紫外吸收光譜分析

關(guān)于紫外吸收光譜分析24.03.20231第一頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期三24.03.20232物質(zhì)的顏色和對光的選擇性吸收完全吸收完全透過吸收黃色光光譜示意表觀現(xiàn)象示意復(fù)合光第二頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期三24.03.20233

測量某物質(zhì)對不同波長單色光的吸收程度，以波長()為橫坐標(biāo)，吸光度(A)為縱坐標(biāo)，繪制吸光度隨波長的變化可得一曲線，此曲線即為吸收光譜。用途①進(jìn)行定性分析②進(jìn)行定量分析③選擇吸收波長④判斷干擾情況吸收曲線:KMnO4溶液的光吸收曲線λmax=525nm第三頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期三24.03.20234定性分析與定量分析的基礎(chǔ)根據(jù)物質(zhì)對光的最大吸收波長，可進(jìn)行定性分析。一定的實驗條件下，物質(zhì)對光的吸收與物質(zhì)的濃度成正比。根據(jù)物質(zhì)對光的吸收多少可進(jìn)行物質(zhì)的定量分析。KMnO4吸收光譜λmax=525nm第四頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期三24.03.20235

當(dāng)一束強(qiáng)度為I0的平行單色光垂直照射到長度為b、濃度為c的液層，通過溶液后光的強(qiáng)度減弱為It

，則：

此式即為朗伯—比爾定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式，是光度法定量分析的基礎(chǔ)。式中比例常數(shù)α（—吸收系數(shù)，單位為L·g-l·cm-1

）與吸光物質(zhì)的性質(zhì)、入射光波長及溫度等因素有關(guān)。光吸收的基本定律

——朗伯-比爾定律第五頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期三24.03.20236摩爾吸收系數(shù)

當(dāng)濃度c用mol·L-1，液層厚度b用cm為單位表示，則

α用符號κ(或ε)來表示。

κ稱為摩爾吸收系數(shù)：單位為L·mol-l·cm-1，它表示物質(zhì)的量濃度為lmol·L-1，液層厚度為lcm時溶液的吸光度。注：同一吸收物質(zhì)在不同波長下的κ值是不同的。在最大吸收波長處的摩爾吸光系數(shù)，常以κmax表示。κmax表明了該吸收物質(zhì)最大限度的吸光能力，也反映了光度法測定該物質(zhì)可能達(dá)到的最大靈敏度。

κ=Mα第六頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期三24.03.20237§2-1

概述光的特性本質(zhì)：電磁波。特性：波粒二象性(waveandcorpuscleduality)。波動性：指光可以用互相垂直的、以正弦波振蕩的電場和磁場表示。粒子性：光可以看成是由一系列量子化的能量子（即光子）組成。光子能量為E＝hνh為Plank常數(shù)，h=6.626×10-34Js。第七頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期三24.03.20238電磁輻射與物質(zhì)的相互作用原理：物質(zhì)與光的作用可看成是對光子能量的授受，即hν=E1-E0，該原理廣泛應(yīng)用于光譜解析。本質(zhì)：物質(zhì)吸收光能后發(fā)生躍遷。躍遷是指物質(zhì)吸收光能后自身能量的改變。因這種改變是量子化的，故稱為躍遷。不同波長的光，能量不同，躍遷形式也不同，因此有不同的光譜分析法。第八頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期三24.03.20239光學(xué)分析法利用物質(zhì)發(fā)射、吸收電磁輻射的性質(zhì)以及物質(zhì)與電磁輻射的相互作用實現(xiàn)對物質(zhì)（組分）成分分析和結(jié)構(gòu)分析的一類儀器分析方法。此類分析方法是儀器分析中較早且重要的一類。電磁輻射區(qū)域劃分圖2.1光學(xué)區(qū)電磁輻射區(qū)域第九頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期三24.03.202310光學(xué)分析法分類：光譜分析法：測量試樣光譜的波長和強(qiáng)度，利用物質(zhì)組分的吸收或發(fā)射光譜與物質(zhì)結(jié)構(gòu)及含量的內(nèi)在聯(lián)系，實現(xiàn)對物質(zhì)的定性和定量分析。方法與分類：定性：紅外、原子發(fā)射、紫外定量：紫外-可見、原子吸收/發(fā)射、紅外、熒光、磷光分子光譜原子光譜吸收光譜紫外-可見、紅外原子吸收發(fā)射光譜分子熒光、磷光原子發(fā)射第十頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期三24.03.202311非光譜分析法：不涉及光譜電磁輻射與物質(zhì)（組分）間的相互作用，引起電磁輻射在方向或物理性質(zhì)上的變化，如，折射、反射、色散、干涉、衍射、偏射等，利用這些變化與物質(zhì)結(jié)構(gòu)及含量的內(nèi)在聯(lián)系，實現(xiàn)對物質(zhì)的定性和定量分析。例如：測有機(jī)物的折射率——定性分析

