仪器分析课件 第2章 紫外吸收光谱分析法

*主要内容

§9.1分子吸收光谱▲

§9-2有机物的紫外吸收光谱▲▲

§9-3无机物的紫外及可见光吸收光谱

§9.4溶剂对紫外吸收光谱的影响(溶剂效应)▲§9.5紫外及可见光分光光度计

§9.6紫外吸收光谱的应用▲光分析方法的分类分子光谱原子光谱3§9.1.1紫外-可见吸收光谱法

是基于分子内价电子跃迁产生的吸收光谱进行分析的一种常用的光谱分析法。紫外-可见光区一般用波长（nm）表示。研究对象：

在200-380nm的近紫外光区380-780nm的可见光区紫外-可见吸收测定的灵敏度取决于产生光吸收分子的摩尔吸光系数（ε）。如医院的常规化验中，95%的定量分析都用紫外-可见分光光度法。在化学研究中，如平衡常数的测定、求算主-客体结合常数等都离不开紫外-可见吸收光谱。

构成物质的分子一直处于运动状态，包括电子相对于原子核的运动，对应于电子能级，能级跃迁产生紫外、可见光谱；原子核在其平衡位置附近的振动，对应于振动能级，能级跃迁产生振动光谱；分子本身绕其重心的转动，对应于转动能级，能级跃迁产生转动光谱。

分子的总能量由以下几种能量组成：

E＝Ee+Ev+Er

分子从外界吸收能量后，就能引起分子能级的跃迁，即从基态能级跃迁到激发态能级。分子吸收能量具有量子化的特征，即分子只能吸收等于二个能级之差的能量：

ΔＥ=E2－E1=hυ=hc/λ9.2

式中，E2,E1分别为高能级、低能级的能量，

h为普朗克(Planck)常数，h=6.6256×10-34j·s；v

及λ分别为所发射电磁波的频率及波长，c为光在真空中的速度,c=2.997×1010cm·s-1。

ΔＥ=E1－E2=hυ=hc/λ9.2

根据9-2式可计算某能量对应的波长，或某波长对应的能量，如5eV对应的波长计算：已知h=6.626

×10－34j·s=4.136×10－15eV·sc=2.997×1010cm·s－1λ=hc/ΔE

=4.136×10－15eV·s×2.997×1010cm·s－1/5eV=2.48×10－5cm=248nm

1eV=1.6022

×10－19j能级跃迁

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。(P271/图9-1)讨论：（1）电子能级的能量差ΔΕe较大，为：1～20eV。电子跃迁产生的吸收光谱在紫外—可见光区（200-780nm），称紫外—可见光谱或分子的电子光谱；（2）振动能级的能量差ΔΕv约为：0.025～１eV，跃迁产生的吸收光谱位于红外区，称红外光谱或分子振动光谱；P272表9-1电磁波谱（3）

转动能级间的能量差ΔΕr：0.005～0.025eV，跃迁产生吸收光谱位于远红外区。称远红外光谱或分子转动光谱。10

可见吸收光谱：电子跃迁光谱吸收光波长范围380780nm，主要用于有色物质的定量分析。紫外吸收光谱：电子跃迁光谱

吸收光波长范围200380

nm（近紫外区），可用于结构鉴定和定量分析。特点灵敏度高选择性较好通用性强准确度较好操作简单价格低廉§9-2有机化合物的紫外吸收光谱

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键电子、π键电子、n键电子。分子轨道理论：

成键轨道—反键轨道。sp

*s*RKE,BnpECOHnpsH紫外可见吸收光谱有机物的紫外吸收光谱

当外层电子吸收一定的能量ΔＥ后，就从基态跃迁到激发态，此时电子所占得轨道称为反键轨道，反键轨道能量更高。主要的四种跃迁所需能量ΔΕ由小到大顺序为：

n→π＊

<π→π＊

<n→σ＊

<σ→σ＊

sp

*s*RKE,BnpECOHnpsH

二、几种跃迁形式

1.σ→σ＊跃迁（饱和烷烃）

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；σ＊为σ键电子的反键轨道。

饱和烷烃的分子吸收光谱出现在远紫外区；吸收波长10-200nm；例：甲烷的最大吸收波长（λmax）为125nm；乙烷λmax为135nm。

远紫外区又称真空紫外，因小于160nm的紫外光会被空气中的氧所吸收，只能被真空紫外分光光度计检测到。饱和烷烃在200-1000nm内无吸收带，常作为溶剂使用。2.n→σ＊跃迁

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。(远紫外区与近紫外区之间)

