紫外-可见光光谱课件

第8章 紫外-可见光光谱分析 光光 光谱分析法光谱分析法 物质对光的选择性吸收物质对光的选择性吸收 分析原理分析原理 紫外紫外-可见光光度计可见光光度计 分析应用分析应用光 光光 光是一种电磁波，具有波粒二象性。光的波动性可用光是一种电磁波，具有波粒二象性。光的波动性可用波长波长、频率、频率、光速、光速c c、波数（波数（cmcm-1-1）等参数来描述：等参数来描述：=c=c ；波数波数 =1/=1/=/c c 光是由光子流组成，光子的能量：光是由光子流组成，光子的能量：E=h E=h =h c/=h c/（PlanckPlanck常数常数：h=6.626 h=6.626 10 10-34 -34 J J S)S)光的波长越短（频率越高），其能量越大。光的波长越短（频率越高），其能量越大。白光（太阳光）：由各种单色光组成的复合光白光（太阳光）：由各种单色光组成的复合光 单色光：单波长的光（由具有相同能量的光子组成）单色光：单波长的光（由具有相同能量的光子组成）光 电磁波包括无线电波、微波、红外光、可见光、紫外电磁波包括无线电波、微波、红外光、可见光、紫外光、光、x x射线等。按照其频率或波长的的大小排列，可见光射线等。按照其频率或波长的的大小排列，可见光只是电磁波中一个很小的波段。只是电磁波中一个很小的波段。光光光 光光能复合成白光的两种颜色的光叫能复合成白光的两种颜色的光叫互补色光。互补色光。物质所显示的物质所显示的颜色是吸收光的互补色。颜色是吸收光的互补色。光谱分析法是根据物质发射、吸收电磁辐射或电磁辐光谱分析法是根据物质发射、吸收电磁辐射或电磁辐射与物质间相互作用而建立起来的一类分析方法。电磁辐射与物质间相互作用而建立起来的一类分析方法。电磁辐射与物质相互作用的方式有发射、吸收、反射、折射、散射与物质相互作用的方式有发射、吸收、反射、折射、散射、干涉、衍射、偏振等。射、干涉、衍射、偏振等。光谱分析光谱分析法法光谱分析法光谱分析法发射光谱法发射光谱法 吸收光谱法吸收光谱法拉曼光谱法拉曼光谱法荧光光谱法荧光光谱法 光谱分析光谱分析法法 当当辐辐射射光光通通过过固固体体、液液体体或或气气体体样样品品中中的的一一个个透透明明层层时时，样样品品的的粒粒子子(分分子子、原原于于或或离离子子)会会选选择择性性地地吸吸收收某某种种频频率率的的辐辐射射能能，从从低能态低能态M(M(基态基态)跃迁至高能态跃迁至高能态M*(M*(激发态激发态)，这种现象称为光的吸收。，这种现象称为光的吸收。为为了了使使吸吸收收现现象象发发生生，电电磁磁辐辐射射的的能能量量必必须须与与吸吸收收粒粒子子的的基基态态与与激激发发态态的的能能级级差差相相当当。由由于于各各种种粒粒子子的的结结构构不不同同，造造成成能能级级差差不不尽尽相相同同，所所以以各各种种粒粒子子吸吸收收线线的的波波长长或或频频率率不不同同。因因此此对对吸吸收收线线波长及强度的研究，可以提供样品的性质，结构及含量的信息。波长及强度的研究，可以提供样品的性质，结构及含量的信息。根根据据吸吸收收光光谱谱所所在在的的光光谱谱区区域域及及吸吸收收粒粒子子的的差差别别，主主要要可可分分为为：紫紫外外可可见见吸吸收收光光谱谱法法、原原子子吸吸收收光光谱谱法法及及红红外外光光谱谱法法，此此外外还还有有核磁共振波谱法及核磁共振波谱法及X X射线吸收光谱法。射线吸收光谱法。