第四章 紫外-可见分光光度法 紫外一可见分光光度法（ultraviolet- visible spectrophotometry）是利用物质在 紫外、可见光区的分子吸收光谱，对物质进行 定性分析、定量分析及结构分析的方法。按所 吸收光的波长区域不同，分为 紫外分光光度法 (60-400nm)和可见分光光度法(400-750nm) ， 合称为紫外一可见分光光度法。 4.1 原理 4.1.1 紫外可见吸收光谱的产生 ? E 分子 = E 电子 + E 振动 + E 转动 ? 分子中的电子发生跃迁需要的能量约在 1~20eV之间，其对应的吸收光的波长范围 大部分处于紫外和可见光区域，通常将分 子在这一区域的吸收光谱称为电子光谱或 紫外—可见吸收光谱。 吸收光谱 ? 用不同波长的光依次透过待测物质， 并测量物质对不同波长的光的吸收程 度（吸光度），以波长为横坐标，吸 光度为纵坐标作图，就可以得到该物 质在测量波长范围内的吸收曲线。这 种曲线体现了物质对不同波长的光的 吸收能力，也称为吸收光谱。 吸收曲线（吸收光谱 ） 4.1.2 朗伯—比尔定律 ? 朗伯—比尔定律是光吸收的基本定律， 它可表述为：当一束单色光穿过透明介 质时，光强度的降低同入射光的强度、 吸收介质的厚度、溶液的浓度成正比。 用数学表达为： ? A = lg I 0 /I = k c l k值及单位与c和l采用的单位有关 ? 当l以cm，c以g/L为单位时，k称为吸光系 数，用a表示，即： A = a c l ? 当l以cm，c以mol/L为单位时，k称为摩尔吸 光系数，用 ε表示，它比a更为常用， ε的单位 为L mol -1 cm -1 ，即： A = ε c l ? 当l以cm，c以百分浓度g/100mL为单位时，k 称为比吸光系数，用A 1cm 1%表示 ε = 0.1 M A 1cm 1% ? 用比吸光系数的表示方法特别适用于摩尔质 量未知的化合物。 ? 在实际测量中，采用在另一等同的吸收池中放 入溶剂与被分析溶液的透射强度进行比较， 即： A = lg( I 溶剂 / I 溶液 ) ≈ lg ( I 0 / I ) ? 吸光度具有加和性：A 总 λ = A 1 λ + A 2 λ + …A n λ ? 比尔定律应用的局限性：只适用于稀溶液、化 学偏离、仪器偏离 4.2 紫外一可见分光光度计 1. 光源 ? 功能：提供能量激发被测物质分子，使之产 生电子光谱谱带（提供宽带辐射）。 ? 连续光源：广泛应用在吸收和荧光光谱中 (气体放电光源) 氘灯、氢灯 紫外可见 氩灯 真空紫外 氙灯 真空紫外、紫外、 可见 (热辐射光源) 钨丝灯、卤钨灯 可见光 区 2. 单色器 ? 功能：从光源辐射的复合光中分出单色 光。 3. 吸收池 ? 功能：盛放分析试样（一般是液体） 4. 检测器 ? 功能：检测光信号，测量单色光透过溶 液后光强度变化的一种装置。 5. 信号显示系统 6. 紫外一可见分光光度计的类型 (1) 单波长单光束分光光度计 ? 缺点：测量结果受电源波动的影响较大， 误差较大。 (2) 单波长双光束分光光度计 ? 优点：除了能自动扫描吸收光谱外，还可自动 消除电源电压波动的影响，减小放大器增益的 漂移。 (3) 双波长分光光度计 ? 优点：在有背景干扰或共存组分的吸收干扰的 情况下，可以对某组分进行定量测定。还可以 获得微分光谱和进行系数倍率法测定。 (4) 多道分光光度计 ? 具有快速扫描的特点 4.3 化合物电子光谱的产生 4.3.1 有机化合物的紫外一可见吸收光谱 （一） 跃迁类型 ? 在紫外可见光区范围内，有机化合物的 吸收带主要由 σ→σ*、n →σ*、 π→π*和 n→π*跃迁产生，其相对能量大小次序 为： σ→σ*>n→σ*>π→π*>n→π*。 σ ? π ? n π σ σ σ ? σ π ? π σ ? n σ ? π π ? n π ? 有机化合物分子中电子跃迁的能量 ? σ→σ*跃迁 ：分子中的成键 σ电子跃迁到 σ*反 键轨道上去，这是一切饱和有机化合物都可能 产生的电子跃迁类型。 ? n→σ*跃迁 ：分子中未成键的n电子激发到 σ*轨 道上去，所有含有杂原子的饱和烃衍生物都可 发生这种跃迁。 ? 含有 σ→σ*、n →σ*跃迁的化合物，如：饱和烷 烃、卤代烷烃、醇、醚等是紫外可见吸收光谱 测定时的良好 溶剂 。 ? π→π*跃迁 ：可以发生在任何具有不饱和键的 有机化合物分子中，其最大摩尔吸光系数 ε max 很大。 ? n→π*跃迁 ：发生在含有杂原子的不饱和化合 物中，其最大摩尔吸光系数 ε max 比较小。 ? 电荷迁移跃迁 ：当外来辐射照射某些化合物 时，电子从体系具有给予体特性的部分转移到 该体系具有电子接受体特性的部分所发生的跃 迁。其谱带较宽，吸收强度大， ε max > 10 4 。 N R 1 R 2 N R 1 R 2 + - hυ 电子接受体 电子给予体 C C + hυ 电子接受体 电子给予体 O R O R - （二）常用术语 1. 生色团 ：分子中可以吸收光子而产生电子跃迁的 原子基团。（含有 π键的不饱和基团） 2. 助色团 ：有些基团本身没有生色作用，但却能增 强生色团的生色能力，即它们与生色团相连时， 会使其吸收带是最大吸收波长发生红移，并且增 加其强度。通常是带有非键电子对的基团。 3. 红移和紫移 ：吸收带的最大吸收波长发生移动， 向长波方向移动称为红移，向短波方向移动称为 紫移。 （三）有机化合物的紫外、可见光谱 1. 饱和烃及其取代衍生物 σ→σ*、n →σ* 2. 不饱和烃及共轭烯烃 σ→σ*、 π→π* 3. 羰基化合物 n →σ*、 π→π*和n →π* 4. 苯及其衍生物 E 1 带、 E 2 带、 B带 5. 稠环和杂环 4.3.2 无机化合物的紫外一可见吸收光谱 （一）电荷迁移跃迁 某些分子同时具有电子给体特性的部分 和电子受体特性的部分。当电子从给体 外展轨道向受体跃迁时就会产生较强的 吸收，这样产生的光谱称为电荷迁移光 谱。如在金属络合物中配位体具有电子 给体的性质，金属离子为电子受体。电 子从配位体轨道跃迁到中心原子的外层 轨道，就可以产生电荷迁移光谱。 （二）配位场跃迁 ? 1. f-f跃迁 镧系和铜系元素的离子对紫外和可见光的吸收是 基于内层f电子跃迁而产生的，其吸收光谱是由一些狭 窄的特征吸收峰组成，且这些吸收峰不易受金属离子 所处的配位环境的影响。 ? 2. d-d跃迁 过渡金属离子的d轨道在受到配位体场的作用时 产生分裂。d电子在能级不同的d轨道间跃迁，吸收紫 外或可见光产生吸收光谱。这种光谱的吸收带比较 宽，吸收峰强烈地受配位环境的影响。 4.3.3 影响吸收谱带的因素 1. 分子结构的变化： （1）饱和化合物中引入生色团和助色团 （2）配位体场的改变：八面体、四面体、 正方平面等等 （3）共轭效应和超共轭效应 由于共轭后的电子的运动范围增大，跃迁所 需的能量变小，所以由共轭作用产生的吸收峰 波长值较大，同时吸收强度增大。共轭的不饱 和健越多，红移现象就越显著。 1,3—丁二烯在己烷中的 λ max = 217nm， ε max = 21,000； 1,3,5—己三烯在异辛烷中的 λ max = 268nm， ε max = 43,000； 1,3,5,7,9—癸五烯在异辛烷中的 λ max = 334nm， ε max = 121,000。 （4）空间位阻 CH 3 CH 3 CH 3 H 3 C （ a）（b） λ max(b) > λ max(a) 通常情况下，反式异构空间位阻小于顺式异 构，其共轭体系共平面性比顺式结构好，跃迁能 量较低， λ max 较大。 2. 溶剂效应 ? 溶剂的极性由 非极性改变到 极性时，精细 结构消失，吸 收带变向平 滑。 ? 改变溶剂的极性还会使最大吸收波长发生变化：当 溶剂极性增大时，由n →π*跃迁产生的吸收带发生紫 移，而由 π→π*跃迁产生的吸收带发生红移。 3. 温度 ? 