第七章 紫外分光光度法

第七章紫外分光光度法第1页，共37页，2023年，2月20日，星期三10-2nm10nm102nm104nm0.1cm10cm103cm105cm射线x射线紫外光红外光微波无线电波可见光§1光谱概述第2页，共37页，2023年，2月20日，星期三光是一种电磁波，具有波粒二象性。粒子性:

波动性:

（Planck常数：h=6.626×10-34

J×S)光的波长越短（频率越高），其能量越大。白光(太阳光)：由各种单色光组成的复合光单色光:单波长的光(由具有相同能量的光子组成)一.光的基本性质1.光的波粒二象性物质的粒子性由能量E和动量p刻划，波的特征则由电磁波频率ν和其波长λ表达，这两组物理量的比例因子由普朗克常数h（h=6.626*10^-34J·s）所联系。第3页，共37页，2023年，2月20日，星期三2.光谱的划分波谱区-射线波长5~140pm跃迁类型核能级X-射线远紫外光10-3~10nm10~200nm原子内层电子近紫外光可见光200~400nm400~750nm原子外层电子/分子成键电子波谱区近红外光中红外光波长0.75~2.5m2.5~50m跃迁类型分子振动远红外光微波射频50~1990m0.1~100cm1~100m分子转动电子、核自旋第4页，共37页，2023年，2月20日，星期三3.光学分析法的分类光谱法：以光的波长与强度为特征信号的仪器 分析方法.非光谱法：以光辐射的某些性质特征信号的仪器分 析方法吸收光谱法、发射光谱法、散射光谱法折射法、旋光法、圆二色法、比浊法、衍射法第5页，共37页，2023年，2月20日，星期三4．表征光波特性的参数可以用波长λ、频率γ、速度c、波数ω、能量等来表示其特性.波长(λ)：表示相邻两个光波各相应点间的直线 距离。波数(ω)：指在单位长度内波的数目。频率(γ)：指在1秒时间内经过某点的波数（即每 秒内振动的次数）。能量(E)：光子所具有的能量。第6页，共37页，2023年，2月20日，星期三光的能量与光的波长及频率之间的关系为：Ｅ=hγ=hc/λ式中:Ｅ为光的能量；γ为频率；λ为波长；h为普朗克常数，6.6256×10-27尔格·秒；c为光速。第7页，共37页，2023年，2月20日，星期三§2紫外-可见光分光光度法基于物质的分子对可见和紫外区域辐射的吸收而进行分析的方法,广泛用于无机物和有机化合物的定性、定量分析。紫外-可见吸收光谱波长范围

远紫外光区(真空紫外区):100-200nm近紫外光区:200-400nm可见光区:400-800nm第8页，共37页，2023年，2月20日，星期三2.1分子吸收光谱的产生1.物质分子内部三种运动形式：（1）电子相对于原子核的运动；（2）原子核在其平衡位置附近的相对振动；（3）分子本身绕其重心的转动。2.对应三种能级：电子能级、振动能级和转动能级能量:电子能量Ee、振动能量Ev、转动能量Er

而且:Εe>Εv>Εr

分子能量:E＝Ee+Ev+Er第9页，共37页，2023年，2月20日，星期三第10页，共37页，2023年，2月20日，星期三（1）电子能级:电子的跃迁能约为1-20eV，比分子振动能级差要大几十倍，所吸收光的波长约为12.5-0.06m，主要在真空紫外到可见光区，对应形成的光谱，称为电子光谱或紫外、可见吸收光谱(2）振动能级:分子的振动能级差一般在0.05-1eV，需吸收波长约为25-1.25m的红外光才能产生跃迁。在分子振动时同时有分子的转动运动。这样，分子振动产生的吸收光谱中，包括转动光谱，故常称为振-转光谱。第11页，共37页，2023年，2月20日，星期三讨论：（3）转动能级:转动能级间的能量差ΔΕr：0.005～0.050eV，产生此能级的跃迁，需吸收波长约为250-25m的远红外光,吸收光谱位于远红外区。形成的光谱称为远红外光谱或分子转动光谱；第12页，共37页，2023年，2月20日，星期三2.2电子跃迁类型

根据分子轨道理论，有机分子的分子轨道按能级不同，分为成键、非键和反键轨道；成键轨道或反键轨道又有π键和σ键之分。各级轨道能级如图所示：σ→σ*

σ→π*PxPyPzPxPyPzπ→π*

π→σ*

n→π*n→σ*ππ*σ*σn第13页，共37页，2023年，2月20日，星期三（1）σ→σ*跃迁指处于成键轨道上的σ电子吸收光子后被激发跃迁到σ*反键轨道

饱和烃类C-C键（2）n→σ*跃迁指分子中处于非键轨道上的n电子吸收能量后向σ*反键轨道的跃迁

含杂原子饱和基团（-OH，-NH2）（3）π→π*跃迁指不饱和键中的π电子吸收光波能量后跃迁到π*反键轨道。

不饱和基团（—C＝C—，—C＝O）（4）n→π*跃迁指分子中处于非键轨道上的n电子吸收能量后向π*反键轨道的跃迁。含杂原子不饱和基团（-C≡N，C＝O)第14页，共37页，2023年，2月20日，星期三图电子跃迁所处的波长范围吸收能量的次序为：

