紫外-可见吸收光谱法基本原理

第二章紫外－可见吸收光谱法分析法节基本原理一、概述二、紫外–可见吸收光谱三、光的吸收定律紫外-可见吸收光谱法基本原理共30页，您现在浏览的是第1页!光的基本性质

光是一种电磁波，具有波粒二象性。单色光：单一波长的光(由具有相同能量的光子组成)

白光：由各种单色光组成的复合光一、概述紫外-可见吸收光谱法基本原理共30页，您现在浏览的是第2页!白光紫绿红橙蓝青蓝青黄光的互补示意图白光白光紫外-可见吸收光谱法基本原理共30页，您现在浏览的是第3页!

在光谱分析中，依据物质对光的选择性吸收而建立起来的分析方法称为吸光光度法。1.定义

光谱分析法是指在光的作用下，通过测量物质产生的发射光、吸收光或散射光的波长和强度来进行分析的方法。本章主要讲授紫外-可见吸光光度法。二、紫外–可见吸收光谱分析法紫外-可见吸收光谱法基本原理共30页，您现在浏览的是第4页!紫外-可见吸收光谱法基本原理共30页，您现在浏览的是第5页!3.紫外-可见吸收光谱与电子跃迁的关系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+Er

Εe>Εv>Εr

紫外-可见吸收光谱法基本原理共30页，您现在浏览的是第6页!吸收光谱与电子跃迁1．紫外—可见吸收光谱有机化合物的紫外-可见吸收光谱，是其分子中外层价电子跃迁的结果（三种）：σ电子、π电子、n电子。分子轨道理论：一个成键轨道必定有一个相应的反键轨道。通常外层电子均处于分子轨道的基态，即成键轨道或非键轨道上。

外层电子吸收紫外或可见光后，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＊

紫外-可见吸收光谱法基本原理共30页，您现在浏览的是第7页!⑶π→π＊跃迁

所需能量较小，吸收波长处于远紫外区的近紫外端或近紫外区，摩尔吸光系数εmax一般在104L·mol-1·cm-1以上，属于强吸收。不饱和烃、共轭烯烃和芳香烃类均可发生该类跃迁。如：乙烯π→π*跃迁的λ为162nm，

εmax为:1×104L·mol-1·cm-1。⑷n→π＊跃迁

需能量最低，吸收波长λ>200nm。这类跃迁在跃迁选律上属于禁阻跃迁，摩尔吸光系数一般为10～100L·mol-1·cm-1，吸收谱带强度较弱。分子中孤对电子和π键同时存在，同时发生n→π＊

跃迁。丙酮n→π＊跃迁的λ为275nm,εmax为22L·mol-1·cm-1（溶剂环己烷)。紫外-可见吸收光谱法基本原理共30页，您现在浏览的是第8页!红移和蓝移

有机化合物的吸收谱带常常因引入取代基或改变溶剂使最大吸收波长λmax和吸收强度发生变化:

λmax向长波方向移动称为红移，向短波方向移动称为蓝移。吸收强度即摩尔吸光系数ε增大或减小的现象分别称为增色效应或减色效应，如图所示。紫外-可见吸收光谱法基本原理共30页，您现在浏览的是第9页!三、光的吸收定律

1.朗白-比尔定律

布格(Bouguer)和朗伯(Lambert)先后于1729年和1760年阐明了光的吸收程度与吸收层厚度的关系。A∝b

1852年比尔(Beer)又提出了光的吸收程度与吸收物浓度之间的关系。A∝c

二者的结合称为朗伯-比尔定律A=εbc

紫外-可见吸收光谱法基本原理共30页，您现在浏览的是第10页!摩尔吸收系数ε的讨论（1）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。（2）吸收物质是在一定温度、波长和溶剂条件下的特征常数。（3）不随浓度c和光程长度b的改变而改变。ε仅与吸收物质本身的性质有关，与待测物浓度无关；（4）同一吸收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表明了该吸收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。