X-射線衍射——測定晶體結(jié)構(gòu)第十一頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期三24.03.202312光譜分析法波長區(qū)域波數(shù)區(qū)域,cm-1躍遷類型g

射線發(fā)射0.005-1.4

－核X射線吸收，發(fā)射，熒光，衍射0.1-100

－內(nèi)層電子真空紫外吸收10-180nm1×106to5×104價電子紫外-可見吸收，發(fā)射，熒光180-780nm5×104to1.3×104價電子紅外吸收，拉曼散射0.78-300mm1.3×104to3.3×101分子振動/轉(zhuǎn)動微波吸收0.75-3.75mm13-27分子轉(zhuǎn)動電子自旋共振3cm0.33電子在磁場中的自旋核磁共振0.6-10m1.7×10-2to1×10-3核在磁場中的

自旋表2.1常用光譜分析法分類第十二頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期三24.03.202313§2-2

分子吸收光譜分子光譜分子吸收光譜：

當(dāng)光輻射通過吸收介質(zhì)時，輻射能因被介質(zhì)選擇性吸收而使其透過后的強(qiáng)度有不同程度的減弱，所損失的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榻橘|(zhì)的內(nèi)能，這種吸收的結(jié)果就產(chǎn)生了分子吸收光譜。利用這種吸收與物質(zhì)的性質(zhì)以及物質(zhì)的量的關(guān)系可以實現(xiàn)物質(zhì)的定量及定性分析。分子和原子一樣，也有它的特征分子能級。第十三頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期三24.03.202314分子內(nèi)部的運動：價電子運動分子內(nèi)原子在平衡位置附近的振動分子繞其重心的轉(zhuǎn)動分子能級：

分子和原子一樣，也有它的特征分子能級。電子能級1-20ev振動能級0.025-1ev轉(zhuǎn)動能級0.003-0.025ev第十四頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期三24.03.202315分子結(jié)構(gòu)與吸收光譜分子光譜是帶狀光譜：分子對電磁輻射的吸收是分子總能量變化之和。即：E=Ee+Ev+Er電子躍遷時不可避免地產(chǎn)生振動或轉(zhuǎn)動能級躍遷，分子的吸收光譜是由成千上萬條彼此靠得很近的譜線組成，看起來是一條連續(xù)的吸收帶。

