第七章第七章 紫外与可见分光光度法紫外与可见分光光度法 第一节第一节 概述概述 第二节第二节 紫外吸收光谱紫外吸收光谱 第三节第三节 光的吸收定律光的吸收定律 第四节第四节 紫外紫外-可见分光光度计可见分光光度计 第五节第五节 显色反应及显色条件的选择显色反应及显色条件的选择 第六节第六节 吸光度测量条件的选择吸光度测量条件的选择 第七节第七节 分光光度法的应用分光光度法的应用 第一节第一节 概述概述 一、紫外一、紫外- -可见可见分光光度法的分类分光光度法的分类 1.按测量光的单色程度（即所含波长范围的宽窄程按测量光的单色程度（即所含波长范围的宽窄程度）划分度）划分 （1）分光光度法分光光度法 单色程度好，指应用波长范围很窄的光与被测物质单色程度好，指应用波长范围很窄的光与被测物质作用而建立的分析方法作用而建立的分析方法（用棱镜和光栅进行分光）用棱镜和光栅进行分光） 紫外可见吸收光谱：由分子紫外可见吸收光谱：由分子价电子能级跃迁产生。价电子能级跃迁产生。 波长范围：波长范围：100-800 nm. 远紫外光区远紫外光区: 100-200 nm 近紫外光区近紫外光区: 200-400 nm 可见光区可见光区: 400-800 nm可用于结构鉴定和定量分析。可用于结构鉴定和定量分析。 250 300 350 400nm12e e （2）比色法比色法 应应用用单单色色性性较较差差的的光光（即即包包含含相相当当宽宽的的波波长长范范围围的的光光）与与被被测测物物质质作作用用而而建建立立的的方方法法，仅仅在在可可见见光光区区使使用用（400-780 nm），包包括括目目视视法法和和光光电电比色法。比色法。 2.按测量光所在的波谱区域划分按测量光所在的波谱区域划分 （1）紫外紫外分光光度法分光光度法 用用于于分分析析具具有有芳芳香香结结构构及及含含有有共共轭轭体体系系的的化化合物。合物。 （2）可见分光光度法可见分光光度法 通常合称为紫外通常合称为紫外-可见分光光度法。可见分光光度法。 二、物质对光的选择性二、物质对光的选择性吸收吸收 溶液呈现的颜色是溶液呈现的颜色是透过光的颜色，如左图透过光的颜色，如左图 所示所示，也就是物质所吸，也就是物质所吸 收光的互补色。收光的互补色。 三、三、UV-VIS 法特点法特点 灵敏度高灵敏度高 选择性好选择性好 应用范围广应用范围广 设备和操作简单设备和操作简单 价格低廉价格低廉第二节第二节 紫外吸收光谱紫外吸收光谱 一、紫外吸收光谱的产生一、紫外吸收光谱的产生 由分子中价电子能级的跃迁而产生。有由分子中价电子能级的跃迁而产生。有机机化合物分子的价电子主要有化合物分子的价电子主要有:形成单键的形成单键的电子，电子，形成双键的形成双键的电子，未成键的电子，未成键的 n (p) 电子。当吸电子。当吸收一定能量后，这些价电子将跃迁到能量较高收一定能量后，这些价电子将跃迁到能量较高 的能级，形成紫外吸收光谱。的能级，形成紫外吸收光谱。 可能发生的跃迁种类可能发生的跃迁种类: （1）成键轨道与反键轨道之间的跃迁成键轨道与反键轨道之间的跃迁 包括包括*，* （2）非键电子向反键轨道跃迁非键电子向反键轨道跃迁 包括包括 n *，n * （3）电荷转移跃迁电荷转移跃迁 所需能量大小：所需能量大小： *n* n* 二、无机化合物的紫外吸收光谱二、无机化合物的紫外吸收光谱 （1）荷移光谱荷移光谱 LM MLE原子轨道反键分子轨道成键分子轨道E MM （2）配位场光谱配位场光谱 包括包括 ff 和和 dd 跃迁跃迁 三、有机化合物的紫外吸收光谱三、有机化合物的紫外吸收光谱 （一一）紫紫外外吸吸收收光光谱谱与与有有机机化化合合物物分分子子结结构构的的关系关系 生生色色团团：分分子子中中能能吸吸收收 UV 光光的的基基团团。