紫外可见吸收光谱法

关于紫外可见吸收光谱法第一页，共五十七页，编辑于2023年，星期三2.1紫外-可见吸收光谱法基本原理

分子的紫外-可见吸收光谱法是基于分子内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。分子在紫外-可见区的吸收与其电子结构紧密相关。紫外光谱的研究对象大多是具有共轭双键结构的分子。2.1.1概述第二页，共五十七页，编辑于2023年，星期三电磁辐射波谱和相关的能量跃迁

可见光第三页，共五十七页，编辑于2023年，星期三

紫外-可见以及近红外光谱区域的详细划分如图所示。紫外-可见光区一般用波长（nm）表示。其研究对象大多在200-380nm的近紫外光区和/或380-780nm的可见光区有吸收。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。该法仪器设备简单,应用十分广泛。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-可见吸收光谱第四页，共五十七页，编辑于2023年，星期三分子吸收现象CuSO4溶液吸收黄色光,其溶液呈现出蓝色；KMnO4分子强烈地吸黄绿色光，对其他颜色的光吸收很少或不吸收，溶液呈紫红色。问题：Na2SO4溶液无色透明,其分子吸光情况?CuS(固态)呈黑色，其分子吸光又如何？700nm530nm420nm580nm470nm620nm第五页，共五十七页，编辑于2023年，星期三2.1.2紫外-可见吸收光谱法产生机理1、分子能级轨道简介分子对电磁辐射的吸收是分子总能量变化之和，即：E=Eel+Evib+Erot，式中E代表分子的总能量，Eel，Evib，Erot分别代表电子能级的能量、振动能级的能量以及转动能级的能量。

注意：电子能级、转动能级及振动能级是量子化能级分子在吸收过程中发生电子能级跃迁的同时伴随振动能级和转动能级的能量变化。一般原子对电磁辐射的吸收只涉及原子核外电子能量的变化，是一些分离的特征锐线，而分子的吸收光谱是由成千上万条彼此靠得很紧的谱线组成，看起来是一条连续的吸收带所以分子吸收光谱也称为分子的电子光谱

第六页，共五十七页，编辑于2023年，星期三

从图中观察分子的三种能级跃迁，结合已有知识比较三种光谱出现的区域。第七页，共五十七页，编辑于2023年，星期三线光谱带光谱第八页，共五十七页，编辑于2023年，星期三2、紫外-可见光谱曲线示意图

第九页，共五十七页，编辑于2023年，星期三3、有机物分子紫外可见光谱

从化学键性质考虑，与有机物分子紫外-可见吸收光谱有关的电子是：形成单键的s电子，形成双键的p电子以及未共享的或称为非键的n电子。有机物分子内各种电子的能级高低次序如图所示，s*

p*

n

p

s。标有*者为反键电子

第十页，共五十七页，编辑于2023年，星期三

从图中可以看出：理论上有机物的紫外可见光谱有6种跃迁形式。它们是

ss*；

sp*；

n

s*

；

n

p*

；pp*；

ps*其中sp*；ps*是禁阻的ss*跃迁所需能量最大，lmax170nm，位于远紫外区或真空紫外区。一般紫外-可见分光光度计不能用来研究远紫外吸收光谱。如甲烷，lmax=125nm。饱和有机化合物的电子跃迁在远紫外区。ns*跃迁。含有未共享电子对的取代基都可能发ns*跃迁，含有S，N，O，Cl,Br，I等杂原子的饱和烃衍生物都出现一个ns*跃迁产生的吸收谱带。ns*跃迁也是高能量跃迁，一般lmax200nm，落在远紫外区。但跃迁所需能量与n电子所属原子的性质关系很大。杂原子的电负性越小，电子越易被激发，激发波长越长。有时也落在近紫外区。如甲胺，lmax=213nm

