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1、1,3-1 基本原理 3-2 Lambert-Beer定律 3-3 显色反应及其显色条件 3-3 紫外-可见分光光度计 3-4 分析方法,第3章 紫外-可见分光光度法 (Ultraviolet and Visible Spectrophotometry, UV-Vis),2,UV-Vis 是基于被测物质的分子对光（200800nm）具有选择吸收的特性而建立的分析方法。,3,UV-Vis方法是分子光谱方法，它利用分子对外来辐射的吸收特性。 UV-Vis涉及分子外层电子的能级跃迁；光谱区在160780nm. UV-Vis主要用于物质的定量分析，但紫外光谱(UV)为四大波谱之一，是鉴定许多化合物，尤
2、其是有机化合物的重要定性工具之一。,4,可见光,5,单色光、复合光、光的互补,单色光,复合光,光的互补,单一波长的光,由不同波长的光组合而成的光,若两种不同颜色的单色光按一定的强度比例混合得到白光，那么就称这两种单色光为互补色光，这种现象称为光的互补。,6,物质对光的吸收,物质的颜色与光的关系,完全吸收,完全透过,吸收黄色光,光谱示意,表观现象示意,复合光,7,1. 过程：运动的分子外层电子-吸收外来辐射-产生电子能级跃迁-分子吸收光谱。 2. 能级组成：,3-1 基本原理,一、分子吸收光谱的产生,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
3、动； （3）分子本身绕其重心的转动。,三种能级都是量子化的，且各自具有相应的能量。,8,分子的能量变化E为各种形式能量变化的总和： 其中Ee最大：1-20 eV; （紫外-可见） Ev次之：0.05-1 eV; （红外） Er最小：0.05 eV。（远红外） 可见，电子能级间隔比振动能级和转动能级间隔大12个数量级，在发生电子能级跃迁时，伴有振-转能级的跃迁，形成所谓的带状光谱。,Ee Ev Er,9,3. 吸收光谱,纯 电子能态 间跃迁,分子内电子跃迁,带状光谱,锐线光谱,10,不同物质结构不同或者说其分子能级的能量(各种能级能量总和)或能量间隔各异，因此不同物质将选择性地吸收不同波长或能量
4、的外来辐射，这是UV-Vis定性分析的基础。,11,物质对光的选择吸收,物质的电子结构不同，所能吸收光的波长也不同，这就构成了物质对光的选择吸收基础。,例：,A 物质,B 物质,同理，得：,1 eV = 1.610-19 J.,12,测量某物质对不同波长单色光的吸收程度，以波长（）为横坐标，吸光度（A）为纵坐标，绘制吸光度随波长的变化可得一曲线，此曲线即为吸收光谱。,(a) 联苯（己烷溶剂）；,一些典型的紫外光谱,(b) 苯（己烷溶剂）；,(c) 苯蒸汽；,(d) Na蒸汽。,吸收光谱的获得,电子-振动-转动光谱,13,据吸收曲线的特性(峰强度、位置及数目等)研究分子结构。,分子吸收光谱上可以
5、看到哪些特征呢？,14,吸收谷：吸收曲线上的谷称为吸收谷，所对应的波长称为最小吸收波长（min）。,末端吸收：在吸收曲线的200nm波长附近,吸收峰：吸收曲线上的峰称为吸收峰，所对应的波长称为最大吸收波长（max）。,肩峰：吸收峰上的曲折处称为肩峰(shoulder peak)，通常用sh表示。,15,吸收曲线的讨论：,同一种物质对不同波长光的吸光度不同。 不同浓度的同一种物质，其吸收曲线形状相似max不变。而对于不同物质，它们的吸收曲线形状和max则不同。,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。,16,讨论：,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