吸收光谱法吸收光谱法 光谱分析光谱分析法法 光谱分析光谱分析法法 方法名称方法名称 辐射能射能 作用物作用物质 检测信号信号紫外紫外-可可见分光分光光度法光度法紫外、可紫外、可见光光分子外分子外层的的电子子吸收后的紫外吸收后的紫外可可见光光原子吸收光原子吸收光谱法法紫外、可紫外、可见光光气气态原子原子外外层的的电子子吸收后的紫外吸收后的紫外可可见光光红外光外光谱法法红外光外光（1.52.5）分子的振分子的振动吸收后的吸收后的红外光外光吸收光谱法吸收光谱法发射光谱法发射光谱法 当当粒粒子子(分分子子、原原子子或或离离子子)吸吸收收能能量量后后，从从低低能能态态跃跃迁迁至至高高能能态态，处处于于高高能能态态的的粒粒子子是是不不稳稳定定的的，在在短短暂暂的的时时间间内内(约约1010-8-8s)s)，又又从从高高能能态态返返回回低低能能态态或或基基态态，在在此此过过程程中中，将将吸吸收收的的能能量量释释放放出出来，若以光的形式释放能量，则得到发射光谱。来，若以光的形式释放能量，则得到发射光谱。由由于于各各种种元元素素的的原原子子结结构构或或化化合合物物的的分分子子结结构构不不同同，造造成成能能级级差差不不同同，发发射射光光谱谱的的特特征征波波长长也也各各不不相相同同。根根据据发发射射光光谱谱所所在在的的光光谱谱区区和和激激发发方方法法的的不不同同以以及及待待测测物物质质粒粒子子的的差差别别，主主要要可可分分为为：原原子子发发射射光光谱谱法法、原原子子荧荧光光光光谱谱法法及及分分子子荧荧光光光光谱谱法法，此此外外还还有有X X射射线荧光分析法、磷光光谱法及化学发光分析法等。线荧光分析法、磷光光谱法及化学发光分析法等。光谱分析光谱分析法法发射光谱法发射光谱法 光谱分析光谱分析法法 方法名称方法名称 激激发方式方式作用物作用物质或机理或机理 检测信号信号原子原子发射射光光谱法法电弧、火花、弧、火花、等离子炬等等离子炬等气气态原子的外原子的外层电子子紫外、可紫外、可见光光原子原子荧光光光光谱法法高高强强度紫外、可度紫外、可见光光气气态原子的外原子的外层电子子原子原子荧光光分子分子荧光光光光谱法法紫外、可紫外、可见光光分子分子荧光光（紫外、可（紫外、可见光）光）当光束当光束照射到物质照射到物质上时，光与上时，光与物质发生相物质发生相互作用，于互作用，于是产生是产生反射、反射、散射、吸收散射、吸收或透射。或透射。物质对光的选择性吸收物质对光的选择性吸收 物质对光的选择性吸收物质对光的选择性吸收将不同波长的单将不同波长的单色光通过一定的色光通过一定的有色溶液，分别有色溶液，分别测出对各种波长测出对各种波长的光的吸收程度的光的吸收程度（A）。以波长）。以波长为横坐标，吸光为横坐标，吸光程度为纵坐标作程度为纵坐标作图，所得的曲线图，所得的曲线称为称为吸收曲线吸收曲线或或吸收光谱曲线。吸收光谱曲线。有色溶液对光的吸收情况，有色溶液对光的吸收情况，常用光吸收曲线来描述。常用光吸收曲线来描述。从吸收曲线可以看到：从吸收曲线可以看到：1.同同一一浓浓度度的的有有色色溶溶液液对对不不同同波波长长的的光光有有不不同的吸光度同的吸光度;2.对对于于同同一一有有色色溶溶液液，浓浓度度愈愈大大，吸吸光光度度也也愈大；愈大；3.对对于于同同一一物物质质，不不论论浓浓度度大大小小如如何何，最最大大吸吸收收峰峰所所对对应应的的波波长长(最最 大大 吸吸 收收 波波 长长 maxmax)不不变变.并并且且曲曲线的形状也完全相同。线的形状也完全相同。物质对光的选择性吸收物质对光的选择性吸收朗伯定律朗伯定律 1729年波格尔在实验中发年波格尔在实验中发现物质对光的吸收与吸光物现物质对光的吸收与吸光物质的厚度有关。质的厚度有关。朗朗伯伯波格波格尔的学生进一步研究指出：尔的学生进一步研究指出：当溶液的浓度一定，光的吸当溶液的浓度一定，光的吸收程度与液层厚度成正比，收程度与液层厚度成正比，这就是朗伯定律。这就是朗伯定律。表示为：表示为：A=A=k1 1b A A吸光度吸光度 K1比例常数比例常数 分析原理分析原理 分析原理分析原理1852年比尔（beer）在研究各种无机盐对红光的吸收后又指出：当单色光通过溶液层的厚度一定时，溶液的吸光度与溶液的浓度成正比，即比尔定律，表示为：A=log（I0/I)=K2c 分析原理分析原理将朗伯定律和比尔定律合并，即为朗伯比尔定律。