分析化学“紫外可见吸收光谱法”资料课件

*新浪微博：1949年，生物老师Gaddum给一个15岁的中学生写了评语“IbelievehehasideasaboutbecomingaScientist;onhispresentshowingthisisquiteridiculous…”然后这个学生不但得了诺奖，还把那个评语裱在相框里保留了60年现在拿出来给记者们拍照……2012年诺贝尔生理学或医学奖得主英国科学家约翰·戈登（JohnB.Gurdon）生物教师评语:“我相信戈登想成为科学家，但以他目前的学业表现，这个想法很荒谬，他连简单的生物知识都学不会，根本不可能成为专家，对于他个人及想教导他的人，这根本是浪费时间”。*新浪微博：1949年，生物老师Gaddum给一个15岁的*第7章紫外可见吸收光谱法

UV-VISspectrophotometry

7.1紫外可见吸收光谱7.2紫外-可见分光光度计7.3紫外-可见吸收光谱法的应用本章小结*第7章紫外可见吸收光谱法

UV-VISsp*了解掌握教学内容及目标本章作业：P137，01-11紫外－可见吸收光谱的产生原理生色团、助色团、红移、蓝移紫外－可见分光光度计仪器原理和结构紫外－可见吸收光谱法在有机定性、结构分析中的应用*了解掌握教学内容及目标本章作业：P137，01-1*紫外-可见吸收光谱法是基于分子的价电子跃迁吸收紫外和可见光区辐射能（波长范围：10~780nm）来研究物质的组成和结构的方法。也称为紫外-可见吸收光度法。远紫外区：

10~200nm近紫外区：

200~400nm可见光区：

400~780nm比色分析法紫外可见分光光度法概述*紫外-可见吸收光谱法是基于分子的价电子跃迁吸收紫外和可见光*物质颜色吸收光颜色波长/nm黄绿紫400~450黄蓝450~480橙绿蓝480~490红蓝绿490~500红紫绿500~560紫黄绿560~580蓝黄580~610绿蓝橙610~650蓝绿红650~780表7-1物质颜色与吸收光颜色的关系*物质颜色吸收光颜色波长/nm黄绿紫400~*电磁波谱范围表*电磁波谱范围表*UV-Vis-NIRspectrophotometer紫外-可见-近红外分光光度计Varian’sCary®瓦里安（美国）•*UV-Vis-NIRspectrophotometer*7.1

紫外可见吸收光谱不同物质具有不同的分子结构，对不同波长的光会产生选择性吸收，因而具有不同的吸收光谱。无机化合物和有机化合物吸收光谱的产生在本质上是相同的，都是外层电子跃迁的结果，但二者在电子跃迁类型上有一定区别。*7.1紫外可见吸收光谱不同物质具有不同的分子结构，*7.1.1有机化合物的紫外-可见吸收光谱

电子跃迁类型

根据分子轨道理论，分子中的电子轨道有

成键轨道、*

反键轨道、

成键轨道、*

反键轨道和

n

未成键轨道（或称非键轨道）。各种分子轨道能量高低的顺序为:

＜

＜

n＜

*

＜

*→*

→*

n→*

n→**7.1.1有机化合物的紫外-可见吸收光谱7.1*

有机化合物的紫外-可见吸收光谱是3

种电子、4

种跃迁的结果：电子、

电子、n

电子。分子轨道理论：成键轨道—反键轨道，非键轨道。

当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4

种跃迁，所需能量ΔΕ

大小顺序为：n→*

<

→*

<n→*<→*sp

*s

*RKE,BnpECOHnpsH*有机化合物的紫外-可见吸收光谱是3种电子、*→*跃迁

所需能量最大，

电子只有吸收远紫外线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。甲烷：λmax=125nm；乙烷：λmax=135nm；环丙烷：λmax=190nm（饱和烃中最长）

在近紫外没有饱和碳氢化合物的光谱，需真空紫外分光光度计检测；可作为溶剂使用。*→*跃迁所需能量最大，电子只有吸收*n→*

跃迁

所需能量较大，但比→*小。

吸收波长为150～250

nm，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→*跃迁。n→*跃迁所需能量取决于带有n电子的原子的性质以及分子结构。*n→*跃迁所需能量较大，但比→*小。*→*

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，κmax一般在104L·mol-1·cm-1以上，属强吸收。

生色团：含有键的不饱和基团，λmax＜200nm

。

乙烯：λmax=162nm

κmax

=1.0×104L·mol-1·cm-1

若形成不饱和键的原子含有非键电子，则也能发生n→*跃迁。n→*跃迁比→*跃迁所需能量小，吸收波长要长一些，但其κmax仅为10-100L·mol-1·cm-1以上。n→*

