紫外-可见吸收光谱法课件

第4章紫外－可见吸收光谱分析法

基于物质对200-800nm光谱区辐射的吸收特性建立起来的分析测定方法称为紫外-可见吸收光谱法或紫外-可见分光光度法。它具有如下特点：

1.灵敏度较高。可以测定10-6-10-5mol·L-1的微量组分。

2.准确度较高。其相对误差一般在2%-5%之内。

3.仪器价格较低，操作简便、快速。

4.应用范围广。2020年9月28日1紫外吸收光谱：分子价电子能级跃迁。波长范围：100-800nm.(1)远紫外光区:

100-200nm(2)近紫外光区:

200-400nm(3)可见光区:400-800nm

250300350400nm1234eλ

可用于结构鉴定和定量分析。电子跃迁的同时，伴随着振动转动能级的跃迁;带状光谱。2020年9月28日24.2紫外-可见吸收光谱法的基本原理紫外吸收光谱：200~400nm

可见吸收光谱：400~800nm

两者都属电子光谱。

4.2.1物质对光的选择性吸收及吸收曲线M+热M+荧光或磷光M+

h

→M*基态激发态E1

（△E）E2E=E2-

E1=h2020年9月28日3吸收光谱：以波长λ为横坐标，吸光度A为纵坐标吸收曲线与最大吸收波长max用不同波长的单色光照射，测吸光度;紫外-可见吸收光谱的定量依据仍然是Lamber-Beer(朗伯-比耳)定律。

2020年9月28日4吸收曲线的讨论：①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。③吸收曲线可以提供物质的结构信息，并作为物质定性分析的依据之一。2020年9月28日5④不同浓度的同一种物质，在某一定波长下吸光度A有差异，在λmax处吸光度A的差异最大。此特性可作作为物质定量分析的依据。⑤在λmax处吸光度随浓度变化的幅度最大，所以测定最灵敏。吸收曲线是定量分析中选择入射光波长的重要依据。吸收曲线的讨论：2020年9月28日6

有机化合物的紫外—可见吸收光谱，是其分子中外层价电子跃迁的结果（三种）σ电子、π电子、n电子。

外层电子吸收紫外或可见辐射后，就从基态向激发态(反键轨道)跃迁。主要有四种跃迁所需能量ΔΕ大小顺序为n→π＊

<π→π＊

<n→σ＊

<σ→σ＊

4.2.1有机化合物的紫外-可见吸收光谱2020年9月28日71

σ→σ＊跃迁

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；

饱和烷烃的分子吸收光谱出现在远紫外区；吸收波长λ<200nm；例：甲烷的λmax为125nm,乙烷λmax为135nm。只能被真空紫外分光光度计检测到；作为溶剂使用；sp*s*RKE,BnpE2020年9月28日82

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。

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。2020年9月28日93π→π＊跃迁

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162nm，εmax为:1×104L·mol-1·cm－1。K带——共轭非封闭体系的p

→

p*跃迁

C=C生色团，但

→

*200nm。max=162nm助色团取代

*

（K带)发生红移2020年9月28日10苯环上助色基团对吸收带的影响11苯环上发色基团对吸收带的影响12如化合物中同时含有π电子和未成键n电子，可产生n→π＊跃迁，吸收峰一般处于近紫外区。是简单的生色团如羰基、硝基等中的孤对电子向反键轨道跃迁，谱带强度弱，摩尔吸收系数小，通常小于100，多数在15-50.4n→π＊跃迁134.2.1有机化合物的紫外-可见吸收光谱2020年9月28日14与某些有机化合物相似，许多无机络合物也有电荷转移跃迁产生的电荷转移吸收光谱。4.2.2无机化合物的紫外-可见吸收光谱电荷转移吸收光谱出现的波长位置，取决于电子给予体和电子接受体相应电子轨道的能量差。中心离子的氧化能力越强，或配体的还原能力越强（相反，若中心离子的还原能力越强，或配体的氧化能力越强），则发生电荷转移跃迁时所需能量越小，吸收光谱波长红移。

2020年9月28日15元素周期表中第4、第5周期的过渡元素分别含有3d和4d轨道，镧系和锕系元素分别含有4f和5f轨道。如果轨道是未充满的，当它们的离子吸收光能后，低能态的d电子或f电子可以分别跃迁到高能态的d或f轨道上去。这两类跃迁分别称为d-d跃迁和f-f跃迁。由于这两类跃迁必须在配体的配位场作用下才有可能产生，因此又称为配位场跃迁。配位场跃迁吸收谱带的摩尔吸光系数小，一般max100，电荷转移跃迁则一般max>104。

