第五章紫外可见吸收光谱法

一、紫外-可见吸收光谱（一）分子吸收光谱的产生（二）有机化合物的紫外-可见吸收光谱（三）无机化合物的紫外-可见吸收光谱（四）溶剂对紫外-可见吸收光谱的影响二、紫外-可见分光光度计（一）紫外-可见分光光度计的基本构造（二）紫外-可见分光光度计的类型三、紫外-可见吸收光谱法的应用

（一）定性分析（二）结构分析

（三)化合物中杂质的检查

（四）定量分析当前第1页\共有73页\编于星期三\10点紫外--可见吸收光谱法（UV-VIS）：也称紫外--可见分光光度法

是根据物质分子对波长为200-800nm这一范围的电磁波（紫外200-400nm和可见光谱区400-800nm)的吸收特性建立起来的一种定性、定量和结构分析方法。分子吸收光谱主要产生于分子的外层价电子在电子能级之间的跃迁当前第2页\共有73页\编于星期三\10点

紫外区可分为远紫外区（10~200nm）和近紫外区（200~400nm）。因空气中的氧、二氧化碳和水汽等都吸收远紫外光，因此，要研究分子对远紫外光的吸收需要在真空条件进行，故使其应用受到限制。通常说的紫外－可见吸收光谱是指近紫外－可见吸收光谱，即物质分子吸收200～800nm波长范围内的光辐射所产生的吸收光谱。当前第3页\共有73页\编于星期三\10点

相同点：均属于吸收光谱；其波长范围均在近紫外到近红外光区（200～800nm)。原子吸收光谱法与紫外－可见分光光度法的比较当前第4页\共有73页\编于星期三\10点原子吸收光谱法与紫外－可见分光光度法的比较不同点：

吸收机制不同：原子吸收光谱属于原子光谱，是由基态原子所产生的吸收，是线状光谱，谱线宽度很窄，其半宽约为10－3nm；而紫外－可见光谱是属于分子光谱，为带状光谱，谱带很宽，其半宽约为10nm。

光源不同：前者为锐线光源，如空心阴极灯；后者为连续光源，如钨灯、氘灯。

仪器排布不同：

前者：锐线光源－原子化器－单色器－检测器后者：光源－单色器－吸收池－检测器当前第5页\共有73页\编于星期三\10点紫外-可见分光光度法的特点：1与其它光谱分析方法相比，其仪器设备和操作都比较简单，费用少，分析速度快。2灵敏度高。如在紫外区直接检测抗坏血酸时，其最低检出浓度可达到10-6g/mL。3

选择性好。通过适当的选择测量条件，一般可在多种组分共存的体系中，对某一物质进行测定。4精密度和准确度较高。在仪器设备和其他测量条件较好的情况下，其相对误差可减小到1%~2%。5用途广泛。在生物、医药、化工、地质等诸多领域，不但可以进行定量分析，还可以对被测物质进行定性分析和结构分析，进行官能团鉴定、相对分子质量测定、配合物的组分及稳定常数的测定等。当前第6页\共有73页\编于星期三\10点

第一节分子吸收光谱的产生一、物质对光的选择性吸收光在与物质作用时，物质可对光产生不同程度的吸收。物质的结构决定了物质在吸收光时只能吸收某些特定波长的光，也就是说，物质对光的吸收有选择性。当一束白光（复合光）通过硫酸铜溶液时，水合铜离子选择性的吸收复合光中的黄光，故溶液呈现出黄色的互补色——蓝色。我们通常见到的有色物质，都是由于他们吸收了可见光的部分光，呈现出吸收光颜色的互补色。当前第7页\共有73页\编于星期三\10点当前第8页\共有73页\编于星期三\10点

二、分子吸收光谱的产生分子吸收光谱的形成是由于电子在能级之间的跃迁所引起的。分子内部具有电子能级、振动能级和转动能级。所以分子的能量E分子＝E电＋E振＋E转。这些能量是量子化的，只有光辐射的能量恰好等于两能级之间的能量差时，才能被吸收。当前第9页\共有73页\编于星期三\10点

