第2章紫外可见光谱

1、第二章第二章 紫外紫外-可见分光光度法可见分光光度法第一节第一节 概述概述P187第十三章第十三章2光分析 利用物质与光（辐射能）相互作用而建立起来的分析方法。光分析光谱分析法非光谱分析法物质与光相互作用时，物质内部发生能级跃迁，以光的波长为特征信号物质与光相互作用时，物质内部不发生能级跃迁，不以光的波长为特征信号3物质hv分类分子分子原子原子原子核原子核紫外可见紫外可见红外红外无线电波无线电波分子光谱分子光谱原子光谱原子光谱核磁共振波谱核磁共振波谱紫外可见光谱紫外可见光谱红外光谱红外光谱核磁共振波谱核磁共振波谱发射光谱吸收光谱 紫外可见分光光度法（紫外可见吸收光谱法）是根据溶液中物质的分子或

2、离子对紫外-可见光谱区的辐射能的吸收特征和强度对物质进行定性、定量和结构分析的方法。 该方法具有较高的灵敏度和准确度，检出限可达10-7 g/ml，相对误差通常为1%5%。该方法仪器设备简单、操作方便、易于掌握和推广，是常用分析方法之一。第二节 电磁辐射及其与物质的相互作用一、电磁辐射与电磁波谱 1. 电磁波 光是一种电磁波，光具有波粒二象性即波动性和粒子性。波动性：折射、衍射、偏振及干涉等性质。这些电磁波都具有共同的特点：它们作为横向电磁波在空间传播，在真空中的传播速度等于光速，即c粒子性：光束由光子（或称光量子）所组成，光可以认为是一种以巨大速度在空间传播的光子流。光子具有能量（hv）和动

3、量（hv/c）。光子的能量与波长的关系为：hchE能量J或eVPlanck常数6.62610-34 Js频率，Hz光速2.998 108 m/s波长nm1eV=1.602 10-19 JhchE 光的能量与频率成正比，与波长成反比。波长愈长，能量愈低；波长愈短，能量愈高。例：计算波长为200 nm的光子的能量解：hcE m 10200m/s 102.998sJ 10626. 69834-eV 6.20J 10932. 919-紫外可见光区光子的能量和波长的关系见下表：（nm）200300400500600760E（eV ）6.204.133.102.482.071.632. 电磁波谱例：计算频

4、率为100 MHz（108s-1）的电磁波的波长m 00. 3s 10100m/s 1000. 3168-vc例：由铜产生的X射线的频率为1.951018s-1是0.154 nm，其频率为：m 10154. 0s1095. 1m/s 1000. 391188-c15m 3nm 154. 0m 10154. 0 9）（：-光（电磁辐射或电磁波）的波长或频率范围是非常大的。电磁辐射按波长（能量）顺序排列称为电磁波谱（electromagnetic spectrum）。电磁波谱按能量大小分为若干个区：无线电波 11000 m微波 10-31 m红外 0.761000 m可见 400760 nm紫外

5、10400 nm近紫外200400 nm远紫外10200 nmX射线 0.0110 nm本章重点讨论 射线 0.0050.14 nm17二、电磁辐射与物质的相互作用 电磁辐射与物质的相互作用比较复杂，有涉及物质内能变化的吸收、发射和拉曼散射等，有不涉及物质内能变化的透射、折射、衍射和旋光等三、吸收光谱的产生 物质与光相互作用时，反映物质对某一区域光的吸收特征的图谱称为吸收光谱。19钠原子光谱图吸收光谱又可分为原子吸收光谱和分子吸收光谱。1. 原子吸收光谱 原子吸收光谱是基于原子外层电子选择性地吸收某些特定波长的光发生跃迁而产生的。是线状光谱。2. 分子吸收光谱 分子内部有电子运动、原子之间的相

6、对振动、分子转动三种运动形式，相应这三种不同的运动形式，分别对应分子中的三种能级，即：电子能级、振动能级和转动能级。当分子吸收能量后，就从基态能级跃迁到激发态能级。分子吸收能量也是量子化的，即只吸收等于两个能级差的能量：hvEEE-12 转动能级差为0.0050.05eV（25025m），振动能级差为0.051eV（251.25m）电子能级差在120 eV（601250 nm），主要在紫外可见区，由此产生的吸收光谱称为紫外可见光谱，又称电子光谱。 在电子能级跃迁的同时，不可避免地伴随分子振动和转动能级的跃迁，使得分子光谱是带状光谱。四、物质对光的选择性吸收物质的颜色 当一束白光通过棱镜后就色散

