第2章 紫外—可见光光谱法1
波谱分析之紫外篇
第2章 紫外-可见光谱法紫外-可见收光谱是最早应用于有机结构鉴定的波谱方法之一，也是常用的一种快速、简便的分析方法。
在有机结构鉴定中它在确定有机化合物的共轭体系、生色基和芳香性等方面比其它的仪器更有独到之处。
2．1 紫外光谱的基本原理分子可以吸收紫外-可见光区200-800nm 的电磁波而产生的吸收光谱称紫外-可见吸收光谱(Ultraviolet 一Visible Absorption Spectra)。
简称紫外可见光谱(UV-Vis)或紫外光谱(UV)。
紫外可见光可分为3个区域:远紫外区 10 － l90nm 紫外区 190 － 400nm 可见区 400 － 800nm其中远紫外区又称真空紫外区。
由于氧气、氮气、水、二氧化碳对这个区域的紫外光有强烈的吸收，对该区域的光谱研究较少。
一般的紫外光谱仪都包括紫外光和可见光两部分（200 ~ 800nm）。
紫外光谱又称之为电子吸收光谱。
紫外光谱和红外光谱统称分子光谱。
2.1.1 基本原理:紫外光谱是样品吸收光波，引起其电子从基态跃迁到激发态，记录下光波在通过样品前后的光能的变化得到。
分子轨道可以被看作是由对应的原子轨道以线性组合而成，以双原子分子A-B 的σ键来说，一个分子轨道能量低，为成键分子轨道，称为σ分子轨道。
另一个分子轨道能量高为空的反键分子轨道是由A 与B 的原子轨道相减而成的，称为σ*分子轨道。
A-B 分子的基态时。
组成键的两个电子都在能量低的σ分子轨道里面它对应能量为E 1。
分子也可能处于高能态，其中一个电子在σ分子轨道，而另一个电子在σ*分子轨道，其能量为E 2。
分子通常是处于基态的，但当分子受紫外光照射时，可吸收一定大小的能量(E=h υ)的紫外光，此能量恰好等于基态与高能态能量的差值(E 2- E 1)，使电子从E 1跃迁至E 2。
用仪器将紫外光强度在吸收池前后的变化记录下来，得到紫外光谱。
1. 谱线的形状、Franck 一Condon 原理，分子的能级中电子能级最大，分子在电子基态和激发态都存在着不同的振动能级。
仪器分析全知识点
分子光谱的分类分子吸收光谱转动光谱（远红外光谱）振动光谱(红外光谱）电子光谱(紫外-可见光谱)分子发射光谱电子光谱（分子荧光、磷光）原子光谱的分类原子吸收光谱原子发射光谱光、电、色1色谱法分类气相色谱法高效液相色谱法电化学分析法分类电位分析法电位滴定法伏安法3紫外-可见分光光度法（紫外-可见吸收光谱法):物质分子对紫外-可见光的吸收进行定性、定量及结构分析.紫外-可见光区分为远紫外（10~200nm）、近紫外（200~360nm）和可见部分（360～760nm)；远紫外的吸收测量在真空下进行；通常研究近紫外-可见光范围的光谱行为。
第2章紫外-可见分光光度法4§2－1 分子光谱概述1．分子光谱产生M＋hν==M＊基态激发态E1 E2分子吸收能量后,电子从一个能级跃迁到另一个能级分子内部电子能级的跃迁而产生的光谱：紫外-可见光谱5吸收光谱(吸收曲线）: 横坐标用波长或频率表示；物质的吸收峰位置对应于分子结构，是定性依据.纵坐标用光强的参数表示，如透光率、吸光度、吸光系数等，是定量依据。
2．吸收光谱特征63．光吸收定律:朗伯—比尔(Lambert—Beer)定律当一束强度为I0 的平行单色光照射到均匀而非散射的溶液时，光的一部分（强度为Ia）被吸收，一部分（强度为It)透过溶液,一部分（强度为Ir）被器皿表面所反射，则I0 = Ia + It + Ir光的反射损失Ir 主要决定于器皿材料、形状、大小和溶液性质。
在相同条件下，这些因素是固定的,且反射损失的量很小，故Ir 可忽略不计，则:I0 = Ia + It散射：光通过不均匀悬浮颗粒时，部分光束将偏离原来方向而分散到各个方向去。
单色光： 单一频率（波长）的光 7透光度（透光率或透射比）（T ,Transmittance ) ：透过光强度与入射光强度之比 ： T = I / I0吸光度（A ， Absorbance ）：物质对光的吸收程度，其值为透光度的负对数： 注：A 、T 无单位方便起见， 透过光强度 It 用 I 表示 8人们对光吸收定律认识，经历了较长历史过程。
第二章 可见紫外吸收光谱分析1
由于玻璃可吸收紫外光，所以玻璃棱镜只能用于
