上課用05第5章 紫外可見吸收光譜法課件

第五章

紫外-可見吸收光譜法第五章

紫外-可見吸收光譜法1(ultraviolet-visibleabsorptionspectrometry，UV-VIS）紫外－可見吸收光譜法：通過(guò)研究溶液中物質(zhì)的分子或離子對(duì)紫外和可見光譜區(qū)輻射能的吸收情況對(duì)物質(zhì)進(jìn)行定性、定量和結(jié)構(gòu)分析的方法。(ultraviolet-visibleabsorptio2紫外吸收光譜：分子價(jià)電子能級(jí)躍遷。波長(zhǎng)范圍：100~800nm.(1)遠(yuǎn)紫外光區(qū):100~200nm(2)近紫外光區(qū):200~400nm(3)可見光區(qū):400~800nm通常區(qū)域：200~750nm250300350400nm1234eλ

可用于結(jié)構(gòu)鑒定和定量分析。

電子躍遷的同時(shí)，伴隨著振動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)的躍遷：帶狀光譜。紫外吸收光譜：分子價(jià)電子能級(jí)躍遷。2503003能級(jí)躍遷

電子能級(jí)間躍遷的同時(shí)，總伴隨有振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)間的躍遷。即電子光譜中總包含有振動(dòng)能級(jí)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)間躍遷產(chǎn)生的若干譜線而呈現(xiàn)寬譜帶。能級(jí)躍遷電子能級(jí)間躍遷的同時(shí)，總伴隨有振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)4分子的內(nèi)能：電子能量Ee、振動(dòng)能量Ev、轉(zhuǎn)動(dòng)能量Er即:E＝Ee+Ev+Er三種能級(jí)都是量子化的，且各自具有相應(yīng)的能量。滿足上式，則微觀上出現(xiàn)分子由較低能級(jí)躍遷氘較高能級(jí)；宏觀體現(xiàn)在透射光的強(qiáng)度變?nèi)?。分子的?nèi)能：電子能量Ee、振動(dòng)能量Ev、轉(zhuǎn)動(dòng)能量Er5吸收光譜的分類物質(zhì)分子內(nèi)部三種運(yùn)動(dòng)形式：（1）電子相對(duì)于原子核的運(yùn)動(dòng)；（2）原子核在其平衡位置附近的相對(duì)振動(dòng)；（3）分子本身繞其重心的轉(zhuǎn)動(dòng)。分子具有三種不同能級(jí)：電子能級(jí)、振動(dòng)能級(jí)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)三種能級(jí)都是量子化的，且各自具有相應(yīng)的能量。分子的內(nèi)能：電子能量Ee、振動(dòng)能量Ev、轉(zhuǎn)動(dòng)能量Er即:E＝Ee+Ev+Er

ΔΕe>ΔΕv>ΔΕr

吸收光譜的分類物質(zhì)分子內(nèi)部三種運(yùn)動(dòng)形式：6討論：（1）

轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)間的能量差ΔΕr：0.005～0.050eV，躍遷產(chǎn)生吸收光譜位于遠(yuǎn)紅外區(qū)。遠(yuǎn)紅外光譜或分子轉(zhuǎn)動(dòng)光譜；（2）振動(dòng)能級(jí)的能量差ΔΕv約為：0.05～１eV，躍遷產(chǎn)生的吸收光譜位于紅外區(qū)，紅外光譜或分子振動(dòng)光譜；（3）電子能級(jí)的能量差ΔΕe較大1～20eV。電子躍遷產(chǎn)生的吸收光譜在紫外－可見光區(qū)，紫外—可見光譜或分子的電子光譜；討論：（1）轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)間的能量差ΔΕr：0.005～0.057分子吸收光譜的形狀電子光譜一般包含有若干譜帶系，不同譜帶系相當(dāng)于不同電子能級(jí)的躍遷。一個(gè)譜帶系是由同一電子能級(jí)的能級(jí)躍遷形成的一個(gè)譜帶系含有若干譜帶，不同的譜帶相當(dāng)于同一電子能級(jí)躍遷內(nèi)不同振動(dòng)能級(jí)的躍遷。在同一譜帶內(nèi)包含有若干譜線，每一條線相當(dāng)于轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)的躍遷。振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)數(shù)目很多，觀察到譜帶。分子吸收光譜的形狀電子光譜一般包含有若干譜帶系，不同譜帶系相8吸收光譜的表征波長(zhǎng)為橫坐標(biāo)，吸光度為縱坐標(biāo)的曲線。最大吸收峰；最大吸收波長(zhǎng)λmax;不同濃度的同一種物質(zhì)，其吸收曲線形狀相似，λmax不變，但此處的吸光度差值最大。最小吸收；最小吸收波長(zhǎng)λmin。肩峰；末端吸收：吸收較強(qiáng)但未形成峰形。吸收光譜的表征波長(zhǎng)為橫坐標(biāo)，吸光度為縱坐標(biāo)的曲線。9最大吸收波長(zhǎng)λmax，表示譜帶位置，是分子特征常數(shù)，可推測(cè)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)信息。整個(gè)譜帶的形狀決定于物質(zhì)性質(zhì)，反映分子內(nèi)部能級(jí)分布狀況，是物質(zhì)定性的依據(jù)。最大吸收波長(zhǎng)λmax，表示譜帶位置，是分子特征常數(shù)，可推測(cè)物10光強(qiáng)參數(shù)光強(qiáng)參數(shù)11有機(jī)化合物的紫外—可見吸收光譜是三種電子躍遷的結(jié)果：σ電子、π電子、n電子。分子軌道理論：成鍵軌道—反鍵軌道。當(dāng)外層電子吸收紫外或可見輻射后，就從基態(tài)向激發(fā)態(tài)(反鍵軌道)躍遷。主要有四種躍遷所需能量ΔΕ大小順序?yàn)椋簄→π＊<π→π＊<n→σ＊<σ→σ＊