7、成红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等颜色的光，它们具有不同的波长范围。白光红650750紫400450蓝450480绿蓝480500绿500560黄绿560580黄580600橙600650 反之，这些不同颜色的光按一定的强度比混合后便又形成白光。 进一步的研究表明，只需将两种适当颜色的光按一定的强度比例混合即可形成白光，这两种光称为互补色光。阳光、白炽灯光等白光就是由一对对互补色光按一定强度比例混合而成的。物质呈现的颜色吸收光颜色波长范围（nm）黄绿紫400450黄蓝450480橙红绿蓝480500红紫绿500560紫黄绿560580蓝黄580600绿蓝橙600650蓝绿红650750物质呈现的颜

8、色与吸收光颜色的关系 物质的分子内部具有一系列不连续的特征能级，包括电子、振动和转动能级。一般情况下，物质分子处在能量最低、最稳定的基态。当用光照射某物质后，如果光的能量恰好与物质分子的某一能级差相等，这一波长的光即可被分子吸收，从而使分子从基态跃迁到激发态。这就是说，并非任一波长的光都可以被某一物质所吸收。由于不同物质的分子组成和结构不同，它们所具有的特征能级也不同，能级差 E当然也不同。物质只能吸收与其分子内部能级差相等的光，所以物质对光的吸收具有选择性。 物质具有颜色，就是它对不同波长的可见光具有选择性吸收的结果。物质呈现颜色与它所吸收光的颜色（波长）有一定关系。 例如，当白光通过CuS

9、O4溶液时，由于水合Cu2+选择性地吸收了部分黄色光，使透射光中蓝色光未能完全互补，与是CuSO4溶液呈现蓝色。 由于透射光中其它颜色的光仍然两两互补为白光，所以物质呈现的颜色恰好是它所吸收的光的互补色。光的互补：蓝光的互补：蓝 黄黄激发态光基态吸收辐射能量 M M *hE1 （ E） E2 又如KMnO4溶液呈紫红色，则说明它选择性地吸收了白光中的绿青色光。若物质对白光中所有颜色的光全部吸收，它就呈现黑色；若反射所有颜色的光则呈现白色；若透过所以颜色的光，则为无色。KMnO4溶液选择性的吸收了525 nm附近的绿青色光，而对与绿青色光互补的400 nm附近的紫色光几乎不吸收，所以KMnO4溶

10、液呈紫红色。此外，溶液颜色的深浅，决定于溶液吸收光子的多少，即取决于吸光物质浓度的高低。如CuSO4溶液的浓度愈高，对黄色光的吸收就愈多，表现为透过的蓝色光愈强，溶液的蓝色愈深。因此，可以通过比较溶液颜色的深浅来确定溶液中物质的含量。一、 吸收曲线（吸收光谱） 物质的颜色及颜色深浅（决定因素）。准确的定量描述该溶液的吸收曲线。即让不同波长的单色光依次照射溶液，并测 第三节 紫外-可见光谱与分子结构的关系量在每一波长处对光的吸收程度的大小（吸光度），并以波长（）为横坐标，吸光度（A）为纵坐标作图，即可得一条吸光度随波长变化的曲线，称为吸收曲线或吸收光谱，它能更准确地描述物质对各种不同波长光的吸收

11、情况。吸收峰谷肩峰末端吸收吸收曲线与最大吸收波长吸收曲线与最大吸收波长 max用不同波长的单色光照射，测吸光度用不同波长的单色光照射，测吸光度吸收曲线的讨论：吸收曲线的讨论：同一种物质对不同波长光的同一种物质对不同波长光的吸光度不同。吸光度最大处对吸光度不同。吸光度最大处对应的波长称为最大吸收波长应的波长称为最大吸收波长max不同浓度的同一种物质，其不同浓度的同一种物质，其吸收曲线形状相似吸收曲线形状相似max不变。不变。而对于不同物质，它们的吸收而对于不同物质，它们的吸收曲线形状和曲线形状和max则不同。则不同。 吸收曲线可以提供物质的结构信息，吸收曲线可以提供物质的结构信息，分子吸收光谱的

12、形状取决于分子的内部结构，不同分子的内部结构不同，因此，分子吸收光谱是物质定性的依据。并作为物质定性分析的依据之一。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，在有差异，在 max处吸光度处吸光度A 的差异最大。此特性可的差异最大。此特性可作为物质定量分析的依据。作为物质定量分析的依据。 在在 max处吸光度随浓度变化的幅度最大，所以测定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。的重要依据。42物质光光谱分析电磁波 特

