光度法基本原理

關(guān)于光度法基本原理第一頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日光分析法光譜分析法非光譜分析法原子光譜分析法分子光譜分析法原子吸收光譜原子發(fā)射光譜原子熒光光譜X射線熒光光譜折射法圓二色性法X射線衍射法干涉法旋光法紫外光譜法紅外光譜法分子熒光光譜法分子磷光光譜法核磁共振波譜法基于電磁輻射能量與待測(cè)物質(zhì)相互作用后所產(chǎn)生的輻射信號(hào)與物質(zhì)組成及結(jié)構(gòu)關(guān)系所建立起來(lái)的分析方法基于物質(zhì)與輻射能作用時(shí)，分子發(fā)生能級(jí)躍遷而產(chǎn)生的發(fā)射、吸收或散射的波長(zhǎng)強(qiáng)度進(jìn)行分析的方法不涉及能級(jí)躍遷，物質(zhì)與輻射作用時(shí)，僅改變傳播方向等物理性質(zhì)第二頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日（1）分子吸收光譜的產(chǎn)生——由能級(jí)間的躍遷引起能級(jí)：電子能級(jí)、振動(dòng)能級(jí)、轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)躍遷：電子受激發(fā)，從低能級(jí)轉(zhuǎn)移到高能級(jí)的過(guò)程一、有機(jī)化合物紫外吸收光譜的產(chǎn)生1.產(chǎn)生原因第三頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日第四頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日（2）分子吸收光譜的分類：分子內(nèi)運(yùn)動(dòng)涉及三種躍遷能級(jí)，所需能量大小順序：電子能級(jí)間躍遷的同時(shí)，總伴隨有振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)間的躍遷。即電子光譜中總包含有振動(dòng)能級(jí)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)間躍遷產(chǎn)生的若干譜線而呈現(xiàn)寬譜帶。所以紫外-可見(jiàn)吸收光譜是帶狀光譜。第五頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日光譜區(qū)波長(zhǎng)范圍原子或分子的運(yùn)動(dòng)形式X射線0.01-10nm原子內(nèi)層電子的躍遷遠(yuǎn)紫外10-200nm分子中原子外層電子的躍遷紫外200-380nm分子中原子外層電子的躍遷可見(jiàn)光380-780nm分子中原子外層電子的躍遷近紅外780nm-2.5μm分子中涉及氫原子的振動(dòng)紅外2.5-50μm分子中原子的振動(dòng)及分子轉(zhuǎn)動(dòng)遠(yuǎn)紅外50-300μm分子的轉(zhuǎn)動(dòng)微波0.3mm-1m分子的轉(zhuǎn)動(dòng)無(wú)線電波1-1000m核磁共振電磁波譜第六頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日有機(jī)化合物的紫外—可見(jiàn)吸收光譜，是其分子中外層價(jià)電子躍遷的結(jié)果（三種）：①形成單鍵的σ電子；②形成雙鍵的π電子；③未成鍵的n電子。分子軌道理論：一個(gè)成鍵軌道必定有一個(gè)相應(yīng)的反鍵軌道。通常外層電子均處于分子軌道的基態(tài)，即成鍵軌道上。外層電子吸收紫外或可見(jiàn)輻射后，就從基態(tài)向激發(fā)態(tài)(反鍵軌道)躍遷。主要有四種躍遷所需能量ΔΕ大小順序?yàn)椋害摇遥?gt;

n→σ＊

>π→π＊

>

n→π＊

2.電子躍遷形式第七頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日（1）σ→σ＊躍遷所需能量最大，吸收遠(yuǎn)紫外光的能量才能發(fā)生躍遷，只能被真空紫外分光光度計(jì)檢測(cè)到。遠(yuǎn)紫外區(qū)吸收波長(zhǎng)：λ<200nm如甲烷的λ為125nm，乙烷λmax為135nm。

特點(diǎn)：在紫外區(qū)吸收光譜分析中常用作溶劑。（2）n→σ＊躍遷所需能量較大，吸收波長(zhǎng)為150～250nm，大部分在遠(yuǎn)紫外區(qū)。含非鍵電子的飽和烴衍生物（含N、O、S和鹵素等雜原子）均呈現(xiàn)n→σ*躍遷。如一氯甲烷、甲醇、三甲基胺n→σ*躍遷的λ分別為173nm、183nm和227nm。特點(diǎn)：使吸收峰向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)。第八頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日（3）π→π＊躍遷

