现代仪器分析 Modern Instrumental Analysis

1. 现代仪器分析 Modern Instrumental Analysis 紫外-可见吸收光谱法

2. 概述 分子的紫外-可见吸收光谱法是基于分子内电子跃迁产生的吸收光谱进行分析的一种常用的光谱分析法。分子在紫外-可见区的吸收与其电子结构紧密相关。紫外光谱的研究对象大多是具有共轭双键结构的分子,可见光谱的研究对象大多是有色体系。 紫外-可见吸收光谱法的主要用途是确定有紫外-可见吸收的物质的组成、含量。

3. 绿 黄绿 蓝绿 黄 橙 绿蓝 蓝 红 紫 紫红 光的复合与互补 图中处于对角线上的两种单色光为互补色光。 例如蓝色光和黄色光、绿色光和紫红色光互补等

4. 溶液的颜色与光吸收的关系 复合光 光谱示意 表观现象示意 完全吸收 完全透过 吸收黄色光

5. 标准系列 未知样品 目视比色法

6. 光电比色法 光源 滤光片 光电池 分光光度法

7. 朗伯-比耳定律 溶液的吸光度与溶液中吸光物质的浓度c及液层厚度L成正比，即： 物质对光吸收的加和性 如果在同一溶液中有多个组分对同一波长的光有吸收作用，溶液总的吸光度等于各组分的吸光度之和。

8. 偏离朗伯-比耳定律的原因 ?

9. 1 物理性因素 吸收定律成立的前提条件之一是入射光为单色光，但实际上难以获得真正的纯单色光。 分光光度计只能获得近乎单色的狭窄光带，而复合光可导致对朗伯—比耳定律的正或负偏离。

10. 2.化学性因素 • 溶液中存在着离解、聚合、互变异构、配合物的形成等化学平衡时，使吸光质点的浓度发生变化，影响吸光度。 • 当溶液浓度c >10-2 mol/L 时，吸光质点间可能发生缔合等相互作用，直接影响了对光的吸收。 例： 铬酸盐或重铬酸盐溶液中存在下列平衡： 2 CrO42- ＋2H＋= Cr2O72- ＋H2O 溶液中CrO42-、 Cr2O72-的颜色不同，吸光性质也不相同。故此时溶液pH 对测定有重要影响。 故：朗伯—比耳定律只适用于稀溶液

11. 紫外-可见分光光度法的特点 灵敏度高，一般可测定到10-6g级的样品 准确度较高，相对误差一般在1-5%以内 简单快速 可进行多组分分析及对有机物进行结构分析

12. 紫外-可见吸收光谱的基本原理 M +h→ M * 基态 激发态 E1（△E） E2 E = E2 — E1 = h

13. 紫外-可见吸收光谱的基本原理 1）．吸收光谱（吸收曲线）： 不同波长光对样品作用不同，吸收强度不同 以λ~A作图 2）．吸收光谱特征：定性依据 吸收峰→λmax 吸收谷→λmin 肩峰→λsh 末端吸收→饱和σ-σ跃迁产生

14. 电子跃迁与分子吸收光谱 物质分子内部三种运动形式： （1）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； （3）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、振动能级和转动能级 三种能级都是量子化的，且各自具有相应的能量。 分子的内能：电子能量Ee 、振动能量Ev 、转动能量Er 即: E＝Ee+Ev+Er ΔΕe>ΔΕv>ΔΕr

15. 能级跃迁 电子能级间跃迁的同时，总伴随有振动和转动能级间的跃迁。即电子光谱中总包含有振动能级和转动能级间跃迁产生的若干谱线而呈现宽谱带分子内运动涉及三种跃迁能级：电子能级、振动能级、转动能级 跃迁：电子受激发，从低能级转移到高能级的过程

16. 讨论： （1）转动能级间的能量差ΔΕr：0.005～0.050eV，跃迁产生吸收光谱位于远红外区 （2） 振动能级的能量差ΔΕv约为：0.05～１eV，跃迁产生的吸收光谱位于红外区 （3） 电子能级的能量差ΔΕe较大1～20eV。电子跃迁产生的吸收光谱在紫外—可见光区

17. 吸收曲线(光谱)的讨论 ①同一种物质对不同波长光的吸光度不同。吸光度最大处对应的波长称为最大吸收波长λmax ②不同浓度的同一种物质，其吸收曲线形状相似λmax不变。而对于不同物质，它们的吸收曲线形状和λmax则不同。作为物质定性分析的依据之一 ③吸收曲线可以提供物质的结构信息，并作为物质定性分析的依据之一。