sp

*s*RKE,BnpE5.2有機(jī)化合物的UV-VIS有機(jī)化合物的紫外—可見吸收光譜是三種電子躍遷的結(jié)果：σ電子、121).σ→σ＊躍遷所需能量最大；σ電子只有吸收遠(yuǎn)紫外光的能量才能發(fā)生躍遷；飽和烷烴的分子吸收光譜出現(xiàn)在遠(yuǎn)紫外區(qū)；吸收波長(zhǎng)λ<200nm；例：甲烷的λmax為125nm,乙烷λmax為135nm。只能被真空紫外分光光度計(jì)檢測(cè)到；特點(diǎn)：作為溶劑使用；sp*s*RKE,BnpE1).σ→σ＊躍遷所需能量最大；σ電子只有吸收遠(yuǎn)紫外132）：n→σ＊躍遷

所需能量較大。吸收波長(zhǎng)為150～250nm，大部分在遠(yuǎn)紫外區(qū)，近紫外區(qū)仍不易觀察到。含非鍵電子的飽和烴衍生物(含N、O、S和鹵素等雜原子)均呈現(xiàn)n→σ*躍遷。2）：n→σ＊躍遷所需能量較大。143）π→π＊躍遷：所需能量較小，吸收波長(zhǎng)處于遠(yuǎn)紫外區(qū)的近紫外端或近紫外區(qū)，εmax一般在104L·mol－1·cm－1以上，屬于強(qiáng)吸收。4）n→π*：躍遷一般在近紫外區(qū)（200~400nm），吸光強(qiáng)度較小。電子躍遷的類型與分子結(jié)構(gòu)及存在的基團(tuán)關(guān)系密切：可根據(jù)分子結(jié)構(gòu)來(lái)推斷可能產(chǎn)生的電子躍遷；根據(jù)紫外吸收帶的波長(zhǎng)及電子躍遷的類型判斷分子中可能存在的基團(tuán)。3）π→π＊躍遷：所需能量較小，吸收波長(zhǎng)處于遠(yuǎn)紫外區(qū)的近紫外155.2.2生色團(tuán)與助色團(tuán)生色團(tuán)：導(dǎo)致化合物在紫外及可見光區(qū)產(chǎn)生吸收的基團(tuán)

最有用的紫外—可見光譜是由π→π＊和n→π＊躍遷產(chǎn)生的。這兩種躍遷均要求有機(jī)物分子中含有不飽和和未成對(duì)電子基團(tuán)。如乙烯基、羰基、亞硝基、偶氮基—N＝N—、乙炔基、腈基—C三N等。助色團(tuán)：

有一些含有n電子的基團(tuán)(如—OH、—OR、—NH２、—NHR、—X等)，它們本身沒(méi)有生色功能(不能吸收λ>200nm的光)，但當(dāng)它們與生色團(tuán)相連時(shí)，就會(huì)發(fā)生n—π共軛作用，增強(qiáng)生色團(tuán)的生色能力(吸收波長(zhǎng)向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，且吸收強(qiáng)度增加)，這樣的基團(tuán)稱為助色團(tuán)。5.2.2生色團(tuán)與助色團(tuán)生色團(tuán)：導(dǎo)致化合物在紫外及可見光區(qū)產(chǎn)16紅移與藍(lán)移有機(jī)化合物的吸收譜帶常常因引入取代基或改變?nèi)軇┦棺畲笪詹ㄩL(zhǎng)λmax和吸收強(qiáng)度發(fā)生變化:

λmax向長(zhǎng)波方向移動(dòng)稱為紅移，向短波方向移動(dòng)稱為藍(lán)移(或紫移)。吸收強(qiáng)度即摩爾吸光系數(shù)ε增大或減小的現(xiàn)象分別稱為增色效應(yīng)或減色效應(yīng)，如圖所示。紅移與藍(lán)移有機(jī)化合物的吸收譜帶常常因引入取代基或改變171）飽和烴及其衍生物：只可產(chǎn)生n→σ＊躍遷。2）不飽和烴及共軛烯烴主要是π→π*躍遷乙烯π→π*躍遷的λmax為162nm，εmax為:1×104L·mol-1·cm－1。K帶——共軛非封閉體系的p

→p*躍遷。共軛降低了躍遷所需能量，吸收峰向長(zhǎng)波移動(dòng)，強(qiáng)度較大。1）飽和烴及其衍生物：只可產(chǎn)生n→σ＊躍遷。18（3）羰基化合物共軛烯烴中的→*①Y=H,Rn→*

180-190nm→*

150-160nm

n→*

275-295nm②Y=-NH2,-OH,-OR等助色基團(tuán)R帶：n→*躍遷時(shí)產(chǎn)生，為判斷醛酮存在的重要依據(jù)。K

K

R

R

n

n

165nm

n

③不飽和醛酮紅移：220-260nm成為K帶。R帶藍(lán)移：310－330nm。特征：K帶吸收強(qiáng)度高，R帶強(qiáng)度低（3）羰基化合物共軛烯烴中的→*①Y=H,R19（4）芳香烴及雜環(huán)化合物苯（苯環(huán)上三個(gè)共扼雙鍵的→*躍遷特征吸收帶；）E1帶180184nm；