紫外-可见吸收光谱法基本原理共30页，您现在浏览的是第11页!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=

-lgT朗伯-比尔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。2.透光度T紫外-可见吸收光谱法基本原理共30页，您现在浏览的是第12页!应用举例某有色物质溶液的浓度为4.5×10-3g·L-1,在530nm波长下用2.0cm的吸收池所测得的吸光度为0.300，试计算(a)吸收系数；(b)使用5cm的吸收池时溶液的百分透光度。解：（a）a=A/bc=0.300/2.0×4.5×10-3=33.3L·g-1·cm-1（b）T=10-ab’c=10-A’T%=10-ab’c×100％=10-A’×100％=17.81％紫外-可见吸收光谱法基本原理共30页，您现在浏览的是第13页!（1）物理性因素朗白-比尔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似于单色的狭窄光带。复合光可导致对朗伯-比尔定律的正或负偏离。

非单色光、杂散光、非平行入射光都会引起对朗白-比尔定律的偏离，最主要的是非单色光作为入射光引起的偏离。

紫外-可见吸收光谱法基本原理共30页，您现在浏览的是第14页!

A总＝lg(Io总/It总)＝lg(Io1+Io2)/(It1+It2）

＝lg(Io1+Io2)/(Io110-ε1bc

+Io210-ε2bc

)令：ε2–ε1＝；

Io1＝Io2A总＝lg(2Io1)/It1(1＋10-

bc

)

＝A1+lg2-lg(1＋10-

bc

)

讨论如下:紫外-可见吸收光谱法基本原理共30页，您现在浏览的是第15页!讨论:

A总=A1+lg2-lg(1＋10-εbc

)

(3)｜｜很小时，即ε1≈ε2：

可近似认为是单色光。在低浓度范围内，不发生偏离。若浓度较高，即使｜｜很小，A总≠Ａ1，且随着c值增大，

A总与A1的差异愈大，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-比尔定律只适用于稀溶液。(4)为克服非单色光引起的偏离，首先应选择比较好的单色器。此外还应将入射光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。紫外-可见吸收光谱法基本原理共30页，您现在浏览的是第16页!表2-1物质颜色和吸收光颜色之间的关系

物质颜色吸收光颜色波长范围/nm黄绿紫400-450黄蓝450-480橙绿蓝480-490红蓝绿490-500紫红绿500-560紫黄绿560-580蓝黄580-600绿蓝橙600-650蓝绿红650-700紫外-可见吸收光谱法基本原理共30页，您现在浏览的是第17页!2.物质对光的选择性吸收及其吸收曲线

E=E2-

E1=h

量子化；选择性吸收;分子结构的复杂性使其对不同波长光的吸收程度不同；用不同波长的单色光照射，吸收曲线—测吸光度与吸收波长之间的关系。M+h

M*基态激发态E1

（△E）E2紫外-可见吸收光谱法基本原理共30页，您现在浏览的是第18页!吸收曲线的讨论：

（1）同一种物质对不同波长的光的吸光度不同。吸光度最大处对应的波长称为最大吸收波长λmax（2）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。

（3）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.（4）不同浓度的同一种物质，在每一波长下吸光度A有差异，在λmax处吸光度A的差异最大，所以测定最灵敏，此特性可作为物质定量分析的依据。紫外-可见吸收光谱法基本原理共30页，您现在浏览的是第19页!