18. 讨论： ④不同浓度的同一种物质，在某一定波长下吸光度 A 有差异，在λmax处吸光度A 的差异最大。此特性可作作为物质定量分析的依据。 ⑤在λmax处吸光度随浓度变化的幅度最大，所以测定最灵敏。吸收曲线是定量分析中选择入射光波长的重要依据。

19. 值得指出的是：紫外吸收光谱只能作为定性的依据之一，而不能仅根据紫外光谱来定性值得指出的是：紫外吸收光谱只能作为定性的依据之一，而不能仅根据紫外光谱来定性

20. s * n H C O s p* E H K R n p , E B p s 紫外-可见光谱与分子结构关系 一．电子跃迁的类型 有机化合物的紫外—可见吸收光谱是三种电子跃迁的结果：σ电子、π电子、n电子。 分子轨道理论：成键轨道—反键轨道。 当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ΔΕ大小顺序为：n→π＊ < π→π＊ < n→σ＊ < σ→σ＊

21. s * p * E K R n , E B p s σ→σ＊跃迁 所需能量最大；σ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； 吸收波长λ<200 nm； 例：甲烷的λmax为125nm , 乙烷λmax为135nm。 只能被真空紫外分光光度计检测到； 饱和烷烃可在紫外分析 时作为溶剂使用；

22. n→σ＊跃迁 所需能量较大。 吸收波长为150～250nm，大部分在远紫外区，近紫外区仍不易观察到。 含非键电子的饱和烃衍生物(含N、O、S和卤素等杂原子)均呈现n→σ* 跃迁。

23. π→π＊跃迁 所需能量较大。 成键π电子由基态跃迁到π*轨道，吸收峰在200nm附近，强吸收。 π→π＊所需能量较少，并且随双键共轭程度增加，所需能量降低。若两个以上的双键被单键隔开，则所呈现的吸收是所有双键吸收的叠加；若双键共轭，则吸收大大增强，波长红移，λmax和吸收强度均增加。如单个双键，一般λmax为150-200nm，乙烯的λmax = 185nm；而共轭双键如丁二烯λmax = 217nm，己三烯λmax = 258nm。

24. n→π＊跃迁 n→π＊所需能量最低，在近紫外区，有时在可见区。但π→π＊跃迁几率大，是强吸收带；而n→π＊跃迁几率小，是弱吸收带，一般εmax<500。 许多化合物既有π电子又有n电子，在外来辐射作用下，既有π→π＊又有n→π＊跃迁。如-COOR基团， π→π＊跃迁λmax=165 nm， εmax=4000；而n→π*跃迁λmax=205nm， εmax=50。 n→π*和π→π*跃迁都要求有机化合物分子中含有不饱和基团，以提供π轨道。含有π键的不饱和基团引入饱和化合物中，使饱和化合物的最大吸收波长移入紫外-可见区。

25. 电子跃迁类型小结： 1.σ→ σ*跃迁： 饱和烃（甲烷，乙烷） E很高，λ<150nm（远紫外区） 2. n → σ*跃迁： 含杂原子饱和基团（—OH，—NH2） E较大，λ150~250nm（真空紫外区） 3. π→ π*跃迁： 不饱和基团（—C＝C—，—C ＝ O ） E较小，λ~ 200nm 体系共轭，E更小，λ更大 4. n→ π*跃迁： 含杂原子不饱和基团—C ≡N ，C＝ O E最小，λ 200~400nm（近紫外区） 按能量大小：σ→ σ* > n → σ* > π→ π* > n→ π*

27. 二、发色团、助色团与吸收带 生色团： 最有用的紫外—可见光谱是由π→π＊和n→π＊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π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—N＝N—、乙炔基、腈基—C㆔N等。 助色团： 有一些含有n电子的基团(如—OH、—OR、—NH２、—NHR、—X等)，它们本身没有生色功能(不能吸收λ>200nm的光)，但当它们与生色团相连时，就会发生n—π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。

28. 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λmax和吸收强度发生变化: λmax向长波方向移动称为红移，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ε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。

