第六讲 紫外-可见分光光度

第六讲 紫外-可见分光光度法
第一节 概 述
紫外—可见分光光度法(ultraviolet／visible spectrophotometry，UV—Vis)属 于分子吸收光谱分析法(molecular absorption spectrum analysis)。物质分子的价 电子在吸收辐射并跃迁到高能级后所产生的吸收光谱，通常称为电子光谱 (electron spectrum)。由于其波长范围是在紫外、可见光区，所以又称为紫外—可 见光谱(ultraviolet／visible spectrum). 紫外—可见分光光度法即是根据物质分子对紫外、可见光区辐射的吸收特性， 对物质的组成进行定性、定量及结构分析的方法。它具有较高的灵敏度和准确度， 选择性较好，操作快速、简便，仪器设备价格低廉、简单，在工业、农业、医药 卫生、食品检验、环境保护、生命科学、科研等领域应用广泛。
(二) n→σ *跃迁 n→σ * 跃迁是指分子中非键n 轨道上的电子吸收辐射能后，激发到反键σ *轨道。
这类跃迁所需的能量比σ →σ *跃迁小，其吸收光谱波长一般在150～250nm。 当有机化合物中的氢被氧、氮、卤素或硫等杂原子取代后，电子跃迁所需能 量降低，吸收峰向长波长方向移动，这种现象称为深色移动或称红移(red-shift)。 例如，甲烷和乙烷的氢被碘取代生成的碘甲烷和碘乙烷，其吸收峰则处在150～ 210m(σ →σ *跃迁）和259nm(n→σ *跃迁)。这种能使吸收峰向长波长方向移动 而产生红移现象的原子团，称为助色团(aux-chrome)。 (三) n→π *跃迁和π →π *跃迁 n→π *跃迁和π →π *跃迁是指分子中非键n 轨道上的电子或成键轨道上的电子 吸收辐射能后，被激发到反键π *轨道上。 n→π *跃迁和π →π *跃迁所需的能 量一般较低，吸收光谱的波长都大于200nm。
一、分子吸收光谱
和原子一样，分子也有其特征能级。分子除去平移运动外，其内部运动可分 为价电子运动、构成分子的原子在平衡位置附近的振动和分子绕其重心的转动。 这就是说，分子具有电子(价电子)能级、振动能级和转动能级。如图2—1所示，A、 B表示电子能级。在同一电子能级A，分子因振动能量的不同而分为若干“支级”， 称为振动能级，v'＝0，1，2，……表示在电子能级A的各振动能级。v''=0，l， 2，……表示在电子能级B的各振动能级。处在同一电子能级和同一振动能级的分 子，因转动能量的不同又可分为若干“分级”，称为转动能级，J'＝0，1， 2，……表示在A电子能级和V'＝0振动能级的各转动能级，J''＝0，l，2，……表 示在A电子能级和V'＝1振动能级的各转动能级。故分子的能量E等于电子能级
第一节 概 述
能(Ev)和转动能(Er)之和： E＝ Ee+ Ev+ Er ( 2—1 )
第一节 概 述
当基态分子从外界吸收能量后，便发生分子的能级跃迁，即从基态能级跃迁到激 发态能级。同原子一样，分子的能级是量子化的。其吸收能量也具有量子化的特 征，即分子只能吸收等于两个能级之差的能量： △E ＝E1- E2 ＝hv ＝hc ／λ (2—2) 由于三种能级跃迁所需能量不同，故分子受不同波长的电磁辐射跃迁后，其吸收 光谱在不同的光区出现。 电子能级跃迁所需的能量△ Ee较大，一般在1～20eV。根据电子能级跃迁所 需的能量，由(2—2)式可计算其相应的波长。分子吸收光谱主要处于紫外可见光 区。这种由于分子吸收电磁辐射后而产生电子能级跃迁所获得的分子吸收光谱称 为电子光谱，或称紫外—可见光谱。 分子振动能级跃迁所需的能量△ Ev约比△ Ee 小10倍，一般在0．05—1eV， 相当于红外光的能量。所以，因振动能级跃迁而产生的分子吸收光谱称为振动光 谱，或称红外光谱。 分子转动能级跃迁所需的能量△ Er约比△ Ev小10到100倍，一般小于 0．05eV，相当于远红外光甚至微波的能量。所以，因转动能级跃迁而产生的分 子吸收光谱称为转动光谱，或称远红外光谱。 分子吸收电磁辐射而发生电子能级间的跃迁和振动能级间的跃迁时，总伴有 转动能级间的跃迁。由于转动能级间隔太小，一般光谱仪的分辨能力不足以把这 些谱线分开，诸谱线便连成一片，表现为带状。所以，分子吸收光谱是一种带状 光谱。
