紫外实验讲义.docx
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紫外实验讲义
实验五紫外光谱法定性分析实验
一、实验目的
1．了解U-3010紫外可见分光光度计的构造、原理及使用方法。
2．了解紫外光谱法在定性分析中的应用。
3．掌握查阅紫外标准谱图的方法。
二、仪器与试剂
仪器：
U-3010紫外可见分光光度计
1cm石英吸收池
试剂：
苯
环己烷
0.016mol/L丙酮正己烷溶液
0.021mol/L丙酮甲醇溶液
0.025mol/L丙酮水溶液
5.0×10-5mol/L苯酚甲醇溶液
4.9×10-5mol/L对溴苯胺甲醇溶液
7.3×10-5mol/LC4H6O甲醇溶液（K带）
0.015mol/LC4H6O甲醇溶液（R带）
0.1mol/LNaOH溶液
0.1mol/LHCl溶液
三、实验内容
1．检查仪器波长及分辨率
2．环己烷的纯度检验
3．氢键强度测定
4．溶液酸碱性对紫外光谱的影响
5．鉴定有机化合物结构
四、实验原理及步骤
1．检查仪器波长及分辨率
（1）基本原理
紫外可见分光光度计在使用前或使用一定时间后，需对光度计的波长标尺进行必要的检查与校正，以保证测试结果的准确可靠。
利用苯蒸气紫外光谱的B吸收带进行波长校正和分辨率检查，是实验室中常用的一种简便可行的方法。
苯蒸气在（230～270）nm间的B吸收带为苯的特征谱带，它以中等强度吸收和明显的振动精细结构为特征。
将实验测得的苯蒸气的紫外光谱与苯蒸气的标准紫外光谱图相对照，据此可判断所用仪器的波长精度及分辨率。
（2）实验步骤
①于干燥洁净的1cm石英吸收池中，滴入一滴液态苯，盖上池盖，稍停片刻，待苯蒸气在吸收池中饱和后，放入样品光路，参比光路放入空吸收池，测定苯蒸气在（200～350）nm间的吸收光谱。
②将测得的苯蒸气的紫外吸收光谱与苯蒸气的标准紫外光谱图相对照，以检验所用仪器的波长精度及分辨率。
2．己烷的纯度检验
（1）基本原理
检验某一化合物中是否有杂质的主要依据是根据其光谱特征的不同来判断。
可分为下述两种情况：
①如果某一化合物在一定波长范围内无吸收，而杂质在该波长范围具有特征吸收，则可根据杂质吸收带的特征，即吸收峰的形状、波长及摩尔吸光系数等来检查该化合物中是否含有该杂质。
②如果某一化合物与杂质在某一波长范围内均产生吸收，则可根据它们各自吸收光谱特征的不同以及该化合物吸收光谱曲线是否改变而确定杂质的有无。
（2）实验步骤
①于1cm石英吸收池中，加入约2/3高度的分析纯环己烷，以空气为参比，测其在（200～350）nm间的紫外吸收光谱。
②根据所测吸收光谱的特征，判断出环己烷中可能存在的杂质。
注：
石英吸收池在使用前，需先用甲醇或乙醇清洗3次，然后再用待测试液清洗3次。
3．氢键强度测定
（1）基本原理
当溶质分子和溶剂分子缔合生成氢键时，溶质的吸收光谱特征将有明显改变。
例如，羰基化合物n→π*跃迁所产生R带的λmax在很大程度上取决于所使用的溶剂。
对于同一含羰基的化合物，它在极性溶剂和非极性溶剂中R带的的λmax值是有所区别的。
在极性溶剂中，溶剂和羰基氧原子的n电子形成氢键，使n轨道能级降低而趋向稳定化。
当n电子实现n→π*跃迁时，需要增加一定的能量来克服氢键的键能。
而在非极性溶剂中，由于未形成氢键，也就无须破坏氢键，因而实现n→π*跃迁需要较少的能量。
两者跃迁的能量差正好与氢键的键能相当，也就是与氢键的强度相当，据此，可用下式计算出溶质在极性溶剂中所形成的氢键强度。
式中，EH为氢键强度（J/mol），Ep、λp为在极性溶剂中跃迁的能量（J）及波长（cm），En、λn为在非极性溶剂中跃迁的能量（J）及波长（cm），N为阿佛加德罗常数（6.02×1023），h为普朗克常数（6.62×10-34J·S），c为光速（3×1010cm/s）。
（2）实验步骤
①测定丙酮在正己烷、甲醇和水中的紫外吸收光谱
于1cm石英吸收池中，加入约2/3高度的0.016mol/L丙酮正己烷溶液，以空气为参比，记录其在（200～350）nm间的紫外吸收光谱，并测出R带的λmax，即λn；然后用同样的方法，分别测出0.021mol/L丙酮甲醇溶液和0.025mol/L丙酮水溶液中R带的λmax（甲醇）和λmax（水），即λp和λ′p。
