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1第二章紫外-可见吸收光谱分析2本章知识体系：1.紫外－可见吸收光谱法基本原理2.光的吸收定律3.紫外－可见分光光度计5.紫外－可见吸收光谱法的应用4.化合物紫外光谱解析3导言：光的基本性质光是一种电磁波，具有波粒二象性。光的波动性可用波长λ、频率ν、光速c、波数（cm-1）等参数来描述：λν=c；波数=1/λ=ν/c光是由光子流组成，光子的能量：E=hν=hc/λ(ν希腊字母，读作：Nu)（Planck常数：h=6.626×10-34J•S)※光的波长越短/频率越高,其能量越大。4物质对光的选择性吸收及吸收曲线M+热M+hν→M*M+荧光或磷光基态E1（△E）E2激发态ΔE=E2－E1=hν选择性吸收产生的原因吸收曲线与最大吸收波长λmax56第一节紫外－可见吸收光谱法基本原理基于物质对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.灵敏度高。可以测定10-4-10-1mg·mL-1的微量组分。2.准确度较高。其相对误差一般在1%-5%之内。3.仪器价格较低，操作简便、快速。4.应用范围广。一、紫外-可见吸收光谱法定义二、紫外-可见吸收光谱紫外吸收光谱:200~400nm;可见吸收光谱:400~800nm10吸收光谱讨论：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。113.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。a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。b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。124.吸收谱带的强度与分子偶极矩变化、跃迁几率有关，也提供分子结构的信息。5.吸收谱带强度与该物质分子吸收的光子数成正比，定量分析的依据。13（一）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。与这3种运动相对应，分子存在3种能级三、有机化合物的紫外-可见吸收产生的机制14§分子具有三种不同能级：电子能级、振动能级和转动能级。§三种能级都是量子化的，且各自具有相应的能量。§分子的内能：电子能量Ee、振动能量Ev、转动能量Er即Ｅ＝Ｅe+Ｅv+ＥrΔΕeΔΕvΔΕr15（二）能级跃迁：电子能级间跃迁的同时，总伴随有振动和转动能级间的跃迁。即电子光谱中总包含有振动能级和转动能级间跃迁产生的若干谱线而呈现宽谱带。16（1）转动能级间的能量差ΔΕr：0.005～0.050eV，跃迁产生吸收光谱位于远红外区。远红外光谱或分子转动光谱；（2）振动能级的能量差ΔΕv约为：0.05～１eV，跃迁产生的吸收光谱位于红外区，红外光谱或分子振动光谱；讨论：（3）电子能级的能量差ΔΕe较大1～20eV。电子跃迁产生的吸收光谱在紫外—可见光区，紫外—可见光谱或分子的电子光谱（4）吸收光谱的波长分布是由产生谱带的跃迁能级间的能量差所决定，反映了分子内部能级分布状况，是物质定性的依据。（三）有机化合物分子外层价电子跃迁——吸收光谱产生机制外层价电子：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＊A.σ→σ*跃迁主要发生在真空紫外区（又称远紫外区，波长10nm~200nm范围），如饱和脂肪烃类物质，因其只能发生σ→σ*跃迁，故在200~1000nm无吸收，常作溶剂。B.n→σ*跃迁吸收波长仍然在（150~250nm）范围，因此在紫外区不易观察到这类跃迁。C.π→π*跃迁吸收的波长较长，孤立的跃迁一般在170~400nm之间。D.n→π*跃迁一般在可见光区（400~800nm），吸光强度较小。四.常用术语1.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。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。2.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3.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。4.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。5.强带和弱带：max104的吸收带称为强带；max103的吸收带称为弱带。1.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。五.影响紫外-可见吸收光谱的因素2.溶剂效应：（1）溶剂极性对光谱精细结构的影响溶剂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。（2）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3.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。27第二节光的吸收定律（一）定义布格(Bouguer)和朗伯(Lambert)先后于1729年和1760年阐明了光的吸收程度和吸收层厚度的关系。