=47000E2帶200204nm=7000

B帶230-270nm=200其中B帶為芳香族的重要特征吸收帶，常用于識(shí)別：精細(xì)結(jié)構(gòu)是→*與苯環(huán)振動(dòng)引起；

max（nm）max苯254200甲苯261300間二甲苯2633001，3，5-三甲苯266305六甲苯272300含帶有孤對(duì)電子的取代基時(shí)，由于n→*共軛，

B帶強(qiáng)度增大簡(jiǎn)化，紅移；對(duì)于烷基取代基影響不大。（4）芳香烴及雜環(huán)化合物苯（苯環(huán)上三個(gè)共扼雙鍵的20稠環(huán)芳香族化合物：吸收光譜的最大特點(diǎn)是共軛體系增加，使波長(zhǎng)向紅移動(dòng)，吸收強(qiáng)度增強(qiáng)。稠環(huán)芳香族化合物：215.3.無(wú)機(jī)化合物的UV-VIS

電荷轉(zhuǎn)移躍遷：同時(shí)具有電子給予體和電子接受體的分子，吸收外來(lái)輻射使電子從給體外層軌道向受體軌道躍遷，，所產(chǎn)生的吸收光譜稱為荷移光譜。Mn+—Lb-M(n-1)+—L(b-1)-h[Fe3+CNS-]2+h[Fe2+CNS]2+電子給予體電子接受體許多無(wú)機(jī)絡(luò)合物能產(chǎn)生電荷轉(zhuǎn)移光譜。此類最大特點(diǎn)是莫爾吸收系數(shù)大Fe2+與1,10-鄰二氮菲配合物的紫外吸收光譜屬于此。5.3.無(wú)機(jī)化合物的UV-VIS電荷轉(zhuǎn)移躍遷22配位場(chǎng)躍遷：d-d和f-f躍遷兩種

原理：原本簡(jiǎn)并的5個(gè)d或7個(gè)f軌道在配位體按一定的幾何方向配位在金屬離子周圍時(shí)，分裂為幾組能量不等的d或f軌道。在配體的作用下過(guò)渡金屬離子的d軌道和鑭系、錒系的f軌道裂分，吸收輻射后，產(chǎn)生d一d、f一f躍遷；

必須在配位體的配位場(chǎng)作用下才能產(chǎn)生摩爾吸收系數(shù)ε很小，對(duì)定量分析意義不大，但可用于研究絡(luò)合物的結(jié)構(gòu)。配位場(chǎng)躍遷：d-d和f-f躍遷兩種原理：原本簡(jiǎn)并的5個(gè)d235.4溶劑的影響：吸收波長(zhǎng)非極性極性溶劑

n

np

n<p

n

p

非極性極性溶劑n>pn

→

*躍遷：藍(lán)移；；

→*躍遷：紅移；；

max(正己烷)max(氯仿)max(甲醇)max(水)230238237243n3293153093055.4溶劑的影響：吸收波長(zhǎng)非極性極性n24溶劑的影響非極性→極性n→*躍遷：蘭移；；

→*躍遷：紅移；；原因：n、

、*軌道自身極性不同，極性溶劑的溶劑化作用不同。極性溶劑使精細(xì)結(jié)構(gòu)消失；1：乙醚2：水12250300苯酰丙酮

溶劑的影響非極性→極性極性溶劑使精細(xì)結(jié)構(gòu)消失；1：乙醚225溶劑的選擇溶液具有良好的化學(xué)和光化學(xué)穩(wěn)定性。在溶解度允許的范圍內(nèi)，盡量選擇進(jìn)行較小的溶劑。溶劑在試樣的吸收光譜區(qū)應(yīng)無(wú)明顯吸收。溶劑的選擇溶液具有良好的化學(xué)和光化學(xué)穩(wěn)定性。26

5.5紫外-可見分光光度計(jì)5.5紫外-可見分光光度計(jì)27基本組成光源單色器吸收池檢測(cè)器信號(hào)顯示1.光源在整個(gè)紫外光區(qū)或可見光譜區(qū)可以發(fā)射連續(xù)光譜，具有足夠的輻射強(qiáng)度、較好的穩(wěn)定性、較長(zhǎng)的使用壽命?？梢姽鈪^(qū)：鎢燈作為光源，其輻射波長(zhǎng)范圍在320～2500nm。紫外區(qū)：氫、氘燈。發(fā)射185～400nm的連續(xù)光譜。基本組成光源單色器吸收池檢測(cè)器信號(hào)顯示1.光源可見28

2.單色器

將連續(xù)光源中分離出所需要的足夠窄波段的光束，直接影響光譜通帶，從而影響測(cè)定的靈敏度、選擇性及標(biāo)準(zhǔn)曲線的線性范圍。

①入射狹縫：光源的光由此進(jìn)入單色器；

②準(zhǔn)光裝置：透鏡或返射鏡，使入射光成為平行光束；

③色散元件：棱鏡或光柵，將復(fù)合光分解成單色光；

④聚焦裝置：透鏡或凹面反射鏡，將分光后所得單色光聚焦至出射狹縫；

⑤出射狹縫。2.單色器將連續(xù)光源中分離出所需要的足夠29

3.吸收池：放置各種類型的吸收池（比色皿）和相應(yīng)的池架附件。吸收池主要有石英池和玻璃池兩種。在紫外區(qū)須采用石英池，可見區(qū)一般用玻璃池。4.檢測(cè)器：利用光電效應(yīng)將透過(guò)吸收池的光信號(hào)變成可測(cè)的電信號(hào)，常用的有光電池、光電管或光電倍增管。5.結(jié)果顯示記錄系統(tǒng)檢流計(jì)、數(shù)字顯示、微機(jī)進(jìn)行儀器自動(dòng)控制和結(jié)果處理3.吸收池：放置各種類型的吸收池（比色皿）和相應(yīng)的池架附件30儀器類型儀器類型311.單光束：