圖2.2電磁波吸收與分子能級躍遷第十五頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期三24.03.202316配體配合物L(fēng)aL3?4H2OFc(紫外區(qū))247.5nmFc(紫外區(qū))244.5nmFc(可見光區(qū))445.5nmFc(可見光區(qū))445.0nmC=N315.0nm無第十六頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期三24.03.202317遠(yuǎn)紅外光譜：吸收0.003ev-0.025ev的光輻射產(chǎn)生的吸收光譜。對應(yīng)于遠(yuǎn)紅外線（50-300μm）。分子內(nèi)發(fā)生轉(zhuǎn)動能級的躍遷，又稱轉(zhuǎn)動光譜。紅外光譜：吸收0.025ev-1ev的光輻射產(chǎn)生的吸收光譜。對應(yīng)于紅外線（0.78-50μm）。分子內(nèi)發(fā)生振動能級的躍遷，同時伴有轉(zhuǎn)動能級躍遷，又稱振動轉(zhuǎn)動光譜。紫外－可見光譜：吸收1ev-20ev的光輻射產(chǎn)生的吸收光譜。對應(yīng)于紫外線和可見光（200-780nm）。分子內(nèi)發(fā)生電子能級的躍遷，同時伴有振動和轉(zhuǎn)動能級躍遷，又稱電子光譜。第十七頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期三24.03.202318圖2.2紫外－可見光譜區(qū)域及其激發(fā)類型第十八頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期三24.03.202319紫外吸收光譜法概述原理：基于物質(zhì)對紫外光的選擇性吸收。是分子中價電子在能級間的躍遷所產(chǎn)生的吸收。分子在紫外－可見區(qū)的吸收與其電子結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)。定量基礎(chǔ)：朗伯－比爾定律研究對象：多為具有共軛雙鍵結(jié)構(gòu)的分子。光譜區(qū)域：其研究對象大多在200-380nm的近紫外光區(qū)和380-780nm的可見光區(qū)有吸收§2-3紫外吸收光譜原理測定的靈敏度：由吸光分子的摩爾吸光系數(shù)表征。特點：儀器設(shè)備簡單，應(yīng)用十分廣泛。如醫(yī)院的常規(guī)化驗中，大量定量分析都用紫外-可見分光光度法。在化學(xué)研究中，如平衡常數(shù)的測定、求算主-客體結(jié)合常數(shù)等都離不開紫外-可見吸收光譜。第十九頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期三24.03.202320

一、有機(jī)化合物的紫外-可見吸收光譜紫外-可見吸收光譜是由分子中的價電子躍遷產(chǎn)生。因此有機(jī)化合物的紫外-可見吸收光譜決定于分子中價電子的分布和結(jié)合情況。1.有機(jī)物分子中與光譜有關(guān)的價電子：形成單鍵的σ電子，形成雙鍵的π電子未成鍵的孤對電子稱為n電子。

第二十頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期三24.03.2023212.電子躍遷：當(dāng)這些價電子吸收一定能量ΔE后，將躍遷到較高的能級(激發(fā)態(tài))，此時電子所占的軌道稱為反鍵軌道，而這種特定的躍遷是同分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)有著密切關(guān)系的，一般可將這些躍遷分成如下四類：

σ→σ＊

ｎ→σ＊

π→π＊ｎ→π＊圖2.3電子能級及電子躍遷示意圖躍遷能量第二十一頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期三24.03.202322各躍遷對應(yīng)的光譜區(qū)：圖2.４最常見電子躍遷所處的波長范圍及強(qiáng)度1010040020030060050070080052341λ／ｎｍlgκ遠(yuǎn)紫外光近紫外光可見光

σσ＊π

π＊nσ＊nπ＊nπ＊第二十二頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期三24.03.202323（1）σ→σ＊躍遷：需要的能量較高，相當(dāng)于真空（遠(yuǎn)）紫外光。飽和烴的C-C鍵和C-H鍵屬于這種躍遷，如，甲烷的λmax=135nm。由于它們在200-800nm無吸收帶，所以在紫外-可見吸收光譜分析中常用作溶劑（如己烷、環(huán)己烷等）。（2）ｎ→σ＊躍遷：其能量比σ→σ＊稍低，在近紫外端200nm附近。含雜原子（O,N,S,Cl等）的飽和烴，如C-OH中，除了σ→σ＊外還有n→σ＊躍遷。κmax小。第二十三頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期三24.03.202324（3）π→π＊躍遷：雙鍵、三鍵上價電子躍遷到π＊上形成,吸收峰大多在紫外區(qū),在200nm左右，κmax≈104屬于強(qiáng)吸收。如乙烯的λmax=165nm,κmax=104L·mol-1·cm-1。共軛烯炔中的π→π＊躍遷的吸收峰成為K帶，比非共軛烯炔的π→π＊的波長更長。苯環(huán)上的π→π＊躍遷產(chǎn)生三個譜帶：

