第21讲_ 紫外可见吸收光谱_131220

1、第第2121讲讲 紫外紫外- -可见吸收光谱可见吸收光谱（UV-VISUV-VIS）2013.12.20一、紫外可见光谱的产生；一、紫外可见光谱的产生；二、有机化合物的电子光谱；二、有机化合物的电子光谱；三、无机化合物的电子光谱；三、无机化合物的电子光谱；四、溶剂对紫外可见光谱的影响；四、溶剂对紫外可见光谱的影响；五、紫外分光光度计；五、紫外分光光度计；六、六、紫外可见吸收光谱法的应用。紫外可见吸收光谱法的应用。概述概述四、溶剂对紫外可见光谱的影响四、溶剂对紫外可见光谱的影响1.改变溶剂的极性，会引起吸收带改变溶剂的极性，会引起吸收带形状形状的变化。例如，的变化。例如，当溶剂的极性由非极性改变

2、到极性时，精细结构消失，当溶剂的极性由非极性改变到极性时，精细结构消失，吸收带变向平滑。吸收带变向平滑。2.改变溶剂的极性，还会使吸收带的改变溶剂的极性，还会使吸收带的最大吸收波长最大吸收波长发生发生变化。下表为溶剂对亚异丙酮紫外吸收光谱的影响。变化。下表为溶剂对亚异丙酮紫外吸收光谱的影响。 正己烷正己烷 CHCl3 CH3OH H2O * max/nm 230 238 237 243 n * max/nm 329 315 309 305原因原因 由由n *跃迁产生的峰，随着溶剂极性增加，形成氢键能力增加，跃迁产生的峰，随着溶剂极性增加，形成氢键能力增加，蓝移；蓝移；由由 *跃迁产生的峰，随极

3、性增加，激发态比基态能量有更多的跃迁产生的峰，随极性增加，激发态比基态能量有更多的下降，发生红移。下降，发生红移。在吸收光谱图上或数据表中必须注明所用的溶剂。在吸收光谱图上或数据表中必须注明所用的溶剂。3.3.在进行紫外光谱法分析时，必须正确选择溶剂。选择在进行紫外光谱法分析时，必须正确选择溶剂。选择溶剂时注意下列几点：溶剂时注意下列几点：（1 1）溶剂应能很好地溶解被测试样，溶剂对溶质应该是）溶剂应能很好地溶解被测试样，溶剂对溶质应该是惰性的。即所形成的溶液应具有良好的化学和光化学惰性的。即所形成的溶液应具有良好的化学和光化学稳定性。稳定性。 （2 2）在溶解度允许的范围内，尽量选择极性较小

4、的溶剂。）在溶解度允许的范围内，尽量选择极性较小的溶剂。（3 3）溶剂在样品的吸收光谱区应无明显吸收。）溶剂在样品的吸收光谱区应无明显吸收。5五、紫外分光光度计五、紫外分光光度计 一、组成部件一、组成部件 紫外紫外-可见分光光度计的基本结构是由五个部分组成：可见分光光度计的基本结构是由五个部分组成：即光源、单色器、吸收池、检测器和信号指示系统。即光源、单色器、吸收池、检测器和信号指示系统。图图3.6 3.6 紫外分光光度计紫外分光光度计6 （一）光源（一）光源 对光源的基本要求是应在仪器操作所需的光谱区域内对光源的基本要求是应在仪器操作所需的光谱区域内 能够发射连续辐射、有足够的辐射强度和良好

5、的稳定性，而且辐能够发射连续辐射、有足够的辐射强度和良好的稳定性，而且辐射能量随波长的变化应尽可能小。射能量随波长的变化应尽可能小。 分光光度计中常用的光源有分光光度计中常用的光源有热辐射光源热辐射光源和和气体放电光源气体放电光源两两类。类。 热辐射光源用于可见光区，如热辐射光源用于可见光区，如钨丝灯钨丝灯和和卤钨卤钨灯；气体放电灯；气体放电光源用于光源用于紫外光紫外光区，如区，如氢灯和氘灯氢灯和氘灯。钨灯和碘钨灯可使用的范围。钨灯和碘钨灯可使用的范围在在340 2500nm。这类光源的辐射能量与施加的外加电压有。这类光源的辐射能量与施加的外加电压有关，在关，在可见光区可见光区，辐射的能量与工

