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1、第四章 紫外可见光分光光度法,4.1 概述 分光光度分析法是以物质对光的选择性吸收为基础的分析方法。根据物质所吸收光的波长范围不同，分光光度分析法又有紫外、可见及红外分光光度法。,4.1.1 方法的特点,1.灵敏度高 通常，待测物质的含量1105时，能够用分光光度法准确测定。所以它主要用于测定微量组分。2.应用广泛 几乎所有的无机离子和许多有机化合物可以用分光光度法进行测定。如土壤中的氮、磷以及植物灰、动物体液中各种微量元素的测定。,3.操作简便、迅速、仪器设备不太复杂 若采用灵敏度高、选择性好的有机显色剂，并加入适当的掩蔽剂，一般不经过分离即可直接进行分光光度法测定、其方法的相对误差通常为5
2、10，其准确度虽不及重量分析法和容量法，但对于微量组分的测定，结果还是满意的。,4.2.1 颜色的产生,4.2 吸光光度法的基本原理,光的波长(cm)、频率(Hz)，它们与光速c的关系是：,4.2.2 光的基本性质,在真空介质中，光速为2.99791010cm/s。单个光子的能量E与上述三要素的关系是：,E光子的能量，J；h普朗克常数（6.6251034Js）,4.2.3 溶液颜色与光吸收的关系,光波是一种电磁波。电磁波包括无线电波、微波、红外光、可见光、紫外光、x射线等。如果按照其频率或波长的大小排列，可见光只是电磁波中一个很小的波段。见表121,有色物质的不同颜色是由于吸收了不同波长的光所
3、致。溶液能选择性地吸收某些波长的光，而让其他波长的光透过，这时溶液呈现出透过光的颜色。透过光的颜色是溶液吸收光的互补色。有色溶液对各种波长的光的吸收情况，常用光吸收曲线来描述。将不同波长的单色光依次通过一定的有色溶液，分别测出对各种波长的光的吸收程度（用字母A表示）。以波长为横坐标，吸光程度为纵坐标作图，所得的曲线称为吸收曲线或吸收光谱曲线。,能复合成白光的两种颜色的光叫互补色光。物质所显示的颜色是吸收光的互补色。,4.3 光吸收基本定律,当一束平行的单色光照射均匀的有色溶液时，光的一部分被吸收，一部分透过溶液，一部分被比色皿的表面反射。如果入射光的强度为I0，吸收光的强度为Ia，透过光的强度
4、为It，反射光的强度为Ir，则:I0Ia It Ir 在吸光光度法中，由于采用同样质料的比色皿进行测量，反射光的强度基本上相同，其影响可以相互抵消，上式可简化为:I0Ia It,透过光的强度It与入射光的强度Io之比称为透光度或透光率，用T表示。T It/Io,一束单色光通过溶液后，由于溶液吸收了一部分光能，光的强度就要减弱。若溶液的浓度不变，液层越厚，透过光的强度越小，光线减弱的程度越大。如果将液层分成许多无限小的相等的薄层，其厚度为db。则dI应与db及I成正比，即dI Idb，从而，dI/I=k1db，积分此式，得：,1.朗伯定律,将上式变成常用对数，得,上式称为朗伯定律。如用A=lg(
5、I0/It)或lg(1/T),则,A称为吸光度。,例1.有一单色光通过厚度为1cm的有色溶液,其强度减弱20%。若通过5cm厚度的相同溶液,其强度减弱百分之几?解：lgT1 c1=,lgT2 5c1 lgT2=5lgT1=5lg0.80=-0.485 T2=32.7%,即减弱67.3%,当一束单色光通过液层厚度一定的溶液时，溶液的浓度愈大，光线强度减弱愈显著。若有色溶液的浓度增加dc，入射光通过溶液后，强度的减弱-dI与人射光强度I及dc成正比，即-dI=k3Idc，或-dI/I=k3dc，积分，可得到:,通常称比耳定律。,2.比耳定律,例2.一符合比尔定律的有色溶液，当浓度为c时，透射比为T
6、，若其它条件不变，浓度为c/3时，T为_，浓度为2c时，T为_。解:T1/3 T2 这说明浓度与透射比T 的是指数关系。,3朗伯一比耳定律,如果溶液浓度和液层厚度都是可变的，就要同时考虑溶液浓度c和液层厚度b对吸光度的影响。为此，将朗伯和比耳公式和合并，得到,即通常所称的朗伯一比耳定律。,4吸光系数、摩尔吸光系数,在朗伯-比耳公式，k值决定于c，b所用的单位，它与入射光的波长及溶液的性质有关。当浓度c以gL-1、液层厚度b以cm表示时，常数k是以a表示，此时称为吸光系数，单位为Lg-1cm-1。朗伯比耳公式可表示为:Aabc 若b以 cm为单位，c以 molL-1为单位时，则将k称为摩尔吸光系
