第10章紫外-可见分光光度分析 法一、概述 二、紫外可见吸收光谱 三、分子吸收光谱与电 子跃迁 四、光的吸收定律第一节 基本原理本方法特点 仪器设备和操作比较简单，费用少，分析速度快。 灵敏度较高 有较好的选择性 精密度和准确度较高 用途广泛一、概述基于物质光化学性质而建立起来的分析方法称之为光化学分析法。 分为:光谱分析法和非光谱分析法(目视法)。光谱分析法是指在光（或其它能量）的作用下，通过测量物质产生的发射光、吸收光或散射光的波长和强度来进行分析的方法。吸收光谱分析发射光谱分析分子光谱分析原子光谱分析概述:在光谱分析中，依据物质对光的选择性吸收而建立起来的分析方法称为吸光光度法,主要有:红外吸收光谱：分子振动光谱，吸收光波长范围2.51000 m ,主要用于有机化合物结构鉴定。紫外吸收光谱：电子跃迁光谱，吸收光波长范围200400 nm（近紫外区） ，可用于结构鉴定和定量分析。可见吸收光谱：电子跃迁光谱，吸收光波长范围400750 nm ，主要用于有色物质的定量分析。本章主要讲授紫外可见吸光光度法。二、紫外可见吸收光谱1光的基本性质 光是一种电磁波，具有波粒二象性。光的波动性可用 波长、频率、光速c、波数（cm-1）等参数来描述： = c ； 波数 = 1/ = /c光是由光子流组成，光子的能量：E = h = h c / （Planck常数：h=6.626 10 -34 J S ) 光的波长越短（频率越高），其能量越大。 白光(太阳光)：由各种单色光组成的复合光 单色光：单波长的光(由具有相同能量的光子组成) 可见光区：400-750 nm 紫外光区：近紫外区200 - 400 nm远紫外区10 - 200 nm （真空紫外区） /nm颜颜色互补补光400-450紫黄绿450-480蓝蓝黄480-490绿蓝绿蓝橙490-500蓝绿蓝绿红红 500-560绿绿红红紫560-580黄绿绿紫580-610黄蓝蓝610-650橙绿蓝绿蓝650-760红红蓝绿蓝绿不同颜色的可见光波长及其互补光互补色：两种波长的光按一定的比例形成无色的光，这两种波 长的光称互补光 黄绿光青青蓝蓝紫红白光橙青青 蓝黄橙红紫蓝绿白光物质的颜色当一束太阳光照射某一溶液时,太阳光中某一颜色的光被吸收，其互补色光透过溶液，刺激人的眼睛，使人感觉到它的颜色。例：KMnO4是紫红色，原因是KMnO4吸收了紫红色的互补色光（绿光），其互补色光紫红色透过溶液，刺激人的眼睛，使人 感觉到它的颜色是紫红色。根据溶液的颜色，可以估计该溶液吸收的光的波长。2. 物质对光的选择性吸收及吸收曲线 M + 热M + 荧光或磷光E = E2 - E1 = h 量子化 ；选择性吸收; 分子结构的复杂性使其对不同波长光的吸收程度不同；用不同波长的单色光照射，测吸光度 吸收曲线与最大吸收波长 max；M + h M *光的互补：蓝 黄基态 激发态 E1 （E） E2300400500600700/nm350525 545Cr2O72-MnO4-1.00.80.60.40.2AbsorbanceCr2O72-、MnO4-的吸收光谱350吸收曲线的讨论： （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 max （2）不同浓度的同一种物质，其吸收曲线 形状相似max不变。而对于不同物质，它们的 吸收曲线形状和max则不同。（动画） （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。 （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 max处吸光度A 的差异最大。此特性可作为物质定量分析的依据。 （5）在max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。3.紫外可见分子吸收光谱与电子跃迁 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 EEe+Ev+Erevr 能级跃迁紫外-可见光谱属于电子跃迁光谱。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。讨论：（1）转动能级间的能量差Er：0.0050.050eV，跃迁产生吸收光谱位于远红外区。远红外光谱或分子转动光谱；（2）振动能级的能量差Ev约为：0.05eV，跃迁产生的吸收光谱位于红外区，红外光谱或分子振动光谱；（3）电子能级的能量差Ee较大120eV。电子跃迁产生的吸收光谱在紫外可见光区，紫外可见光谱或分子的电子光谱讨论： （4）吸收光谱的波长分布是由产生谱带的跃迁能级间的能量差所决定，反映了分子内部能级分布状况，是物质定性的依据。 （5）吸收谱带强度与分子偶极矩变化、跃迁几率有关，也提供分子结构的信息。通常将在最大吸收波长处测得的摩尔吸光系数max也作为定性的依据。不同物质的max有时可能相同，但max不一定相同； （6）吸收谱带强度与该物质分子吸收的光子数成正比，定量分析的依据。三、分子吸收光谱与电子跃迁1紫外可见吸收光谱有机化合物的紫外可见吸收光谱，是其分子中外层价 电子跃迁的结果（三种）：电子、电子、n电子。