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1、第四章紫外-可见分光光度法紫外一可见分光光度法（ultraviolet-visible spectrophotometry）是利用物质在紫外、可见光区的分子吸收光谱，对物质进行定性分析、定量分析及结构分析的方法。按所吸收光的波长区域不同，分为紫外分光光度法(60-400nm)和可见分光光度法(400-750nm)，合称为紫外一可见分光光度法。4.1原理4.1.1 紫外可见吸收光谱的产生E分子 = E电子 + E振动 + E转动分子中的电子发生跃迁需要的能量约在120eV之间，其对应的吸收光的波长范围大部分处于紫外和可见光区域，通常将分子在这一区域的吸收光谱称为电子光谱或紫外可见吸收光谱。吸收光
2、谱用不同波长的光依次透过待测物质，并测量物质对不同波长的光的吸收程度（吸光度），以波长为横坐标，吸光度为纵坐标作图，就可以得到该物质在测量波长范围内的吸收曲线。这种曲线体现了物质对不同波长的光的吸收能力，也称为吸收光谱。吸收曲线（吸收光谱 ）4.1.2 朗伯比尔定律朗伯比尔定律是光吸收的基本定律，它可表述为：当一束单色光穿过透明介质时，光强度的降低同入射光的强度、吸收介质的厚度、溶液的浓度成正比。用数学表达为：A = lg I0/I = k c lk值及单位与c和l采用的单位有关当l以cm，c以g/L为单位时，k称为吸光系数，用a表示，即： A = a c l当l以cm，c以mol/L为单位时
3、，k称为摩尔吸光系数，用表示，它比a更为常用，的单位为L mol-1 cm-1，即： A = c l当l以cm，c以百分浓度g/100mL为单位时，k称为比吸光系数，用A1cm1%表示 = 0.1 M A1cm1%用比吸光系数的表示方法特别适用于摩尔质量未知的化合物。在实际测量中，采用在另一等同的吸收池中放入溶剂与被分析溶液的透射强度进行比较，即：A = lg( I溶剂 / I溶液 ) lg ( I0/ I )吸光度具有加和性：A总 = A1 + A2 + An比尔定律应用的局限性：只适用于稀溶液、化学偏离、仪器偏离4.2紫外一可见分光光度计1. 光源功能：提供能量激发被测物质分子，使之产生电
4、子光谱谱带（提供宽带辐射）。连续光源：广泛应用在吸收和荧光光谱中(气体放电光源) 氘灯、氢灯紫外可见氩灯氙灯真空紫外真空紫外、紫外、可见钨丝灯、卤钨灯可见光(热辐射光源)区2. 单色器功能：从光源辐射的复合光中分出单色光。3. 吸收池功能：盛放分析试样（一般是液体）4. 检测器功能：检测光信号，测量单色光透过溶液后光强度变化的一种装置。5. 信号显示系统6. 紫外一可见分光光度计的类型(1) 单波长单光束分光光度计缺点：测量结果受电源波动的影响较大，误差较大。(2) 单波长双光束分光光度计优点：除了能自动扫描吸收光谱外，还可自动消除电源电压波动的影响，减小放大器增益的漂移。(3) 双波长分光光
5、度计优点：在有背景干扰或共存组分的吸收干扰的情况下，可以对某组分进行定量测定。还可以获得微分光谱和进行系数倍率法测定。(4) 多道分光光度计具有快速扫描的特点4.3化合物电子光谱的产生4.3.1 有机化合物的紫外一可见吸收光谱（一） 跃迁类型在紫外可见光区范围内，有机化合物的吸收带主要由 *、n *、 *和n *跃迁产生，其相对能量大小次序为： *n * *n *。n n n 有机化合物分子中电子跃迁的能量 *跃迁：分子中的成键电子跃迁到*反键轨道上去，这是一切饱和有机化合物都可能产生的电子跃迁类型。n *跃迁：分子中未成键的n电子激发到*轨道上去，所有含有杂原子的饱和烃衍生物都可发生这种跃迁
6、。含有 *、n *跃迁的化合物，如：饱和烷烃、卤代烷烃、醇、醚等是紫外可见吸收光谱测定时的良好溶剂。 *跃迁：可以发生在任何具有不饱和键的有机化合物分子中，其最大摩尔吸光系数max很大。n *跃迁：发生在含有杂原子的不饱和化合物中，其最大摩尔吸光系数max 比较小。电荷迁移跃迁：当外来辐射照射某些化合物时，电子从体系具有给予体特性的部分转移到该体系具有电子接受体特性的部分所发生的跃迁。其谱带较宽，吸收强度大，max 104。NR1R2R1R2+N-h电子接受体电子给予体CC+h电子接受体电子给予体ORR-O（二）常用术语1. 生色团：分子中可以吸收光子而产生电子跃迁的原子基团。（含有键的不饱和