7、数，以符号表示，其单位为Lmol-1cm-1。的物理意义表达了当吸光物质的浓度为1molL-1，液层厚度为1cm时溶液的吸光度。在这种条件下上式可改写为:A=bc,摩尔吸光系数是有色化合物的重要特性。愈大，表示该物质对某波长的光吸收能力愈强，因而光度测定的灵敏度就越高。的值，不能直接取1mol/L 这样高浓度的有色溶液来测量，而只能通过计算求得。由于溶液中吸光物质的浓度常因离解、聚合等因素而改变。因此，计算 时，必须知道溶液中吸光物质的真正浓度。但通常在实际工作中，多以被测物质的总浓度计算，这样计算出的 值称为表观摩尔吸光系数。文献中所报道的 值就是表观摩尔吸光系数值。,4.4 光度分析的方法
8、和仪器,4.4.1 光度分析的方法 1.目视比色法 用眼睛观察、比较溶液颜色深度以确定物质含量的方法称为目视比色法。将一系列不同量的标准溶液依次加入各比色管中，再分别加入等量的显色剂和其他试剂，并控制其他实验条件相同，最后稀释至同样体积，配成一套颜色逐渐加深的标准色阶。将一定量的被测溶液置于另一比色管中，在同样条件下进行显色，并稀释至同样体积，从管口垂直向下（有时由侧面）观察颜色。如果被测溶液与标准系列中某溶液的颜色相同，则被测溶液的浓度就等于该标准溶液的浓度。如果被测试液浓度介于相邻两种标准溶液之间，则试液的浓度就介于这两个标准溶液浓度之间。,2标准曲线法,根据朗伯比耳定律，保持液层厚度，入
9、射光波长和其它测量条件不变，则在一定浓度范围内，所测得吸光度与溶液中待测物质的浓度成正比。因此，配制一系列已知的具有不同浓度的标准溶液，分别在选定波长处测其吸光度A，然后以标准溶液的浓度c为横坐标，以相应的吸光度A为纵坐标，绘制出Ac关系曲线。如果符合光的吸收定律，则可获得一条直线，称为标准曲线或称工作曲线。在相同条件下测量样品溶液的吸光度，就可以从标准曲线上查出样品的浓度。,A,c,标准工作曲线,3.加入标准法,所谓的加入标准法，即在一定浓度的试样溶液测定吸光度A0后，加入合适浓度的标准溶液，再测吸光度A1，或再加几次标准溶液，得A2,A3吸光度，计算或作图外推求试样浓度的方法。即：A0=k
10、C样；A1=k(C样C标）混合设试样体积为V0;加入的标准溶液体积为V标，则：A1=k(C样V0+C标V标)/(V0+V标），联解方程可求出C样。或用A对C标作图，外推求出C样。,4.二元混合组分的测定,混合溶液里两组分的测定有如图125的三种情况：（a）若1和2两组分的最大吸收峰互不重合，而且在1组分的最大吸收波长1处，2组分没有吸收；或在2组分的最大吸收波长2处，1组分无吸收。这样比较简单，按单组分测定方法测1和2两组分即可。（b）若1和2组分在混合溶液中的吸光光谱曲线如图125(b)所示，则当1和2混合在一起时，在1组分的最大吸收波长处，2组分无吸收，所以只需在1处测定1组分。但在2处所
11、测定吸光度是1和2的总吸收，因此必须事先测得1组分在2的，先从1测出1组分，再从叠加处得的和量中减去组分1。,(c)这种情况比较复杂，要解一个一元二次方程。,4.4.2 分光光度计,A 原理,光栅和棱镜分光原理,仪器光通路图,B.分光光度计的类型,双光束光度计动画示意,双波长光度计光路示意图,单波长单光束分光光度计有国产751型、XG-125型、英国SP500型和伯克曼DU-8型等。单波长双光束分光光度计有国产710型、730型、740型、日立UV-340型等就属于这种类型。,双波长分光光度计的优点：是可以在有背景干忧或共存组分吸收干忧的情况下对某组分进行定量测定。国产WFZ800-5型、岛津
