紫外可見分光光度分析法

紫外可見分光光度分析法第1頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月一、概述

基于物質光化學性質而建立起來的分析方法稱之為光化學分析法。分為:光譜分析法和非光譜分析法。光譜分析法是指在光（或其它能量）的作用下，通過測量物質產生的發(fā)射光、吸收光或散射光的波長和強度來進行分析的方法。

吸收光譜分析發(fā)射光譜分析分子光譜分析原子光譜分析第2頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月概述:

在光譜分析中，依據物質對光的選擇性吸收而建立起來的分析方法稱為吸光光度法,主要有:

紅外吸收光譜：分子振動光譜，吸收光波長范圍2.51000m,主要用于有機化合物結構鑒定。

紫外吸收光譜：電子躍遷光譜，吸收光波長范圍200400nm（近紫外區(qū)），可用于結構鑒定和定量分析。

可見吸收光譜：電子躍遷光譜，吸收光波長范圍400750nm，主要用于有色物質的定量分析。本章主要講授紫外可見吸光光度法。第3頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月二、紫外可見吸收光譜1．光的基本性質

光是一種電磁波，具有波粒二象性。光的波動性可用波長、頻率、光速c、波數（cm-1）等參數來描述：

=c；波數=1/=/c

光是由光子流組成，光子的能量：

E=h=hc/

（Planck常數：h=6.626×10-34J×S)光的波長越短（頻率越高），其能量越大。白光(太陽光)：由各種單色光組成的復合光

單色光：單波長的光(由具有相同能量的光子組成)

可見光區(qū)：400-750nm

紫外光區(qū)：近紫外區(qū)200-400nm遠紫外區(qū)10-200nm（真空紫外區(qū)）

第4頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月2.物質對光的選擇性吸收及吸收曲線M+熱M+熒光或磷光

E=E2-

E1=h

量子化；選擇性吸收;分子結構的復雜性使其對不同波長光的吸收程度不同；用不同波長的單色光照射，測吸光度—吸收曲線與最大吸收波長

max；M+

h

M*光的互補：藍黃基態(tài)激發(fā)態(tài)E1

（△E）E2第5頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月吸收曲線的討論：（1）同一種物質對不同波長光的吸光度不同。吸光度最大處對應的波長稱為最大吸收波長λmax（2）不同濃度的同一種物質，其吸收曲線形狀相似λmax不變。而對于不同物質，它們的吸收曲線形狀和λmax則不同。（動畫）（3）③吸收曲線可以提供物質的結構信息，并作為物質定性分析的依據之一。（4）不同濃度的同一種物質，在某一定波長下吸光度A有差異，在λmax處吸光度A的差異最大。此特性可作為物質定量分析的依據。（5）在λmax處吸光度隨濃度變化的幅度最大，所以測定最靈敏。吸收曲線是定量分析中選擇入射光波長的重要依據。第6頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月3.紫外—可見分子吸收光譜與電子躍遷物質分子內部三種運動形式：

（1）電子相對于原子核的運動（2）原子核在其平衡位置附近的相對振動（3）分子本身繞其重心的轉動分子具有三種不同能級：電子能級、振動能級和轉動能級三種能級都是量子化的，且各自具有相應的能量分子的內能：電子能量Ee、振動能量Ev

、轉動能量Er即E＝Ee+Ev+ErΔΕe>ΔΕv>ΔΕr

第7頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月能級躍遷

紫外-可見光譜屬于電子躍遷光譜。

電子能級間躍遷的同時總伴隨有振動和轉動能級間的躍遷。即電子光譜中總包含有振動能級和轉動能級間躍遷產生的若干譜線而呈現寬譜帶。第8頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月討論：（1）轉動能級間的能量差ΔEr：0.005～0.050eV，躍遷產生吸收光譜位于遠紅外區(qū)。遠紅外光譜或分子轉動光譜；（2）振動能級的能量差ΔEv約為：0.05～１eV，躍遷產生的吸收光譜位于紅外區(qū)，紅外光譜或分子振動光譜；（3）電子能級的能量差ΔEe較大1～20eV。電子躍遷產生的吸收光譜在紫外—可見光區(qū)，紫外—可見光譜或分子的電子光譜第9頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月討論：

（4）吸收光譜的波長分布是由產生譜帶的躍遷能級間的能量差所決定，反映了分子內部能級分布狀況，是物質定性的依據。（5）吸收譜帶強度與分子偶極矩變化、躍遷幾率有關，也提供分子結構的信息。通常將在最大吸收波長處測得的摩爾吸光系數εmax也作為定性的依據。不同物質的λmax有時可能相同，但εmax不一定相同；（6）吸收譜帶強度與該物質分子吸收的光子數成正比，定量分析的依據。第10頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月三、分子吸收光譜與電子躍遷1．紫外—可見吸收光譜