6、作电压，辐射的能量与工作电压 4 次方成正比。光电次方成正比。光电流与灯丝电压的流与灯丝电压的n次方（次方（n 1）成正比。因此必须严格控制灯丝）成正比。因此必须严格控制灯丝电压，仪器必须配有稳压装置。电压，仪器必须配有稳压装置。 在近紫外区测定时常用氢灯和氘灯。它们可在在近紫外区测定时常用氢灯和氘灯。它们可在160 160 375 nm375 nm范围内产生连续光源。氘灯的灯管内充有氢的同位素氘，范围内产生连续光源。氘灯的灯管内充有氢的同位素氘，它是紫外光区应用最广泛的一种光源，其光谱分布与氢灯类似，它是紫外光区应用最广泛的一种光源，其光谱分布与氢灯类似，但光强度比相同功率的氢灯要大但光强度

7、比相同功率的氢灯要大3535倍。倍。7（二）单色器（二）单色器 单色器是能从光源辐射的单色器是能从光源辐射的复合光复合光中分出中分出单色光单色光的光学装置，的光学装置，其主要功能：产生光谱纯度高的波长且波长在紫外可见区域内任其主要功能：产生光谱纯度高的波长且波长在紫外可见区域内任意可调。意可调。 单色器一般由单色器一般由入射狭缝、准光器（透镜或凹面反射镜使入射入射狭缝、准光器（透镜或凹面反射镜使入射光成平行光）、色散元件、聚焦元件和出射狭缝光成平行光）、色散元件、聚焦元件和出射狭缝等几部分组成。等几部分组成。其核心部分是色散元件，起分光的作用。单色器的性能直接影响其核心部分是色散元件，起分光的

8、作用。单色器的性能直接影响入射光的单色性，从而也影响到测定的灵敏度、选择性及校准曲入射光的单色性，从而也影响到测定的灵敏度、选择性及校准曲线的线性关系等。能起分光作用的色散元件主要是线的线性关系等。能起分光作用的色散元件主要是棱镜棱镜和和光栅光栅。8 棱镜有玻璃和石英两种材料。它们的棱镜有玻璃和石英两种材料。它们的色散原理是依据色散原理是依据不同的波长光通过棱镜时有不同的折射率而将不同波长的光不同的波长光通过棱镜时有不同的折射率而将不同波长的光分开分开。由于玻璃可吸收紫外光，所以玻璃棱镜只能用于。由于玻璃可吸收紫外光，所以玻璃棱镜只能用于350 3200 nm的波长范围，即只能用于可见光域内。

9、石英棱镜的波长范围，即只能用于可见光域内。石英棱镜可使用的波长范围较宽，可从可使用的波长范围较宽，可从185 4000nm，即可用于紫，即可用于紫外、可见和近红外三外、可见和近红外三 个光域。个光域。 光栅是利用光的衍射与干涉作用制成的，它可用于紫外、光栅是利用光的衍射与干涉作用制成的，它可用于紫外、可见及红外光域，而且在整个波长区具有良好的、几乎均匀可见及红外光域，而且在整个波长区具有良好的、几乎均匀一致的分辨能力。一致的分辨能力。它具有色散波长范围宽、分辨本领高、成它具有色散波长范围宽、分辨本领高、成本低、便于保存和易于制备等优点本低、便于保存和易于制备等优点。缺点是各级光谱会重叠。缺点是

10、各级光谱会重叠而产生干扰。而产生干扰。 9 入射、出射狭缝，透镜及准光镜等光学元件中狭缝在决定入射、出射狭缝，透镜及准光镜等光学元件中狭缝在决定单色器性能上起重要作用。狭缝的大小直接影响单色光纯度，单色器性能上起重要作用。狭缝的大小直接影响单色光纯度，但过小的狭缝又会减弱光强。但过小的狭缝又会减弱光强。（三）吸收池（三）吸收池 吸收池用于盛放分析试样，一般有吸收池用于盛放分析试样，一般有石英和玻璃材料石英和玻璃材料两种。两种。石英池适用于可见光区及紫外光区，玻璃吸收池只能用于可见石英池适用于可见光区及紫外光区，玻璃吸收池只能用于可见光区。为减少光的损失，吸收池的光学面必须完全垂直于光束光区。为