②数据处理
将所测数据λn、λp和λ′p分别带入上式中，计算出丙酮在甲醇和在水中生成的氢键强度。
4.溶液酸碱性对紫外光谱的影响
（1）基本原理
在测定酸性、碱性或两性物质时，溶液的酸碱性对其紫外光谱的影响很大。
因此，在紫外光谱分析中，有时可利用不同pH条件下光谱变化的规律，测定分子结构中的酸性或碱性基团。
例如，苯酚在碱性介质中，可转化为酚盐负离子，即
苯酚分子中OH基团上的氧原子含有两对孤对电子，与苯环π电子形成p－π共轭。
当形成酚盐负离子时，氧原子上的孤对电子增加到三对，使p－π共轭作用进一步增强，因而导致吸收带红移，吸收强度增加，若再加入酸，吸收峰又回到原处，苯酚－苯酚盐的相互转化可用以确定化合物中是否有羟基与苯环相连。
又如，苯胺在酸性介质中可转化为苯胺盐正离子，即
苯胺形成盐后，氮原子上的孤对电子消失，不再与苯环上的π电子共轭，因此苯胺盐的吸收带蓝移至与苯相同的位置，若再加入碱，谱图又可复原。
据此，可以很方便地判断化合物中是否有NH2基团与苯环相连。
（2）实验步骤
①将5.0×10-5mol/L的苯酚甲醇溶液加入1cm石英吸收池中，以甲醇（或空气）为参比，测定其在（200～350）nm间的紫外吸收光谱，然后取出盛有试液的吸收池，加入3滴0.1mol/L的NaOH，稍许摇晃，在同一张图上再记录其在（200～350）nm间的吸收光谱，根据λmax的移动情况，判断出该化合物的类型；最后，根据所给分子式查阅萨特勒分子式索引，再根据此分子式所对应的UV图号查找紫外标准谱图，将实验测得的紫外吸收光谱与相同分子式的紫外标准谱图相对照，以确定出该化合物的可能结构。
②将4.9×10-5mol/L的对溴苯胺甲醇溶液加入1cm石英吸收池中，以甲醇（或空气）为参比，于（200～350）nm间测其紫外吸收光谱，然后取出盛有试液的吸收池，加入3滴0.1mol/L的HCl，稍许摇晃，再测其紫外吸收光谱，观察其λmax的移动情况，判断出该化合物的类型；最后，根据所给分子式查阅萨特勒紫外标准谱图，以确定出该化合物的可能结构。
5.鉴定有机化合物结构
（1）基本原理
利用紫外光谱对有机化合物进行定性鉴定和结构分析的主要依据是这些化合物的吸收光谱特征，即吸收曲线的形状，吸收峰数目以及各吸收峰的波长位置和相应的摩尔吸光系数等。
其中，最大吸收峰波长λmax及εmax是有机化合物定性鉴定的主要参数。
用紫外光谱法对有机化合物进行定性和结构鉴定的方法一般有两种。
第一种方法是在相同的测量条件下（溶剂、pH等），测定未知物的紫外吸收光谱与所推断化合物的标准物的吸收光谱直接比较，或与萨特勒紫外标准谱图对照，如果两者吸收光谱的特征完全相同，则可初步认为两者为同一化合物，或者是具有相同的分子骨架和发色团。
因为物质的紫外吸收光谱基本上是分子中发色团和助色团的特征，而不是整个分子的特征。
因此，仅靠紫外光谱来确定整个分子的结构是困难的，还须配合红外光谱、核磁共振波谱和质谱，方可作出该化合物定性鉴定和结构分析的可靠结论。
第二种方法适用于没有紫外标准谱图或标准样品，不能用第一种方法（即对比法）进行鉴定的情况。
此时，可根据有机化合物吸收波长的经验规则计算λmax，然后与实测值进行比较，以确认物质的结构。
例如，Woodward和Scott根据大量实验结果总结了计算共轭烯烃、共轭烯酮类化合物π→π*跃迁最大吸收波长和计算芳香族羰基衍生物E2带的吸收波长的经验规则，如表5-1、表5-2、表5-3和表5-4所示。
该规则是以某一类化合物的基本吸收波长为基础，加入各种取代基对吸收波长所作的贡献，就是该化合物π→π*跃迁的最大吸收波长λmax。
（2）实验步骤
①分别将7.3×10-5mol/L和0.015mol/L的C4H6O甲醇溶液加入1cm石英吸收池中，以甲醇为参比，测其在（200～350）nm间的紫外吸收光谱（每个浓度测一次，共需测两次）。
②根据所给分子式，查阅萨特勒紫外标准谱图，确定出该化合物的可能结构。
③根据Woodward或Scott经验规则计算出所确定结构K带（或E2带）的λmax，然后与实验测得的K带（或E2带）的λmax值相比较，以进一步验证所确定结构的正确性。
表5-1共轭烯烃π→π*跃迁λmax的计算方法
直链共轭二烯基本值
217nm
同环二烯基本值
253nm
异环二烯基本值
214nm