它它们们含含有有键键和和 n 电电子子，可可发发生生 n* 和和* 跃跃迁迁。如如：C=C，C=O，S=C，C=N，N=N 及及 N=O 等。等。 助助色色团团：能能使使生生色色团团的的吸吸收收峰峰向向长长波波方方向向移移动动的的基基团团。这这些些基基团团都都含含有有孤孤对对电电子子，借借助助 p-p-共共轭轭，使使体体系系能能量量降降低低，使使吸吸收收峰峰移移向向长长波波。如如：- -OH，- -Cl， - -Br 等。等。红移红移蓝移蓝移增色效应增色效应减色效应减色效应红移红移：吸收峰向吸收峰向长波方向移动长波方向移动蓝移蓝移：吸收峰向吸收峰向短波方向移动短波方向移动增色增色：吸收强度吸收强度增大增大减色减色：吸收强度吸收强度减小减小 1.饱和烃饱和烃 * 通常通常波长小于波长小于 200 nm 例如，例如，CH4 * 125- -135 nm CH3I * 150- -210 nm n * 259 nm 2.不饱和脂肪烃不饱和脂肪烃 * * （1）含孤立双键、叁键的吸收峰位于远紫外光区。含孤立双键、叁键的吸收峰位于远紫外光区。 （2）若双键上有助色团取代，向长波方向移动。若双键上有助色团取代，向长波方向移动。 （3）若若烯烯烃烃中中含含有有两两个个或或两两个个以以上上双双键键，但但不不共共轭轭，其其吸吸收收峰峰的的位位置置与与孤孤立立的的 C=C 双双键键基基本本一一致致，但但前前者者吸吸收强度增大。收强度增大。 （4）若若烯烯烃烃中中含含有有两两个个或或两两个个以以上上双双键键共共轭轭时时，其其吸吸收收峰峰波波长长增增加加，吸吸收收强强度度增增大大。这这种种由由共共轭轭双双键键中中* 跃跃迁迁所所产产生生的的吸吸收收带带称称为为 K 带带。由由 n* 跃跃迁所产生的吸收带称为迁所产生的吸收带称为 R 带。带。 3.芳香烃芳香烃 芳芳香香烃烃为为环环状状共共轭轭体体系系。苯苯在在紫紫外外光光区区有有三三个个吸吸收收带带，它它们们都都是是由由共共轭轭的的* * 跃迁产生。跃迁产生。 E1带：带：185 nm，摩尔吸光系数摩尔吸光系数 68000 E2带：带：204 nm，摩尔吸光系数摩尔吸光系数 8800 B 带：带：254 nm，摩尔吸光系数摩尔吸光系数 200 苯环有取代基时，峰的位置发生红移。苯环有取代基时，峰的位置发生红移。 稠环化合物，峰位红移得更明显。稠环化合物，峰位红移得更明显。 （二）（二）影响紫外吸收光谱的因素影响紫外吸收光谱的因素 1.溶剂的影响溶剂的影响 （1 1）溶剂的极性溶剂的极性 溶剂极性的影响溶剂极性的影响 EnEpEnEp极性极性非极性非极性极性极性非极性非极性极性溶剂致使极性溶剂致使 nn* * 跃迁发生蓝移，使跃迁发生蓝移，使* * 跃迁带发生红移。跃迁带发生红移。互变异构互变异构极性溶剂极性溶剂非极性溶剂非极性溶剂max = 204 nmmax = 243 nm 溶剂溶剂 pH 的影响的影响 E2 210.5 nm 235 nm B 270 nm 287 nm 230 nm 203 nm 280 nm 254 nm （2）分子结构的影响分子结构的影响 共轭体系的影响共轭体系的影响 构型的影响构型的影响 构象的影响构象的影响立体效应立体效应顺反异构顺反异构空间位阻空间位阻发生红移发生红移（3）影响吸收峰强度的因素影响吸收峰强度的因素 电子从基态跃迁到激发态的几率电子从基态跃迁到激发态的几率 跃迁过程中偶极矩的变化跃迁过程中偶极矩的变化 （三）（三）吸收波长计算的经验规则吸收波长计算的经验规则 1.Woodward 定则定则 适用于计算共轭二烯，共轭多烯，共适用于计算共轭二烯，共轭多烯，共轭烯酮类化合物轭烯酮类化合物* * 跃迁（跃迁（K 带）的吸带）的吸收峰波长。