紫外可见光谱分析实验讲义 - 图文

第十三章 紫外可见光谱分析

在仪器分析中紫外—可见分光光度法是历史悠久、应用最为广泛的一种光学分析方法。他是利用物质的分子或离子对某一波长范围的光的吸收作用，对物质进行定性分析、定量分析及结构分析，所依据的光谱是分子或离子吸收入射光中特定波长的光而产生的吸收光谱。按所吸收光的波长区域不同，分为紫外分光光度法和可见分光光度法，合称为紫外—可见分光光度法。

分光光度法是在比色法的基础上发展起来的，两者所依据的原理基本上是相同的。由于分光光度法采用了更为先进的单色系统和光检测系统，使得分光光度法在灵敏度、准确度、精密度及应用范围上都大大的优于比色法。

物质分子吸收一定波长的紫外光时，分子中的价电子从低能级跃迁到高能级而产生的吸收光谱叫紫外光谱。紫外吸收光谱是由于分子中价电子的跃迁而产生的，所以又称为电子光谱。由于电子跃迁的同时，伴随着振动能级和转动能级的跃迁，故紫外光谱为带状光谱。紫外吸收光谱的波长范围是10-400nm(纳米), 其中10-200nm 为远紫外区（这种波长的光能够被空气中的氮、氧、二氧化碳和水所吸收，因此只能在真空中进行研究，故这个区域的吸收光谱称真空紫外），200-400nm为近紫外区, 一般的紫外光谱是指近紫外区。波长在400～800nm范围的称为可见光谱。常用的分光光度计一般包括紫外及可见两部分，波长在200～800nm（或200～1000nm）

相对其他光谱分析方法来说，紫外—可见分光光度法有如下特点，1）、、其仪器设备和操作都比较简单，分析速度较快，且分析成本低；2) 灵敏度较高, 由于相应学科的发展，使新的有机显色剂的合成和研究取得可喜的进展，从而对元素测定的灵敏度大大提高了一步。特别是由于多元络合物和各种表面活性剂的应用研究，使许多元素的摩尔吸光系数由原来的几万提高到几十万。相对于其它痕量分析方法而言，光度法的精密度和准确度一致公认是比较高的。不但在实际工作中光度法被广泛采用，在标准参考物质的研制中，它更受重视，很多光度分析法已制定成为标准方法。如在紫外区直接检测抗坏血酸时，其最低检出浓度可达到10-6g/mL ；3）有较好的选择性，目前已有些元素只要利用控制适当的显色条件就可直接进行光度法测定，如钴、铀、镍、铜、银、铁等元素的测定，已有比较满意的方法了，通过适当的选择测量条件，一般可在多种组分共存的体系中，对某一物质进行测定；4）精密度和准确度较高。在仪器设备和其他测量条件较好的情况下，对于一般的分光光度法来说，其浓度测量的相对误差在1～3%范围内，如采用示差分光度法测量，则误差往往可减少到千分之几。虽然相对误差比重量法和滴定法大，但对于微量组分的测定已经满足要求；5）适用浓度范围广，可从常量分析（尤其是使用示差法）到痕量分析（经预富集后）；6）用途广泛，由于各种各样的无机物和有机物在紫外可见区都有吸收，因此均可借此法加以测定。到目前为止，几乎化学元素周期表上的所有元素（除少数放射性元素和惰性元素之外）均可采用此法。在医药、化工、冶金、环境保护、地质等诸多领域，紫外—可见分光光度法不但可以进行定量分析，还可以对被测物质进行定性分析和结构分析，进行官能团鉴定、相对分子质量测定、配合物的组分及稳定常数的测定等等。

由于分光光度法具有以上优点，因此目前仍广泛地应用于化工、冶金、地质、医学、食品、制药等部门及环境监测系统。

13.1 基本原理

紫外可见吸收光谱遵从朗伯－比尔定律：当一束平行单色光通过含有吸光物质的稀溶液时，溶液的吸光度与吸光物质浓度、液层厚度乘积成正比，即

A= κ cl

式中比例常数κ与吸光物质的本性，入射光波长及温度等因素有关。c为吸光物质浓度，l为透光液层厚度。

朗伯-比尔定律是紫外-可见分光光度法的理论基础。

13.1.1 理论基础

紫外可见吸收研究的是分子内部的运动，可分为分子内原子在平衡位置附近的振动，价电子运动和分子绕其重心的转动。所以分子的能量E等于以上三项之和：

E?Ee?Ev?Er

式中，Ee、Ev、Er分别代表电子能、振动能和转动能。

分子从外界吸收能量后，就引起分子能级的跃迁，即从基态能级跃迁到激发态能级。分子吸收能量具有量子化的特征：

?E?E2?E1?h??hc?