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。n比σ更易激发，所需能量降低，吸收峰向长波方向移动（红移）。εmax为摩尔吸光系数3.π→π＊跃迁（不饱和烃）

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，εmax一般在104L·mol－1·cm－1以上，属于强吸收。

（1）不饱和烃π→π*跃迁乙烯π→π*跃迁的λmax为171nm，εmax为:15530

L·mol-1·cm－1

C=C发色基团，

→

*，λmax

200nm。max=171nm助色基团取代

*（K带)发生红移165nm217nm

₃

₁

₂

(HOMOLVMO)

max

（2）共轭烯烃中的→*丁二烯：

max=217nm，εmax为:21000L·mol-1·cm－1（3）羰基化合物共轭烯烃中的→*①Y=H,Rn→*

180-190nm

→

*

150-160nm

n→*

275-295nm②Y=-NH2,-OH,-OR

等助色基团K带红移，R带兰移；R带max=205nm

；10-100K

K

R

R

n

n

165nm

n

③不饱和醛酮K带红移：165250nmR

带兰移：290310nm

乙酰苯紫外光谱图

(P276图9-4)羰基双键与苯环共扼：K带强；苯的E2带与K带合并，红移；取代基使B带简化；氧上的孤对电子：R带，跃迁禁阻，弱；CCH3On

p*

;

R带p

p*

;

K带（4）芳香烃及其杂环化合物

苯：E1带180185nm；

=47000L·mol－1·cm－1E2带200204nm=7900是苯环上三个共扼双键的→*跃迁特征吸收带；B带230-270nm，=200

→

*与苯环振动的重叠引起；含取代基时，B带简化，红移。

P278图9-5

max（nm）

max苯254200甲苯261300间二甲苯2633001，3，5-三甲苯266305六甲苯272300（5）立体结构和互变结构的影响顺反异构：

顺式：λmax=280nm；εmax=10500反式：λmax=295.5nm；εmax=29000互变异构：

酮式：λmax=204nm

烯醇式：λmax=243nm

1.生色团：

最有用的紫外—可见光谱是由π→π＊和n→π＊跃迁产生的。这两种跃迁均要求有机物分子中含有不饱和基团。这类含有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—N＝N—、乙炔基、腈基等。P276（表9-3）

归纳总结

一、生色团与助色团2.助色团：

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，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。

P275（表9-2）二、红移与蓝移

有机化合物的吸收谱带常常因引入取代基或改变溶剂使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)。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。

注：本书摩尔吸光系数为κ！1.K吸收带共轭双键中π→π＊跃迁所产生的吸收带称为K吸收带（由共轭作用的德文Konjugation而得名）。其波长及强度与共轭体系的数目、位置、取代基的种类等有关。共轭双键愈多，深色移动愈显著，甚至产生颜色，据此可以判断共轭体系的存在情况，这是紫外吸收光谱的重要应用。三、K吸收带、R吸收带、B吸收带2.R吸收带：

R吸收带（由基团的德文Radikal而得名）是相当于生色团及助色团中n→π＊跃迁引起的。CCH3On→p*

;

R带p

→p*

;

K带在230-270nm处较弱的一系列吸收带，称为精细结构的吸收带。E1,E2两个强吸收带是苯环上三个共扼双键的→*跃迁所产生特征吸收带；若苯环上有助色团，如-OH,-CI等取代基，E2吸收带向长波方向移动（210nm左右）。B吸收带是由于π→π＊跃迁和苯环的振动的重叠引起的，B吸收带的的精细结构常用来辨认芳香族化合物。3.B吸收带（精细结构吸收带-五指峰）

二取代苯的两个取代基在对位时，εmax和波长都较大，而间位和邻位取代时，εmax和波长都较小。如苯的两个取代基为-OH与-NO2，

对位

λmax=317.5nm

间位

λmax=273.5nm

邻位

λmax=278.5nm

如果对位二取代苯的一个是推电子基团，而另一个是拉电子基团，深色移动就非常大。如苯的两个取代基为-NH2与-NO2在对位时

λmax=381nm§9-3无机物的紫外及可见光吸收光谱

一、电荷迁移辐射下，分子中原定域在金属M轨道上的电荷转移到配体L的轨道，或按相反方向转移，所产生的吸收光谱称为跃迁：电荷迁移光谱。（紫外区）Mn+—Lb-M(n-1)+—L(b-1)-h[Fe3+SCN-]2+h[Fe2+SCN]2+电子接受体电子给予体分子内氧化还原反应；>104L·mol－1·cm－1Fe2+与邻菲罗啉配合物（1,10-邻二氮菲）的紫外吸收光谱属于荷移光谱。

