紫外吸收光谱1doc.docx

1、紫外吸收光谱1doc第9章紫外吸收光谱1. 试简述产生吸收光谱的原因.基本要点：1. 分子吸收光谱 ；2. 有机化合物的紫外吸收光谱 ；3. 无机化合物的紫外吸收光谱 ；4. 溶剂对紫外吸收光谱的影响 ;5. 紫外吸收光谱的应用等 . 利用紫外吸收光谱进行定量分析的由来已久，公元60年古希腊已知道利用五味子浸液来估计醋中铁的含量。这一古老的方法由于最初是运用人的眼睛来进行检测，所以叫比色法。20世纪30年代产生了第一台光电比色计，40年代出现的 BakmanUV 分光光度计, 促进了新的分光光度计的发展。随着计算机的发展，紫外分光光度计已向着微型化自动化在线和多组分同时测定等方向发展。 第一节

2、 分子吸收光谱Molecular Absorption Spectroscopy一、分子内部的运动及分子能级 前面讲的AAS和AES都属与原子光谱，是由原子中电子能级跃迁所产生的。原子光谱是由一条一条的彼此分离的谱线组成的线状光谱。分子光谱比原子光谱要复杂得多。这是由于在分子中，除了有电子相对于原子核的运动外，还有组成分子的各原子在其平衡位置附近的振动，以及分子本身绕其重心的转动。如果考虑三种运动形式之间的相互作用，则分子总的能量可以认为是这三种运动能量之和。即E Ee+ Ev+ Er式中Ee为电子能量 ，Ev为振动能量，Er转动能量。这三种不同形式的运动都对应一定的能级，即：分子中除了电子能

3、级外，还有振动能级和转动能级这三种能级都是量子化的、不连续的。正如原子有能级图一样，分子也有其特征的能级图。简单双原子分子的能级图如图9-1所示。A和B表示电子能级，间距最大；每个电子能级上又有许许多多的振动能级，用V=0,1,2,等表示A能级上个振动能级，V=0,1,2,等表示B能级上各振动能级；每个振动能级上又有许许多多的转动能级，用j=0,1,2,等表示A能级上V=0各转动能级，j= 0,1,2,等表示A能级上V=1各振动能级等等。且 Ee Ev Er二、能级跃迁与分子吸收光谱的类型通常情况下，分子处于较低的能量状态，即基态。分子吸收能量具有量子化特征，即分子只能吸收等于二个能级之差的能

4、量。如果外界给分子提供能量（如光能），分子就可能吸收能量引起能级跃迁，而由基态跃迁到激发态能级。E=E1-E2=h=hc/由于三种能级跃迁所需要的能量不同，所以需要不同的波长范围的电磁辐射使其跃迁，即在不同的光学区域产生吸收光谱。 1转动能级跃迁与远红外光谱转动能级间的能量差Er约为：0.0250.003eV。假如是0.01 eV，可计算出：=hc/E=6.62410-342.998108/0.011.610-19=1.2410-5m=12400nm=124m可见，转动能级跃迁产生吸收光谱位于远红外区（50 300m）, 称远红外光谱或分子转动光谱。2.振动能级：振动能级间的能量差Ev 约为：

5、 0.025eV。假如是0.1 eV，可计算出：=hc/E=6.62410-342.998108/0.11.610-19=1.2410-5m=12400nm=12.4m可见，振动能级跃迁产生的吸收光谱位于红外区(0.7850m)，称红外光谱或分子振动光谱。 振动能级跃迁时不可避免地会产生转动能级间的跃迁。即振动光谱中总包含有转动能级间跃迁，因而产生光谱也叫振动-转动光谱。3电子能级电子能级的能量差 Ee : 201eV。假如是5eV，可计算出：=hc/E=6.62410-342.998108/51.610-19=2.4810-7m=248nm可见，电子跃迁产生的吸收光谱在紫外可见光区(2007