紫外吸收光谱是由于分子中的电子跃迁产生的。按分子轨道理论，在有机化合物分子中这种吸收光谱取决于分子中成键电子的种类、电子分布情况，根据其性质不同可分为3种电子：（1）形成单键的σ电子 ；（2）形成不饱和键的π电子 ；（3）氧、氮、硫、卤素等杂原子上的未成键的n电子

图13.1 基团中的σ，π，n成键电子

当它们吸收一定能量ΔE后，将跃迁到较高的能级，占据反键轨道。分子内部结构与这种特定的跃迁是有着密切关系的，使得分子轨道分为成键σ轨道、反键σ*轨道、成键π轨道、反键 π* 轨道和n轨道，其能量由低到高的顺序为：σ<π

图13.2 分子轨道中的能量跃迁示意图

因而将这些跃迁分为：

（1）N→V 跃迁：由基态轨道跃迁到反键轨道（包括σ→σ*跃迁和π→π*跃迁）；

（2）N→Q跃迁：分子中未成键n电子激发跃迁到反键轨道（包括n→σ*跃迁和n→π*跃迁）；

（3）N→R跃迁：σ键电子逐步激发到各个高能级上，最后电离成分子离子的跃迁（光致电离）；

（4）电荷迁移跃迁：在光能激发下，物质（化合或络合物）中的电荷重新分布，导致电荷从化合物的一部分迁移到另一部分而产生吸收光谱。

因此，有机化合物价电子可能产生的主要跃迁为σ→σ*、n→σ*、n→π*和π→π*。各种跃迁所需能量大小为：

σ→σ*＞n→σ*≥π→π*＞n→π*

n? ? *跃迁: 当不饱和键上连有杂原子（如羰基、硝基）时，杂原子上的n电子能跃迁到π*轨道。n→π*跃迁是四种跃迁中所需能量最小的，它所对应的吸收带位于200～400nm的近紫外区。如果带杂原子的双键基团与其它双键基团形成共轭体系，其n→π*跃迁产生的吸收带将红移，例如丙酮的n→π*跃迁在276nm，π→π*跃迁在166nm，而4-甲基-3-戊烯酮的两个相应吸收带分别红移至313和235nm。但是n? ? *跃迁是禁阻跃迁，所以吸收强度很弱。

? ? ? *跃迁: 不饱和键中的π电子吸收能量跃迁到π*反键轨道。π→π*跃迁所需能量较n? ? *跃迁的大，吸收峰波长较小。孤立双键的π→π*跃迁产生的吸收带位于160～180nm，仍在远紫外区。但在共轭双键体系中，吸收带向长波方向移动（红移）。共轭体系愈大，π→π*跃迁产生的吸收带波长愈长。例如乙烯的吸收带位于162nm，丁二烯为217nm，1，3，5－己三烯的吸收带红移至258nm。这种因共轭体系增大而引起的吸收谱带红移是因为处于共轭状态下的几个π轨道会重新组合，使得成键电子从最高占有轨道到最低空轨道之间的跃迁能量大大降低。

n ? ?*跃迁: 是氧、氮、硫、卤素等杂原子的未成键n电子向σ反键轨道跃迁当分子中含有－NH2 、－OH、－SR、－X等基团时，就能发生这种跃迁。n电子的n→σ*跃迁所需能量较大，偏于远紫外区，一般出现在200nm附近，受杂原子性质的影响较大。

?? ?*跃迁: 是单键中的σ电子在σ成键和反键轨道间的跃迁。因σ和σ*之间的能级差最大，所以σ→σ*跃迁需要较高的能量，相应的激发光波长较短，在150～160nm范围，

落在远紫外光区域，超出了一般紫外分光光度计的检测范围。

电荷迁移跃迁: 用光照射化合物时，电子从给予体向与接受体相联系的轨道上的跃迁称为电荷迁移跃迁。这种跃迁谱带较宽，吸收强度大。

无机化合物产生的跃迁主要为电荷迁移跃迁和配位场跃迁。

既然一般的紫外光谱是指近紫外区，即 200-400nm，那么就只能观察 ? ? ? *和 n? ? * 跃迁。也就是说紫外光谱只适用于分析分子中具有不饱和结构的化合物。

图13.3 电子跃迁所处的波长范围及强度

13.1.2 紫外光谱中常用的名词术语

发色团（chromophore）：也称生色团，是指在一个分子中产生紫外吸收带的基团，一般为带有π电子的基团。有机化合物中常见的生色团有：羰基、硝基、双键、三键以及芳环等。发色团的结构不同，电子跃迁类型也不同，通常为n→ π *、π→π*跃迁，最大吸收波长大于210nm。