将朗伯定律和比尔定律合并，即为朗伯比尔定律。k吸光系数吸光系数 A A吸光度吸光度.为无因次量为无因次量 b b液层厚度液层厚度.一般单位为一般单位为cmcm T=I/I0 透光率透光率A=log（I0/I)=log（1/T)=kcb紫外紫外-可见光光度计可见光光度计0.575光源光源单色器单色器吸收池吸收池检测器检测器显示显示原原 理理 在整个紫外光区或可见光谱区可以发射连续光在整个紫外光区或可见光谱区可以发射连续光谱，具有足够的辐射强度、较好的稳定性、较长的谱，具有足够的辐射强度、较好的稳定性、较长的使用寿命。使用寿命。可见光区：可见光区：钨灯作为光源，其辐射波长范围在钨灯作为光源，其辐射波长范围在3203202500 nm2500 nm。紫外区：紫外区：氢、氘灯，发射氢、氘灯，发射185185400 nm400 nm的连续光的连续光谱。谱。紫外紫外-可见光光度计可见光光度计光光 源源 将光源发射的复合光分解成单色光并可从中选出将光源发射的复合光分解成单色光并可从中选出任一波长单色光的光学系统。任一波长单色光的光学系统。入射狭缝：光源的光由此进入单色器；入射狭缝：光源的光由此进入单色器；准光装置：透镜或返射镜使入射光成为平行光束；准光装置：透镜或返射镜使入射光成为平行光束；色散元件：将复合光分解成单色光；棱镜或光栅；色散元件：将复合光分解成单色光；棱镜或光栅；聚焦装置：透镜或凹面反射镜，将分光后所得单色聚焦装置：透镜或凹面反射镜，将分光后所得单色 光聚焦至出射狭缝；光聚焦至出射狭缝；出射狭缝出射狭缝:光源进入吸收池。光源进入吸收池。紫外紫外-可见光光度计可见光光度计单色器单色器 也叫比色皿，有玻璃的，有石英的，也叫比色皿，有玻璃的，有石英的，在紫外区须在紫外区须采用石英池，可见区一般用玻璃池。采用石英池，可见区一般用玻璃池。要求自身对。要求自身对光的吸收要小。光的吸收要小。紫外紫外-可见光光度计可见光光度计吸收池吸收池紫外紫外-可见光光度计可见光光度计检测器检测器 利用光电效应将透过吸收池的光利用光电效应将透过吸收池的光信号变成可测的电信号，常用的有光电池、光电管或光信号变成可测的电信号，常用的有光电池、光电管或光电倍增管。电倍增管。石英套石英套1个个光子产生光子产生106107个电子个电子阳极阳极光束光束栅极，栅极，Grill屏蔽屏蔽光光电电倍倍增增管管+-SeFe(Cu)塑塑料料-h 玻璃玻璃Ag(Au)透明膜透明膜-收集极收集极90V DC直流放大直流放大阴极阴极R-+光束光束e阳极丝（阳极丝（Ni）抽真空抽真空检测器检测器光电管光电管光电池光电池紫外紫外-可见光光度计可见光光度计分析应用分析应用物质分子内部三种运动形式：物质分子内部三种运动形式：1.1.电子相对于原子核的运动，电子相对于原子核的运动，2.2.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,3.3.分子本身绕其重心的转动。分子本身绕其重心的转动。分子具有三种不同能级：电子能级、振动能级、分子具有三种不同能级：电子能级、振动能级、转动能级。转动能级。三种能级都是量子化的，各自具有相应的能量。三种能级都是量子化的，各自具有相应的能量。分子能量分子能量分析应用分析应用分子能量分子能量 电子能级的能量差电子能级的能量差e较大较大120eV。电子跃迁产电子跃迁产生的吸收光谱在紫外生的吸收光谱在紫外可见光区，这一区域的光谱分析称可见光区，这一区域的光谱分析称紫外紫外可见光谱或分子的电子光谱。可见光谱或分子的电子光谱。有机化合物的紫外有机化合物的紫外可见吸收光谱，是其分子中外层可见吸收光谱，是其分子中外层价电子跃迁的结果价电子跃迁的结果。