第十一页，共五十七页，编辑于2023年，星期三pp*所需能量较少，并且随双键共轭程度增加，所需能量降低。若两个以上的双键被单键隔开，则所呈现的吸收是所有双键吸收的叠加；若双键共轭，则吸收大大增强，波长红移，lmax和emax均增加。如单个双键，一般lmax为150-200nm，乙烯的lmax=185nm；而共轭双键如丁二烯lmax=217nm，己三烯lmax=258nm。

np*所需能量最低，在近紫外区，有时在可见区。但pp*跃迁几率大，是强吸收带；而np*跃迁几率小，是弱吸收带，一般emax500。许多化合物既有p电子又有n电子，在外来辐射作用下，既有pp*又有np*跃迁。如-COOR基团，pp*跃迁lmax=165nm，emax=4000；而np*跃迁lmax=205nm，emax=50。pp*和np*跃迁都要求有机化合物分子中含有不饱和基团，以提供p轨道。第十二页，共五十七页，编辑于2023年，星期三

含有p键的不饱和基团引入饱和化合物中，使饱和化合物的最大吸收波长移入紫外-可见区。这类能产生紫外-可见吸收的官能团，如一个或几个不饱和键，C=C,C=O,N=N,N=O等称为生色团（chromophore）

有些基团本身在200nm以上不产生吸收，但这些基团的存在能增强生色团的生色能力（改变分子的吸收位置和增加吸收强度），这类基团称为助色团(auxochrome)。一般助色团为具有孤对电子的基团，如-OH,-NH2,-SH等含有生色团或生色团与助色团的分子在紫外光区有吸收并伴随分子本身电子能级的跃迁，不同官能团吸收不同波长的光。作波长扫描，记录吸光度对波长的变化曲线，就得到该物质的紫外-可见吸收光谱第十三页，共五十七页，编辑于2023年，星期三吸收带的划分第十四页，共五十七页，编辑于2023年，星期三4、无机物的紫外可见光谱

与无机物分子紫外-可见吸收光谱有关的是：电荷迁移/转移和配位场跃迁电荷转移/迁移光谱：当外来辐射照射某些有机或无机化合物时,可能发生一个电子从体系具有电子给予体特性部分(称为给体,donor)转移到该体系的另一具有电子接受体特性的部分(称为受体，acceptor)，这种电子转移产生的吸收谱带，称为电荷转移吸收带。电荷转移吸收带涉及的是给体的一个电子向受体的一个电子轨道上的跃迁，激发态是这一内氧化还原过程的产物。电荷转移过程可表示如下式中D与A分别代表电子给体与受体。下面三例是能产生电荷转移吸收带的一些化合物。第十五页，共五十七页，编辑于2023年，星期三Fe2+是电子给体,H2O是电子受体

-NR2是电子给体,苯环是电子受体

苯环是电子给体，氧是电子受体

电荷转移吸收带的一个特点是吸收强度大，emax>104l/mol·cm，因此含有这类结构的分子测定灵敏度高，该原理已被广泛应用于分子识别的主体分子设计中第十六页，共五十七页，编辑于2023年，星期三配位体场吸收带

:

某些无机金属离子也会产生紫外-可见吸收。如含d电子的过渡金属离子会产生配位体场吸收带。

依据配位场理论，无配位场存在时dx，dy，dz，d，dx，能量简并；当过渡金属离子处于配位体形成的负电场中时，5个简并的d轨道会分裂成能量不同的轨道。

在外来辐射激发下，d电子从能量低的轨道跃迁到能量高的轨道时产生配位体场吸收带。一般配位体场吸收带在可见区，max约0.1~100l/mol·cm，吸收很弱。因此配位体场吸收带对定量分析用处不大

