第十章 紫外-可见分光光度法 (1)

第十章 紫外-可见 分光光度法
（Uv-ViS）
一．教学内容 1.紫外－可见吸收光谱的产生（分子的能级及光谱、 有机物及无机物电子能级跃迁的类型和特点） 2.吸收定律及其发生偏差的原因 3.仪器类型、各部件的结构、性能 4.分析条件的选择 5.应用（定性及结构分析、定量分析的各种方法）
二．重点与难点 1． 比较有机化合物和无机化合物各种电子跃迁类型 所产生吸收带的特点及应用价值 2． 进行化合物的定性分析、结构判断 3． 定量分析的新技术（双波长法、导数光谱法、动 力学分析法） 4． 物理化学常数的测定
偏离Beer定律的主要因素表现为
以下两个方面 （1）光学因素 （2）化学因素
（1）光学因素
1）非单色光的影响：
Beer定律应用的重要前提——入射光为单色光
1.0
正偏离 负偏离
A
0.5
A2
10
0.111
78%
A1l3 0.222 3 A3 0.333 l1 2 T2 10
A3
100.333 47%
例2 浓度为0.51mg/ml的Cu2+溶液，用环己酮草酰
二腙显色后，于波长600nm处用2cm吸收池测量，测得 T=50.5%，求比吸光系数。 解 l 2cm, c 0.51mg / ml, T 50.5%
肩峰→λsh
末端吸收→饱和σ-σ*跃迁产生
图10-3 吸收光谱示意图 1.吸收峰 2 谷 3.肩峰 4 末端吸收
生色团(chromophore)
是指分子中产生吸收带的主要官能团
属于π→π* 、 n →π* 等跃迁类型。 生色团为不饱和基团：C=C、N=O、C=O、 C=S等 助色团(auxochrome) 是指分子中的一些带有非成键电子对的基团本 身在紫外-可见光区不产生吸收，但是当它与生色 团连接后，使生色团的吸收带向长波移动，且吸收 强度增大。 -OH、-OR、-NHR、-SH、-Cl、-Br、-I
的 选 择 3 ． 较 为 熟 悉 仪 器 的 类 型 、 各 组 件 的 工 作 原 理 4 ．
三．教学目标
1.较为系统、深入地掌握各种电子跃迁所产生的吸收带
及其特征、应用
2.熟练掌握吸收定律的应用及测量条件的选择 3.掌握定量分析及测定物理化学常数的常见基本方法 4.运用各种类型光谱及 5.较为熟悉仪器的类型、各组件的工作原理
运 用 各 种 类 型 光 谱 及
的经验规则，判断不同的化合物
第十章 紫外-可见 分光光度法
（Uv-ViS）
紫外-可见分光光度法是根据物质的分子或离
子对紫外-可见光谱区（200～800nm）的吸收来研 究物质的组成、含量和结构的方法。 特点：
灵敏度较高，10-6～10-4g/ml或 10-6～10-5mol/L。 准确度高一般为0.2% ～ 0.5% 。
△ E n →π* △ Eπ→π*
π*
△ E n →π*
n n
△ Eπ→π*
π
无溶剂 化作用
红移: △ Eπ→π* ＞ △ Eπ→π* 蓝移:△ E n →π* ＜ △ E n →π*
O C H3C C H
π
有溶剂 化作用
亚异丙酮的溶剂效应
CH3 C CH3
正己烷
CHCl3
CH3OH
H 2O
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
π→π* λmax/ nm
2）溶剂不同，同一物质k可能不同。应注明溶剂。
3）k↑，物质对光吸收能力↑, 定量测定灵敏度↑ → 定性、定量依据
例1 某溶液用2cm吸收池测量时，T=60%，若
改用1cm和3cm吸收池，T和A为多少。 解
l1 2cm, T1 60%, l2 1cm, l3 3cm T1 60%, A1 lg T1 lg 60% 0.222 A1 l1 A1l2 0.2221 A lc, , A2 0.111 A2 l 2 l1 2 T2 10
4. n →π* ：生 色团中的未成键孤对电子向π*轨道跃迁。 εmax＜ 100，是弱吸收带。