当外层电子吸收紫外或可见辐射后，就从基态向激发当外层电子吸收紫外或可见辐射后，就从基态向激发态态(反键轨道反键轨道)跃迁。主要有四种跃迁所需能量跃迁。主要有四种跃迁所需能量大小顺大小顺序为：序为：n n n n 分析应用分析应用分子能量分子能量跃迁跃迁 所需能量最大，所需能量最大，电子只有吸收远紫外光的能量才能发生跃迁。饱和烷烃的分子吸收电子只有吸收远紫外光的能量才能发生跃迁。饱和烷烃的分子吸收光谱出现在远紫外区光谱出现在远紫外区(吸收波长吸收波长200nm200nm。这类跃迁在跃迁选律上属于禁这类跃迁在跃迁选律上属于禁阻跃迁，摩尔吸光系数一般为阻跃迁，摩尔吸光系数一般为1010100L100Lmolmol1 1 cmcm1 1，吸收谱吸收谱带强度较弱。分子中孤对电子和带强度较弱。分子中孤对电子和键同时存在时发生键同时存在时发生n n 跃跃迁。丙酮迁。丙酮n n跃迁的跃迁的maxmax为为275nm 275nm maxmax为为22 L22 Lmolmol1 1 cm cm 1 1（溶剂环己烷溶剂环己烷)。分析应用分析应用有机分析有机分析饱和烃及其取代衍生物饱和烃及其取代衍生物 饱和烃类分子中只含有饱和烃类分子中只含有 键，因此只能产生键，因此只能产生*跃迁，即跃迁，即 电子从成键轨道电子从成键轨道（）跃迁到反键轨道（）跃迁到反键轨道（*）。饱和烃的最大吸收峰一般小于）。饱和烃的最大吸收峰一般小于150nm，已超出已超出紫外、可见分光光度计的测量范围。紫外、可见分光光度计的测量范围。饱和烃的取代衍生物如卤代烃，其卤素原子上存在饱和烃的取代衍生物如卤代烃，其卤素原子上存在n n电子，可产生电子，可产生n n*的的跃迁。跃迁。n n*的能量低于的能量低于*。例如，例如，CHCH3 3ClCl、CHCH3 3BrBr和和CHCH3 3I I的的n n*跃迁分别出现在跃迁分别出现在173173、204204和和258nm258nm处。这处。这些数据不仅说明氯、溴和碘原子引入甲烷后，其相应的吸收波长发生了些数据不仅说明氯、溴和碘原子引入甲烷后，其相应的吸收波长发生了红移红移，显，显示了示了助色团助色团的助色作用。的助色作用。直接用烷烃和卤代烃的紫外吸收光谱分析这些化合物的实用价值不大。但是直接用烷烃和卤代烃的紫外吸收光谱分析这些化合物的实用价值不大。但是它们是测定紫外和（或）可见吸收光谱的良好溶剂。它们是测定紫外和（或）可见吸收光谱的良好溶剂。不饱和烃及共轭烯烃不饱和烃及共轭烯烃 在不饱和烃类分子中，除含有在不饱和烃类分子中，除含有 键外，还含有键外，还含有 键，它键，它们可以产生们可以产生*和和*两种跃迁。两种跃迁。*跃迁的能量小跃迁的能量小于于*跃迁。例如，在乙烯分子中，跃迁。例如，在乙烯分子中，*跃迁最大吸跃迁最大吸收波长为收波长为180nm。在在不饱和烃类分子中，当有两个以上的双键共轭时，不饱和烃类分子中，当有两个以上的双键共轭时，随着共轭系统的延长，随着共轭系统的延长，*跃迁的吸收带跃迁的吸收带 将明显向长波将明显向长波方向移动，吸收强度也随之增强。方向移动，吸收强度也随之增强。在在共轭体系中，共轭体系中，*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。有机分析有机分析分析应用分析应用有机分析有机分析分析应用分析应用苯及其衍生物苯及其衍生物 苯有三个吸收带，它们都是由苯有三个吸收带，它们都是由*跃迁引起的。跃迁引起的。E1带出现在带出现在180nm（MAX=60，000）；）；E2带出现在带出现在204nm（MAX=8，000）；）；B带出现在带出现在255nm（MAX=200）。）。在气态或非在气态或非极性溶剂中，苯及其许多同系物的极性溶剂中，苯及其许多同系物的B谱带有许多的精细结构，这谱带有许多的精细结构，这是由于振动跃迁在基态电子上的跃迁上的叠加而引起的。