13、性粒子性波动性光强能量结构轨道，能级相互作用选择性消耗或获得光子消耗或获得光子的数目二、吸收光谱与分子结构的关系 有机化合物的吸收光谱是由分子外层电子跃迁而产生的。有机分子的轨道类型及跃迁类型如图所示：（一）有机化合物的吸收光谱能量成键成键未成键反键反键n* *n*n *分子中外层电子能级及跃迁类型示意图能量成键成键未成键反键反键n* *n*n *1. *跃迁 键比较稳定，即电子从成键轨道跃迁到*反键轨道，所需的能量很大，此能量相当于真空紫外区的辐射能。饱和烃只能发生*跃迁，因而吸收光谱都在真空紫外区。如甲烷的最大吸收波长在125nm，乙烷在135 nm。能量成键成键未成键反键反键n* *n*

14、n *2. *跃迁 不饱和有机化合物分子中、 成键轨道和*、 *反键轨道。存在*跃迁和 *跃迁。 * 跃迁所需的能量较*跃迁所需能量小。任何具有不饱和键的有机化合物均可发生 *跃迁，但单个饱和键的吸收波长也在200nm以下。如乙烯的吸收峰在165nm。能量成键成键未成键反键反键n* *n*n *3. n *跃迁 若形成不饱和键的原子含有杂原子（N、S、P、O），则可发生n * 跃迁n *跃迁所需的能量较 * 跃迁所需的能量更小。吸收波长更长，但由于属跃迁禁阻类型，吸收强度很小。如丙酮除有 *跃迁外，还有n *跃迁，吸收波长在280nm左右。能量成键成键未成键反键反键n* *n*n *4. n*

15、跃迁 在含有杂原子（N、S、P、O）的饱和有机化合物分子中可发生n* 跃迁n *跃迁所需的能量较 * 跃迁所需的能量接近。如甲醇除有*跃迁外，还有n*跃迁，吸收波长在183nm左右综上所述，各种电子由基态跃迁到激发态所需的能量不同，次序为*nn n*和*跃迁所需能量较大，一般在远紫外区。有机化合物的UVVis光谱主要以 n*和*跃迁为基础，这两类跃迁都要求化合物中含有不饱和官能团以提供键，因此，把含有键的不饱和基团称为生色团。双键的 n*和*跃迁所需的能量在200 nm左右。如果有共轭双键存在，因形成大键，使*跃迁所需的能量降低，导致最大吸收峰向长波方向移动，称为红移。共轭链愈长，红移现象愈显

16、著，甚至到可见光区，呈现颜色。化合物H(CH=CH)nH溶剂max/nmn=1己烯蒸汽162n=21,3-丁二烯正己烷217n=31,3,5-己三烯正己烷258n=41,3,5,7-辛四烯环己烷304n=51,3,5,7,9-癸五烯正辛烷334n=11-胡萝卜素正己烷480共轭作用对烯烃最大吸收的影响醛、酮和羧酸中C=O双键同C=C双键的共轭作用也会降低*的的能量，从而使n*和*跃迁的吸收峰都发生红移。如巴豆醛CH3CH=CHCH=O乙醇溶液的吸收光谱在220 nm处有一个由*跃迁产生的吸收峰和在322 nm处有一个由n*跃迁产生的吸收峰。 单独烯键的 * 跃迁吸收峰在170 nm附近，单独羰

17、基的 *跃迁吸收峰在166 nm， n*跃迁吸收峰在280 nm。 芳香化合物的紫外光谱具有*跃迁产生的三个特征吸收带。如，苯在184 nm处有一强吸收带，在204 nm处有一强吸收带，在254 nm处有一弱吸收带（B带），B吸收带是由*跃迁和苯环的振动能级跃迁叠加而产生，具有很好的精细结构，常用于芳香化合物的辨认。苯的这三个特征吸收带受苯环上取代基的影响会发生移动。化合物溶剂max苯2%甲醇254甲苯262氯苯264碘苯258苯酚271酚盐离子286苯甲酸272苯胺280苯胺盐离子254某些苯衍生物的吸收特性 当苯环上有OH、NH2等取代基时，吸收峰红移，吸收强度增大。原因是这些基团的 n

18、电子能同苯环上的 电子发生共轭作用，使* 轨道能量降低。像这样一些本身在紫外-可见区无吸收，但能使生色团吸收峰红移，吸收强度增大的基团称为助色团。主要的助色团有羟基、氨基、烷氧基。需要注意的是，溶剂的极性对最大吸收波长影响较大，在描述某化合物的吸收情况时应注明溶剂。一般来说，随着溶剂极性的增大，*吸收峰发生红移， n*跃迁吸收峰发生蓝移（或紫移）。（二） 无机化合物的吸收光谱1. dd跃迁和 ff 跃迁 过渡金属离子未充满的 d 轨道，由于受配位场（或晶体场）的影响而发生分裂，当吸收光时可发生 d-d 跃迁，吸收波长取决于分裂能的大小，L 越强，分裂能越大，吸收波长越短。H2O的配位场小于NH