6、max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。 在max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。,17,18,分子基态的电子组态,1、用原子轨道线性组合法产生出各个分子轨道；,2、把电子加到每个分子轨道中去，在每个分子轨道中最多加进两个电子（Pauli原理），由此产生分子的电子组态 ；,3、把电子对加到最低能量轨道中去（建造原理），从而产生最低能量的电子组态（基态电子组态）,19,例：甲醛的分子轨道,电子基态,*,*,20,电子跃迁与电子激发态,甲醛的电子基态,电子跃迁类型,最低激发态和基态的电子组态,最低激发态和基态的电子
7、态,电子多重态,21,各轨道能级高低顺序： n*； 可能的跃迁类型：-*；-*；-*；n-*；-*； n-*,22,-*: C-H共价键, 如CH4(125nm)C-C键, 如C2H6(135nm)处于真空紫外区。 -* 和 -*: 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； n-*:含有孤对电子的分子, 如H2O(167nm), CH3OH(184nm), CH3Cl(173nm), CH3I(258nm), (CH3)2S (229nm), (CH3)2O (184nm), CH3NH2(215nm), (CH3)3N(227nm), 可见, 大多数波长仍小于200nm，
8、处于远紫外区。 以上四种跃迁都与成键和反键轨道有关(-*，-*，-*和n-*), 跃迁能量较高，这些跃迁所产生的吸收谱多位于真空紫外区，因而在此不加讨论。 只有-*和n-*两种跃迁的能量小，相应波长出现在近紫外区甚至可见光区，且对光的吸收强烈，是我们研究的重点。,23,无机物分子能级跃迁 （了解） 一些无机物也产生紫外-可见吸收光谱，其跃迁类型 包括 p-d 跃迁或称电荷转移跃迁以及 d-d, f-f 跃迁或称 配场跃迁。 1. 电荷转移跃迁 一些同时具有电子予体(配位体)和受体(金属离子)的无机分子，在吸收外来辐射时，电子从予体跃迁至受体所产生的光谱。 max 较大 (104以上)，可用于定
9、量分析。,24,2. 配场跃迁 过渡元素的 d 或 f 轨道为简并轨道，当与配位体配合时，轨道简并解除，d 或 f 轨道发生能级分裂，如果轨道未充满，则低能量轨道上的电子吸收外来能量时，将会跃迁到高能量的 d 或 f 轨道，从而产生吸收光谱。 吸收系数 max 较小 (102)，很少用于定量分析；多用于研究配合物结构及其键合理论。,25,26,小结,饱和有机化合物无UV-Vis； 电子跃迁类型与分子结构及存在基团有密切关系,分子结构,电子跃迁类型,max和电子跃迁类型,基团（结构鉴定）,根据,27,生色团（Chromogenesis group）： 分子中含有非键或键的电子体系，能吸收外来辐射
10、时并引起n-* 和-*跃迁，可产生此类跃迁或吸收的结构单元，称为生色团。 助色团（Auxochromous group） ： 含有孤对电子，可使生色团吸收峰向长波方向移动并提高吸收强度的一些官能团，称之为助色团。 红移或蓝移（Redshift or blueshift）： 在分子中引入的一些基团或受到其它外界因素影响，吸收峰向长波方向（红移）或短波方向移动（蓝移）的现象。 那么促使分子发生红移或蓝移的因素有哪些呢？,三、常用术语,28,四、吸收带（一）吸收带,1R带：由含杂原子的不饱和基团的n*跃迁产生 CO；CN；NN E小，max250400nm，max100,2K带：由共轭双键的 *跃迁
11、产生 (CHCH)n，CHCCO max 200nm，max104 共轭体系增长，max红移，max增大,29,3B带：由 *跃迁产生 芳香族化合物的主要特征吸收带 max =256nm，宽带，具有精细结构； max=200,4E带：由苯环环形共轭系统的 *跃迁产生 芳香族化合物的特征吸收带 E1 180nm max104 （常观察 不到） E2 200nm max=7000 强吸收 苯环有发色团取代且与苯环共轭时，E2带与K带合并一起红移（长移）,30,为什么同一种吸收带（不同化合物中的）形状、位置、强度不同呢？,31,（二）影响吸收带的主要因素,影响吸收带形状（位置）的因素有： 被测化合物