11、减少光的损失，吸收池的光学面必须完全垂直于光束方向。在高精度的分析测定中（紫外区尤其重要），吸收池要方向。在高精度的分析测定中（紫外区尤其重要），吸收池要挑选配对。因为吸收池材料的本身吸光特征以及吸收池的光程挑选配对。因为吸收池材料的本身吸光特征以及吸收池的光程长度的精度等对分析结果都有影响。长度的精度等对分析结果都有影响。1011（四）检测器（四）检测器 检测器的功能是检测信号、测量单色光透过溶液后光强检测器的功能是检测信号、测量单色光透过溶液后光强度变化的一种装置。度变化的一种装置。 常用的检测器有常用的检测器有光电池、光电管和光电倍增管等。光电池、光电管和光电倍增管等。 硒光电池硒光电池

12、对光的敏感范围为对光的敏感范围为300800nm，其中又以，其中又以500 600nm最为灵敏。这种光电池的特点是能产生可直最为灵敏。这种光电池的特点是能产生可直接推动微安表或检流计的光电流，但由于容易出现疲劳效应接推动微安表或检流计的光电流，但由于容易出现疲劳效应而只能用于低档的分光光度计中。而只能用于低档的分光光度计中。 光电管光电管在紫外在紫外-可见分光光度计上应用较为广泛。可见分光光度计上应用较为广泛。 光电倍增管光电倍增管是检测微弱光最常用的光电元件，它的灵敏是检测微弱光最常用的光电元件，它的灵敏度比一般的光电管要高度比一般的光电管要高200倍，因此可使用较窄的单色器狭倍，因此可使用

13、较窄的单色器狭缝，从而对光谱的精细结构有较好的分辨能力。缝，从而对光谱的精细结构有较好的分辨能力。12（五）信号指示系统（五）信号指示系统 它的作用是放大信号并以适当方式指示或记录下来。常用它的作用是放大信号并以适当方式指示或记录下来。常用的信号指示装置有直读检流计、电位调节指零装置以及数字显的信号指示装置有直读检流计、电位调节指零装置以及数字显示或自动记录装置等。很多型号的分光光度计装配有微处理机，示或自动记录装置等。很多型号的分光光度计装配有微处理机，一方面可对分光光度计进行操作控制，另一方面可进行数据处一方面可对分光光度计进行操作控制，另一方面可进行数据处理。理。13二、紫外二、紫外-可

14、见分光光度计的类型可见分光光度计的类型 紫外紫外-可见分光光度计的类型很多，但可归纳为三种类型，可见分光光度计的类型很多，但可归纳为三种类型，即单光束分光光度计、双光束分光光度计和双波长分光光度计。即单光束分光光度计、双光束分光光度计和双波长分光光度计。1，单光束分光光度计，单光束分光光度计 经单色器分光后的一束平行光，轮流通过参比溶液和样品经单色器分光后的一束平行光，轮流通过参比溶液和样品溶液，以进行吸光度的测定。这种简易型分光光度计结构简单，溶液，以进行吸光度的测定。这种简易型分光光度计结构简单，操作方便，维修容易，适用于常规分析。操作方便，维修容易，适用于常规分析。14单波长单光束分光光

15、度计0.575光源单色器吸收池检测器显示152，双光束分光光度计，双光束分光光度计 经单色器分光后经反射镜分解为强度相等的两束经单色器分光后经反射镜分解为强度相等的两束光，一束通过参比池，一束通过样品池。光，一束通过参比池，一束通过样品池。 光度计能自动比较两束光的强度，此比值即为试样光度计能自动比较两束光的强度，此比值即为试样的透射比，经对数变换将它转换成吸光度并作为波长的的透射比，经对数变换将它转换成吸光度并作为波长的函数记录下来。函数记录下来。 双光束分光光度计一般都能自动记录吸收光谱曲线。双光束分光光度计一般都能自动记录吸收光谱曲线。由于两束光同时分别通过参比池和样品池，还能自动消由于