σ→σ*＞n→σ*≥π→π*＞n→π*第15页，共37页，2023年，2月20日，星期三2.3基本概念（1）生色团:分子中能吸收紫外光或可见光的结构系统叫做生色团或色基。象C=C、C=O、C≡C等都是生色团。（2）助色团:有些原子或基团，本身不能吸收波长大于200nm的光波，但它与一定的发色团相连时，发生p—π共轭作用，则可使发色团所产生的吸收峰向长波长方向移动。并使吸收强度增加，这样的原子或基团叫做助色团。特点：助色团一般是带有p电子(非键电子对)的基团。例如：第16页，共37页，2023年，2月20日，星期三（3）长移和短移(红移和蓝移)长移:某些有机化合物因反应引入含有非键电子对的基团使吸收峰向长波长移动的现象称为长移或红移（redshift），这些基团称为向红基团；短移:使吸收峰向短波长移动的现象称为短移或蓝移（blueshift），引起蓝移效应的基团称为向蓝基团。第17页，共37页，2023年，2月20日，星期三2.4分子结构与紫外吸收光谱1.饱和烃化合物

饱和烃类化合物只含有单键（σ键），只能产生σ→σ*跃迁，由于电子由σ被跃迁至σ*反键所需的能量高，吸收带位于真空紫外区，如甲烷和乙烷的吸收带分别在125nm和135nm。第18页，共37页，2023年，2月20日，星期三2.简单的不饱和化合物不饱和化合物由于含有π键而具有π→π*跃迁，π→π*跃迁能量比σ→σ*小，但对于非共轭的简单不饱和化合物跃迁能量仍然较高，位于真空紫外区。最简单的乙烯化合物，在165nm处有一个强的吸收带。当烯烃双键上引入助色基团时，π→π*吸收将发生红移，甚至移到紫外光区。原因是助色基团中的n电子可以产生p-π共轭，使π→π*跃迁能量降低，烷基可产生超共轭效应，也可使吸收红移，不过这种助色作用很弱。第19页，共37页，2023年，2月20日，星期三3.共轭双烯

在不饱和烃类分子中，当有两个以上的双键共轭时，随着共轭系统的延长，*跃迁的吸收带将明显向长波方向移动，吸收强度也随之增强。共轭双键愈多，红移愈显著，甚至产生颜色。

第20页，共37页，2023年，2月20日，星期三羰基化合物含有C=O基团。C=O基团主要可产生*、n*、n*三个吸收带，落于近紫外或紫外光区.

醛、酮、羧酸及羧酸的衍生物，如酯、酰胺等，都含有羰基。由于醛酮这类物质与羧酸及羧酸的衍生物在结构上的差异，因此它们n*吸收带的光区稍有不同。4.α，β-不饱和羰基化合物第21页，共37页，2023年，2月20日，星期三5.芳香族化合物

芳香族化合物在近紫外区显示特征的吸收光谱，图2.25是苯在异辛烷中的紫外光谱，吸收带为：184nm,203.5nm和254nm.第22页，共37页，2023年，2月20日，星期三2.5紫外-可见吸收曲线紫外吸收光谱以波长λ（nm）为横坐标，以吸光度A或吸收系数ε为纵坐标。见下图，光谱曲线中最大吸收峰所对应的波长相当于跃迁时所吸收光线的波长称为λmax,.紫外—可见吸收曲线第23页，共37页，2023年，2月20日，星期三吸收曲线的讨论：①定性依据: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λmax②定量依据: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。第24页，共37页，2023年，2月20日，星期三一.定性分析通过比较未知物与已知标准物的光谱图,若两者最大吸收波长相同,吸光系数也相同,则可初步认定两者是同一种物质.二.化合物的鉴定 利用紫外光谱可以推导有机化合物的分子骨架中是否含有共轭结构体系，如C＝C－C＝C、C＝C－C＝O、苯环等。利用紫外光谱鉴定有机化合物远不如利用红外光谱有效.2.6紫外可见光度法的应用第25页，共37页，2023年，2月20日，星期三分子不饱和度的计算定义:不饱和度是指分子结构中达到饱和所缺一价元素的“对”数。如：乙烯变成饱和烷烃需要两个氢原子，不饱和度为1。计算：若分子中仅含一，二，三，四价元素(H，O，N，C)，则可按下式进行不饱和度的计算：

=（2+2n4+n3–n1）/2

n4，n3，n1分别为分子中四价、三价、一价元素数目。作用：由分子的不饱和度可以推断分子中含有双键，三键，环，芳环的数目，验证谱图解析的正确性。例：C9H8O2=（2+29

–8）/2=6第26页，共37页，2023年，2月20日，星期三1.Lambert-Beer定律当入射光波长一定时，待测溶液的吸光度A与其浓度和液层厚度成正比，即k为比例系数，与溶液性质、温度和入射波长有关。当浓度以g/L表示时，称a为吸光系数当浓度以mol/L表示时，称为摩尔吸光系数三.定量检测第27页，共37页，2023年，2月20日，星期三2.透光率与吸光度透光率(透射比）T（Transmittance）A=lg(I0/It)=lg(1/T)=—lgT=Kbc吸光度A(Absorbance）I0It入射光透过光第28页，共37页，2023年，2月20日，星期三吸光度A、透射比T与浓度c

的关系AT(%)cA=kbc1.00.80.60.40.2100

80

60

40

20第29页，共37页，2023年，2月20日，星期三

用仪器测定时应尽量使溶液透光度值在T%=20～65%(吸光度A=0.70～0.20)。(0.8~0.2)3.最佳读数范围第30页，共37页，2023年，2月20日，星期三1)光源对光源基本要求：足够光强、稳定、连续辐射且强度随波长变化小。钨及碘钨灯：340-2500nm，多用在可见光区；氢灯和氘灯：160-375nm，多用在紫外区。§3紫外-可见分光光度计3.1紫外可见光度计仪器组成光源单色器吸收池检测器第31页，共37页，2023年，2月20日，星期三2)单色器

单色器由色散元件和狭缝组成，常用的色散元件有棱镜和光栅两类。单色器作用：获得半宽度5-10nm的单色光。第32页，共37页，2023年，2月20日，星期三吸收池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比色皿，可见区一般用石英比