第1节紫外吸收光谱基本原理教材课件

第第5章章 紫外紫外-可见可见吸收吸收光谱法光谱法一、紫外一、紫外可见可见吸收光谱吸收光谱UV-VIS absorption spectrometry 二、有机物紫外二、有机物紫外可见可见吸收光谱吸收光谱UV-VIS absorption spectrometry of organic compounds三、无机物紫外三、无机物紫外可见可见吸收光谱吸收光谱UV-VIS absorption spectrometry of inorganic compounds四、溶剂对电子光谱的影响四、溶剂对电子光谱的影响第1节 紫外可见吸收光谱分析基本原理Ultraviolet visible absorption spectrometryprinciples of UV-VIS2024/7/12紫外紫外-可见吸收光谱法可见吸收光谱法Ultraviolet-visible absorption spectrometry,UV-VIS定义：定义：紫外紫外-可见吸收光谱法是通过测定化合物分可见吸收光谱法是通过测定化合物分子对紫外子对紫外-可见光的选择性吸收来对物质进行定可见光的选择性吸收来对物质进行定性、定量分析的方法，又称为紫外性、定量分析的方法，又称为紫外-可见分光光可见分光光度法。度法。2024/7/12一、紫外一、紫外-可见吸收光谱可见吸收光谱 UV-VIS absorption spectrometry波长范围：波长范围：190 750 nm。其中其中190400nm为为紫外光区紫外光区，400750nm为可见光区为可见光区 250 300 350 400nm1234e e1.1.光谱波长范围光谱波长范围 紫外紫外-可见吸收光谱主要是由分子中的价电子能级跃迁可见吸收光谱主要是由分子中的价电子能级跃迁产生，故也称为电子光谱。属于产生，故也称为电子光谱。属于带状光谱。带状光谱。2024/7/122.2.物质对光的选择性吸收及吸收曲线物质对光的选择性吸收及吸收曲线M +热热M+荧光或磷光荧光或磷光选择性吸收的条件选择性吸收的条件：普朗克公式：普朗克公式 E=E2E1=h 量子化量子化M +h M*基态基态激发态激发态 E1 E22024/7/12用不同波长的单色光照射试样进行测定，用不同波长的单色光照射试样进行测定，以入射光以入射光的波长的波长 为横坐标，以吸光度为横坐标，以吸光度A为纵坐标为纵坐标可绘制得其吸可绘制得其吸收曲线，又称吸收光谱收曲线，又称吸收光谱。吸收曲线吸收曲线2024/7/12吸收曲线的讨论吸收曲线的讨论 同一物质对不同波长光的吸光度不同，最大吸收峰所对应同一物质对不同波长光的吸光度不同，最大吸收峰所对应的波长称为的波长称为最大吸收波长最大吸收波长 max，相应的摩尔吸光系数称为，相应的摩尔吸光系数称为最最大摩尔吸光系数大摩尔吸光系数 max(或或 max)。对于不同物质，它们的吸收曲线形状、对于不同物质，它们的吸收曲线形状、max和和 max一般不一般不相同，相同，据此可作为物质据此可作为物质定性分析的依据定性分析的依据。2024/7/12讨论讨论 同一物质，同一物质，浓度浓度不同时不同时，其吸收曲线形状相似，其吸收曲线形状相似，max不不变。浓度越大，吸光度也越大，此特性可作为物质变。浓度越大，吸光度也越大，此特性可作为物质定量分定量分析的依据析的依据。在在 max处吸光度随浓度变化的幅度最大，测定最灵敏。处吸光度随浓度变化的幅度最大，测定最灵敏。因此，因此，max常作为定量分析的波长，常作为定量分析的波长，max作为测定灵敏度作为测定灵敏度的依据。的依据。2024/7/123.3.