第一节 概
述
配位场跃迁受配位体性质的影响很大，配位体的配位场越强，轨道分裂能就越大， 吸收峰的波长则越短。例如，H2O 的配位场强度小于NH3 的配位场强度，因此 Cu2+的水合离子呈蓝色，吸收峰在794nm处；而Cu2+的氨合离子呈深蓝色，吸收 峰在663nm处。
(二)电荷转移跃迁
电荷转移跃迁是指配合物吸收辐射能后，电子从给予体向接受体的跃迁。这 种跃迁所产生的光谱称为电荷转移吸收光谱（charge transfer spectra)。产生电荷 转移跃迁的必要条件是配合物的组分之一应具有电子给予体的特性，而另一组分 应具有电子接受体的特性。 电荷转移跃迁吸收光谱的波长取决于电子给予体的电子亲和力。电子亲和力 越小，激发时所需的能量越低，吸收波长越长。例如，SCN-的电子亲和力比C1小，Fe(Ⅲ)—SCN-配合物的最大吸收峰在可见光区；Fe(Ⅲ)—C1-配合物的最大吸 收峰在紫外光区。 电荷转移跃迁对于物质的定量分析是一类重要的吸收跃迁， 它的吸收系数ε 一般都在104L· -1· -1以上。利用这类配合物可以建立灵敏的测定方法。 mol cm
第二节 光的吸收定律—Lamber-Beer定律
二、偏离Lambert-Beer定律的因素 根据Lambert-Beer定律，当液层厚度一定时，以吸光度A 对溶液浓度c 作图， 应得到一条通过原点的直线。但在实际分析工作中，吸光度A 与浓度c 之间的线 性关系常常发生偏离，产生正或负误差。其产生偏离的因素主要有： (一)非单色光引起的偏离 严格地说，Lambert-Beer定律只适用于单色光。在实际工作中分光光度计单 色光的纯度主要取决于色散元件及光路设计。就目前的科学技术情况来看，即使 是高精密度的仪器也得不到纯单色光，而是波长宽度较窄的复合光，因而导致偏 离Lambert—Beer定律。 设一光束由λ 1和λ 2 两种波长单色光组成，当光束通过浓度为c 的溶液时， 根据Lambert-Beer定律： 对波长λ 1光的吸收 A1=1g =K1bc= ε1bc I1=I01· - ε1bc 10 (2-8) 对波长λ 2 光的吸收 A2=lg =K2bc=ε2 bc I2= I02 · -ε2 bc 10 (2-9)
第二节 光的吸收定律—Lamber-Beer定律
一、Lambert-Beer定律
（1）Lambert定律 图2—3所示，设某波长的单色光通过厚度为 b 的均匀溶液（光吸收层)。若 将液层分成无限小的相等薄层，其厚度为 db。当于薄层上的单色光强度为 I， 光通过薄层后减弱一dI，则一dI与db及I 成正比，即： 一dI＝k1I db (2-3) 式中：k1为比例系数。 假定人射光强度为I。，透过光强度 为It，将式(2—3)积分，得： =k1 db ln = k1b (2-4) 式(2—4)通常称为Lambert定律，它 反映了在溶液浓度一定时，光的吸收与液 层厚度的关系。
第一节 概 述
二、有机化合物的紫外—可见吸收光谱 —般所说的电子光谱是指分子外层电子或价电子的跃迁所得到的吸收光谱。 在有机化合物中，常见的电子跃迁有：σ →σ * 、n→σ * 、n→π *和π →π *四 种类型，如图2—2所示。
Biblioteka Baidu 第一节 概
(一) σ →σ *跃迁
述
σ →σ *跃迁是指分子中成键σ 轨道上的电子吸收辐射能后，被激发到反键σ *轨 道上。与其它三种类型的跃迁相比， σ →σ *跃迁所需的能量大，相当于真空紫 外区的辐射能。在饱和烃中只有σ →σ *跃迁，它们的吸收光谱一般在波长低于 200nm的区域才能观察到。如甲烷的最大吸收峰在125nm处；乙烷在135nm处 有—个吸收峰。
第一节 概
述
