武汉大学分析化学下册09紫外可见吸收光谱课件

第九章

紫外吸收光谱分析法第一节紫外吸收光谱基本原理principlesofultravioletspectrometry第二节紫外可见分光光度计UV-Visspectrometer第三节紫外吸收光谱的应用applicationsofultravioletspectrometryultravioletspectrometry,UV2023/8/3第九章

紫外吸收光谱分析法第一节紫外吸收光谱基本原理u1第九章

紫外吸收光谱分析法一、紫外吸收光谱的产生generationofUV二、有机物紫外吸收光谱ultravioletspectrometryoforganiccompounds三、金属配合物的紫外吸收光谱

ultravioletspectrometryofmetalcomplexometriccompounds第一节紫外吸收光谱分析基本原理ultravioletspectrometry,UVprinciplesofUV2023/8/3第九章

紫外吸收光谱分析法一、紫外吸收光谱的产生第一节2一、紫外吸收光谱的产生

generationofUV1.概述紫外吸收光谱：分子价电子能级跃迁。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:400-800nm250300350400nm1234eλ可用于结构鉴定和定量分析。电子跃迁的同时，伴随着振动转动能级的跃迁;带状光谱。2023/8/3一、紫外吸收光谱的产生

generationofUV132.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;M+

h

→M*基态激发态E1

（△E）E22023/8/32.物质对光的选择性吸收及吸收曲线M+热M+荧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。2023/8/3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讨论：④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λmax处吸光度A的差异最大。此特性可作作为物质定量分析的依据。⑤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。2023/8/3讨论：④不同浓度的同一种物质，在某一定波长下吸光度A有差63.电子跃迁与分子吸收光谱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

ΔΕe>ΔΕv>ΔΕr2023/8/33.电子跃迁与分子吸收光谱物质分子内部三种运动形式：20237能级跃迁

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。2023/8/3能级跃迁电子能级间跃迁的同时，总伴随有振动和转动能级8讨论：（1）

转动能级间的能量差ΔΕr：0.005～0.050eV，跃迁产生吸收光谱位于远红外区。远红外光谱或分子转动光谱；（2）振动能级的能量差ΔΕv约为：0.05～１eV，跃迁产生的吸收光谱位于红外区，红外光谱或分子振动光谱；（3）电子能级的能量差ΔΕe较大1～20eV。电子跃迁产生的吸收光谱在紫外—可见光区，紫外—可见光谱或分子的电子光谱；2023/8/3讨论：（1）转动能级间的能量差ΔΕr：0.005～0.059讨论：

（4）吸收光谱的波长分布是由产生谱带的跃迁能级间的能量差所决定，反映了分子内部能级分布状况，是物质定性的依据；（5）吸收谱带的强度与分子偶极矩变化、跃迁几率有关，也提供分子结构的信息。通常将在最大吸收波长处测得的摩尔吸光系数εmax也作为定性的依据。不同物质的λmax有时可能相同，但εmax不一定相同；

（6）吸收谱带强度与该物质分子吸收的光子数成正比，定量分析的依据。2023/8/3讨论：（4）吸收光谱的波长分布是由产生谱带的跃迁能级间10电磁波谱对应的原子或分子运动形式2023/8/3电磁波谱对应的原子或分子运动形式2023/7/3111二、有机物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—可见吸收光谱是三种电子跃迁的结果：σ电子、π电子、n电子。分子轨道理论：成键轨道—反键轨道。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。主要有四种跃迁所需能量ΔΕ大小顺序为：n→π＊<π→π＊<n→σ＊<σ→σ＊

sp

*s*RKE,BnpECOHnpsH2023/8/3二、有机物吸收光谱与电子跃迁

1．紫外—可见吸收光谱分子轨道122σ→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：甲烷的λmax为125nm,乙烷λmax为135nm。只能被真空紫外分光光度计检测到；作为溶剂使用；sp*s*RKE,BnpE2023/8/32σ→σ＊跃迁所需能量最大；σ电子只有吸收远紫外光133n→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。600215CH3NH2365258CH3I200173CH3Cl150184CH3OH1480167H2Oemaxlmax（nm）化合物2023/8/33n→σ＊跃迁所需能量较大。600215CH3NH144

π→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，εmax一般在104L·mol－1·cm－1以上，属于强吸收。