紫外-可见光谱属于电子跃迁光谱。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。能级跃迁紫外-可见吸收光谱法基本原理共30页，您现在浏览的是第20页!⑴σ→σ＊跃迁

所需能量最大，σ电子只有吸收远紫外光的能量才能发生跃迁。饱和烷烃的分子吸收光谱出现在远紫外区(吸收波长λ<200nm，只能被真空紫外分光光度计检测到)。如甲烷的λ为125nm,乙烷λmax为135nm。⑵n→σ＊跃迁

所需能量较大。吸收波长为150～250nm，大部分在远紫外区，近紫外区仍不易观察到。含非键电子的饱和烃衍生物(含N、O、S和卤素等杂原子)均呈现n→σ*跃迁。如一氯甲烷、甲醇、三甲基胺n→σ*跃迁的λ分别为173nm、183nm和227nm。n→π＊<π→π＊<n→σ＊<σ→σ＊

紫外-可见吸收光谱法基本原理共30页，您现在浏览的是第21页!生色团与助色团生色团：

最有用的紫外-可见光谱是由π→π＊和n→π＊跃迁产生的。这两种跃迁均要求有机物分子中含有不饱和基团。这类含有π键等不饱和基团称为生色团。简单的生色团由双键或叁键体系组成，如乙烯基、羰基、亚硝基、偶氮基-N＝N-、乙炔基、腈基-C㆔N等。助色团：有一些含有n电子的基团(如-OH、-OR、-NH２、-NHR、-X等)，它们本身没有生色功能(不能吸收λ>200nm的光)，但当它们与生色团相连时，就会发生n-π共轭作用，增强生色团的生色能力(吸收波长向长波方向移动，且吸收强度增加)，这样的基团称为助色团。紫外-可见吸收光谱法基本原理共30页，您现在浏览的是第22页!4.定性和定量分析依据（1）定性分析依据：

可根据吸收光谱曲线的形状，即曲线上吸收峰的数目，峰所对应的波长及峰的相对高度来进行定性分析。（2）定量分析的依据：根据某一特征峰的高度与物质浓度成正比的关系来进行定量分析。A＝lg(I0/It)=εbc

紫外-可见吸收光谱法基本原理共30页，您现在浏览的是第23页!

A＝lg(I0/It)＝

εbc

式中A：吸光度；描述溶液对光的吸收程度；（A无单位）

b：液层厚度(光程长度)，通常以cm为单位；

c：溶液的摩尔浓度，单位mol·L-1；ε：摩尔吸光系数，单位L·mol-1·cm-1；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；

或:

A＝lg(I0/It)＝abc

（A无单位）

c：溶液的浓度，单位g·L-1

a：吸光系数，单位L·g-1·cm-1，相当于浓度为1g/L、液层厚度为1cm时该溶液在某一波长下的吸光度。朗伯–比尔定律数学表达式紫外-可见吸收光谱法基本原理共30页，您现在浏览的是第24页!（5）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。

通常，在λmax处：

ε﹥105

超高灵敏的方法

ε＝（6～10）×104

高灵敏的方法

ε＝（2～6）×104

中灵敏的方法

ε﹤2×104

不灵敏的方法

（6）可作为定性鉴定的参数；紫外-可见吸收光谱法基本原理共30页，您现在浏览的是第25页!应用举例某有色物质溶液的浓度为4.5×10-3g·L-1,在530nm波长下用2.0cm的吸收池所测得的吸光度为0.300，试计算（a）吸收系数；（b)使用5cm的吸收池时溶液的百分透光度。解：紫外-可见吸收光谱法基本原理共30页，您现在浏览的是第26页!3.朗伯-比尔定律偏离的原因

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-比尔定律的偏离。引起这种偏离的因素（两大类）：（1）物理性因素，（2）化学性因素。紫外-可见吸收光谱法基本原理共30页，您现在浏览的是第27页!非单色光作为入射光引起的偏离

假设由波长为λ1和λ2的两单色光组成的入射光通过浓度为c的溶液，则：

A

1

＝lg(Ｉo1/Ｉt1）＝ε1bc

A

2

＝lg(Ｉo2/Ｉt2）＝ε2bc故：式中：Ｉo1、Ｉo2分别为λ1、λ2的入射光强度；

Ｉt1、Ｉt2分别为λ1、λ2的透射光强度；

ε1、ε2分别为λ1、λ2的摩尔吸光系数；因实际上只能测总吸光度A总，并不能分别测得A1和A2，故紫外-可