12、UV-260型、UV-265型等。,4.5 分光光度法的应用,2.5.1 定性鉴定2.5.2 定量测定微量成份 分光光度法被广泛的应用在各个领域，环境、医药、石油等测定无机、有机微量成份。由于操作简单，仪器廉价，一般说是常用的首选方法。,4.6 紫外吸收光谱分析法,4.6.1 分子吸收光谱与电子跃迁 分子和原子一样，也有它的特征分子能级。分子内部的运动可分为价电子运动，分子内原子在平衡位置附近的振动和分子绕其重心的转动。因此分子具有电子能级、振动能级和转动能级。分子的能量 E 等于下列三项之和：E=Ee+Ev+Er 分子从外界吸收能量后，就能引起分子能级的跃迁，即从基态能级跃迁到激发态能级。分
13、子吸收能量具有量子化的特征，即分子只能吸收等于两个能级之差的能量：E=E2-E1=h=hc/,电子能级,转动能级,振动能级,4.6紫外吸收光谱分析法,波长10400nm为紫外光，10200nm为远紫外光，200400nm为近紫外光。,4.6.1 分子吸收光谱与电子跃迁 有机化合物的紫外可见吸收光谱，是其分子中外层价电子跃迁的结果（三种）电子、电子、n电子。外层电子吸收紫外或可见辐射后，就从基态向激发态(反键轨道)跃迁。主要有四种跃迁所需能量大小顺序为n n,A.*跃迁主要发生在真空紫外区。B.*跃迁吸收的波长较长，孤立的跃迁一般在200nm左右 C.n*跃迁一般在近紫外区（200 400 nm
14、），吸光强度较小。D.n*跃迁吸收波长仍然在（150 250nm）范围，因此在紫外区不易观察到这类跃迁。,有机化合物紫外可见光谱,1.饱和烃及其取代衍生物 饱和烃类分子中只含有键，因此只能产生*跃迁，即电子从成键轨道（）跃迁到反键轨道（*）。饱和烃的最大吸收峰一般小于150nm，已超出紫外、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n电子，可产生n*的跃迁。n*的能量低于*。例如，CH3Cl、CH3Br和CH3I的n*跃迁分别出现在173、204和258nm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红移，显示了助色团的助色作用。直接用烷烃和
15、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可见吸收光谱的良好溶剂。,2.不饱和烃及共轭烯烃 在不饱和烃类分子中，除含有键外，还含有键，它们可以产生*和*两种跃迁。*跃迁的能量小于*跃迁。例如，在乙烯分子中，*跃迁最大吸收波长为180nm 在不饱和烃类分子中，当有两个以上的双键共轭时，随着共轭系统的延长，*跃迁的吸收带 将明显向长波方向移动，吸收强度也随之增强。在共轭体系中，*跃迁产生的吸收带又称为K带。,3.羰基化合物 羰基化合物含有C=O基团。C=O基团主要可产生*、n*、n*三个吸收带，n*吸收带又称R带，落于近紫外或紫外光区。醛、酮、羧酸及羧酸的衍生物，如酯、
16、酰胺等，都含有羰基。由于醛酮这类物质与羧酸及羧酸的衍生物在结构上的差异，因此它们n*吸收带的光区稍有不同。羧酸及羧酸的衍生物虽然也有n*吸收带，但是，羧酸及羧酸的衍生物的羰基上的碳原子直接连结含有未共用电子对的助色团，如-OH、-Cl、-OR等，由于这些助色团上的n电子与羰基双键的电子产生n共轭，导致*轨道的能级有所提高，但这种共轭作用并不能改变n轨道的能级，因此实现n*跃迁所需的能量变大，使n*吸收带蓝移至210nm左右。,4.苯及其衍生物 苯有三个吸收带，它们都是由*跃迁引起的。E1带出现在180nm（max=60，000）；E2带出现在204nm（max=8，000）；B带出现在255n
17、m（max=200）。在气态或非极性溶剂中，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，苯的三个特征谱带都会发生显著的变化，其中影响较大的是E2带和B谱带。,5.稠环芳烃及杂环化合物 稠环芳烃，如奈、蒽、芘等，均显示苯的三个吸收带，但是与苯本身相比较，这三个吸收带均发生红移，且强度增加。随着苯环数目的增多，吸收波长红移越多，吸收强度也相应增加。当芳环上的-CH基团被氮原子取代后，则相应的氮杂环化合物（如吡啶、喹啉）的吸收光谱，与相应的碳化合物极为相似，即吡啶与苯相似，喹啉与奈相似。此外，由于引