收峰波长。 max= 母母体体二二烯烯烃烃 + 环环外外双双键键 + 延延伸伸双双键键 + 共共轭轭体体系系上上取取代代烷烷基基 + 共共轭轭体体系系上上取取代代的助色基的助色基 共轭二烯基本值共轭二烯基本值217 nm同环二烯基本值同环二烯基本值253 nm异环二烯基本值异环二烯基本值214 nm增加一个共轭双键增加一个共轭双键30 nm环外双键环外双键5 nm烷基或环残余取代烷基或环残余取代5 nm烷氧基取代烷氧基取代 OR6 nm含硫基团取代含硫基团取代 SR30 nm胺基取代胺基取代 NR260 nm卤素取代卤素取代5 nm酰基取代酰基取代 OCOR0 nm不饱和羰基化合物不饱和羰基化合物* 跃迁跃迁max 的计算方法的计算方法 （nm）、不饱和羰基化合物不饱和羰基化合物（无环、六员环或较大的环（无环、六员环或较大的环酮）基本值酮）基本值 215、键在五在五员环内内 202当当 x 为 H 时 209当当 x 为 OH 或或 OR 时 193增加一个共增加一个共轭双双键 30增加同增加同环二二烯 39环外双外双键、五、五员环及七及七员环内双内双键 5烯基上取代：基上取代： 烷基基 R 10 12 18 18烷氧基氧基 OR 35 30 17 31羟基基 OH 35 30 50 50酰基基 OCOR 6 6 6 6Cl 15 12 12 12Br 25 30 25 25SR 80NR2 95已知某化合物的已知某化合物的max286 nm，确定其结构。确定其结构。基本值：基本值： 215 nm 215 nm 烷基取代烷基取代： 12 nm 0 nm ： 0 nm 18 nm ： 18 nm 18 nm 环外双键：环外双键： 5 nm 5 nm 共轭系统延长：共轭系统延长： 30 nm 30 nm max= 280 nm max= 286 nm2.Scott 定则定则 Y = 烷基或环残基烷基或环残基 基本值为基本值为 246 nm Y = H 基本值为基本值为 250 nm Y = OH, OR 基本值为基本值为 230 nm取代基取代基 X 分邻位，间位与对位分邻位，间位与对位取代基取代基邻位位间位位对位位取代基取代基邻位位间位位对位位R（烷基）基）3310Br2215OH, OR7725NH2131358O112078NHAc202045Cl0010NR2202085 （四）（四）紫外分光光度法的应用紫外分光光度法的应用 1.定性分析定性分析 2.推测有机化合物的结构推测有机化合物的结构 推测化合物的共轭体系推测化合物的共轭体系 200-400 nm 无吸收，无共轭体系无吸收，无共轭体系 210-250 nm 强吸收，强吸收，K 带，有两个双键共轭带，有两个双键共轭 260-350 nm 强吸收，强吸收，K 带，带， 3 到到 5 个双键共轭个双键共轭 270-350 nm 弱吸收，弱吸收，R 带，分子中含有羰基带，分子中含有羰基 250-300 nm 中等强度吸收，含有苯环中等强度吸收，含有苯环 区分化合物的构型和构象区分化合物的构型和构象 互变异构体的测定互变异构体的测定 式式中中，En、N 为为在在非非极极性性溶溶剂剂中中跃跃迁迁的的能能量量和和波波长长；Ep 和和p 为为在在极极性性溶溶剂剂中中跃跃迁迁的的能能量量和和波波长长；N 为阿佛加德罗常数；为阿佛加德罗常数；h 为为普朗克普朗克常数；常数；c 为光速。