电子跃迁与分子吸收光谱电子跃迁与分子吸收光谱 物质分子内部的三种运动形式：物质分子内部的三种运动形式：（1）电子相对于原子核的运动；）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；）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。）分子本身绕其重心的转动。相对应的三种能级：相对应的三种能级：电子能级电子能级Ee、振动能级、振动能级Ev和转动能级和转动能级Er 三种能级的能级差：三种能级的能级差：Ee(120eV)Ev(0.051eV)Er(0.0050.050eV)2024/7/12电子能级电子能级在每一电子在每一电子能级中包含有若能级中包含有若干振动能级，在干振动能级，在每一振动能级中每一振动能级中又包含有若干转又包含有若干转动能级。动能级。2024/7/12（1）纯转动能级跃迁产生的吸收光谱位于远红外和微波区；）纯转动能级跃迁产生的吸收光谱位于远红外和微波区；由分子振动能级和转动能级跃迁而产生的吸收光谱位于红由分子振动能级和转动能级跃迁而产生的吸收光谱位于红外区，称为外区，称为红外吸收光谱或振动转动光谱红外吸收光谱或振动转动光谱；（2）由电子能级跃迁而产生的吸收光谱位于紫外由电子能级跃迁而产生的吸收光谱位于紫外可见光可见光区，称为区，称为紫外紫外可见吸收光谱或电子光谱可见吸收光谱或电子光谱；（3）在电子能级跃迁时必然伴随着振动能级和转动能级的）在电子能级跃迁时必然伴随着振动能级和转动能级的跃迁，振动能级和转动能级的间隔很小，所以一般观察到跃迁，振动能级和转动能级的间隔很小，所以一般观察到的电子光谱为的电子光谱为带状带状光谱光谱。电子跃迁与分子吸收光谱电子跃迁与分子吸收光谱2024/7/124.Lambert-Beer定律定律当一束平行单色光通过厚度为当一束平行单色光通过厚度为b的介质后，光减弱的强度为的介质后，光减弱的强度为经积分，推导得经积分，推导得(见见P214)或或这就是朗伯这就是朗伯-比尔定律，它是吸收光谱法定量分析的基础。比尔定律，它是吸收光谱法定量分析的基础。2024/7/12或或 A=b c 式中式中b 为液层厚度，为液层厚度，cmc 为浓度，为浓度，g/L，或，或mol/La 为吸收系数，为吸收系数，L/(gcm)()为摩尔吸收系数为摩尔吸收系数，L/(molcm)2024/7/12当当B1时，时，则则 最大值约为最大值约为105 L/molcm；当当A=0.0044时，时，检出下限检出下限为为 c=A/b=4.410-8 mol/L；当当M=100时，时，c=4.4 x 10-6 g/L，相当于相当于ppb数数量级。量级。由量子化学理论推导，可得由量子化学理论推导，可得灵敏度指标灵敏度指标灵敏度指标灵敏度指标 =8.71019 Ba式中式中B为为跃迁几率；跃迁几率；a为分子截面积为分子截面积(cm2)，一般有机物分子一般有机物分子平均为平均为10-15 cm2。设设b=1cm紫外紫外可见吸收光谱法的灵敏度和可见吸收光谱法的灵敏度和检出下限检出下限2024/7/12 彼此间无相互作用的多组分体系的总吸光度是各物质彼此间无相互作用的多组分体系的总吸光度是各物质吸光度的总和：吸光度的总和：A=A1+A2 +An =1bc1+2bc2 +nbcn 5.5.比尔定律的加和性比尔定律的加和性 均一溶液，稀溶液均一溶液，稀溶液 入射光为单色光入射光为单色光 溶液界面无反射，光度计内无杂散光（溶液界面无反射，光度计内无杂散光（stray light）溶液为真溶液（无溶质、溶剂及悬浊物引起的散射）溶液为真溶液（无溶质、溶剂及悬浊物引起的散射）吸收过程中，吸收物质的行为互不相关吸收过程中，吸收物质的行为互不相关6.6.比尔定律成立的条件比尔定律成立的条件2024/7/12a)由于分子间的相互作用。高浓度时，吸由于分子间的相互作用。