所需能量較小，吸收波長(zhǎng)處于遠(yuǎn)紫外區(qū)的近紫外端或近紫外區(qū)，不飽和烴、共軛烯烴和芳香烴類均可發(fā)生該類躍遷。如：乙烯π→π*躍遷的λ為162nm。

特點(diǎn)：摩爾吸光系數(shù)κ

max:1×104L·mol-1·cm－1。屬于強(qiáng)吸收（4）n→π＊躍遷

所需能量最低，吸收波長(zhǎng)λ>200nm。分子中孤對(duì)電子和π鍵同時(shí)存在時(shí)發(fā)生n→π＊

躍遷。如：丙酮n→π＊躍遷的λ為275nm，κmax為22L·mol-1·cm-1（溶劑環(huán)己烷)。

特點(diǎn)：摩爾吸光系數(shù)一般為10～100L·mol-1·cm-1，吸收譜帶強(qiáng)度較弱。第九頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日

一般說(shuō)來(lái)：未成鍵的孤對(duì)電子較易激發(fā)。成鍵電子能級(jí)低，反鍵電子相反，n→π*躍遷需要能最低。所產(chǎn)生的吸收波長(zhǎng)最長(zhǎng)。n→σ*,π→π*次之，σ→σ*出現(xiàn)在遠(yuǎn)紫外區(qū)，吸收波長(zhǎng)<200nm。如圖：第十頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日最有用的紫外—可見(jiàn)光譜是由π→π＊和n→π＊躍遷產(chǎn)生的。這兩種躍遷均要求有機(jī)物分子中含有不飽和基團(tuán)。由于其存在能使分子產(chǎn)生吸收而出現(xiàn)譜帶的含有π鍵的不飽和基團(tuán)稱為生色團(tuán)。

簡(jiǎn)單的生色團(tuán)由雙鍵或叁鍵體系組成，如乙烯基、羰基、亞硝基、偶氮基—N＝N—、乙炔基、腈基—C三N等。吸收波長(zhǎng)向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，吸收強(qiáng)度增加。㎜3.常用術(shù)語(yǔ)（1）生色團(tuán)（P276表9-3）第十一頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日

含有n電子的基團(tuán)如:—OH、—OR、—NH２、—NHR、—X等本身沒(méi)有生色功能（不能吸收λ>200nm的光），但當(dāng)它們與生色團(tuán)相連時(shí)，增強(qiáng)生色團(tuán)的生色能力，能使生色基的吸收譜帶明顯地向長(zhǎng)波移動(dòng)，而且吸收強(qiáng)度也相應(yīng)的增加，這樣的基團(tuán)稱為助色團(tuán)。由于n電子與π電子的P-π共軛效應(yīng)導(dǎo)致π→π*躍遷能量降低，吸收波長(zhǎng)向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，吸收強(qiáng)度增加。飽和單鍵碳?xì)浠衔镏?，由于助色團(tuán)中n電子較σ電子易于激發(fā)，使電子躍遷所需能量降低，產(chǎn)生n→σ*躍遷，吸收峰向長(zhǎng)波方向移動(dòng)。如:甲烷λ為125nm~135nm(σ→σ＊躍遷)碘甲烷λ為150nm~210nm(σ→σ＊躍遷)及259nm(n→σ＊躍遷)（2）助色團(tuán)（P275表9-2）第十二頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日

有機(jī)化合物的吸收譜帶常常因引入取代基或改變?nèi)軇┦棺畲笪詹ㄩL(zhǎng)λmax和吸收強(qiáng)度發(fā)生變化:λmax向長(zhǎng)波方向移動(dòng)稱為紅移（或深色移動(dòng)），紅移一般是由于共軛體系延長(zhǎng)或增加了助色基引起；λmax向短波方向移動(dòng)稱為藍(lán)移(或紫移)；吸收強(qiáng)度即摩爾吸光系數(shù)κ增大的現(xiàn)象稱為增色效應(yīng)；吸收強(qiáng)度即摩爾吸光系數(shù)κ減小的現(xiàn)象稱為減色效應(yīng)。（3）紅移、藍(lán)移、增色效應(yīng)、減色效應(yīng)第十三頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日紫外光譜譜帶有：R帶κ

值<100B帶κ

值約250~3000E帶κ

值約2000~10000K帶κ

值≥100004.譜帶分類第十四頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日（1）R帶:(Radikalartin德文:基團(tuán)型的)