在极性是由于振动跃迁在基态电子上的跃迁上的叠加而引起的。在极性溶剂中，这些精细结构消失。当苯环上有取代基时，苯的三个特溶剂中，这些精细结构消失。当苯环上有取代基时，苯的三个特征谱带都会发生显著的变化，其中影响较大的是征谱带都会发生显著的变化，其中影响较大的是E2带和带和B谱带。谱带。无机分析无机分析分析应用分析应用 产生无机化合物紫外、可见吸收光谱的电子产生无机化合物紫外、可见吸收光谱的电子跃迁形式，一般分为两大类：电荷迁移跃迁和配位跃迁形式，一般分为两大类：电荷迁移跃迁和配位场跃迁。场跃迁。1.电荷迁移跃迁电荷迁移跃迁 无机配合物有电荷迁移跃迁产生的电荷迁移吸无机配合物有电荷迁移跃迁产生的电荷迁移吸收光谱。收光谱。在配合物的中心离子和配位体中，当一个电子在配合物的中心离子和配位体中，当一个电子由配体的轨道跃迁到与中心离子相关的轨道上时可由配体的轨道跃迁到与中心离子相关的轨道上时可产生电荷迁移吸收光谱。产生电荷迁移吸收光谱。无机分析无机分析分析应用分析应用2.配位场跃迁 配位场跃迁包括d-d 跃迁和f-f 跃迁。元素周期表中第四、五周期的过度金属元素分别含有3 d和4 d轨道，镧系和锕系元素分别含有4 f和5 f轨道。在配体的存在下，过度元素五 个能量相等的d轨道和镧系元素七个能量相等的f轨道分别分裂成几组能量不等的d轨道和f轨道。当它们的离子吸收光能后，低能态的d电子或f电子可以分别跃迁至高能态的d或f轨道，这两类跃迁分别称为d-d 跃迁和f-f 跃迁。由于这两类跃迁必须在配体的配位场作用下才可能发生，因此又称为配位场跃迁。溶剂影响溶剂影响分析应用分析应用 溶剂对紫外溶剂对紫外可见光谱的影响较为复杂。改变溶剂的极性，会可见光谱的影响较为复杂。改变溶剂的极性，会引起吸收带形状的变化，还会使吸收带的最大吸收波长发生变化。引起吸收带形状的变化，还会使吸收带的最大吸收波长发生变化。由于溶剂对电子光谱图影响很大，因此，在吸收光谱图上或数由于溶剂对电子光谱图影响很大，因此，在吸收光谱图上或数据表中必须注明所用的溶剂。与已知化合物紫外光谱作对照时也应据表中必须注明所用的溶剂。与已知化合物紫外光谱作对照时也应注明所用的溶剂是否相同。在进行紫外光谱法分析时，必须正确选注明所用的溶剂是否相同。在进行紫外光谱法分析时，必须正确选择溶剂。择溶剂。（1 1）溶剂应能很好地溶解被测试样，溶剂对溶质应该是惰性的。）溶剂应能很好地溶解被测试样，溶剂对溶质应该是惰性的。即所成溶液应具有良好的化学和光化学稳定性。即所成溶液应具有良好的化学和光化学稳定性。（2 2）在溶解度允许的范围内，尽量选择极性较小的溶剂。）在溶解度允许的范围内，尽量选择极性较小的溶剂。（3 3）溶剂在样品的吸收光谱区应无明显吸收。）溶剂在样品的吸收光谱区应无明显吸收。根根据据紫紫外外及及可可见见的的吸吸收收光光谱谱推推测测化化合合物物所所含含的的官官能能团团。如如一一化化合合物物在在250250300nm300nm范范围围有有中中等等强强度度吸吸收收带且有一定精细结构，则表示有苯环的特征吸收。带且有一定精细结构，则表示有苯环的特征吸收。定量分析定量分析结构推断结构推断纯度检验纯度检验定性分析定性分析分析应用分析应用 在在相相同同条条件件下下，比比较较未未知知物物与与已已知知标标准准物物的的光光谱谱图图，若若两两者者相相同同，则则可可认认为为待待测测试试样样与与已已知知化化合合物物具具有相同的生色团。有相同的生色团。如如一一化化合合物物在在紫紫外外区区没没有有吸吸收收峰峰，而而其其中中的的杂杂质质有有较较强强的的吸吸收收，可可利利用用其其方方便便地地检检出出该该化化合合物物中中的的杂杂质。质。根根据据光光吸吸收收的的基基本本定定律律，利利用用校校准准曲曲线线或或标标准准加加入法进行被测组分含量测定等。入法进行被测组分含量测定等。应用范围应用范围