高浓度时，吸收质点靠得很近，会互相影响对方的电荷收质点靠得很近，会互相影响对方的电荷分布，使吸收质点对某一给定波长光的吸分布，使吸收质点对某一给定波长光的吸收能力改变，从而偏离比尔定律。收能力改变，从而偏离比尔定律。7.7.偏离比尔定律的原因偏离比尔定律的原因(局限性局限性)(1)物理因素的影响物理因素的影响 溶液浓度高时偏离溶液浓度高时偏离比尔定律，原因是：比尔定律，原因是：b)与折射率有关与折射率有关(诱电场效应诱电场效应)，若溶液浓度改变引起折射，若溶液浓度改变引起折射率变化很大时，会产生对比尔定律的偏离。率变化很大时，会产生对比尔定律的偏离。2024/7/12 待测物解离、缔合、生成络合物或溶剂化等都会对比尔待测物解离、缔合、生成络合物或溶剂化等都会对比尔定律产生偏离。只有在等吸收点定律产生偏离。只有在等吸收点(isosbestic point)时才符时才符合比尔定律。合比尔定律。(2)(2)化学因素的影响化学因素的影响稀释溶液或改变溶液稀释溶液或改变溶液pH值时，会产生对比尔定律的偏离。值时，会产生对比尔定律的偏离。例如例如 重铬酸根的电离平衡重铬酸根的电离平衡 Cr2O72-+H2O 2 HCrO4-2 CrO42-+2H+2024/7/12 实际上很难获得实际上很难获得纯粹纯粹单色单色光光，入射光总入射光总是有一定的宽度。是有一定的宽度。设分光后含设分光后含 1和和 2两个波长的光，对应两个波长的光，对应 1和和 2 (3)(3)仪器因素的影响仪器因素的影响a)非单色光的影响非单色光的影响可见，只有当可见，只有当 1=2 时，得到时，得到 A=bc，呈线性关系。，呈线性关系。2024/7/12 b)杂散光的影响杂散光的影响 无杂散光时，无杂散光时，A=log(I0/I)有杂散光时，吸光度有杂散光时，吸光度 A=log(I0+Is)/(I+Is)，Is为杂散为杂散光强度。被测物浓度增大时，光强度。被测物浓度增大时，I 减小，当减小，当IIs时，时，A=log(I0+Is)/Is，A A，对比尔定律产生负偏离对比尔定律产生负偏离。当当 220 nm或在可见或在可见光光区测量区测量时时，杂散光的影响，杂散光的影响较较严重。严重。2024/7/12(4)(4)其他影响因素其他影响因素溶剂溶剂：I2-四氯化碳（呈紫色）；四氯化碳（呈紫色）；I2-乙醇（呈棕色）乙醇（呈棕色）光效应光效应：散射（胶态溶液）、荧光等散射（胶态溶液）、荧光等2024/7/12二、有机二、有机化合化合物物的的紫外紫外-可见吸收光谱可见吸收光谱生色团：生色团：一般将含有不饱和键的基团称为生色团一般将含有不饱和键的基团称为生色团(发色团发色团)。简单的生色团由双键或叁键体系组成，如乙烯基、羰基、亚简单的生色团由双键或叁键体系组成，如乙烯基、羰基、亚硝基、偶氮基硝基、偶氮基NN、乙炔基、腈基乙炔基、腈基CN等。等。助色团：助色团：是指本身没有生色功能，但与生色团相连时，能使是指本身没有生色功能，但与生色团相连时，能使生色团的吸收波长向长波方向移动，且吸收强度增加，这样生色团的吸收波长向长波方向移动，且吸收强度增加，这样的基团称为助色团。助色团一般是含杂原子的饱和基团，如的基团称为助色团。助色团一般是含杂原子的饱和基团，如OH、OR、NH2、NHR、Cl等。等。常用术语常用术语2024/7/12红移和蓝移；增色和减色效应红移和蓝移；增色和减色效应红移：红移：maxmax向长波方向移动；向长波方向移动；蓝移蓝移(紫移紫移)：maxmax向短波方向向短波方向移动；移动；增色效应增色效应：吸收强度：吸收强度()增大增大的现象；的现象；减色效应减色效应：吸收强度：吸收强度()减小减小的现象。如图所示的现象。