镧系及锕系离子5ƒ电子跃迁产生的ƒ电子跃迁吸收谱带出现在紫外-可见区。由于ƒ轨道为外层轨道所屏蔽，受溶剂性质或配位体的影响很小，故谱带窄少数无机阴离子，如NO3-(lmax=313nm)、CO32-(lmax=217nm)、NO2-(lmax=360、280nm)、N3-(lmax=230nm)、CS32-(lmax=500nm)等也有紫外-可见吸收第十七页，共五十七页，编辑于2023年，星期三TypicalOrganicUV/VisSpectraNotehowthesamemoleculedisplaysmarkedlydifferentspectralfeaturesdependingupontheenvironmentinwhichitfindsitself.第十八页，共五十七页，编辑于2023年，星期三Inorganic-TransitionMetalsSpectrafromtransitionelementionsarisefromthe3dand4delectrons.Thesespectraarequitebroad,ofteninthevisible(solutionsarebrightlycoloured),andaresignificantlyaffectedbyligandsandsolvents.LigandFieldTheoryisamolecularorbitalapproachtounderstandtheseeffects.Essentiallyitassetsthatthed-orbitalenergiesaresplitinsolution(orwithligands)andtransitionsbetweenthesesplitlevelsareatthesourceoftheirUV/Visspectroscopy.第十九页，共五十七页，编辑于2023年，星期三Inorganic-LanthanidesUV/Visspectraoflanthanideionsarisefrom4flevels(5ffortheactinides).Theseareratherwell-screenedfromoutsideinfluencesandassuchthespectraarecomparativelysharp,andonlyweaklyinfluencedbyligandsandsolvents.第二十页，共五十七页，编辑于2023年，星期三Inorganic-ChargeTransferInorganiccomplexes–metalionswithsurroundingligands–canundergoabsorptionprocesseswheretheelectronjumpsfromanorbitalmostlycenteredontheligandtoanorbitalmostlycenteredonthemetalion(theoppositecanoccur,butlessfrequently).Transitionsareintense.Fig.14-10inSkoog,Holler,Nieman.第二十一页，共五十七页，编辑于2023年，星期三提高无机物紫外－可见光谱灵敏度的有效途径1、合成新的高灵敏有机显色剂（1）增大有机显色剂分子的共轭体系偶氮胂Ⅰ

偶氮胂Ⅲ第二十二页，共五十七页，编辑于2023年，星期三（2）在有机显色剂分子中引入取代基对一系列成络基团：－SO3H,－COOH,－AsO3H2,－OH含－COOH,－AsO3H2

的试剂对稀土元素反应灵敏度最高。取代基－Cl,－Br,－COCH3

处于苯环中偶氮基的对位时，对稀土元素反应灵敏度最高。第二十三页，共五十七页，编辑于2023年，星期三与稀土显色反应

λmaxε（×104）－不反应－不反应

73418.467010.67001.87第二十四页，共五十七页，编辑于2023年，星期三（3）高灵敏显色剂不对称变色酸双偶氮类试剂吡啶及噻唑偶氮衍生物卟啉类试剂：大环化合物有色高分子聚合物纳米粒子：金纳米粒子（胶体金）第二十五页，共五十七页，编辑于2023年，星期三2、多元配合物高灵敏显色体系三元或四元配合物分子有更大的分子截面积金属-三羟基荧光酮-表面活性剂金属-变色酸双偶氮衍生物-阳离子表面活性剂混配胶束四元配合物三元配合物中引入表面活性剂金属络阴离子与碱性染料阳离子形成离子缔合第二十六页，共五十七页，编辑于2023年，星期三9.1.3紫外－可见吸收光谱法常用术语１．生色团２．助色团３．红移和蓝移４．增色效应和减色效应５．强带与弱带６．谱带类型（１）Ｒ带（２）Ｋ带（３）Ｂ带和Ｅ带第二十七页，共五十七页，编辑于2023年，星期三1．生色团紫外-可见光谱中，生色团(Chromophore)是指能在近紫外和可见光区产生特征吸收的基团。有机化合物中，生色团一般是具有π电子的特征基团，如C=C，C≡C，C=O，C=N，C≡N，C=S，N=N，N=O，S=O等，如表9-4。这类基团在有机化合物中孤立存在时，将在远紫外光区产生特征吸收谱带。当化合物中存在多个生色团，且处于共轭状态时，最大吸收峰将位于近紫外光区和可见光区，对应于跃迁和跃迁。第二十八页，共五十七页，编辑于2023年，星期三助色团有些基团本身在紫外-可见光区不产生吸收，但这些基团与生色团相连时，能使生色团的最大吸收波长向长波长方向移动，吸收峰强度增加，这类基团称为助色团(Auxochrome)。如-X，-OH，-OR，-NH2，-NR-，-SH，-SR-等。当它们连接到生色团上时，n电子与π电子相互作用，相当于增大了共轭体系，使π轨道间能级差减小，生色团的最大吸收波长向长波长方向移动，且吸收峰强度增加。第二十九页，共五十七页，编辑于2023年，星期三红移和蓝移当取代基或溶剂体系发生变更时，化合物的最大吸收波长(λma)向长波方向移动的现象称为红移(Bathochromicshiftorredshift)，向短波方向移动的现象称为蓝移(或紫移，Hypsochromicshiftorblueshift)。第三十页，共五十七页，编辑于2023年，星期三增色效应和减色效应最大吸收带的摩尔吸收系数增加时称为增(浓)色效应(Hyperchromiceffect)；最大吸收带的摩尔吸收系数减小时称为减(浅)色效应(Hypochromiceffect)。第三十一页，共五十七页，编辑于2023年，星期三强带与弱带强带多由允许跃迁产生，是最大摩尔吸收系数εmax≥104L·mol-1·cm-1的吸收带；弱带多由禁阻跃迁产生，是最大摩尔吸收系数εmax<103L·mol-1·cm-1的吸收带。第三十二页，共五十七页，编辑于2023年，星期三谱带类型(1)R带

