9第十章 紫外

1、第十章 紫外-可见分光光度法教学目的、要求：掌握：紫外-可见分光光度法的基本原理和概念；比尔 朖伯定律；紫外-可见分光光度计；外-可见吸收光谱法的定性分析和定量分析方 法及其应用；紫外吸收光谱与有机分子结构的关系。熟悉：吸收带及与分子结构 的关系；吸光系数的概念及物理意义；紫外-可见分光光度计的类型。了解：吸 收带的影响因素；紫外-可见分光光度计的光学性能；光电比色法 Beer-lambert 定律。教学重点及难点：重点：紫外-可见分光光度法的基本原理和概念。难点： 吸收带及与分子结构的关系。Beer-lambert定律。第一节紫外-可见分光光度法的基本原理和概念一、光谱法简介1分类 根据物质发射的电磁辐射或与辐射的相互作用建立起来的一类仪 器分析方法，统称光学分析法。光学分析法根据物质与辐射能作用的性质不同， 可分为光谱法和非光谱法。当物质与辐射能相互作用时，物质内部发生能级跃迁， 记录由能级跃迁所产生的辐射能随波长的变化所得的图谱称为光谱。利用物质的 光谱进行定性、定量和结构分析的方法称为光谱分析法，简称光谱法。如紫外- 可见吸收光谱法和红外吸收光谱法等。利用物质受辐射线照射时，改

2、变电磁波的 传播方向、速度等物理性质所建立起来的分析方法称为非光谱法，如折射分析法、 旋光分析法等。按物质与辐射能的转换方向（能级跃迁方向），可分为吸收光谱法与发射光 谱法。如紫外-可见分光光度法，红外分光光度法和原子吸收分光光度法等。常 见的发射光谱法有原子发射光谱法、原子荧光光谱法、分子荧光光谱法和磷光光 谱法等。按作用物质是分子或原子，可分为原子光谱法与分子光谱法。原子光谱法是 以测量气态原子或离子外层电子能级跃迁所产生的原子光谱为基础的成分分析 方法。分子光谱法是以测量分子中原子的振动能级（包括分子转动能级）、 分子 转动能级和分子电子能级（包括振-转能级）跃迁所产生的分子光谱为基础的定 性、定量和物质结构分析方法。按辐射源的波长，可分为X-射线光谱法、紫外光谱法、红外光谱法等。2光的性质与波长范围 光是一种电磁波，又称电磁辐射，是能量在 空间高速传播的一种形式。光具有波粒二象性。C 是光在真空中的传播速度，所有电磁辐射在真空中的传播速度相同，C=2.997925xl010cm/s 光的微粒性用每个光子具有的能量E描述，光子被认 为是辐射能的最小单位。光子的能量与九、b和V的关

3、系为：E = hv = he：九=hc c式中，E是光子的能量，单位常用焦耳（J）和电子伏特（eV）; h是普朗克 （Plank）常数，其值为 6.6262 x 10-34J . so由上式可知，光子具有的能量E与频率v成正比而波长入成反比。从Y射线至无线电波都是电磁辐射，光是电磁辐射的一部分，它们在性质上 是完全相同的，仅是波长入或频率v不同，即光子具有的能量E不同。若把电磁 辐射按波长大小顺序排列起来，称为电磁波谱。光学区域从红外线到X射线（表 3-1 ），包括：X射线、远紫外区（100200nm）与近紫外区（200400nm ）、可 见区（400760nm）、近红外区（0.762.5pm ）、中红外区（2.550pm ）与远 红外区（50500pm）。通常所说的紫外吸收光谱指近紫外光谱，红外吸收光谱 指中红外光谱。3光谱分析仪器 研究吸收或发射的电磁辐射强度和波长关系的仪器称为 分光光度计（spectrophotometer）,如荧光分光光度计、紫外-可见分光光度计等。 这一类仪器都有三个最基本的组成部分：辐射源，即光源；把光源辐射分解 为“单色”组分的单色器； 检测器和显示器。