5.电荷迁移跃迁 摩尔吸光系数较大，εmax﹥104，用于定量分析 6. 配位场跃迁 摩尔吸光系数较小， εmax ＜102
二、紫外-可见吸收光谱的产生
1. 分子光谱的产生 跃迁：电子受激发，从低能级转移 到高能级的过程
n →π* λmax/ nm
230
329
238
315
237
309
243
305
4. 体系pH的影响
OH
OHH+
O-
λmax =210.5nm，270nm
λmax =235nm，287nm
选择溶剂时，注意以下三点：
1.尽量选择低极性溶剂 2.能很好地溶解被测物，且具有良好的光线和化学稳定性 3.在试样的测试区中，无明显的吸收
红移（长移）：使生色团的吸收带向长波移动。
蓝移（短移）：是指一些基团与某些生色团(C=O)连接
后，使生色团的吸收带向短波移动。
浓色效应（增色效应）：使吸收峰强度增加的现象。 淡色效应（减色效应）：使吸收峰强度减弱的现象。 强带： εmax﹥104的吸收峰。 弱带： εmax﹤102的吸收峰。
三、吸收带及其与分子结构的关系
50
0
0
A＝-lgT ＝-lg(I/I0)= E l c 2.吸光度的加合性
C
T ＝10 –A=10- Elc
多组分混合体系中，如果各组分分子之间不存在 离解、聚合、化学反应等化学平衡时，其吸光度具有 n n n 加合性，即：
A
A E lc l E c
i i i i 1 i 1 i 1
i i
mber-Beer定律
描述物质对单色光吸收强弱与液层厚度和待测物 浓度的关系。
Lamber 定律： A l Beer定律： A c
A＝－ lgT ＝ － lg（ I / I0)= k l c
Lamber-Beer定律的适用条件（前提）：
入射光为单色光、溶液是稀溶液
4 . 吸光系数：定性定量的依据 （1）吸光系数的物理意义：
五、Lamber-Beer定律（吸收光谱法基本定律)
1.透光度和吸光度 假设一束平行单色光通过一个吸光物体
入射光强为 I 0 透过光强为 I 物体截面为 S 厚度为 l 吸光质点数为 n
图10-8 光通过截面积S厚度l的吸光介质
设断层中所含吸光质点数为dn，不让光子通过的面积ds
dS kdn
B带：由π→ π*跃迁产生
芳香族化合物的主要特征吸收带 λmax =254nm，宽带，具有精细结构；εmax=200 极性溶剂中，或苯环连有取代基，其精细结构消失 E带：由苯环环形共轭系统的π→ π*跃迁产生
芳香族化合物的特征吸收带
E1 180nm εmax>104 （常观察不到）
E2 200nm εmax=7000 强吸收
V S l n lc S
n Vc
I - lg Ecl I0
A＝－ lgT ＝ － lg（ I / I0)=Ecl
A值越大，表明物质对光的吸收越大。
I T I0
百分数表示
T值越大，表明物质对光的吸收越小。 T值越小，表明物质对光的吸收越大。
1.0
吸光度与透射率
100
T% C
A
0.5
T 50.5%, A lg T lg 50.5% 0.297 A
1% 1% E1 lc , E cm 1cm
A 0.297 2.9 103 mg / 100ml lc 2 0.51 100
六、偏离Beer定律的因素
A k c l
依据Beer定律，A与c关系应为 经过原点的直线
R带：由n →π*跃迁产生
C＝O；C＝N；—N＝N—
弱吸收，λmax250~400nm，εmax<100 溶剂极性↑，λmax↓ → 蓝移（短移） K带：由共轭双键的π→ π*跃迁产生 (—CH＝CH—)n，—CH＝C—CO— λmax >200nm，εmax>104 共轭体系增长，λmax↑→红移，εmax↑
ΔE 分子 ΔE 电子 ΔE振动 ΔE转动 h (ν电子 ν振动 ν转动 ) hc / ( λ电子 λ振动 λ转动 )
υ υ υ
E2
, , , 2
分子紫外吸收光谱
1 0
E1
2
分 子 可 见 吸 收 光 谱
υ
3 2 1 0 3 2 1 0 3 2 1 0 3 2 1 0