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。
它是分光光度法定量分析的依据。
吸光系数
朗伯-比耳定律中，当c以克/升，液层厚 度b以厘米表示时，常数K以a表示，称 为吸光系数。 a的单位为升/克.厘米。 朗伯-比耳定律 :A=abc
摩尔吸光系数
朗伯-比耳定律中，浓度用摩尔/升，液 层厚度b用厘米为单位表示，则K用另一 符号ε来表示。 ε称为摩尔吸光系数(或克分子消光系数)， 单位为升/摩尔.厘米。 它表示物质的浓度为1摩尔/升，液层厚 度为1厘米时溶液的吸光度。 朗伯-比耳定律 : A=εbc
72型 721型
751型 WFD-8型
760 40000
～
硅碳棒或 辉光灯
岩盐或萤 石棱镜
WFD-3型 WFD-7型
一、组成部件
光源
单色器
样品池
记录装置
检测器
（一）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。 常用的光源有热辐射光源（如钨丝灯 和卤钨灯）和气体放电光源（如氢灯和氘 灯）两类。
1)非单色光的影响： 光吸收定律的重要前提是入射光
第二章紫外-可见光谱
例如:
CH3OH: n→σ* 所产生的吸收带λmax为183nm. ε=150
三. 常见的光谱术语
1.发色团：
可以使分子在紫外-可见光区产生吸收带的基团. (一般为带π电子基团(C=C,C C,苯环,C=O,N=N,NO2)
如果一个化合物分子中:
-发色团之间不发生共轭: 吸收光谱包括发色团各自的 吸收带
-发色团之间彼此形成共轭体系: 原来各自发色团的吸 收带消失,而产生新的吸收谱带(波长和吸收强度比原 来明显加大)
2.助色团：
有些原子或基团单独在分子中存在时,本身在紫 外区和可见区不产生吸收的原子或基团，当连接发 色团后，使发色团的吸收带波长移向长波, 同时使 吸收强度增加．(助色团一般为带有p电子的原子或 原子团. 如-OH,-OR,-NHR, -SR, -Cl, -Br, I, 烷 基等)
λ/nm
5. 末端吸收
吸收峰随着波长变短而强度增强,直至仪器测量的极 限,而不显示峰型(这主要是因为其最大吸收在短波长 处),这种极限处吸收称为末端吸收.
6. 吸收带的分类
1). K吸收带(源于德文konjugierte, 共轭)
由共轭体系的π→π* 跃迁产生的强吸收带, 一般 εmax>104
2). R吸收带(源于德文radikalartig, 基团)
如果一个分子在不同的pH 值介质中形成阳离子或阴 离子, 吸收波长随离子化而改变
例如
Hale Waihona Puke NH2 H+_
OH
+ NH3
_
OH
O
_
OH
H+
λmax/nm (εmax)
原因
230(8600) 203(7500) 211(6200) 236(9400) 280(1470) 254(160) 270(1450) 287(2600)
《现代仪器分析教学课件》2.紫外-可见吸收光谱法
C. π→π*：发生在近紫外线区 ~200nm
CH2=CH2：λmax=165 nm 、CH≡CH：λmax=173 nm 但是随着共扼体系的增大或杂原子的取代， λmax向长波移 动;εmax≥104，是强吸收带。
4．E带：由苯环环形共轭系统的π→ π*跃迁产生 ✓ 芳香族化合物的特征吸收带 。 • E1 180nm εmax>104 （常观察不到） • E2 200nm εmax=7000 强吸收 • 苯环有发色团取代且与苯环共轭时，E2带与K带合并
一起红移（长移）
影响吸收带位置的因素：
主要是溶剂极性对λmax的影响； n-π*跃迁：溶剂极性↑，λmax↓蓝移 π-π*跃迁：溶剂极性↑ ，λmax↑红移 对吸收光谱精细结构影响 溶剂极性↑，苯环精细结构消失
共轭体系增长，λmax↑→红移，εmax↑
C. 羰基化合物： n →π* (R 吸收带)、n→ σ*、 π→π*
醛、酮: n →π* λmax~ 270~300 nm ε max~10-20
羧酸及其衍生物: n →π* 存在助色团：-OH、-OR、-NH2、-Cl
形成 n →π共轭， π轨道能量降低，π* 轨道能量升高 n 轨道能量不受影响，因此 n→π* 蓝移 λmax~210nm
减色
λ
2.3.3 吸收带类型和影响因素
吸收带：相同跃迁类型所产生的吸收峰。
