第五章 紫外可见光分光光度法,利用被测物质的分子对紫外-可见光选择性吸收的特性而建立起来的方法。,一分子吸收光谱的产生 在分子中存在着电子的运动，以及组成分子的各原子间的振动和分子作为整体的转动。分子的总能量可以认为等于这三种运动能量之和。即： E分子= E电子+ E振动+ E转动,分子中的这三种运动状态都对应有一定的能级。即在分子中存在着电子能级、振动能级和转动能级。这三种能级都是量子化的。其中电子能级的间距最大（每个能级间的能量差叫间距或能级差），振动能级次之，转动能级的间距最小。,如果用 E电子， E振动以及E转动表示各能级差，则： E电子 E振动E转动,由于组成分子能量的几部分都具有一定的能级，所以分子也具有一定的能级，如图是双原子分子的能级图：,由图可见，在每一个电子能级上有许多间距较小的振动能级，在每一个振动能级上又有许多间距更小的转动能级。由于这个原因，处在同一电子能级的分子，可能因振动能量不同而处于不同的能级上。同理，处于同一电子能级和同一振动能级上的分子，由于转动能量不同而处于不同的能级上。,当用光照射分子时，分子就要选择性的吸收某些波长（频率）的光而由较低的能级E跃迁到较高能级E上，所吸收的光的能量就等于两能级的能量之差： E= EE,其光的频率为：=E/h 或光的波长为：=hc/E,由于分子选择性的吸收了某些波长的光，所以这些光的能量就会降低，将这些波长的光及其所吸收的能量按一定顺序排列起来，就得到了分子的吸收光谱。,二、分子吸收光谱类型 远红外光谱、红外光谱及紫外-可见光谱三类。 分子的转动能级跃迁，需吸收波长为远红外光，因此，形成的光谱称为转动光谱或远红外光谱。,分子的振动能级差一般需吸收红外光才能产生跃迁。在分子振动时同时有分子的转动运动。这样，分子振动产生的吸收光谱中，包括转动光谱，故常称为振-转光谱。由于它吸收的能量处于红外光区，故又称红外光谱。,电子的跃迁吸收光的波长主要在真空紫外到可见光区，对应形成的光谱，称为电子光谱或紫外-可见吸收光谱。,三有机化合物的紫外可见吸收光谱 （一）、跃迁类型 主要有*、n*、n* 、*,*,n*,n*,*,*,n,* 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），吸光强度较小， n* 跃迁吸收波长仍然在150 250 nm范围，因此在紫外区不易观察到这类跃迁。,在以上几种跃迁中，只有-*和n-*两种跃迁的能量小，相应波长出现在近紫外区甚至可见光区，且对光的吸收强烈，是我们研究的重点。,（二）、常用术语 1，生色团: 有机物中含有n * 或* 跃迁的基团；,2，助色团: 助色团是指带有非键电子对的基团；可使生色团吸收峰向长波方向移动并提高吸收强度的一些官能团，常见助色团助色顺序为： -F-CH3-Br-OH-OCH3-NH2-NHCH3-NH(CH3)2-NHC6H5-O-,3，红移与蓝移（紫移） 某些有机化合物经取代反应引入含有未共享电子对的基团之后，吸收峰的波长将向长波方向移动，这种效应称为红移效应。,在某些生色团如羰基的碳原子一端引入一些取代基之后，吸收峰的波长会向短波方向移动，这种效应称为蓝移（紫移）效应。如-R，-OCOR，,四溶剂对紫外、可见吸收光谱的影响,改变溶剂的极性，会引起吸收带形状的变化。改变溶剂的极性，还会使吸收带的最大吸收波长发生变化。下表为溶剂对一种丙酮紫外吸收光谱的影响。 正己烷 CHCl3 CH3OH H2O * 230 238 237 243 n * 329 315 309 305,由于溶剂对电子光谱图影响很大，因此，在吸收光谱图上或数据表中必须注明所用的溶剂。与已知化合物紫外光谱作对照时也应注明所用的溶剂是否相同。在进行紫外光谱法分析时，必须正确选择溶剂。,五吸收曲线（吸收光谱）及最大吸收波长 1吸收曲线：每一种物质对不同波长光的吸收程度是不同的 。如果我们让各种不同波长的光分别通过被测物质，分别测定物质对不同波长光的吸收程度。