如图所示 有机化合物的吸收谱带常常因引入取代基或改变溶剂有机化合物的吸收谱带常常因引入取代基或改变溶剂，使使最大吸收波长最大吸收波长 maxmax和吸收强度发生变化和吸收强度发生变化。2024/7/12有机化合物电子跃迁的类型有机化合物电子跃迁的类型 从化学键的性质来看，有机化合物的紫外从化学键的性质来看，有机化合物的紫外-可见吸收光可见吸收光谱是三种谱是三种价价电子跃迁的结果：电子跃迁的结果：单键的单键的电子、不饱和键的电子、不饱和键的电子、未成键电子、未成键n电子电子。分子轨道理论分子轨道理论成键轨道：成键轨道：，；非键轨道：；非键轨道：n；反键轨道：反键轨道：，能级高低次序：能级高低次序：n *RKE,Bn ECOHn H2024/7/12 当吸收紫外或可见辐射后，处在较低能级的当吸收紫外或可见辐射后，处在较低能级的价价电子就跃电子就跃迁到较高的能级。可能产生迁到较高的能级。可能产生6 6种形式的电子跃迁，即种形式的电子跃迁，即、n、n *RKE,Bn E但其中但其中、跃迁跃迁的的几率很小几率很小，一般都不考虑。，一般都不考虑。2024/7/121 1.跃迁跃迁 所需能量最大，分子吸收光谱出现在所需能量最大，分子吸收光谱出现在远紫外区远紫外区，吸收波，吸收波长长 max 160 nm，超出一般分光光度计的测量范围。饱和烷，超出一般分光光度计的测量范围。饱和烷烃中的烃中的C-C键属于这类跃迁。键属于这类跃迁。例：甲烷的例：甲烷的 max为为125nm，乙烷，乙烷 max为为135nm。*RKE,Bn E 由于在由于在190800nm无吸收无吸收带，所以饱和烷烃在紫外可见带，所以饱和烷烃在紫外可见吸收光谱分析中常作为溶剂。吸收光谱分析中常作为溶剂。2024/7/122.2.n跃迁跃迁 吸收波长吸收波长 max为为160260nm，吸收光谱出现在远紫外吸收光谱出现在远紫外区和近紫外区区和近紫外区，属于禁阻跃迁，属于禁阻跃迁，max较小。较小。某些含某些含N、O、S和卤素等杂原子的饱和烃衍生物均呈现和卤素等杂原子的饱和烃衍生物均呈现n 跃迁。跃迁。2024/7/123.3.跃迁跃迁 跃迁所需能量较小，在非封闭共轭体系中，该跃迁产生的跃迁所需能量较小，在非封闭共轭体系中，该跃迁产生的吸收光谱称为吸收光谱称为K吸收带，吸收光谱吸收带，吸收光谱 max一般位于一般位于200500nm，max一般在一般在104 Lmol-1cm-1以上，属于强吸收。以上，属于强吸收。含有含有 电子的电子的基团，如基团，如CC、CO、CS等，会发生等，会发生 跃迁。跃迁。2024/7/124.4.n *跃迁跃迁 跃迁所需能量最小，吸收光谱跃迁所需能量最小，吸收光谱 max一般在一般在250600nm，该，该跃迁产生的吸收光谱称为跃迁产生的吸收光谱称为R吸收带。吸收带。属于禁阻跃迁，一般属于禁阻跃迁，一般 max100 Lmol-1cm-1，是弱吸收。，是弱吸收。某些含某些含N、O、S和卤素等杂原子的不饱和基团，如和卤素等杂原子的不饱和基团，如CO、CS、NN、NO等，会发生等，会发生n 跃迁。跃迁。2024/7/121.饱和碳氢化合物饱和碳氢化合物 只有只有*跃迁。如：跃迁。如：CH4 125nm；C2H6 135nm2.含杂原子的饱和化合物含杂原子的饱和化合物 有有*，n*跃迁。如跃迁。如 在远紫外区，对可见在远紫外区，对可见-紫外光透明，可做溶剂。紫外光透明，可做溶剂。饱和化合物饱和化合物2024/7/12（1）烯烃）烯烃 C=C发色基团，一般发色基团，一般 *跃迁的吸收峰跃迁的吸收峰 200nm。例如例如乙烯乙烯 *跃迁的跃迁的 max为为165nm，max=1104Lmol-1cm-1。若有助色基团取代，则若有助色基团取代，则 *跃迁的吸收峰跃迁的吸收峰发生发生红移红移。请看。