第11章 紫外-可見吸收光譜

《儀器分析》課程廈門大學(xué)精品課程儀器分析(含實驗)第十一章ChapterEleventhUltravioletandVisibleAbsorptionSpectrumUltravioletandVisibleSpectrophotometryForShort：UV-VIS紫外-可見吸收光譜法§11.1分子光譜概述

§11.2光吸收定律

§11.3紫外-可見分光光度計

§11.4化合物的電子光譜

§11.5紫外-可見分光光度法的應(yīng)用紫外-可見吸收光譜法第十一章一.分子光譜的產(chǎn)生1.分子的能級§11.1分子光譜概述E2E1E0υ0υ1υ2υ,0υ,1υ,21J023J0231J0231J0231分子紫外吸收光譜分子可見吸收光譜分子紅外吸收光譜分子光譜：連續(xù)光譜帶光譜遠(yuǎn)紅外光譜中紅外光譜紫外-可見光譜２.單重態(tài)與三重態(tài)受激有機分子的電子激發(fā)態(tài)可以歸納為兩種狀態(tài)：基態(tài)激發(fā)態(tài)單重態(tài)激發(fā)態(tài)三重態(tài)激發(fā)態(tài)平均壽命

10-8sec激發(fā)態(tài)平均壽命10-4~1secS0S0S0S1T1二.分子的活化與去活化S0S1T1S2紫外可見吸收光譜外轉(zhuǎn)移紫外可見共振熒光光譜內(nèi)轉(zhuǎn)移熒光系間竄躍磷光反系間竄躍遲滯熒光振動弛豫２.無輻射躍遷的類型振動弛豫:Vr

10-12sec外轉(zhuǎn)移:無輻射躍遷回到基態(tài)內(nèi)轉(zhuǎn)移:S2~S1能級之間有重疊系間竄躍:

S2~T1能級之間有重疊反系間竄躍:由外部獲取能量后T1~

S2１.輻射躍遷的類型共振熒光：10-12sec熒光：10-8sec磷光：1~10-4sec遲滯熒光:102~10-4sec§11.2光吸收定律一.Lambert–Beer定律布格(Bouguer)和朗伯(Lambert)先后于1729年和1760年闡明了光的吸收程度和吸收層厚度的關(guān)系：1852年比耳(Beer)又提出了光的吸收程度和吸收物濃度之間也具有類似的關(guān)系:A

∝

b

A

∝

c二者的結(jié)合稱為朗伯-比耳定律，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：式中：A：吸光度；T:透射率；

b：液層厚度(光程長度)，通常以cm為單位；

c：溶液的摩爾濃度，單位mol·L-1；

ε：摩爾吸光系數(shù)，單位L·mol-1·cm-1；A＝－lgT

＝－

lg（It/I0)=εbc

（動畫）（動畫）１.光吸收定律的表達(dá)式及其含義２.吸光度與透射率A＝-lgT

＝-lg(It/I0)=εbc

T＝10–A=10-εbc

C1.00.50AC100500T%多組分混合體系中，如果各組分分子之間不存在離解、聚合、化學(xué)反應(yīng)等化學(xué)平衡時，其吸光度具有加合性，即：３.吸光度的加合性3.摩爾吸光系數(shù)ε

吸光物質(zhì)的特征常數(shù)ε(λ)；在最大吸收波長λmax處，常以εmax表示。在溫度和介質(zhì)條件一定時，ε

僅與吸光物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)有關(guān)，可作為定性鑒定的參數(shù)；不隨濃度c和光程長度b的改變而改變：ε＝bc

/A。吸光能力與測定靈敏度的度量；

εmax越大表明該物質(zhì)的吸光能力越強，測定的靈敏度越高。

ε>105：超高靈敏；C=A/ε

b

=0.01/105=10-7mol/Lε=(6～10)×104

：高靈敏；C=A/εb=0.01/5×104=2×10-7mol/Lε<104：不靈敏。C=A/εb=0.01/104=10-6mol/Lε

在數(shù)值上等于濃度為1mol/L、液層厚度為1cm時該溶液在某一波長下的吸光度。Uv-vis

吸收曲線A＝-lgT

＝εbc

４.吸光系數(shù)的幾種表示方法

C---mol/Lε---摩爾吸光系數(shù)