为光速。3.氢键强度的测定氢键强度的测定4.鉴定有机化合物的纯度鉴定有机化合物的纯度第三节第三节 光的吸收定律光的吸收定律一、一、LambertBeer 定律定律 前提：前提：单色光单色光 方法：方法：用选定波长的光照射被测物质溶液，测量它用选定波长的光照射被测物质溶液，测量它的吸收度的吸收度A-吸光度；吸光度；I-透过光的强度；透过光的强度；I0-入射光的强度；入射光的强度；k-比例系数；比例系数；b-比色皿的厚度；比色皿的厚度；c-溶液的浓度溶液的浓度 T = A= 0 A ；0 T 1 T- -透光率；透光率；A = kcb 二、比例系数二、比例系数 k 的意义及表示方法的意义及表示方法 A = kcb k = A/ /cb k 表表示示单单位位浓浓度度，单单位位液液层层厚厚度度的的吸吸光光度度，它它与与吸吸光光物物质质的的性性质质及及入入射射光光的的波波长长有有关关。k 的的表表示示方方法法依依赖赖于于溶溶液液浓浓度度的的表表示示方方法法，当当 b 的的单单位位为为 cm 时时，k 有有以以下下 3种表示方法。种表示方法。 c 的的单单位位为为 g/L，k 称称为为吸吸收收系系数数，以以 a 表表示示， 单单位为位为 Lg -1 cm -1 。 c 的的单单位位为为 mol/L，k 称称为为摩摩尔尔吸吸光光系系数数，以以表表示示，单位为单位为 Lmol-1cm-1。 c 的的单单位位为为百百分分浓浓度度，k 称称为为百百分分吸吸收收系系数数，以以 表示表示 。 三、吸光度的加和性三、吸光度的加和性 四、偏离比尔定律的原因四、偏离比尔定律的原因 1.入射光非单色性引起的偏离入射光非单色性引起的偏离 为为讨讨论论方方便便，假假设设入入射射光光仅仅由由波波长长1 和和2 组组成成，对于对于1 ，吸光度为，吸光度为 A，则则 ，1bc1+2bc2+nbcn 对于对于2，吸光度为吸光度为 A，则则 ，测定时，入射光总强度为（测定时，入射光总强度为（ ），透过光强度为（），透过光强度为（ ），），因此，实际测得的吸光度值为因此，实际测得的吸光度值为 2.溶液本身引起的偏离溶液本身引起的偏离 化学因素：要求络合物组成一定且稳定存在化学因素：要求络合物组成一定且稳定存在 溶液折射率变化溶液折射率变化 溶液散射溶液散射当当 时，则时，则 A 与与 c 不成直线关系；其差别不成直线关系；其差别越越大，大，A 与与 c 间线性关系的偏离也越大。间线性关系的偏离也越大。 当当 时，时，A= b c，A 与与 c 成直线关系；成直线关系；光光度度计计 一、仪器的分类一、仪器的分类光电比色计（光电比色计（VIS） UV-VIS 分光光度计分光光度计按波长按波长 双光束双光束 UV-VIS 计计单光束单光束 UV-VIS 计计 按光束按光束 单波长单波长 UV-VIS 计计 双波长双波长 UV-VIS 计计 第四节第四节 紫外可见分光光度计紫外可见分光光度计1. 光源光源 UV - - 氢灯、氘灯、汞灯氢灯、氘灯、汞灯VIS - - 钨丝灯、碘钨灯钨丝灯、碘钨灯2. 