簡(jiǎn)單，價(jià)廉，適于在給定波長(zhǎng)處測(cè)量吸光度或透光度，一般不能作全波段光譜掃描，要求光源和檢測(cè)器具有很高的穩(wěn)定性。2.雙光束：自動(dòng)記錄，快速全波段掃描?？上庠床环€(wěn)定、檢測(cè)器靈敏度變化等因素的影響，特別適合于結(jié)構(gòu)分析。儀器復(fù)雜，價(jià)格較高。光路圖詳見下頁(yè)。1.單光束：簡(jiǎn)單，價(jià)廉，適于在給定波長(zhǎng)處測(cè)量吸光度或透光度32光路圖光路圖333.雙波長(zhǎng)：將不同波長(zhǎng)的兩束單色光(λ1、λ2)快束交替通過(guò)同一吸收池而后到達(dá)檢測(cè)器。產(chǎn)生交流信號(hào)ΔA進(jìn)行定量分析。優(yōu)點(diǎn)：無(wú)需參比池，背景完全扣除，提高了測(cè)定的準(zhǔn)確度；雙組分同時(shí)測(cè)定無(wú)需解聯(lián)立方程。3.雙波長(zhǎng)：將不同波長(zhǎng)的兩束單色光(λ1、λ2)快束交替通345.6UV-VIS的應(yīng)用：包括有機(jī)物的定性分析和結(jié)構(gòu)分析；定量分析；測(cè)定某些化合物的物理化學(xué)常數(shù)如絡(luò)合物的絡(luò)合比和穩(wěn)定常數(shù)、氫鍵強(qiáng)度和莫爾質(zhì)量等1.定性分析

max：化合物特性參數(shù)，可作為定性依據(jù)；譜圖反映結(jié)構(gòu)中生色團(tuán)和助色團(tuán)的特性、不飽和度、共軛程度等，但不完全反映分子特性，是結(jié)構(gòu)確定的輔助工具；鑒定步驟：1）提純?cè)嚇樱?）繪制譜圖并初步判斷；3）對(duì)比法進(jìn)行進(jìn)一步鑒定；4）對(duì)照和驗(yàn)證，下結(jié)論。5.6UV-VIS的應(yīng)用：包括有機(jī)物的定性分析和結(jié)構(gòu)分析35有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)輔助解析結(jié)構(gòu)信息（1）200~800nm無(wú)吸收峰。飽和化合物，單烯。（2）

250~350nm有吸收峰（ε=10~100）醛酮n→π*躍遷產(chǎn)生的R帶。（3）210~250nm有強(qiáng)吸收峰（ε104），表明含有一個(gè)共軛體系（K）帶。共軛二烯：K帶（230nm）；不飽和醛酮：K帶230nm，R帶310~330nm260nm,300nm,330nm有強(qiáng)吸收峰，3,4,5個(gè)雙鍵的共軛體系。（4）

250~300nm有中等強(qiáng)度的吸收峰（ε=200~2000），芳環(huán)的特征吸收（具有精細(xì)解構(gòu)的B帶）。有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)輔助解析結(jié)構(gòu)信息36立體結(jié)構(gòu)和互變結(jié)構(gòu)的確定順式：λmax=280nm；εmax=10500反式：λmax=295.5nm；εmax=29000共平面產(chǎn)生最大共軛效應(yīng)，εmax大互變異構(gòu)：酮式：λmax=204nm；無(wú)共軛

烯醇式：λmax=243nm比例依賴于溶劑極性：極性溶劑中酮式與水分子形成氫鍵系統(tǒng)；非極性溶劑中烯醇式存在分之內(nèi)氫鍵。利用定量關(guān)系可測(cè)平衡體系中兩者的相對(duì)含量，從而計(jì)算平衡常數(shù)。立體結(jié)構(gòu)和互變結(jié)構(gòu)的確定順式：λmax=280nm；37應(yīng)用構(gòu)象的判別

叔丁基環(huán)己酮的α鹵元素取代，鹵原子以豎鍵與環(huán)上碳原子相連時(shí)較好共軛實(shí)現(xiàn)n→π*躍遷的能量較低，R吸收帶紅移；而橫鍵形式的實(shí)現(xiàn)n→π*躍遷的能量較高：借此可以判斷豎鍵和橫鍵從而判定構(gòu)型?；衔镏须s質(zhì)的檢查

判斷方法：

待檢測(cè)化合物如自身沒(méi)有明顯吸收，雜質(zhì)有較強(qiáng)吸收時(shí)，可繪制譜圖。待測(cè)物有較強(qiáng)吸收，還可通過(guò)計(jì)算莫爾吸收系數(shù)來(lái)檢查其純度。

應(yīng)用構(gòu)象的判別化合物中雜質(zhì)的檢查38定量分析

依據(jù)：朗伯-比耳定律A=bc一般定量分析法1）單一組分：先繪制譜圖，再選擇λmax，進(jìn)行定量分析。2）多組分若各吸光物質(zhì)的吸收曲線各不重疊，選擇各自的λmax。如相互重疊，利用吸光度的加合性，在各自的λmax處分別測(cè)混合物的吸光度，解聯(lián)立方程。定量分析