温度增高，分子碰撞频率增加， 谱带变宽，谱带精细结构消失 (热变色效应)。 4.4 分析方法及其应用 4.4.1 定性分析 吸收光谱比较简单，特征性不强，并且大 多数简单官能团在近紫外光区只有微弱吸收或 无吸收，所以应用有一定局限性。但可用于鉴 定共轭生色团，以此推断未知物的结构骨架， 在配合其它结构分析方法时，是有用的辅助方 法。 （一）定性方法 1. 比较吸收光谱曲线：形状、峰数、 λ max 位置与相应的 ε max 。 2. 用经验规则计算 λ max ，然后与实测 值比较。 （二）经验规则 Woodward规则： 计算共轭二烯、多烯烃、共轭烯酮类 化合物 π→π*跃迁最大波长。 O α β δ δ+1 γ δ+2 母体环己酮 215nm 同环二烯 39nm 增加两个共轭双键 60nm 一个 β烷基 12nm 一个环外双键 5nm 三个 γ + 烷基 54nm 共计 385nm AcO AB C R 母体同环二烯 253nm 增加两个共轭双键 60nm 三个环外双键 15nm 五个取代烷基 25nm 共计 353nm 4.4.2 定量分析 （一）单组分定量方法 ? 1．校正曲线法 ? 2．标准对比法 A S = k C S b A X = k C X b C X = C S A X / A S （二）多组分定量方法 A 1 A+ B = ε 1 A bc 1 A + ε 1 B b c 2 B A 2 A+ B = ε 2 A b c 1 A + ε 2 B bc 2 B 【例】 以分光光度法测定合金钢中的锰和铬。称取 1.000g钢样，溶解后稀释至50.00mL，将其中的Cr 氧化成Cr 2 O 7 2- ，Mn氧化成MnO 4 - ，然后在440nm和 545nm用1.0cm吸收池测得吸光度值分别为0.204和 0.860。已知 ε 440 Mn = 95.0 L.mol -1 cm -1 ， ε 440 Cr = 369.0 L.mol -1 cm -1 ， ε 545 Mn = 2.35×10 3 L.mol -1 cm -1 ， ε 545 Cr = 11.0 L.mol -1 cm -1 。求此合 金钢中Mn，Cr的质量分数。(M Mn =54.94 g.mol -1 M Cr =52.00 g.mol -1 ) 【解】 根据吸光度的加合性列出联立方程： A 440 = A 440 Mn + A 440 Cr =ε 440 Mn b c Mn + ε 440 Cr b c Cr A 545 = A 545 Mn + A 545 Cr =ε 545 Mn b c Mn + ε 545 Cr b c Cr 即 0.204 = 95.0 × 1 × c Mn + 369.0 × 1 × c Cr 0.860 = 2.35×10 3 × 1 ×c Mn + 11.0 × 1 ×c Cr 解得 c Mn = 3.64×10 -4 mol.L -1 c Cr = 4.59×10 -4 mol.L -1 0.10%100% 1.000 54.941050103.64 (Mn) －3－4 =× ×××× =? 0.24%100% 1.000 252.001050104.59 (Cr) －3－4 =× ××××× =? （三）双波长法 1. 等吸收波长法 A 1 = A 1 A + A 1 B A 2 = A 2 A + A 2 B ΔA = A 2 -A 1 = (A 2 A -A 1 A ) + (A 2 B - A 1 B ) 由于A 2 B = A 1 B ΔA = A 2 A -A 1 A = (ε 2 A - ε 1 A ) bc 2. 系数倍率法 该式表明，信号 S只与被测组分的吸光度值有关。 AA BB B B BABA AKAKS AKAK A A K K K AKAKAKAKS AKAKS 12 12 1 2 1122 12 12 12 2 1 1122 12 0 λλ λλ λ λ λλλλ ?