19、3794nm O)Cu(H242浅蓝色663nm )Cu(NH243深蓝色特点：吸收强度小。2. 电荷迁移跃迁 在金属配合物中，配体和金属之间发生跃迁，一般是LM，吸收波长取决于L给电子和M接受电子能力。SCN-比Cl-易给电子，FeSCN2+，吸收波长长，在可见区，FeCl2+在紫外区。特点：吸收强度大，实际工作中常用。常将 M 与 L（显色剂）生成具有电荷迁移的配合物，然后进行含量测定，灵敏度高， 。3. * 跃迁 配体具有双键的金属配合物第四节 光的吸收定律一、朗伯-比尔（Lambert-Beer ）定律1. 透光度和吸光度 当一束单色光通过溶液时，一部分被吸收，一部分透过溶液，一部分被

20、容器表面反射。 设入射光强度为I0，吸收光强度为Ia，透射光强度为It，反射光强度为Ir，则rtaIIII0 在分光光度分析中，通常将待测溶液和参比溶液分别置于同样材料和厚度的容器中，让强度为I0的单色光分别通过两个容器，再测量透射光强度。这样，反射光的强度基本相同，其影响可以互相抵消，则taIII0 当一束单色光通过溶液后，由于吸收了一部分光能，光的强度就会减弱。当光透过浓度为c，液层厚度为b 的溶液时，由于一部分光被吸收，因此0IIt 随着溶液浓度和液层厚度的增加，光被吸收的程度增加，透射光的强度减小。透射光强度与入射光强度之比称为透光度（transmittance）或透光率，用T表示：0

21、IITt 例如，入射光的强度为100，透射光的强度为35，则T = 0.35或35%。 溶液的透光率愈大，表示它对光的吸收程度愈小；相反，透光率愈小，对光的吸收程度愈大。 实践证明，溶液对光的吸收程度与溶液浓度、液层厚度及入射光波长等因素有关。如果保持入射光不变，则溶液对光的吸收程度只与溶液浓度和液层厚度有关，即KbcIIT-100为了方便起见：KbcIITA-0lglg吸光度（absorbance）比例系数液层厚度溶液浓度KbcIITA-0lglg当K、c一定时，Ab Lamberts law当K、b一定时，Ac Beers law Lambert-Beer 定律可表述为：在一定条件下，当一

22、束平行的单色光通过溶液时，物质的吸光度与溶液的浓度和液层厚度的乘积成正比，称为光吸收定律，是吸收光谱定量的依据。 Lambert-Beer 定律是均匀、非散射介质对光吸收的基本定律，只有对入射光是单色光才完全适用。2. 吸收系数 absorptivity K 为比例系数，是指在一定入射光波长下，单位浓度及单位液层厚度时的吸光度。即bcAK 一般b的单位为cm，K的单位与c的单位有关。 当浓度单位为 g/L 时，K 用 a 表示，称为吸光系数，单位为 L/(gcm)。L-B law表示为abcA 当浓度的单位为 1%（W/V）时，K 用 表示，称为比吸光系数（specific absorptiv

23、ity）。此时L-B law为%1cm1EbcEA%1cm1 当浓度单位为mol/L时，K用表示，称为摩尔吸光系数（molar absorptivity），其单位为L/(molcm)此时，L-B law为bcAa、和 不能直接测得，需用已知准确浓度的稀溶液测吸光度计算得到。%1cm1E%1cm110EMMa解：)O,361nmH( cmmolL 108 . 22510001355001. 05 . 0414. 02114-例：称取1.00mg维生素B12(M=1355)，配成25.00 ml水溶液，吸收池厚度为0.5cm，在361nm波长下测得吸光度为0.414，计算摩尔吸光系数。例：用纯氯霉

24、素配制100ml含2.00 mg的溶液，在278nm，用1.00cm的吸收池，测得T=24.3%，求比吸光系数和摩尔吸光系数。3071000. 2614. 0lg3%1cm1-bcTE99201015.323%1cm1E与物质的本性、溶剂和入射光的波长有关，即（1）物质不同， 不同，是物质的特性常数。（2）溶剂不同，同一物质的不同，所以应注明溶剂。 （3）不同，同一物质的吸收系数也不同，所以吸收系数应注明波长； （4）入射光的纯度：单色光是经单色器色散成波长范围很窄的光。实际上，不管单色器的分辨率有多高，所谓的单色光仍然是有一定的宽度的。例如高锰酸钾溶液的吸收曲线。 如果在AB范围内，1700

