第七章 紫外分光光度法

第七章紫外分光光度法第1頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三10-2nm10nm102nm104nm0.1cm10cm103cm105cm射線x射線紫外光紅外光微波無線電波可見光§1光譜概述第2頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三光是一種電磁波，具有波粒二象性。粒子性:

波動性:

（Planck常數(shù)：h=6.626×10-34

J×S)光的波長越短（頻率越高），其能量越大。白光(太陽光)：由各種單色光組成的復(fù)合光單色光:單波長的光(由具有相同能量的光子組成)一.光的基本性質(zhì)1.光的波粒二象性物質(zhì)的粒子性由能量E和動量p刻劃，波的特征則由電磁波頻率ν和其波長λ表達(dá)，這兩組物理量的比例因子由普朗克常數(shù)h（h=6.626*10^-34J·s）所聯(lián)系。第3頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三2.光譜的劃分波譜區(qū)-射線波長5~140pm躍遷類型核能級X-射線遠(yuǎn)紫外光10-3~10nm10~200nm原子內(nèi)層電子近紫外光可見光200~400nm400~750nm原子外層電子/分子成鍵電子波譜區(qū)近紅外光中紅外光波長0.75~2.5m2.5~50m躍遷類型分子振動遠(yuǎn)紅外光微波射頻50~1990m0.1~100cm1~100m分子轉(zhuǎn)動電子、核自旋第4頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三3.光學(xué)分析法的分類光譜法：以光的波長與強(qiáng)度為特征信號的儀器 分析方法.非光譜法：以光輻射的某些性質(zhì)特征信號的儀器分 析方法吸收光譜法、發(fā)射光譜法、散射光譜法折射法、旋光法、圓二色法、比濁法、衍射法第5頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三4．表征光波特性的參數(shù)可以用波長λ、頻率γ、速度c、波數(shù)ω、能量等來表示其特性.波長(λ)：表示相鄰兩個(gè)光波各相應(yīng)點(diǎn)間的直線 距離。波數(shù)(ω)：指在單位長度內(nèi)波的數(shù)目。頻率(γ)：指在1秒時(shí)間內(nèi)經(jīng)過某點(diǎn)的波數(shù)（即每 秒內(nèi)振動的次數(shù)）。能量(E)：光子所具有的能量。第6頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三光的能量與光的波長及頻率之間的關(guān)系為：Ｅ=hγ=hc/λ式中:Ｅ為光的能量；γ為頻率；λ為波長；h為普朗克常數(shù)，6.6256×10-27爾格·秒；c為光速。第7頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三§2紫外-可見光分光光度法基于物質(zhì)的分子對可見和紫外區(qū)域輻射的吸收而進(jìn)行分析的方法,廣泛用于無機(jī)物和有機(jī)化合物的定性、定量分析。紫外-可見吸收光譜波長范圍

遠(yuǎn)紫外光區(qū)(真空紫外區(qū)):100-200nm近紫外光區(qū):200-400nm可見光區(qū):400-800nm第8頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三2.1分子吸收光譜的產(chǎn)生1.物質(zhì)分子內(nèi)部三種運(yùn)動形式：（1）電子相對于原子核的運(yùn)動；（2）原子核在其平衡位置附近的相對振動；（3）分子本身繞其重心的轉(zhuǎn)動。2.對應(yīng)三種能級：電子能級、振動能級和轉(zhuǎn)動能級能量:電子能量Ee、振動能量Ev、轉(zhuǎn)動能量Er

而且:Εe>Εv>Εr

分子能量:E＝Ee+Ev+Er第9頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三第10頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三（1）電子能級:電子的躍遷能約為1-20eV，比分子振動能級差要大幾十倍，所吸收光的波長約為12.5-0.06m，主要在真空紫外到可見光區(qū)，對應(yīng)形成的光譜，稱為電子光譜或紫外、可見吸收光譜(2）振動能級:分子的振動能級差一般在0.05-1eV，需吸收波長約為25-1.25m的紅外光才能產(chǎn)生躍遷。在分子振動時(shí)同時(shí)有分子的轉(zhuǎn)動運(yùn)動。這樣，分子振動產(chǎn)生的吸收光譜中，包括轉(zhuǎn)動光譜，故常稱為振-轉(zhuǎn)光譜。第11頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三討論：（3）轉(zhuǎn)動能級:轉(zhuǎn)動能級間的能量差ΔΕr：0.005～0.050eV，產(chǎn)生此能級的躍遷，需吸收波長約為250-25m的遠(yuǎn)紅外光,吸收光譜位于遠(yuǎn)紅外區(qū)。形成的光譜稱為遠(yuǎn)紅外光譜或分子轉(zhuǎn)動光譜；第12頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三2.2電子躍遷類型