请看下表下表烯烃和炔烃烯烃和炔烃2024/7/12165nm 217nm （2）共轭烯烃）共轭烯烃非封闭共轭体系的非封闭共轭体系的 *跃迁产生的吸收带，又称为跃迁产生的吸收带，又称为K带带。由于键能的平均化，能级间的距离较近，故由于键能的平均化，能级间的距离较近，故K带带红移，红移，如上如上图由图由165nm 217nm。双双键共轭后，共轭后，max ，max 2024/7/12（3）炔烃）炔烃 炔炔CC，在，在173nm有一个弱的有一个弱的*跃迁吸收带，跃迁吸收带，共轭后，波长增大，共轭后，波长增大，增大。共轭多炔有两组主要吸增大。共轭多炔有两组主要吸收带，每组吸收带由几个亚带组成。长波处吸收带的收带，每组吸收带由几个亚带组成。长波处吸收带的强度较弱。强度较弱。maxmaxmaxmax2,4,6-辛三炔辛三炔2071350002682002,4,6,8-癸四炔癸四炔2342810003061802024/7/12（4）羰基化合物羰基化合物其中三个吸收带的其中三个吸收带的 max 约为：约为：n*190nm *165nm n*270-300nm饱和醛、酮饱和醛、酮（Y=H，R）可以产生可以产生 *、n*、n*和和 *四种跃迁，四种跃迁，n*吸收带又称吸收带又称R 带，属于禁阻跃迁。带，属于禁阻跃迁。2024/7/12 不饱和醛、酮不饱和醛、酮（羰基与双键（羰基与双键 共轭）共轭）K带红移带红移 165220260nm，强吸收；强吸收；R带红移带红移 290310330nm，弱吸收。，弱吸收。n 165nm n 2024/7/12羧酸及其衍生物羧酸及其衍生物（Y=NH2,OH,OR,Cl 等）等）产生产生n 共轭，共轭，n*的的R吸收带吸收带紫移紫移。如图所示。如图所示。2024/7/12（5）芳香烃及其杂环化合物芳香烃及其杂环化合物苯有三个吸收带苯有三个吸收带：E1带带180 184nm，=47000；E2带带200 204 nm，=7000；B带带230-270 nm，=200。它们是苯环上三个它们是苯环上三个共扼双键共扼双键 *跃迁的特征吸收带。跃迁的特征吸收带。2024/7/12 在气态或非极性溶剂中，在气态或非极性溶剂中，B带有许多精细结构，如图带有许多精细结构，如图(a)所示。它是由苯环振动跃迁所示。它是由苯环振动跃迁与与 *叠加引起。在极性叠加引起。在极性溶剂中，精细结构消失。溶剂中，精细结构消失。2024/7/12苯环上含有取代基时，苯环上含有取代基时，B带简化带简化(图图b)，红移，增色，红移，增色。max（nm）max苯苯254200甲苯甲苯261300间二甲苯间二甲苯2633001，3，5-三甲苯三甲苯266305六甲苯六甲苯2723002024/7/12乙酰苯紫外光谱图乙酰苯紫外光谱图羰基双键与苯环共扼：羰基双键与苯环共扼：K带带强强，苯苯的的E2带带与与K带带合合并并，红红移移；取取代代基基使使B带带简化。简化。氧上的孤对电子跃迁：氧上的孤对电子跃迁：R带，弱峰。带，弱峰。CC H3On R带 K带2024/7/12苯环上助色基团对吸收带的影响苯环上助色基团对吸收带的影响2024/7/12苯环上发色基团对吸收带的影响苯环上发色基团对吸收带的影响2024/7/12吸收带的划分吸收带的划分跃迁类型跃迁类型吸收带吸收带 特特 征征 max*真空远紫外光区真空远紫外光区n*160260nm，弱吸收，弱吸收10,000B芳香族化合物的芳香环吸收，有的芳香族化合物的芳香环吸收，有的具有精细结构具有精细结构200E(E1,E2)芳香环双键的强吸收芳香环双键的强吸收10,000n*R含含O，N，Cl等杂原子基团的弱吸收等杂原子基团的弱吸收104。许多显。许多显色反应就是应用这类光谱进行定量分析，提高测定灵敏度。色反应就是应用这类光谱进行定量分析，提高测定灵敏度。