A∝b1852年比耳(Beer)又提出了光的吸收程度和吸收物浓度之间也具有类似的关系。A∝c二者的结合称为朗伯—比耳定律，其数学表达式为：A＝lg（I0/It）=εbc一、朗伯—比耳定律29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：溶液的物质的量浓度，单位mol·L－１；ε：摩尔吸光系数，单位L·mol－１·cm－１；透光度（透光率）T透过度T：描述入射光透过溶液的程度，T=It/I0吸光度A与透光度T的关系:A＝－lgTA＝lg（I0/It）=εbc30朗伯—比耳定律是吸光光度法的理论基础和定量测定的依据。应用于各种光度法的吸收测量。摩尔吸光系数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。31（二）摩尔吸光系数ε的讨论1、吸光物质的ε在一定波长和溶剂条件下的特征常数，不随浓度c和光程长度b的改变而改变。在温度和波长等条件一定时，ε仅与吸光物质本身的性质有关，可作为定性鉴定的参数。322、同一吸光物质在不同波长下的ε值是不同的。在最大吸收波长λmax处的摩尔吸光系数，常以εmax表示。εmax表明了该吸光物质最大限度的吸光能力，也反映了光度法测定该物质可能达到的最大灵敏度。3、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敏度越高。ε105：超高灵敏；ε=(6～10)×104：高灵敏；ε2×104：不灵敏。33标准曲线法测定未知溶液的浓度时，发现：标准曲线常发生弯曲（尤其当溶液浓度较高时），这种现象称为对朗伯—比耳定律的偏离。引起这种偏离的因素（两大类）：一类是物理性因素，即仪器的非理想引起的；另一类是化学性因素。（三）偏离朗伯－比耳定律的原因341、物理性因素朗伯—比耳定律的前提条件之一是入射光为单色光。难以获得真正的纯单色光。分光光度计只能获得近乎单色的狭窄光带。复合光可导致对朗伯—比耳定律的正或负偏离。非单色光、杂散光、非平行入射光都会引起对朗伯—比耳定律的偏离，最主要的是非单色光作为入射光引起的偏离。35在图上则表现为A—c曲线上部(高浓度区)弯曲愈严重。故朗伯—比耳定律只适用于稀溶液。为克服非单色光引起的偏离，首先应选择比较好的单色器。此外还应将入射波长选定在待测物质的最大吸收波长且吸收曲线较平坦处。362、化学性因素朗伯—比耳定律的假定：所有的吸光质点之间不发生相互作用。这种假定只有在稀溶液(c10-2mol/L)时才基本符合。当溶液浓度c10－2mol/L时，吸光质点间可能发生缔合等相互作用，直接影响了对光的吸收。故：朗伯—比耳定律只适用于稀溶液。溶液中存在着离解、聚合、互变异构、配合物的形成等化学平衡时。使吸光质点的浓度发生变化，影响吸光度。37第三节紫外－可见分光光度计38光源→单色器→吸收池→检测器→显示装置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320～2500nm。紫外区：氢、氘灯。发射185～400nm的连续光谱。一、基本组成39将光源发射的复合光分解成单色光并可从中选出任一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40414.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.样品室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.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.样品室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。421．单光束型简单，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．双光束型自动记录，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。二、分光光度计的类型43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44第四节化合物紫外光谱解析饱和烃只含有C－H和C－C单键，只有σ键电子，电子结合牢固，σ电子最不易激发，σ电子只有吸收远紫外光的能量才能发生σ→σ*跃迁。饱和烷烃的分子吸收光谱出现在远紫外区(吸收波长λ150nm，只能被真空紫外分光光度计检测到)。如甲烷的λmax为125nm,乙烷λmax为135nm。所以在紫外吸收光谱分析中常用它作溶剂。如己烷，环己烷，庚烷，异辛烷，乙醇，甲醇等。一、饱和烃及其取代衍生物45当饱和单键碳氢化合物中的H被O、N、S、卤素等杂原子取代时，这类原子中的n电子较σ电子易激发，电子跃迁所需能量减低，产生n→σ*跃迁，吸收波长向长波方向移动。如：甲烷的λmax为125nm（远紫外区），碘甲烷（CH3I）的吸收峰在150～210nm(σ→σ*跃迁)及259nm（n→σ*跃迁），CH2I2---292nm,CHI3---349nm。助色团，如-NH2，-NR2，-OH，-OR，-SR，-X等产生红移。46不饱和烃类分子中，含有σ键和π键电子，它可以产生