L·mol–1·cm-1C--g/La---吸光系數(shù)

L·g–1·cm-1C--g/100mLE1%1cm---比吸光系數(shù)100mL·g–1·cm-1、a、E1%1cm之間的相互換算：二.Beer定律的的局限性１.儀器偏離單色光Lambert–Beer定律的前提條件之一是入射光為單色光。

但實際上難以獲得真正意義上的純單色光。分光光度計只能獲得近乎單色的狹窄光普通帶。復(fù)合光可導(dǎo)致對朗伯-比耳定律的正或負(fù)偏離。1.00.50AC正偏離負(fù)偏離２.濃度的限制稀溶液Beer定律的假定：所有的吸光質(zhì)點之間不發(fā)生相互作用；假定只有在稀溶液(C<10-2mol/L)時才基本符合。當(dāng)溶液濃度C>10-2mol/L時，吸光質(zhì)點間可能發(fā)生締合等相互作用，直接影響了對光的吸收。溶液中存在著離解、聚合、互變異構(gòu)、配合物的形成等化學(xué)平衡時。使吸光質(zhì)點的濃度發(fā)生變化，影響吸光度。e.g.鉻酸鹽或重鉻酸鹽溶液中存在下列平衡：CrＯ42-＋2H＋

=Cr2Ｏ72-＋H2Ｏ

CrＯ42-、Cr2Ｏ72-的吸光性質(zhì)不同，即ε(λ)不同。此時溶液pH對測定有重要影響。３.化學(xué)偏離恒定的化學(xué)環(huán)境e.g.光吸收定律的假定：溶液必須使均相體系。膠體、乳膠、懸浮物、沉淀等非均相體系產(chǎn)生的光散射會引起對朗伯-比耳定律的偏離。４.非均相體系偏離真溶液４.最佳的吸光度測量范圍-ln

T

＝εbC

d[lnT]＝-εbd

C

0.4343d

T/T＝-εbd

C

d

C/C=

0.4343d

T/(T

lgT)A=-lgT

＝0.4343T＝0.368△

C/C×100

=

0.4343△

T/(T

lgT)×100=

0.4343×(±0.01)/[0.368×(-0.4343)]×100=±2.7%最佳的吸光度范圍：A＝0.2~0.8當(dāng)△

T=±0.01，即透射率的測量誤差為1%時：△

T=0.01△

T=0.01△

T=0.005△

T=0.005△

T=0.001△

T=0.001△

T=0.0005△

T=0.0005△

T=0.0001△

T=0.0001最佳的吸光度范圍A＝0.2~0.8d

C/C=

0.4343d

T/(T

lgT)三.吸收光譜的表示方法1.logε~λnm(或埃)

1232.logε~波數(shù)/cm-1

3.logε~頻率/sec-1

菲的吸收光譜4.ε~λnm(或埃)5.A~λnm(或埃)最常用的譜圖6.T~λnm(或埃)456菲的吸收光譜§11.4紫外-可見分光光度計一.主要組成及部件的功能1.工作原理基儀器結(jié)構(gòu)框圖光源碘鎢燈氘燈單色器測量池參比池樣品池光電倍增管數(shù)據(jù)處理和儀器控制光源樣品池單色器檢測器數(shù)據(jù)處理儀器控制二.光源（輻射源）1.光源的要求：發(fā)射強度足夠且穩(wěn)定的連續(xù)光譜;光輻射強度隨波長的變化小;有足夠的使用壽命．鎢燈（鎢的熔點為3680K）；