有机化合物的紫外—可见吸收光谱的分析就是以这两类跃迁为基础。这两类跃迁 均要求有机物分子中含有不饱和键官能团，这种含有π 不饱和键的基团称为生色 团(chro—mosphore)。 n→π *跃迁和π →π *跃迁的重要差别在于吸收峰的强度不同。 n→π *跃迁 所产生的吸收峰，其吸收系数ε 很小，一般在10~100L· -1· -1范围内； mol cm π →π *跃迁所产生的吸收峰，其吸收系数ε 一般比n→π *跃迁的ε 大100～1000 倍。另外，溶剂的极性对两类跃迁所产生吸收峰位置的影响不同。当溶剂的极性 增加时， n→π *跃迁所产生的吸收峰通常向短波方向移动，称为紫移(violet-shift)； 而π →π *跃迁则常常使吸收峰向长波方向移动，即发生红移(red-shift) 。
第二节 光的吸收定律—Lamber-Beer定律
当λ 1和λ 同时通过溶液时，则有： A3=lg =ε3bc 由式(2—8)、(2—9)得知： A3=lg
2
(2-10)
(2-11)
假定波长为λ 1和λ 2的入射光强度一样，即I0=I01=I02，并令Δ ε= ε2 -ε1 ，且不考虑 其它因素的影响， 将式（2-8）和（2-9）一并代入式（2-11），整理得： A3=lg2+lg —lg(1+10-Δ εbc ) (2-12) 由式(2—12)得知： 1．当Δ ε ＝0，即ε2 = ε1时，式(2—12)变为： A3=lg = ε1 bc=A1 此时为的单色光，符合Lambert-Beer定律。 即当液层厚度一定时，以吸光度A 对溶液浓度c作 图，将得到一条通过原点的直线，如图2—4a所示。 2．当λ 1≠λ 2时(复合光)，若Δ ε > 0，即ε2 >ε1 ，则一Δ ε bc<0，于是 lg(1十10- Δ ε bc) 将随c 的增大而减小，从而导致吸光度A 随c 的增大而增大。此时, 将出现正偏离如图2—4b所示。
三、无机化合物的紫外—可见吸收光谱
无机化合物的光度法分析，一般用于研究金属离子配合物的吸收光谱。在金 属离子配合物中，电子的跃迁较为复杂，比较重要的有配位场跃迁和电荷转移跃 迁两种类型。 (一) d—d 跃迁和 f—f 跃迁 过渡金属离子一般都具有未充满电子的d轨道或f轨道。根据晶体场理论，当 它们与配位体形成配合物时，受配位场的影响，原来能量相同的d轨道或f轨道则 发生能级分裂。分裂后，d轨道之间的能量差或f轨道之间的能量差称为轨道分裂 能。由于分裂能的存在，当配合物d轨道或f轨道上的电子吸收辐射能后，发生d— d 跃迁或 f—f 跃迁。这两种跃迁必须在配位场的作用下才能发生，因此也称为配 位场跃迁。
第二节 光的吸收定律—Lamber-Beer定律
3．当入l ≠入2 时，若Δ ε< 0 即ε2 <ε1 ，则一Δ ε bc >0， 于是lg(1+10一Δ ε bc) 将随c 的增 大而增大，从而导致吸光度 A 随 c 的增大而减小。此时，将 出现负偏离，如图2—4c 所示。
(三)Lambert-Beer定律
如果要求同时考虑溶液浓度c 和液层厚度b 对光吸收的影响时，可将 Lambert定律和Beer定律合并，便可得到Lambert-Beer定律。即将(2—4)式与 (2—6) 式合并整理，得： A=1g =Kbc=εbc (2—7) 式中：A为吸光度；b为液层厚度，单位为cm；c为溶液浓度，单位为mol· -1； L K 为比例系数 (吸收系数)，在分光光度法中常用摩尔吸收系数ε表示，单位为 L· -1· 1。吸收系数与入射光波长、吸光物质的性质和溶液的温度等因素有 mol cm关。Lambert—Beer定律是光吸收的基本定律。
第二节 光的吸收定律—Lamber-Beer定律
(二)Beer定律
当单色光通过液层厚度一定的均匀溶液时，溶液中吸光质点的浓度增加 dc， 则入射光通过溶液后减弱一dI，则一dI 应与dc 及成正比。即： —dI＝k2Idc (2—5) 式中：k2 为比例系数。 与推导(2—4)式一样处理(2—5)式，可得： ln =k2c (2—6) 式(2—6)通常称为Beer定律，它反映了在溶液液层厚度一定时，光的吸收与溶液 浓度的关系。