仪器分析课件-3紫外

第三章

紫外－可见光谱法第三章

紫外－可见光谱法基于物质对200-800nm光谱区辐射的吸收特性而建立起来的分析测定方法称为紫外-可见吸收光谱法（UV-Vis）或紫外-可见分光光度法。它属于分子光谱法，是由于分子内电子跃迁而产生的光谱。

特点：1）灵敏度高2）准确度较高3）仪器价格较低，操作简便、快速4）应用范围广青岛农业大学基于物质对200-800nm光谱区辐射的吸收特性2第一节紫外－可见光谱法的基本原理一、紫外-可见吸收光谱由分子中价电子能级跃迁产生。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。价电子跃迁的同时，伴随着核振动、分子自身转动能级的跃迁（带状光谱）。波长范围：100～800nm.(1)远紫外光区:

100～200nm(2)近紫外光区:

200～400nm(3)可见光区:

400～800nm250300350400nm1234Aλ可用于结构鉴定和定量分析。青岛农业大学第一节紫外－可见光谱法的基本原理一、紫外-可见吸收光谱3物质对光的选择性吸收及吸收曲线M+热M+荧光或磷光E=E2－

E1=h量子化；选择性吸收用不同波长的单色光照射，测吸光度；以A～作图，可得吸收曲线。M+

h

→M*基态激发态E1（△E）E2青岛农业大学物质对光的选择性吸收及吸收曲线M+热M+4吸收曲线的讨论：①同一种物质对不同波长光的吸光度不同。吸光度最大处对应的波长称为最大吸收波长λmax②同一种物质的不同浓度，其吸收曲线形状相同λmax不变。在λmax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的重要依据。③而对于不同物质，它们的吸收曲线形状和λmax则不同。青岛农业大学吸收曲线的讨论：①同一种物质对不同波长光的吸光度不同。吸光度5相邻两峰的最低点吸收最大的峰吸收次于最大吸收峰青岛农业大学相邻两峰的最低点吸收最大的峰吸收次于最大吸收峰青岛农业大学6青岛农业大学青岛农业大学7青岛农业大学青岛农业大学8二、紫外-可见吸收光谱与分子结构的关系由电子对组成的共价键可分为σ键和π键，一个成键轨道一定有一个相应的具有较高能量的反键轨道。分子中没有参加成键的电子处于n非键轨道中。有机化合物的紫外-可见吸收光谱取决于分子中价电子分布和结合情况。1、有机化合物的紫外可见吸收光谱

基态有机化合物的价电子：σ电子、π电子、n电子COHnH分子轨道理论：成键轨道－反键轨道青岛农业大学二、紫外-可见吸收光谱与分子结构的关系由电子对组成的共价键可9有机分子能级跃迁可能的跃迁类型有机分子包括:成键轨道、；反键轨道*、*非键轨道n

例如H2O分子的轨道：

CHHOoooo==o=n青岛农业大学有机分子能级跃迁CHHOoooo=青岛农10当外层电子吸收紫外或可见辐射后，就从基态向激发态（反键轨道）跃迁。主要涉及两种类型的电子跃迁：1）成键轨道和反键轨道间的跃迁；2)非键电子激发到反键轨道的跃迁。

*

*nE可能的跃迁类型：-*；-*；-*；n-*；-*；n-*各轨道能级高低顺序：n**（分子轨道理论计算结果）；青岛农业大学当外层电子吸收紫外或可见辐射后，就从基态向激发态（反键轨道）11σ→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；例如甲烷的λmax＝125nm，乙烷的λmax＝135nm。只能被真空紫外分光光度计检测到，因此常作为溶剂用。在紫外-可见吸收光谱分析中，有机化合物的吸收光谱主要由n→π＊，π→π＊

及电荷转移跃迁产生。-*和-*跃迁：尽管所需能量比上述-*跃迁能量小，但波长仍处于真空紫外区；σ→σ＊跃迁跃迁类型青岛农业大学σ→σ＊跃迁所需能量最大；σ电子只有吸收远紫外光的能12

n→σ＊跃迁所需能量较大。吸收波长为150～260nm，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。600215CH3NH2365258CH3I200173CH3Cl150184CH3OH1480167H2Oεmaxλmax（nm）化合物青岛农业大学n→σ＊跃迁所需能量较大。吸收波长为150～13π→π＊跃迁