有機化合物的紫外—可見吸收光譜，是其分子中外層價電子躍遷的結果（三種）：σ電子、π電子、n電子。分子軌道理論：一個成鍵軌道必定有一個相應的反鍵軌道。通常外層電子均處于分子軌道的基態(tài)，即成鍵軌道或非鍵軌道上。外層電子吸收紫外或可見輻射后，就從基態(tài)向激發(fā)態(tài)(反鍵軌道)躍遷。主要有四種躍遷所需能量ΔΕ大小順序為：n→π＊<π→π＊<n→σ＊<σ→σ＊

第11頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月⑴σ→σ＊躍遷

所需能量最大，σ電子只有吸收遠紫外光的能量才能發(fā)生躍遷。飽和烷烴的分子吸收光譜出現在遠紫外區(qū)(吸收波長λ<200nm，只能被真空紫外分光光度計檢測到)。如甲烷的λ為125nm,乙烷λmax為135nm。⑵n→σ＊躍遷

所需能量較大。吸收波長為150～250nm，大部分在遠紫外區(qū)，近紫外區(qū)仍不易觀察到。含非鍵電子的飽和烴衍生物(含N、O、S和鹵素等雜原子)均呈現n→σ*躍遷。如一氯甲烷、甲醇、三甲基胺n→σ*躍遷的λ分別為173nm、183nm和227nm。第12頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月⑶π→π＊躍遷

所需能量較小，吸收波長處于遠紫外區(qū)的近紫外端或近紫外區(qū)，摩爾吸光系數εmax一般在104L·mol－1·cm－1以上，屬于強吸收。不飽和烴、共軛烯烴和芳香烴類均可發(fā)生該類躍遷。如：乙烯π→π*躍遷的λ為162nm，

εmax為:1×104L·mol-1·cm－1。⑷n→π＊躍遷

需能量最低，吸收波長λ>200nm。這類躍遷在躍遷選律上屬于禁阻躍遷，摩爾吸光系數一般為10～100L·mol-1·cm-1，吸收譜帶強度較弱。分子中孤對電子和π鍵同時存在時發(fā)生n→π＊

躍遷。丙酮n→π＊躍遷的λ為275nmεmax為22L·mol-1·cm-1（溶劑環(huán)己烷)。第13頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月生色團與助色團生色團：

最有用的紫外—可見光譜是由π→π＊和n→π＊躍遷產生的。這兩種躍遷均要求有機物分子中含有不飽和基團。這類含有π鍵的不飽和基團稱為生色團。簡單的生色團由雙鍵或叁鍵體系組成，如乙烯基、羰基、亞硝基、偶氮基—N＝N—、乙炔基、腈基—C三N等。助色團：

有一些含有n電子的基團(如—OH、—OR、—NH２、—NHR、—X等)，它們本身沒有生色功能(不能吸收λ>200nm的光)，但當它們與生色團相連時，就會發(fā)生n—π共軛作用，增強生色團的生色能力(吸收波長向長波方向移動，且吸收強度增加)，這樣的基團稱為助色團。第14頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月紅移與藍移

有機化合物的吸收譜帶常常因引入取代基或改變溶劑使最大吸收波長λmax和吸收強度發(fā)生變化:

λmax向長波方向移動稱為紅移，向短波方向移動稱為藍移(或紫移)。吸收強度即摩爾吸光系數ε增大或減小的現象分別稱為增色效應或減色效應，如圖所示。第15頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月2.金屬配合物的紫外—可見吸收光譜

金屬離子與配位體反應生成配合物的顏色一般不同于游離金屬離子(水合離子)和配位體本身的顏色。金屬配合物的生色機理主要有三種類型：⑴配位體微擾的金屬離子d一d電子躍遷和ｆ一ｆ電子躍遷

摩爾吸收系數ε很小，對定量分析意義不大。⑵金屬離子微擾的配位體內電子躍遷

金屬離子的微擾，將引起配位體吸收波長和強度的變化。變化與成鍵性質有關，若靜電引力結合，變化一般很小。若共價鍵和配位鍵結合，則變化非常明顯。⑶電荷轉移吸收光譜在分光光度法中具有重要意義。第16頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月電荷轉移吸收光譜

當吸收紫外可見輻射后，分子中原定域在金屬M軌道上電荷的轉移到配位體L的軌道，或按相反方向轉移，這種躍遷稱為電荷轉移躍遷，所產生的吸收光譜稱為荷移光譜。

電荷轉移躍遷本質上屬于分子內氧化還原反應，因此呈現荷移光譜的必要條件是構成分子的二組分，一個為電子給予體，另一個應為電子接受體。電荷轉移躍遷在躍遷選律上屬于允許躍遷，其摩爾吸光系數一般都較大(104左右)，適宜于微量金屬的檢出和測定。

