第六章分子吸光分析1

光谱分析法导论紫外-可见吸收光谱法的应用红外吸收光谱法紫外-可见吸收光谱实验技术第六章分子吸光分析法紫外-可见分光光度计第一节光谱分析法导论基于物质对不同波长光的吸收、发射等现象建立起来的一类光学分析法称为光谱分析法。由原子吸收或发射所形成的光谱称为原子光谱。原子光谱是线光谱。由分子的吸光或发光所形成的光谱称为分子光谱，分子光谱是带状光谱。光谱类型光谱形状光谱分类主要分析方法原子光谱线状原子发射光谱原子吸收光谱原子发射光谱、原子荧光分析法火焰原子吸收法、石墨炉原子吸收法分子光谱带状分子发光光谱分子吸收光谱分子荧光、磷光、化学发光分析法紫外-可见吸收光谱法，红外吸收光谱法一、分子能级分子具有不同的运动形式，对应每一种状态都有一定的能量值，每一种分子都有其特定的能级数目与能级值，并由此组成特定的能级结构。处于基态的分子受到光的能量激发时，可以选择性地吸收特征频率的能量而跃迁到较高的能级，这种现象称为光致激发。ΔΕ总=ΔΕe+ΔΕv+ΔΕr远红外转动光谱红外转动和振动紫外电子能级跃迁二、光的性质波粒二重性和单色性第二节紫外-可见吸收光谱一、紫外-可见吸收曲线有色物质的不同颜色是由于吸收了不同波长的光所致。溶液能选择性地吸收某些波长的光，而让其他波长的光透过，这时溶液呈现出透过光的颜色。透过光的颜色是溶液吸收光的互补色。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。将不同波长的单色光依次通过一定的有色溶液，分别测出对各种波长的光的吸光度。以波长为横坐标，吸光程度为纵坐标作图，所得的曲线称为吸收曲线或吸收光谱曲线。KMnO4

的颜色及吸收光谱KMnO4是紫红色，原因是KMnO4吸收了紫红色的互补色光（绿光），其互补色光紫红色透过溶液，刺激人的眼睛，使人感觉到它的颜色是紫红色。

/nm颜色互补光400-450紫黄绿450-480蓝黄480-490绿蓝橙490-500蓝绿红500-560绿红紫560-580黄绿紫580-610黄蓝610-650橙绿蓝650-760红蓝绿互补色：两种波长的光按一定的比例形成无色的光，这两种波 长的光称互补光

350525545Cr2O72-Cr2O72-、MnO4-的吸收光谱苯(254nm)甲苯(262nm)A230250270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∝b

ItI0bdxII-dIs1852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：A=εbc

化合物的光谱特征既可以用曲线的全貌来表示，也可以用吸收峰的特征来表示：Λ丙酮max663nm(7.3×104）

二、有机化合物分子的电子跃迁

分子外层电子的分子轨道可以分为五种：

σ成键、σ*反键轨道,π成键、π*反键轨道,ｎ非键轨道σ，π，n键轨道为基态轨道；σ*，π*为激发态轨道σ→σ*、σ→π*、π→σ*跃迁所需要的能量较大，一般处于真空紫外区。饱和烃可以发生此类跃迁：甲烷、乙烷1.ｎ→σ*跃迁具有孤对电子的生色团其n电子跃迁到σ*键上形成此类跃迁。饱和碳氢化合物中的H被N、O、S和卤素等杂原子取代时，可发生此类跃迁。

2.π→π*跃迁不饱和有机化合物上有π电子，π→π*跃迁一般在200nm左右。共轭程度越大，所需要的能量越低。3、n→π*跃迁羰基、羧基、酰基、硝基、亚硝基、偶氮基等，一般在近紫外区（200-400nm），吸光强度较小。三、一些基本概念1、预解离跃迁如果分子中的化学键能低于电子激发能，分子在接受较高能量的跃迁过程中，使某些化学键发生断裂，这种跃迁称为预解离跃迁。预解离跃迁不会产生分子的吸收光谱或发光光谱。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长移的基团。对有机化合物：主要为连有杂原子的饱和基团。例：—OH，—OR，—NH—，—NR2—，—X