分子内部三种能级跃迁所需能量大小的顺序为：

ΔE电>

ΔE振>ΔE转

分子的电子跃迁所吸收的能量比后二者大的多当前第10页\共有73页\编于星期三\10点1.ΔE电约为1～20eV，所吸收的电磁辐射波长约为1240～62nm，主要在紫外和可见光区。2.ΔE振约为0.05～1eV，相应的分子吸收光谱为红外光谱。3.ΔE转约为0.005～0.05eV，与之对应的分子吸收光谱为远红外光谱。当前第11页\共有73页\编于星期三\10点为什么分子的紫外、可见光谱不是线状光谱，而是带状光谱？谱带为什么变宽？通常，分子是处在基态振动能级上。当用紫外、可见光照射分子时，电子可以从基态激发到激发态的任一振动（或不同的转动）能级上。因此，电子能级跃迁产生的吸收光谱，包括了大量谱线，并由于这些谱线的重叠而成为连续的吸收带。绝大多数的分子光谱分析，都是用液体样品，溶液中相邻分子间的碰撞能导致分子各种能级的细微变化，引起吸收带的进一步加宽和汇合。仪器的分辨率有限，因而使记录所得电子光谱的谱带变宽。当前第12页\共有73页\编于星期三\10点

紫外-可见吸收光谱（吸收曲线）：描述物质分子对辐射吸收的程度（吸光度）随波长而变的函数关系曲线。波长为横坐标，吸光度或透光率为纵坐标紫外-可见吸收光谱通常由一个或几个宽吸收谱带组成。

当前第13页\共有73页\编于星期三\10点1．定义：以吸光度A为纵坐标，波长λ为横坐标，绘制的A~λ曲线。2．吸收光谱术语：

①吸收峰→λmax,②吸收谷→λmin③肩峰→λsh,④末端吸收特征值525nm紫外-可见吸收光谱当前第14页\共有73页\编于星期三\10点

最大吸收波长（λmax）是分子的特征常数，与化合物的电子结构有关，可用于推测化合物的结构信息；整个吸收光谱的形状取决于物质性质，反映分子内部能级分布状况，是物质定性的依据。吸收曲线的纵坐标则用光强表示，强度参数可用透光率、吸光度和吸光系数表征。叶酸当前第15页\共有73页\编于星期三\10点

透光率T：为透射光的强度I与入射光的强度I0之比。

T＝I/I0吸光度A：表示单色光通过溶液时被吸收的程度，定义为入射光的强度I0与透射光的强度I之比的对数值。

A＝lgI0/IT与A的关系：A＝－lgT当前第16页\共有73页\编于星期三\10点

三、朗伯－比尔定律朗伯－比尔定律是分子吸收光谱法定量分析的基础。它可表述为：当一束单色光穿过透明介质时，光强度的降低.同入射光的强度、吸收介质的厚度、溶液的浓度成正比。用数学表达为：A=lgI0/I=kclA：吸光度；c：吸光物质的浓度；l：液层的厚度；k：比例系数朗伯－比尔定律是建立在吸光质点之间没有相互作用的前提下的，它只适用于稀溶液（c≤0.01mol/L)。当前第17页\共有73页\编于星期三\10点

当l以cm，c以g/L为单位时，k称为吸收系数，用a表示，即：A=acl；当l以cm，c以mol/L为单位时，k称为摩尔吸收系数，用ε表示，即：A=εcl。ε比a更为常用，可以作为吸收光谱的纵坐标，并以λmax处的摩尔吸收系数εmax表示谱带的吸收强度。εmax在特定波长和溶剂的情况下也是分子的特征常数和鉴定化合物的重要依据。当前第18页\共有73页\编于星期三\10点