依據(jù)：朗伯-比耳定律A=bc一般定39雙波長(zhǎng)分光光度法優(yōu)點(diǎn)：不需參比液；可用于測(cè)定混濁溶液、吸收光譜重疊的混合物。定量分析的依據(jù)：與背景吸收或光散射無(wú)光。雙波長(zhǎng)分光光度法優(yōu)點(diǎn)：不需參比液；可用于測(cè)定混濁溶液、吸收光40選擇波長(zhǎng)組合的條件1）在選定的兩個(gè)波長(zhǎng)出干擾組分應(yīng)具有相同的吸收。2）在選定的兩個(gè)波長(zhǎng)出，待測(cè)組分的吸光度差值應(yīng)足夠大。選擇波長(zhǎng)組合的條件41導(dǎo)數(shù)分光光度法對(duì)吸收曲線進(jìn)行一階或高階求導(dǎo)，就得到各種導(dǎo)數(shù)光譜曲線。吸光度A的導(dǎo)數(shù)值與吸收物質(zhì)的濃度成正比，這是定量分析基礎(chǔ)。隨導(dǎo)數(shù)階數(shù)的增加，譜帶變得尖銳，分辨率提高，檢測(cè)的靈敏度得到提高。導(dǎo)數(shù)分光光度法對(duì)吸收曲線進(jìn)行一階或高階求導(dǎo)，就得到各種導(dǎo)數(shù)光42測(cè)量方法

正切法：畫一條直線正切于兩個(gè)相鄰的極大值或極小值，然后測(cè)量中間值導(dǎo)切線的距離。用于線性背景干擾的試驗(yàn)測(cè)定。

峰谷法：如果基線平坦，通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)極值之間的距離進(jìn)行定量分析。此法較常用。

峰零法：極值到零線之間的垂直距離作為導(dǎo)數(shù)值。適用于信號(hào)對(duì)稱于橫坐標(biāo)的較高階導(dǎo)數(shù)的求值。測(cè)量方法正切法：畫一條直線正切于兩個(gè)相鄰的極大值或極小43優(yōu)點(diǎn)分辨率得到很大的提高：能分辨兩個(gè)或兩個(gè)以上完全重疊或以很小波長(zhǎng)差重疊的吸收峰；能分辨吸光度隨波長(zhǎng)急劇上升時(shí)所掩蓋的弱吸收峰。能確認(rèn)寬闊吸收帶的最大吸收波長(zhǎng)。導(dǎo)數(shù)光譜可消除膠體和懸浮物散射影響和背景吸收。優(yōu)點(diǎn)分辨率得到很大的提高：能分辨兩個(gè)或兩個(gè)以上完全重疊或以很44作業(yè)5.6；5.9；5.14作業(yè)5.6；5.9；5.1445第五章

紫外-可見吸收光譜法第五章

紫外-可見吸收光譜法46(ultraviolet-visibleabsorptionspectrometry，UV-VIS）紫外－可見吸收光譜法：通過(guò)研究溶液中物質(zhì)的分子或離子對(duì)紫外和可見光譜區(qū)輻射能的吸收情況對(duì)物質(zhì)進(jìn)行定性、定量和結(jié)構(gòu)分析的方法。(ultraviolet-visibleabsorptio47紫外吸收光譜：分子價(jià)電子能級(jí)躍遷。波長(zhǎng)范圍：100~800nm.(1)遠(yuǎn)紫外光區(qū):100~200nm(2)近紫外光區(qū):200~400nm(3)可見光區(qū):400~800nm通常區(qū)域：200~750nm250300350400nm1234eλ

可用于結(jié)構(gòu)鑒定和定量分析。

電子躍遷的同時(shí)，伴隨著振動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)的躍遷：帶狀光譜。紫外吸收光譜：分子價(jià)電子能級(jí)躍遷。25030048能級(jí)躍遷

電子能級(jí)間躍遷的同時(shí)，總伴隨有振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)間的躍遷。即電子光譜中總包含有振動(dòng)能級(jí)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)間躍遷產(chǎn)生的若干譜線而呈現(xiàn)寬譜帶。能級(jí)躍遷電子能級(jí)間躍遷的同時(shí)，總伴隨有振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)49分子的內(nèi)能：電子能量Ee、振動(dòng)能量Ev、轉(zhuǎn)動(dòng)能量Er即:E＝Ee+Ev+Er三種能級(jí)都是量子化的，且各自具有相應(yīng)的能量。滿足上式，則微觀上出現(xiàn)分子由較低能級(jí)躍遷氘較高能級(jí)；宏觀體現(xiàn)在透射光的強(qiáng)度變?nèi)酢７肿拥膬?nèi)能：電子能量Ee、振動(dòng)能量Ev、轉(zhuǎn)動(dòng)能量Er50吸收光譜的分類物質(zhì)分子內(nèi)部三種運(yùn)動(dòng)形式：（1）電子相對(duì)于原子核的運(yùn)動(dòng)；（2）原子核在其平衡位置附近的相對(duì)振動(dòng)；（3）分子本身繞其重心的轉(zhuǎn)動(dòng)。分子具有三種不同能級(jí)：電子能級(jí)、振動(dòng)能級(jí)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)三種能級(jí)都是量子化的，且各自具有相應(yīng)的能量。分子的內(nèi)能：電子能量Ee、振動(dòng)能量Ev、轉(zhuǎn)動(dòng)能量Er即:E＝Ee+Ev+Er