3、长移和短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，叫红移吸收峰位置向短波方向移动，叫蓝移浓色（增色）效应：吸收强度增强的效应。淡色（减色）效应：吸收强度减小的效应。4、溶剂效应

溶剂极性不同会引起某些化合物的吸收峰发生红移或蓝移，这种作用称为溶剂效应。

在进行紫外光谱分析时，所选用的溶剂都要知道它的最低使用波长限度，为什么？溶剂会影响吸收光谱的强度和溶解分子光谱的精细结构。一般说来，溶剂的极性增加会使溶质的精细结构清晰度减弱，甚至会呈现一个宽峰。因此在溶解度容许范围内，应选择使用极性较小的溶剂。另外，溶剂本身也有自己的吸收光谱，该光谱如果与溶质的吸收光谱有重叠，就会影响对溶质吸收带的观察。因此紫外吸收光谱分析中常用的溶剂都有一个波长限度，低于此限度时溶剂的吸收必须加以考虑。5、吸收带吸收峰在紫外-可见吸收光谱中的波带位置称为吸收带，一般分四种。R吸收带：由n-π*跃迁产生的吸收带；K吸收带:在共轭非封闭系统中π-π*跃迁产生的吸收带；B吸收带：是芳香族化合物和杂芳香族化合物的特征谱带，由π-π*跃迁产生的吸收带；E吸收带：在封闭共轭系统（如芳香族化合物和杂芳香族化合物）中π-π*跃迁产生的K吸收带；四、无机化合物分子的电子跃迁1、电荷转移跃迁某些无机化合物分子本身既含有电子供给体，又含有电子接受体，当受到光致激发时，电子从供给体的外层轨道跃迁到接受体轨道上。这种由于电子在分子内转移产生的吸收光谱称为电荷转移光谱。Fe3+-SCN-→Fe2+-SCN2、配位体场跃迁过渡元素均含有未填满的d电子层，镧系和锕系元素含有f电子层，这些电子轨道均由能量相等的简并轨道组成。当金属离子受到配位体场作用时，5个简并的d轨道和7个简并的f轨道分别裂成机组能量有差异的d轨道和f轨道。如果轨道未充满，这些离子吸收光能后，低能态的d电子或f电子可以分别跃迁到高能态的d轨道和f轨道，分别称为d-d跃迁和f-f跃迁。这两类跃迁必须在配位体的配位场作用下才有可能发生，故又称为配位体场跃迁，相应的光谱称为配位体场光谱。d-d跃迁的吸收带在可见光区，强度较弱。f-f跃迁的吸收带在紫外-可见光区，吸收带较窄。第三节紫外-可见分光光度计测定范围200-1000nm光源单色器吸收池检测器显示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320～1000nm。

紫外区：氢、氘灯。发射160～375nm的连续光谱。一、仪器的基本组成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。3.吸收池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。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，常用的有光电池、光电管或光电倍增管。5.信号显示器由检测器进行光电转换后，信号经适当放大，用记录仪进行记录或数字显示。二、仪器的类型1、单波长单光束分光光度计适于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，要求光源和检测器有高的稳定性。2、单波长双光束分光光度计

单波长双光束分光光度计的光路设计与单光束相似，不同的是在单色器和吸收池之间加了一个斩光器。它的作用是把均匀的单色光变成一定频率、强度相同的交替光，一束通过参比溶液，一束通过样品溶液。双光束分光光度计光路图3、双波长分光光度计

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光谱。4、多通道分光光度计不同之处在于使用了一个光电二极管阵列检测器。第四节紫外-可见吸收光谱法的应用物质的紫外吸收光谱基本上是其分子中生色团及助色团的特征，而不是整个分子的特征。如果物质组成的变化不影响生色团和助色团，就不会显著地影响其吸收光谱，例如甲苯和乙苯具有相同的紫外吸收光谱。