光子通过断层时，被吸收的几率是
dS kdn S S
光强度被减弱了dIx
dI x kdn Ix S
可得光通过厚度为l的物体时：有
n kdn dI x I0 I x 0 S I
I kn - ln I0 S
I n n - lg lge k E I0 s S
截面积S与体积V，质点总数n与浓度c：
3．紫外-可见吸收光谱的产生
由于分子吸收紫外-可见光区的电磁辐射，分子中 价电子（或外层电子）的能级跃迁而产生 （吸收能量=两个跃迁能级之差）
三、紫外-可见吸收光谱的常用概念
吸收光谱（吸收曲线）：以波长λ（nm）为横坐
标，以吸光度A（或透光率T）为纵坐标所描绘的曲线。
吸收峰→λmax 吸收谷→λmin
图10-1 H2的成键和反键轨道
图10-2 分子中价电子能级及跃迁示意图
有机化合物的吸收光谱主要由σ→σ*、 π→π*、 n→σ*、n →π*及电荷迁移跃迁产生的。
无机化合物的吸收光谱主要是由电荷迁移跃迁和配位 场跃迁产生。
1.σ→σ*：一般发生在远紫外线区，饱和烃类C-C键
甲烷：λmax=125 nm 乙烷：λmax=135 nm ~200nm
2. π→π*：发生在近紫外线区
CH2=CH2：λmax=165 nm 、CH≡CH：λmax=173 nm 随着共扼体系的增大或杂原子的取代， λmax向长波 移动;εmax≥104，是强吸收带。
3. n→σ*：发生在远、近紫外线区之间 150nm~250nm C—X键，X—S、N、O、Cl、Br、I 等杂原子 CH3OH：λmax=183 nm 、CH3NH2：λmax=213 nm 大多数吸收峰λmax小于200nm。
四、影响吸收带的因素
1.位阻效应：化合物中若有二个发色团产生共轭效应， 可使吸收带长移。
H CH=CH
C=C
H
H
H
λmax=280 nm（10500）
顺式二苯乙烯
λmax=295.5nm（29000） 反式二苯乙烯
2.跨环效应：
CH2
O
λmax=214 nm，284 nm
3. 溶剂的极性效应
溶剂的极性不 同也会引起某些化 合物的吸收带红移 或蓝移，这种作用 称为溶剂效应。 π*
重现性好，稳定性好.
作用：
定量上不仅可以进行单一组分的测定，也可以对多
种组分不经分离进行同时测定。
定性上不仅可以鉴别具有不同官能团和化学结构的
不同化合物，而且可以鉴别结构相似的不同化合物。
第一章 紫外-可见 分光光度法 的基本原理和概念
一、电子跃迁类型 价电子
轨道：电子围绕原子或分子运动的几率 轨道不同，电子所具有能量不同
苯环由发色团取代且与苯环共轭时，E2带与K带合并 一起红移（长移）
苯异丙烷溶液的紫外吸收光谱
电荷转移吸收带：某些无机物和某些有机物混合
而得的分子配合物，在外来辐射激发下强烈吸收 紫外光或可见光，从而获得的可见或紫外吸收带。 乙醇中，将醌与氢醌混合，暗绿色的醌氢醌结晶， 吸收峰在可见光区 配位体场吸收带：指过渡金属水合离子与显色剂 所形成的配合物，吸收适当波长的可见光或紫外光， 从而获得的吸收带。 Ti(H2O)63+水合离子的吸收峰 490nm
J J J
υ
υ
1
0
E0 分子红外吸收光谱
J
分子光谱： 连续光谱 带光谱
2．分子吸收光谱的分类： 分子内运动涉及三种跃迁能级，所需能量大小顺序
E电 E振 E转
E电 1 ~ 20ev 0.06 ~ 1.25 m 紫外 可见吸收光谱 E振 0.05 ~ 1ev 25 ~ 1.25 m 红外吸收光谱 E转 0.005 ~ 0.05ev 250 ~ 25 m 远红外吸收光谱
单位浓度、单位厚度的吸光度
A k c l
（2）吸光系数两种表示法：
1）摩尔吸光系数ε：
在一定λ下，c=1mol/L，l=1cm时的吸光度
2）百分吸光系数 / 比吸光系数： 在一定λ下，c=1g/100ml，l=1cm时的吸光度 3）两者关系
M 1% E1cm 10
讨论：
1）不同物质在同一波长下k可能不同（选择性吸收）