紫外及可见光谱分析课件

第3章紫外及可见光谱分析

(UltravioletandvisibleSpectroscopy,UV-Vis)研究物质在紫外-可见光区（200-800nm）分子吸收光谱的分析方法。第3章紫外及可见光谱分析(Ultravioletan1紫外及可见光谱分析课件2本章内容

分子能级及紫外光谱的产生紫外及可见光谱仪紫外及可见光谱法的应用

本章内容分子能级及紫外光谱的产生3UV-Vis方法是分子光谱方法，它利用分子对外来辐射的选择性吸收特性。

UV-Vis涉及分子外层电子的能级跃迁；光谱区在190~780nm.

UV-Vis主要用于分子的定量分析，但紫外光谱(UV)为四大波谱之一，是鉴定许多化合物，尤其是有机化合物的重要定性工具之一。UV-Vis方法是分子光谱方法，它利用分子对外来辐射的选择性43.1分子能级及紫外光谱的产生

3.1.1分子能级

分子有三种运动方式·形成化学键的电子云形状变化·化学键振动·分子沿某一轴转动

对应有三种能级电子能级振动能级转动能级

3.1分子能级及紫外光谱的产生3.1.1分子能级5分子吸收光谱的形成1.过程：运动的分子外层电子--------吸收外来辐射------产生电子能级跃迁-----分子吸收谱。2.能级组成：除了电子能级(Electronenergylevel)外，分子吸收能量将伴随着分子的振动和转动，即同时将发生振动(Vibration)能级和转动(Rotation)能级的跃迁！据量子力学理论，分子的振-转跃迁也是量子化的或者说将产生非连续谱。因此，分子的能量变化

E为各种形式能量变化的总和：其中

Ee最大：1-20eV;

Ev次之：0.05-1eV;

Er最小：

0.05eV可见，电子能级间隔比振动能级和转动能级间隔大1~2个数量级，在发生电子能级跃迁时，伴有振-转能级的跃迁，形成所谓的带状光谱。分子吸收光谱的形成6

UV-Vis定性分析的基础不同物质结构不同或者说其分子能级的能量(各种能级能量总和)或能量间隔各异，因此不同物质将选择性地吸收不同波长或能量的外来辐射。定性分析具体做法不同波长的光通过待测物，经待测物吸收后，测量其对不同波长光的吸收程度(吸光度A)，以吸光度A为纵坐标，辐射波长为横坐标作图，得到该物质的吸收光谱或吸收曲线，据吸收曲线的特性(峰强度、位置及数目等)研究分子结构。UV-Vis定性分析的基础7-胡罗卜素咖啡因阿斯匹林丙酮几种有机化合物的分子吸收光谱图。-胡罗卜素咖啡因阿斯匹林丙酮几种有机化合物的分子吸收8·使电子能级变化需要的能量是1~20ev相当于紫外及可见光能量范围·使振动能级变化需要的能量是0.05~1ev相当于红外光能量范围·使转动能级变化需要的能是为0.05ev以下相当于远红外光能量范围·使电子能级变化需要的能量是1~20ev9紫外及可见光谱分析课件10电子能级振动能级转动能级

电子能级振动能级转动能级113.1.2分子吸收光谱

·用紫外（可见）光照射有机分子，分子吸收紫外（可见）光后，从电子能级基态跃迁到激发态，得到紫外（可见）吸收光谱·用红外光照射有机分子，分子从振动能级基态跃迁到激发态，可产生红外吸收光谱·用远红外光照射有机分子，分子从转动能级基态跃迁到激发态，可产生远红外吸收光谱

3.1.2分子吸收光谱·用紫外（可见）光照射有机分子12·紫外（可见）光谱，红外光谱，远红外光谱是分子能级变化形成的，称为分子光谱·电子能级变化时，必然伴随着振动能级的变化，振动能级的变化又伴随转动能级的变化，因此，分子光谱不是线状光谱，而是带状光谱。

·紫外（可见）光谱，红外光谱，远红外光谱是分子能级变化形13即：E=Eel+Evib+Erot3)气相中的多普勒变宽和碰撞变宽也会超过转动谱线间的间距。1)分子对电磁辐射的吸收是分子能量变化的和。即：E=Eel+Evib+Erot分子光谱为什么是带状光谱？2)溶液中相邻分子间的碰撞分子各种能级的一般会失去振动精细结构。细微变化谱带的进一步加宽和汇合分子由气态到溶液即：E=Eel+Evib+Erot3)气相中的14原子光谱线状光谱分子光谱带状光谱精细结构原子光谱分子光谱15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λmax。②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。吸收曲线的讨论：16③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。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。此特性可作为物质定量分析的依据。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。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173.1.3紫外及可见光谱的产生