单根据紫外光谱不能完全决定物质的分子结构，还必须与红外吸收光谱、核磁共振波谱、质谱以及其它化学、物理方法共同配合才能得出可靠的结论。一、定性分析根据吸收曲线做以下判断：在200～800nm无吸收峰，该有机化合物可能是链状或环状的脂肪族化合物及其简单的衍生物。在210～250nm有强吸收带，ε>1.0×104，可能含有两个共轭双键。在210～300nm有强吸收带，可能含有3～5个共轭双键。如果在270～350nm有强吸收带产生一个很弱的吸收带，并且在200～270nm无任何吸收时，可能含有带孤对电子的未共轭生色团。如果化合物的长波吸收峰在260nm附近有中强吸收，可能具有芳香环结构。如果出现多个吸收峰，可能含有长链共轭体系或稠环芳烃，若化合物有颜色，则至少有4～5个共轭发色团和助色团。1、比较法

在相同仪器、溶剂条件下对未知纯试剂的紫外吸收图与标准纯试样的紫外吸收光谱，或与标准紫外吸收光谱图比较进行定性分析，浓度相同时，若两紫外吸收图的λmax和εmax相同，则此两种物质可能为同一物质。工具书：萨特勒标准图谱（紫外）2、最大吸收波长计算法1）Woodwart-Fieser计算规则Woodwart提出了计算共轭双烯、多烯烃和不饱和羰基化合物π-π*跃迁最大吸收波长的经验过则，计算时以母体生色团的最大吸收波长为基数，再加上连接再母体π电子体系上的不同取代基助色团的修正值。

1.朗伯—比耳定律朗伯—比耳定律是紫外可见吸收光谱法进行定量分析的理论基础：

A=εbc

（2.6）式中ε为摩尔吸光系数，单位为L.mol-1.cm-1,它仅与入射光的波长、被测组分的本性和温度有关，在一定条件下是被测物质的特征性常数。二、定量分析

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；

ε=(1～10）×103较强吸收；

ε=(1～10）×102中强吸收；ε＜102

弱吸收；ε在数值上等于浓度为1mol/L、液层厚度为1cm时该溶液在某一波长下的吸光度。

2、比较法被测组分的浓度Cx

：

Cx=A样*C标

/A标

（２.７）使用比较法时，所选择标准溶液的浓度应尽量与样品溶液的浓度接近，以降低溶液本底差异所引起的误差。

3、标准曲线法配制一系列不同浓度的标准溶液，在λ最佳处分别测定标准溶液的吸光度A,然后以浓度为横坐标，以相应的吸光度为纵坐标绘制出标准曲线，在完全相同的条件下测定试液的吸光度，并从标准曲线上求得试液的浓度。该法适用于大批量样品的测定。

4、多组分物质的定量分析对含有两个以上组分的混合物，根据吸收光谱相互干扰的具体情况和吸光度的加和性，不需分离而直接进行测定，下面分三种情况讨论。①吸收光谱不重叠可在各自的λmax处测定其含量，与单组分物质的测定完全相同。