单色器单色器 滤光片：其颜色应与溶液颜色互为补色滤光片：其颜色应与溶液颜色互为补色棱镜：玻璃棱镜、石英棱镜棱镜：玻璃棱镜、石英棱镜光栅：平面或凹面反射光栅光栅：平面或凹面反射光栅3. 吸收池吸收池 石英吸收池石英吸收池 - - UV 光区光区 玻璃吸收池玻璃吸收池 - - VIS 光区光区 4. 检测系统：检测系统：光电池、光电管、光电倍增管光电池、光电管、光电倍增管5. 读数显示系统读数显示系统 检流计、自动记录型和数字显示性装置检流计、自动记录型和数字显示性装置二、仪器基本结构二、仪器基本结构第五节第五节 显色反应及显色条件的选择显色反应及显色条件的选择 一、显色反应的选择一、显色反应的选择 1.无机显色剂无机显色剂 硫氰酸盐、钼酸胺、过氧化氢等硫氰酸盐、钼酸胺、过氧化氢等 2.有机显色剂有机显色剂 偶氮类、三苯甲烷类、卟啉类、安替比偶氮类、三苯甲烷类、卟啉类、安替比 林类、杂多酸类等林类、杂多酸类等 灵敏度高，选择性好，显色剂在测定波长灵敏度高，选择性好，显色剂在测定波长处无明显吸收，有色化合物组成恒定、稳定性处无明显吸收，有色化合物组成恒定、稳定性好。好。 二、显色剂二、显色剂 二、显色条件的选择二、显色条件的选择 1.显色剂用量的选择显色剂用量的选择 则：则： 上上式式左左边边的的比比值值越越大大, ,说说明明反反应应越越完完全全，显显然然 k 大、显色剂用量大，利于生成有色络合物。大、显色剂用量大，利于生成有色络合物。 显显色色剂剂用用量量的的确确定定：CM 及及其其它它条条件件固固定定，改改变变 CL，测其吸光度，绘制吸光度与测其吸光度，绘制吸光度与 CL 关系曲线。关系曲线。 确定方法：确定方法：固定待测组分及显色剂浓度，改变固定待测组分及显色剂浓度，改变溶液的溶液的 pH 值，测定吸光度，绘制值，测定吸光度，绘制 A-pH 曲线。曲线。 3. 显色温度显色温度2. 溶液的酸度溶液的酸度 4.显色时间显色时间 确定方法：配置一份显色溶液，每隔一定时间确定方法：配置一份显色溶液，每隔一定时间 测测一次一次 A，绘制，绘制 A-t 曲线。曲线。 5.干扰离子的影响及相除干扰离子的影响及相除 （1）干扰离子的影响干扰离子的影响 与显色剂生成有色配合物，产生正误差；与显色剂生成有色配合物，产生正误差； 干扰离子本身有颜色，产生正误差；干扰离子本身有颜色，产生正误差； 与与被测被测离子反应，产生负误差。离子反应，产生负误差。 （2）消除干扰的方法消除干扰的方法 控制溶液的酸度控制溶液的酸度 加入掩蔽剂加入掩蔽剂 分离干扰离子分离干扰离子 选择适当测量波长及参比溶液选择适当测量波长及参比溶液 一、入射波长的选择一、入射波长的选择 二、参比溶液的选择二、参比溶液的选择 （1）显色剂及其它试剂均无色，可用纯溶剂做参显色剂及其它试剂均无色，可用纯溶剂做参比溶液。比溶液。 （2）显色剂或其它试剂有色，可用空白溶液作参显色剂或其它试剂有色，可用空白溶液作参比溶液。比溶液。 （3）显色剂无色，而试样有色，可用试样作为参显色剂无色，而试样有色，可用试样作为参比溶液。比溶液。第六节第六节 吸光度测量条件的选择吸光度测量条件的选择原则原则 没有干扰，选择没有干扰，选择maxmax 为测定波长；为测定波长； 有有干扰干扰时，可选择非时，可选择非maxmax 为测定波长。为测定波长。 三、吸光度读数范围的选择三、吸光度读数范围的选择 在不同吸光度范围内读数会引起不同程度在不同吸光度范围内读数会引起不同程度的误差，最适宜的读数范围为的误差，最适宜的读数范围为 0.2-0.8 之间。对之间。对于一个给定的光度计，透光率读数误差于一个给定的光度计，透光率读数误差 是一个是一个常数，约为常数，约为0.2-2，但透光率读数误差不能，但透光率读数误差不能代替测定结果误差，测定结果误差常用浓度的代替测定结果误差，测定结果误差常用浓度的相对误差相对误差 c/c 表示。表示。 A = k c b A = k bc c/c = A/A假设假设T0.5，可算出可算出不同不同 T 时的时的c/c 值。值。 A = 0.434 或或 T = 36.8% 时时, ,浓度测量误差最小浓度测量误差最小, ,约为约为1.4%；A = 0.15 - -1.0 或或 T = 70 - - 10 范围内，范围内，浓度测量误差约为浓度测量误差约为 1.4 - - 2.2。第七节第七节 分光光度法的应用分光光度法的应用 一、单一组分的测定一、单一组分的测定 例例如如，邻邻二二氮氮菲菲法法测测 Fe 2+，在在 pH 3-8，形形成成橙橙红色配合物，红色配合物， max= 512 nm，=1.1 104 二、高含量组分的测定二、高含量组分的测定 需需采采用用示示差差法法，即即用用比比试试液液浓浓度度（Cx）稍稍低低的的标标准准溶溶液液（Cs）作作参参比比，调调节节仪仪器器的的透透光光率率为为100%（A=0），然然后后测测定定试试液液的的吸吸光光度度（Ar，称称为为相相对对吸吸光光度度）；若若用用普普通通法法，以以空空白白为为参参比比，可可测测得得试试液液与与标标准准溶溶液液的的吸吸光光度度分分别别为为 Ax 和和 As，根根据据 Beer 定律：定律： Ax= bcx As= bcs Ar = Ax As = b（cx - cs）= b c cx = c + cs普通法，浓度相对误差的计算：普通法，浓度相对误差的计算： 示差法，浓度相对误差的计算：示差法，浓度相对误差的计算： 式中，式中，Tr 为试样相对于标准溶液为参比时测得的为试样相对于标准溶液为参比时测得的 透光率，透光率，Ts 为标准溶液在普通法测得的透光率。为标准溶液在普通法测得的透光率。 三、多组分分析三、多组分分析 1.吸收光谱不重叠吸收光谱不重叠 2.吸收光谱重叠吸收光谱重叠在在波波长长1 和和2 处处测测定定吸吸光光度度 A1 和和 A2，由吸光度的加和性，可得由吸光度的加和性，可得式中，式中，cx 和和 cy 分别为分别为 x 和和 y 的浓度。的浓度。 四、光度滴定四、光度滴定 通过测定待测液吸光度的变化以确定反应通过测定待测液吸光度的变化以确定反应终点的方法，称为光度滴定法。终点的方法，称为光度滴定法。 这种方法是将盛有待测溶液的滴定池放入这种方法是将盛有待测溶液的滴定池放入分光光度计的光路中，测定滴定过程中溶液的分光光度计的光路中，测定滴定过程中溶液的吸光度，并绘制滴定体积和对应的吸光度曲线，吸光度，并绘制滴定体积和对应的吸光度曲线，根据滴定曲线就可以确定滴定终点。根据滴定曲线就可以确定滴定终点。 五、络合物组成及稳定常数的测定五、络合物组成及稳定常数的测定 摩尔比法：摩尔比法： 设金属离子设金属离子 M 与络合剂与络合剂 L 的反应为的反应为 固固定定 CM，增增加加CR，并并测测定定一一系系列列MRn 的的吸吸光光度度 A，以以CR/CM 比比值值对对A 作作图图，得得如如图图所所示示曲曲线线。其其中中，曲曲线线拐拐点点处处对对应应的的值值为为配配合比合比 n。稳定常数稳定常数： 在曲线上任取一点在曲线上任取一点 A i： 于是，可得于是，可得 K六、双波长分光光度法六、双波长分光光度法等吸收法：等吸收法：