16、两束光同时分别通过参比池和样品池，还能自动消除光源强度变化所引起的误差。除光源强度变化所引起的误差。16单波长双光束分光光度计 参比池差值A光源单色器吸收池检测器显示光束分裂器173，双波长分光光度计，双波长分光光度计 由同一光源发出的光被分成两束，分别经过两个单色器，由同一光源发出的光被分成两束，分别经过两个单色器，得到两束不同波长（得到两束不同波长（ 1和和 2）的单色光，利用切光器使两束光以）的单色光，利用切光器使两束光以一定的频率交替照射同一吸收池一定的频率交替照射同一吸收池 1 1为选好的测定波长，一般为待测物质的为选好的测定波长，一般为待测物质的 maxmax 2 2为选好的参比波

17、长，一般为待测物质的为选好的参比波长，一般为待测物质的 minmin测得的是样品在两种波长测得的是样品在两种波长 1 1和和 2 2处的吸光度之差处的吸光度之差 A A， A A为扣除了背景吸收的吸光度为扣除了背景吸收的吸光度 A=A A=A 1 1 -A -A 2 2= = （K K 1 1 -K -K 2 2） CL CL优点：优点：（1 1）大大提高了测定准确度，可完全扣除背景）大大提高了测定准确度，可完全扣除背景（2 2）可用于微量组分的测定）可用于微量组分的测定（3 3）可用于混浊液和多组分混合物的定量测定）可用于混浊液和多组分混合物的定量测定1819光闸单色器斩波器参比光电倍增管单

18、光束分光光度计原理图单光束分光光度计原理图光电倍增管斩波器光闸试样单色器双光束分光光度计原理图双光束分光光度计原理图20单色器单色器吸收池接收器1122双波长分光光度计原理图双波长分光光度计原理图五、应用五、应用定性分析、结构分析和定性分析、结构分析和定量分析定量分析；以及物理化学参数；以及物理化学参数（相对分子质量、配合物的稳定常数等）（相对分子质量、配合物的稳定常数等）1.1.定性分析定性分析无机元素：应用较少，可用发射光谱法或化学分析法；无机元素：应用较少，可用发射光谱法或化学分析法；有机化合物：有一定的局限性；鉴定不饱和有机化合有机化合物：有一定的局限性；鉴定不饱和有机化合物（共轭体系

19、），推知未知物的骨架结构。物（共轭体系），推知未知物的骨架结构。辅助方法辅助方法分析方法：分析方法：比较比较吸收光谱曲线；用经验规则计算最大吸收光谱曲线；用经验规则计算最大吸收波长，然后与实测值进行比较。吸收波长，然后与实测值进行比较。相同测定条件下相同测定条件下比较未知物与已知标准物的吸收比较未知物与已知标准物的吸收光谱曲线若完全等同光谱曲线若完全等同有相同的生色团有相同的生色团吸收光谱曲线的形状、吸收峰的数目及最大吸收波长吸收光谱曲线的形状、吸收峰的数目及最大吸收波长的位置和相应的摩尔吸收系数的位置和相应的摩尔吸收系数定性鉴定的依据定性鉴定的依据最大吸收波长的位置和相应的摩尔吸收系数最大吸

20、收波长的位置和相应的摩尔吸收系数定性定性鉴定的主要参数鉴定的主要参数不同分子结构可能不同分子结构可能有相同的有相同的UV-VIS2.2.结构分析结构分析确定构型和构象确定构型和构象顺反异构体（最大吸收波长）顺反异构体（最大吸收波长）3.3.定量分析定量分析无机和有机化合物无机和有机化合物显色反应非吸收物质显色反应非吸收物质朗伯比耳朗伯比耳定律定律吸收强度大，吸收强度大，达达104 105 Lcm-1mol-1 ；灵敏度高，灵敏度高， 104 105mol/L；准确度好；准确度好；单组分物质单组分物质工作曲线法工作曲线法标准对比法标准对比法多组分多组分在最大吸收波长处测定其吸光度的加和值在最大吸