增加一个共轭双键
30nm
环外双键
5nm
烷基或环残余取代
5nm
烷氧基取代–OR
6nm
含硫基团取代–SR
30nm
胺基取代–NR2
60nm
卤素取代
5nm
酰基取代–OCOR
0nm
表5-2ArCOR衍生物E2带的波长计算
ArCOR发色团母体
λ/nm
R=烷基或环残基（R）
246
=氢（H）
250
=羟基或烷氧基（OH或OR）
230
表5-3苯环上邻、间、对位被取代基取代的λ增值Δλ/nm
取代基
邻位
间位
对位
取代基
邻位
间位
对位
R（烷基）
3
3
10
Br
2
2
15
OH,OR
7
7
25
NH2
13
13
58
O
11
20
78
NHAc
20
20
45
Cl
0
0
10
NR2
20
20
85
表5-4不饱和羰基化合物π→π*跃迁λmax的计算方法
δγβα
λ（nm）
α、β不饱和羰基化合物
（无环、六员环或较大的环酮）基本值
215
α、β键在五员环内
-13
当x为H时
-6
当x为OH或OR时
-22
增加一个共轭双键
30
增加同环二烯
39
环外双键、五员环及七员环内双键
5
烯基上取代：
αβγδ
烷基－R
10121818
烷氧基－OR
35301731
羟基－OH
35305050
酰基－OCOR
6666
－Cl
15121212
－Br
25302525
－SR
80
－NR2
95
附录5U-3010紫外可见分光光度计的使用
一、U-3010紫外可见分光光度计
图5-1U-3010紫外可见分光光度计的外部组成
图5-2U-3010紫外可见分光光度计样品室示意图
二、U-3010紫外可见分光光度计的操作步骤
（一）开机
先接通主机电源，再接通计算机电源，用鼠标双击桌面上的“UVSolution”图标，屏幕上出现测量界面，预热10分钟后等候测量。
（二）测量操作
1.定性测量方式
点击屏幕右侧（Method）方法快捷图标，出现5张重叠的测量条件菜单，分别为：
（1）General（一般）
（2）Instrument（仪器条件）
（3）Monitor（模拟监视）
（4）Processing（数据处理）
（5）Report（报告格式）
下面分别加以说明：
（1）General（一般）菜单内容介绍：
Measurement（测量方式）一选Wavelengthscan波长扫描方式。
Operator（操作者名）—可键入中文或英文。
Instrument（仪器类型）一已自动记录。
Comments（注释说明）—为测量条件加注必要的说明。
（2）Instrument（仪器条件）莱单内容介绍：
Datamode（数据方式）一T％（透过率），ABS（吸光度），Es（样品侧单光束能量），Er（参比侧单光束能量），R%（发射）。
Startwavelength（起始波长）—可在191.00～1100.00nm间任意设定。
Endwavelength（终止波长）—可在190.00～1099.00nm间任意设定。
Seanspeed（扫描速度）—AUTO，0.3，3，15，30，60，120，300，600，1200，1800nm/min11档任选。
（但要考虑与狭缝宽度的配伍关系）。
High（高分辨率）—ON适合陡纹光谱峰测量，一般选择OFF。
Baselinecorrection（基线校正）—System系统基线校正，范围为191-1100nm。
User两条用户基线校正，范围任设。
Delay（延迟时间）—为了使样品的温度达到稳定，故而设定一个延迟时间。
当做重复测量时，仅第一个样品执行延迟。
设定范围为0-9999秒。
Cyeletime（循环周期）一在重复测量时，上次测量开始时间到下次测量开始时间的间隔。
设定范围为0.1-99min。
但此时间一定要大于一次全程扫描时间，否则，扫描未完便继续下一扫描。
Zerolnstrumentbeforeeachrunatnm—测量前，在指定的波长处自动调零。
Lightsource（光源选择）—Auto在340nm处自动切换。
D2only仅用氘灯，W1only仅用钨灯。
Lampchange（灯范围）—当仅选用氘灯或钨灯时，可延伸应用范围。
设定范围为325-370nrn。
Slitwidth（狭缝宽度）—有0.1，0.5，1.0，2.0，4.0，5.0nm六档可设定。