6、80nm)，称紫外可见光谱或分子的电子光谱。 电子能级跃迁时不可避免地会产生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，因而产生的谱线呈现宽谱带。紫外可见光谱实际上是电子-振动-转动光谱。 应该指出，紫外光可分为近紫外光（200 400 nm）和真空紫外光（60 200 nm）。由于氧、氮、二氧化碳、水等在真空紫外区（60 200 nm）均有吸收，因此在测定这一范围的光谱时，必须将光学系统抽成真空，然后充以一些惰性气体，如氦、氖、氩等。鉴于真空紫外吸收光谱的研究需要昂贵的真空紫外分光光度计，故在实际应用中受到一定的限制。我们通常所说的紫外可见分光光度法，实际上是指近紫

7、外、可见分光光度法。 第二节 有机化合物的紫外吸收光谱Organic Molecular Ultraviolet Absorption Spectroscopy 有机化合物此外吸收光谱（电子光谱）是由分子外层电子或价电子跃迁所产生的。按分子轨道理论，有机化合物分子中有：成键轨道，反键*轨道；成键轨道，反键轨道（不饱和烃）；另外还有非键轨道（杂原子存在）。各种轨道的能级不同，如图9-2所示。 相应的外层电子和价电子有三种：电子、电子和n 电子。通常情况下，电子处于低的能级（成键轨道和非键轨道）。当用合适能量的紫外光照射分子时，分子可能吸收光的能量，而又低能级跃迁到反键*轨道。在紫外可见光区，主要

8、有下列几种跃迁类型：.NV跃迁：电子又成键轨道跃迁到反键轨道，包括；跃迁。. NQ跃迁：分子中未成键的n 电子跃迁到反键轨道，包括n；n跃迁。. NR跃迁：电子逐级跃迁到各高能级，最后脱离分子，使分子成为分子离子的跃迁。（光致电离）.电荷迁移跃迁：当分子形成配合物或分子内的两个大体系相互接近时， 外来辐射照射后，电荷可以由一部分转移到另一部分，而产生电荷转移吸收光谱。可见，有机化合物一般主要有4种类型的跃迁： n 、 、 n 和。各种跃迁所对应的能量大小为n n 讨论：跃迁所需能量最大。电子只有吸收远紫外光的能量才能发生跃迁饱和烷烃的分子吸收光谱出现在远紫外区，吸收波长200 nm，甲烷的ma

9、x为125nm , 乙烷max为135nm，只能被真空紫外分光光度计检测到；作为溶剂使用。.n跃迁所需能量较大。吸收波长为150250nm，大部分在远紫外区，近紫外区仍不易观察到。含非键电子的饱和烃衍生物(含N、O、S和卤素等杂原子)均呈现n* 跃迁。. 跃迁所需能量较小。吸收波长处于远紫外区的近紫外端或近紫外区，max一般在104Lmol1cm1以上，属于强吸收。1饱和烃饱和烃类分子中只含有键，因此只能产生*跃迁，即电子从成键轨道（ ）跃迁到反键轨道（ *），所需能量最大。饱和烷烃的分子吸收光谱出现在远紫外区，吸收波长10200nm，已超出紫外、可见分光光度计的测量范围，只能被真空紫外分光光

10、度计检测到（空气中的氧吸收波长C=O基团。 C=O基团主要可产生*、 n* 、n*三个吸收带， n*吸收带又称R带，落于近紫外或紫外光区。醛、酮、羧酸及羧酸的衍生物，如酯、酰胺等，都含有羰基。由于醛酮这类物质与羧酸及羧酸的衍生物在结构上的差异，因此它们n*吸收带的光区稍有不同。 羧酸及羧酸的衍生物虽然也有n*吸收带，但是，羧酸及羧酸的衍生物的羰基上的碳原子直接连结含有未共用电子对的助色团，如-OH、-Cl、-OR等，由于这些助色团上的n电子与羰基双键的电子产生n共轭，导致*轨道的能级有所提高，但这种共轭作用并不能改变n轨道的能级，因此实现n* 跃迁所需的能量变大，使n*吸收带蓝移至210nm左

