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1、 第第4章章 紫外紫外-可见光分光光度法可见光分光光度法 Ultraviolet and Visible spectrophotometry UV-Vis10-2 nm 10 nm 102 nm 104 nm 0.1 cm 10cm 103 cm 105 cm 射射线线x射射线线紫外紫外光光红外红外光光微微波波无线无线电波电波可可 见见 光光1 光谱概述光谱概述光谱的划分光谱的划分光谱的划分光谱的划分波谱区波谱区波谱区波谱区 - -射线射线射线射线波长波长波长波长5140 5140 pmpm跃迁类型跃迁类型跃迁类型跃迁类型核能级核能级核能级核能级X-X-射线射线射线射线远紫外光远紫外光远紫外光
2、远紫外光1010- -3 310nm10nm10200n10200nmm原子内层电子原子内层电子原子内层电子原子内层电子近紫外光近紫外光近紫外光近紫外光可见光可见光可见光可见光200400nm200400nm400750nm400750nm原子外层电子原子外层电子原子外层电子原子外层电子/ /分子成键电子分子成键电子分子成键电子分子成键电子波谱区波谱区波谱区波谱区近红外光近红外光近红外光近红外光中红外光中红外光中红外光中红外光波长波长波长波长0.752.50.752.5 mm2.5502.550 mm跃迁类型跃迁类型分子振动分子振动远红外光远红外光远红外光远红外光微波微波微波微波射频射频射频射
3、频501990501990 mm0.1100c0.1100cmm1100 m1100 m分子转动分子转动电子、核自旋电子、核自旋1 紫外紫外-可见光分光光度法可见光分光光度法 基于物质的分子对可见和紫外区域辐射的吸收基于物质的分子对可见和紫外区域辐射的吸收而进行分析的方法而进行分析的方法, ,广泛用于无机物和有机化合物广泛用于无机物和有机化合物的定性、定量分析。的定性、定量分析。 紫外紫外- -可见吸收光谱波长范围可见吸收光谱波长范围 (1)(1)远紫外光区远紫外光区( (真空紫外区真空紫外区):): 100-200nm 100-200nm (2)(2)近紫外光区近紫外光区: 200-400n
4、m: 200-400nm(3)(3)可见光区可见光区: 400-800nm: 400-800nm1.1 分子吸收光谱的产生分子吸收光谱的产生1. 物质分子内部三种运动形式：物质分子内部三种运动形式： （1）电子相对于原子核的运动；）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；）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。）分子本身绕其重心的转动。2. 对应三种能级：对应三种能级：电子能级电子能级、振动能级振动能级和和转动能级转动能级 能量能量: 电子能量电子能量Ee 、振动能量振动能量Ev 、转动能量转动能量Er 而且而且: e v r 分子能量分子
5、能量: EEe+Ev+Er（1）电子能级电子能级: 电子的跃迁能约为电子的跃迁能约为1-20 eV，比分子振动能，比分子振动能级差要大几十倍，所吸收光的波长约为级差要大几十倍，所吸收光的波长约为12.5 - 0.06 m，主要在真空紫外到可见光区，对应形成的光谱，称为主要在真空紫外到可见光区，对应形成的光谱，称为电子电子光谱或紫外、可见吸收光谱光谱或紫外、可见吸收光谱(2(2）振动能级振动能级: :分子的振动能级差一般在分子的振动能级差一般在0.05 - 1 eV0.05 - 1 eV，需需吸吸收收波波长长约约为为25 25 -1.25-1.25 m m的的红红外外光光才才能能产产生生跃跃迁迁
6、。在在分分子子振振动动时时同同时时有有分分子子的的转转动动运运动动。这这样样，分分子子振振动动产产生生的吸收光谱中，包括转动光谱，故常称为的吸收光谱中，包括转动光谱，故常称为振振- -转光谱转光谱。讨论：讨论：（3 3）转转动动能能级级: :转转动动能能级级间间的的能能量量差差r r：0.0050.005 0.050eV0.050eV，产产生生此此能能级级的的跃跃迁迁，需需吸吸收收波波长长约约为为250-250-2525 m m的的远远红红外外光光, ,吸吸收收光光谱谱位位于于远远红红外外区区。形形成成的的光光谱谱称为称为远红外光谱或分子转动光谱远红外光谱或分子转动光谱； 1.2 1.2 电子