二、配位场跃迁

元素周期表第四、五周期的过渡金属元素分别含有3d和4d轨道，镧系、锕系元素分别含有4f和5f轨道。在配体的作用下,过渡元素五个能量相等的d轨道和镧系、锕系元素的七个能量相等的f轨道分别裂分成几组能量不等的d轨道和f轨道，吸收光后，产生d一d、f一f

跃迁。由于d-d跃迁和f-f跃迁必须在配体的配位场作用下才有可能产生，因此称之为配位场跃迁。

§9.4溶剂对紫外吸收光谱的影响(溶剂效应)

有些溶剂，特别是极性溶剂，对溶质吸收峰的波长、强度及形状可能产生影响。（表9-5）

→*跃迁：极性由小→大，红移；；

n

→

*跃迁：极性由小→大，兰移；；溶剂的影响1：乙醚2：水12250300苯酰丙酮非极性→极性→*跃迁：红移；；n

→

*跃迁：兰移；；

极性溶剂使精细结构消失(p280图9-7)

溶剂效应的成因：

1.溶剂和溶质间形成氢键；2.溶剂的偶极使溶质的极性增强，引起n→π＊及π→π＊吸收带的迁移。3.溶剂除了对吸收波长有影响外，还影响吸收强度和精细结构。例：苯酚的B吸收带的精细结构在非极性溶剂庚烷中清晰可见，而在极性溶剂中完全消失

(图9-7）。应选择极性较小的溶剂。表9-6溶剂使用最低波长极限光电比色计单光束双光束

紫外-可见分光光度计单光束双光束或单波长双波长比色分析分类目视比色法光度法§9.5紫外及可见光分光光度计目视比色法用眼睛比较溶液颜色的深浅以测定物质的含量。常用的目视比色法是标准系列法：

使用一套比色管分别加入一系列不同量的标准溶液，再加入等量的显色剂和其他试剂，稀释至一定刻度。用同样方法配制待测溶液，从管口垂直向下观察，比较，得到待测溶液浓度。优点：设备简单，操作简单，比色管内液层厚，颜色易观察，在复合光下进行测定，不需严格地服从朗伯-比尔定律。缺点：准确度不高，若待测溶液中存在第二种有色物质，相对误差5%~20%光度法用光电计测定溶液的吸光度,称之为光电比色法。用分光光度计进行测定的方法为分光光度法。

测定原理相同获得单色光的方法不同(滤光片，棱镜或光栅)光度法与目视法比较有以下优点：(1)提高了准确度

用仪器代替了人眼进行测量，消除了人的主观误差。(2)提高了选择性

测定的溶液中若有其他物质共存时，可选择适当的单色光和参比溶液来消除干扰。(3)提高了分析速度

在分析大批试样时，使用标准曲线法可简化手续，加快分析速度。分光光度计的种类和型号很多：单光束分光光度计、双光束分光光度计、双波长分光光度计。单光束分光光度计光源单色器试样池检测器显示系统参比池如：国产751型、752型、721型、722型、724型。分光光度计的分类37双光束分光光度计光源单色器试样池检测器显示系统参比池如：国产710型、730型、740型。切光器

双光束分光光度计是把光源发出的一束光变成两束，几乎同时通过参比溶液和被测溶液，然后同时测量透射光的强度，克服了由于光源和检测系统不稳定带来的测量误差。双波长分光光度计光源单色器试样池检测器显示系统12切光器

双波长分光光度计是采用两个单色器把光源发出的光分成两束强度相同、波长分别为1、2的单色光交替照射到同一吸收池上，其透过光被检测器所吸收，经信号处理系统处理可直接获得溶液对不同波长单色光的吸收度之差。

单色器A=A1-A2消除人工配制的空白溶液与本底之间的差别而引起的误差，可测定多组分溶液和混浊溶液。构造：与可见光光度计相似（图9-8）

仪器

紫外-可见分光光度计一、基本组成

generalprocess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。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.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。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.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光路图

现代仪器在主机中装有处理机或外接微型计算机，控制仪器操作和处理测量数据，组装有屏幕显示、打印机和绘图仪等。采用光电二极管阵列检测器构成的二极管阵列分光光度计，在全部波长（200-900nm）范围内可同时快速检测（0.1—1s），使液相色谱不停流检测，应用于化学反应及反应动力学研究。§9.6紫外吸收光谱的应用

紫外吸收光谱具有一些突出特点,可用于在紫外区有吸收峰的物质的鉴定及结构分析，如有机化合物的分析和鉴定，同分异构体的鉴别，物质结构的测定等。

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性，而不是它的整个分子的特性。单根据紫外光谱不能完全决定物质的分子结构，还须与IR、MNR、MS及其他化学的和物理化学的方法配合起来，才能得出可靠的结论。