11、右。 第三节 无机化合物的紫外吸收光谱Inorganic Molecular Ultraviolet Absorption Spectroscopy 产生无机化合物紫外、可见吸收光谱的电子跃迁形式，一般分为两大类：电荷迁移跃迁和配位场跃迁。一电荷转移跃迁：吸收谱带200400nm许多无机配合物有电荷迁移跃迁所产生的电荷迁移吸收光谱。电荷迁移跃迁：指络合物吸收了可见-紫外光后，电子从中心离子的某一轨道跃迁到配位体的某一轨道，或从配位体的某一轨道跃迁到与中心离子的某一轨道。所产生的吸收光谱称为电荷迁移吸收光谱。（相当于内氧化还原反应）。一般可表示为：Mn+-Lb- M(n+1)+-L(b+1)-

12、(h)Fe3+-SCN-2+Fe2+-SCN2+（这就是配合物max=490nm为血红色原因）金属配合物的电荷转移吸收光谱，有三种类型： 1. 电子从配体到金属离子: 相当于金属的还原；2. 电子从金属离子到配体；产生这种跃迁的必要条件是金属离子容易被氧化（处于低氧化态），配位体具有空的反键轨道，可接受从金属离子转来的电子，如吡啶、2，2 -联吡啶，1，10-二氮杂菲及其衍生物等，这类试剂易与可氧化性的 Ti(III)、 Fe(II)、 V(II) 、 Cu(I) 等结合，生成有色配合物，反应过程中，电子从主要定域在金属离子的d轨道，转移到配位体的轨道上。3.电子从金属到金属配合物中含有两种不

13、同氧化态的金属时，电子可在其间转移，这类配合物有很深的颜色，如普鲁士蓝 KFeFe(CN)6 , 硅（磷、砷）钼蓝 H8 SiMo2O5(Mo2O7)5 等。过度金属离子与含生色团的试剂反应所生成的配合物以及许多水合无机离子，均可产生电荷迁移跃迁。如，Fe2+-1，10邻二氮菲及Cu+-1，10邻二氮菲配合物。又如， Fe3+OH- Fe2+HO (h) 此外，一些具有d10电子结构的过度元素形成的卤化物及硫化物，如AgBr、HgS等，也是由于这类跃迁而产生颜色。 电荷迁移吸收光谱出现的波长位置，取决于电子给予体和电子接受体相应电子轨道的能量差。若中心离子的氧化能力越强，或配位体的还原能力越强

14、，则发生跃迁时需要的能量越小，吸收光波长红移。 电荷迁移吸收光谱的一般在103104之间，其波长通常处于紫外区。二、 配位场跃迁 配位场跃迁包括d - d 跃迁和f - f 跃迁。元素周期表中第四、五周期的过度金属元素分别含有3d和4d轨道，镧系和锕系元素分别含有4f和5f轨道。在配体的存在下，过度元素五个能量相等的d轨道和镧系元素七个能量相等的f轨道分别分裂成几组能量不等的d轨道和f轨道。当它们的离子吸收光能后，低能态的d电子或f电子可以分别跃迁至高能态的d或f轨道，这两类跃迁分别称为d - d 跃迁和f - f 跃迁。由于这两类跃迁必须在配体的配位场作用下才可能发生，因此又称为配位场跃迁。