12、的结构 测定的状态 测定的温度 溶剂的极性。,影响吸收带强度的因素有： 能级差因素：能级差小，跃迁几率大； 空间位置因素：处在相同的空间区域跃迁几率大。,32,内因：1.共轭效应的影响,(1) 电子共轭体系增大，max红移， max增大,33,（3）位阻效应,顺反异构造成的立体障碍,顺式二苯乙烯 max 208 nm 反式二苯乙烯 max295.5nm,（2）超共轭效应,两个发色团产生共轭，可使吸收带长移。若立体障碍妨碍他们处于同一平面上，就会影响共轭效应。,烷基（-R）与共轭体系相连时， max红移，,空间阻碍使共轭体系破坏，max蓝移， max减小。, - 重叠,34,35,（4）跨环效应
13、,有些，不饱和酮中，虽然双键与酮基不产生 共轭，但由于适当的立体排列，使羰基氧的孤对 电子和双键的电子发生作用，以致相当于n * 的R带红移，吸收增强。,max =284nm,当C=O的轨道与一个杂原子的P轨道有效交盖时，也会出现跨环效应。,max =238nm,36,2.取代基的影响,在光的作用下，有机化合物都有发生极化的趋向，即能转变为激发态。当共轭双键的两端有容易使电子流动的基团(给电子基或吸电子基)时，极化现象显著增加。 （1）给电子基：带有未共用电子对的原子的基团，如-NH2, -OH等。未共用电子对的流动性很大，能够形成p-共轭，降低能量，max红移。 给电子基的给电子能力顺序为：
14、-N(C2H5)2-N(CH3)2-NH2-OH-OCH3 -NHCOCH3-OCOCH3-CH2CH2COOH-H （2）吸电子基：易吸引电子而使电子容易流动的基团，如：-NO2, -CO, -CNH等。共轭体系中引入吸电子基团，也产生电子的永久性转移，max红移。电子流动性增加，吸收强度增加。 吸电子基的作用强度顺序是：-N+(CH3)3-NO2-SO3H-COH-COO-COOH-COOCH3-Cl-Br-I （3）给电子基与吸电子基同时存在：产生分子内电荷转移吸收，max红移， max增加。,37,表3-5,38,外因 3.溶剂效应,溶剂极性的影响： 极性增大： n * 跃迁产生的吸收
15、峰短移 * 跃迁产生的吸收峰长移,例：溶剂极性对异丙叉丙酮的两种跃迁的影响,39,非极性溶剂中,极性溶剂中,非极性溶剂中,极性溶剂中,n,*,*,溶剂极性对两种跃迁的影响,E非E极,E非E极,n * 跃迁 * 跃迁,40,例如苯胺在酸性环境形成阳离子, n电子消失，氨基的助色作用消失；苯酚在碱性环境形成阴离子,呈现n电子。,4、体系pH的影响氢键的影响,max 210.5nm，270nm max 236nm，287nm max 6200 1450 max 9400 2600,max 230nm，280nm max 203nm，254nm max 8600 1470 max 7500 160,4
16、1,3-2 Lambert-Beer 定律,I0 = Ia + It + I r + Is 因此，在样品测量时必须同时采用参比池 扣除这些影响！,一、几个术语,I0,Ir,It,42,Transmittance T Absorbance A,43,光源,单色器,吸收池,检测器,显示,I0,It,参比,样品,未考虑吸收池和溶剂对光子的作用,注意比较,吸光度的测量方式相对测量法,44,二、Lambert-Beer 定律,1. 朗伯定律 A = K1 b 2. 比耳定律 A = K2 c 3. 朗伯-比耳定律 如果同时考虑溶液的浓度和液层的厚度都变化，都影响物质对光的吸收，则上述两个定律可合并为,此式为光吸收定律的数学表达式。,45,推导