·分子外层电子有形成σ键的σ电子，形成π键的π电子和未成键的n电子。·受到光的照射基态电子吸收能量后变为激发态π*和σ*电子，同时产生吸收光谱3.1.3紫外及可见光谱的产生·分子外层电子有形成σ18有机分子能级跃迁1.可能的跃迁类型有机分子包括:成键轨道、；反键轨道

*、*非键轨道n

例如H2O分子的轨道：

C

H

H

Ooooo=

=

o=n分子吸收光谱跃迁类型有机分子能级跃迁CHHOoooo=分子吸19各轨道能级高低顺序：

n

*

*（分子轨道理论计算结果）；可能的跃迁类型：

-

*；-

*；-

*；n-*；-

*；n-*各轨道能级高低顺序：n**（分子轨道理论计20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。分子的紫外-可见吸收光谱法是基于分子内电子跃迁产21电子能级和跃迁类型

电子能级和跃迁类型221.σ-σ*跃迁能级差大，产生σ-σ*跃迁需要光波长

max

150nm，饱和有机化合物的电子跃迁在远紫外区，远紫外区或真空紫外区。2.π-π*跃迁能级差小,产生π-π*跃迁需要光波长

max

160-200nm。一般在紫外区。双键共轭，波长红移，吸收增强，

max和

max均增加。1.σ-σ*跃迁能级差大，产生σ-σ*跃迁需要光波长ma23单个双键，一般

max为150-200nm。如果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。

max=185nm

max=217nm

max=258nm单个双键，一般max为150-200nm。max=243.n-σ*跃迁能级差大,

max

160-250nm，含未共享电子对的取代基可发生n

*跃迁，远紫外区。4.n-π*跃迁能级差最小,

max

200nm，一般在近紫外区，有时在可见区。为弱吸收带。3.n-σ*跃迁能级差大,max160-250nm，含25紫外及可见光谱分析课件26

*跃迁几率大，是强吸收带；n

*跃迁几率小，是弱吸收带，一般

max<500。许多化合物既有

电子又有n电子，既可发生

*又可n

*跃迁。如-COOR基团，

*跃迁

max=165nm，

max=4000；而n

*跃迁

max=205nm，

max=50。能产生紫外-可见吸收的官能团，如一个或几个不饱和基团，或不饱和杂原子基团，C=C,C=O,N=N,N=O等称为生色团（chromophore）;分子中含有非键或

键的电子体系，能吸收特征外来辐射时并引起n-*和-

*跃迁，可产生此类跃迁或吸收的结构单元，称为生色团。*跃迁几率大，是强吸收带；27紫外及可见光谱分析课件28紫外及可见光谱分析课件29紫外及可见光谱分析课件30助色团(auxochrome)：本身在200nm以上不产生吸收，但其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）的一类基团。含有孤对电子，可使生色团吸收峰向长波方向移动并提高吸收强度的一些官能团，称之为助色团。常见助色团助色顺序为：-F<-CH3<-Br<-OH<-OCH3<-NH2<-NHCH3<-NH(CH3)2<-NHC6H5<-O-含有生色团或生色团与助色团的分子在紫外可见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。生色团（和助色团）是分子产生紫外-可见吸收的条件！！！！！助色团(auxochrome)：本身在200nm以上不产生313.1.4影响紫外-可见吸收光谱的因素1.

谱带位移蓝移（或紫移，hypsochromicshiftorblueshift)

吸收峰向短波长移动红移(bathochromicshiftorredshift)

吸收峰向长波长移动2.

吸收峰强度变化

增色效应(hyperchromiceffect)

吸收强度增加减色效应(hypochromiceffect)

吸收强度减小3.1.4影响紫外-可见吸收光谱的因素1.

谱带位移32紫外及可见光谱分析课件333．共轭效应的影响

电子共轭体系增大，

max红移，

max增大共轭效应的结果是电子离域到多个原子之间，使跃迁轨道能量降低，导致

*能量降低。同时跃迁几率增大，

max增大。3．共轭效应的影响电子共轭体系增大，max红移，ma344.空间阻碍使共轭体系破坏，

max蓝移，

max减小。4.空间阻碍使共轭体系破坏，max蓝移，max减小。35111给电子基：带有未共用电子对的原子的基团。如-NH2,-OH等。未共用电子对的流动性很大，能够形成p-

共轭，降低能量，

max红移。给电子基的给电子能力顺序为：-N(C2H5)2>-N(CH3)2>-NH2>-OH>-OCH3>-NHCOCH3>-OCOCH3>-CH2CH2COOH>-H111给电子基：带有未共用电子对的原子的基团。36吸电子基：易吸引电子而使电子容易流动的基团。如：-NO2,-CO,-CNH等共轭体系中引入吸电子基团，也产生

