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1、第四章紫外可见光分光光度法4.1 概述 分光光度分析法是以物质对光的选择性吸收为基础的分析方法。根据物质所吸收光的波长范围不同，分光光度分析法又有紫外、可见及红外分光光度法。4.1.1 方法的特点1. 灵敏度高 通常，待测物质的含量1105时，能够用分光光度法准确测定。所以它主要用于测定微量组分。2. 应用广泛 几乎所有的无机离子和许多有机化合物可以用分光光度法进行测定。如土壤中的氮、磷以及植物灰、动物体液中各种微量元素的测定。3. 操作简便、迅速、仪器设备不太复杂 若采用灵敏度高、选择性好的有机显色剂，并加入适当的掩蔽剂，一般不经过分离即可直接进行分光光度法测定、其方法的相对误差通常为510
2、，其准确度虽不及重量分析法和容量法，但对于微量组分的测定，结果还是满意的。4.2.1颜色的产生4.2 4.2 吸光光度法的基本原理吸光光度法的基本原理光的波长(cm)、频率 (Hz) ，它们与光速c的关系是：4.2.2 光的基本性质光的基本性质 在真空介质中，光速为2.99791010cm/s。单个光子的能量E与上述三要素的关系是：E光子的能量，J；h普朗克常数（6.6251034Js）4.2.3 溶液颜色与光吸收的关系 光波是一种电磁波。电磁波包括无线电波、光波是一种电磁波。电磁波包括无线电波、光波是一种电磁波。电磁波包括无线电波、光波是一种电磁波。电磁波包括无线电波、微波、红外光、可见光、
3、紫外光、微波、红外光、可见光、紫外光、微波、红外光、可见光、紫外光、微波、红外光、可见光、紫外光、x x x x射线等。如果射线等。如果射线等。如果射线等。如果按照其频率或波长的大小排列，可见光只是电磁波按照其频率或波长的大小排列，可见光只是电磁波按照其频率或波长的大小排列，可见光只是电磁波按照其频率或波长的大小排列，可见光只是电磁波中一个很小的波段。见表中一个很小的波段。见表中一个很小的波段。见表中一个很小的波段。见表121212121 1 1 1有色物质的不同颜色是由于吸收了不同波长的光所致。溶液能选择性地吸收某些波长的光，而让其他波长的光透过，这时溶液呈现出透过光的颜色。透过光的颜色是溶
4、液吸收光的互补色。有色溶液对各种波长的光的吸收情况，常用光吸收曲线来描述。将不同波长的单色光依次通过一定的有色溶液，分别测出对各种波长的光的吸收程度（用字母A表示）。以波长为横坐标，吸光程度为纵坐标作图，所得的曲线称为吸收曲线或吸收光谱曲线。能复合成白光的两种颜色的光叫能复合成白光的两种颜色的光叫互互补色光。补色光。物质所显示的物质所显示的颜色是吸颜色是吸收光的互补色。收光的互补色。4.3光吸收基本定律当一束平行的单色光照射均匀的有色溶液时，光的一部分被吸收，一部分透过溶液，一部分被比色皿的表面反射。如果入射光的强度为I0，吸收光的强度为Ia，透过光的强度为It，反射光的强度为Ir，则: I
5、I0 0I Ia a I It t I Ir r 在吸光光度法中，由于采用同样质料的比色皿进行测量，反射光的强度基本上相同，其影响可以相互抵消，上式可简化为: I0Ia It 透过光的强度透过光的强度I It t与入射光的强度与入射光的强度I Io o之比称为之比称为透透光度或透光率光度或透光率，用，用T T表示。表示。 T T T T I I I It t t t/Io/Io/Io/Io一束单色光通过溶液后，由于一束单色光通过溶液后，由于溶液吸收了一部分光能，光的强溶液吸收了一部分光能，光的强度就要减弱。度就要减弱。若溶液的浓度不变，若溶液的浓度不变，液层越厚，透过光的强度越小，液层越厚，透
6、过光的强度越小，光线减弱的程度越大光线减弱的程度越大。如果将液层分成许多无限小的如果将液层分成许多无限小的相等的薄层，其厚度为相等的薄层，其厚度为dbdb。则。则dIdI应与应与dbdb及及I I成正比，即成正比，即dIdI IdbIdb，从而，从而，dIdI/I=k/I=k1 1dbdb，积分此式，积分此式，得：得： 1.1.朗伯定律朗伯定律将上式变成常用对数，得上式称为朗伯定律。如用A=lg(I0/It)或lg(1/T),则A称为吸光度。例1.有一单色光通过厚度为1cm的有色溶液,其强度减弱20%。若通过5cm厚度的相同溶液,其强度减弱百分之几?解：lgT1 c1 = , lgT2 5c1