7、基团）2. 助色团：有些基团本身没有生色作用，但却能增强生色团的生色能力，即它们与生色团相连时，会使其吸收带是最大吸收波长发生红移，并且增加其强度。通常是带有非键电子对的基团。3. 红移和紫移：吸收带的最大吸收波长发生移动，向长波方向移动称为红移，向短波方向移动称为紫移。（三）有机化合物的紫外、可见光谱1.2.饱和烃及其取代衍生物不饱和烃及共轭烯烃 *、n * *、 *3.4.5.羰基化合物 n *、 *和n *苯及其衍生物 E1带、 E2带、 B带稠环和杂环4.3.2 无机化合物的紫外一可见吸收光谱（一）电荷迁移跃迁某些分子同时具有电子给体特性的部分和电子受体特性的部分。当电子从给体外展轨道
8、向受体跃迁时就会产生较强的吸收，这样产生的光谱称为电荷迁移光谱。如在金属络合物中配位体具有电子给体的性质，金属离子为电子受体。电子从配位体轨道跃迁到中心原子的外层轨道，就可以产生电荷迁移光谱。（二）配位场跃迁1. f-f跃迁镧系和铜系元素的离子对紫外和可见光的吸收是基于内层f电子跃迁而产生的，其吸收光谱是由一些狭窄的特征吸收峰组成，且这些吸收峰不易受金属离子所处的配位环境的影响。2. d-d跃迁过渡金属离子的d轨道在受到配位体场的作用时产生分裂。d电子在能级不同的d轨道间跃迁，吸收紫外或可见光产生吸收光谱。这种光谱的吸收带比较宽，吸收峰强烈地受配位环境的影响。4.3.3影响吸收谱带的因素1.
9、分子结构的变化：（1）饱和化合物中引入生色团和助色团（2）配位体场的改变：八面体、四面体、正方平面等等（3）共轭效应和超共轭效应由于共轭后的电子的运动范围增大，跃迁所需的能量变小，所以由共轭作用产生的吸收峰波长值较大，同时吸收强度增大。共轭的不饱和健越多，红移现象就越显著。1,3丁二烯在己烷中的max = 217nm，max = 21,000；1,3,5己三烯在异辛烷中的max = 268nm，max = 43,000；1,3,5,7,9癸五烯在异辛烷中的max = 334nm，max = 121,000。（a）（b）max(b) max(a)（4）空间位阻通常情况下，反式异构空间位阻小于顺式
10、异构，其共轭体系共平面性比顺式结构好，跃迁能量较低，max较大。H3CCH3CH3CH32. 溶剂效应溶剂的极性由非极性改变到极性时，精细结构消失，吸收带变向平滑。改变溶剂的极性还会使最大吸收波长发生变化：当溶剂极性增大时，由n *跃迁产生的吸收带发生紫移，而由 *跃迁产生的吸收带发生红移。3. 温度温度增高，分子碰撞频率增加，谱带变宽，谱带精细结构消失(热变色效应)。4.4分析方法及其应用4.4.1 定性分析吸收光谱比较简单，特征性不强，并且大多数简单官能团在近紫外光区只有微弱吸收或无吸收，所以应用有一定局限性。但可用于鉴定共轭生色团，以此推断未知物的结构骨架，在配合其它结构分析方法时，是有
11、用的辅助方法。（一）定性方法1. 比较吸收光谱曲线：形状、峰数、max位置与相应的max。2. 用经验规则计算max，然后与实测值比较。（二）经验规则Woodward规则：计算共轭二烯、多烯烃、共轭烯酮类化合物 *跃迁最大波长。O+2+1母体环己酮215nm同环二烯39nm增加两个共轭双键 60nm一个烷基12nm一个环外双键5nm三个+烷基 54nm共计 385nmAcOABRC母体同环二烯253nm增加两个共轭双键 60nm三个环外双键五个取代烷基15nm25nm共计 353nm4.4.2定量分析（一）单组分定量方法1校正曲线法2标准对比法AS = k CS b AX = k CX bCX
12、 = CS AX / AS（二）多组分定量方法A1A+A2A+BB= 1Abc1A+ 1Bb c2B= 2Ab c1A+ 2Bbc2B【例】以分光光度法测定合金钢中的锰和铬。称取1.000g钢样，溶解后稀释至50.00mL，将其中的Cr氧化成Cr2O72-，Mn氧化成MnO4-，然后在440nm和545nm用1.0cm吸收池测得吸光度值分别为0.204和0.860。已知440Mn = 95.0 L.mol-1cm-1，440Cr =369.0 L.mol-1cm-1，545Mn = 2.35103L.mol-1cm-1， 545Cr = 11.0 L.mol-1cm-1。求此合金钢中Mn，Cr