电子的永久性转移，

max红移。

电子流动性增加，吸收光子的吸收分数增加，吸收强度增加。吸电子基的作用强度顺序是：-N+(CH3)3>-NO2>-SO3H>-COH>-COO->-COOH>-COOCH3>-Cl>-Br>-I电子基与吸电子基同时存在时，产生分子内电荷转移吸收，

max红移，

max增加。吸电子基：易吸引电子而使电子容易流动的基团。373.2吸收定律

1朗伯一比尔定律

A＝lg（I0/It)=εbc

式中A：吸光度；描述溶液对光的吸收程度；

b：液层厚度(光程长度)，通常以cm为单位；

c：溶液的摩尔浓度，单位mol·L－１；

ε：摩尔吸光系数，单位L·mol－１·cm－１；或:A＝lg（I0/It)=abc

c：溶液的浓度，单位g·L－１

a：吸光系数，单位L·g－１·cm－１

3.2吸收定律1朗伯一比尔定律38εmax越大表明该物质的吸光能力越强，用光度法测定该物质的灵敏度越高。ε>105：超高灵敏；

ε=(6～10）×104：高灵敏；

ε<2×104：不灵敏。ε在数值上等于浓度为1mol/L、液层厚度为1cm时该溶液在某一波长下的吸光度。εmax越大表明该物质的吸光能力越强，用光度法测定该物质的灵392朗伯一比尔定律的适用性

入射光为单色光溶液界面无反射，光度计内无杂散光（straylight）溶液为真溶液（无溶质、溶剂及悬浊物引起的散射）吸收过程中，吸收物质的行为互不相关均一溶液，稀溶液2朗伯一比尔定律的适用性

入射光为单色光403比尔定律的加和性彼此间无相互作用的多组分体系的总吸光度是各物质吸光度的总和:Ac=

1bC1+

2bC2+……+

nbCn3比尔定律的加和性411仪器组成：光源：钨灯氘灯提供激发能，使待测分子产生吸收。要求：能够提供足够强的连续光谱、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。热辐射光源：利用固体灯丝材料高温放热产生的辐射。如钨灯、卤钨灯。可见区。气体放电光源：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，紫外区。

3.3紫外及可见分光光度计光源单色器样品室检测器显示3.3紫外及可见分光光度计光源单色器样品室检测器显示42单色器:入射狭缝、准直镜、色散元件、物镜和出射狭缝

分光器：光栅吸收池：石英吸收池检测器：光电倍增管二极管阵列检测器2

光路图单光束双光束3

工作原理单色器:入射狭缝、准直镜、色散元件、物镜和出射狭缝43紫外光谱仪光路图

紫外光谱仪光路图44光源单色器吸收池检测器氘灯、钨灯石英棱镜、光栅石英池光电倍增管光源单色器吸收池检测器氘灯、钨灯石英棱镜、光栅石英池光电倍增45紫外及可见光谱分析课件463.4紫外光谱法应用

3.4.1定量分析

1、单组份定量分析2、多组份定是分析3、导数分光光度法4、光度滴定

3.4紫外光谱法应用3.4.1定量分析1、单组份定量471.单组份定量分析

A

A1A2

A3

C1

C2

C3

A

C

1.单组份定量分析AA1A2A3C1C2482.多组份定量分析

A

1

2

122.多组份定量分析A121249：

1处的总吸收：

2处的总吸收：在

1处组分1的摩尔吸收系数，可测：在

1处组分2的摩尔吸收系数，可测：在

2处组分1的摩尔吸收系数，可测：在

2处组分2的摩尔吸收系数，可测解方程，求出C1，C2

：1处的总吸收503.导数分光光度法

紫外光谱图可以对每一点求导数·随导数的阶数增加，带宽变小，分辨率提高·小峰求导数后，峰值变大，灵敏度提高导数分光光度法适用于低含量的测定3.导数分光光度法紫外光谱图可以对每一点求导数514.光度滴定

①被滴定物有吸收②滴定剂有吸收③滴定剂和被滴定物都有吸收

AAA①②③滴定量滴定量滴定量4.光度滴定①被滴定物有吸收AAA①②③滴定量滴定量滴523.4.2定性分析

1各类化合物的紫外吸收1）简单分子2）含共軛体系的分子軛3）芳香族化合物2紫外光谱法定性分析1）验证已知物2）判断异构体3）推断未知物结构

3.4.2定性分析1各类化合物的紫外吸收53各类化合物的紫外吸收1）简单分子

A饱