7、 lglgT T2 2 = 5lg= 5lgT T1 1= 5= 5lg0.80 = - 0.485lg0.80 = - 0.485 T2=32.7%,即减弱67.3% 当一束单色光通过液层厚度一定的溶液时，当一束单色光通过液层厚度一定的溶液时，当一束单色光通过液层厚度一定的溶液时，当一束单色光通过液层厚度一定的溶液时，溶液的浓度愈大，光线强度减弱愈显著。若有色溶液的浓度愈大，光线强度减弱愈显著。若有色溶液的浓度愈大，光线强度减弱愈显著。若有色溶液的浓度愈大，光线强度减弱愈显著。若有色溶液的浓度增加溶液的浓度增加溶液的浓度增加溶液的浓度增加dcdcdcdc，入射光通过溶液后，强度的入射光通过溶
8、液后，强度的入射光通过溶液后，强度的入射光通过溶液后，强度的减弱减弱减弱减弱- - - -dIdIdIdI与人射光强度与人射光强度与人射光强度与人射光强度I I I I及及及及dcdcdcdc成正比，成正比，成正比，成正比， 即即即即- - - -dIdIdIdI=k=k=k=k3 3 3 3IdcIdcIdcIdc，或，或，或，或 - - - -dIdIdIdI/I=k/I=k/I=k/I=k3 3 3 3dcdcdcdc，积分，可得到积分，可得到积分，可得到积分，可得到: : : :通常称比耳定律。2.2.比耳定律比耳定律 例例2.2.一符合比尔定律的有色溶液，当浓度为一符合比尔定律的有色
9、溶液，当浓度为c c时，透时，透射比为射比为T T，若其它条件不变，浓度为若其它条件不变，浓度为c/3c/3时，时，T T为为_，浓度为，浓度为2c2c时，时，T T为为_。 解解: :T1/3 T2 这说明浓度与透射比透射比T T 的是指数关系。的是指数关系。3 3朗伯一比耳定律朗伯一比耳定律如果溶液浓度和液层厚度都是可变的，就要如果溶液浓度和液层厚度都是可变的，就要同时考虑溶液浓度同时考虑溶液浓度c c和液层厚度和液层厚度b b对吸光度的影响。对吸光度的影响。为此，将为此，将朗伯和比耳公式朗伯和比耳公式和合并，得到和合并，得到即通常所称的朗伯一比耳定律。4吸光系数、摩尔吸光系数在在朗伯朗伯
10、- -比耳比耳公式，公式，k k值决定于值决定于c c，b b所用的单位，所用的单位，它与入射光的波长及溶液的性质有关。当浓度它与入射光的波长及溶液的性质有关。当浓度c c以以gLgL-1-1、液层厚度液层厚度b b以以cmcm表示时，常数表示时，常数k k是以是以a a表示，表示，此时称为此时称为吸光系数吸光系数，单位为，单位为LgLg-1-1cmcm-1-1。朗伯朗伯比耳比耳公式可表示为公式可表示为: :Aabc若若b b以以 cmcm为单位，为单位，c c以以 molLmolL-1-1为单位时，则将为单位时，则将k k称为称为摩尔吸光系数摩尔吸光系数，以符号，以符号表示，其单位为表示，其
11、单位为LmolLmol-1-1cmcm-1-1。 的物理意义表达了当吸光物质的物理意义表达了当吸光物质的浓度为的浓度为1molL1molL-1-1，液层厚度为液层厚度为1cm1cm时溶液的吸光时溶液的吸光度。在这种条件下上式可改写为度。在这种条件下上式可改写为: : A=bc摩尔吸光系数是有色化合物的重要特性。 愈大，表示该物质对某波长的光吸收能力愈强，因而光度测定的灵敏度就越高。 的值，不能直接取1mol/L 这样高浓度的有色溶液来测量，而只能通过计算求得。由于溶液中吸光物质的浓度常因离解、聚合等因素而改变。因此，计算 时，必须知道溶液中吸光物质的真正浓度。但通常在实际工作中，多以被测物质的