21、收波长处测定其吸光度的加和值解一次解一次方程组方程组得各组分含量得各组分含量（二）结构分析计算max的经验规律用经验规则计算不饱和有机化合物的用经验规则计算不饱和有机化合物的 maxmax并与实测值进行比较，然后确认物质的结并与实测值进行比较，然后确认物质的结构。构。常用的规则是常用的规则是Wood WardWood Ward（伍德瓦特）伍德瓦特）规则，规则，可计算共轭多烯及可计算共轭多烯及，不饱和醛酮不饱和醛酮化化合物。合物。1. 1. 共轭多烯的共轭多烯的maxmax计算计算 链状共轭二烯链状共轭二烯 单环共轭二烯单环共轭二烯 异环共轭二烯异环共轭二烯 同环共轭二烯同环共轭二烯 CCCCC

22、H2max217nm217nm214nm253nm骨架母体增加值：延伸一个共轭双键增加值：延伸一个共轭双键 +30nm 增加一个烷基或环基取代增加一个烷基或环基取代 +5nm 增加一个环外双键增加一个环外双键 +5nm助色团取代助色团取代 ： -Cl 或或 Br +5 nm -OR 烷氧基烷氧基 +6 nm 对连接在母体对连接在母体 电子体系上的不同取代电子体系上的不同取代基以及其它结构因素加以修正基以及其它结构因素加以修正注：注：环外双键环外双键 是指是指C=CC=C双键直接与环相连，其中一个双键直接与环相连，其中一个C C在环上在环上, ,另一个另一个C C在环外。在环外。同环二烯与异环二

23、烯同时共存时，按同环二烯计算。同环二烯与异环二烯同时共存时，按同环二烯计算。例1：CH2CH3CH3CCCH2基本值基本值nm两个烷基取代两个烷基取代 nm计算值计算值 max 227 nm实测值实测值 max 226 nm例： 基本值：基本值： 17 nm 加一个环外双键加一个环外双键nm 加四个烷基取代加四个烷基取代nm计算值计算值max nm实测值实测值 max nmR例：基本值：按同环二烯基本值：按同环二烯nm加一个共轭双键加一个共轭双键nm加一个环外双键加一个环外双键nm加三个烷基取代加三个烷基取代15 nm计算值max 3 nm实测值max 3nm. ,不饱和醛、酮母体母体 链状链

24、状不饱和醛不饱和醛 基本值基本值 max 207nm 链状链状不饱和酮不饱和酮 215 五元环五元环不饱和酮不饱和酮 202 六元环六元环不饱和酮不饱和酮 215CHOCCCCOO增加值增加值 同环共轭二烯同环共轭二烯 +39+39nmnm 每增加一个共轭双键每增加一个共轭双键 +30+30nmnm 每增加一个环外双键每增加一个环外双键 +5+5nmnm 共轭双键上增加烷基或环基取代共轭双键上增加烷基或环基取代 位位 +10+10nmnm 位位 +12+12nmnm 位位及以上及以上 +18 +18nmnm例：CCCOCH3CH3HH链状：链状： 基本值基本值 215nm 位烷基取代位烷基取代

25、 +10nm 位烷基取代位烷基取代 +12nm C 3 计算值计算值max 237nm 实测值实测值max 236nm例：OCH2环状：环状： 基本值基本值 215nm 共轭双键共轭双键 +30nm 位烷基取代位烷基取代 +18nm 环外双键环外双键 +5nm 计算值计算值max 268nm (三)纯度检查 如果一化合物在紫外区没有吸收峰，而其如果一化合物在紫外区没有吸收峰，而其杂质有较强吸收，就可方便的检出该化合物中杂质有较强吸收，就可方便的检出该化合物中的痕量杂质。的痕量杂质。 例如要鉴定甲醇和乙醇中的杂质苯，可利例如要鉴定甲醇和乙醇中的杂质苯，可利用苯在用苯在254254nmnm处的处的