7、跃迁类型电子跃迁类型 根据分子轨道理论，根据分子轨道理论，有机分子的分子轨道按能有机分子的分子轨道按能级不同，分为成键、非键级不同，分为成键、非键和反键轨道；成键轨道或和反键轨道；成键轨道或反键轨道又有反键轨道又有键和键和键键之分。各级轨道能级如图之分。各级轨道能级如图所示：所示：* * * *P Px x P Py y P Pz zP Px x P Py y P Pz z* * * * n n * * n n * * * * * * n n哪些类型分子有紫外吸收？哪些类型分子有紫外吸收？（1 1）* * 跃迁跃迁 指处于成键轨道上的指处于成键轨道上的电子吸收光电子吸收光子后被激发跃迁到子后被
8、激发跃迁到* *反键轨道反键轨道 饱和烃类饱和烃类C-CC-C键键（2 2）nn* * 跃迁跃迁 指分子中处于非键轨道上的指分子中处于非键轨道上的n n电子吸电子吸收能量后向收能量后向* *反键轨道的跃迁反键轨道的跃迁 含孤电子对杂原子饱和基团含孤电子对杂原子饱和基团（-OH-OH，-NH-NH2 2）（3 3）* * 跃迁跃迁 指不饱和键中的指不饱和键中的电子吸收光波能电子吸收光波能量后跃迁到量后跃迁到* *反键轨道。反键轨道。 不饱和基团不饱和基团（C CC C，C C O O ） （4 4）nn* * 跃迁跃迁 指分子中处于非键轨道上的指分子中处于非键轨道上的n n电子吸电子吸收能量后向
9、收能量后向* *反键轨道的跃迁。反键轨道的跃迁。 含孤电子对杂原子不饱和基团含孤电子对杂原子不饱和基团（-CN-CN，C CO)O)电子跃迁所处的波长范围电子跃迁所处的波长范围吸收能量的次序为：吸收能量的次序为： *n*n*在近紫外区和可见区有吸收的物质需具备不饱和结构。在近紫外区和可见区有吸收的物质需具备不饱和结构。2.3 2.3 基本概念基本概念（1 1）生生色色团团: : 分分子子中中能能吸吸收收紫紫外外光光或或可可见见光光的的结结构构系系统统叫叫做做生生色色团团或或色色基基。象象C=CC=C、C=OC=O、CCCC等等都都是是生生色色团。团。（2 2）助助色色团团: : 有有些些原原子
10、子或或基基团团，本本身身不不能能吸吸收收波波长长大大于于200nm200nm的的光光波波，但但它它与与一一定定的的基基团团相相连连时时，则则可可使使该该基基团团所所产产生生的的吸吸收收峰峰向向长长波波长长方方向向移移动动。并并使吸收强度增加，这样的原子或基团叫做助色团。使吸收强度增加，这样的原子或基团叫做助色团。 特点：特点：助色团一般是带有助色团一般是带有p电子电子(非键电子对非键电子对)的基团的基团。例如：例如： （3）长移和短移长移和短移 (红移和蓝移红移和蓝移) 长长移移:某某些些有有机机化化合合物物因因反反应应引引入入含含有有非非键键电电子子对对的的基基团（助色团）使吸收峰向长波长移
11、动的现象称为团（助色团）使吸收峰向长波长移动的现象称为 长移或红移长移或红移，这些基团称为向红基团；，这些基团称为向红基团； 短移短移:使吸收峰向短波长移动的现象称为使吸收峰向短波长移动的现象称为短移或蓝移，短移或蓝移， 引起蓝移效应的基团称为向蓝基团。引起蓝移效应的基团称为向蓝基团。 1.4 分子结构与紫外吸收光谱1. 饱和烃化合物饱和烃化合物 饱和烃类化合物只含有单键（饱和烃类化合物只含有单键（键），只键），只能产生能产生* * 跃迁，由于电子由跃迁，由于电子由被跃迁至被跃迁至* *反键所需的能量高，吸收带位于真空紫外反键所需的能量高，吸收带位于真空紫外区，如甲烷和乙烷的吸收带分别在区，如
12、甲烷和乙烷的吸收带分别在125nm125nm和和135nm135nm。 2. 简单的不饱和化合物 不不饱饱和和化化合合物物由由于于含含有有键键而而具具有有* 跃跃迁迁，* 跃跃迁迁能能量量比比*小小，但但对对于于非非共共轭轭的的简简单单不不饱饱和和化化合合物物跃跃迁迁能能量量仍仍然然较较高高，位位于于真真空空紫紫外外区区。最最简简单单的的乙乙烯烯化化合合物物，在在165nm处处有有一一个个强强的的吸吸收收带，近紫外区仍然检测不到。带，近紫外区仍然检测不到。 当当烯烯烃烃双双键键上上引引入入助助色色基基团团时时，* 吸吸收收将将发发生生红红移移，甚甚至至移移到到紫紫外外光光区区。原原因因是是助助