E1帶：λmax為180nm左右,κmax>104L·mol-1·cm-1

E2帶：λmax為200nm左右,κmax≈104L·mol-1·cm-1

B帶：λmax為278nm左右,κmax＝10-103L·mol-1·cm-1非極性溶劑中有精細(xì)結(jié)構(gòu)，用于芳香化合物法的鑒別，但極性溶劑中精細(xì)結(jié)構(gòu)消失。第二十四頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期三24.03.202325（4）ｎ→π＊躍遷：含雜原子的雙鍵化合物C=O、C=N等，雜原子上有n電子，同時又有π＊軌道，形成ｎ→π＊躍遷。吸收光波長在近紫外區(qū)，亦稱R吸收帶。屬于禁阻躍遷，吸收較弱，κmax≤102L·mol-1·cm-1，如丙酮的吸收峰在280nm，

κmax=10-30

L·mol-1·cm-1躍遷類型吸收帶特征emaxs

s*遠(yuǎn)紫外區(qū)遠(yuǎn)紫外區(qū)測定

n

s*端吸收紫外區(qū)短波長端至遠(yuǎn)紫外區(qū)的強(qiáng)吸收

p

p*E1芳香環(huán)的雙鍵吸收>200K(E2)共軛多烯、-C=C-C=O-等的吸收>10,000B芳香環(huán)、芳香雜環(huán)化合物的芳香環(huán)吸收。有的具有精細(xì)結(jié)構(gòu)>100n

p*R含CO，NO2等n電子基團(tuán)的吸收<100表2.2吸收帶的劃分第二十五頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期三24.03.202326Fc(紫外區(qū))247.5nmC=N315.0nm第二十六頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期三24.03.202327（5）電荷轉(zhuǎn)移躍遷

分子同時具有電子給予體和電子接受體，吸收能量使電子從給予體軌道向接受體軌道躍遷。實為一個內(nèi)氧化過程。

譜帶寬，吸收強(qiáng)。

二、無機(jī)化合物的紫外-可見吸收光譜無機(jī)化合物的紫外-可見吸收光譜主要由電荷轉(zhuǎn)移躍遷和配位場躍遷產(chǎn)生。

1.電荷轉(zhuǎn)移躍遷電子由配位體的軌道躍遷到中心離子相關(guān)的軌道上。過渡金屬離子與含生色團(tuán)的試劑所生成的絡(luò)合物、水合無機(jī)離子及含d10電子結(jié)構(gòu)的過渡元素形成的鹵化物和硫化物，均可產(chǎn)生電荷轉(zhuǎn)移躍遷。κmax>

104L·mol-1·cm-1,定量。第二十七頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期三24.03.202328

2.配位場躍遷

含3d、4d、4f、5f軌道的過渡元素，在絡(luò)合物中，由于配體的配位場影響，d軌道和f軌道分裂，如果軌道未充滿，吸光后會出現(xiàn)d-d躍遷和f-f躍遷。κmax<

100

L·mol-1·cm-1,研究。

三、常用術(shù)語

生色團(tuán)——分子中能吸收紫外或可見光的基團(tuán)。具有不飽和鍵和含有孤對電子的基團(tuán)。如：生色團(tuán)的共軛效應(yīng)：兩個彼此相鄰的生色團(tuán)形成共軛體系，原生色團(tuán)的吸收帶消失，同時出現(xiàn)新的吸收帶，位置移向長波長處，吸收增強(qiáng)。助色團(tuán)——本身不產(chǎn)生吸收峰，但與生色團(tuán)相連時，使生色團(tuán)的吸收峰向長波方向移動，且加強(qiáng)。如：-OH,-OR,-NH2,-SH,-X等。紅移和藍(lán)移——取代基、溶劑的變化導(dǎo)致λmax變化。第二十八頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期三24.03.202329