第二节有机化合物的紫外－可见吸收光谱

有机化合物的紫外-可见吸收光谱取决于分子中价电子的分布和结合情况。一、电子跃迁的类型与紫外—可见吸收光谱有关的价电子主要有三种：形成单键的σ电子、形成双键的π电子、未参与成键的n电子（p电子，如O/N/S/X等含有未成键的孤对电子）。基态时，它们处于σ、π成键轨道和n非键轨道上，当吸收一定能量ΔE后，这些价电子将跃至能量较高的σ*、π*反键轨道。当前第19页\共有73页\编于星期三\10点

分子轨道：原子轨道线性组合而成。成键轨道σ，π反键轨道σ*，

π*

当前第20页\共有73页\编于星期三\10点

电子跃迁类型主要有四种：σ→σ*、n→σ*、π→π*和n→π*，各种跃迁所需的能量大小不同，次序为：σ→σ*>n→σ*≥π→π*>n→π*，因此，形成的吸收光谱谱带的位置也不相同。当前第21页\共有73页\编于星期三\10点

σ→σ*跃迁：需要能量最大，λ<200nm，真空紫外区，εmax＞

104

饱和烃（远紫外区）；

C－H共价键，如CH4（λmax125nm）

C－C共价键，如C2H6（λmax135nm）当前第22页\共有73页\编于星期三\10点n→σ*跃迁：所需能量较大，λ在150～250nm处，εmax较低，~200。含有杂原子（氧、氮、硫、卤素等）的饱和烃衍生物都可发生此类跃。如：－NH2、－OH、－S、－X。一氯甲烷n→σ*跃迁：λmax173nm甲醇n→σ*跃迁：λmax183nm当前第23页\共有73页\编于星期三\10点π→π*跃迁：所需能量较小，λ一般＞200nm，εmax

＞104。

不饱和基团（乙烯基、乙炔基）

不饱和烃、共轭烯烃和芳香烃类可发生此类跃迁。乙烯π→π*跃迁：λmax165nm丁二烯π→π*跃迁：λmax217nm当前第24页\共有73页\编于星期三\10点n→π*跃迁：所需能量最小，λ>200nm，εmax

10~100。

含有杂原子的不饱和化合物可发生此类跃迁。如－C＝O、－C＝N－当前第25页\共有73页\编于星期三\10点

一种化合物可以有一种或多种电子跃迁同时发生。电子跃迁的类型与分子结构及其存在的基团有关。因此，可以根据分子结构来推测可能产生的电子跃迁；反之，也可以根据紫外吸收带的波长及电子跃迁的类型来判断化合物分子中可能存在的吸收基团。当前第26页\共有73页\编于星期三\10点

二、基本术语生色团：分子中能吸收紫外－可见光而产生电子跃迁的基团。主要是具有不饱和键和含有孤对电子的基团。如乙烯基、乙炔基、羰基-C=O、亚硝基-N=O、偶氮基-N=N-、等。助色团：可使生色团吸收峰的位置和吸收强度改变（一般是向长波方向移动，并其吸收强度增加）的基团。

为具有孤对电子的基团，如-OH、-SH、-Cl、-Br、-I等。如：苯的B吸收带其λmax为254nm，εmax为204L·mol-1·cm-1，当它与一个－OH相连后，其λmax移到270nm，εmax增强为1450L·mol-1·cm-1。当前第27页\共有73页\编于星期三\10点

红移、蓝移在因取代基的引入或溶剂的改变而使λmax发生移动，向长波方向移动称为红移，向短波方向移动称为蓝移。增色效应、减色效应

由于化合物分子结构中取代基的引入或溶剂的改变使得吸收带的强度即摩尔吸收系数εmax增大或减小的现象，称为增色效应或减色效应。当前第28页\共有73页\编于星期三\10点三、紫外-可见光谱中的常见吸收带1、R带：（基团radical）含杂原子的不饱和基团的

n→π*跃迁产生C＝O；C＝N；—N＝N—特点：λmax200~400nm，强度较弱ε<100当前第29页\共有73页\编于星期三\10点三、紫外-可见光谱中的常见吸收带2、K带：（共轭作用konjugation）））由共轭双键的π→π*跃迁产生(—CH＝CH—)n，—CH＝C—CO—特点：λmax>200nm，强ε>104共轭体系增长，ε↑，λ↑（红移）当前第30页\共有73页\编于星期三\10点3、B带：（苯benzenoid）三、紫外-可见光谱中的常见吸收带