它需要的能量低于*跃迁，吸收峰一般处于近紫外光区，在200nm左右，其特征是摩尔吸光系数大，一般max104，为强吸收带。如乙烯（蒸气）的最大吸收波长max为162nm。含有π电子的基团，如双键、叁键、羰基等都可发生π→π＊跃迁。

n→π＊跃迁

这类跃迁发生在近紫外光区。它是简单的生色团如羰基、硝基等中的孤对电子向反键轨道跃迁。其特点是谱带强度弱，摩尔吸光系数小，通常小于100。青岛农业大学π→π＊跃迁它需要的能量低于*跃迁，吸收峰一14电荷转移跃迁某些分子同时具有电子给予体和电子接受体，它们在外来辐射的照射下会强烈吸收紫外光或可见光，使电子给予体轨道向接受体轨道跃迁，这种跃迁称为电荷转移跃迁。电荷转移跃迁产生的吸收光谱称电荷转移吸收光谱。电荷转移吸收带的特点是谱带较宽，吸收强度大，摩尔吸光系数可大于104L•mol-1•com-1。青岛农业大学电荷转移跃迁青岛农业大学152、常用术语生色团：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。这类可以吸收光子而产生跃迁的原子基团称为生色团。简单的生色团由双键或叁键体系组成，如乙烯基、偶氮基－N＝N－、羰基、乙炔基、腈基－CN≡等。助色团：有一些含有n电子的基团(如－OH、－OR、－NH２、—X等),它们本身没有生色功能，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(最大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。青岛农业大学2、常用术语生色团：青岛农业大学16R带:

R带相当于n→π*跃迁所产生的吸收带。含有杂原子的不饱和基团，如-C=O、-N=N-、-NO、-NO2特点：（1）吸收较弱；（2）波长较长，200-400nm。K带:

由于共轭双键中π→π*跃迁所产生的吸收带称为K带。特点：（1）吸收强度大，摩尔吸光系数大（104-105之间）。（2）波长在217-280nm之间。（3）利用紫外吸收光谱是否有K吸收带，作为判断共轭体系的重要依据。Absorptionband吸收带青岛农业大学R带:R带相当于n→π*跃迁所产生的吸收带。含有杂17E带和B带-芳香烃及其杂环化合物的吸收光谱苯的吸收光谱：E1带:180184nm=47000E2带:200204nm=7000苯环上三个共扼双键的→*跃迁特征吸收带；有助色团,E2向长波移动,有生色团,E2与K合并,红移B带:

230-270nm,=200→*与苯环振动引起是芳香族化合物的特征吸收，在极性溶剂中消失或变得不明显。青岛农业大学E带和B带-芳香烃及其杂环化合物的吸收光谱苯的吸收光谱：青18红移与蓝移

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(或紫移)。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。青岛农业大学红移与蓝移有机化合物的吸收谱带常常因引入取代基或改变19饱和有机化合物不饱和烃及共轭烯烃羰基化合物芳香族化合物三、有机化合物的紫外-可见吸收光谱乙烷碘乙烷丙酮丁二烯苯乙烯苯乙酮青岛农业大学饱和有机化合物三、有机化合物的紫外-可见吸收光谱乙烷碘乙烷丙20四、影响紫外-可见吸收光谱的因素1）共轭效应

共轭效应使各级能量的能级间的能量差减小，跃迁时所需能量也相应减小，使吸收波长产生红移，吸收强度增加。共轭不饱合度越多，红移越明显，吸收强度也随之增强。CH2＝CH2λmax＝165nmε＝15000CH2＝CH－CH＝CH2λmax＝217ε＝21000CH2＝CH－CH＝CH－CH＝CH2λmax＝257ε＝35000青岛农业大学四、影响紫外-可见吸收光谱的因素1）共轭效应CH2＝CH2213）超共轭效应烷基上的电子与共轭体系中的电子共轭，使吸收峰向长波方向移动，吸收强度增强，这种键与键共轭引起现象称为超共轭。超共轭效应的影响比共轭效应小得多。2）助色效应当助色团与发色团相连时，助色团的n电子发色团的电子共轭，使吸收峰向长波方向，吸收强度增强CH2＝CH－CH＝CH21,3-丁二烯λmax＝217nmCH3－CH＝CH－CH＝CH2

1,3-戊二烯λmax＝222nm青岛农业大学3）超共轭效应2）助色效应CH2＝CH－CH＝CH2224）溶剂效应

n－*跃迁产生的吸收峰，随溶剂极性增加，形成氢键的能力增加，发生蓝移；由－*跃迁产生的吸收峰，随溶剂极性增加，发生红移。随溶剂极性增加，吸收光谱变得平滑，精细结构消失。1：乙醚2：水12250300苯酰丙酮

青岛农业大学4）溶剂效应1：乙醚2：水12250300苯酰丙酮青岛农235）空间效应由于空间障碍，妨碍两个发色团处于同一个平面，共轭程度降低，使吸收峰向短波方向，吸收强度减弱。二苯乙烯顺式：λmax=280nm；εmax=10500反式：λmax=295.5nm；εmax=29000青岛农业大学5）空间效应二苯乙烯顺式：λmax=280nm；ε24第二节紫外－可见光谱仪青岛农业大学第二节紫外－可见光谱仪青岛农业大学25青岛农业大学青岛农业大学26一、基本构成光源单色器样品室检测器显示1.光源

在整个紫外光区或可见光谱区可以发射连续光谱，具有足够的辐射强度、较好的稳定性、较长的使用寿命。

可见光区：钨灯作为光源，其辐射波长范围在360～2500nm。紫外区：氢、氘灯。发射190～400nm的连续光谱。动画青岛农业大学一、基本构成光源单色器样品室检测器显示1.光源在整272.单色器

将光源发射的复合光分解成单色光并可从中选出一任波长单色光的光学系统。①入射狭缝：光源的光由此进入单色器；②准光装置：透镜或返射镜使入射光成为平行光束；③色散元件：将复合光分解成单色光；棱镜或光栅；

④聚焦装置：透镜或凹面反射镜，将分光后所得单色光聚焦至出射狭缝；⑤出射狭缝。青岛农业大学2.单色器将光源发射的复合光分解成单色光283.样品室样品室放置各种类型的吸收池（比色皿）和相应的池架附件。吸收池主要有石英池和玻璃池两种。在紫外区须采用石英池，可见光区一般用玻璃池。4.检测器利用光电效应将透过吸收池的光信号变成可测的电信号，常用的有光电池、光电管或光电倍增管。5.结果显示记录系统检流计、数字显示、微机进行仪器自动控制和结果处理青岛农业大学3.样品室样品室放置各种类型的吸收池（比色皿）和相应的池架附29二、紫外-可见光谱仪的类型1.单波长单光束光谱仪

简单，价廉，适于在给定波长处测量吸光度或透光度，一般不能作全波段光谱扫描，要求光源和检测器具有很高的稳定性。（动画演示）2.单波长双光束光谱仪

自动记录，快速全波段扫描。可消除光源不稳定、检测器灵敏度变化等因素的影响，特别适合于结构分析。仪器复杂，价格较高。动画演示青岛农业大学二、紫外-可见光谱仪的类型1.单波长单光束光谱仪2.单波长双303.双波长光谱仪

将不同波长的两束单色光(λ1、λ2)快束交替通过同一吸收池而后到达检测器，得到两次吸光度差值，无需参比池。△=1～2nm。两波长同时扫描即可获得导数光谱。动画演示采用双波长分光光度计进行分析时，可以通过波长的选择方便地校正背景吸收，消除吸收光谱重叠的干扰，因而适用于混浊液和多组分混合物的定量分析。青岛农业大学3.双波长光谱仪采用双波长分光光度计进行分析时，可以通过波长314.多通道紫外-可见光谱仪

利用光电二极管阵列检测器，可在瞬间给出整个光谱的全部信息。青岛农业大学4.多通道紫外-可见光谱仪利用光电二极管阵列检测器，可在瞬间32第三节紫外-可见光谱分析法

一、有机化合物结构鉴定中的应用1）比较法：制作试样的吸收曲线并与标准紫外光谱对照比较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及相应的摩尔吸光系数。标准谱图库：46000种化合物紫外光谱的标准谱图。动画2）利用Woodward-Fieser和Scott经验规则求最大吸收波长：即当通过其它方法获得一系列可能的分子结构式后，可通过此类规则估算最大吸收波长并与实测值对比。青岛农业大学第三节紫外-可见光谱分析法

一、有机化合物结构鉴定中的应用33Woodward-Fieser规则Woodward-Fieser规则用于讲算共轭二烯、多烯烃及共轭烯酮类化合物跃迁的最大吸收波长。Scott规则用于计算芳香族羰基衍生物，如苯甲醛、苯甲酸、苯甲酸酯等在乙醇中的最大吸收波长。青岛农业大学Woodward-Fieser规则Woodward-Fies34Woodward-Fieser规则估算最大吸收波长的几个实例：四青岛农业大学Woodward-Fieser规则估算最大吸收波长的几个实例35结构分析二苯乙烯

顺反异构：顺式：λmax=280nm；εmax=10500反式：λmax=295.5nm；εmax=29000互变异构：酮式：λmax=204nm烯醇式：λmax=243nm

构象判别青岛农业大学结构分析二苯乙烯顺反异构：互变异构：构象判别青岛农业大学36a.单组分定量方法

标准曲线法：首先配制一系列不同含量的标准溶液，以不含目标组分的空白溶液为参比，在相同条件下测定标准溶液的吸光度，绘制吸光度—浓度曲线即标准曲线。然后在同样的实验条件下测定未知试样的吸光度，从标准曲线上就可以找到与之对应的未知试样的浓度。

动画二、定量分析法青岛农业大学a.单组分定量方法二、定量分析法青岛农业大学37b.多组分定量方法根据吸光度具有加和性的特点，在同一试样中可以测定两个以上的组分。假设试样中含有x，y两种组分，将它们转化为有色化合物，分别绘制其吸收光谱，会出现以下三种情况：（a）情况时组分x和y互不干扰，可以分别在λ1和λ2两个波长下测定两种物质的含量。（b）情况下组分x干扰组分y的测量。此时对组分y要用解方程的方法测定。青岛农业大学b.多组分定量方法（a）情况时组分x和y互不干扰，可以38（c）情况下组分x和组分y相互干扰，要通过解方程组的方法实现分别测定。具体方法如下：首先在λ1和λ2处分别测定混合物吸光度和用x和y的纯组分，可以分别测得λ1时的和以及λ2时的和根据吸光度的加和性原则，可列出方程式组：Cx和Cy值可通过解联立方程求得。对于更复杂的多组分体系，可用计算机处理测定的结果。

青岛农业大学（c）情况下组分x和组分y相互干扰，要通过解方程组的方法实现39例：在某厚度比色皿中，浓度为1.0×10-3mol∙L-1的K2Cr2O7组分溶液在波长为450nm和530nm处的吸光度分别为0.200和0.050；浓度为1.0×10-4mol∙L-1的KMnO4组分的溶液在波长为450nm和530nm处的吸光度分别为0.030和0.180，现有含这两种组分的混合溶液，放在同样厚度的比色皿中，在波长为450nm和530nm处的吸光度分别为0.380和0.710，试计算混合溶液中这两种组分的浓度。青岛农业大学例：在某厚度比色皿中，浓度为1.0×10-3mol∙L-140、、青岛农业大学、、青岛农业大学41对于组分x和组分y相互干扰严重的情况，还可以通过双波长吸收法实现分别测定。具体方法如下：如下图所示，当x、y组分共存时，如要测定组分x的含量，组分y的干扰可以通过选择对y组分具有等吸收的两个波长λ1和λ2加以消除。以λ2为参比波长，λ1为测定波长，对混合物进行测定，可得：Aλ1＝Aλ1x＋Aλ1yAλ2＝Aλ2x＋Aλ2y青岛农业大学对于组分x和组分y相互干扰严重的情况，还可以通过双波长吸收法42Aλ1、Aλ2、Aλ1x、Aλ1y、Aλ2x、Aλ2y分别为混合物、组分x和y在波长λ1和λ2下的吸光度且Aλ1y＝Aλ2y则得到：A＝Aλ1－Aλ2＝Aλ1x－Aλ2x＝（ελ1x－ελ2x）b∙c对于被测组分x来说，（ελ1x－ελ2x）∙b为定值，所以A与组分x浓度c成正比。ελ1x、ελ2x可由x的标准溶液求出。同理适当选择组分x具有等吸收的两个波长，也可以对组分y进行定量测定。

青岛农业大学Aλ1、Aλ2、Aλ1x、Aλ1y、Aλ2x43第四节分析条件的选择1、仪器测量条件（1）波长。通常按照最大吸收原则即选择最强吸收带的最大吸收波长为入射光的波长，若在最大吸收波长处有干扰，则选择吸收最大、干扰最小的原则。（2）狭缝宽度。影响测定灵敏度和标准曲线的线性范围，一般选择狭缝宽度约是吸收峰半宽度的十分之一。（3）吸光度值。选择适当吸光度围，在0.15-1.00之间，可减小测量误差。青岛农业大学第四节分析条件的选择青岛农业大学442、反应条件选择

a.显色剂的选择原则：使配合物吸收系数最大、选择性好、组成恒定、配合物稳定、显色剂吸收波长与配合物吸收波长相差大等。b.显色剂用量：配位数与显色剂用量有关；在形成逐级配合物，其用量更要严格控制。c.溶液酸度：配位数和水解等与pH有关。d.

显色时间、放置时间、温度等。青岛农业大学2、反应条件选择青岛农业大学453、参比液选择a.溶剂参比：试样组成简单、共存组份少（基体干扰少）、显色剂不吸收时，直接采用溶剂（多为蒸馏水）为参比；b.试剂参比：当显色剂或其它试剂在测定波长处有吸收时，采用试剂作参比（不加待测物）；c.试样参比：如试样基体在测定波长处有吸收，但不与显色剂反应时，可以试样作参比（不能加显色剂）。参比选择青岛农业大学3、参比液选择参比选择青岛农业大学464、试样溶液浓度选择吸光度在0.15-1.00之间，