紫外吸收光谱分析法

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显示器 吸光度与光程的关系 A = abc
0.00 0.10
检测器
参 比
光源
b
0.20
2b
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吸光度与浓度的关系 A = abc
显示器
0.00
检测器
光源
参 比
0.10
c
0.20
2c
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吸光度与波长的关系 A = abc
显示器
光学光谱区
远紫外 近紫外 可见 近红外 中红外
（真空紫外）
远红外
10nm~200nm 200nm 380nm 780 nm
2.5 m
50 m
~380nm ~ 780nm ~ 2.5 m ~ 50 m ~300 m
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物质对光的吸收与发射
物质分子内部3 种运动形式及其对应能级：
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朗伯-比尔定律
A=lg(I0/It)=kbc
意义: 当一束平行单色光通过均匀、透明的吸光介质时，
其吸光度与吸光质点的浓度和吸收层厚度的乘积成正比.
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透光率(透射比）T（Transmittance）
T = It I0
I0 入射光
吸光度A (Absorbance）
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3.电子跃迁与分子吸收光谱
物质分子内部三种运动形式： （1）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； （3）分子本身绕其重心的转动。
分子具有三种不同能级：电子能级、振动能级和转动能级 三种能级都是量子化的，且各自具有相应的能量。 分子的内能：电子能量Ee 、振动能量Ev 、转动能量Er
第二章：紫外吸收光谱分析法
Ultraviolet Spectrometry, UV
吸光光度法的基本原理
吸光光度法是基于被测物质的分子对光具有选择性吸 收的特性而建立起来的分析方法。
特点 – 灵敏度高：测定下限可达10-5～10 -6mol·L-1, 10-4%～10-5% – 准确度能够满足微量组分的测定要求： 相对误差2～5％ （1～2％） – 操作简便快速 – 应用广泛
吸收曲线与最大吸收波
长 max
用不同波长的单色光 照射，测吸光度;
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吸收曲线的讨论：
①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最
大吸收波长λmax
②不同浓度的同一种物质，其吸收曲
线形状相似λmax不变。而对于不同物质， 它们的吸收曲线形状和λmax则不同。
（UV-Visible）。
1 —2E0
eV
200 — 750 nm
A bc A 具有加和性
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发射光谱
分子吸收了外来的电磁辐射以后，处于不稳定的 激发状态，随即又以光发射的形式把能量放出来， 这种现象称为“光致发光” (Photoluminescence) 。
在次级光的发射过程中，当光源停止照射以后约 10-5s 时间，发光也即消失，这种发光叫荧光 (Fluorescence)。
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光的基本性质 (电磁波的波粒二象性)
波动性 光的传播速度:
V = c =
n
c －真空中光速 2.99792458×108m/s
~3.0 ×108m/s
－波长，单位：m,cm,mm, m,nm,Å
1 m=10-6m, 1nm=10-9m, 1Å=10-10m
－频率，单位：赫芝(周)Hz 次/秒
③吸收曲线可以提供物质的结构信息，并作为物质定性分析的 依据之一。
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讨论：
④不同浓度的同一种物质，在某一定波长下吸光度 A 有差异，在λmax处吸光度A 的差异最大。此特性可作作
为物质定量分析的依据。
⑤在λmax处吸光度随浓度变化的幅度最大，所以测定
最灵敏。吸收曲线是定量分析中选择入射光波长的重要 依据。
当辐射光源虽已停止照射，发光分子仍能保持 10-3— 10 s 此种发光成为磷光 (Phosphorescence)。
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2.2、紫外吸收光谱的基本原理
1.概述
紫外吸收光谱：分子价电子能级跃迁。
波长范围：100-800 nm.