12、总浓度计算，这样计算出的 值称为表观摩尔吸光系数。文献中所报道的 值就是表观摩尔吸光系数值。4.4 4.4 光度分析的方法和仪器光度分析的方法和仪器 4.4.1 4.4.1 光度分析的方法光度分析的方法 1.1.目视比色法目视比色法 用眼睛观察、比较溶液颜色深度以确定物质用眼睛观察、比较溶液颜色深度以确定物质含量的方法称为目视比色法。将一系列含量的方法称为目视比色法。将一系列不同量的标不同量的标准溶液准溶液依次加入各比色管中，再分别加入依次加入各比色管中，再分别加入等量的显等量的显色剂色剂和其他试剂，并控制其他实验条件相同，最后和其他试剂，并控制其他实验条件相同，最后稀释至同样体积，配成一套颜
13、色逐渐加深的标准色稀释至同样体积，配成一套颜色逐渐加深的标准色阶。将一定量的被测溶液置于另一比色管中，在同阶。将一定量的被测溶液置于另一比色管中，在同样条件下进行显色，并稀释至同样体积，从管口垂样条件下进行显色，并稀释至同样体积，从管口垂直向下（有时由侧面）观察颜色。如果被测溶液与直向下（有时由侧面）观察颜色。如果被测溶液与标准系列中某溶液的颜色相同，则被测溶液的浓度标准系列中某溶液的颜色相同，则被测溶液的浓度就等于该标准溶液的浓度。如果被测试液浓度介于就等于该标准溶液的浓度。如果被测试液浓度介于相邻两种标准溶液之间，则试液的浓度就介于这两相邻两种标准溶液之间，则试液的浓度就介于这两个标准溶液
14、浓度之间。个标准溶液浓度之间。2标准曲线法 根据朗伯比耳定律，保持根据朗伯比耳定律，保持液层厚度，入射光波长和其它测液层厚度，入射光波长和其它测量条件不变，则在一定浓度范围量条件不变，则在一定浓度范围内，所测得吸光度与溶液中待测内，所测得吸光度与溶液中待测物质的浓度成正比。因此，配制物质的浓度成正比。因此，配制一系列已知的具有不同浓度的标一系列已知的具有不同浓度的标准溶液，分别在选定波长处测其准溶液，分别在选定波长处测其吸光度吸光度A A，然后以标准溶液的浓然后以标准溶液的浓度度c c为横坐标，以相应的吸光度为横坐标，以相应的吸光度A A为纵坐标，绘制出为纵坐标，绘制出A Ac c关系曲线。关
15、系曲线。如果符合光的吸收定律，则可获如果符合光的吸收定律，则可获得一条直线，称为得一条直线，称为标准曲线或称标准曲线或称工作曲线工作曲线。在相同条件下测量样。在相同条件下测量样品溶液的吸光度，就可以从标准品溶液的吸光度，就可以从标准曲线上查出样品的浓度。曲线上查出样品的浓度。Ac标准工作曲线标准工作曲线标准工作曲线标准工作曲线3.加入标准法所谓的加入标准法，即在一定浓度的试样溶液测定吸光度A0后，加入合适浓度的标准溶液，再测吸光度A1，或再加几次标准溶液，得A2,A3吸光度，计算或作图外推求试样浓度的方法。即：A0=kC样；A1=k(C样C标）混合设试样体积为V0;加入的标准溶液体积为V标，则
16、：A1=k(C样V0+C标V标)/(V0+V标），联解方程可求出C样。或用A对C标作图，外推求出C样。4.二元混合组分的测定混合溶液里两组分的测定混合溶液里两组分的测定有如图有如图12125 5的三种情况：的三种情况：（a a）若）若1 1和和2 2两组分的最大吸收峰互不重合，而且在两组分的最大吸收峰互不重合，而且在1 1组分的最大吸收波长组分的最大吸收波长 1 1处，处，2 2组分没有吸收；或在组分没有吸收；或在2 2组组分的最大吸收波长分的最大吸收波长 2 2处，处，1 1组分无吸收。这样比较简单，组分无吸收。这样比较简单，按单组分测定方法测按单组分测定方法测1 1和和2 2两组分即可。两
17、组分即可。（b b）若）若1 1和和2 2组分在混合溶液中的吸光光谱曲线如图组分在混合溶液中的吸光光谱曲线如图12125(b)5(b)所示，则当所示，则当1 1和和2 2混合在一起时，在混合在一起时，在1 1组分的最组分的最大吸收波长处，大吸收波长处，2 2组分无吸收，所以只需在组分无吸收，所以只需在 1 1处测定处测定1 1组组分。但在分。但在 2 2处所测定吸光度是处所测定吸光度是1 1和和2 2的总吸收，因此必须的总吸收，因此必须事先测得事先测得1 1组分在组分在 2 2的的 ，先从先从 1 1测出测出1 1组分，再从叠加组分，再从叠加处得的和量中减去组分处得的和量中减去组分1 1。(c