4、（二）紫外-可见分光光度法 紫外-可见分光光度法是根据物质分子对紫外-可见光的吸收特性所建立起 来的一种 定性、定量和结构分析方法。紫外-可见光的波长范围为 200760nm。 该法操作简单、准确度高、重现性好，在药物分析工作中普遍应用。目前应用紫外-可见分光光度法，在定性上不仅可以鉴别不同官能团和化学 结构不同 的化合物，而且可以鉴别结构相似的不同化合物；在定量上，可以进 行单一组分的测定，也可以对多种混合组分不经分离而进行同时测定。此外，还 可以根据吸收光谱的特性，与其他分析方法配合，用以推断有机化合物的分子结 构。二、基本概念（一）跃迁类型紫外-可见吸收光谱是讨论分子中价电子在不同的分子轨道之间跃迁的能量 关系。分子中的价电子有处于6轨道的6电子，轨道上的兀电子和未参与成键而 仍处于原子道中的n电子（亦称p电子）。电子围绕分子或原子运动的几率分布 叫做轨道。轨道不同，电子所具有的能量亦不同。当两个原子靠近而结合成分子 时，两原子的原子轨道可线性组合成两个分子轨道。其中一分子轨道具有低较能 量称为成键轨道，另个分子轨道具有较高能量称为反键轨道。如图 11-1 所示， 两个自旋方向相

5、反的氢原子的s电子结合并以6键组成氢分子，分子轨道具有6 成键轨道和6 *反键轨道。同样两个原子的p轨道平行地重叠起来，组成两个分 子轨道时，该分子轨道称6成键轨道和6 * 反键轨道。兀键的电子重叠比6键的 电子重叠少，键能弱，跃迁所需的能量低。分子中n电子的能级，基本上保持原 子状态的能级，称非键轨道。它比成键轨道所处能级高，比反键轨道能级低。由 上所述，分子中不同轨道的价电子具有不同能量，处于低能级的价电子吸收一定 能量后，就会跃迁到较高能级。在紫外和可见光区范围内，有机化合物的吸收光谱主要有口兀、兀兀、3. no跃迁 含有杂原子不饱和基团，如C = 0、C = S、-N = N-等化合 物，其非键轨道中孤对电子吸收能量后，向o反键轨道跃迁，这种跃迁一般在近 紫外区（200400nm）。吸收强度弱，小，约在10100之间。例如丙酮的 九max279nm,即属此种跃迁，为1030。4. nn跃迁 如含-OH, -NH2, -X, -S等基团化合物，其杂原子孤对电 子吸收能量后向n反键轨道跃迁，这种跃迁可以吸收的波长在200nm左右。二、紫外-可见光谱中一些常用术语1. 吸收光谱 又称

6、吸收曲线，是以波长九（nm）为横坐标，以吸收度A为 纵坐标所描绘的曲线。吸收光谱的纵坐标，也可用透光率、吸收系数（E或 ） 来表示。因此，紫外-可见吸收光谱反映分子的电子结构特征，为结构研究提供 重要信息。同一物质相同浓度的吸收曲线，应能相互重合。2. 吸收峰 吸收曲线上吸收最大的地方，它所对应的波长称最大吸收波长 （九max）。3. 谷峰与峰之间的部位叫谷，该处的波长称最小吸收波长（九min）。4. 肩峰 在一个吸收峰旁边产生的一个曲折，称为肩峰。5. 末端吸收 在图谱短波端只呈现强吸收而不成峰形的部分称为末端吸收。6. 生色团有机化合物分子结构中含有nn或nn跃迁的基团，如C = C、C=O、 -N=N-、 -NO2、 -C=S 等，能在紫外可见光范围内产生吸收的原子团。7. 助色团 助色团是指含有非键电子的杂原子饱和基团，如-OH、-NH2、 -OR、-SH、-Cl、-Br、-I等。当它们与生色团或饱和烃相连时，能使该生色团或 饱和烃的吸收峰向长波方向移动，并使吸收强度增加的基团。8. 红移 亦称长移，由于化合物的结构变化改变，如发生共轭作用，引入 助色团以及溶剂改变等，而使吸收