R带是含p-π共轭体系的生色团，如-N=O,-C=O，-N=N-等，发生产生的吸收带。该带的最大吸收峰一般位于200~400nm之间，吸收强度弱，最大摩尔吸光系数εmax<102L·mol-1·cm-1。(2)K带

K带是非封闭共轭体系的跃迁所产生的吸收带。该带的最大吸收峰一般在218~280nm范围内，吸收强度大，最大摩尔吸收系数εmax>104L·mol-1·cm-1。K带的最大吸收波长随溶剂极性和共轭体系的增加而红移；R带的最大吸收波长随溶剂极性增加蓝移，随共轭体系的变化不如K带明显。第三十三页，共五十七页，编辑于2023年，星期三(3)B带和E带B带和E带是芳香族和杂芳香族化合物的跃迁产生的特征光谱吸收带，B带吸收峰位于70~230nm之间，中心波长在254nm左右，最大摩尔吸收系数(εmax)约在200L·mol-1·cm-1，为一伴有多重小峰的宽峰结构，又称精细结构。属于禁阻跃迁产生的弱吸收带，当苯环上有取代基时，B带的精细结构减弱或消失。在极性溶剂中，由于溶质与溶剂的相互作用，其精细结构消失或变得不明显。

第三十四页，共五十七页，编辑于2023年，星期三E带分为E1带(又称´B带、β带)和E2带(又称´La带、p带)。属于跃迁概率较大或中等的允许跃迁。E1带最大吸收波长在184nm左右，吸收强度大，最大摩尔吸收系数εmax>104L·mol-1·cm-1；E2带出现在204nm左右，最大摩尔吸收系数εmax≈103L·mol-1·cm-1。当苯环上引入共轭取代基(或带n电子基团)时，最大吸收波长红移，吸光强度增大。第三十五页，共五十七页，编辑于2023年，星期三9.1.4影响紫外-可见吸收光谱的因素1.共轭效应共轭体系增加，最大吸收波长红移，最大摩尔吸收系数增加2.取代基效应共轭双键两端有给电子基或吸电子基时，化合物的最大吸收波长和吸光强度会发生改变讲解Woodward-Fieser规则3.溶剂效应及溶剂选用规则第三十六页，共五十七页，编辑于2023年，星期三Woodward-Fieser规则第三十七页，共五十七页，编辑于2023年，星期三9.2紫外-可见分光光度计第三十八页，共五十七页，编辑于2023年，星期三9.2.1仪器基本结构典型光谱仪的组成:(1)稳定的辐射源-光源(2)色散元件-单色器(3)固定试样用的透明容器-样品池(4)检测器(5)信号处理器或输出装置0.575光源单色器吸收池检测器显示第三十九页，共五十七页，编辑于2023年，星期三9.2.2紫外-可见分光光度计类型1.单光束分光光度计第四十页，共五十七页，编辑于2023年，星期三2.双光束紫外-可见分光光度计