1．K带：由共轭双键的π→ π*跃迁产生 (—CH＝CH—)n，—CH＝C—CO—
• λmax 217~280nm，εmax>104 • 共轭体系增长，λmax↑→红移，εmax↑ • K 吸收带是共轭分子的特征吸收带，可用于判断共
紫外光谱
2.3.2 烯、炔及其衍生物 非共轭 *跃迁， λmax位于190 nm以下的远紫外区。 例如：乙烯 165 nm（ε15000），乙炔 173nm C＝C与杂原子O、N、S、Cl相连，由于杂原子的助色 效应， λmax红移。 小结：C＝C，C≡C虽为生色团，但若不与强的 助色团N，S相连， *跃迁仍位于远 紫外区。
助色团(auxochrome)：
当具有非键电子的原子或基团连在双键或共轭体 系上时，会形成非键电子与电子的共轭 (p- 共轭)， 从而使电子的活动范围增大，吸收向长波方向位移， 颜色加深，这种效应称为助色效应。能产生助色效应 的原子或原子团称为助色团。
常见的助色团有：－OH、－OR、－NHR、-SH、-SR、－ Cl、-Br、-I等。
作业：
1. 什么是紫外光谱？ 2. 紫外光谱的波长范围是什么？ 3. 影响紫外光谱的因素有那些？ 4. 紫外光谱的所属类别？ 5. 分子轨道的种类？ 6. 电子越迁类型？ 7. 发色团与助色团？
2.3 非共轭有机化合物的紫外吸收
2.3.1 饱和化合物 饱和烷烃：σ*，能级差很大，紫外吸收的波长
【例】按经验规则预测下列化合物中紫外吸收波长
最长的是：（
）
【例】某一未知化合物C10H14，有四种可能的结构式。经UV 测定λmax=268nm，强吸收，试确定可能是哪种结构式。
CH=CH—CH=CH2
λmax =217+5
λmax＜200
CH=CH2
C2H5
λmax=253+3×5 =268
CH=CH—CH=CH2
有机波谱-习题-第二章：紫外
第二章紫外-可见光谱法一、填空1.紫外-可见光谱统称________。
这类光谱是由分子的________而产生的。
当以一定波长范围的连续光照射样品时，一定波长的光子被吸收，使透射光的强度发生变化，于是产生了以________组成的吸收光谱，以波长为横坐标，________或________为纵坐标即可得到被测化合物的吸收光谱。
2.紫外吸收光谱最大吸收值所对应的波长为________；曲线的谷所对应的波长称为________；峰旁边一个小的曲折称为________；在吸收波长最短一端，吸收相当大但不成峰形的部分为________。
整个吸收光的________、________和________是鉴定化合物的标志。
3.紫外-可见光谱研究的波长范围是________。
紫外-可见光分为三个区域：________的波长范围是10—190nm，________的波长范围是190—400nm，________的波长范围是400—800nm。
一般紫外光谱仪包括紫外光和可见光两部分。
在紫外光谱中，峰最高处的波长记为________。
4.在紫外光谱中，峰的强度遵守________，即A=lg I0/I=εcl。
理论上，该定律只适用于________，而实际上应用的入射光往往有一定的波长宽度，因此要求入射光的波长范围________。
该定律表明，在一定测试条件下，________与溶液________成正比。
5.A=εcl，符号c代表________，单位________，l代表________，单位是________，ε为________。
当c等于________，l等于________，在一定波长下测得的吸光度从数值上就等于________。
6.分子在电子基态和激发态都存在不同的振动能级，通常基态分子多处于________振动能级。
电子跃迁一定伴随能量较小的振动能级和转动能级的跃迁。
一般情况下，激发态键的强度比基态________，所以激发态的平衡核间距比基态的平衡核间距________。
紫外光谱法