根據(jù)分子軌道理論，有機(jī)分子的分子軌道按能級不同，分為成鍵、非鍵和反鍵軌道；成鍵軌道或反鍵軌道又有π鍵和σ鍵之分。各級軌道能級如圖所示：σ→σ*

σ→π*PxPyPzPxPyPzπ→π*

π→σ*

n→π*n→σ*ππ*σ*σn第13頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三（1）σ→σ*躍遷指處于成鍵軌道上的σ電子吸收光子后被激發(fā)躍遷到σ*反鍵軌道

飽和烴類C-C鍵（2）n→σ*躍遷指分子中處于非鍵軌道上的n電子吸收能量后向σ*反鍵軌道的躍遷

含雜原子飽和基團(tuán)（-OH，-NH2）（3）π→π*躍遷指不飽和鍵中的π電子吸收光波能量后躍遷到π*反鍵軌道。

不飽和基團(tuán)（—C＝C—，—C＝O）（4）n→π*躍遷指分子中處于非鍵軌道上的n電子吸收能量后向π*反鍵軌道的躍遷。含雜原子不飽和基團(tuán)（-C≡N，C＝O)第14頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三圖電子躍遷所處的波長范圍吸收能量的次序?yàn)椋?/p>

σ→σ*＞n→σ*≥π→π*＞n→π*第15頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三2.3基本概念（1）生色團(tuán):分子中能吸收紫外光或可見光的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)叫做生色團(tuán)或色基。象C=C、C=O、C≡C等都是生色團(tuán)。（2）助色團(tuán):有些原子或基團(tuán)，本身不能吸收波長大于200nm的光波，但它與一定的發(fā)色團(tuán)相連時(shí)，發(fā)生p—π共軛作用，則可使發(fā)色團(tuán)所產(chǎn)生的吸收峰向長波長方向移動。并使吸收強(qiáng)度增加，這樣的原子或基團(tuán)叫做助色團(tuán)。特點(diǎn)：助色團(tuán)一般是帶有p電子(非鍵電子對)的基團(tuán)。例如：第16頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三（3）長移和短移(紅移和藍(lán)移)長移:某些有機(jī)化合物因反應(yīng)引入含有非鍵電子對的基團(tuán)使吸收峰向長波長移動的現(xiàn)象稱為長移或紅移（redshift），這些基團(tuán)稱為向紅基團(tuán)；短移:使吸收峰向短波長移動的現(xiàn)象稱為短移或藍(lán)移（blueshift），引起藍(lán)移效應(yīng)的基團(tuán)稱為向藍(lán)基團(tuán)。第17頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三2.4分子結(jié)構(gòu)與紫外吸收光譜1.飽和烴化合物

飽和烴類化合物只含有單鍵（σ鍵），只能產(chǎn)生σ→σ*躍遷，由于電子由σ被躍遷至σ*反鍵所需的能量高，吸收帶位于真空紫外區(qū)，如甲烷和乙烷的吸收帶分別在125nm和135nm。第18頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三2.簡單的不飽和化合物不飽和化合物由于含有π鍵而具有π→π*躍遷，π→π*躍遷能量比σ→σ*小，但對于非共軛的簡單不飽和化合物躍遷能量仍然較高，位于真空紫外區(qū)。最簡單的乙烯化合物，在165nm處有一個(gè)強(qiáng)的吸收帶。當(dāng)烯烴雙鍵上引入助色基團(tuán)時(shí)，π→π*吸收將發(fā)生紅移，甚至移到紫外光區(qū)。原因是助色基團(tuán)中的n電子可以產(chǎn)生p-π共軛，使π→π*躍遷能量降低，烷基可產(chǎn)生超共軛效應(yīng)，也可使吸收紅移，不過這種助色作用很弱。第19頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三3.共軛雙烯

在不飽和烴類分子中，當(dāng)有兩個(gè)以上的雙鍵共軛時(shí)，隨著共軛系統(tǒng)的延長，*躍遷的吸收帶將明顯向長波方向移動，吸收強(qiáng)度也隨之增強(qiáng)。共軛雙鍵愈多，紅移愈顯著，甚至產(chǎn)生顏色。

第20頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三羰基化合物含有C=O基團(tuán)。C=O基團(tuán)主要可產(chǎn)生*、n*、n*三個(gè)吸收帶，落于近紫外或紫外光區(qū).