由n→π*躍遷引起的吸收帶，產(chǎn)生該吸收帶的發(fā)色團(tuán)是分子中的P-π*共軛體系，如-C=O，-NO2，-CHO等。

特征：強(qiáng)度弱，κ

<100(logκ

<2)，吸收峰一般在270nm以上

CH3CHOλmax291nm,κ11CH2=CH-CHOλmax315nm,κ14

第十五頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日

CH2=CH-CH=CH-CH=CH2λmax258(κ

35000)

CH2=CH-CH=CH2

λmax223(κ

22600)

孤立雙鍵的π→π*躍遷一般<200nm，共軛雙鍵增加時(shí)，不但發(fā)生紅移，而且強(qiáng)度也加強(qiáng)。特點(diǎn)：吸收峰強(qiáng)度很強(qiáng)，κ

≥10000(logκ≥4)。（2）K帶:(Konjugierte德文:共軛的)由π→π*躍遷引起的吸收帶，產(chǎn)生該吸收帶的發(fā)色團(tuán)是分子中共軛系統(tǒng)。第十六頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日（3）B帶(Benzenoidband，苯型譜帶)和E帶(Ethylenicband，乙烯型譜帶)。①B帶由苯的π→π*躍遷和振動(dòng)效應(yīng)的重疊引起，為一寬峰并出現(xiàn)若干小峰，在230~270nm之間，中心在254nm處，κ

max250左右。是苯環(huán)的特征峰。苯環(huán)被取代后，精細(xì)結(jié)構(gòu)消失或部分消失。B帶常用來(lái)識(shí)別芳香族化合物。均為芳香化合物的π→π*吸收帶，苯環(huán)有三個(gè)π→π*躍遷的吸收峰。

第十七頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日

b.

E2帶:λmax203nm左右，κ

max7400。是苯環(huán)中共軛二烯引起的π→π*躍遷。該帶相當(dāng)K帶。當(dāng)苯環(huán)引入發(fā)色團(tuán)時(shí)，與苯環(huán)共軛，E2帶移至220~250nm,κ

>l0000，此時(shí)亦稱為K帶。a.

E1帶:乙烯帶(Ethylenicband),λmax~184nm，logκ

>4。為苯環(huán)的特征譜帶，吸收強(qiáng)度較大。當(dāng)苯環(huán)上有助色團(tuán)時(shí)，向長(zhǎng)波方向移至200~220nm。②E帶:E1和E2帶第十八頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日二、各類有機(jī)化合物的紫外光譜1.飽和烴飽和單鍵碳?xì)浠衔镏挥笑益I電子。σ鍵電子最不易激發(fā)。只有吸收很大能量后，才能產(chǎn)生σ→σ*躍遷。僅在遠(yuǎn)紫外區(qū)（10～200ｎｍ）有吸收帶，且κ小。紫外吸收光譜中常用作溶劑,如己烷，庚烷等。當(dāng)飽和烴中的氫被Ｏ,Ｎ,Ｘ,Ｓ取代時(shí)，這些原子上存在

n電子，可產(chǎn)生n*

躍遷。當(dāng)含有S、I、N原子時(shí)有可能在>200nm處有吸收。有時(shí)在近紫外區(qū)，但κ小。例如CH4130nmCH3Cl173nmCH3Br204nmCH3I258nm氯、溴和碘原子引入甲烷后，其相應(yīng)的吸收波長(zhǎng)發(fā)生了紅移，顯示了助色團(tuán)的助色作用。第十九頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日2.不飽和脂肪烴（1）單烯烴：π-π*躍遷雖然強(qiáng)度很大，但落在真空紫外區(qū)，仍然看不見(jiàn)。（2）共軛雙鍵體系：由多個(gè)雙鍵組成共軛雙鍵體系，隨著共軛體系的延伸，生色團(tuán)加強(qiáng)，吸收強(qiáng)度增加，顏色逐漸變深，吸收光譜發(fā)生較大幅度的紅移。例如:

λmax(nm)lgκ

max

H2C=CH2162~4CH2=CH－CH=CH2217~4第二十頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日K吸收帶：由共軛雙鍵中π→π*躍遷所產(chǎn)生的吸收帶。特點(diǎn)：強(qiáng)度大κ

max在104

～20×104之間，吸收峰位置在217-280nm范圍內(nèi)。

K吸收帶波長(zhǎng)、強(qiáng)度與共軛體系數(shù)目、位置、取代種類有關(guān)，即：共軛雙鍵越多，紅移越顯著。P277表9-4

據(jù)此可判斷共軛體系存在的情況，這是紫外吸收的重要應(yīng)用。第二十一頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日烯類紫外光譜有下列特點(diǎn):(1)在雙鍵碳原子上的氫被含氫的烷基取代時(shí)，由于超共軛效應(yīng)，吸收峰向長(zhǎng)波方向移動(dòng)。雙鍵上每增加一個(gè)烴基，吸收峰譜帶向長(zhǎng)波移動(dòng)約5nm。