波長范圍：320~2500nm；

工作溫度：3000K；

Ihv∝

V3~4．2.白熾光源常用類型：白熾光源與氣體放電光源．鹵鎢燈：在鎢燈中加入鹵化物提高白熾燈的使用壽命．3.氣體放電光源氫弧燈（氫燈）：波長范圍：165~350nm；氫氣壓力：0.2~5mmHg。氘燈：內(nèi)充氣為氘輻射強度比起氫燈達(dá)3~5倍。三.單色器:平面衍射光柵四.檢測器：PMT-前面已經(jīng)介紹光源碘鎢燈氘燈單色器測量池CCD檢測器數(shù)據(jù)處理和儀器控制CCD光二極管陣列檢測器五.測量池：液池、樣品池、比色皿。1.吸收池的材料玻璃360nm2.25mm石英200nm2.5mm2.吸收池的形狀波長范圍3.使用注意事項容易破碎可拆卸圓形測量池兩面透光圓形測量池兩面透光1cm長方形測量池兩面透光氣體測量池兩面透光微量測量池兩面透光流動測量池兩面透光六.紫外-可見分光光度計儀器的類型1.單光束分光光度計單光束動畫優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉．缺點：受光源、檢測器的波動影響：不能自動記錄吸收光譜。問題：請扼要敘述在非掃描型（單光束）的紫外-可見分光光度計上，人工繪制吸光物質(zhì)的UV-VIS吸收光譜過程中需要注意的事項。類型動畫波長增量的選擇；改變波長都要用參比溶液調(diào)節(jié)T=100%；固定光譜通帶與儀器參數(shù)；選擇合適的溶液濃度與參比。2.雙光束分光光度計雙光束動畫優(yōu)點：能自動記錄吸收光譜（自動掃描）；比切光器的頻率慢的光源、檢測器的波動不影響；是目前用得最多的分光光度計．雙波長動畫優(yōu)點：可以測定較高濃度的樣品溶液；可以扣除背景吸收（樣品池、渾濁等）；比切光器的頻率慢的光源、檢測器的波動不影響；導(dǎo)數(shù)吸收光譜曲線（

=1~2nm)。3.雙波長分光光度計

A

A/

雙波長分紫外-可見吸收光譜§11.３化合物的電子光譜一.有機化合物的電子光譜１.躍遷類型CCCCσσ*σ→σ*

σ→π*Px

Py

PzPx

Py

PzCCCCππ*π→π*

π→σ*

n→π*n→σ*ππ*σ*σnA.σ→σ*：一般發(fā)生在遠(yuǎn)紫外線區(qū)，飽和烴類C-C鍵B.

π→π*：發(fā)生在近紫外線區(qū)~200nmC.

n→σ*：發(fā)生在遠(yuǎn)、近紫外線區(qū)之間150nm~250nmC—X鍵，X—S、N、O、Cl、Br、I等雜原子甲烷：λmax=125nm乙烷：λmax=135nm因此該類化合物的紫外-可見吸收光譜應(yīng)用價值很小。CH2=CH2：λmax=165nm、CH≡CH：λmax=173nm但是隨著共扼體系的增大或雜原子的取代，λmax向長波移動;εmax≥104，是強吸收帶。CH3OH：λmax=183nm、CH3NH：λmax=213nm但是大多數(shù)吸收峰λmax小于200nm。

D.

n→π*

：發(fā)生在近紫外線區(qū)與可見光區(qū)之間，是生色團(tuán)中的未成鍵孤對電子向π*軌道躍遷。屬于禁阻助躍遷，εmax＜

100，是弱吸收帶。

E.

電荷遷移躍遷

：電子從給予體向與接受體相聯(lián)系的軌道上躍遷，發(fā)生在近紫外線區(qū)與可見光區(qū)之間。NCH3CH3－+hvhvCRO+_吸收譜帶較寬、吸收強度大、εmax≥104，是強吸收帶。電子接受體電子接受體電子給予體電子給予體A.生色團(tuán)(chromophore)2.一些常用名詞是指分子中產(chǎn)生吸收帶的主要官能團(tuán)；吸收帶的λmax＞210nm,屬于π→π*