跃迁一些常见生色团的吸收特性-P122表7-1*→*跃迁所需能量较小，吸收波长处于远紫外*由n→π*跃迁产生的吸收带称为R带(德文Radikal)。能量最小；200～700nm；κmax<103L·mol-1·cm-1较小（一般小于100），弱吸收，禁阻跃迁。分子中同时存在杂原子和双键产生n→π*跃迁。C=O，N=N，N=O，C=S基团中氧原子被硫原子取代后吸收峰发生红移；

C=O：n→π*，λmax280～290nm；C=S（硫酮）：n→π*，λmax400nm左右。

R

带在极性溶剂中发生蓝移。正己烷中：279nm；乙醇中：272nm；水中：264nm。

n→*

跃迁*由n→π*跃迁产生的吸收带称为R带(德文Radik*

生色团的共轭作用如果一种化合物分子中含有两个或两个以上的生色团，但两个生色团处于非共轭状态，那么各个生色团将独立地产生吸收，总的吸收是各个生色团吸收的加和。若两个生色团发生共轭作用，则原来生色团吸收峰消失，在长波方向产生新的吸收峰，吸收强度也会显著增加。按照分子轨道理论，在共轭体系中，电子具有更大的离域性，离域效应使得*轨道能量下降，从而导致吸收峰红移。*生色团的共轭作用如果一*对于多烯化合物，非共轭体系的最大吸收波长与含一个烯键的化合物基本相同，但摩尔吸收系数则与烯键数目同步增大。共轭多烯化合物随着共轭体系的增大其吸收峰红移，摩尔吸收系数也会随共轭体系增大而发生显著变化。

1-己烯：λmax=177nm

κmax

=11800L·mol-1·cm-11,5-己二烯：λmax=178nm

κmax

=26000L·mol-1·cm-1近似相等增大*对于多烯化合物，非共轭体系的最大吸收波长与含一个烯键的化合*醛、酮和羧酸中碳氧双键同烯键之间的共轭作用也会降低*轨道能量，从而使→*

跃迁和n→*跃迁的吸收峰都发生红移。

巴豆醛（CH3CH＝CHCHO）乙醇溶液：

→*

λmax=220nm

κmax

=15000L·mol-1·cm-1n→*

λmax=322nm

κmax

=28L·mol-1·cm-1

单独烯键：

→*

λmax=170nm

单独羰基：

→*

λmax=166nm

n→*

λmax=280nm*醛、酮和羧酸中碳氧双键同烯键之间的共轭作用*B

吸收带（苯吸收带）→*跃迁

——芳香族和杂芳香族化合物的特征谱带

B带包含多重峰或称精细结构，（由于振动次能级对电子跃迁的影响所引起的），经常用于芳香族化合物的辨认。E1带：λmax=184nm

κmax

=50000L·mol-1·cm-1E2带：λmax=204nm

κmax

=7400L·mol-1·cm-1B带：λmax=254nm

κmax

=200L·mol-1·cm-1*B吸收带（苯吸收带）→*跃迁

*表7-3某些苯衍生物的吸收特性化合物分子式溶剂λmax／nmκmax／L·mol-1·cm-1苯C6H62％甲醇2542042007400甲苯C6H5CH32％甲醇2622082257000氯苯C6H5Cl2％甲醇2642101907400碘苯C6H5I2％甲醇2582077007000苯酚C6H5OH2％甲醇27121312606200酚盐离子C6H5O-2％甲醇28623524009400苯甲酸C6H5COOH2％甲醇27223097011600苯胺C6H5NH22％甲醇28023013208600苯胺盐离子C6H5NH3+2％甲醇2542031697500*表7-3某些苯衍生物的吸收特性化合物分子式溶剂λm*从表7-3可以看出，当苯环上有-OH、-NH2等取代基时，吸收峰红移，吸收强度增大。其原因在于这些基团中的n

电子能够同苯环上的

电子发生共轭作用，从而使轨道的*

能量降低。

助色团：像这样一些本身的紫外和可见光区无吸收，但能使生色团吸收峰红移、吸收度增大的基团。主要的助色团：-OH、-OCH3、-NH2等。助色团至少要有一对非键n电子，这样才能与苯环上的电子相作用，产生助色作用。*从表7-3可以看出，当苯环上有-OH*

溶剂对吸收光谱的影响选择溶剂原则：既要使溶剂本身在测定波长范围内无吸收，又要考虑它对被测物质的吸收光谱可能产生的影响。紫外-可见吸收常用的溶剂

非极性溶剂：环己烷，“透明”极限波长210nm；极性溶剂：95％的乙醇，透明”极限波长是210nm。溶剂对物质吸收光谱的影响主要包括以下几个方面。1.对最大吸收波长的影响------λmax