吸收光谱不重叠XYλ1

λ2

λ/nmA②吸收光谱的单向重叠

X组分的λmax处(λ1)Y组分没有吸收，但在λ2处测定Y组分时，X组分有吸收.此时，可列下面的联立方程式求解：

解上述方程组即可计算出Cx和CY。XYAλ1λ2λ(nm)③吸收光谱相互重叠

据吸光度的加和性，分别在λ1和λ2

波长处测定混合液的总吸光度，并解以下联立方程：λ1λ2λ(nm)AXY22、某组分X溶液的浓度为5.00×10-4mol.L-1，在1.0cm吸收池中于440nm及590nm时其吸光度为0.68及0.139；组分Y溶液的浓度为8.00×10-4mol.L-1，在1.0cm吸收池中于440nm及590nm下测定其吸光度分别为0.106及0.470。现有一组分X和组分Y的混合液，在1.0cm吸收池中于440nm及590nm下测定其吸光度分别为1.022及0.414,试计算该混合液中组分X合组分Y的浓度。29、在1.004mol.L-1的H2SO4溶液中含有Cr2O72-和MnO4-。用1.00cm比色皿在440nm处测定的吸光度为0.385，在545nm处测定的吸光度为0.653。1.004mol.L-1的H2SO4溶液中用8.33×10-4mol.L-1Cr2O72-标准溶液，在440nm处用1.00cm比色皿测定的吸光度为0.308，在545nm处测定的吸光度为0.009；又用1.00cm比色皿测定3.77×10-4mol.L-1的MnO4-标准溶液，在440nm处测定的摩尔吸光系数为0.035，在545nm处测定的吸光度为0.886。计算Cr2O72-在440nm处的摩尔吸光系数和MnO4-在545nm处的摩尔吸光系数，同时，计算混合液中Cr2O72-和MnO4-的浓度。红外光谱又称分子振动转动光谱，属分子吸收光谱。样品受到频率连续变化的红外光照射时，分子吸收其中一些频率的辐射，分子振动或转动引起偶极矩的净变化，使振-转能级从基态跃迁到激发态，相应于这些区域的透射光强减弱，记录百分透过率T%对波数或波长的曲线，即红外光谱。第五节红外吸收法区域/m/cm-1能级跃迁类型近红外(泛频区)0.78~2.512820~4000OH、NH和CH键的倍频吸收区中红外(基本振动区)2.5~254000~400分子的振动、转动远红外(转动区)25~1000400~10分子的转动表6.1红外光谱区划分1.双原子分子的振动分子振动可以近似的看作是分子中的原子以平衡点为中心，以非常小的振幅作周期性的简谐振动。这种分子振动的模型可以用经典的方法来模拟。如图2.13所示。用经典力学可导出振动频率f的计算公式。一、基本原理图2.13双原子分子振动示意图

1.双原子分子的振动

(2.8)或

式中，k为化学键的力常数，是两原子由平衡位置伸长单位长度时的恢复力，一般来说单键的k=4～6N·cm-1，双键的k=8～12N·cm-1，叁键的k=12～18N·cm-1；为波数，单位是cm-1；c为光速（3×1010cm·s-1）；μ为原子的折合质量，单位为g。(2.9)

1.双原子分子的振动式中，μ以折合相对原子质量Ar表示时根据小球的质量和相对原子质量之间的关系，（2.9）可写为：

(2.10)

(2.11)

(2.12)

2、原子分子振动

双原子分子振动只能发生在连接两个原子的直线上，并且只有沿轴方向的伸缩振动，而多原子分子振动还有变形振动（又称变角振动或弯曲振动）等多种振动方式。振动方式的数目称为振动自由度，每个振动自由度相应于红外光谱图上一个基频吸收带。

图2.14水分子的振动及红外吸收为什么大多数化合物在红外光谱图上实际出现的峰数比理论计算的少得多？某些振动频率完全相同，简并为一个吸收峰某些振动吸收频率十分接近，仪器无法分辨，表现为一个吸收峰。某些对称振动没有偶极矩的变化，不产生吸收光谱。某些振动吸收强度太弱，仪器灵敏度不够，检测不出来。某些振动吸收频率超出了仪器的检测范围。

3、基团频率和指纹区不同分子中的同一类基团的振动频率非常接近，都在一定的频率区间出现吸收谱带，这种吸收谱带的频率称为相应官能团的基团频率。波数范围在4000－1300㎝－1之间。将波数4000－600㎝－1范围分为四个区域：①X－H伸缩振动区，4000－2500㎝－1，X可以是O、N、C和S原子，通常又称为“氢键区”。②叁键和累积双键区，2500～1900㎝－1，主要有炔键－C≡C、腈键－C≡N，丙二烯基－C＝C＝C－，烯酮基－C＝C＝O等基团的非对称伸缩振动。③双键伸缩振动区，1900～

1200㎝－1，主要包括C＝O、C＝N、C＝C、－NO2等的伸缩振动，芳环的骨架振动等。④单键区，＜1650㎝－1，这个区域的情况比较复杂，主要包括C－H、N－H弯曲振动，C－O、C－X（卤素）等伸缩振动，以及C－C单键骨架振动等。影响基团频率位移的因素外部因素内部因素（1）电子效应