18、入含有n电子的N原子的，这类杂环化合物还可能产生n*吸收带。,有机化合物结构与紫外信息的关系,（1）200-400nm 无吸收峰。饱和化合物，单烯。（2）270-350 nm有吸收峰（=10-100）醛酮 n*跃迁产生的R 带。（3）250-300 nm 有中等强度的吸收峰（=200-2000），芳环的特征 吸收（具有精细解构的B带）。（4）200-250 nm有强吸收峰（104），表明含有一个共轭体系（K）带。共轭二烯：K带（230 nm）；不饱和醛酮：K带230 nm，R带310-330 nm 260nm,300 nm,330 nm有强吸收峰，3,4,5个双键的共轭体系。,紫外吸收光谱中常
19、用的术语,生色团：最有用的紫外可见光谱是由和n跃迁产生的。这两种跃迁均要求有机物分子中含有不饱和基团。这类含有键的不饱和基团称为生色团。简单的生色团由双键或叁键体系组成，如乙烯基、羰基、亚硝基、偶氮基NN、乙炔基、腈基CN等。助色团：有一些含有n电子的基团(如OH、OR、NH、NHR、X等)，它们本身没有生色功能(不能吸收200nm的光)，但当它们与生色团相连时，就会发生n共轭作用，增强生色团的生色能力(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。,红移与蓝移,有机化合物的吸收谱带常常因引入取代基或改变溶剂使最大吸收波长max和吸收强度发生变化:max向长波方向移动称为红移
20、，向短波方向移动称为蓝移(或紫移)。吸收强度即摩尔吸光系数增大或减小的现象分别称为增色效应或减色效应，如图所示。,有机化合物的吸收带,吸收带(absorption band):在紫外光谱中，吸收峰在光谱中的波带位置。根据电子及分子轨道的种类，可将吸收带分为四种类型。,R吸收带（基团）K吸收带(共轭作用)B吸收带（苯）E吸收带（苯环上三个共轭键）,溶 剂 效 应,紫外吸收光谱中常用己烷、庚烷、环己烷、二氧杂己烷、水、乙醇等作溶剂。有些溶剂，特别是极性溶剂对溶质吸收峰的波长、强度及形状可能产生影响，这种现象称溶剂效应。例如，异丙叉丙酮 的溶剂效应见下表所示。,4.6.4 在有机化合物分析中的应用,
21、1定性鉴定 不同的有机化合物具有不同的吸收光谱。因此根据化合物的特征吸收峰波长和强度可以进行物质的鉴定。2定量测定 许多有机物不仅在紫外光区有特征吸收且在测定浓度范围内符合朗伯比耳定律，因而可以进行定量测定。,3有机物的结构分析 一个复杂的有机化合物的结构式不能单从紫外光谱来确定，必须与红外、核磁共振、质谱及化学分析等方法的综合解析才能完成。紫外光谱的主要作用是推测分子中是否有某种功能团，说明结构中的共轭关系，不饱和有机物的结构骨架及化合物的异构情况等。4分子量的测定 物质的吸收光谱反映了物质分子中所含有的生色基团。对于具有相同生色基团的不同物质，若配制成同样浓度的溶液则分子量越大者，生色基因
22、所占的比例越小，吸收强度就越小；反之，分子量越小者，生色基因所占的比例越大，吸收强度就越大。根据这个原理可测定有机物的分子量。,习题,1、（CH3）3N能发生n*跃迁，其max为227nm（=900 L cm-1 mol-1），试问，若在酸中测定时，该峰会怎样变化？为什么？2、试估计下列化合物中，何者吸收的光波最长？何者最短？为什么？3、苯基化氧有两种异构形式存在：CH3C(CH3)CHCOCH3(I)和 CH2C(CH3)CH2COCH3(II)一个在235nm处有最大吸收，max为12000，另一个在220nm以外无高强吸收，鉴别各属于哪一个异构体。,4、在下列信息的基础上，说明各属于哪种异构体：异构体的吸收峰在228nm（=14000），而异构体在296nm处有一吸收带（11000）。这两种结构是：5、某化合物的max（己烷）305 nm，其中max（乙醇）307 nm，试问，该吸收是由n*还是*跃迁引起？,6、下列两个化合物能否用紫外光谱区别？,