苯环本身分子振动、转动能级跃迁而产生的吸收带，转动能级消失，谱带较宽。芳香物的主要特征吸收带

Λ=

230~270nm,具有精细结构ε~200极性溶剂中，或苯环连有取代基时，其精细结构消失当前第31页\共有73页\编于星期三\10点三、紫外-可见光谱中的常见吸收带4、E带：（乙烯型ethylenicband）由苯环环形封闭共轭体系的π→π*跃迁产生芳香族化合物的特征吸收带E1180nm，强ε>104

（常观察不到）E2200nm，强ε~7000苯环有生色团取代且与苯环共轭时，E2带与K带合并一起红移（长移）苯的异丙烷液紫外吸收当前第32页\共有73页\编于星期三\10点苯乙酮的正庚烷溶液紫外吸收K带：λmax240nm，ε13000B带：λmax278nm，ε1100R带：λmax319nm，ε50当前第33页\共有73页\编于星期三\10点6、配位体场吸收带

配合物中心离子d-d*或f-f*跃迁

有电子给予体和电子接受体的有机或无机化合物电荷转移跃迁

λ范围宽，强＞1045、电荷转移吸收带

如过渡金属水合离子与显色剂(如有机化合物)形成的配合物.可见光区，较弱＜102三、紫外-可见光谱中的常见吸收带当前第34页\共有73页\编于星期三\10点吸收带跃迁类型波长范围例R带n→π*~300nm<100CH3COCH3CH3NO2K带π→π*波长比R带短>1041,3-丁二烯λ为217nm,=2.1×104B带芳香族π→π*230～270nm102～103芳香族化合物E带芳香族π→π*180nm200nm～104～103芳香族化合物电荷转移吸收带配合物p-d跃迁远紫外～可见>104Fe(SCN)2+配位体场吸收带配合物d-d,f-f跃迁近紫外～可见<102吸收带当前第35页\共有73页\编于星期三\10点四.影响吸收带的因素

影响表现为谱带位移、谱带强度变化、谱带精细结构的出现或消失等。1、共轭效应的影响2、跨环效应的影响3、溶剂效应的影响4、体系pH值的影响当前第36页\共有73页\编于星期三\10点π电子共轭体系增大，max红移、

增大——共轭效应使电子离域到多个原子间，导致π→π*能量降低，跃迁几率增大，max增大1、共轭效应的影响当前第37页\共有73页\编于星期三\10点共轭体系越大，max、越大。H(CH=CH)nHlmax(nm)emax118010,000221721,000326834,000430464,0005334121,0006364138,000当前第38页\共有73页\编于星期三\10点C=CHHλmax280nm，max10500HC=CHλmax296nm，max29000反式二苯乙烯顺式二苯乙烯空间位阻使共轭体系破坏，max蓝移减小1、共轭效应的影响当前第39页\共有73页\编于星期三\10点(I)顺式二苯乙烯(II)反式二苯乙烯二苯乙烯的紫外吸收光谱λmax280nm，max10500λmax296nm，max29000(I)顺式二苯乙烯(II)反式二苯乙烯当前第40页\共有73页\编于星期三\10点助色基团虽不共轭，但由于空间排列使电子云相互影响，使n→π*吸收峰长移。2、跨环效应的影响max156，279nmOCSmax238nmCH3－C－