13、色色基基团团中中的的n电电子子可可以以使使* 跃跃迁迁能能量量降降低低，烷烷基基可可产产生生超超共共轭轭效效应应，也也可可使使吸吸收收红红移移，不不过这种助色作用很弱。过这种助色作用很弱。 3. 共轭双烯共轭双烯 在在不饱和烃类分子中，当有两个以上的双键不饱和烃类分子中，当有两个以上的双键共轭共轭时，随着共轭系统的时，随着共轭系统的延长延长， *跃迁的吸收跃迁的吸收带带 将将明显明显向向长波长波方向方向移动移动，吸收强度也随之，吸收强度也随之增强增强。共轭双键共轭双键愈多愈多，红移，红移愈显著愈显著，甚至产生颜色。基，甚至产生颜色。基本可在近紫外和可见光区检测得到。本可在近紫外和可见光区检测得
14、到。 羰羰基基化化合合物物含含有有 C=O基基团团。 C=O基基团团主主要要可可产产生生*、 n* 、n*三三个个吸吸收收带带， 落落于于近紫外或可见光区近紫外或可见光区. 醛醛、酮酮、羧羧酸酸及及羧羧酸酸的的衍衍生生物物，如如酯酯、酰酰胺胺等等，都都含含有有羰羰基基。由由于于醛醛酮酮这这类类物物质质与与羧羧酸酸及及羧羧酸酸的的衍衍生生物物在在结结构构上上的的差差异异，因因此此它它们们n*吸吸收收带带的的光光区稍有不同。区稍有不同。4. 羰基化合物羰基化合物5. 芳香族化合物芳香族化合物 芳芳香香族族化化合合物物在在近近紫紫外外区区显显示示特特征征的的吸吸收收光谱。光谱。 1.5 1.5 紫外
15、紫外- -可见吸收曲线可见吸收曲线 紫外吸收光谱以波长紫外吸收光谱以波长（nmnm）为横坐标，以吸光）为横坐标，以吸光度度A A或吸收系数或吸收系数为纵坐标。见下图，为纵坐标。见下图， 光谱曲线中最大吸收峰所对应的波长相当于跃迁光谱曲线中最大吸收峰所对应的波长相当于跃迁时所吸收光线的波长称为时所吸收光线的波长称为maxmax,.,.紫外紫外可见吸收曲线可见吸收曲线吸收曲线的讨论：吸收曲线的讨论：定性依据定性依据: :同一种物质对不同波长光的吸光度不同。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吸光度最大处对应的波长称为最大吸收波长最大吸收波长maxmax定量依据定量依据:
16、:不同浓度的不同浓度的同一同一种物质，其吸收曲线种物质，其吸收曲线形形状相似状相似, , maxmax不变，吸光度不变，吸光度A A变化。而对于变化。而对于不同不同物质，物质，它们的吸收曲线形状和它们的吸收曲线形状和maxmax则不同。则不同。一一. .定性分析定性分析 通过比较未知物与已知标准物的光谱图通过比较未知物与已知标准物的光谱图, ,若若两者最大吸收波长相同两者最大吸收波长相同, ,吸光系数也相同吸光系数也相同, ,则可则可初步认定两者是同一种物质初步认定两者是同一种物质. .二二. . 化合物的鉴定化合物的鉴定利用紫外光谱可以推导有机化合物的分子骨架利用紫外光谱可以推导有机化合物的
17、分子骨架中是否含有共轭结构体系，如中是否含有共轭结构体系，如C CC CC CC C、C CC CC CO O、苯环等。利用紫外光谱鉴定有机、苯环等。利用紫外光谱鉴定有机化合物远不如利用红外光谱有效化合物远不如利用红外光谱有效. .1.6 紫外可见光度法的应用紫外可见光度法的应用1.Lambert-Beer 1.Lambert-Beer 定律定律 当当入入射射光光波波长长一一定定时时，待待测测溶溶液液的的吸吸光光度度A与与其其浓浓度和液层厚度成正比，即度和液层厚度成正比，即k 为比例系数，与溶液性质、温度和入射波长有关。为比例系数，与溶液性质、温度和入射波长有关。当浓度以当浓度以 g/L 表示
18、时，称表示时，称 a为吸光系数为吸光系数当浓度以当浓度以mol/L表示时，称表示时，称 为摩尔吸光系数为摩尔吸光系数三三. 定量检测定量检测2. 透光率与吸光度透光率与吸光度透光率透光率(透射比）透射比）T（Transmittance）A = lg(I0/It) = lg(1/T) = lgT = Kbc吸光度吸光度A (Absorbance）I0It入射光入射光透过光透过光吸光度吸光度A、透射比、透射比T与浓度与浓度c 的关系的关系AT (%)cA=kbc1.00.80.60.40.2100 80 60 40 20 用仪器测定时应尽量使溶液透光度值在用仪器测定时应尽量使溶液透光度值在T %=
19、2065% (吸光度吸光度 A =0.700.20)。(0.80.2)3. 3. 最佳读数范围最佳读数范围1)1)光源光源 对光源基本要求：足够光强、稳定、连续辐射且对光源基本要求：足够光强、稳定、连续辐射且强度随波长变化小。强度随波长变化小。 钨及碘钨灯：钨及碘钨灯：340-2500 nm340-2500 nm，多用在可见光区；，多用在可见光区； 氢灯和氘灯：氢灯和氘灯：160-375nm160-375nm，多用在紫外区。，多用在紫外区。2 紫外紫外-可见分光光度计可见分光光度计2.1 紫外可见光度计仪器组成紫外可见光度计仪器组成光源光源单色器单色器吸收池吸收池检测器检测器2) 单色器单色器