電荷轉移躍遷在紫外區(qū)或可見光呈現荷移光譜，荷移光譜的最大吸收波長及吸收強度與電荷轉移的難易程度有關。

例：Fe3＋與SCN－形成血紅色配合物，在490nm處有強吸收峰。其實質是發(fā)生了如下反應：

[Fe3＋SCN－

]

＋hν=[FeSCN]2＋

第17頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月四、光的吸收定律

1.朗伯—比耳定律

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系。A∝b

（動畫1）（動畫2）

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系。A∝c

二者的結合稱為朗伯—比耳定律，其數學表達式為：

第18頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月朗伯—比耳定律數學表達式

A＝lg（I0/It)=εbc

式中A：吸光度；描述溶液對光的吸收程度；

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，單位L·mol－１·cm－１；

或:A＝lg（I0/It)=abc

c：溶液的濃度，單位g·L－１

a：吸光系數，單位L·g－１·cm－１

a與ε的關系為：

a=ε/M（M為摩爾質量）第19頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月透光度(透光率)T透過度T:描述入射光透過溶液的程度:

T=It/I0吸光度A與透光度T的關系:

A＝－lgT

朗伯—比耳定律是吸光光度法的理論基礎和定量測定的依據。應用于各種光度法的吸收測量；

摩爾吸光系數ε在數值上等于濃度為1mol/L、液層厚度為1cm時該溶液在某一波長下的吸光度；吸光系數a(L·g-1·cm-1）相當于濃度為1g/L、液層厚度為1cm時該溶液在某一波長下的吸光度。第20頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月2.摩爾吸光系數ε的討論

（1）吸收物質在一定波長和溶劑條件下的特征常數；

（2）不隨濃度c和光程長度b的改變而改變。在溫度和波長等條件一定時，ε僅與吸收物質本身的性質有關，與待測物濃度無關；（3）可作為定性鑒定的參數；

（4）同一吸收物質在不同波長下的ε值是不同的。在最大吸收波長λmax處的摩爾吸光系數，常以εmax表示。εmax表明了該吸收物質最大限度的吸光能力，也反映了光度法測定該物質可能達到的最大靈敏度。第21頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月摩爾吸光系數ε的討論（5）εmax越大表明該物質的吸光能力越強，用光度法測定該物質的靈敏度越高。ε>105：超高靈敏；

ε=(6～10）×104：高靈敏；

ε<2×104：不靈敏。（6）ε在數值上等于濃度為1mol/L、液層厚度為1cm時該溶液在某一波長下的吸光度。第22頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月3.偏離朗伯—比耳定律的原因

標準曲線法測定未知溶液的濃度時，發(fā)現：標準曲線常發(fā)生彎曲（尤其當溶液濃度較高時），這種現象稱為對朗伯—比耳定律的偏離。引起這種偏離的因素（兩大類）：（1）物理性因素，即儀器的非理想引起的；（2）化學性因素。第23頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）物理性因素難以獲得真正的純單色光。朗—比耳定律的前提條件之一是入射光為單色光。分光光度計只能獲得近乎單色的狹窄光帶。復合光可導致對朗伯—比耳定律的正或負偏離。非單色光、雜散光、非平行入射光都會引起對朗伯—比耳定律的偏離，最主要的是非單色光作為入射光引起的偏離。

第24頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月非單色光作為入射光引起的偏離

假設由波長為λ1和λ2的兩單色光組成的入射光通過濃度為c的溶液，則：

A

1＝lg（Ｉo1/Ｉt1）＝ε1bc

A

2＝lg(Ｉo2/Ｉt2）＝ε2bc故：式中：Ｉo1、Ｉo2分別為λ1、λ2的入射光強度；

Ｉt1、Ｉt2分別為λ1、λ2的透射光強度；

ε1、ε2分別為λ1、λ2的摩爾吸光系數；因實際上只能測總吸光度A總，并不能分別測得A1和A2，故第25頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月

A總＝lg（Ｉo總/Ｉt總)＝lg(Io1+Ｉo2)/(Ｉt1+Ｉt2）

＝lg(Io1+Ｉo2)/(Ｉo110-ε1bc

+Ｉo210-ε2bc

）令：ε1-ε2＝；設：Ｉo1＝Ｉo2A總＝lg(2Io1)/Ｉt1(1＋10-εbc

）

＝

A1+lg2-lg(1＋10-εbc

)

討論:

因實際上只能測總吸光度A總，并不能分別測得A1和A2，故：第26頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月討論:

A總=A1+lg2-lg(1＋10－εbc

)

(1)=0；即：

1=

2=

則：

A總

＝lg（Ｉo/Ｉt）＝bc(2)

≠0

若

<0；即

2<

1；－

bc>0,

lg(1＋10

bc)值隨c值增大而增大，則標準曲線偏離直線向c軸彎曲，即負偏離；反之，則向A軸彎曲，即正偏離。第27頁，課件共30頁，創(chuàng)作于2023年2月討論: