紫外-可见吸收光谱法

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1、分析化学教研室第十二章 紫外-可见吸收光谱法【知识目标】1 掌握：紫外-可见吸收光谱的产生及其特性，影响紫外-可见吸收光谱的因素。2熟悉：紫外-可见吸收光谱与分子结构的关系，电子跃迁类型和吸收带；定性分析方法，混合组分定量方法。3了解：电磁辐射和电磁波谱；光谱分析法的分类。【能力目标】1 识记：电磁辐射和电磁波谱，光谱分析法的分类；溶剂极性对紫外-可见吸收光谱的影响；仪器的类型；定性分析和纯度检查方法。2理解：紫外-可见吸收光谱的产生，电子跃迁类型和吸收带；仪器测量误差。3 应用：测量条件的选择；定性分析方法和纯度检查，混合组分定量测定方法。案例分析12-1紫外-可见吸收光谱法测定青霉素钠中杂

2、质限量青霉素钠又称青霉素，是临床治疗中常用的抗生素类药物。青霉素钠在生产过程中可 能引入过敏性杂质，如果不进行检查控制，在治疗使用时，若未对患者做过敏试验，就有 可能导致患者过敏性休克，甚至造成心衰死亡。因此，在生产青霉素钠过程中，必须对其 中杂质做限量和纯度检查。中国药典（2010年版二部）规定，用紫外-可见吸收光谱法测定青霉素钠中杂质限 量。该方法具有准确、灵敏、操作简单方便等优点。问题：1 什么是紫外-可见吸收光谱法？有何特点？2 紫外-可见吸收光谱法在药物分析及食品检验中有哪些应用？研究物质在紫外-可见光区（200 nm760 nm）分子吸收光谱的分析方法，称为紫外 可见吸收光谱法（u

3、ltraviolet - visible absorption spectroscopy , UV-vis ）。它广泛用于无机和 有机物质的定性和定量分析，在药物、食品中应用也较多。第一节光谱分析法概述一、电磁辐射和电磁波谱表12-1电磁波谱范围表光谱名称波长范围跃迁类型光谱类型Y射线10-103 nm核能级跃迁Y射线光谱、莫斯鲍尔光谱X射线10-10 nm内层电子能级跃迁X射线光谱远紫外区10 200 nm外层电子能级跃迁真空紫外光谱近紫外区200 400 nm价电子或成键电子跃迁紫外刀见吸收光谱、可见光区400 760 nm发射和荧光光谱近红外区0.762.5 gm分子振动能级跃迁红外光谱

4、、中红外区2.5 50 gm拉曼散射光谱分析化学教研室远红外区501000 gm分子转动能级及低能级振动跃迁微波区0.1 100 cm电子自旋及核自旋跃迁微波谱、电子自旋共振波谱射频区1 1000 m电子自旋及核自旋跃迁核磁共振光谱电磁辐射又称电磁波， 是以巨大速度通过空间、 不需要以任何物质作为传播媒介的一种 能量。电磁辐射具有波粒二象性，即波动性和粒子性。将电磁辐射按波长的长短顺序排列起来，称为电磁波谱。表12-1列出了各电磁波谱区的名称、波长范围、相应的能级跃迁类型及对应的光谱类型。二、光谱分析法的分类光学分析法分为非光谱法与光谱法。非光谱法是指不以光波长为特征讯号，仅利用物质与电磁辐射

5、的相互作用，测量电磁辐射的反射、折射、干涉、衍射和偏振等性质变化的分析方法。主要分析方法包括折射法、旋 光法、比浊法、X射线衍射法等。光谱法是基于电磁辐射能量与物质作用时，测定由物质内部发生量子化的能级之间跃迁而产生吸收、发射或散射的波长和强度，进行定性、定量和结构分析的方法。光谱法可分为吸收光谱法、发射光谱法等。由气态原子或离子的外层电子在不同能级间跃迁而产生的光谱，称为原子光谱(atomicspectrum)。由分子外层电子跃迁或分子内部振动转动能级跃迁而产生的光谱，称为分子光 谱(molecular spectrum)。(一) 吸收光谱法利用物质的特征吸收光谱进行分析的方法，称为吸收光谱