(1) 远紫外光区: 100-200nm
1
4
(2) 近紫外光区: 200-400nm 2
光谱在定性分析方面的应用：
吸收光谱：
分子从外界吸收光能，从基态跃迁到激发态把被吸收的 辐射强度按波长顺序记录下来，便得到吸收光谱。
分子的振动转动能级间的跃迁需吸收红外光区的能量， 形成红外光谱（IR Infrared）。
0.05 —E1
1 — 25
eV
m
分子的电子能级之间的跃迁形成紫外可见吸收光谱
电子、π电子、n电子。
s*
HC OsΒιβλιοθήκη Hpnp*
E K
R
E,B
n
p
分子轨道理论：成键轨道—反键轨道。
s
当外层电子吸收紫外或可见辐射后，就从基态向激发态(反
键轨道)跃迁。主要有四种跃迁所需能量ΔΕ大小顺序为：
n→π＊ < π→π＊ < n→σ＊ < σ→σ＊
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• σ―σ*跃迁：是单键中的σ电
L·mol-1·cm－1。 K带——共轭非封闭体系的p p* 跃迁
C=C
H c
H
发色基团， 但 p p*200nm。
H
c
max=162nm
H 助色基团取代 p p（K带)发生红移。
取代基 -SR 红移距离 45(nm)
-NR2 40(nm)
-OR 30(nm)
-Cl 5(nm)
CH3 5(nm)
0.00
检测器
光源
参 比
0.10
红 蓝绿光
0.00
红 红光
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朗伯-比尔定律的适用条件
1. 单色光
应选用max处或肩峰处测定.
2. 吸光质点形式不变
离解、络合、缔合会破坏线性关系, 应控制条件(酸度、浓度、介质等).
3. 稀溶液
浓度增大，分子之间作用增强.
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子在σ成键和反键轨道间的跃
迁。σ―σ*所需能量最大；σ
电子只有吸收远紫外光的能
s*
量才能发生跃迁；能被真空
紫外分光光度计检测到。
p*
• n―σ*跃迁：是氧、氮、硫、E K
R
n
卤素等杂原子的未成对n电子
E,B
向σ反键轨道的跃迁。N―σ*
p
所需能量最大，吸收波长为
150～250 nm，大部分在远紫
s
外区，近紫外区仍不易观察
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异环（稠环）二烯母体：
max=214 nm
同环（非稠环或稠环）二烯母体：
max=253 nm
niI : 由双键上取代基种类和个数决定的校正项
(1)每增加一个共轭双键 +30
(2)环外双键
+5
(3)双键上取代基：
到。
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• n―π*跃迁：是不饱和键上
连有杂原子时，杂原子上的
n电子跃迁到π*轨道，n―π*
s*
跃迁所需的能量最小，对应
的吸收带位于270-300 nm的
p*
近紫外区。
E K
R
• π―π*跃迁：是不饱和键中
E,B
n
的π电子吸收能量跃迁到π反
p
键轨道的跃迁。π―π*跃迁
所需能量较小，吸收波长处
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光谱在定量分析方面的应用：
光吸收基本定律:朗伯-比尔定律
朗伯定律:(1760) A=lg(I0/It)=k1b
当入射光的 ,吸光物质的c 一定时,溶液的吸光度A与液
层厚度b成正比.
比尔定律(1852) A=lg(I0/It)=k2c
当入射光的 ,液层厚度b 一定时,溶液的吸光度A与
吸光物质的c成正比.
