三键或芳香环的化合物中所吸收的能量较σ→σ*跃迁为小，吸收峰大都处于近紫外区，在200nm左右乙烯

HC=CH,π→π*跃迁的最大吸收波长为199nmε=104吸光系数较大，属于强吸收2023/2/337四种类型的跃迁按激发能△E大小则有下列顺序：

n→π*<π→π*<n→σ*<σ→σ*2023/2/338电子跃迁所引起的吸光强度大小的团素一，电子跃迁后，使分子有较大的偶极矩变化者，其吸光强度大二，电子在某两个能级间的跃迁几率大者，其吸光强度也大2023/2/339在以上的四种电子跃迁中，以π→π*跃迁和n→π*跃迁更为重要π→π*跃迁可以发生在任何具有不饱和键的有机分子中，摩尔吸光很大一般π→π*吸收峰随溶剂极性增加向长波方向移动红移分析意义2023/2/340生色团π→π*跃迁的吸收特性生色团化合物溶剂羰基正己烷188900烯正庚烷17713000炔正庚烷17810000常见的含不饱和键的π电子生色团列表2023/2/3412、电子效应：诱导效应和共轭效应2023/2/342电子效应共价键中，由于原子的电负性不同等内外因素，使得共价键中电子密度分布的情况发生改变，---------称为电子效应诱导效应共轭效应是诱导和共轭的加和2023/2/3431）电子效应之诱导效应产生:吸电子基团和给电子基团的存在，使邻近共价键的电子云分布改变。有两种情况：⑴吸电子诱导效应，用-I表示⑵给电子诱导效应，用+I表示2023/2/344常见的吸电子基团：带正电荷的基团：卤原子：含氧、氮原子的基团：芳烃或不饱和烃：2023/2/345常见给电子基团：带负电荷的基团：饱和烃基：2023/2/346诱导效应的特点诱导效应的强弱取决于原子或基团，给电子或吸电子能力诱导效应是沿键传递的，离吸电子（给电子）基团越近，诱导效应越强，在沿单键传递中迅速下降，三个单键后可忽略不计叠加性：如果几个基团对某一键都产生诱导效应，则此键所受的诱导效应是这几个基团诱导效应的总和2023/2/347从诱导效应上来讲，电负性大于氢的都是吸电的，电负性小于氢的都是供电的（但是烷基都属于供电的）从共轭效应上来讲，有孤对电子的都属于给电的，有双键或三键的都属于吸电的（但是碳碳双键和苯基例外，它们是供电的）2023/2/3482）电子效应之共轭效应不饱和的化合物中，有三个或三个以上互相平行的p轨道形成大π键，这种体系称为共轭体系共轭体系中，π电子云扩展到整个体系的现象称为电子离域或离域键电子离域，能量降低，分子趋于稳定，键长平均化等现象称为共轭效应2023/2/349三类共轭体系π-π共轭:

单-双(叁)键交替，p轨道电子离域p-π共轭:p轨道未共用电子对与π键直接相连σ-π超共轭:σ键-π键(p轨道)之间的离域2023/2/350当相间的π键与π键相互作用------生成离域π共轭体系π-π共轭作用电子的流动性将显著增加;离域π键各能级间的能量差较小;电子容易激发2023/2/351C=C—C=C—C=CC=C—C=C—C=OC=C—C≡N共轭体系的分子骨架称做共轭键例如双键、单键相间的共轭就是π-π共轭共扼体系的变长，导致分子的最大吸收波长红移，生色作用加强，颜色加深2023/2/352共扼体系的变长，导致分子的最大吸收波长红移，生色作用加强，颜色加深π-π共轭作用对有机化合物的生色有着重要的影响2023/2/353硼-姜黄螯合物--很高的灵敏度(ε=1.85×l05)螯合物形成时,分子中的π-π共轭体系变长，且发生了离子化2023/2/354化合物共轭双键数11955000220010000221721000325425000325835000一些共轭结构的化合物的吸收特性2023/2/355芳环共轭π键结构:平面性随着环状共轭体系的累积，尤其是稠环（并苯）体系的累积，分子的平面将加大，π电子的活动性也随着增大，因此π-π跃迁的能级差将逐渐变小，导致分子的最大吸收波长发生红移，颜色出现或加深，吸光强度增加

若芳环共轭体系的平面结构遭到扭曲或破坏，会使π电子云的重叠程度减小，从而使π电子在整个共轭体系中的流动受到一定程度的阻碍-----导致吸收带不同程度的紫移2023/2/356共轭效应的方向及强弱直接影响物质的性质和稳定性能够给出电子的称给电子共轭，用符号+C表示能接受电子的称吸电子共轭，用符号-C表示因此共轭方向及强弱的判断非常重要2023/2/3573、电子效应与助色团诱导共轭2023/2/358助色团本身并不产生吸收峰，但与生色团共存于同一分子时，可引起吸收峰的位移和吸收强度的改变2023/2/359如苯环的一个氢原子被一些基团取代后，苯环在254nm处的吸收带的最大吸收位置和强度就会改变化合物取代基苯254300氯苯264320溴苯262325苯酚2731780苯甲醚2722240给电子助色团2023/2/360助色团与试剂分子的共轭体系相连，能使试剂的吸收峰向长波方向移动（红移）的基团根据电子效应的不同，助色团可分为给电子助色团和吸电子助色团两类