双光束分光光度计光路示意图第四十一页，共五十七页，编辑于2023年，星期三3.双波长紫外-可见分光光度计

双波长分光光度计示意图

第四十二页，共五十七页，编辑于2023年，星期三4.多道分光光度计多道分光光度计示意图第四十三页，共五十七页，编辑于2023年，星期三9.3紫外-可见分光光度法

的应用9.3.1纯度检查鉴定甲醇或乙醇中的杂质苯四氯化碳中有无二硫化碳杂质第四十四页，共五十七页，编辑于2023年，星期三9.3.2

定性分析1.标准图谱对照法2.最大波长计算法3.结构推断4.异构体判断5.构象判断第四十五页，共五十七页，编辑于2023年，星期三9.3.3定量分析1.基本术语2.朗伯-比尔定律

A=abc

A=第四十六页，共五十七页，编辑于2023年，星期三3.分光光度滴定法以一定的标准溶液滴定待测物溶液，测定滴定中溶液的吸光度变化，通过作图法求得滴定终点，从而计算待测组分含量的方法称为分光光度滴定。一般有直接滴定法和间接滴定法两种。前者选择被滴定物、滴定剂或反应生成物之一摩尔吸光系数最大的物质的max为吸收波长进行滴定。滴定曲线有如下几种形式。间接滴定法需使用指示剂

光度滴定已用于酸碱滴定、氧化还原滴定、沉淀滴定和络合滴定等第四十七页，共五十七页，编辑于2023年，星期三

4.差示分光光度法吸光度A在0.2-0.8范围内误差最小。超出此范围，如高浓度或低浓度溶液，其吸光度测定误差较大。尤其是高浓度溶液，更适合用差示法一般分光光度测定选用试剂空白或溶液空白作为参比，差示法则选用一已知浓度的溶液作参比。该法的实质是相当于透光率标度放大第四十八页，共五十七页，编辑于2023年，星期三

高吸收法在测定高浓度溶液时使用。选用比待测溶液浓度稍低的已知浓度溶液作标准溶液，调节透光率为100%。

低吸收法在测定低浓度溶液时使用。选用比待测液浓度稍高的已知浓度溶液作标准溶液，调节透光率为0。

最精密法是同时用浓度比待测液浓度稍高或稍低的两份已知溶液作标准溶液，分别调节透光率为0或100%。第四十九页，共五十七页，编辑于2023年，星期三5.导数分光光度法

用吸光度对波长求一阶或高阶导数并对波长作图，可以得到导数光谱。对比尔定律A=bC求导，得到：因此，吸光度A的导数值与浓度C成比例。从图中可以看出，随着导数阶数的增加，谱带变得尖锐，分辨率提高，但原吸收光谱的基本特点逐渐消失。导数光谱的特点在于灵敏度高，可减小光谱干扰。因而在分辨多组分混合物的谱带重叠、增强次要光谱(如肩峰)的清晰度以及消除混浊样品散射的影响时有利第五十页，共五十七页，编辑于2023年，星期三

6.双波长分光光度法

前面已经介绍了双波长分光光度计的结构。它是通过两个单色器分别将光源发出的光分成1，2两束单色光，经斩光器并束后交替通过同一吸收池。因此检测的是试样溶液对两波长光吸收后的吸光度差。

12=

即两束光通过吸收池后的吸光度差与待测组分浓度成正比

第五十一页，共五十七页，编辑于2023年，星期三特点(1)可用于悬浊液和悬浮液的测定，消除背景吸收。

因悬浊液的参比溶液不易配制，使用双波长分光光度法时，可固定1为不受待测组分含量影响的等吸收点(于样品中依次加入待测组分，记录吸收光谱，得到的吸光度重叠的点为等吸收点，测定2处的吸光度变化，可以抵消混浊的干扰，提高测定精度(因为使用同一吸收池)。

(2)无须分离，可用于吸收峰相互重叠的混合组分的同时测定。(3)可测定导数谱。固定1和

2两波长差为1-2nm进行波长扫描，得到一阶导数光谱(DA/Dl)。有的仪器还带有测定二阶导数光谱的电路第五十二页，共五十七页，编辑于2023年，星期三分析条件的选择溶剂的选择和波长选择所选择的溶剂应易于溶解样品并不与样品作用，且在测定波长区间内吸收小，不易挥发[选择合适的分析波长（λmax）A：0.2-