= =? == ??+= ?= λλ 用差分放大器可获得混和试样在波长 λ 2 和 λ 1 处的 差示信号 S 3. 测定浑浊试样 在双波长法测定中，若将 λ 2 设在试样的吸 收峰上， λ 1 设在试样无特征吸收的波长上， 此时， λ 1 和 λ 2 的背景吸收应相等。用双波长 法测得两处吸光度的差值即可消除背景吸 收，进行定量分析。 （四）导数分光光度法 对吸收光谱曲线进行一阶或高阶求导，即可得到 各种导数光谱曲线。 优点： ? 1. 能够分辨两个或两个以上完全重叠或以很小波 长差重叠的吸收峰 ? 2. 能够分辨吸光度随波长急剧上升时所掩盖的弱 吸收峰 ? 3. 能够确认宽阔吸收带的最大吸收波长，分辨率 随导数阶数的增加而增加，信噪比随着导数阶数的 增加而减小。 ? 定量分析：（可提高检测的灵敏度） ? A λ = ε λ bc，对波长 λ 进行n次求导，只有A λ 和 ε λ 是波长 λ的函数，于是有： ? 可见n次求导后，吸光度值仍与吸收物的浓度 成正比。 bc d d d Ad n n n n λ λ λ λ ε = 4.4.3 紫外一可见吸收光谱的应用 1. 相对分子质量的测定 M = εmb/A m：样品重量 ? 在紫外、可见吸收光谱法中，只要化合物具有 相同生色骨架，其吸收峰的 λ max 和 ε max 几乎相 同。因此，只要求出与待测物有相同生色骨架 的已知化合物的 ε值，就能求出欲测化合物的 相对分子质量。 2. 测定平衡常数 例 用分光光度法测定以下反应的平衡常数 ZnL 2 2- 的 λ max 为480nm，该处的 ε max ＝3.00×10 3 L.mol - 1 .cm -1 ，Zn 2＋ 和L 2－ 在480nm处无吸收。用1.00cm的吸收 池测得含2.30×10 －4 mol L －1 Zn 2＋ 和5.00×10 -4 mol L －1 L 2－ 溶液的吸光度为0.540。试计算平衡常数。 ??+ ?+ 2 2 22 2 ZnLLZn 解 [ ] [] [ ] [] [ ] [] [][] () 8 2 45 4 2 22 2 2 14442 2 2 15442 2 2 14 3 2 2 1084.1 1040.11000.5 1080.1 K 1040.11080.121000.52 1000.51080.11030.2 1080.1 00.11000.3 540.0 2 2 ×= ××× × = ?×=××?×=+= ?×=×?×=?= ?×= ×× = ε = ?? ? ?+ ? ?????? ?????+ ??? ? + LZn ZnL LmolZnLCL LmolZnLCZn Lmol b A ZnL L Zn ＝ 则平衡常数为 3. 结构分析 H 3 CC H 2 C C CH 3 O O OH H HO H H 3 CCC H C CH 3 OOH 例如，乙酰丙酮存在酮式和烯醇式两种异构体 在极性溶剂水中，以酮式异构体为主，形成分子间 氢键， λ max 为277nm； 在非极性溶剂己烷中，以烯醇式异构体为主，形成 分子内氢键， λ max 为269nm。 4. 氢键强度的测定 [例] 丙酮 n →π* 的吸收带 水（极性） 265.4 nm 即452.96 kJ.mol -1 己烷 (非极性) 279.0 nm 即429.40 kJ.mol - 氢键强度 452.96 - 429.40 = 23.56 kJ.mol -1 思考题 1.简述紫外可见吸收光谱的产生。 2.朗伯－比尔定律及其数学表达。 3.光源的主要作用是什么？ 4.各种类型紫外可见分光光度计的特点。 5.有机化合物的吸收带主要由哪几类跃迁产生？ 6.影响吸收谱带的因素有哪些？ 7.用 Woodward规则计算计算共轭二烯、多烯烃、共 轭烯酮类化合物 π→π*跃迁最大波长。 8.多组分定量方法以及双波长法，导数法的特点 9.紫外可见吸收光谱法的应用 作业 ? 1， 8， 9， 10， 16， 17