例如例如Fe2+与邻菲罗啉显色反应测定铁。与邻菲罗啉显色反应测定铁。Fe3+CNS-2+hFe2+CNS2+电子接受体电子接受体电子给予体电子给予体2024/7/12 是指是指在配体的配位场作用下，过渡金属离子的在配体的配位场作用下，过渡金属离子的d 轨道和轨道和镧系、锕系的镧系、锕系的f 轨道裂分，轨道裂分，当离子当离子吸收辐射后，吸收辐射后，低能态的低能态的d电子或电子或 f 电子电子跃迁跃迁至高能态的至高能态的d或或f轨道上去并产生吸收光谱，轨道上去并产生吸收光谱，分别称为分别称为d-d跃迁和跃迁和f-f跃迁。由于这两类跃迁跃迁。由于这两类跃迁必须在配体的必须在配体的配位场作用下才可能产生配位场作用下才可能产生，因此，因此也称也称配位场跃迁配位场跃迁。此跃迁此跃迁所产生的吸收光谱称为所产生的吸收光谱称为配位场吸收光谱配位场吸收光谱。特点：光谱一般位于紫外可见光区，特点：光谱一般位于紫外可见光区，摩尔吸收系数摩尔吸收系数 较较小，对定量分析意义不大小，对定量分析意义不大，但它可用于研究络合物的结构，但它可用于研究络合物的结构。2.2.配位场跃迁配位场跃迁2024/7/122024/7/12(1)溶剂对光谱带形状的影响溶剂对光谱带形状的影响(2)溶剂的极性越大，吸溶剂的极性越大，吸收谱带的精细结构消失就越收谱带的精细结构消失就越多。例如苯环的多。例如苯环的B带。带。四、溶剂对电子光谱的影响四、溶剂对电子光谱的影响常用溶剂：常用溶剂：环己烷、环己烷、1,4-二氧六环、二氧六环、正己烷、甲醇、乙醇、正己烷、甲醇、乙醇、乙醚、氯仿、水等。乙醚、氯仿、水等。2024/7/12极性小极性小极性大极性大n n n p n p（2）溶剂极性溶剂极性对吸收波长和强度的影响对吸收波长和强度的影响 当溶剂极性增大时，当溶剂极性增大时，n *跃迁的跃迁的 man紫移紫移；*跃迁的跃迁的 man红移红移，极性越大，影响越严重，且吸收强度也，极性越大，影响越严重，且吸收强度也改变。改变。n2024/7/12例如例如异丙叉丙酮异丙叉丙酮当溶剂极性增加时，当溶剂极性增加时，n*跃迁，跃迁，man紫移紫移 *跃迁，跃迁，man红移红移溶剂溶剂正己正己烷乙乙醚乙醇乙醇CH3OHH2O *，man229.5230237238244.5 max1260012600126001070010000n*，man327326315312305 max97.5967874602024/7/12溶剂的选择：溶剂的选择：1溶剂必须能很好地溶解被测物，且不反应、溶液稳定；溶剂必须能很好地溶解被测物，且不反应、溶液稳定；2尽量选择非极性溶剂或低极性溶剂尽量选择非极性溶剂或低极性溶剂(对有机物对有机物)；3要考虑溶剂的截止波长，在试样光谱区无吸收。要考虑溶剂的截止波长，在试样光谱区无吸收。溶剂的截止波长规定为溶剂以空气为参比，吸收池厚溶剂的截止波长规定为溶剂以空气为参比，吸收池厚度为度为1cm的条件下，恰好产生的条件下，恰好产生1.00吸光度时相对应的波长，吸光度时相对应的波长，即溶剂透过率为即溶剂透过率为10时的波长。水时的波长。水 191nm 乙腈乙腈 190nm 正正己烷己烷 210nm 甲醇甲醇 210nm 乙醇乙醇 210nm 四氢呋喃四氢呋喃 220nm 苯苯 280nm2024/7/12内容选择内容选择第一节第一节 紫外吸收光谱基本原理紫外吸收光谱基本原理principles of ultraviolet spectrometry第二节第二节 紫外可见分光光度计紫外可见分光光度计ultraviolet spectrometer第三节第三节 紫外吸收光谱的应用紫外吸收光谱的应用application of Ultraviolet spectrometry结束结束2024/7/12