分子轨道理论：一个成 键轨道必定有一个相应的反 键轨道。通常外层电子均处 于分子轨道的基态，即成键 轨道或非键轨道上。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。四种主要跃迁所需能量大小顺序为： n 200nm。这类跃迁在跃迁选律 上属于禁阻跃迁，摩尔吸光系数一般为10100 Lmol-1 cm-1，吸收谱带强度较弱。分子中孤对电子和键同时存在 时发生n 跃迁。丙酮n 跃迁的为275nm max为22 Lmol-1 cm -1（溶剂环己烷)。 有机化合物的吸收带 R吸收带：生色团的n 跃迁所产生，由于值较小，有 时被附近的强吸收带所掩蔽。 K吸收带：是由跃迁所产生的，含有共轭生色团的 化合物其光谱都出现这类吸收带。 B吸收带：芳香族化合物的特征吸收带。230 。 E吸收带：也是芳香族化合物的特征吸收带。其值为2000 。180nm（E1）和200nm（E2）生色团与助色团生色团：最有用的紫外可见光谱是由和n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NN、乙 炔基、腈基C三N等。助色团：有一些含有n电子的基团(如OH、OR、NH、 NHR、X等)，它们本身没有生色功能(不能吸收200nm的光)，但当它们与生色团相连时，就会发生n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。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max和吸收强度发生变化:max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。影响吸收光谱的因素：1. 温度2. 溶剂（溶剂的极性对跃迁和n 跃迁的影响）3. pH2.金属配合物的紫外可见吸收光谱金属离子与配位体反应生成配合物的颜色一般不同于游 离金属离子(水合离子)和配位体本身的颜色。金属配合物的 生色机理主要有三种类型：配位体微扰的金属离子d一d电子跃迁和一电子跃迁摩尔吸收系数很小，对定量分析意义不大。金属离子微扰的配位体内电子跃迁金属离子的微扰，将引起配位体吸收波长和强度的变化 。变化与成键性质有关，若静电引力结合，变化一般很小。 若共价键和配位键结合，则变化非常明显。电荷转移吸收光谱在分光光度法中具有重要意义。电荷转移吸收光谱 当吸收紫外可见辐射后，分子中原定域在金属M轨道上电荷的转 移到配位体L的轨道，或按相反方向转移，这种跃迁称为电荷转移跃迁，所产生的吸收光谱称为荷移光谱。 电荷转移跃迁本质上属于分子内氧化还原反应，因此呈现荷移光谱的必要条件是构成分子的二组分，一个为电子给予体，另一个应为电子 接受体。 电荷转移跃迁在跃迁选律上属于允许跃迁，其摩尔吸光系数一般 都较大(10 4左右)，适宜于微量金属的检出和测定。 电荷转移跃迁在紫外区或可见光呈现荷移光谱，荷移光谱的最大吸收波长及吸收强度与电荷转移的难易程度有关。 例：Fe3与SCN形成血红色配合物，在490nm处有强吸收峰。其实质是发生了如下反应：Fe3 SCN h= Fe SCN 2 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年阐明了光的吸收程度和吸收层厚度的关系。Ab （动画1）（动画2） 1852年比耳(Beer)又提出了光的吸收程度和吸收物浓度之间也具有类似的关系。A c 二者的结合称为朗伯比耳定律，其数学表达式为： 朗伯比耳定律数学表达式Alg（I0/It)= b c 式中A：吸光度；描述溶液对光的吸收程度；b：液层厚度(光程长度)，通常以cm为单位；c：溶液的摩尔浓度，单位molL；：摩尔吸光系数，单位Lmolcm；或: Alg（I0/It)= a b c c：溶液的浓度，单位gLa：吸光系数，单位Lgcm a与的关系为：a =/M （M为摩尔质量） 透射比(透光率)T透射比T : 描述入射光透过溶液的程度:T = I t / I0吸光度A与透射比T的关系:A lg T 朗伯比耳定律是吸光光度法的理论基础和定量测定的依据。应用于各种光度法的吸收测量； 摩尔吸光系数在数值上等于浓度为1 mol/L、液层厚度 为1cm时该溶液在某一波长下的吸光度； 吸光系数a(Lg-1cm-1）相当于浓度为1 g L-1 、液层厚 度为1cm时该溶液在某一波长下的吸光度。2.摩尔吸光系数的讨论（1）吸收物质在一定波长和溶剂条件下的特征常数； （2）不随浓度c和光程长度b的改变而改变。在温度和波长等条件一定时，仅与吸收物质本身的性质有关，与待测物浓度无关； （3）可作为定性鉴定的参数； （4）同一吸收物质在不同波长下的值是不同的。在最大吸收波长max处的摩尔吸光系数，常以max表示。max表明了该吸收物质最大限度的吸光能力，也反映了光度法测定该物质可能达到的最大灵敏度。 摩尔吸光系数的讨论（5）max越大表明该物质的吸光能力越强，用光度法测定该物质的灵敏度越高。105：超高灵敏；=1104 ：高灵敏；0,lg(110 - bc )值随c值增大而增大，则标准曲线偏离直线向c 轴弯曲，即负偏离；反之，则向A轴弯曲，即正偏离。讨论:A总 =A1 + lg2 -