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（2）B带和E带 : 芳香族化合物的π→π*跃迁,在光谱学上称为B 带（benzenoid band,苯型谱带）和E带（ethylenic band，乙 烯型谱带），是芳香族化合物的特征吸收。所谓E带指在封闭的 共轭的体系中（如芳环），因π→π*跃迁所产生的较强或强的吸 收谱带，E带又分为E1和E2带，两者的强度不同，E1带的摩尔吸 光系数ε大于104 (lgε>4)，吸收出现在184nm;而E2带的摩尔吸光 系数ε约为103，吸收峰在204nm。两种跃迁均为允许跃迁。B带 指在共轭的封闭体系（芳烃）中，由π→π*跃迁产生的强度较弱 的吸收谱带，苯B带的摩尔吸光系数ε约为200，吸收峰出现在 230～270nm之间，中心在256nm,在非极性溶剂中芳烃的B带为 一具有精细结构的宽峰，但在极性溶剂中精细结构消失。当苯环
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二、 烯、炔及其衍生物
非共轭 *跃迁, λmax位于190nm以下的远紫外区。 例如:乙烯 165nm（ε 15000）,乙炔 173nm
C＝C与杂原子O、N、S、Cl相连,由于杂原子的助色 效应, λmax红移。
小结:C＝C,C≡C虽为生色团,但若不与强的 助色团N，S相连， *跃迁仍位于远 紫外区。
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几点说明:
1.当分子中的电子在向较高电子能级跃迁的过程中,同时发生振动或转 动能级的变化,因此产生的谱线不是一条而是无数条，即一个典型的 紫外光谱显示出的是一些宽的谱带（峰），这种光谱很容易用峰顶的 位置（λ最大）及其吸收强度（ε最大，消光系数）来描述。例如，对 甲苯乙酮，λCH3OHmax＝252nm，εmax＝12300
收光谱称真空紫外），200-400nm为近紫外区, 一般的紫外光谱
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为讨论方便，我们假设入射光仅由两种波长λ1和λ2的光组 成。 ' I 对λ1，吸光度为A′ A' lg 0 ε1bc
I1
对λ2，吸光度为A″,
I1 I'0 10ε1bc
I" A" lg 0 ε 2bc I2
I 2 I"0 10ε2bc
入射光强 I0′+I0″ 透过光强 I1+I2
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２．吸光度 • 用波长为λ的单色光照射某溶液时，入射光强度为 I。，透过光强度为I，
I。 I
则透光率 T I 100% I 定义：吸光度
光全部通过时 I=I。 T=100% 光全部未通过时 I=0 T=0
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I A lg lg T I
3. 吸收曲线 • 我们测量溶液对不同波长的光的吸光度，以波长为横坐标， 以吸光度为纵坐标，作图，可得一曲线，此曲线我们称为 吸收曲线。 • 如邻菲罗啉合铁溶液的吸收曲线（如下图）
A2 logT2 log0.418 0.3788
A1=εbC1
A1 0.1871 -1 1 287 . 8 L mol cm bC1 1.0 6.5 104
A2=εbC2
C2 A2 0.3788 1.316 10 3 mol/L b 287 .8 1
吸 光 度
508nm
波长
从吸收曲线上可以看到，物质对不同波长的光吸收程度是 不一样的，从邻菲罗林合铁吸收曲线可以看到， 508nm 处有 一最大吸收峰，此峰对应的波长称最大吸收波长。
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二、朗伯—比尔定律
•朗伯通过研究，于1760年指出，吸光度与液层的厚度b成正 比，称为朗伯定律。 A=K1b K1为比例系数。 •1852年，比尔研究了各种无机盐对红外光的吸收，指出： 吸光度与吸光物质的浓度成正比，称为比尔定律。 A=K2C K2为比例系数。 •合并二式，即得朗伯—比尔定律。 A=KbC
第2章 紫外—可见光谱法
• 在光谱区域中，把波长为10~760nm的波称为紫外—可见光 区。进一步细分为远紫外（10~200nm）和近紫外 （200~400 nm），可见光（400~760nm）。 • 通过研究物质分子对紫外—可见光区的吸收状况进行定量 和定性、结构分析的方法称为紫外—可见光谱法。 • 由于空气中O2、N2、水蒸汽和CO2对远紫外光具有强吸收， 因此，研究物质对远紫外的吸收需要在真空条件下操作， 故又叫真空紫外。由于真空紫外需要复杂而昂贵的仪器， 故应用很少。我们不做详细介绍，而重点研究200~ 760 nm的近紫外—可见光区。由于200~760nm是分子吸收，故 又称为分子光谱。 • 分子光谱是由于分子吸收了紫外—可见光谱后，引起价电 子跃迁而产生的，由因此紫外—可见光谱又称电子光谱。