26、B B吸收带，而甲醇或乙醇在此吸收带，而甲醇或乙醇在此波长范围内几乎没有吸收。波长范围内几乎没有吸收。 又如四氯化碳中有无二硫化碳杂质，只要又如四氯化碳中有无二硫化碳杂质，只要观察在观察在318318nmnm处有无二硫化碳的吸收峰即可。处有无二硫化碳的吸收峰即可。 用紫外可见吸收光谱鉴定未知物的结构较困难，用紫外可见吸收光谱鉴定未知物的结构较困难，因谱图简单，吸收峰个数少，主要表现化合物的因谱图简单，吸收峰个数少，主要表现化合物的发色团和助色团的特征。发色团和助色团的特征。 利用紫外可见吸收光谱可利用紫外可见吸收光谱可确定有机化合物中确定有机化合物中不饱和基团，还可区分化合物的构型、构象、不饱

27、和基团，还可区分化合物的构型、构象、同分异构体同分异构体二、结构分析1.1.推测官能团推测官能团 200280nm 无吸收无吸收 不含不饱和键，不含苯环，不含不饱和键，不含苯环， 可能是饱和化合物可能是饱和化合物 210250nm 强吸收强吸收 *，2个共轭单位个共轭单位 260350nm 强吸收强吸收 *，35个共轭单位个共轭单位 270350nm 弱吸收弱吸收 n*，无强吸收，无强吸收， 孤立含杂原子的双键孤立含杂原子的双键C=O, -NO2, -N=N- 260nm（230270）中吸收中吸收 *，有苯环有苯环 2. 2. 判断同分异构体判断同分异构体CCOC2H5CH3CH2OOCCO

28、C2H5CH3OHOCH酮式结构，无共轭酮式结构，无共轭中吸收中吸收 206nm(极性溶剂中为主）极性溶剂中为主）烯醇式结构，共轭体系，烯醇式结构，共轭体系，强吸收强吸收 =1.8 104, 245nm(非极性溶剂中为主）非极性溶剂中为主）例：乙酰乙酸乙酯例：乙酰乙酸乙酯三、三、 定量分析定量分析 应用范围：无机化合物，测定主要在可见光区，应用范围：无机化合物，测定主要在可见光区， 大约可测定大约可测定50多种元素多种元素 有机化合物，主要在紫外区有机化合物，主要在紫外区 1. 1. 单组分物质的定量分析单组分物质的定量分析 测定条件：测定条件： 选择合适的分析波长（选择合适的分析波长（max

29、） A：0.2-0.8 选择适当的参比溶液选择适当的参比溶液 （1）比较法：）比较法： 在一定条件下，配制标准溶液和样品溶液，在一定条件下，配制标准溶液和样品溶液，在在max下测下测 A 标准溶液标准溶液 As=CsL 被测溶液被测溶液 Ax=CxL Cx=CsAx/As 注意：注意： Cs Cs 与与 CxCx大致相当大致相当（2）标准曲线法 1 2 3 4 5 样品样品标液标液 C1 C2 C3 C4 C5 CX A A1 A2 A3 A4 A5 AXACXAX2. 2. 多组分物质的定量分析（只讨论多组分物质的定量分析（只讨论2 2组分）组分） 在某特定波长下测定在某特定波长下测定 A

30、A总总= =A A1 1+A+A2 2+A+A3 3+ + 吸光度加和性吸光度加和性 （1 1）吸收光谱互不重叠）吸收光谱互不重叠 a b1 2在在 1 1处测处测a a组分，组分，b b组分不干扰组分不干扰在在 2 2处测处测b b组分，组分，a a组分不干扰组分不干扰 2. 2. 多组分物质的定量分析（只讨论多组分物质的定量分析（只讨论2 2组分）组分）（2）吸收光谱单向重叠）吸收光谱单向重叠 a b1 2A1a+b = A1a + A1b A2b= 2 b CbL在在 1 1处处a a、b b组分都吸收组分都吸收在在 2 2处处b b组分吸收，组分吸收，a a组组 分不干扰分不干扰首先在首先在 2 2 处测定处测定b b组分，因组分，因a a组分不干扰组分不干扰 A A s sb b= = 2 2b b C C s s b bL L 2 2b b= = A A s sb b/ /C C s sb bL L 在在 2 2处处 A A x xb b= = 2 2b b C C x xb bL L 求出求出C C x xb b A A 1 1a+b a+b = A= A 1 1a a + A+ A 1 1b b