25、，CD范围内2300，EF范围2500。因此，还应考虑单色光的纯度，即使用仪器的精确度（光强和色散元件的分辨率。 第五节 紫外-可见分光光度计 紫外-可见分光光度计的类型很多，但其原理基本相似。一般由五部分构成，即光源、单色器、吸收池、检测器、显示系统光源单色器吸收池检测器显示器分光光度计结构方框示意图分光光度计结构方框示意图一、分光光度计的主要部件1. 光源 提供入射光。 对光源基本要求：足够光强、稳定、连续辐射且强度随波长变化小。 钨及碘钨灯：3402500 nm，多用在可见光区； 氢灯和氘灯：160375 nm，多用在紫外区。2. 单色器单色器 把混合光变成单色光。由入射狭缝、准直镜、色

26、散元件、聚焦元件和出口狭缝组成。常用的色散元件有棱镜和光栅。 棱镜 是利用不同波长的光具有不同的折射率而使复合光分开的。用玻璃和石英制成。光栅 grating 利用光的衍射和干涉作用使复合光分开。其特点是：色散波长范围宽，可用于紫外、可见、红外等光谱区，分辨率高，色散率基本上不随波长改变而改变，即均匀色散（色散近于线性）。现代仪器多用光栅作色栅元件。狭缝狭缝是单色器的组成部分，对单色光的纯度起着非常重要的作用。狭缝有两种表示方法（1）用狭缝的实际宽度表示，以mm为单位，一般为02mm，（2）用通过出射狭缝的谱带宽度表示，以nm为单位，如2nm、1nm、0.5nm及0.2nm等。狭缝愈窄，光的单

27、色性愈好，测得的吸收峰愈尖锐，但光强度减弱，测定灵敏度降低。转动棱镜或光栅，可使光谱移动，使不同波长单色光，从出射狭缝射出。3. 吸收池 absorption cell 比色皿cuvette盛放样品溶液的容器。用玻璃或石英制成，两透光面互相平行，具有精确的光程。紫外区用石英、可见区用玻璃。盛放参比的吸收池和盛放样品的吸收池应匹配，即有相同的厚度与透光性。吸收池的光学面应垂直于光束方向。使用时，应进行校正（T 小于0.5%）4. 检测器将光信号转变为电信号进行检测。光电管 利用光电效应的原理。光电流通过负载电阻R，将电流变成电压信号，经放大器放大后，输给记录仪。 暗电流无光照射时，在外加电压下，

28、光电管中仍有微弱电流流过，称为暗电流。电极的热电子发射而产生的电流。暗电流愈小愈好。在分光光度计中，都设有补偿电路，消除暗电流。 光电倍增管 光二极管阵列检测器 photo-diode array detector光电二极管阵列检测器是在晶体硅上紧密排列一系列光二极管，如HP8452A型，在190820nm，由316个二极管，当光透过晶体硅时，二极管输出的电讯号强度与光强度成正比。每一个二极管相当于一个单色仪的出口狭缝，两个二极管中心距离的波长范围，称为采样间隔，二极管愈多，分辨率愈高，每个二极管可在1/10s，每隔2nm测一次，同时并行采集数据，在1/10s时间内，可获全光谱。5. 信号处理

29、与显示装置 光电管输出的信号很弱，经过放大后才能以某种方式将测量结果显示出来。信号处理包括一些数学运算。显示器可由电表、数字显示、荧光屏显示、结果打印、曲线扫描等。显示方式有T、A，有的还可以转换成浓度，等。二、紫外可见分光光度计 分光光度计分为单波长和双波长仪器。1. 单波长分光光度计 单光束 双光束（空间分隔） 双光束（时间分隔）特点： 因光束几乎同时通过样品池和参比池，因此可消除光源不稳产生的误差。 光源检测器单色器单色器切光器吸收池双波长分光光度计示意图2. 双波长分光度计通过切光器使两束不同波长的光交替通过吸收池，测得吸光度差A。SB1和SB2分别为在1和2处的背景吸收，当1和2 相近时，背景吸收近似相等。二式相减，得这表明，试样溶液浓度与两个波长处的吸光光差成正比。特点：可测多组份试样、混浊试样、而且可作成导数光谱、不需参比液（消除了由于参比池的不同和制备空白溶液等产生的误差）、克服了电源不稳而产生的误差，灵敏度高。 11110lgBSbcIIA222