（1）不饱和烃π→π*跃迁乙烯π→π*跃迁的λmax为162nm，εmax为:1×104L·mol-1·cm－1。K带——共轭非封闭体系的p

→p*跃迁

C=C

发色基团，但

→

*200nm。max=162nm助色基团取代

（K带)发生红移。2023/8/34π→π＊跃迁所需能量较小，吸收波长处于远紫外区的15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键的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。2023/8/3生色团：2023/7/31162023/8/32023/7/3117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。2023/8/3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18强带和弱带最大摩尔吸光系数εmax>104L·mol-1·cm-1的吸收带称为强带；εmax<103L·mol-1·cm-1的吸收带称为弱带。R带是由含杂原子的生色团（如）的n→π＊

跃迁所产生的吸收带，强度弱，一般εmax<100L·mol-1·cm-1，吸收峰通常在200~400nm之间。K带由共轭体系的π→π＊

跃迁所产生的吸收带，吸收强度大，一般εmax>104L·mol-1·cm-1，吸收峰一般处于217~280nm范围内。其波长随共轭体系的加长而向长波方向移动，吸收强度也随之加强。2023/8/3强带和弱带2023/7/3119B带由芳香族化合物的π→π＊

跃迁所产生的精细结构吸收带，强度弱。苯的B带εmax约200L·mol-1·cm-1，吸收峰在230~270nm之间。B带是芳香族化合物的特征吸收，但在极性溶剂中精细结构消失或变得不明显。E带由芳香族化合物π→π＊

跃迁所产生的吸收带，也是芳香族化合物的特征吸收，吸收强度大，可分为E1带和E2带。2023/8/3B带2023/7/3120165nm217nm

₃

₁

₂

(HOMOLVMO)

max

基-----是由非环或六环共轭二烯母体决定的基准值；无环、非稠环二烯母体：

max=217nm共轭烯烃（不多于四个双键）

*跃迁吸收峰位置可由伍德沃德——菲泽规则估算。

max=基+nii

（2）共轭烯烃中的→*2023/8/3165nm217nm₃₁21异环（稠环）二烯母体：

max=214nm同环（非稠环或稠环）二烯母体：

max=253nmniI:由双键上取代基种类和个数决定的校正项

(1)每增加一个共轭双键+30(2)环外双键+5(3)双键上取代基：酰基（-OCOR）0卤素（-Cl，-Br）+5烷基（-R）+5烷氧基（-OR）+62023/8/3异环（稠环）二烯母体：(1)每增加一个共轭双键+30酰22（3）羰基化合物共轭烯烃中的→*①Y=H,R

n→*

180-190nm

→

*

150-160nm

n→*

275-295nm②Y=

-NH2,-OH,-OR

等助色基团K带红移，R带兰移；R带max=205nm；10-100K

K

R

R

n

n

165nm

n

③不饱和醛酮K带红移：165250nmR

带红移：290310nm

2023/8/3（3）羰基化合物共轭烯烃中的→*①Y=H,R23（4）芳香烃及其杂环化合物

苯：E1带180184nm；

=47000E2带200204nm=7000

苯环上三个共扼双键的→*跃迁特征吸收带；B带230-270nm

=200

→

*与苯环振动引起；含取代基时，B带简化，红移。

max（nm）

max苯254200甲苯261300间二甲苯2633001，3，5-三甲苯266305六甲苯2723002023/8/3（4）芳香烃及其杂环化合物苯：

max（nm）ma24乙酰苯紫外光谱图羰基双键与苯环共扼：K带强；苯的E2带与K带合并，红移；取代基使B带简化；氧上的孤对电子：R带，跃迁禁阻，弱；CCH3On→p*

;

R带p

→p*

;

K带2023/8/3乙酰苯紫外光谱图羰基双键与苯环共扼：CCH3On→p*;25苯环上助色基团对吸收带的影响2023/8/3苯环上助色基团对吸收带的影响2023/7/3126苯环上生色团对吸收带的影响2023/8/3苯环上生色团对吸收带的影响2023/7/31275.立体结构和互变结构的影响顺反异构：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