2023/2/3611）给电子助色团含有杂原子的取代基由于在杂原上含有有未成键p电子，当引入试剂分子的共扼体系后，使发生p-π共扼作用而形成多电子大π键由于引入的取代基具有给电子作用，致使大π键产生电子云偏移、极化，使基态能级升高，从而缩小了基态与激发态间的能级差导致试剂分子的最大吸收波长红移，吸光强度增加2023/2/362各给电子助色团助色作用的强度顺序大致如下：2023/2/3632）吸电子助色团

特征:当它引入共扼体系后，由于诱导作用能将π键电子云吸向自身方向与给电子助色团的作用相反，它是以吸拉的方式使大π键电子云发生偏移、极化，同样地缩小π-π跃迁的能级差导致试剂分子的最大吸收波长红移2023/2/364吸电子助色团助色作用的强弱顾序大致如下：2023/2/365苯环上一个基团到底是吸电子基团还是供电子基团，得看它对苯环的诱导效应、共轭效应、超共轭效应的总和强给电子基团如：氨基、羟基、烷氧基中等给电子基团如：酯基、氨酰基弱给电子基团如：胺醛基、苯基、烷基吸电子基团有：酰基、醛基、羧基、酰氨基、磺酸基、腈基、硝基、卤仿基、季胺基等2023/2/3663）溶剂效应对试剂分子颜色的影响-------形成氢键溶剂偶极使试剂分子极性增大，容易引起n-π或π-π迁移与溶剂的极性关系导致试剂分子的吸收谱带红移2023/2/367

溶剂极性对λmax影响：n-π*跃迁：溶剂极性↑，λmax↓，蓝移；π-π*跃迁：溶剂极性↑，λmax↑，红移2023/2/368

溶剂极性对吸收光谱精细结构影响：溶剂极性↑，苯环精细结构消失溶剂影响吸收波长，吸收强度及精细结构（finestructure）己烷水2023/2/369pH值的影响对具有酸碱性的一些有机物，如：酚、苯胺等，溶液的pH值对其吸收位置有很明显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。2023/2/370紫外吸收测定溶剂的选择原则(a)能很好溶解样品(b)在样品吸收的范围内无吸收(c)尽量选用非极性溶剂2023/2/3712023/2/372八、无机化合物的紫外可见光谱无机化合物电子光谱：两种类型的跃迁产生电荷迁移跃迁配位体场跃迁2023/2/3731、电荷转移吸收光谱

当分子同时具有电子给予体和电子接受体，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2023/2/374电荷转移吸收光谱的最大特点：产生摩尔吸光系数大，ε>1042023/2/375金属配合物的d-π电子跃迁与荷移光谱

d-π电子跃迁：是电子从配合物的一个组分转移到另一个组分来实现的d-π电子跃迁分为两类:一类是电子由配位体π分子轨道移向金属离子的d轨道，L→M一类是电子反方向流动，即M→L金属离子配位体荷移吸收光谱2023/2/376d-π电子跃迁是由一个含有d电子的金属离子和一个含有π电子体系的配位体组成的结构来实现的，这种结构称之为d-π生色团d-π电子跃迁的吸光强度很大摩尔吸光系数常可达到102-104荷移光谱的吸收带一般位于紫外及可见光区---对光度分析有着重要意义2023/2/377例如配合物中，

Fe3+-

SCN-

Fe3+—SCN电子给予体电子接受体hν2023/2/378一些具有d10电子结构的过渡金属卤化物和硫化物的颜色：如AgI，AgBr，PbI2，HgS等一些有机化合物也能产生这类光谱2023/2/3792、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轨道在外辐射作用下，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，配体微扰的金属离子d-d电子跃迁和f-f电子跃迁2023/2/380配体微扰产生金属离子的d-d和f-f电子跃迁第四、五周期的过渡金属元素----分别具有3d和4d轨道镧系和锕系-----分别具有4f和5f轨道当配离子吸收一定波长的可见光发生d-d跃迁后，配离子就会显示与吸收光互补的透过光的颜色不同的配离子产生d-d跃迁时吸收光的波长不同（分裂能不同）,使配离子呈现不同的颜色2023/2/381d-d跃迁产生的光谱过渡金属离子的配合物大多具有特征颜色[Cu(H2O)4]2+为蓝色[Co(H2O)6]2+为粉红色[V(H2O)6]3+为绿色,[Ti(H2O)6]3+为紫红色等配位体场对d-d跃迁的影响2023/2/382离子未成对电子数颜色未成对电子数离子La3+