CH3O当前第41页\共有73页\编于星期三\10点3、溶剂效应影响溶剂的极性增大时，n

*跃迁吸收带蓝移

*跃迁吸收带红移当前第42页\共有73页\编于星期三\10点溶剂极性增大，吸收峰呈规律性蓝移当前第43页\共有73页\编于星期三\10点记录时标明溶剂；测定时选择溶剂：（1）稳定性；溶解性；对溶质的惰性。（2）在测定光谱区无明显吸收（尽量低极性）吸收带正己烷CH3ClCH3OHH2O波长→*

230nm238nm237nm243nm红移n→*

329nm315nm309nm305nm蓝移异丙叉丙酮（）的溶剂效应CH3-C-CH=COCH3CH33、溶剂效应影响当前第44页\共有73页\编于星期三\10点当前第45页\共有73页\编于星期三\10点

正确选用溶剂1）溶剂不同，同一种物质的紫外—可见吸收光谱的峰形和最大吸收位置可能不一样，所以在测定物质的吸收光谱时，一定要注明所使用的溶剂。2）尽量选用低极性溶剂；3）能很好地溶解被测物，并且形成的溶液具有良好的化学和光化学稳定性；4）溶剂在样品的吸收光谱区无明显吸收。当前第46页\共有73页\编于星期三\10点溶剂使用波长范围/nm溶剂使用波长范围/nm水>210甘油>230乙醇>210氯仿>245甲醇>210四氯化碳>265异丙醇>210乙酸甲酯>260正丁醇>210乙酸乙酯>26096%硫酸>210乙酸正丁酯>260乙醚>220苯>280二氧六环>230甲苯>285二氯甲烷>235吡啶>303己烷>200丙酮>330环己烷>200二硫化碳>375常用紫外—可见测定的溶剂当前第47页\共有73页\编于星期三\10点O-λmax235，287nmOHλmax211，270nmOH-H+4、体系pH值：

pH的改变可能引起共轭体系的延长或缩短，或引从而引起吸收峰位置改变。当前第48页\共有73页\编于星期三\10点五、有机化合物紫外-可见吸收光谱1.饱和烃及其取代衍生物饱和烃类：只能产生*跃迁，最大吸收峰波长一般小于150nm。常用作溶剂。饱和烃的取代衍生物：可产生n*的跃迁。如卤代烃，n*的能量低于*。

CH3Cl、CH3Br和CH3I的n*跃迁分别出现在173、204和258nm处。当前第49页\共有73页\编于星期三\10点2.不饱和烃及共轭烯烃五、有机化合物紫外-可见吸收光谱当前第50页\共有73页\编于星期三\10点3.羰基化合物五、有机化合物紫外-可见吸收光谱4.芳香族化合物产生*、n*、n*三个吸收带。醛、酮、羧酸及羧酸的衍生物，如酯、酰胺等，都含有羰基。

E1、E2带、B带苯环上有取代基时，三个吸收带都长移，吸收强度也增大。B带的精细结构因取代基而变得简单化。当前第51页\共有73页\编于星期三\10点当前第52页\共有73页\编于星期三\10点

了解共轭程度、空间效应、氢键等；可对饱和与不饱和化合物、异构体等进行判别六、紫外光谱给出的信息当前第53页\共有73页\编于星期三\10点紫外-可见吸收光谱中有机物发色体系信息分析的一般规律是：六、紫外光谱给出的信息270～350nm低强度吸收峰(ε＝10～100)200～750nm无吸收峰直链烷烃、环烷烃、饱和脂肪族化合物或仅含一个双键的烯烃等可能n→π*跃迁，含一个简单非共轭且有n电子的生色团如羰基可能当前第54页\共有73页\编于星期三\10点2５0～300nm中等强度吸收峰210～250nm强吸收峰可能含苯环含2个共轭双键含3个或3个以上共轭双键260～300nm强吸收峰可见光区有吸收峰可能可能长链共轭5个以上或稠环化合物可能当前第55页\共有73页\编于星期三\10点有机化合物结构研究－推断异构体CH3-C-CH2-C-OC2H5OOλmax=204nm弱吸收λmax=245nmε=18000CH3-CCH-C-OC2H5OHO当前第56页\共有73页\编于星期三\10点当前第57页\共有73页\编于星期三\10点