20、 单色器由色散元件和狭缝组成，常用的色散元件有棱镜单色器由色散元件和狭缝组成，常用的色散元件有棱镜和光栅两类。和光栅两类。单色器作用：获得半宽度单色器作用：获得半宽度5-10nm5-10nm的单色光。的单色光。 吸收池放置各种类型的吸收池（比色皿）和相应的池吸收池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。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比色皿，可见区一般用在紫外区须采用石英比色皿，可见区一般用石英比色石英比色皿和皿和玻璃池比色皿。玻璃池比色皿。3)吸收池吸收池(样品池样品池)(Cell，Container)： 4)4)检测器检测
21、器 利用光电效应将透过吸收池的光信号变成可测的电利用光电效应将透过吸收池的光信号变成可测的电信号，常用的有硒光电池、光电管或光电倍增管。信号，常用的有硒光电池、光电管或光电倍增管。5)5)结果显示记录系统结果显示记录系统 检流计、数字显示、微机进行仪器自动控制和结果处检流计、数字显示、微机进行仪器自动控制和结果处理理. .2.2 2.2 分光光度计的类型分光光度计的类型1.1.单波长单光束单波长单光束721721、722722、752752型等型等, ,简单，价廉，适于在给定波简单，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长处测量吸光度或透光度，一般不能作全波段光谱扫描，要
22、求光源和检测器具有很高的稳定性。谱扫描，要求光源和检测器具有很高的稳定性。2.2.单波长双光束单波长双光束国产国产730730、UV-240UV-240型等型等, ,自动记录，快速全波段扫描。自动记录，快速全波段扫描。可消除光源不稳定、检测器灵敏度变化等因素的影响，可消除光源不稳定、检测器灵敏度变化等因素的影响，特别适合于结构分析。仪器复杂，价格较高。特别适合于结构分析。仪器复杂，价格较高。3.3.双波长双波长 两波长处测得的吸光度差值两波长处测得的吸光度差值AA与待测组分浓度成正与待测组分浓度成正比。比。11和和22分别表示待测组分在分别表示待测组分在1 1和和2 2处的摩处的摩尔吸光系数。
23、尔吸光系数。 将不同波长的两束单色光将不同波长的两束单色光( (1 1、2 2) ) 快快速交替通过同一吸收池而后到达检测器。产速交替通过同一吸收池而后到达检测器。产生交流信号。无需参比池。生交流信号。无需参比池。 A A2 A1 (2 1)b c3 测量条件的选择1、测定条件的选择1.1.选择适当的入射波长选择适当的入射波长 一般应该选择一般应该选择maxmax为入射光波长。但如果为入射光波长。但如果maxmax处有共存组分干扰时，则应考虑选择灵敏度稍处有共存组分干扰时，则应考虑选择灵敏度稍低但能避免干扰的入射光波长。低但能避免干扰的入射光波长。 2.选择合适的参比溶液为什么需要使用参比溶液
24、？为什么需要使用参比溶液？ 测得的的吸光度真正反映待测溶液吸光强度。测得的的吸光度真正反映待测溶液吸光强度。参比溶液的选择一般遵循以下原则：参比溶液的选择一般遵循以下原则： 若仅待测组分与显色剂反应产物在测定波长处若仅待测组分与显色剂反应产物在测定波长处有吸收，其它所加试剂均无吸收，用纯溶剂（水有吸收，其它所加试剂均无吸收，用纯溶剂（水) )作作参比溶液；参比溶液；（2）若待测试液在测定波长处有吸收，则可用）若待测试液在测定波长处有吸收，则可用“试试样空白样空白” 作参比溶液作参比溶液.最佳读数范围与最佳值设：设：T T=1%=1%，则可绘出溶液浓度相对误差，则可绘出溶液浓度相对误差c c/ /c c与与其透光度其透光度T T 的关系曲线。的关系曲线。如图所示：如图所示：当：当：T T =1%=1%，T T在在20%20%65%65%之间时，浓度相对误之间时，浓度相对误差较小，最佳读数范围差较小，最佳读数范围。3.3.控制适宜的吸光度（读数范围）控制适宜的吸光度（读数范围）应尽量使溶液透光度值在应尽量使溶液透光度值在T%=2065(吸光度吸光度A=0.700.20)。预习：红外分光光度法预习：红外分光光度法