增色效應(yīng)和減色效應(yīng)——κmax

增大或減小

強(qiáng)帶和弱帶——κmax

>

104L·mol-1·cm-1強(qiáng)帶

κmax

<

103L·mol-1·cm-1弱帶

R帶——含雜原子的生色團(tuán)(C=O、C=N等)的ｎ→π＊躍遷所產(chǎn)生的吸

收帶。κmax≤102L·mol-1·cm-1，位于200-400nm。

K帶——共軛體系的π→π＊躍遷產(chǎn)生的吸收峰，位于217-280nm，

κmax

>

104L·mol-1·cm-1。K帶是紫外-可見吸收光譜中應(yīng)用最多

的吸收帶。

B帶——芳香族化合物的π→π＊躍遷而產(chǎn)生的精細(xì)結(jié)構(gòu)吸收帶。

κmax

=200

L·mol-1·cm-1

，位于230-270nm。

E帶——芳香族化合物的π→π＊躍遷所產(chǎn)生的吸收帶，也是芳香

族化合物的特征吸收。分為E1帶和E2帶。

第二十九頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期三24.03.202330四、影響紫外吸收光譜的因素1.共軛效應(yīng)：使共軛體系形成大π鍵，共軛效應(yīng)增強(qiáng)，能差減小，吸收波長紅移，吸收增強(qiáng)。2.溶劑極性：光譜的形狀：非極性溶劑—精細(xì)結(jié)構(gòu)。對稱四嗪(qin)極性溶劑—精細(xì)結(jié)構(gòu)不明顯或消失。吸收波長：使用極性大溶劑：π→π＊躍遷紅移。

n→π＊躍遷藍(lán)移。溶劑的選擇：極性；溶解效果；無吸收。第三十頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期三24.03.2023313.溶液pH值：當(dāng)被測物質(zhì)具有酸性或堿性基團(tuán)時，溶液的pH值變化對光譜影響較大。利用溶液的pH值不同對光譜的影響，可測定化合物結(jié)構(gòu)中的酸性、堿性基團(tuán)。4.空間效應(yīng)：空間阻礙有空間阻礙：不能形成大的共軛體系，吸收波長λmax較短，κ小。無空間阻礙：能形成大的共軛體系，吸收波長λmax較長，κ大。

第三十一頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期三24.03.202332§2-4

紫外分光光度計構(gòu)成光源：鎢絲燈及氫燈（或氘燈）可見光區(qū)：鎢絲燈（320～2500nm）紫外光區(qū)：氫燈（或氘燈）（160～375nm）分光：單色器：石英棱鏡（或光柵）吸收池：光路方向應(yīng)為石英檢測器：光電轉(zhuǎn)換用光電管。使用兩只光電管:紫敏：銻銫光電管，200－625nm紅敏：氧化銫光電管，625-1000nm第三十二頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期三24.03.202333儀器:圖2.4雙光束分光光度計結(jié)構(gòu)示意圖第三十三頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期三24.03.202334§2-5

紫外吸收光譜的應(yīng)用應(yīng)用：以有機(jī)物為主定性分析：比較未知物與已知標(biāo)準(zhǔn)物的紫外光譜圖:

通過比較εmax和λmax有機(jī)化合物分子結(jié)構(gòu)的推斷：所含官能團(tuán)的判斷區(qū)分同分異構(gòu)體和順反異構(gòu)純度檢查：化合物本身在紫外區(qū)沒吸收，雜質(zhì)有吸收，可測痕量雜質(zhì)含量?；衔镌谧贤鈪^(qū)有較強(qiáng)吸收，摩爾吸收系數(shù)檢查純度。第三十四頁，共四十四頁，編輯于2023年，星期三24.03.202335定量分析：紫外-可