一、定性分析：

1.以紫外吸收光谱鉴定有机化合物时，通常是在相同的测定条件下，比较未知物与已知标准物的紫外光谱图，若两者的谱图相同，则可认为待测试样与已知化合物具有相同的生色团；

2.比较λmax与ε的一致性

紫外光谱主要是由分子内的发色基团所产生的，具有相同发色基团的不同分子结构，在较大分子中吸收光谱形状变化不大，但ε差别较大。

max，max都相同，可能是一个化合物；

标准谱图库：46000种化合物紫外光谱的标准谱图«Thesadtlerstandardspectra,Ultraviolet»

二、有机化合物分子结构的推断

1.根据化合物的紫外及可见区吸收光谱可以推测化合物所含的官能团。①220-800nm：无吸收峰，可能是脂肪族碳氢化合物、胺、腈、醇、羧酸、氯代烃和氟代烃，不含双键或环状共轭体系，没有醛、酮或溴、碘等基团。②210～250nm：有强吸收峰，则可能含有2个共轭双键；③260～350nm：有强吸收峰，则说明该有机物含≥3个共轭双键；（3-5个）④270-350nm：吸收峰很弱而无其他强吸收峰，则说明只含非共轭的具有n电子的生色团；⑤250-300nm：中等强度吸收带且有一定的精细结构，则表示有苯环的特征吸收

2.对某些同分异构体进行判别例如：乙酰乙酸乙酯存在酮-烯醇互变异构体，酮式没有共轭双键，它在204nm处仅有弱吸收；烯醇式有共轭双键，因此在245nm处有强的K吸收带。

酮式：λmax=204nm；无共轭

烯醇式：λmax=245nm，有共轭立体结构和互变结构的确定顺式：λmax=280nm；εmax=10500反式：λmax=295.5nm；εmax=29000共平面产生最大共轭效应，εmax大

结论：

紫外吸收光谱可提供识别未知物分子中可能具有的生色团、助色团以及估计共轭程度的信息，这对有机化合物结构的推断和鉴别很有用，这就是吸收光谱的最重要应用。

三、纯度检查

紫外吸收灵敏度很高，可检测化合物中所含微量的具有紫外吸收的杂质。

1.如果化合物在紫外区没有吸收峰，而其中的杂质有较强吸收，就可检出该化合物中的痕量杂质。例子：检定甲醇或乙醇中的杂质苯，可利用苯在256nm处的B吸收带，而甲醇或乙醇在256nm处没有吸收带。

2.如果一化合物，在可见区或紫外区有较强的吸收带，可用摩尔吸收系数来检查其纯度。例：菲的氯仿溶液在296nm处有强吸收（lgε=4.10）。而精制的菲，熔点100℃，沸点340℃，似乎已很纯，但经紫外光谱检查，测得实际含量只有90%，其余可能是蒽等杂质。

3.干性油与不干性油

不干性油——饱和脂酸酯，或是双键不相共轭。不相共轭的双键具有典型的烯键紫外吸收带，波长较短；共轭双键谱带所在波长较长，且双键越多，吸收谱带波长越长。饱和脂酸酯及不相共轭双键的吸收光谱一般在210nm以下。

干性油：含二个共轭双键的约在220nm处；三个共轭双键的在270nm附近；四个共轭双键的在310nm附近。干性油的吸收谱带一般都在较长的波长处。工业上要设法使不相共轭的双键转变为共轭，将不干性油变为干性油。紫外吸收光谱可判断双键是否移动。54紫外可见吸收光谱吸收曲线的讨论：同一种物质对不同波长光的吸光度不同。吸光度最大处对应的波长称为最大吸收波长λmax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则不同。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。吸收谱带的强度与该物质分子吸收的光子数成正比，定量分析的依据。55四、定量分析光的吸收定律

朗伯—比耳定律布格(Bouguer)—1729年朗伯(Lambert)—1760年光的吸收程度和吸收层厚度的关系

A∝b56比耳(Beer)—1852年

朗伯—比耳定律光的吸收程度和吸收物浓度之间的关系

A∝c四、定量分析光的吸收定律57光的吸收程度和吸收层厚度的关系A∝b光的吸收程度和吸收物浓度之间的关系

A∝c

朗伯—比耳定律吸光光度法的理论基础和定量测定的依据朗伯(Lambert)比耳(Beer)四、定量分析光的吸收定律A：吸光度---溶液对光的吸收程度b：液层厚度(光程长度,cm)c：溶液的摩尔浓度，mol·