ΔΕe>ΔΕv>ΔΕr

吸收光譜的分類物質(zhì)分子內(nèi)部三種運(yùn)動(dòng)形式：51討論：（1）

轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)間的能量差ΔΕr：0.005～0.050eV，躍遷產(chǎn)生吸收光譜位于遠(yuǎn)紅外區(qū)。遠(yuǎn)紅外光譜或分子轉(zhuǎn)動(dòng)光譜；（2）振動(dòng)能級(jí)的能量差ΔΕv約為：0.05～１eV，躍遷產(chǎn)生的吸收光譜位于紅外區(qū)，紅外光譜或分子振動(dòng)光譜；（3）電子能級(jí)的能量差ΔΕe較大1～20eV。電子躍遷產(chǎn)生的吸收光譜在紫外－可見光區(qū)，紫外—可見光譜或分子的電子光譜；討論：（1）轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)間的能量差ΔΕr：0.005～0.0552分子吸收光譜的形狀電子光譜一般包含有若干譜帶系，不同譜帶系相當(dāng)于不同電子能級(jí)的躍遷。一個(gè)譜帶系是由同一電子能級(jí)的能級(jí)躍遷形成的一個(gè)譜帶系含有若干譜帶，不同的譜帶相當(dāng)于同一電子能級(jí)躍遷內(nèi)不同振動(dòng)能級(jí)的躍遷。在同一譜帶內(nèi)包含有若干譜線，每一條線相當(dāng)于轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)的躍遷。振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)數(shù)目很多，觀察到譜帶。分子吸收光譜的形狀電子光譜一般包含有若干譜帶系，不同譜帶系相53吸收光譜的表征波長(zhǎng)為橫坐標(biāo)，吸光度為縱坐標(biāo)的曲線。最大吸收峰；最大吸收波長(zhǎng)λmax;不同濃度的同一種物質(zhì)，其吸收曲線形狀相似，λmax不變，但此處的吸光度差值最大。最小吸收；最小吸收波長(zhǎng)λmin。肩峰；末端吸收：吸收較強(qiáng)但未形成峰形。吸收光譜的表征波長(zhǎng)為橫坐標(biāo)，吸光度為縱坐標(biāo)的曲線。54最大吸收波長(zhǎng)λmax，表示譜帶位置，是分子特征常數(shù)，可推測(cè)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)信息。整個(gè)譜帶的形狀決定于物質(zhì)性質(zhì)，反映分子內(nèi)部能級(jí)分布狀況，是物質(zhì)定性的依據(jù)。最大吸收波長(zhǎng)λmax，表示譜帶位置，是分子特征常數(shù)，可推測(cè)物55光強(qiáng)參數(shù)光強(qiáng)參數(shù)56有機(jī)化合物的紫外—可見吸收光譜是三種電子躍遷的結(jié)果：σ電子、π電子、n電子。分子軌道理論：成鍵軌道—反鍵軌道。當(dāng)外層電子吸收紫外或可見輻射后，就從基態(tài)向激發(fā)態(tài)(反鍵軌道)躍遷。主要有四種躍遷所需能量ΔΕ大小順序?yàn)椋簄→π＊<π→π＊<n→σ＊<σ→σ＊

sp

*s*RKE,BnpE5.2有機(jī)化合物的UV-VIS有機(jī)化合物的紫外—可見吸收光譜是三種電子躍遷的結(jié)果：σ電子、571).σ→σ＊躍遷所需能量最大；σ電子只有吸收遠(yuǎn)紫外光的能量才能發(fā)生躍遷；飽和烷烴的分子吸收光譜出現(xiàn)在遠(yuǎn)紫外區(qū)；吸收波長(zhǎng)λ<200nm；例：甲烷的λmax為125nm,乙烷λmax為135nm。只能被真空紫外分光光度計(jì)檢測(cè)到；特點(diǎn)：作為溶劑使用；sp*s*RKE,BnpE1).σ→σ＊躍遷所需能量最大；σ電子只有吸收遠(yuǎn)紫外582）：n→σ＊躍遷

所需能量較大。吸收波長(zhǎng)為150～250nm，大部分在遠(yuǎn)紫外區(qū)，近紫外區(qū)仍不易觀察到。含非鍵電子的飽和烴衍生物(含N、O、S和鹵素等雜原子)均呈現(xiàn)n→σ*躍遷。2）：n→σ＊躍遷所需能量較大。593）π→π＊躍遷：所需能量較小，吸收波長(zhǎng)處于遠(yuǎn)紫外區(qū)的近紫外端或近紫外區(qū)，εmax一般在104L·mol－1·cm－1以上，屬于強(qiáng)吸收。4）n→π*：躍遷一般在近紫外區(qū)（200~400nm），吸光強(qiáng)度較小。電子躍遷的類型與分子結(jié)構(gòu)及存在的基團(tuán)關(guān)系密切：可根據(jù)分子結(jié)構(gòu)來(lái)推斷可能產(chǎn)生的電子躍遷；根據(jù)紫外吸收帶的波長(zhǎng)及電子躍遷的類型判斷分子中可能存在的基團(tuán)。3）π→π＊躍遷：所需能量較小，吸收波長(zhǎng)處于遠(yuǎn)紫外區(qū)的近紫外605.2.2生色團(tuán)與助色團(tuán)生色團(tuán)：導(dǎo)致化合物在紫外及可見光區(qū)產(chǎn)生吸收的基團(tuán)

最有用的紫外—可見光譜是由π→π＊和n→π＊躍遷產(chǎn)生的。這兩種躍遷均要求有機(jī)物分子中含有不飽和和未成對(duì)電子基團(tuán)。如乙烯基、羰基、亞硝基、偶氮基—N＝N—、乙炔基、腈基—C三N等。助色團(tuán)：