以波长为横坐标，吸收程度为纵坐标作图所得曲线。,例：丙酮 max = 279nm ( =15),nm,Cr2O72-、MnO4-的吸收光谱,2、吸收峰和最大吸收波长max 吸收曲线表明了某种物质对不同波长光的吸收能力分布。曲线上的各个峰叫吸收峰。峰越高，表示物质对相应波长的光的吸收程度越大。其中最高的那个峰叫最大吸收峰，它的最高点所对应的波长叫最大吸收波长，用max表示。,3物质的吸收曲线和最大吸收波长的特点： 1）不同的物质，吸收曲线的形状不同，最大吸收波长不同。 2）对同一物质，其浓度不同时，吸收曲线形状和最大吸收波长不变，只是吸收程度要发生变化，表现在曲线上就是曲线的高低发生变化。,六光的选择性吸收与物质颜色的关系： 1可见光的颜色和互补色： 在可见光范围内，不同波长的光的颜色是不同的。平常所见的白光（日光、白炽灯光等）是一种复合光，它是由各种颜色的光按一定比例混合而得的。利用棱镜等分光器可将它分解成红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等不同颜色的单色光。,白光除了可由所有波长的可见光复合得到外，还可由适当的两种颜色的光按一定比例复合得到。能复合成白光的两种颜色的光叫互补色光。,2物质的颜色与吸收光的关系： 当白光照射到物质上时，如果物质对白光中某种颜色的光产生了选择性的吸收，则物质就会显示出一定的颜色。物质所显示的颜色是吸收光的互补色。,52 光吸收定律 朗白比耳定律 一基本概念：当强度为I0的一定波长的单色入射光束通过装有均匀待测物的溶液介质时，该光束将被部分吸收Ia，部分反射I r ，余下的则通过待测物的溶液It ，即有： I0=Ia + It +I r,如果吸收介质是溶液（测定中一般是溶液），式中反射光强度主要与器皿的性质及溶液的性质有关，在相同的测定条件下，这些因素是固定不变的，并且反射光强度一般很小。所以可忽略不记，这样： Io=Ia+It,即：一束平行单色光通过透明的吸收介质后，入射光被分成了吸收光和透过光。 待测物的溶液对此波长的光的吸收程度可以透光率T和 吸光度A用来表示。,透光率透光率表示透过光强度与入射光强度的比值，用T来表示，计算式为： T= It /Io T常用百分比（T%）表示。 吸光度透光率的倒数的对数叫吸光度。用A表示： A=-lgT,二、朗伯比耳定律： （一）定律内容： 当用一束强度为Io的单色光垂直通过厚度为b、吸光物质浓度为c的溶液时，溶液的吸光度正比于溶液的厚度b和溶液中吸光物质的浓度c的乘积。数学表达式为： A=-lgT=Kbc,（二）比例常数K的几种表示方法： 吸收定律的数学表达式中的比例常数叫“吸收系数”，它的大小可表示出吸光物质对某波长光的吸收本领（即吸收程度）。它与吸光物质的性质、入射光的波长及温度等因素有关。,另外，K的值随着b和c的单位不同而不同。下面就介绍K的几种不同的表示方法。,1吸光系数： 当溶液浓度c的单位为g/L,溶液液层厚度b的单位为cm时，K叫“吸光系数”，用a表示，其单位为L/gcm，此时： A=abc 由式可知：a=A/bc，它表示的是当c=1g/L、b=1cm时溶液的吸光度。,2摩尔吸光系数： 当溶液浓度c的单位为mol/L，液层厚度b的单位为cm时，K叫“摩尔吸光系数”，用表示，其单位为L/molcm，此时： A=bc 由此式可知：=A/bc，它表示的是当c=1mol/L，b=1cm时，物质对波长为的光的吸光度。,对于K的这两种表示方法，它们之间的关系为： =aM M为吸光物质的分子量。,和a的大小都可以反映出吸光物质对波长为的单色光的吸收能力。但更常用和更好的是用来表示吸光物质对波长为的光的吸收能力。摩尔吸光系数越大，表示物质对波长为的光的吸收能力越强，同时在分光光度法中测定的灵敏度也越大。,（三）吸收定律的适用条件： 1必须是使用单色光为入射光； 2溶液为稀溶液；,3吸收定律能够用于彼此不相互作用的多组分溶液。