15、图9-6（See Power Point）是Co(NH3)5Xn+的吸收光谱，其中d - d 跃迁属配位场跃迁。 配位场跃迁吸收光谱的一般在10-1102之间，其波长通常处于可见区。较小，所以在定量分析上用途不大，但可用于研究无机化合物的结构及键合理论。 第四节 溶剂对紫外吸收光谱的影响Effects of Solvent on Spectra溶剂对紫外可见光谱的影响较为复杂。溶剂对紫外-可见吸收光谱的影响有两个方面：1有些溶剂特别是极性溶剂可能会影响溶质的最大吸收波长 改变溶剂的极性，可能会使吸收带的最大吸收波长发生变化。原因是溶剂和溶质之间常形成氢键，或溶剂的偶极是溶质的极性增强，引起n

16、* 跃迁及* 跃迁的吸收带迁移。(See Power Point)例1. 对亚异丙酮(异丙叉丙酮)紫外吸收光谱下表(Table 9-5)为溶剂对亚异丙酮(异丙叉丙酮)紫外吸收光谱的影响。 正己烷 CHCl3 CH3OH H2O * max/nm 230 238 237 243 n *max/nm 329 315 309 305 由上表可以看出，当溶剂的极性增大时，由n * 跃迁产生的吸收带发生蓝移，而由* 跃迁产生的吸收带发生红移。因此，在测定紫外、可见吸收光谱时，应注明在何种溶剂中测定。例2. 苯酰丙酮 (See Power Point)非极性 极性，n *跃迁：兰移； ， ； *跃迁：红移

17、； ；。2溶剂的极性溶剂可能会影响溶质吸收带的强度及形状溶剂的极性溶剂不仅会影响溶质的吸收波长，而且会影响溶质吸收带的强度及形状。Fig.9-7是苯酚在庚烷和乙醇中的紫外图谱。图9.5 苯酚在庚烷和乙醇中的紫外图谱：1庚烷；2.乙醇 苯酚B带的精细结构在庚烷中清晰可见，但在苯酚在乙醇中则完全消失，而呈现一个宽峰。改变溶剂的极性，会引起吸收带形状的变化。例如，当溶剂的极性由非极性改变到极性时，精细结构消失，吸收带变向平滑。 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

18、剂。选择溶剂时注意下列几点：溶剂应能很好地溶解被测试样，溶剂对溶质应该是惰性的。即所成溶液应具有良好的化学和光化学稳定性。 在溶解度允许的范围内，尽量选择极性较小的溶剂。溶剂在样品的吸收光谱区应无明显吸收。各种溶剂的使用最低波长极限见Table 9-6(P278) 第三节 紫外-可见分光光度计一、组成部件(See Power Point) 分光光度计按使用的波长范围可分为：紫外分光光度计（200 400nm）、可见分光光度计（400 800nm）和紫外-可见分光光度计（200 1000nm，现在多用）。紫外-可见分光光度计的基本结构是由五个部分组成：即光源、单色器、吸收池、检测器和信号指示系统

19、。1光源 对光源的基本要求是应在仪器操作所需的光谱区域内能够发射连续辐射，有足够的辐射强度和良好的稳定性，而且辐射能量随波长的变化应尽可能小。 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。这类光源的辐射能量与施加的外加电压有关，在可见光区，辐射的能量与工作电压4次方成正比。光电流与灯丝电压的n次方（n1）成正比。因此必须严格控制灯丝电压，仪器必须配有稳压装置。 在近紫外区测定时常用氢灯和氘灯。它们可在160 375 nm范围内产生连续光源。氘灯的灯管内充

20、有氢的同位素氘，它是紫外光区应用最广泛的一种光源，其光谱分布与氢灯类似，但光强度比相同功率的氢灯要大35倍。2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：产生光谱纯度高的波长且波长在紫外可见区域内任意可调。(See Power Point) 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。单色器的性能直接影响入射光的单色性，从而也影响到测定的灵敏度、选择性及校准曲线的线性关系等。 能起分光作用的色散元件主要是棱镜和光栅。 棱镜有玻璃和石英两种材料。它们的色散原理是依据不同