四、偏离朗伯比耳定律的原因
1．非单色光的影响
• 在分光光度法使用的分析仪器中使用的都是连续光源，用 单色器分光，用狭缝控制光谱带的宽度，因而投射到吸收 溶液的入射光，常是一个有限宽度的光谱带组成的复合光， 由于物质对不同波长的光的吸收程度不同，因而引起了对 朗伯－比尔定律的偏移。
所用的单色光为频率 范围很窄的复合光
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例1．已知含铁（Fe2+）浓度为500μg/L溶液，用邻 啡罗啉比色法测定铁，比色皿为2cm，在波长 508nm处测的吸光度为0.19，计算摩尔吸光系数。 解：A=0.19
500 106 C 8.9 106 mol/L 55.85
b=2 cm A=εbC A 0.19 4 -1 1 1 . 1 10 L mol cm bC 8.9 10 6 2
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例2．有两份不同浓度的某一有色络合物溶液，当液层厚度为 1.0cm时，对某一波长的光透光率分别为：（a）65.0%， （b）41.8%，求（1）两份溶液的吸光度A1、A2。（2）如果 溶液(a)的浓度为6.5×10-4mol/L，求溶液(b)的浓度。 解：
A1 logT1 log0.65 0.1871
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§2-1朗伯—比耳定律
一、吸收曲线 １．三个基本概念： • 单色光：单一波长的光称为单色光。 现在激光一般是单色光. • 复合光：有多种不同波长的光组合而成的光称为复ห้องสมุดไป่ตู้合光。 我们日常所见到的光如日光、白炽灯光都 是复合光。
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• 互补色光：能够组成白光的两种色光互称互补色光。
在可见光区，不同波长的光呈现不同的颜色，当一束白光通过某一溶液 时，一些波长的光被溶液吸收，另一些波长的光通过，通过的光刺激人 眼使人感觉颜色的存在，因此，溶液的颜色由透射光的波长所决定。例 如，硫酸铜溶液，它吸收白色光中的黄色光而呈蓝色，蓝色和黄色为互 补色光。
作业：P413 2
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三、吸光度的加和性
• 在多组份体系中，如果组分之间不发生相互作用，这时体 系的总吸光度等于各组分吸光度之和----称为吸光度的加 合性。
A总 A1 A2 A3 An 1bC1 2bC2 3bC3 n bCn
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则：
A log
(I0 ' I 0 " ) (I0 ' I 0 " ) log (I1 I 2 ) (I0 '10ε1 bc I 0 "10ε 2 bc )
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A log
(I0 'I0 " ) (I0 'I 0 " ) log ε 1 bc (I1 I 2 ) (I0 '10 I0 "10ε 2 bc )
朗伯－比尔定律：当一束平行单色光通过单一的、均匀的、 非散射的吸光物质溶液时，溶液的吸光度与溶液浓度和液层 厚度的乘积成正比。 比例系数K称为吸光系数。
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摩尔吸光系数:
若b的单位用cm，C以mol/L为单位，则此时的
吸光系数称为摩尔吸光系数，用ε表示，单位为
L· mol-1· cm-1 A=εbC •ε为有色物质在特定波长和溶剂情况下的特征常数， 只和波长、介质和物质的本性有关。它是衡量显色反 应灵敏度的重要标志，ε越大，该有色物质的吸光能 力越强。