它们的吸光度具有加合性，且对每一组分分别适用，即： A总= A1+ A2+ A3+ An =1bc1+2bc2+3bc3+nbcn 4吸收定律对紫外光、可见光、红外光都适用,三实际溶液对吸收定律的偏离及原因：,（一）偏离：被测物质浓度与吸光度不成线性关系的现象，如下图。,（二）偏离吸收定律的原因： 1入射光为非单色光： 严格地说吸收定律只适用于入射光为单色光的情况。但在紫外可见光分光光度法中，入射光是由连续光源经分光器分光后得到的，这样得到的入射光并不是真正的单色光 ，而是一个有限波长宽度的复合光，这就可能造成对吸收定律的偏离。,对非单色光引起的偏离，其原因是由于同一物质对不同波长的光的摩尔吸光系数不同造成的。所以只要在入射光的波长范围内，摩尔吸光系数差别不是太大，由此引起的偏离是较小的。,2非平行光和光的散射： 当入射光是非平行光时，所有光通过介质的光的光程不同，引起小的偏离。另外，当溶液中含有悬浮物或胶粒等散射质点时，入射光通过溶液时就会有一部分光因散射而损失掉，使透过光强度减小，测得的吸光度增大，从而引起偏离吸收定律。,3化学因素引起的偏离： 1）离解作用： 2）酸效应： 3）溶剂作用：,53 紫外-可见分光光度计 一分光光度计的主要部件和工作原理：,（一）光源： 用于提供足够强度和稳定的连续光谱。分光光度计中常用的光源有热辐射光源和气体放电光源两类。,热辐射光源用于可见光区，如钨丝灯和卤钨灯；气体放电光源用于紫外光区，如氢灯和氘灯。钨灯和碘钨灯可使用的范围在340 2500nm。 氢灯和氘灯。它们可在160 375 nm范围内产生连续光源。 另外，为了使光源发出的光在测量时稳定，光源的供电一般都要用稳压电源，即加有一个稳压器。,（二）分光系统： 分光系统也叫单色器。单色器是能从光源辐射的复合光中分出单色光的光学装置，其主要功能：产生光谱纯度高的光波且波长在紫外可见区域内任意可调。,单色器一般由入射狭缝、准光器（透镜或凹面反射镜使入射光成平行光）、色散元件、聚焦元件和出射狭缝等几部分组成。其核心部分是色散元件，起分光的作用。,光栅是利用光的衍射与干涉作用制成的，它可用于紫外、可见及红外光域，而且在整个波长区具有良好的、几乎均匀一致的分辨能力。,（三）吸收池（比色皿）： 在紫外可见分光光度法中，一般都是用液体溶液进行测定的，用于盛放试液的器皿就是吸收池或比色皿。有玻璃和石英两种。,（四）光检测系统： 用于检测光信号。利用光电效应将光强度信号转换成电信号的装置，也叫光电器件。 分光光法中，得到的是一定强度的光信号，这个信号需要用一定的部件检测出来。检测时，需要将光信号转换成电信号才能测量得到。光检测系统的作用就是进行这个转换。,常用的光检测系统主要有光电池、光电管和光电倍增管。 1、光电池：用半导体材料制成的光电转换器。用得最多的是硒光电池。其结构和作用原理为：,硒光电池,光电管：它是在抽成真空或充有惰性气体的玻璃或石英泡内装上2个电极构成，其结构如图：,1,2,3,4,1是光电管的阳极，它由一个镍环或镍片组成； 2是光电管的阴极，它由一个金属片上涂一层光敏物质构成，如涂上一层氧化铯。涂上的光敏物质具有这样一个特性：当光照射到光敏物质上时，它能够放出电子；,红敏管 625-1000 nm 蓝敏管 200-625 nm,光电管,光电倍增管：它是一个非常灵敏的光电器件，可以把微弱的光转换成电流。其灵敏度比前2种都要高得多。它是利用二次电子发射以放大光电流，放大倍数可达到108倍。,光电倍增管,1个光电子可产生106107个电子,（五）信号指示系统 它的作用是放大信号并以适当方式指示或记录下来。常用的信号指示装置有直读检流计、电位调节指零装置以及数字显示或自动记录装置等。很多型号的分光光度计装配有微处理机，一方面可对分光光度计进行操作控制，另一方面可进行数据处理。,二、分光光度计的类型： （一）单光束分光光度计：,这类分光光