21、的波长光通过棱镜时有不同的折射率而将不同波长的光分开。由于玻璃可吸收紫外光，所以玻璃棱镜只能用于350 3200 nm的波长范围，即只能用于可见光域内。石英棱镜可使用的波长范围较宽，可从185 4000nm，即可用于紫外、可见和近红外三个光域。 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。它具有色散波长范围宽、分辨本领高、成本低、便于保存和易于制备等优点。缺点是各级光谱会重叠而产生干扰。入射、出射狭缝，透镜及准光镜等光学元件中狭缝在决定单色器性能上起重要作用。狭缝的大小直接影响单色光纯度，但过小的狭缝又会减弱光强。3吸收

22、池(See Power Point) 吸收池用于盛放分析试样，一般有石英和玻璃材料两种。石英池适用于可见光区及紫外光区，玻璃吸收池只能用于可见光区。为减少光的损失，吸收池的光学面必须完全垂直于光束方向。在高精度的分析测定中（紫外区尤其重要），吸收池要挑选配对。因为吸收池材料的本身吸光特征以及吸收池的光程长度的精度等对分析结果都有影响。4检测器(See Power Point) 检测器的功能是检测信号、测量单色光透过溶液后光强度变化的一种装置。 常用的检测器有光电池、光电管和光电倍增管等。 硒光电池对光的敏感范围为300800nm，其中又以500 600nm最为灵敏。这种光电池的特点是能产生可直

23、接推动微安表或检流计的光电流，但由于容易出现疲劳效应而只能用于低档的分光光度计中。 光电管在紫外-可见分光光度计上应用较为广泛。 光电倍增管是检测微弱光最常用的光电元件，它的灵敏度比一般的光电管要高200倍，因此可使用较窄的单色器狭缝，从而对光谱的精细结构有较好的分辨能力。5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、紫外-可见分光光度计的类型 紫外-可见分光光度计的类型很多，但可归纳为三种类型，即单光束

24、分光光度计、双光束分光光度计和双波长分光光度计。1单光束分光光度计 经单色器分光后的一束平行光，轮流通过参比溶液和样品溶液，以进行吸光度的测定。这种简易型分光光度计结构简单，操作方便，维修容易，适用于常规分析。(See Power Point)2双光束分光光度计 经单色器分光后经反射镜分解为强度相等的两束光，一束通过参比池，一束通过样品池。光度计能自动比较两束光的强度，此比值即为试样的透射比，经对数变换将它转换成吸光度并作为波长的函数记录下来。(See Power Point) 双光束分光光度计一般都能自动记录吸收光谱曲线。由于两束光同时分别通过参比池和样品池，还能自动消除光源强度变化所引起的

25、误差。3双波长分光光度计 由同一光源发出的光被分成两束，分别经过两个单色器，得到两束不同波长（1和2）的单色光；利用切光器使两束光以一定的频率交替照射同一吸收池，然后经过光电倍增管和电子控制系统，最后由显示器显示出两个波长处的吸光度差值A（A=A1-A2）。对于多组分混合物、混浊试样（如生物组织液）分析，以及存在背景干扰或共存组分吸收干扰的情况下，利用双波长分光光度法，往往能提高方法的灵敏度和选择性。利用双波长分光光度计，能获得导数光谱。 (See Power Point) 通过光学系统转换，使双波长分光光度计能很方便地转化为单波长工作方式。如果能在1和2处分别记录吸光度随时间变化的曲线，还能进行化学反应动力学研究。三、分光光度计的校正 通常在实验室工作中，验收新仪器或实验室使用过一段时间后都要进行波长校正和吸光度校正。 建议采用下述的较为简便和实用的方法来进行校正：镨铷玻璃或钬玻璃都有若干特征的吸收峰，可用来校正分光光度计的波长标尺，前者用于可见光区，后者则对紫外和可见光区都适用。也可用K2CrO4标准溶液来校正吸光度标度。 第五节 紫外吸收光谱的应用A