（i）诱导效应（I效应）。由于取代基具有不同的电负性，通过静电诱导作用，引起分子中电子分布的变化，从而改变了键力常数，使基团的特征频率发生位移。（ii）共轭效应（C效应）。共轭效应使共轭体系中的电子云密度平均化，结果使原来的双键略有伸长（即电子云密度降低），力常数减小，使其吸收频率往往向低波数方向移动。例如酮的C=O，因与苯环共轭而使C=O的力常数减小，振动频率降低。（iii）中介效应（M效应）。当含有孤对电子的原子（O、N、S等）与具有多重键的原子相连时，也可起类似的共轭作用，成为中介效应。例如，酰胺

1650cm-1

1735cm-1

（2）氢键的影响

氢键的形成使电子云密度平均化，从而使伸缩振动频率降低。1760cm-11700cm-1（3）振动耦合

当两个振动频率相同或相近的基团相邻并具有一公共原子时，由于一个键的振动通过公共原子使另一个键的长度发生改变，产生一个“微扰”，从而形成了强烈的振动相互作用。其结果是使振动频率发生变化，一个向高频移动，一个向低频移动，谱带裂分。

（4）Fermi共振当一振动的倍频与另一振动的基频接近时，由于发生相互作用而产生很强的吸收峰或发生裂分，这种现象叫Fermi共振。

1773cm-1和1736cm-1出现两个C=O吸收峰。

二、红外光谱的定性和定量分析

1.定性分析

分子中的基团或化学键都有各自的特征振动频率，所以可利用未知化合物的红外光谱图上吸收带的位置，推断出分子中可能存在的官能团和化学键。

被鉴定的物质应该是纯样品，否则，混合物中各组分的光谱相互重叠，给未知混合物的鉴定带来困难。红外光谱图的表示方法可用波长λ、频率ν和波数σ来表示吸收谱带的位置σ（cm-1)=104/λ(um)E=hν=hcσ

宽峰尖峰肩峰双峰峰强度的描述:VSSMWVW(verystrong)(strong)(medium)(weak)(veryweak)分子的不饱和度U按下式计算：

(2.13)例题：某化合物的化学式为C9H10O，它的红外光谱图如图2.15所示，试推断其结构式.

图2.15未知物的红外光谙图解：①不饱和度计算

说明分子中可能存在苯环。

②1600、1500及1450㎝-1附近有三个尖锐的吸收带，而1500㎝-1强于1600㎝-1处的带，1600㎝-1附近又裂成两个带，说明苯环存在，证实苯环与π不饱和体系共轭，与不饱和度计算吻合。

③

在1700㎝-1附近无强吸收带，证明不存在羰基。

④

在1380㎝-1无吸收，说明不存在甲基。

⑤

在3400㎝-1附近有一强而宽的吸收带，是羟基的伸缩振动，在1050㎝-1左右有一强吸收带，证明是伯醇，在700和750㎝-1处有两个吸收带，证明是一元取代苯。

如果不能获得纯样品，可从有关手册或相关书籍中查找出标准光谱图进行对照，当谱图上的特征吸收带位置、形状、强度相一致时即可以确证。综上所述，可以推断此化合物的结构式为：

2、定量分析

物质对红外光的吸收符合Lambert-Beer定律，故红外光谱也可用于定量分析，其优点是红外光谱有多个吸收谱带可供选择，有利于排除共存物质的干扰；缺点是红外光谱法灵敏度低，不适于微量组分的测定，仅在特殊情况下使用.

红外光谱定量时吸光度的测定常用基线法，如图2.16所示.图中I与I0之比就是透光率（T），吸光度图2.16基线法求吸光度三、红外吸收光谱仪

根据仪器的结构和工作原理的不同，红外吸收光谱仪可分为色散型和干涉分光型。1.色散型红外吸收光谱仪色散型红外光谱仪也称双光红外分光光度计，如图2.17所示

图2.17色散型红外吸收光谱仪示意图

2、干涉分光型红外光谱仪干涉分光型红外光谱仪及傅立叶变换红外光谱仪，如图2.18所示。它没有色散元件，主