PMTmode（光电管电压模式）—Auto通常测定时使用。
Fixed固定电压使用，一般在能量方式或火焰发射法时使用。
PMTvoltage（光电管高压）—当上项选用Fixed方式时用。
范围0-1000伏。
SamplingInterval（采样间隔）—数据读取间隔。
有Auto，0.0125，0.025，0.05，0.1，0.2，0.5，1，2，5nm10档可选用。
一般用Auto。
Replicates（重复次数）—样品重复测量次数设定。
范围在1-20间设定。
Pathlength（光路长度）—根据比色皿长度设定。
范围在0.1-100mm间。
（3）Monitor（模拟监视）菜单内容介绍：
Y－axisMax（纵轴最大标尺）—设定范围-99999.999到10000.000，初始值为1。
Y－axisMin（纵轴最小标尺）—设定范围-10000.000到99999.999。
初始值为0。
口Opendataprocessingwindowafteracquisition（测量后打开数据处理窗口）
口Printreportafterdataacquisition（测量后自动打印）
（4）Processing（数据处理）菜单内容介绍：
Averagereplicates（平均值）一重复测量时使用。
可求得平均值。
Processingchoices（处理方法选择）一数据处理方法选择。
①Savitsky–Golaysmoothing平滑方式，
②Meansmoothing平均平滑方式，
③Mediansmoothing中间平滑万式，
④Derivative微分方式。
Processingsteps（处理步骤）
PeakFinding（光谱峰的找寻方法）
Integratingmethod（峰的检出方法）—①Rectangular矩形，
②Trapezoid斜方形，
③Romberg罗伯格形。
Threshold（阈值）—将小于设定值的峰舍去。
设定范围0.0001-4.000。
Sensitivity（灵敏度）一有1，2，4，8四档可选。
一般选1。
（5）Report（报告格式）菜单内容介绍：
口Includegraph（包括图谱）—选定后可打印图谱。
口Includepeaktable（包括峰值表）一选定后可打印峰值表。
口ReportParameters（参数打印）一选定后可打印参数。
口Includedatalisting（包括数据表）—选定后可打印数据表。
其中含：
Datainterval（数据间隔）—最小设定值为0.5nm。
Datastart（数据起始）—数据采集起始波长的设定。
Dataend（数据终止）—数据采集终止波长的设定。
口UseMicrosoftExcel（使用MSExcel格式）一如计算机没有装载MicrosoftExcel程序，此功能则无效。
Printerfont（打印机字体）—如改变报告字体可选择。
（6）参数设定后，点击屏幕右侧（Measure）测量快捷图标，仪器开始光谱扫描。
2.定量测量方式
点击屏幕右侧（Method）方法快捷图标，出现六张重叠的测量条件菜单。
分别为：
（1）General（一般）
（2）Quantitation（定量条件）
（3）Instrument（仪器条件）
（4）Monitor（模拟监视）
（5）Processing（数据处理）
（6）Report（报告格式）
下面分别加以说明：
（1）General（一般）菜单内容介绍：
Measurement（测量方式）—选Photometry定量方式。
Operator（操作者名）—可键入中文或英文。
Instrument（仪器类型）—已自动记录。
Option（附属品选择）—可选择如自动进样器等附件。
Comments（注释说明）—为测量条件加注必要的说明。
（2）Quantitation（定量条件）菜单内容介绍：
Measurementtype（测量类型）—①Wavelength指定波长。
②Peakarea峰面积。
③Peakheight峰高。
④Derivative微分。
⑤Ratio峰比测定。
Calibrationtype（曲线校正类型）—①None不校正，适于多波长测定。
②1storder一次线性方程。
③2ndorder二次曲线方程。