7、峰向长波方向移动。9. 蓝（紫）移 亦称短移，当化合物的结构改变或受溶剂影响而使吸收峰 向短波方向移动。10. 增色效应和减色效应 由于化合物结构改变或其他原因，使吸收强度增 加称增色效应或浓色效应。使吸收强度减弱称减色效应或淡色效应。11. 强带和弱带 化合物的紫外可见吸收光谱中，凡摩尔吸光系数smax值 大于104的吸收峰称为强带；凡小于smax 100的吸收峰称为弱带。（一）Beer-lambert 定律Beer-lambert定律是吸收光度法的基本定律，是说明物质对单色光的吸收强 弱与吸光物质的浓度和厚度关系的定律。Beer定律说明吸光度与浓度的关系； lambert定律说明吸光度与厚度间的关系。定律如下：A = - lgT = E lc或T = 10- A = 10 -E 1 c式中E吸光系数；A吸光度；C溶液浓度；1液层厚度；T透光率。（二）吸光系数与吸收光谱 吸光系数的物理意义是吸光物质在单位浓度、单位液层厚度时的吸光度。在给定单色光、溶剂和温度等条件下，吸光系数是物质的特征常数，表明物 质对某一特定波长光的吸收能力。不同物质对同一波长的单色光有不同的吸光系 数，吸光系数

8、愈大，表明该物质的吸光能力愈强，灵敏度愈高，所以吸光系数是 定性和定量的依据。1. 摩尔吸光系数 是指在一定波长下，溶液浓度为1mol/L,厚度为1cm 时的吸光度，用表示。2百分吸光系数(比吸光系数) 是指在一定波长下，溶液浓度为 1(g/100ml),厚度为1 cm时的吸光度，用E；%m表示。3两种吸光系数之间的关系 同一物质在同一波长时，摩尔吸光系数与百分吸光系数可以按下式进行换算。= E1%m M/10式中，M吸光物质的摩尔质量。摩尔吸收系数一般不超过105数量级，通常在104105之间为强吸收，小于102为弱吸收，介于两者之间称中强吸收。吸收系数或E；cm不能直接测得， 需用已知准确浓度的稀溶液测得吸收度换算而得到。如果溶液中同时存在两种或 两种以上吸光物质时，只要共存物质不互相影响性质，即不因共存物质而改变本 身的吸光系数，则总吸光度是各共存物吸收度的和，而各组分的吸 光度由各自 的浓度与吸光系数所决定。吸光度的这种加合性质是计算分光光度法测定混合 组分的依据。四、影响Beer定律的因素按照Beer定律，浓度与吸光度之间的关系应该是一条通过原点的直线，在 实际测定过程中，往

9、往容易偏离直线而引入误差，从而影响测定的准确度。1化学因素 化学因素的影响主要表现为测定组分的表观浓度与真实浓度 的差异，导致偏离Beer定律。物质在溶解配成溶液的过程中可能发生离解、缔 合和与溶剂间的作用等，使测定组分的表现浓度与真实浓度不相符合，导致测定 误差。化学因素的影响，一般可通过控制条件，在一定程度加以控制和消除。2光学因素(1)非单色光：Beer定律的一个重要前提是单色光，事实上，即使现代高 精度的分光光度计也难以获得纯净的单色光， 般只能得到接近单色光的狭窄谱 带，因此会影响物质的吸收系数值和吸收光谱形状，单色光的纯度由单色器决定， 是分光光度计的重要性能指标。( 2)杂散光：与所需波长相隔较远的光称为杂散光，可使光谱变形变值。 它是由仪器制造工艺、使用和保养不善、光路系统的不洁、损伤和霉变等造成的。( 3)散射光和反射光：吸光质点对入射光有散射作用，入射光在吸收池内 外界面之间通过时又有反射作用。散射光和反射光，都是入射光谱带宽度内的光， 对透射光强度有直接影响。( 4)非平行光：通过吸收池的光，一般都不是真正的平行光，倾斜光通过 吸收池的实 际光程比平行光的光程长，使实际厚度1增大而影响吸光度值。此外，温度等环境的变化会影响波长的准确度和重复性，应定期或在测定前对仪器进行校正和检定。第二节 紫外-可见分光光度计将复合光分解为单色光的仪器称为单色器或分光器，测量光强的仪器称 为光度计，兼有这两种性能的仪器称为分光光度计。紫外-可见分光光度计是在 紫外-可见光区可选择一定波长的光，测定吸光度的仪器。仪器的类型很多，但 基本原理与结构相似。主要部件及光路简示如下：光源T单色器T吸收池T检 测器T讯号处理和显示器。（一）主要部件1光源 分光光度计要求有能发射足够强度、稳定的、具有连续光谱 且发光面积小的光源。对分子吸收测定来说，通常希望能连续改变测量波长进行 扫描测定，故要求光源可以发射连续光

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