0(4f0)无色0(4f14)Lu3+

Ce3+

1(4f1)无色1(4f13)Yb3+

Pr3+

2(4f2)绿2(4f12)Tm3+

Nd3+

3(4f3)淡紫3(4f11)Er3+

Pm3+

4(4f4)粉红、黄4(4f10)Ho3+

Sm3+

5(4f5)黄5(4f9)Dy3+

Eu3+

6(4f6)无色6(4f8)Tb3+

Gd3+

7(4f7)无色7(4f7)Gd3+

Ln3+水合离子的颜色这些与f-f跃迁有关2023/2/383稀土元素的发光具有未充满4f电子的13个三价稀土离子的4p组态中，共有1639个能级不同能级之间可能发生的跃迁的数目高达192177个(从Ce到Yb)因f-f、f-d跃迁而使发出的光能量差大、波长短而成为发光宝库2023/2/384稀土--发光、激光材料f区—镧系与锕系——发光、激光材料f-f跃迁的光谱受外界晶体场的影响较少，具有谱线强度较低、荧光寿命较长、呈线状的特点，故它们的可见荧光很鲜艳显示和照明近红外区的激光有很多可以透过大气和光纤，从而在测距和光通讯等方面获得广泛的应用2023/2/3851974年荷兰的菲利蒲发明了稀土三基色荧光粉且研制成节能的稀土三基色荧光灯这种稀土节能荧光灯具有高亮度、高节电(经测试比白炽灯节电80％、高显色、高寿命三基色灯

(2.5g～3.3g荧光粉，其中钇占10％，铕占0.5％)2023/2/386f-d跃迁光谱由于d电子是裸露在外的，故受外界晶体场的影响较大，具有普带宽、强度大、荧光寿命较短等特点，因而有可能在闪烁晶体、可调谱激光等方面获得应用2023/2/387目前新型稀土功能材料仍是国内外稀土元素理论研究和开发应用的主要课题:更高效荧光分子设计超分子稀土光化学分子构件设计非线性光学等功能材料….2023/2/3883、金属离子的d电子(或f电子)生色团具有d1-d9电子组态的过渡金属离子d电子吸收了可见光区的光能后，即可发生d-d电子跃迁，产生吸收光谱,所以这些离子的水溶液都是带有颜色--d电子生色团镧系元素离子的水溶液带有颜色---f电子生色团由于上述d轨道(或f轨道)末充满电子的过渡金属离子在配位体的微扰下常产生颜色，因而称之为d电子(或f电子)生色团2023/2/3892023/2/390第二节、紫外－可见分光光度计构造2023/2/391一、紫外－可见分光光度计构造基本组成部件光源单色器样品室检测器显示2023/2/392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2023/2/393光路示意图2023/2/394UV7504C2023/2/395（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

氙灯氢灯钨灯2023/2/396（2）单色器

棱镜和光栅单色器2023/2/397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。入射狭缝：光源的光由此进入单色器；准光装置：透镜或返射镜使入射光成为平行光束；色散元件：将复合光分解成单色光；棱镜或光栅；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；出射狭缝2023/2/398（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<2/32023/2/3992023/2/31002023/2/3101微量500ul玻璃/石英比色皿

规格：1.0c

2023/2/3102（4）信号接收器

光电池、光电管、光电倍增管2023/2/3103（5）读出装置数字显示、检流计、电脑2023/2/3104二、紫外可见光度计的常见类型①单光束分光光度计：一般分光光度计简单，价廉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要求光源和检测器具有很高的稳定性2023/2/3105②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2023/2/31062023/2/31072023/2/3108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单波长双光束分光光度计光束分裂器2023/2/3109③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。

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；无需参比池；△=1～2nm。2023/2/31102023/2/3111三、紫外可见分光光度计的使用注意

（一）使用的吸收池必须洁净，吸收池注意配对使用量器、移液管均应校正、洗净后使用2023/2/3112（二）取吸收池时手指应拿毛玻璃面的两侧装盛样品以池体的2/3为度使用挥发性溶液时应加盖透光面要用擦镜纸由上而下擦拭干净，检视应无溶剂残留吸收池放入样品室时应注意方向相同用后用溶剂或水冲洗干净，晾干防尘保存2023/2/3113（三）供试品溶液浓度除各该品种已有注明外其吸光度以在0.3～0.7之间为宜误差最小超出则稀释2023/2/3114四、紫外－可见分光光度法的应用物质鉴定纯度检查有机分子结构的研究可测定结构比较复杂的化合物和混合物中各组分的含量测定物质的离解常数络合物的稳定常数物质分子量鉴别微量滴定中指示终点高效液相色谱中作检测器—广泛应用于定性、定量、结构分析及物理常数的测定2023/2/31151．定性分析

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2023/2/3116

有机物基团定性分析：定性鉴别的依据→吸收光谱的特征吸收光谱的形状→吸收峰的数目→吸收峰的位置（波长）→吸收峰的强度→相应的吸光系数2023/2/3117定性分析的步骤：提纯；测定吸收、绘制光谱图；对比、验证2023/2/31182、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）2023/2/31193．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2023/2/3120