4.2.2无机化合物的紫外-可见吸收光谱2020年9月28日16生色团：指分子中能吸收紫外或可见光的基团，它实际上是一些具有不饱和键和含有孤对电子的基团。

4.2.3常用术语2020年9月28日174.2.3常用术语同一个化合物的数个生色团，若不共轭，则吸收光谱包含这些生色团原有的吸收带，且位置及强度相互影响不大。若彼此共轭体系，原来各自生色团的吸收带消失，同时出现新的吸收带，位置在较长的波长处，且吸收强度显著增加，这一现象称为生色团的共轭效应。2020年9月28日18助色团：本身不产生吸收峰，但与生色团相连时，能使生色团的吸收峰向长波方向移动，且使其吸收强度增强的基团。例如OH、OR、NH2、SH、Cl、Br、I等。红移和蓝移：因取代基的变更或溶剂的改变，使吸收带的最大吸收波长max向长波方向移动称为红移，向短波方向移动称为蓝移。增色效应和减色效应：最大吸收带的摩尔吸光系数max增加时称为增色效应；反之称为减色效应。强带和弱带：max104的吸收带称为强带；max103的吸收带称为弱带。4.2.3常用术语2020年9月28日19R带：由含杂原子的生色团的n*跃迁所产生的吸收带。它的特点是强度较弱，一般100，吸收峰通常位于200~400nm之间。K带：由共轭体系的*跃迁所产生的吸收带。其特点是吸收强度大，一般104，吸收峰位置一般处于217~280nm范围内。B带：由芳香族化合物的*跃迁而产生的精细结构吸收带。B带是芳香族化合物的特征吸收，但在极性溶剂中时精细结构消失或变得不明显。E带：由芳香族化合物的*跃迁所产生的吸收带，也是芳香族化合物的特征吸收，可分为E1和E2带。4.2.3常用术语2020年9月28日20共轭效应：共轭效应使共轭体系形成大键，结果使各能级间的能量差减小，从而跃迁所需能量也就相应减小，因此共轭效应使吸收波长产生红移。共轭不饱和键越多，红移越明显，同时吸收强度也随之加强。4.2.4影响紫外-可见吸收光谱的因素2020年9月28日21溶剂效应：溶剂极性对*和n*跃迁谱带的影响当溶剂极性增大时，由*跃迁产生的吸收带发生红移，n*跃迁产生的吸收带发生蓝移4.2.4影响紫外-可见吸收光谱的因素2020年9月28日22溶剂效应：溶剂极性对光谱精细结构的影响溶剂化限制了溶质分子的自由转动，使转动光谱表现不出来。如果溶剂的极性越大，溶剂与溶质分子间产生的相互作用就越强，溶质分子的振动也越受到限制，因而由振动而引起的精细结构也损失越多。4.2.4影响紫外-可见吸收光谱的因素2020年9月28日23溶剂的选择：尽量选用非极性溶剂或低极性溶剂；溶剂能很好地溶解被测物，且形成的溶液具有良好的化学和光化学稳定性；溶剂在样品的吸收光谱区无明显吸收。pH值的影响：如果化合物在不同的pH值下存在的型体不同，则其吸收峰的位置会随pH值的改变而改变。

4.1.4影响紫外-可见吸收光谱的因素2020年9月28日24仪器4.3紫外-可见分光光度计25仪器的基本构造：紫外-可见分光光度计都是由光源、单色器、吸收池、检测器和数据处理系统五个部分构成。仪器类型：紫外-可见分光光度计主要有以下几种类型：单光束分光光度计、双光束分光光度计、双波长分光光度计和多通道分光光度计。紫外-可见分光光度计264.3.1基本组件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340～2500nm。紫外区：氢、氘灯。发射185～400nm的连续光谱。27

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。283.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.数据处理系统

检流计、数字显示、微机进行仪器自动控制和结果处理291.单光束

简单，价廉，适于在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，要求光源和检测器具有很高的稳定性。2.双光束

自动记录，快速全波段扫描。可消除光源不稳定、检测器灵敏度变化等因素的影响，特别适合于结构分析。仪器复杂，价格较高。4.3.2分光光度计常见类型303.双波长将不同波长的两束单色光(λ1、λ2)快速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。314.多通道分光光度计是一种利用光二极管阵列做检测器、由计算机控制的单光束紫外-可见分光光度计。由光源发出的辐射聚焦到吸收池上，光通过吸收池到达光栅，经分光后照射到光二级管阵列检测器上。324.4.1.定性分析：

紫外-可见吸收光谱法对无机元素的定性分析应用较少。有机化合物定性鉴定和结构分析：光谱简单，特征性不强，大多数简单官能团在近紫外光区只有微弱吸收或者无吸收，应用有一定的局限性。主要适用于不饱和有机化合物，尤其是共轭体系的鉴定，以此推断未知物的骨架结构。在配合红外光谱、核磁共振谱、质谱等进行定性鉴定和结构分析中，是一个十分有用的辅助方法。

4.4实验技术2020年9月28日33所谓比较法，就是在相同的测定条件（仪器、溶剂、pH等）下，比较未知纯试样与已知标准物的吸收光谱曲线，如果它们的吸收光谱曲线完全等同，则可以认为待测样品与已知化合物有相同的生色团。