6、法 (absorption spectroscopy)。根据吸收光谱所在光谱区不同，吸收光谱法可分为X射线吸收光谱法、原子吸收光谱法、紫外一可见吸收光谱法、红外吸收光谱法和核磁共振波谱法等。本章主要讨论紫外-可见吸收光谱法。(二) 发射光谱法通过测量物质的特征发射光谱进行分析的方法，称为发射光谱法(emission spectroscopy)。根据发射光谱所在光谱区和激发方式不同，发射光谱法可分为 Y寸线光谱法、X射线荧光光谱法、原子发射光谱法、原子荧光光谱法、分子荧光光谱法和分子磷光光谱法第二节 紫外-可见吸收光谱与分子结构的关系紫外-可见吸收光谱法是基于分子外层价电子跃迁产生的吸收光谱进行

7、分析的方法。它 属于分子吸收光谱。分子在紫外 -可见区的吸收与其电子结构相关。一、紫外-可见吸收光谱的产生和电子跃迁(一)紫外-可见吸收光谱的产生分子具有电子能级、振动能级和转动能级，这些能级都是量子化。在每一电子能级上 E 电子、有许多间距较小的振动能级，在每一振动能级上又有许多更小的转动能级。若用分析化学教研室 E振、 E转分别表示电子能级、 振动能级、转动能级差，有厶E电子E振.AE转，如图12-1 所示。图中Sf弋表电子能级，、.代表振动能级，r代表转动能级，下标 0、1、2、代表相应能 级的基态、第一激发态、第二激发态、。分子吸收外来电磁辐射后，它的能量变化E为其振动能量变化AE振、

8、转动能量变化AE转 以及电子能量变化 E电子的总和，即E分子=振+. :E转+. ：E电子(12-1 )当用波长为 入（或频率.）的电磁照射分子，该分子的较高能级与较低能级之差 好等于该电磁波能量 h 时，即有(12-2).；E = .)E2 -AE! =hv =hC则该波长（或频率）的光被该物质选择性地吸收，价电子从基态跃迁到激发态。此时，在微 观上表现为分子由较低能级跃迁到较高能级。在宏观上则为体现物质吸收光。能电子转动対 能级却电子基态图12-1 双原子分子能级示意图若用连续的电磁辐射按波长大小顺序分别照射分子，记录物质分子对电磁辐射的吸收。分析化学教研室物质分子对辐射吸收程度随波长变化

9、的关系，称为分子吸收曲线，又称分子吸收光谱。分子中电子能级间能差约为 120 eV （相应的波长为1.25 z60nm）。因此，由电子能 级跃迁产生的吸收光谱，称为称为紫外-可见吸收光谱，又称为电子光谱（electro nicspectrum）。在电子能级跃迁过程中，还会伴随有振动能级和转动能级的跃迁，因而产生的一系列谱线连成的谱带。因此，紫外-可见吸收光谱实际上是电子 -振动-转动光谱。（二）电子跃迁类型紫外-可见吸收光谱是分子中价电子能级的跃迁产生的，因此，这种吸收光谱决定于分 子中价电子分布和结合情况。在有机化合物中有三种不同性质的价电子：形成单键的b电子、形成双键的n电子和未参与成键的

10、孤对电子n电子（或p电子）。根据分子轨道理论，这三种电子的能级顺序为：* *b n n nTb 冗 Tt n f冗n II彊轨逍x咸就轨追a试银轨ifi图12-2 电子能级及电子跃迁示意图1 . bio跃迁由单键构成的化合物，如饱和碳氢化合物，由于只有b电子，只能发生bib跃迁。bib 跃迁所需能量在所有跃迁类型中最大，所吸收的辐射波长最短，其吸收发生在远紫外区，波长小于200 nm。有机饱和烃中C C键属于这类跃迁，例如，甲烷的最大吸收波长Anax在 125nm，乙烷的最大吸收波长 Anax为135 nm。由于仅能产生bi*跃迁的物质在200 nm以上波长 没有吸收，故它们在紫外-可见吸收光