13、的质量分数。(MMn=54.94 g.mol-1MCr=52.00 g.mol-1)【解】 根据吸光度的加合性列出联立方程：A440 = A440Mn + A440Cr =440Mn b cMn + 440Cr b cCrA545 = A545Mn + A545Cr =545Mn b cMn + 545Cr b cCr即0.204 = 95.0 1 cMn + 369.0 1 cCr0.860 = 2.35103 1 cMn + 11.0 1 cCr解得cMn = 3.6410-4 mol.L-1cCr = 4.5910-4 mol.L-1 100% = 0.10%3.64 104 50 10
14、3 54.941.000(Mn) = 100% = 0.24%4.59 104 50 103 52.00 21.000(Cr)=（三）双波长法1. 等吸收波长法A1 = A1A + A1BA2 = A2A + A2BA = A2 - A1= (A2A - A1A) + (A2B -A1B)由于A2B = A1BA = A2A - A1A = (2A - 1A) bcK 1K 2ABAB1 2K 2 AB2 K 1 AB1 = 0S = K 2 AA2 K 1 AA1该式表明，信号S只与被测组分的吸光度值有关。=K =2. 系数倍率法用差分放大器可获得混和试样在波长2和1处的差示信号SS = K
15、 2 A 2 K 1 A 1S = K 2 AA2 + K 2 AB2 K 1 AA1 K 1 AB13. 测定浑浊试样在双波长法测定中，若将2设在试样的吸收峰上， 1设在试样无特征吸收的波长上，此时， 1和2的背景吸收应相等。用双波长法测得两处吸光度的差值即可消除背景吸收，进行定量分析。（四）导数分光光度法对吸收光谱曲线进行一阶或高阶求导，即可得到各种导数光谱曲线。优点：1. 能够分辨两个或两个以上完全重叠或以很小波长差重叠的吸收峰2. 能够分辨吸光度随波长急剧上升时所掩盖的弱吸收峰3. 能够确认宽阔吸收带的最大吸收波长，分辨率随导数阶数的增加而增加，信噪比随着导数阶数的增加而减小。d d
16、定量分析：（可提高检测的灵敏度）A = bc，对波长 进行n次求导，只有A和是波长的函数，于是有：可见n次求导后，吸光度值仍与吸收物的浓度成正比。bcd n And n n=4.4.3 紫外一可见吸收光谱的应用1. 相对分子质量的测定M = mb/A m：样品重量在紫外、可见吸收光谱法中，只要化合物具有相同生色骨架，其吸收峰的max和max 几乎相同。因此，只要求出与待测物有相同生色骨架的已知化合物的值，就能求出欲测化合物的相对分子质量。2. 测定平衡常数例 用分光光度法测定以下反应的平衡常数ZnL22- 的max为480nm，该处的 max3.00103 L.mol-1.cm-1， Zn2和
17、L2在480nm处无吸收。用1.00cm的吸收池测得含2.30104mol L1 Zn2和5.0010-4mol L1L2溶液的吸光度为0.540。试计算平衡常数。Zn2+ + 2 L2 ZnL22ZnL Zn L )2= 1.84 108=1.80 10 45.00 10 5 (1.40 10 4222+ 2 2K解2 42 32+ 2 4 4 5 12+2 2 4 4 4 12则平衡常数为H3CCH2CCCH3OOHHOHOHH3CCCHCCH3OOH3. 结构分析例如，乙酰丙酮存在酮式和烯醇式两种异构体在极性溶剂水中，以酮式异构体为主，形成分子间氢键，max为277nm；在非极性溶剂己烷
18、中，以烯醇式异构体为主，形成分子内氢键，max为269nm。4. 氢键强度的测定例 丙酮 n * 的吸收带水（极性） 265.4 nm己烷 (非极性) 279.0 nm即452.96 kJ.mol-1即429.40 kJ.mol-氢键强度452.96 - 429.40 = 23.56 kJ.mol-1思考题1.简述紫外可见吸收光谱的产生。2.朗伯比尔定律及其数学表达。3.光源的主要作用是什么？4.各种类型紫外可见分光光度计的特点。5.有机化合物的吸收带主要由哪几类跃迁产生？6.影响吸收谱带的因素有哪些？7.用Woodward规则计算计算共轭二烯、多烯烃、共轭烯酮类化合物 *跃迁最大波长。8.多组分定量方法以及双波长法，导数法的特点9.紫外可见吸收光谱法的应用作 业1，8，9，10，16，17