。2.对光谱精细结构和吸收强度的影响-------苯的B带、κmax

。*溶剂对吸收光谱的影响选择溶剂原则：既要使***溶剂的影响：对烯和炔影响较小，但使酮峰值位移。规律：极性溶剂使

n→*吸收带发生蓝移，κmax

；极性，蓝移的幅度。原因：Cδ+=Oδ-极性，激发态时O电子云密度，键极性；基态时的作用强，基态能量大，激发态能量小。能级间的能量差，蓝移。

（1）极性溶剂对n→*跃迁的影响*溶剂的影响：对烯和炔影响较小，但使酮峰值位移。规律：极性溶*溶剂的影响：对烯和炔影响较小，但使酮峰值位移。规律：使

→*吸收带发生红移，κmax略有降低。原因：C=C基态时，两个π电子位于π成键轨道上，无极性；→*跃迁后，分别在成键和反键

*轨道上，C+=C-，极性，与极性溶剂作用强，能量。能级间的能量差，红移。（2）极性溶剂对→*跃迁的影响*溶剂的影响：对烯和炔影响较小，但使酮峰值位移。规律：使*极性溶剂致使→*跃迁的K带发生红移。既有K带又有R带时，溶剂极性越大则K带与R带的距离越近(K带红移,R带蓝移)，见图(因为R在右，K在左)；而随着溶剂极性的变小两个谱带则逐渐远离。

*极性溶剂致使→*跃迁的K带发生红移。*溶剂的影响非极性→极性n

→

*跃迁：蓝移，

，κ

。→*跃迁：红移，

，κ。极性溶剂使精细结构消失。1-乙醚2-水12250300λ/nm乙酰丙酮的紫外-可见吸收光谱*溶剂的影响非极性→极性极性溶剂使精细结构消失。1-乙醚*根据以上讨论，在绘制有机化合物的吸收光谱时，应依照以下原则选择溶剂：（1）比较未知物质与已知物质的吸收光谱时，必须采取相同的溶剂。（2）应尽可能地使用非极性溶剂，以便获得物质吸收光谱的特征精细结构。（3）所选溶剂在需要测定的波长范围内无吸收或吸收很小。选择溶剂的原则*根据以上讨论，在绘制有机化合物的吸收光谱时*7.1.2无机化合物的吸收光谱无机化合物的光度法分析一般用于研究金属离子络合物的吸收光谱在络合物中，电子的吸收跃迁可能发生在：

1.受配位体影响的金属离子的原子轨道之间；

2.受金属离子影响的有机配位体分子轨道之间；3.以上两种轨道之间。因为吸收过程更为复杂，无机络合物的吸收过程分为三种类型。*7.1.2无机化合物的吸收光谱无机*配合物的电子光谱分为三类d--d跃迁,中心离子谱带,>350-400nm,可见区(380-780nm)。配位体与金属离子间或金属离子间的电荷迁移。配体内部的电子转移(n→*,n→*,→*),380nm,紫外区。ΔE=h=hc/普鲁氏蓝KFeⅢ[FeⅡ(CN)6]紫外-可见光谱(电子光谱)电子在轨道间跃迁而产生的光谱*配合物的电子光谱分为三类d--d跃迁,中心离子谱带*d-d

配位场跃迁绝大多数过渡金属离子都具有未充满的d

轨道。当它们在溶液中与水或其它配位体生成络合物时，受配位体配位场的影响，原来能量相同的d

轨道会发生能级分裂。由于d

轨道间能量差（分裂能）的存在，络合物就可以吸收适当波长的辐射能，发生d–d跃迁。吸收光的波长取决于分裂能的大小。配位体的配位场越强，d

轨道分裂能越大，吸收峰波长越短。κmax

=0.1～100L·mol-1·cm-1*d-d配位场跃迁绝大多数过渡金属离子都具有未充满的d*这种d-d跃迁所需能量较小，产生的吸收峰多在可见光区，强度较弱。

κmax

=0.1～100L·mol-1·cm-1

f-f跃迁带在紫外-可见光区，它是镧系、锕系的4f或5f

轨道裂分出不同能量的f

轨道之间的电子跃迁而产生的。一些常见配位体配位场强弱顺序：I-＜Br-

＜Cl-

＜F-

＜OH-

＜C2O42-=H2O＜SCN-

＜吡啶=NH3

＜乙二胺＜联吡啶＜邻二氮菲＜NO2-

＜CN-[Co(NH3)5X]n+的紫外—可见吸收光谱X=NH3时，n=3,X=F,Cl,Br,I时，n=2

*这种d-d跃迁所需能量较小，产生的吸收*电荷转移迁移电荷转移迁移是指络合物中配位体和金属离子之间，一方的电子向主要属于另一方的轨道的跃迁。产生电荷转移跃迁的必要条件是络合物的组分之一具有电子给予体的特性（SCN-），而另一组分具有电子接受体的特性(Fe3+)。电荷转移跃迁吸收光谱的波长取决于电子给予体的电子亲和力。电子亲和力越小，激发所需的能量越低，吸收波长就越长。κmax