④3rdorrder三次曲线方程。
⑤Segmented折线。
Numberofwavelengths（波长数）一当不使用曲线校正时最多可设定6个波长。
其他校正类型可设定l-3个波长。
Concentrationunit（浓度单位）—任意设定。
Decimalplace（有效小数位数）—浓度读值的小数有效位。
输入范围0-3。
Manualcalibration（系数输人）—利用系数输入制作曲线。
（一般不用）
Forcecurvethroughzrro（强制曲线通过零点）一使系数Ao值通过零点。
（3）Instrument（仪器条件）菜单内容介绍：
Wavelength（1-6）（波长值）—根据上项内容的波长数而设定波长值。
Baselinecorrection（基线校正）—可以作系统基线（190-1100nm）
及用户基线（二条）的校正和记忆。
Delay（延迟时间））—为了使样品的温度达到稳定故而设定一个延迟时问。
当做重复测量时，仅第一个样品执行延迟。
设定范围0-9999秒。
Cycletime（循环周期）—在重复测量时，上次测量开始时间到下次测量开始时间的间隔。
设定范围为0.l-99min.但此时间一定要大于一次全程扫描时间，否则扫描未完便继续下一扫描。
口Zeroinstrumentbeforeeachrunat—测量前在指定的波长处自动调零。
Lightsource（光源选择）一Auto在340nm处自动切换。
D2only仅用氘灯，W1only仅用钨灯。
Lampchange（灯范围）—当仅选用氘灯或钨灯时，可延伸应用范围。
设定范围为325-370nrn。
Slitwidth（狭缝宽度）—有0.1，0.5，1.0，2.0，4.0，5.0nm六档可设定。
PMTMode（光电管电压模式）—Auto通常测定时使用。
Fixed固定电压使用，一般在能量方式或火焰发射法时使用。
PMTVoltage（光电管高压）—当上项选用Fixed方式时用。
范围0-1000伏。
Samplinginterval（采样间隔）一数据读取间隔。
有Auto，0.0125，0.025，0.05，0.1，0.2，0.5，1，2，5nm10档可选用。
一般用Auto。
Replicates（重复次数）一样品重复测量次数设定。
范围在1-20间设定。
PathLength（光路长度）一根据比色皿长度设定。
范围在0.1-100mm间。
（仅对吸光度方式有效）
（4）Standarts（标准）菜单内容介绍：
No.（标样个数）—根据样品多少，设定标准样品个数。
Update（更新）—可清除已输入的标样个数，注释，浓度等项目。
Namets（标样品名）—输入标样序号。
Comments（标样注释）—对标样进行说明及注释。
Concentration（浓度）一输入标样浓度值。
Insertcommand（插人）—点击此框可再插入若干个标样数目。
Deletecommand（删除）—激活欲删除的标样栏目后再点击此框，便可删除。
（5）Monitor（模拟监视）与前项相同，故从略。
（6）Report（报告格式）菜单内容介绍：
Includecalibrationcurve一选定后，报告中打印工作曲线图。
Includecalibrationdata一选定后，报告中打印工作曲线值。
Includestandardsandsampler一选定后，报告中打印标样和样品值。
口UseMicrosoftExcel（使用财Excel格式）一如计算机没有装载MicrosoftExcel程序此功能则无效。
Printerfont（打印机字体）—如改变报告字体可选择。
（7）关于测量步骤
①上述六项内容全部设定后点击（OK）框确认，屏幕显示出一个四等份测量画面。
②每放入一个标准样品后，点击屏幕右侧垂直的（Measure）快捷框实施测量，直至全部标样依次测完。
最后显示一条完整的工作曲线。
③每放入一个未知样品后点击屏幕左下方（Sampler）框或按键盘上的F4键进行测量，直至全部样品测完。
最后点击屏幕下方的（End）框或键盘上的F9键结束全部测量。
（三）关机
先关闭主机电源，再关闭计算机电源，与开机的顺序正好相。
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