借助于前人汇编的以实验结果为基础的各种有机化合物的紫外-可见光谱标准谱图，或有关电子光谱数据表。1比较法2020年9月28日341）顺反异构体的判别

一般来说，顺式异构体的max比反式异构体的小。

2）互变异构体的测定

2结构分析2020年9月28日353）构象的判别

例如，-卤代环己酮有两种构象：C–X键可为直立键（I），也可为平伏键（II）。前者C=O上的电子与C–X键的电子重叠较后者大，因此前者的max比后者大。据此可以区别直立键和平伏键，从而确定待测物的构象。

2结构分析2020年9月28日36

可获得的结构信息（1）200-800nm无吸收峰。饱和有机化合物，单烯。（2）

270-350nm有吸收峰（ε=10-100）醛酮

n→π*跃迁产生的R带。（3）

250-300nm有中等强度的吸收峰（ε=200-2000），芳环的特征吸收（具有精细解构的B带）。（4）

200-250nm有强吸收峰（ε104），表明含有一个共轭体系（K）带。共轭二烯：K带（230nm）；不饱和醛酮：K带230nm，R带310-330nm260nm,300nm,330nm有强吸收峰，3,4,5个双键的共轭体系。有机化合物结构的辅助解析37光谱解析注意事项(1)确认max，并算出㏒ε，初步估计属于何种吸收带；(2)观察主要吸收带的范围，判断属于何种共轭体系；(3)乙酰化位移B带：262nm(ε302)274nm(ε2040)261nm(ε300)(4)pH值的影响加NaOH红移→酚类化合物，烯醇。加HCl蓝移→苯胺类化合物。38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=639解析示例

有一化合物C10H16由红外光谱证明有双键和异丙基存在，其紫外光谱max=231nm（ε=9000），此化合物加氢只能吸收2克分子H2，，确定其结构。解：①计算不饱和度=3；两个双键；共轭？加一分子氢②max=231nm，③可能的结构

④计算

max

max：232273268268

max=非稠环二烯（a,b）+2×烷基取代+环外双键=217+2×5+5=232（231）40如果一化合物在紫外-可见区没有吸收峰，而其中的杂质有较强的吸收，就可方便地检出该化合物中的痕量杂质。如果一化合物在紫外-可见区有较强的吸收带，有时可用摩尔吸光系数来检查其纯度。

3纯度检查41依据：朗伯-比耳定律。即在一定波长处被测定物质的吸光度与其浓度呈线性关系。

1单组分定量方法

标准曲线法：配制一系列不同浓度的标准溶液，以不含被测组分的空白溶液为参比，测定标准溶液的吸光度，在符合朗伯-比耳定律的浓度范围内绘制吸光度-浓度曲线，得到标准曲线的线性回归方程。在相同条件下测定未知试样的吸光度，通过线性回归方程便可求得未知试样的浓度。

4.4.2定量分析2020年9月28日422020年9月28日43例：Fe（Ⅱ）-2，2′，2′′-三联吡啶在波长522nm处的摩尔吸光系数ε为1.11×104L·mol-1·cm-1

，用1cm吸收池在该波长处测得百分透光率为38.5％。试计算铁的浓度为多少？解：（1）首先将百分透光率换算成吸光度：

T=38.5％；T=0.385；A=-lgT=0.415

（2）由朗伯-比耳定律得：A=εLc

b2020年9月28日442多组分定量方法根据吸光度具有加和性的特点，在同一试样中可以测定两种或两种以上的组分。

4.4.2定量分析2020年9月28日453高含量组分的测定—示差法：方法：配制一系列待测组分的浓度相差较小，且待测组分浓度与试液浓度相近的标准溶液，以其中浓度最小的标准溶液(Cs)作参比溶液，测定其它标准溶液的吸光度，以吸光度对测定溶液和参比溶液的浓度差作图，得一过原点的标准曲线。2020年9月28日46AAx△Cx△C2020年9月28日47再在相同的条件下测定试液的吸光度，由曲线上查得试液的浓度与参比溶液浓度的差值，从而求得待测组分的浓度。

Cx=Cs+△Cx2020年9月28日48测量原理：当试样中组份的浓度过大时，则A值很大，会产生读数误差。此时若以一浓度略小于试样组份浓度作参比，则有：2020年9月28日492020年9月28日50具体做法：以浓度为cs的标准溶液调T=100%或A=0（调零），所测得的试样吸光度实际就是上式中的A，然后求出Cx，则试样中该组份的浓度为(Cs+Cx)。结论：示差法通过提高测量的准确度提高了方法的准确度2020年9月28日511、分光光度计测量吸光度的元件是：()A．棱镜B．光电管

C．钨灯D．比色皿2、用分光光度法测铁所用的比色皿的材料为：()