＞10000L·mol-1·cm-1*电荷转移迁移电荷转移迁移是指络合物中配位体和金属离子之*金属离子影响下的配位体→*

跃迁吸收光度法所使用的显色试剂绝大多数都含有生色团及助色团，其本身为有色化合物。当与金属离子配位时，作为配位体的显色剂，其共轭结构发生了变化，导致其吸收光谱蓝移或红移。

在定量分析中，要求络合物与配位剂的最大吸收波长之差（“反衬度”）大约在

60nm

以上，这样有利于提高测定的准确度。*金属离子影响下的配位体→*跃迁吸收光度*7.2

紫外-可见分光光度计*7.2紫外-可见分光光度计*光源单色器试样室检测器显示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。紫外区：氢、氘灯。λmax

=185～400nm7.2.1基本部件可见光区：钨灯λmax

=320～2500nm。*光源单色器试样室检测器显示1.光源紫外区：氢、氘灯。7.*2.单色器（棱镜、光栅）

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。*2.单色器（棱镜、光栅）将光源发射的复*3.试样室吸收池(比色皿)+池架附件。吸收池：石英池，玻璃池。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。*3.试样室吸收池(比色皿)+池架附件。*光路图*光路图*1.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。复杂，价高。7.2.2分光光度计构造原理*1.单光束2.双光束7.2.2分光光度计构造原*3.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。两波长同时扫描即可获得导数光谱。*3.双波长将不同波长的两束单色光(λ1、*7.3

紫外-可见吸收光谱法的应用定性分析、结构分析、定量分析物理化学参数的测定：分子量、配合物的配合比与稳定参数、酸碱离解常数、化学反应动力学常数等.7.3.2定量分析（补充）7.3.1定性分析（了解）*7.3紫外-可见吸收光谱法的应用定性分析、结构*7.3.1在有机定性分析中的应用-定性分析定性分析的依据：吸收光谱的形状、吸收峰的数目、εmax(λ)、λmax定性分析的缺陷：只能定性分析化合物所具有的生色团与助色团；光谱信息在紫外-可见光谱范围重叠现象严重。定性分析的方法：

A.用经验规则计算λmax与测定的λmax比较Woodward规则：计算共轭二烯、多烯烃、共轭烯酮类化合物的π→π*

最大吸收波长的经验规则。Scott规则：计算芳香族羰基衍生物的π→π*

最大吸收波长的经验规则。*7.3.1在有机定性分析中的应用-定性分析定性分析*Sadtler.SdandardSpectra(Ultraviolet).Heyden,London,1978.共收集了46000种化合物的紫外吸收光谱。R.A.FriedelandM.Orchin,UltravioletSpectraofAromaticCompounds,Wiley,NewYork,1951.共收集了579种芳香化合物的紫外吸收光谱。Kenzo.Hirayama,HandbookofUltravioletandVisibleAbsorptionSpectraofOrganicCompounds,NewYork,Plenum,1967.M.J.Kamlet,OrganicElectronicSpectraData,Vol.1,1946~1952,Interscience,1960.与标准物质吸收光谱的比较：B.比较吸收光谱与标准吸收光谱谱图的比较：比较未知物与标准物质在相同化学环境与测量条件下的紫外-可见吸收光谱，若吸收光谱的形状、吸收峰的数目、εmax(λ)、λmax完全相同，就可以确定未知物与标准物质具有相同的生色团与助色团。与标准吸收光谱谱图的比较时注意：相同化学环境与测量条件*Sadtler.SdandardSpectra(U*乙酰乙酸乙酯的酮式与烯醇式互变异构:反式肉桂酸λmax=295nmεmax=7000顺式肉桂酸λmax=280nmεmax=13500极性溶剂中形成氢键--酮式λmax=272nmεmax=16n→π*非极性溶剂中形成分子内氢键--烯醇式λmax=243nmεmax大π

→π*反顺式肉桂酸与顺式肉桂酸UV-VIS的差异：在有机定性分析中的应用-结构分析*乙酰乙酸乙酯的酮式与烯醇式互变异构:反式肉桂酸顺式肉桂酸极*7.3.2定量分析（补充）定量分析的依据------Lambert–Beer定律B.光谱信息部分独立A.光谱信息完全独立*7.3.2定量分析（补充）定量分析的依据----*1MAX2MAXabC.光谱信息重叠根据吸光度所具有的加和性：解联立方程式：*1MAX2MAXabC.光谱信息重叠根据吸光度所具*本章小结2.电子跃迁及吸收带类型波长范围：100~780nm远紫外区：

10~200nm近紫外区：

200~400nm可见光区：400~780nm紫外-可见光吸收范围sp

*s

*RKE,Bn