有一些含有n電子的基團(tuán)(如—OH、—OR、—NH２、—NHR、—X等)，它們本身沒(méi)有生色功能(不能吸收λ>200nm的光)，但當(dāng)它們與生色團(tuán)相連時(shí)，就會(huì)發(fā)生n—π共軛作用，增強(qiáng)生色團(tuán)的生色能力(吸收波長(zhǎng)向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，且吸收強(qiáng)度增加)，這樣的基團(tuán)稱為助色團(tuán)。5.2.2生色團(tuán)與助色團(tuán)生色團(tuán)：導(dǎo)致化合物在紫外及可見光區(qū)產(chǎn)61紅移與藍(lán)移有機(jī)化合物的吸收譜帶常常因引入取代基或改變?nèi)軇┦棺畲笪詹ㄩL(zhǎng)λmax和吸收強(qiáng)度發(fā)生變化:

λmax向長(zhǎng)波方向移動(dòng)稱為紅移，向短波方向移動(dòng)稱為藍(lán)移(或紫移)。吸收強(qiáng)度即摩爾吸光系數(shù)ε增大或減小的現(xiàn)象分別稱為增色效應(yīng)或減色效應(yīng)，如圖所示。紅移與藍(lán)移有機(jī)化合物的吸收譜帶常常因引入取代基或改變621）飽和烴及其衍生物：只可產(chǎn)生n→σ＊躍遷。2）不飽和烴及共軛烯烴主要是π→π*躍遷乙烯π→π*躍遷的λmax為162nm，εmax為:1×104L·mol-1·cm－1。K帶——共軛非封閉體系的p

→p*躍遷。共軛降低了躍遷所需能量，吸收峰向長(zhǎng)波移動(dòng)，強(qiáng)度較大。1）飽和烴及其衍生物：只可產(chǎn)生n→σ＊躍遷。63（3）羰基化合物共軛烯烴中的→*①Y=H,Rn→*

180-190nm→*

150-160nm

n→*

275-295nm②Y=-NH2,-OH,-OR等助色基團(tuán)R帶：n→*躍遷時(shí)產(chǎn)生，為判斷醛酮存在的重要依據(jù)。K

K

R

R

n

n

165nm

n

③不飽和醛酮紅移：220-260nm成為K帶。R帶藍(lán)移：310－330nm。特征：K帶吸收強(qiáng)度高，R帶強(qiáng)度低（3）羰基化合物共軛烯烴中的→*①Y=H,R64（4）芳香烴及雜環(huán)化合物苯（苯環(huán)上三個(gè)共扼雙鍵的→*躍遷特征吸收帶；）E1帶180184nm；

=47000E2帶200204nm=7000

B帶230-270nm=200其中B帶為芳香族的重要特征吸收帶，常用于識(shí)別：精細(xì)結(jié)構(gòu)是→*與苯環(huán)振動(dòng)引起；

max（nm）max苯254200甲苯261300間二甲苯2633001，3，5-三甲苯266305六甲苯272300含帶有孤對(duì)電子的取代基時(shí)，由于n→*共軛，

B帶強(qiáng)度增大簡(jiǎn)化，紅移；對(duì)于烷基取代基影響不大。（4）芳香烴及雜環(huán)化合物苯（苯環(huán)上三個(gè)共扼雙鍵的65稠環(huán)芳香族化合物：吸收光譜的最大特點(diǎn)是共軛體系增加，使波長(zhǎng)向紅移動(dòng)，吸收強(qiáng)度增強(qiáng)。稠環(huán)芳香族化合物：665.3.無(wú)機(jī)化合物的UV-VIS

電荷轉(zhuǎn)移躍遷：同時(shí)具有電子給予體和電子接受體的分子，吸收外來(lái)輻射使電子從給體外層軌道向受體軌道躍遷，，所產(chǎn)生的吸收光譜稱為荷移光譜。Mn+—Lb-M(n-1)+—L(b-1)-h[Fe3+CNS-]2+h[Fe2+CNS]2+電子給予體電子接受體許多無(wú)機(jī)絡(luò)合物能產(chǎn)生電荷轉(zhuǎn)移光譜。此類最大特點(diǎn)是莫爾吸收系數(shù)大Fe2+與1,10-鄰二氮菲配合物的紫外吸收光譜屬于此。5.3.無(wú)機(jī)化合物的UV-VIS電荷轉(zhuǎn)移躍遷67配位場(chǎng)躍遷：d-d和f-f躍遷兩種

原理：原本簡(jiǎn)并的5個(gè)d或7個(gè)f軌道在配位體按一定的幾何方向配位在金屬離子周圍時(shí)，分裂為幾組能量不等的d或f軌道。在配體的作用下過(guò)渡金屬離子的d軌道和鑭系、錒系的f軌道裂分，吸收輻射后，產(chǎn)生d一d、f一f躍遷；

必須在配位體的配位場(chǎng)作用下才能產(chǎn)生摩爾吸收系數(shù)ε很小，對(duì)定量分析意義不大，但可用于研究絡(luò)合物的結(jié)構(gòu)。配位場(chǎng)躍遷：d-d和f-f躍遷兩種原理：原本簡(jiǎn)并的5個(gè)d685.4溶劑的影響：吸收波長(zhǎng)非極性極性溶劑

n

np

n<p

n

p

非極性極性溶劑n>pn

→

*躍遷：藍(lán)移；；

→*躍遷：紅移；；

max(正己烷)max(氯仿)max(甲醇)max(水)230238237243n3293153093055.4溶劑的影響：吸收波長(zhǎng)非極性極性n69溶劑的影響非極性→極性n→*躍遷：蘭移；；

→*躍遷：紅移；；原因：n、

、*軌道自身極性不同，極性溶劑的溶劑化作用不同。極性溶劑使精細(xì)結(jié)構(gòu)消失；1：乙醚2：水12250300苯酰丙酮

溶劑的影響非極性→極性極性溶劑使精細(xì)結(jié)構(gòu)消失；1：乙醚270溶劑的選擇溶液具有良好的化學(xué)和光化學(xué)穩(wěn)定性。在溶解度允許的范圍內(nèi)，盡量選擇進(jìn)行較小的溶劑。溶劑在試樣的吸收光譜區(qū)應(yīng)無(wú)明顯吸收。溶劑的選擇溶液具有良好的化學(xué)和光化學(xué)穩(wěn)定性。71

5.5紫外-可見分光光度計(jì)5.5紫外-可見分光光度計(jì)72基本組成光源單色器吸收池檢測(cè)器信號(hào)顯示1.光源在整個(gè)紫外光區(qū)或可見光譜區(qū)可以發(fā)射連續(xù)光譜，具有足夠的輻射強(qiáng)度、較好的穩(wěn)定性、較長(zhǎng)的使用壽命?？梢姽鈪^(qū)：鎢燈作為光源，其輻射波長(zhǎng)范圍在320～2500nm。紫外區(qū)：氫、氘燈。發(fā)射185～400nm的連續(xù)光譜?；窘M成光源單色器吸收池檢測(cè)器信號(hào)顯示1.光源可見73

2.單色器

將連續(xù)光源中分離出所需要的足夠窄波段的光束，直接影響光譜通帶，從而影響測(cè)定的靈敏度、選擇性及標(biāo)準(zhǔn)曲線的線性范圍。

①入射狹縫：光源的光由此進(jìn)入單色器；

②準(zhǔn)光裝置：透鏡或返射鏡，使入射光成為平行光束；

③色散元件：棱鏡或光柵，將復(fù)合光分解成單色光；

④聚焦裝置：透鏡或凹面反射鏡，將分光后所得單色光聚焦至出射狹縫；

⑤出射狹縫。2.單色器將連續(xù)光源中分離出所需要的足夠74

3.吸收池：放置各種類型的吸收池（比色皿）和相應(yīng)的池架附件。吸收池主要有石英池和玻璃池兩種。在紫外區(qū)須采用石英池，可見區(qū)一般用玻璃池。4.檢測(cè)器：利用光電效應(yīng)將透過(guò)吸收池的光信號(hào)變成可測(cè)的電信號(hào)，常用的有光電池、光電管或光電倍增管。5.結(jié)果顯示記錄系統(tǒng)檢流計(jì)、數(shù)字顯示、微機(jī)進(jìn)行儀器自動(dòng)控制和結(jié)果處理3.吸收池：放置各種類型的吸收池（比色皿）和相應(yīng)的池架附件75儀器類型儀器類型761.單光束：

簡(jiǎn)單，價(jià)廉，適于在給定波長(zhǎng)處測(cè)量吸光度或透光度，一般不能作全波段光譜掃描，要求光源和檢測(cè)器具有很高的穩(wěn)定性。2.雙光束：自動(dòng)記錄，快速全波段掃描。可消除光源不穩(wěn)定、檢測(cè)器靈敏度變化等因素的影響，特別適合于結(jié)構(gòu)分析。儀器復(fù)雜，價(jià)格較高。光路圖詳見下頁(yè)。1.單光束：簡(jiǎn)單，價(jià)廉，適于在給定波長(zhǎng)處測(cè)量吸光度或透光度77光路圖光路圖783.雙波長(zhǎng)：將不同波長(zhǎng)的兩束單色光(λ1、λ2)快束交替通過(guò)同一吸收池而后到達(dá)檢測(cè)器。產(chǎn)生交流信號(hào)ΔA進(jìn)行定量分析。優(yōu)點(diǎn)：無(wú)需參比池，背景完全扣除，提高了測(cè)定的準(zhǔn)確度；雙組分同時(shí)測(cè)定無(wú)需解聯(lián)立方程。3.雙波長(zhǎng)：將不同波長(zhǎng)的兩束單色光(λ1、λ2)快束交替通795.6UV-VIS的應(yīng)用：包括有機(jī)物的定性分析和結(jié)構(gòu)分析；定量分析；測(cè)定某些化合物的物理化學(xué)常數(shù)如絡(luò)合物的絡(luò)合比和穩(wěn)定常數(shù)、氫鍵強(qiáng)度和莫爾質(zhì)量等1.定性分析

max：化合物特性參數(shù)，可作為定性依據(jù)；譜圖反映結(jié)構(gòu)中生色團(tuán)和助色團(tuán)的特性、不飽和度、共軛程度等，但不完全反映分子特性，是結(jié)構(gòu)確定的輔助工具；鑒定步驟：1）提純?cè)嚇樱?）繪制譜圖并初步判斷；3）對(duì)比法進(jìn)行進(jìn)一步鑒定；4）對(duì)照和驗(yàn)證，下結(jié)論。5.6UV-VIS的應(yīng)用：包括有機(jī)物的定性分析和結(jié)構(gòu)分析80有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)輔助解析結(jié)構(gòu)信息（1）200~800nm無(wú)吸收峰。飽和化合物，單烯。（2）

250~350nm有吸收峰（ε=10~100）醛酮