18、)这种情况比较复杂，要解一个一元二次方程。4.4.2 4.4.2 分光光度计分光光度计A 原理光栅光栅和棱和棱镜分镜分光原光原理理B.B.分光光度计的类型分光光度计的类型双光束光度计动画示意双波长光度计光路示意图 单波长单光束分光光度计有国产751型、XG-125型、英国SP500型和伯克曼DU-8型等。单波长双光束分光光度计有国产710型、730型、740型、日立UV-340型等就属于这种类型。 双波长分光光度计的优点：是可以在有背景干忧或共存组分吸收干忧的情况下对某组分进行定量测定。 国产WFZ800-5型、岛津UV-260型、UV-265型等。 4.5 4.5 分光光度法的应用分光光度法
19、的应用2.5.1 2.5.1 定性鉴定定性鉴定2.5.2 2.5.2 定量测定微量成份定量测定微量成份分光光度法被广泛的应用在各个领分光光度法被广泛的应用在各个领域，环境、医药、石油等测定无机、域，环境、医药、石油等测定无机、有机微量成份。由于操作简单，仪器有机微量成份。由于操作简单，仪器廉价，一般说是常用的首选方法。廉价，一般说是常用的首选方法。4.6 紫外吸收光谱分析法紫外吸收光谱分析法4.6.1 4.6.1 分子吸收光谱与电子跃迁分子吸收光谱与电子跃迁分子吸收光谱与电子跃迁分子吸收光谱与电子跃迁 分子和原子一样，也有它的特征分子能分子和原子一样，也有它的特征分子能级级 。分子内部的运动可
20、分为价电子运动，分子。分子内部的运动可分为价电子运动，分子内原子在平衡位置附近的振动和分子绕其重心内原子在平衡位置附近的振动和分子绕其重心的转动。因此分子具有电子能级、振动能级和的转动。因此分子具有电子能级、振动能级和转动能级。转动能级。 分子的能量分子的能量 E 等于下列三项之和：等于下列三项之和： E=Ee+Ev+Er 分子从外界吸收能量后，就能引起分子分子从外界吸收能量后，就能引起分子能级的跃迁，即从基态能级跃迁到激发态能级。能级的跃迁，即从基态能级跃迁到激发态能级。分子吸收能量具有量子化的特征，即分子只能分子吸收能量具有量子化的特征，即分子只能吸收等于两个能级之差的能量：吸收等于两个能
21、级之差的能量： E=EE=E2 2-E-E1 1=h=h=hc/ 电子能级转动能级振动能级4.64.6紫外吸收光谱分析法紫外吸收光谱分析法波长波长1010400nm400nm为紫外光，为紫外光，1010200nm200nm为远紫外为远紫外光，光，200200400nm400nm为近紫外光。为近紫外光。4.6.1 4.6.1 分子吸收光谱与电子跃迁分子吸收光谱与电子跃迁分子吸收光谱与电子跃迁分子吸收光谱与电子跃迁 有机化合物的紫外有机化合物的紫外可见吸收光可见吸收光谱，是其分子中外层价电子跃迁的结果谱，是其分子中外层价电子跃迁的结果（三种）（三种）电子、电子、电子、电子、n电子。电子。 外层电子
22、吸收紫外或可见辐射后，外层电子吸收紫外或可见辐射后，就从基态向激发态就从基态向激发态(反键轨道反键轨道)跃迁。主跃迁。主要有四种跃迁所需能量要有四种跃迁所需能量大小顺序为大小顺序为n n 200nm的光的光)，但当它们与生色团相连，但当它们与生色团相连时，就会发生时，就会发生n共轭作用，增强生色团的生色能共轭作用，增强生色团的生色能力力(吸收波长向长波方向移动，且吸收强度增加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。这样的基团称为助色团。红移与蓝移红移与蓝移有机化合物的吸收谱带常有机化合物的吸收谱带常常因引入取代基或改变溶常因引入取代基或改变溶剂使最大吸收波长剂使最大吸收
23、波长max和吸收强度发生变化和吸收强度发生变化: max向长波方向移动向长波方向移动称为称为红移红移，向短波方向移，向短波方向移动称为动称为蓝移蓝移 (或紫移或紫移)。吸。吸收强度即摩尔吸光系数收强度即摩尔吸光系数增增大或减小的现象分别称为大或减小的现象分别称为增色效应或减色效应，如增色效应或减色效应，如图所示。图所示。有机化合物的吸收带吸收带(absorption band): 在紫外光谱中，吸收峰在光谱中的波带位置。根据电子及分子轨道的种类，可将吸收带分为四种类型。(1) R吸收带（基团）(2) K吸收带(共轭作用)(3) B吸收带（苯）(4) E吸收带（苯环上三个共轭键）溶溶 剂剂 效效