第二节紫外－可见分光光度计一、主要部件

基本结构:

光源→单色器→吸收池→检测器→信号显示系统

↑

样品当前第58页\共有73页\编于星期三\10点

当前第59页\共有73页\编于星期三\10点

当前第60页\共有73页\编于星期三\10点

1、光源

光源的作用：提供能量激发被测物质分子产生电子能级跃迁，从而产生电子光谱谱带。

要求：能够提供足够强的连续辐射、有良好的稳定性、较长的使用寿命,且辐射能量随波长无明显变化。常用的光源有热辐射光源和气体放电光源。

热辐射光源：利用固体灯丝材料高温放热产生的辐射作为光源。如

钨灯、卤钨灯。两者均在可见区使用。卤钨灯的使用寿命及发光效率高于钨灯。

气体放电光源：指在低压直流电条件下,氢或氘气放电所产生的连续辐射。一般为氢灯或氘灯,在紫外区使用。

当前第61页\共有73页\编于星期三\10点

2、单色器

单色器的作用：使光源发出的光变成所需要波长的单色光。

由入射狭缝、准直镜、色散元件、物镜和出射狭缝构成。入射狭缝用于限制杂散光进入单色器，准直镜将入射光束变为平行光束后进入色散元件。后者将复合光分解成单色光，然后通过物镜将出自色散元件的平行光聚焦于出口狭缝。出射狭缝用于限制通带宽度，并将欲测波长的光引出单色器。转动色散元件，可以改变由单色器出射光的波长；调节入射、出射狭缝宽度，可以改变出射光束的通带宽度。当前第62页\共有73页\编于星期三\10点

当前第63页\共有73页\编于星期三\10点

3、吸收池（比色皿、比色杯）用于盛放分析试液。石英池用于紫外-可见区的测量，玻璃池只用于可见区。4、检测器用来检测光信号，测量单色光透过溶液后光强度变化的一种装置。简易分光光度计上使用光电池或光电管作为检测器。目前最常见的检测器是光电倍增管，有的用二极管阵列作为检测器。5、信号显示系统当前第64页\共有73页\编于星期三\10点

二、仪器类型

紫外-可见分光光度计，按其光学系统可分为三种类型：单光束分光光度计、双光束分光光度计和双波长分光光度计。1、单光束分光光度计经单色器单色化后只有一束光，然后这束光分别通过参比溶液和试样溶液进行吸光度的测定。

结构简单，价格便宜；适于作定量分析。但测量结果受光源波动影响较大，误差较大；操作麻烦，不适于作定性分析。当前第65页\共有73页\编于星期三\10点

2、双光束分光光度计经单色器单色化的光一分为二，一束通过参比溶液，一束通过试样溶液，仪器在不同瞬间接收和处理参比信号，将两信号的比值转换为吸光度。

既可测得吸光度，又可扫描吸收光谱；还消除了光源强度不稳带来得误差。当前第66页\共有73页\编于星期三\10点3、双波长分光光度计让两束波长不同的单色光（λ1和λ2）交替通过同一个吸收池，然后经检测系统，这样得到的是两波长处的吸光度之差ΔA，再根据ΔA＝（ελ1－ελ2

）cL进行定量分析。

不用参比溶液，只用一个待测试液，这样就完全扣除了背景吸收（包括溶液的浑浊及比色皿的误差），准确度较高。当前第67页\共有73页\编于星期三\10点

第六节紫外－可见吸收光谱的应用一、定性分析单靠紫外光谱数据来推断未知化合物的结构有些困难，但是紫外光谱数据可用于判别有机物中生色团和助色团的种类、位置及数目，区分饱和与不饱和化合物，测