n －折射率，真空中为1
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电场向量 Y Z
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Xx
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微粒性
光量子，具有能量。 E h
h－普朗克(Planck)常数 6.626×10-34J·s
－频率
E－光量子具有的能量 单位：J(焦耳)，eV(电子伏特) 1eV=1.602×10－19 J
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K 吸光系数 Absorptivity
当c的单位用g·L-1表示时，用a 表示，
A＝a b c
a 的单位: L·g-1·cm-1
当c的单位用mol·L-1表示时，用 表示. －摩尔吸光系数 Molar Absorptivity
A＝ b c
的单位: L·mol-1·cm-1
当 示c, A的＝单E位11c用%mg·b1c0，0mEL11c-%1m表叫示做时比，吸用光E1系1c%m数.表
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（2）共轭烯烃中的 p → p*
p p*
p* 165nm
p*₃ 217nm p₂
p*
(HOMO LVMO) p
p₁
p
max
共轭烯烃（不多于四个双键）p p*跃迁吸收峰位置可由伍德
沃德——菲泽 规则估算。 max= 基+nii
基-----是由非环或六环共轭二烯母体决定的基准值； 无环、非稠环二烯母体： max=217 nm
CH3OH CH3CL
CH3I CH3NH2
max（nm） 167 184 173 258 215
max 1480 150 200 365 600
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4 π→π＊跃迁
所需能量较小，吸收波长处于远紫外区的近紫外端或近
紫外区，εmax一般在104L·mol－1·cm－1以上，属于强吸收。 （1） 不饱和烃π→π*跃迁 乙烯π→π*跃迁的λmax为162nm，εmax为: 1×104
即: E＝Ee+Ev+Er ΔΕe>ΔΕv>ΔΕr
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能级跃迁
电子能级间跃 迁的同时，总伴 随有振动和转动 能级间的跃迁。 即电子光谱中总 包含有振动能级 和转动能级间跃 迁产生的若干谱 线而呈现宽谱带 。
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有机化合物的紫外—可见吸收光谱是三种电子跃迁的结果：σ
Ee 红外
S0
动 能 级
v2 v1
Ev 转动 rrr213
Er
分子吸光与发光示意图
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磷光 T1
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光谱种类
原子光谱：吸收、发射、荧光
线状光谱
分子光谱：紫外、可见、红外等吸收光谱
I
带状光谱
黑体辐射：白炽灯、液、固灼热发光
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连续光谱
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分子对光的吸收与吸收光谱
1. 电子相对于原子核的运动--电子能级; 单重态：激发态与基态中的电子自旋方向相反. 三重态：激发态与基态中的电子自旋方向相同.
2. 原子核在其平衡位置附近的相对振动 --振动能级;
3. 分子本身绕其重心的转动--转动能级.
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S2 紫外
单重态
三重态 T2
S1
可见
荧光
振 v3
It 透过光
A = lg(I0/It) = lg(1/T) = —lgT = Kbc
T = 10-Kbc = 10-A
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吸光度A、透射比T与浓度c 的关系
A
T (%)
1.0
100
0.8 T = 10-kbc
80
0.6
A=kbc 60
0.4
40
0.2
20
c
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s
于远紫外区的近紫外端或近
紫外区，εmax一般在
104L·mol－1·cm－1以上，属
于强吸收。
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2 σ→σ＊跃迁
所需能量最大；σ电子只有吸收远紫
外光的能量才能发生跃迁；
s*
饱和烷烃的分子吸收光谱
p*
出现在远紫外区；
吸收波长λ<200 nm；
E K
R
E,B
n
例：甲烷的λmax为125nm ,
不同颜色的可见光波长及其互补光
/nm 400 ～ 450
450 ～ 480 480 ～ 490 490 ～ 500 500 ～ 560 560 ～ 580 580 ～ 610 610 ～ 650 650 ～ 760
颜色 紫
蓝 绿蓝 蓝绿
绿 黄绿
黄 橙 红
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互补光 黄绿
黄 橙 红 红紫 紫 蓝 绿蓝 蓝绿
p
乙烷λmax为135nm。
s
只能被真空紫外分光光度计检测到；
作为溶剂使用；
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3 n→σ＊跃迁
所需能量较大。 吸收波长为150～250nm，大部分在远紫外区，近紫外区 仍不易观察到。 含非键电子的饱和烃衍生物(含N、O、S和卤素等杂原
子)均呈现n→σ* 跃迁。
化合物 H2O
(3)可见光区:400-800nm
3
可用于结构鉴定和定量分析。 250 300 350
电子跃迁的同时，伴随着振动
转动能级的跃迁;带状光谱。
λ 400nm
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2.物质对光的选择性吸收及吸收曲线
M + h → M *
M +热
基态
激发态
M + 荧光或磷光
E1 （△E） E2
E = E2 - E1 = h 量子化 ；选择性吸收
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波粒二象性
E=h
c
=
V h
=
h
n
真空中:E h c
结论:一定波长的光具有一定的能量，波长越
长(频率越低)，光量子的能量越低.
单色光：具有相同能量(相同波长)的光.
混合光：具有不同能量(不同波长)的光复合在
一起. 例如白光.
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区域
波长
跃迁能级
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