24、 应应紫外吸收光谱中常用己烷、庚烷、环己烷、二氧紫外吸收光谱中常用己烷、庚烷、环己烷、二氧杂己烷、水、乙醇等作溶剂。有些溶剂，特别是极杂己烷、水、乙醇等作溶剂。有些溶剂，特别是极性溶剂对溶质吸收峰的波长、强度及形状可能产生性溶剂对溶质吸收峰的波长、强度及形状可能产生影响，这种现象称溶剂效应。例如，异丙叉丙酮影响，这种现象称溶剂效应。例如，异丙叉丙酮的溶剂效应见下表所示。的溶剂效应见下表所示。4.6.4 4.6.4 在有机化合物分析中的应用在有机化合物分析中的应用1定性鉴定 不同的有机化合物具有不同的吸收光谱。因此根据化合物的特征吸收峰波长和强度可以进行物质的鉴定。 2定量测定 许多有机物不仅在
25、紫外光区有特征吸收且在测定浓度范围内符合朗伯比耳定律，因而可以进行定量测定。 3 3有机物的结构分析有机物的结构分析 一个复杂的有机化合物的结构式不能单从紫一个复杂的有机化合物的结构式不能单从紫外光谱来确定，必须与红外、核磁共振、质谱及外光谱来确定，必须与红外、核磁共振、质谱及化学分析等方法的综合解析才能完成。紫外光谱化学分析等方法的综合解析才能完成。紫外光谱的主要作用是推测分子中是否有某种功能团，说的主要作用是推测分子中是否有某种功能团，说明结构中的共轭关系，不饱和有机物的结构骨架明结构中的共轭关系，不饱和有机物的结构骨架及化合物的异构情况等。及化合物的异构情况等。4 4分子量的测定分子量的
26、测定 物质的吸收光谱反映了物质分子中所含有的物质的吸收光谱反映了物质分子中所含有的生色基团。对于具有相同生色基团的不同物质，生色基团。对于具有相同生色基团的不同物质，若配制成同样浓度的溶液则分子量越大者，生若配制成同样浓度的溶液则分子量越大者，生色基因所占的比例越小，吸收强度就越小；反之色基因所占的比例越小，吸收强度就越小；反之 ，分子量越小者，生色基因所占的比例越大，吸，分子量越小者，生色基因所占的比例越大，吸收强度就越大。根据这个原理可测定有机物的分收强度就越大。根据这个原理可测定有机物的分子量。子量。习题1 1、 （CHCH3 3）3 3N N能发生能发生nn* *跃迁，其跃迁，其max
27、max为为227nm227nm（=900=900LcmLcm-1-1molmol-1-1），试问，若在酸中测定时，该峰会怎样变化），试问，若在酸中测定时，该峰会怎样变化？为什么？为什么？2 2、 试估计下列化合物中，何者吸收的光波最长？何者最短试估计下列化合物中，何者吸收的光波最长？何者最短？为什么？为什么？3 3、苯基化氧有两种异构形式存在：、苯基化氧有两种异构形式存在：CHCH3 3C(CHC(CH3 3) )CHCHCOCOCHCH3 3(I)(I)和和 CHCH2 2C(CHC(CH3 3) )CHCH2 2COCHCOCH3 3(II)(II)一个在一个在235nm235nm处有最大
28、吸收，处有最大吸收，maxmax为为1200012000，另一个在，另一个在220nm220nm以外无高强吸收，鉴别各属于哪一个异构体。以外无高强吸收，鉴别各属于哪一个异构体。4 4、在下列信息的基础上，说明各属于哪种异构体：、在下列信息的基础上，说明各属于哪种异构体： 异构体的吸收峰在异构体的吸收峰在228nm228nm（=14000=14000），而），而 异构异构体在体在296nm296nm处有一吸收带（处有一吸收带（ 1100011000）。这两种结）。这两种结构是：构是： 55、某化合物的、某化合物的maxmax（己烷）（己烷）305nm305nm，其中，其中maxmax（乙醇）（乙醇）307nm307nm，试问，该吸收是由，试问，该吸收是由nn* *还是还是* *跃迁引起？跃迁引起？ 6、下列两个化合物能否用紫外光谱区别？