乙烯及其同系物的吸收光譜化合物

λmax(nm)

κ

CH2=CH2

162

12000

R-CH=CH2

187

9000

(H3C)2C=C(CH3)2

197

11500第二十二頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日

(2)順?lè)串悩?gòu)體中反式比順式吸收波長(zhǎng)長(zhǎng)。(4)環(huán)狀烯烴中，吸收光譜與雙鍵所處的位置有關(guān)，當(dāng)雙鍵處于環(huán)外時(shí)，吸收峰明顯地向長(zhǎng)波移動(dòng)。(3)雙鍵形成共軛使譜帶發(fā)生紅移。第二十三頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日3.芳香烴苯環(huán)中有三個(gè)吸收帶E1、E2、B帶。苯的UV吸收：λmax/nmκ

E118447000E22037000B254230有取代基取代后，E2帶和B帶發(fā)生紅移，同時(shí)降低了B帶的精細(xì)結(jié)構(gòu)特征。應(yīng)用：根據(jù)以上規(guī)律判斷苯環(huán)的存在。第二十四頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日（1）在苯環(huán)上有取代基時(shí)

a.復(fù)雜的B帶簡(jiǎn)單化，吸收強(qiáng)度增加，發(fā)生紅移。b.連有助色團(tuán)，如-OH、-Cl等，由于n→π*共軛，E2向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，一般210nm左右。

c.連有生色團(tuán)且與苯環(huán)共軛時(shí)（π-π共軛），

E2與E1合并且發(fā)生紅移（K帶）第二十五頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日

λmax(E2)203.5230203

κ

700086007500

在苯胺分子中，與苯比較，氨基的n電子由于p-π共軛向苯環(huán)轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致苯胺的B帶紅移至280nm，且強(qiáng)度增加。E2（π→π*）也紅移。苯胺在酸性溶液中轉(zhuǎn)變?yōu)殇@正離子時(shí)，由于質(zhì)子與氨基的n電子結(jié)合，而不再與苯環(huán)的電子共軛。這種離子吸收帶的位置和強(qiáng)度變得與苯相似，結(jié)果苯胺的吸收帶藍(lán)移至與苯相同的位置。苯胺-苯胺離子相互轉(zhuǎn)化反應(yīng)在光譜上的變遷可以方便地用于結(jié)構(gòu)鑒定。第二十六頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日

苯酚轉(zhuǎn)化成酚氧負(fù)離子時(shí)，增加了一對(duì)可以用來(lái)共軛的電子對(duì)，結(jié)果酚的吸收波長(zhǎng)紅移，強(qiáng)度增加。再加入鹽酸，吸收峰又回到原處。λmax(E2)203211236

κ

700062009400

苯酚一苯酚鈉的相互轉(zhuǎn)化可用來(lái)檢查化合物中是否有酚羥基與芳香環(huán)相連的結(jié)構(gòu)。注意苯酚與羧酸在堿性溶劑中的紫外光譜變化規(guī)律的差別。酸性與堿性化合物在不同pH值下紫外光譜可能變化。第二十七頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日（2）苯環(huán)上有兩個(gè)取代基時(shí)

無(wú)論推電子取代基還是吸電子基，都使Ｅ２帶紅移。兩個(gè)取代基在對(duì)位時(shí)，κmax和波長(zhǎng)較大，間位和鄰位時(shí)，κmax和波長(zhǎng)較小。例如：硝基苯酚當(dāng)硝基與羥基處于對(duì)位λmax317.5nm

間位λmax273.5nm

鄰位λmax278.5nm如果對(duì)位二取代苯的一個(gè)取代基是推電子基團(tuán)，另一個(gè)是吸電子基團(tuán)，紅移非常大。例如：對(duì)硝基苯胺λmax381nm

第二十八頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日

苯的烴基取代物的特征吸收化合物溶劑E2B

λmax

κ

max

λ

maxκ

max

苯水2037000254205甲苯己烷2087900262260鄰二甲苯25%甲醇2108300262300

間二甲苯25%甲醇2127300264300

對(duì)二甲苯乙醇2167600274620第二十九頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日（3）稠環(huán)芳烴