助色团（auxochrome）：有些基团，本身不是发色团，但当它们与发色团相连时，可以使含有发色团的有机物的颜色加深, 这类基团称为助色团。助色团通常是带有孤电子对的原子或原子团，如：－OH、－ NH2、－NR2、－OR、－SH、－SR、－X（卤素）等。在这些助色团中，由于具有孤电子对的原子或原子团与发色团的π键相连，可以发生p－π共轭效应，结果使电子的活动范围增大，容易被激发，使 π→π*跃迁吸收带向长波方向移动，即红移。

红移（red shift）：也称向长波移动（bathochromic shift），当有机物的结构发生变化（如取代基的变更）或受到溶剂效应 的影响时，其吸收带的最大吸收波长（λmax）向长波方向移动的效应。

蓝移（blue shift）： 也称向短波移动（hypsochromic shift），与红移相反的效应，即由于某些因素的影响使得吸收带的最大吸收波长（λmax）向短波方向移动的效应。

增色效应（hyperchromic effect）：或称浓色效应，使吸收带的吸收强度增加的效应。 减色效应（hypochromic effect）：或称浅色效应，使吸收带的吸收强度减小的效应。 强带：在紫外光谱中，凡摩尔吸光系数大于104的吸收带称为强带。产生这种吸收带的

电子跃迁往往是允许跃迁。

弱带：凡摩尔吸光系数小于1000的吸收带称为弱带。产生这种吸收带的电子跃迁往往是禁阻跃迁。

末端吸收（end absorption）： 指吸收曲线随波长变短而强度增大，直至仪器测量极限（190nm），在仪器极限处测出的吸收为末端吸收。

肩峰：指吸收曲线在下降或上升处有停顿，或吸收稍微增加或降低的峰，是由于主峰内隐藏有其它峰。

13.1.3 紫外吸收光谱与分子结构的关系

根据电子跃迁讨论有机化合物中较为重要的一些紫外吸收光谱，由此可以看到紫外吸收光谱与分子结构的关系。

(1) 饱和有机化合物

饱和碳氢有机化合物只有σ键电子，只产生σ→σ*跃迁，所需能量最大，吸收带在远紫外区。

当饱和单键碳氢化合物中的H被含孤对电子的O、N、X、S等杂原子取代时，产生能量低于σ→σ*跃迁的n→σ*跃迁，吸收波长向长波分析移动。所以饱和有机化合物中含有－NH2、－NR2、－OH、－OR、－SR、－Cl、－Br、－I等助色团时，有红移现象。

当生色团为P－π共轭系统时，产生n→π*跃迁的R带吸收。R带所需能量最小，是禁阻跃迁，因而吸收强度最小，波长最长，甚至进入可见光区。

(2) 不饱和脂肪族有机化合物

不饱和碳氢化合物含有π键电子，产生π→π*跃迁，吸收波长在175～200nm范围。当化合物中存在－NH2、－NR2、－OR、－SR、－Cl、－CH3等助色团时，也有红移现象，并使吸收强度增大。当不饱和脂肪族有机化合物含有共轭双键时，由于形成大π键，产生K带吸收，红移明显，并且吸收强度很大（ε≥104）；共轭双键越多，红移越显著，溶液甚至产生颜色，同时吸收强度也越大。

(3) 芳香族化合物

苯环结构中有三个乙烯的环状共轭体系，在185nm和204nm产生两个很强的E带吸收；在254nm产生中等强度的B带吸收的精细结构。若苯环含有取代基，B带吸收的精细结构消失，但吸收强度增加，并发生红移。助色团使E带吸收红移，生色团使E带吸收与K带吸收合并，并红移。

紫外光谱横坐标表示吸收光的波长，用nm（纳米）为单位，纵坐标表示吸收光的吸收强度，可以用A(吸光度)、T(透射比或透光率或透过率)、1-T(吸收率)、?(吸收系数) 中的任何一个来表示，吸收曲线表示化合物的紫外吸收情况。

13.1.4 紫外光谱中的几种吸收带

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。

（1）K带：当分子中两个或两个以上双键共轭时，π→π*跃迁能量降低， 吸收波长红移，共轭烯烃分子如1，3-丁二烯的这类吸收在光谱学上称为K带（取自德文：共轭谱带， konjuierte）。K带出现的区域 为210～250nm，εmax>104（lgεmax>4），随着共轭链的增长，吸 收峰红移，并且 吸收强度增加。共轭烯烃的K带不受溶剂极性的影 响，而不饱和醛酮的K带 吸收随溶剂极性的增大而红移。

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