醛、酮、羧酸及羧酸的衍生物，如酯、酰胺等，都含有羰基。由于醛酮這類物質(zhì)與羧酸及羧酸的衍生物在結(jié)構(gòu)上的差異，因此它們n*吸收帶的光區(qū)稍有不同。4.α，β-不飽和羰基化合物第21頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三5.芳香族化合物

芳香族化合物在近紫外區(qū)顯示特征的吸收光譜，圖2.25是苯在異辛烷中的紫外光譜，吸收帶為：184nm,203.5nm和254nm.第22頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三2.5紫外-可見吸收曲線紫外吸收光譜以波長λ（nm）為橫坐標(biāo)，以吸光度A或吸收系數(shù)ε為縱坐標(biāo)。見下圖，光譜曲線中最大吸收峰所對應(yīng)的波長相當(dāng)于躍遷時(shí)所吸收光線的波長稱為λmax,.紫外—可見吸收曲線第23頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三吸收曲線的討論：①定性依據(jù):同一種物質(zhì)對不同波長光的吸光度不同。吸 光度最大處對應(yīng)的波長稱為最大吸收波長λmax②定量依據(jù):不同濃度的同一種物質(zhì)，其吸收曲線形狀相似,

λmax不變。而對于不同物質(zhì)，它們的吸收曲線 形狀和λmax則不同。第24頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三一.定性分析通過比較未知物與已知標(biāo)準(zhǔn)物的光譜圖,若兩者最大吸收波長相同,吸光系數(shù)也相同,則可初步認(rèn)定兩者是同一種物質(zhì).二.化合物的鑒定 利用紫外光譜可以推導(dǎo)有機(jī)化合物的分子骨架中是否含有共軛結(jié)構(gòu)體系，如C＝C－C＝C、C＝C－C＝O、苯環(huán)等。利用紫外光譜鑒定有機(jī)化合物遠(yuǎn)不如利用紅外光譜有效.2.6紫外可見光度法的應(yīng)用第25頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三分子不飽和度的計(jì)算定義:不飽和度是指分子結(jié)構(gòu)中達(dá)到飽和所缺一價(jià)元素的“對”數(shù)。如：乙烯變成飽和烷烴需要兩個(gè)氫原子，不飽和度為1。計(jì)算：若分子中僅含一，二，三，四價(jià)元素(H，O，N，C)，則可按下式進(jìn)行不飽和度的計(jì)算：

=（2+2n4+n3–n1）/2

n4，n3，n1分別為分子中四價(jià)、三價(jià)、一價(jià)元素?cái)?shù)目。作用：由分子的不飽和度可以推斷分子中含有雙鍵，三鍵，環(huán)，芳環(huán)的數(shù)目，驗(yàn)證譜圖解析的正確性。例：C9H8O2=（2+29

–8）/2=6第26頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三1.Lambert-Beer定律當(dāng)入射光波長一定時(shí)，待測溶液的吸光度A與其濃度和液層厚度成正比，即k為比例系數(shù)，與溶液性質(zhì)、溫度和入射波長有關(guān)。當(dāng)濃度以g/L表示時(shí)，稱a為吸光系數(shù)當(dāng)濃度以mol/L表示時(shí)，稱為摩爾吸光系數(shù)三.定量檢測第27頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三2.透光率與吸光度透光率(透射比）T（Transmittance）A=lg(I0/It)=lg(1/T)=—lgT=Kbc吸光度A(Absorbance）I0It入射光透過光第28頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三吸光度A、透射比T與濃度c

的關(guān)系A(chǔ)T(%)cA=kbc1.00.80.60.40.2100

80

60

40

20第29頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三

用儀器測定時(shí)應(yīng)盡量使溶液透光度值在T%=20～65%(吸光度A=0.70～0.20)。(0.8~0.2)3.最佳讀數(shù)范圍第30頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三1)光源對光源基本要求：足夠光強(qiáng)、穩(wěn)定、連續(xù)輻射且強(qiáng)度隨波長變化小。鎢及碘鎢燈：340-2500nm，多用在可見光區(qū)；氫燈和氘燈：160-375nm，多用在紫外區(qū)?！?紫外-可見分光光度計(jì)3.1紫外可見光度計(jì)儀器組成光源單色器吸收池檢測器第31頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三2)單色器

單色器由色散元件和狹縫組成，常用的色散元件有棱鏡和光柵兩類。單色器作用：獲得半寬度5-10nm的單色光。第32頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三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)須采用石英比色皿，可見區(qū)一般用石英比