稠環(huán)芳烴，如奈、蒽、芘等，λmax

發(fā)生紅移,κmax

也增大。結(jié)合環(huán)越多，λmax紅移越顯著。如

255nm

275nm無(wú)色

駢五苯λmax580nm紫色

駢四苯橙色λmax=460nm第三十頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日4.羰基化合物（1）飽和羰基化合物在孤立羰基的化合物中，有σ電子、π電子和孤對(duì)電子n電子。因此存在著四種躍遷：

σ→σ*、π→π*、n→σ*、n→π*。前三種躍遷，λmax<200nm，一般觀察不到。孤立羰基化合物的n→π*躍遷，其吸收譜帶出現(xiàn)在270~300nm附近，一般呈低強(qiáng)度吸收(κ

=10~20)的寬譜帶，稱之為R帶。CH3COCH3180nm(n→σ*)280nm(n→π*),logκ

=1~2(κ

=22)第三十一頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日

在羧酸及其衍生物中，羰基碳原子直接連接含有未成對(duì)電子對(duì)的助色團(tuán)，如-OH、-Cl、-OR等，由于這些助色團(tuán)上的n電子與羰基雙鍵的電子產(chǎn)生n-共軛，使n軌道能量降低，而π*軌道的能量升高，使n→π*躍遷能量增大，與酮相比譜帶n→π*藍(lán)移。

酮

酯

第三十二頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日CH3COCH3280nm(n→π*)CH3CHO289nm(n→π*)RCOOR~205nm(n→π*)

RCOOH及RCOOR的n→π*比RCHO的λ小，即藍(lán)移。

RCOOH→RCOO-藍(lán)移更多。

RCOOH的紫外光譜圖與溶液的PH值有關(guān)。第三十三頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日（2）α

、β-不飽和羰基化合物（RCH=CH-COR’)

α、β不飽和醛酮的C=C與C=O處于共軛狀態(tài)，K帶和R帶與相應(yīng)孤立生色團(tuán)的吸收帶相比處于較長(zhǎng)波段。

R帶由n→π*躍遷產(chǎn)生，一般出現(xiàn)在300nm附近，為一弱吸收帶κ

max=10~1000。

K帶由π→π*躍遷產(chǎn)生,λmax約在220nm附近，為強(qiáng)吸收帶，κ

max一般大于10,000。第三十四頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日1.電荷遷移躍遷：輻射下，分子中原定域在金屬M(fèi)軌道上的電荷轉(zhuǎn)移到配位體L的軌道，或按相反方向轉(zhuǎn)移，這種躍遷稱為電荷轉(zhuǎn)移躍遷，所產(chǎn)生的吸收光譜稱為荷移光譜。Mn+—Lb-M(n-1)+—L(b-1)-h[Fe3+CNS-]2+h[Fe2+CNS]2+電子給予體電子接受體三、無(wú)機(jī)化合物的紫外—可見(jiàn)吸收光譜產(chǎn)生無(wú)機(jī)化合物紫外-可見(jiàn)吸收光譜的電子躍遷形式，一般分為兩大類：電荷遷移躍遷和配位場(chǎng)躍遷。第三十五頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日電荷轉(zhuǎn)移躍遷本質(zhì)上屬于分子內(nèi)氧化還原反應(yīng)，因此呈現(xiàn)荷移光譜的必要條件是構(gòu)成分子的二組分，一個(gè)為電子給予體，另一個(gè)應(yīng)為電子接受體。不少過(guò)渡金屬離子與含生色團(tuán)的試劑反應(yīng)所生成的配合物以及許多水合無(wú)機(jī)離子，均可產(chǎn)生電荷遷移躍遷。此外，一些具有d10電子結(jié)構(gòu)的過(guò)渡元素形成的鹵化物及硫化物，如AgBr、HgS等，也由于這類躍遷而產(chǎn)生顏色。電荷轉(zhuǎn)移躍遷摩爾吸光系數(shù)一般都較大(104左右)，適宜于微量金屬的檢出和測(cè)定。荷移光譜的最大吸收波長(zhǎng)及吸收強(qiáng)度取決于電子給予體和電子接受體相應(yīng)電子軌道的能量差。第三十六頁(yè)，共四十四頁(yè)，2022年，8月28日2.配位場(chǎng)躍遷配位場(chǎng)躍遷包括d-d躍遷和f-f躍遷。在配體的作用下過(guò)渡金屬離子的d軌道和鑭系、錒系的f軌道裂分，吸收