、n→π*等躍遷類型。生色團(tuán)為不飽和基團(tuán)：C=C、N=O、C=O、C=S等；生色團(tuán)吸收帶的位置受相鄰取代基或溶劑效應(yīng)的影響，吸收峰向長波或短波移動。B.助色團(tuán)(auxochrome)是指分子中的一些帶有非成鍵電子對的基團(tuán)本身在紫外-可見光區(qū)不產(chǎn)生吸收，但是當(dāng)它與生色團(tuán)連接后，使生色團(tuán)的吸收帶向長波移動，且吸收強度增大。-OH、-OR、-NHR、-SH、-Cl、-Br、-IC.紅移(redshiftorbathochromicshift)是指一些帶有非成鍵電子對的基團(tuán)與生色團(tuán)連接后，使生色團(tuán)的吸收帶向長波移動，這種效應(yīng)成為紅移，該基團(tuán)稱為紅移基團(tuán)：-OH、-OR、-NH2、-NR2、-SH、-SR、-Cl、-BrE.溶劑的極性效應(yīng)溶劑的極性不同也會引起某些化合物的吸收帶紅移或藍(lán)移，這種作用稱為溶劑效應(yīng)。ππ*nππ*n△

En→π*

△

Eπ→π*

△

En→π*

△

Eπ→π*

無溶劑化作用有溶劑化作用藍(lán)移:△

En→π*

＜△

En→π*紅移:△

Eπ→π*

＞△

Eπ→π*正己烷CHCl3CH3OHH2Oπ→π*

λmax/nm230238237243n→π*λmax/nm329315309305亞異丙酮的溶劑效應(yīng)D.藍(lán)移(hypsochromicshift)是指一些基團(tuán)與某些生色團(tuán)(C=O)連接后，使生色團(tuán)的吸收帶向短波移動，這種效應(yīng)成為藍(lán)移，該基團(tuán)稱為藍(lán)移基團(tuán)：-CH3、-CH2CH3、-O-COCH3A.飽和烴及其衍生物：σ→σ*、n→σ*3.有機化合物的電子光譜直接用烷烴獲鹵代烴的吸收光譜來分析這些化合物的實用價值不大，是極好的溶劑。σ→σ*：λmax＜150nmn→σ*H2OCH3CICH3BrCH3Iλmax/nm：167173204258取代元素的極性B.不飽和烴及共軛烯烴：σ→σ*、π→π*

(K

吸收帶)化合物1,3-丁二烯1,3,5-己三烯1,3,5,7-辛四烯1,3,5,7,9-葵五烯1,3,5,7,9-,11十六烷基六烯λmax/nm217268304334364εmax21,00043,000121,000138,000C.羰基化合物：