29. 吸收带类型和影响因素 1．R带：由含杂原子的不饱和基团的n →π*跃迁产生 • C＝O；C＝N；—N＝N— • E小，λmax250~400nm，εmax<100 • 溶剂极性↑，λmax↓ → 蓝移（短移） 2．K带：由共轭双键的π→ π*跃迁产生 • (—CH＝CH—)n，—CH＝C—CO— • λmax >200nm，εmax>104 • 共轭体系增长，λmax↑→红移，εmax↑ • 溶剂极性↑，对于—(—CH＝CH—)n— λmax不变 对于—CH＝C—CO— λmax↑→红移

30. 3．B带：由π→ π*跃迁产生 • 芳香族化合物的主要特征吸收带 • λmax =230-270nm，宽带，具有精细结构； • εmax=200 • 极性溶剂中，或苯环连有取代基与苯环共轭，其精细结构消失 4．E带：由苯环环形共轭系统的π→ π*跃迁产生 • 芳香族化合物的特征吸收带 • E1 185nm εmax>104（常观察不到） • E2 204nm εmax=7000 强吸收 • 苯环有发色团取代且与苯环共轭时，E2带与K带合并 一起红移（长移）

31. 异丙苯的紫外吸收光谱

32. 苯乙酮的紫外吸收光谱

33. 三、影响紫外-可见吸收光谱的因素 1．溶剂效应： • 对λmax影响： • n-π*跃迁：溶剂极性↑，λmax↓蓝移 π-π*跃迁：溶剂极性↑ ，λmax↑红移 • 对吸收光谱精细结构影响 • 溶剂极性↑，苯环精细结构消失 • 溶剂的选择——极性；纯度高；截止波长< λmax

34. 1 1：乙醚 苯酰丙酮 2：水 2 250 300 溶剂效应 非极性 → 极性 n→*跃迁：兰移；  ；  → *跃迁：红移； ； 极性溶剂使精细结构消失；

35. pH值的影响 （a）苯酚的UV光谱图 （b）苯胺的UV光谱图 溶液酸碱性对紫外光谱的影响

36. 助色效应

37. 共轭效应

38. 立体结构和互变结构对吸收带的影响 顺反异构： 顺式：λmax=280nm； εmax=10500 反式：λmax=295.5 nm；εmax=29000 互变异构： 酮式：λmax=204 nm 烯醇式：λmax=243 nm

39. 四、有机化合物的最大吸收波长计算 有机物最大吸收波长除可以用紫外分光光度计测定外，也可以利用Wood Ward规则进行计算，如共轭多烯烃的计算

42. 练习

43. 紫外-可见分光光度计

44. 紫外-可见分光光度计 紫外-可见分光光度计的基本结构 紫外-可见分光光度计由光源、单色器、吸收池、检测器以及数据处理及记录（计算机）等部分组成。 双光束分光光度计的原理图

45. 1. 光源 光源的作用是提供激发能,使待测分子产生吸收。 要求能够提供足够强的连续光谱、有良好的稳定性、较长的使用寿命,且辐射能量随波长无明显变化。 常用的光源有热辐射光源和气体放电光源。 利用固体灯丝材料高温放热产生的辐射作为光源的是热辐射光源。如钨灯、卤钨灯。 气体放电光源是指在低压直流电条件下,氢或氘气放电所产生的连续辐射。

46. 1. 光源

47. 氙灯 氘灯 钨灯

48. 单色器 单色器的作用是使光源发出的光变成所需要的单色光。通常由入射狭缝、准直镜、色散元件、物镜和出射狭缝构成。入射狭缝用于限制杂散光进入单色器，准直镜将入射光束变为平行光束后进入色散元件。后者将复合光分解成单色光，然后通过物镜将出自色散元件的平行光聚焦于出口狭缝。出射狭缝用于限制通带宽度。

49. 两种不同的单色器

50. 吸收池　　用于盛放试液。石英池用于紫外-可见区的测量，玻璃池只用于可见区。吸收池　　用于盛放试液。石英池用于紫外-可见区的测量，玻璃池只用于可见区。 检测器 　　简易分光光度计上使用光电池或光电管作为检测器。目前最常见的检测器是光电倍增管，有的用二极管阵列作为检测器。　　 光电倍增管在紫外-可见区的灵敏度高，响应快。但强光照射会引起不可逆损害，因此高能量检测不宜，需避光。二极管阵列检测器的特点是响应速度快。但灵敏度不如光电倍增管，因后者具有很高的放大倍数。