2023/8/35.立体结构和互变结构的影响顺反异构：顺式：λmax=2286.溶剂的影响非极性极性n

np

n<p

n

p

非极性极性n>pn

→

*跃迁：兰移；；

→*跃迁：红移；；

max(正己烷)max(氯仿)max(甲醇)max(水)230238237243n3293153093052023/8/36.溶剂的影响非极性极性nn29溶剂的影响极性溶剂使精细结构消失；溶剂化限制了溶质分子的自由转动溶剂的选择：（1）尽量选用非极性或低极性溶剂；（2）形成的溶液具有良好的化学和光化学稳定性；（3）溶剂在试样的吸收光谱区无吸收。2023/8/3溶剂的影响极性溶剂使精细结构消失；溶剂化限制了溶质分子的自由30三、金属配合物的紫外吸收光谱

ultravioletspectrometryofmetalcomplexometriccompounds

金属配合物的紫外光谱产生机理主要有三种类型：1.配体微扰的金属离子d-d电子跃迁和f-f电子跃迁

在配体的作用下过渡金属离子的d轨道和镧系、锕系的f轨道裂分，吸收辐射后，产生d一d、f一f

跃迁；必须在配体的配位场作用下才能产生也称配位场跃迁；

摩尔吸收系数ε很小，对定量分析意义不大。2.金属离子微扰的配位体内电子跃迁

金属离子的微扰，将引起配位体吸收波长和强度的变化。变化与成键性质有关，若共价键和配位键结合，则变化非常明显。2023/8/3三、金属配合物的紫外吸收光谱

ultravioletspe313.电荷转移吸收光谱电荷转移跃迁：辐射下，分子中原定域在金属M轨道上的电荷转移到配位体L的轨道，或按相反方向转移，所产生的吸收光谱称为荷移光谱。Mn+—Lb-M(n-1)+—L(b-1)-h[Fe3+CNS-]2+h[Fe2+CNS]2+电子接受体电子给予体分子内氧化还原反应；>104Fe2+与邻菲罗啉配合物的紫外吸收光谱属于此。2023/8/33.电荷转移吸收光谱电荷转移跃迁：辐射下，分32第九章

紫外吸收光谱分析法一、基本组成二、分光光度计的类型第二节

紫外—可见分光光度计ultravioletspectrometryultravioletspectrometer2023/8/3第九章

紫外吸收光谱分析法一、基本组成第二节

紫外—33仪器紫外-可见分光光度计2023/8/3仪器紫外-可见分光光度计2023/7/3134一、基本组成

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320～2500nm。

紫外区：氢、氘灯。发射185～400nm的连续光谱。2023/8/3一、基本组成

光源单色器样品室检测器显示1.光源可35光学分析仪器常用光源光源波长范围(nm)适用于氢灯185~375紫外氘灯185~400紫外钨灯320~2500可见，近红外卤钨灯250~2000紫外，可见，近红外氙灯180~1000紫外、可见（荧光）能斯特灯1000~3500红外空心阴极灯特有原子光谱激光光源特有各种谱学手段光学分析仪器常用光源光源波长范围(nm)适用于氢灯185~3

2.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。2023/8/32.单色器将光源发射的复合光分解成单色光373.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2023/8/33.样品室样品室放置各种类型的吸收池（比色皿）和相应38二、分光光度计的类型

1.单光束光源发出的光经单色器分光后，得到一束单色平行光，先后通过参比溶液和试样溶液，进行测定。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。2023/8/3二、分光光度计的类型

1.单光束2023/7/31392.双光束光源发出的光经单色器后，由斩光器把光分成波长和强度相同的交替光，一束通过参比溶液，一束通过试样溶液，然后由检测系统检测。消除了光源不稳定、检测器灵敏度变化等因素的影响，可进行快速全波段扫描。2023/8/32.双光束2023/7/31403.双波长

将不同波长的两束单色光(λ1、λ2)快束交替通过同一吸收池后到达检测器，测得试样溶液在两波长处吸光度的差值△A。无需参比池。通常△=1～2nm。可测高浓度试样、多组分混合试样、浑浊试样，可测导数光谱。2023/8/33.双波长2023/7/31414.多通道

光源发出的光不经单色器直接聚焦到吸收池上，经光栅分光后照射到光电二极管阵列检测器上，全部波长同时被检测，可在极短的时间内（<

1s）给出整个光谱的全部信息。适于快速动力学研究和多组分同时分析。2023/8/34.多通道2023/7/31425.光导纤维探头

由两根相互隔离的光导纤维组成的探头。光源发出的光由其中的一根光纤传导至试样溶液，再经镀铝反射镜反射后，由另一根光纤传导，通过干涉滤光片后到达检测器。光在溶液中的路程可在0.1-10cm范围内调节。不需要吸收池，可进行原位测定。2023/8/35.光导纤维探头2023/7/3143第九章

紫外吸收光谱分析法一、定性分析和结构解析二、定量分析第三节紫外吸收光谱的应用ultravioletspectro-photometry,UVapplicationsofUV2023/8/3第九章

紫外吸收光谱分析法一、定性分析和结构解析第三节44一、定性分析和结构解析

定性分析——结构确定的辅助工具

max：化合物特性参数，可作为定性依据；有机化合物紫外吸收光谱：反映结构中生色团和助色团的特性，不完全反映分子特性；计算吸收峰波长，确定共扼体系等

max，max都相同，可能是一个化合物；标准谱图库：«Thesadtlerstandardspectra,Ultraviolet»

49000种化合物紫外光谱的标准谱图OrganicElectronicSpectralData,1949——

2023/8/3一、定性分析和结构解析

定性分析——结构确定的辅助工具20245最大吸收波长的计算Wodward-Fieser经验规则——共轭烯烃和共轭烯酮不适于交叉共轭体系，亦不适于芳香体系2023/8/3最大吸收波长的计算Wodward-Fieser经验规则——共462023/8/32023/7/31472023/8/32023/7/31482023/8/32023/7/3149Scott经验规则——芳香族羰基的衍生物2023/8/3Scott经验规则——芳香族羰基的衍生物2023/7/3150有机化合物结构辅助解析

1.可获得的结构信息（1）200-400nm无吸收峰。饱和化合物，单烯。（2）

270-350nm有吸收峰（ε=10-100）醛酮

n→π*跃迁产生的R

带。（3）

250-300nm有中等强度的吸收峰（ε=200-2000），芳环的特征吸收（具有精细解构的B带）。（4）

200-250nm有强吸收峰（ε104），表明含有一个共轭体系（K）带。共轭二烯：K带（230nm）；不饱和醛酮：K带230nm，R带310-330nm260nm,300nm,330nm有强吸收峰，3,4,5个双键的共轭体系。2023/8/3有机化合物结构辅助解析

1.可获得的结构信息2023/7512.光谱解析注意事项(1)确认max，并算出㏒ε，初步估计属于何种吸收带；(2)观察主要吸收带的范围，判断属于何种共轭体系；(3)pH值的影响加NaOH红移→酚类化合物，烯醇。加HCl兰移→苯胺类化合物。2023/8/32.光谱解析注意事项(1)确认max，并算出㏒ε，初步估523.分子不饱和度的计算定义：不饱和度是指分子结构中达到饱和所缺一价元素的“对”数。如：乙烯变成饱和烷烃需要两个氢原子，不饱和度为1。

计算：若分子中仅含一，二，三，四价元素(H，O，N，C)，则可按下式进行不饱和度的计算：

=（2+2n4+n3–n1）/2

n4，n3，n1

分别为分子中四价，三价，一价元素数目。

作用：由分子的不饱和度可以推断分子中含有双键，三键，环，芳环的数目，验证谱图解析的正确性。例：C9H8O2

=（2+29

–8）/2=62023/8/33.分子不饱和度的计算定义：不饱和度534.解析示例2023/8/34.解析示例2023/7/31542023/8/32023/7/3155取代苯吸收波长计算——Scott经验规则2023/8/3取代苯吸收波长计算——Scott经验规则2023/7/3156定量分析的依据朗伯-比尔(Lambert-Beer)定律I0=It+Ia

T:透射比或透光度A:吸光度T=It/I0A=lg(I0/It)＝lg(1/T)朗伯定律（1760年）：光吸收与溶液层厚度成正比比尔定律（1852年）：光吸收与溶液浓度成正比二.定量分析定量分析的依据朗伯-比尔(Lambert-Beer)定律I0

当一束平行单色光垂直照射到样品溶液时，溶液的吸光度与溶液的浓度及光程（比色池的厚度）成正比关系－－－朗伯比尔定律其中，A:吸光度，T:透射比，I0:入射光强度，It:透射光强度，K:比例常数，b:比色池厚度，c:溶液浓度注意：平行单色光均相介质无发射、散射或光化学反应当一束平行单色光垂直照射到样品溶液时，溶液的吸光摩尔吸光系数eA=e