n→π*(R

吸收帶)、n→σ*、π→π*

醛、酮:n→π*λmax~270~300nmεmax~10-20α,β不飽和醛酮:n→π*λmax~310-330nmεmax~10~20

π→π*λmax~220-260nmεmax~10000羧酸及其衍生物:n→π*

存在助色團(tuán)：-OH、-OR、-NH2、-Cl

形成n→π共軛，π軌道降低，π*軌道能量升高

n軌道能量不受影響，因此n→π*藍(lán)移λmax~210nm識別α,β不飽和醛酮D.Woodward規(guī)則

計算共軛二烯、多烯烴、共軛烯酮類化合物的π→π*

最大吸收波長的Woodward經(jīng)驗規(guī)則。共軛雙鍵λ=30nm

同環(huán)二烯λ=253nm

環(huán)外雙鍵λ=5nm

烷基取代基λ=5nm

烷基取代基λ=5nm

烷基取代基λ=5nm

同環(huán)二烯λ=253nm共軛雙鍵λ=30nm環(huán)外雙鍵λ=5nm烷基取代基λ=3×5nm計算值：λmax

=303nm測定值：λmax

=306nm膽甾-2,4,6-三烯異環(huán)二烯λ=214nm

環(huán)外雙鍵λ=5nm

烷基取代基λ=5nm

烷基取代基λ=5nm

烷基取代基λ=5nm

異環(huán)二烯λ=214nm環(huán)外雙鍵λ=5nm烷基取代基λ=3×5nm計算值：λmax

=234nm測定值：λmax

=234nmα位烷基取代基λ=10nm

α,β-烯酮λ=215nm同環(huán)二烯λ=39nm共軛雙鍵λ=30nm

環(huán)外雙鍵λ=5nmα位烷基取代基λ=10nmδ位烷基取代基λ=18nm計算值：λmax

=317nm測定值：λmax

=314nm計算共軛烯酮的Woodward經(jīng)驗規(guī)則。α,β-烯酮λ=215nm

共軛雙鍵λ=30nm

同環(huán)二烯λ=39nm

環(huán)外雙鍵λ=5nm

δ位烷基取代基λ=18nm

膽甾-2,4-二烯-6-酮E.苯及其衍生物：π→π*

λmax~180nmεmax~60000λmax~204nmεmax~800λmax~255nmεmax~200化合物λmaxnmεmax×104λmaxnmεmax×103λmaxnmεmax苯1846.82048.8254250甲苯1895.52087.9262260苯甲酸23010270800苯甲醛33055242142801400苯乙烯24815282740F.Scott規(guī)則

計算芳香族羰基衍生物的π→π*

最大吸收波長的經(jīng)驗規(guī)則。PhCOR母體λ=246nm對位-OH取代基λ=25nm間位-OH取代基λ=7nm計算值：λmax

=278nm測定值：λmax

=279nm間位-OH取代基λ=7nm

PhCOR母體λ=246nm

對位-OH取代基λ=25nm

PhCOR母體λ=246nm

間位-Br取代基λ=2nm

鄰位-烷取代基λ=3nm

PhCOR母體λ=246nm鄰位-烷取代基λ=3nm間位-Br取代基λ=2nm計算值：λmax

=251nm測定值：λmax

=248nm二.無機化合物的電子光譜

1.

電荷遷移躍遷

：與有機物類似，電子從給予體向與接受體相聯(lián)系的軌道上躍遷，發(fā)生在近紫外線區(qū)與可見光區(qū)之間。hvhv電子接受體電子給予體Mn+____Lb-M(n-1)+____L(b-1)-Cl-____(H2O)nCl____(H2O)n-

hvFe3+____OH-hv[Fe3+____CNS-]2+Fe2+____OH[Fe2+____CNS]2+εmax≥104，是強吸收帶2.配位體場躍遷A.f

→f躍遷鑭系------4f錒系------5f由于f軌道被具有高量子數(shù)的外層軌道所屏蔽，受外界影響較小，并且不易受外層電子有關(guān)的鍵合性質(zhì)的影響。εmax＜

100，是弱吸收帶因此，呈現(xiàn)窄帶吸收B.d

→d躍遷一.定性分析1.定性分析的依據(jù)§11.5紫外-可見分光光度法的應(yīng)用定性分析、結(jié)構(gòu)分析、定量分析物理化學(xué)參數(shù)的測定：分子量、配合物的配合比與穩(wěn)定參數(shù)、酸堿離解常數(shù)、化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)常數(shù)等.2.定性分析方法吸收光譜的形狀

吸收峰的數(shù)目

εmax(λ)λmaxA.用經(jīng)驗規(guī)則計算λmax與測定的λmax比較Woodward規(guī)則：計算共軛二烯、多烯烴、共軛烯酮類化合物的π→π*

最大吸收波長的經(jīng)驗規(guī)則。Scott規(guī)則：計算芳香族羰基衍生物的π→π*

最大吸收波長的經(jīng)驗規(guī)則。定性分析方法缺陷：只能定性分析化合物所具有的生色團(tuán)與助色團(tuán)；光譜信息在紫外-可見光譜范圍重疊現(xiàn)象嚴(yán)重。Sadtler.

SdandardSpectra(Ultraviolet).Heyden,London,1978.

共收集了46000種化合物的紫外吸收光譜R.A.FriedelandM.Orchin,UltravioletSpectraofAromaticCompounds,Wiley,NewYork,1951.

共收集了579種芳香化合物的紫外吸收光譜Kenzo.Hirayama,HandbookofUltravioletandVisibleAbsorptionSpectraofOrganicCompounds,NewYork,Plenum,1967.M.J.Kamlet,OrganicElectronicSpectraData,Vol.1,1946~1952,Interscience,1960.與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)吸收光譜的比較：B.比較吸收光譜與標(biāo)準(zhǔn)吸收光譜譜圖的比較：比較未知物與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)在相同化學(xué)環(huán)境與測量條件下的紫外-可見吸收光譜，若吸收光譜的形狀、吸收峰的數(shù)目、

ε