11、谱法中常用作溶剂。*2. nib跃迁含有未共用电子对的杂原子（N、S、0、P和卤素原子等）的饱和有机化合物，都含有 n电子，因此都可发生这种跃迁。实现这类跃迁所需要的能量较高，但比b i *跃迁所需能量小，ni b*跃迁比b i *跃迁所引起的吸收峰波长长，为150250 nm,大部分在远紫外区和分析化学教研室近紫外区。例如，CH3OH的吸收峰为183 nm , CH3NH2的吸收峰为213 nm。由n*跃迁产 生的吸收峰多为弱吸收峰，它们的摩尔吸光系数（帚ax） 一般在100300范围内，因而在紫外区有时不易观察到。3. n*跃迁（K带）含有n电子基团的不饱和烃、共轭烯烃和芳香烃类等有机物可

12、发生此类跃迁。n*跃迁所需能量比 d*跃迁小，与n跃迁差不多，吸收峰一般处于近紫外光区，在200nm附近，其特征是摩尔吸光系数大，一般知ax为104以上，属强吸收带。如乙烯（蒸气）的最大吸收波长?max为162 nm。若有共轭体系，冗宀*跃迁所需能量减少，波长向长波方向移动， 相当于200 nm700 nm 的紫外一可见光区。4. nn跃迁（R带）含有杂原子双键（如 C= O, N= O, C= S, N= N 等）的不饱和有机化合物可发 生这种跃迁。实现这种跃迁所需能量最小，因此其最大吸收波长一般出现在近紫外光区（200nm400 nm ）。由n宀冗跃迁产生的吸收带（R带）的特点是$nax小

13、，一般为10100。摩尔 吸光系数的差别显著，是区别n t *跃迁和nT n跃迁的方法之一。例如，乙醛分子中羰基n n 跃迁所产生的吸收带为290 nm,晁乂只有17。5. 电荷迁移跃迁所谓电荷迁移跃迁（charge tran sfer tran sition）是指用电磁辐射照射化合物时，电子从给予体向接受体相应的轨道上跃迁。所以，电荷迁移跃迁实质是内氧化-还原过程。所得到的吸收光谱称为电荷迁移吸收光谱。电荷迁移产生的吸收带指的是许多无机物（如碱金属卤化物）和某些由两类有机化合物混合而得的分子配合物。例如，某些取代芳烃可产生这种分子内电荷迁移跃迁吸收带。其特点是这种跃迁谱带较宽，吸收强度较大，

14、拆ax可大于104。6. 配位场跃迁配位场跃迁包括d-d跃迁和f-f跃迁。元素周期表中第四、五周期的过渡金属元素分别 含有3d和4d轨道，镧系和锕系元素分别含有4f和5f轨道。在配体存在下，过渡元素的五个能量相等的d轨道和镧系元素七个能量相等的f轨道分别，分裂成几组能量不等的 d轨道和f轨道。当它们的离子吸收光后，低能态的d电子或f电子可以分别跃迁至高能态的d或f轨道，这两类跃迁分别称为dY跃迁和f-f跃迁。由于这两类跃迁必须在配体的配位场作用下才可能发生，因此又称为配位场跃迁（ligand field transition ）。这种d -d跃迁所需能量较小，只需能量较小的可见光就可实现这一跃迁，它们的吸收峰多在可见光区，强度较弱（拆ax = 0.1100）。f-f跃迁带在紫外-可见光区。图12-3比较形象地表示出这几种常见吸收光谱在光谱区中的位置和大致强度。横坐标 是波长，纵坐标是吸光强度（用摩尔吸光系数lg知ax表示）。由图可知，n t抵迁引起的