紫外-可见吸收光谱产生的本质-理化科学试验中心

第二章紫外-可见分光光度法(Ultraviolet-VisibleSpectrophotometry)又称:紫外-可见分子吸收光谱法（Ultraviolet-VisibleMolecularAbsorptionSpectrometry）2.1紫外－可见分光光度法发展简史1729年，Bouguer首先发现溶液对光的吸收与液层厚度之间的关系。1760年，Lambert就此基本定律进行了数学运算，确定了相应的关系式。1833年，Brewster在提取叶绿素及胡萝卜素的研究中，注意到有机化合物的吸收光谱。然而某些学者认为比色法起始于1852年，因为在这一年，Beer参考了Bouguer和Lambert的早期著作，提出了比色法的基本定律。硫氰酸盐法和亚铁氰化物法测定铁，Nessler法测氨，硫氰酸盐法测钼，都是19世纪中叶就已提出来的分析方法。随着对光度分析方法的不断研究和深入，人们对分析方法的灵敏度和选择性也提出了更高的要求。在经典光度法的基础上，又发展了双波长分光光度法、动力学分光光度法等，使光度分析的内容和应用范围进一步扩大了。近年来，随着有机试剂的迅猛发展，使大量的有机试剂应用到分析测试领域，光度分析方法的灵敏度、选择性得到了不断提高。最初，比色测定是在比色管中进行的。19世纪末，开始使用带滤光片的目视比色计。20世纪30年代，光电比色计和分光光度计才被引入实验室。20世纪初期的分光光度计多为单光束手控型。20世纪60年代，双光束自动记录光度计问世。20世纪70年代开始，微处理机控制的分光光度计不断出现。双波长分光光度计迅速发展和商品化。2.2紫外-可见分子吸收光谱法概述1．紫外-可见分子吸收光谱法产生的本质在分子中，除了原子的核能En，质心在空间的平动能Et外，还有电子运动能Ee，原子之间的相对振动能Ev以及分子转动能Er等。分子的总能量可写为：E=En+Ee+Ev+Er+Et由于En在一般化学实验条件下不发生变化，分子的平动能Et又比较小，因此当分子能级发生跃迁时，能量的改变为：E=Ee+Er+Ev图2-1表示双原子分子的能级图。图2-1表示双原子分子的能级图E(总)=Ee+Ev+Er1~20eV0.05~1eV0.05eV相当于紫外-相当于红相当于红外光可见光能量外光能量甚至微波的能量（1）紫外-可见吸收光谱产生的本质：紫外-可见吸收光谱产生的本质是由物质分子中价电子的能级跃迁所产生的。电子能级跃迁时伴随振动能级和转动能级的跃迁，因此电子光谱（也称：紫外-可见吸收光谱），得到的也是由许多谱线聚集而成的谱带。（2）紫外-可见光谱区域范围：紫外-可见光谱区域范围：10nm~400nm称为紫外区，400nm~800nm为可见光区。10nm~200nm称为远紫外区，200nm~400nm称为近紫外区。玻璃器皿及有关光学元件不适合作紫外分析之用，是由于玻璃对波长小于300nm的电磁波产生强烈吸收的缘故。所以，做紫外分析时，一般采用石英制件。2.紫外-可见吸收光谱中价电子跃迁的类型在有机物中，有几种不同的价电子。以甲醛为例：例：H-C=O：(a)单键电子；(b)双键电子；H(c)未成对的独对（孤）电子－n电子。图2-2各种价电子跃迁相应的能量示意图（1）根据分子轨道理论，此三种电子的能级高低次序是：n**。（2）共有六种跃迁类型：-*、-*、-*、n-*、n-*和-*。其中-*、-*、-*三种跃迁需要能量较大，吸收峰小于200nm，位于真空紫外区。而n-*、n-*和-*三种跃迁需要能量相对较小，吸收峰位于近紫外区甚至可见区，对于紫外-可见分子吸收光谱分析具有重大意义。n-*、-*跃迁的区别：n-*（,10~100L·mol-1·cm-1）跃迁产生的吸收峰强度低于-*（,104L·mol-1·cm-1）；随着溶剂极性的增加，-*跃迁所产生的吸收峰红移，n-*跃迁所产生的吸收峰蓝移。（3）除上述六种跃迁可产生紫外-可见吸收谱带外，还有两种跃迁也可产生紫外-可见吸收谱带，即电荷转移跃迁和配位场跃迁。综上所述：发生在电磁光谱的紫外和可见光区内，由于电子的跃迁或转移而引起的吸收光谱共有以上八种价电子跃迁类型。3.在有机物的紫外-可见谱解析中吸收带的分类在有机物的紫外-可见谱解析中，通常将吸收带分为以下四种类型。(1)R吸收带：R带由n-*的跃迁引起的吸收带。这是由CO或NO2等单一的发色团引起的。一般max100L·mol-1·cm-1，测这种吸收带需用浓溶液。随着溶剂的极性增大，会产生蓝移/紫移。(2)K吸收带：由-*的跃迁所产生的。其特点是强度高（max104L·mol-1·cm-1），含共轭生色基的化合物的紫外谱都有这种吸收带。随着共轭体系的增大，K带吸收峰产生红移，而R带变化不明显。随着溶剂的极性增大，会产生红移。(3)B吸收带（苯吸收带）：由苯环振动和-*的跃迁重叠而引起的芳香族化合物的特征吸收带。例如：苯的B带吸收在230nm~270nm，呈精细的振动结构。当苯环与生成基相连时，就有B和K两种吸收带，其中B带的波长位置较长。(4)E吸收带：在苯环结构中三个乙烯键的环状共轭系统中，-*跃迁所产生的芳香族化合物的特征吸收带，称为E带。特点：E带可分为E1带（~180nm）和E2带（~200nm），它们都是强吸收带；而相应苯的B带（~253nm）是较弱的吸收带。４.无机化合物的紫外-可见吸收光谱在溶液中无机络合物的紫外-可见吸收光谱，其吸收带往往宽而少。一般由两类形式的跃迁所产生：配位场跃迁和电荷转移跃迁。（1）配位体场吸收光谱／吸收带概念配位体场吸收谱带指的是过渡金属水合离子或过渡金属离子与显色剂（通常是有机化合物）所形成的络合物在外来辐射作用下，由于吸收了适当波长的可见光（有时是紫外光），从而获得的相应吸收光谱。机理过渡金属络合物中，由于配位体的影响，中心离子的d轨道或f轨道能级发生分裂。当过渡金属络合物吸收了可见或紫外光区的某部分波长的光时，d电子或f电子就可以从较低的能级跃迁到较高的能级，称为d-d跃迁或f-f跃迁。这种跃迁一般发生在可见光区。特点配位体场吸收光谱通常位于可见光区；强度弱，摩尔吸收系数约为0.1L·mol-1·cm-1~100L·mol-1·cm-1。（2）电荷转移吸收光谱／吸收带概念电荷转移吸收光谱指的是许多无机物（例如：碱金属卤化物）和某些由两类有机化合物混合而得的分子络合物，它们在外来辐射激发下会强烈地吸收紫外光或可见光，从而获得的紫外-可见吸收光谱。机理在这一吸收过程中，实际上是发生了一个电子从体系的一部分（称为：电子给予体）转移到体系的另一部分（称为：电子接受体）的过程，因而这样获得的吸收光谱称为电荷转移吸收光谱。类型i)配位体金属的电荷转移例如：[Fe(SCN)6]3-呈深红色，在490nm附近有强吸收，这就是由于该络合物吸收了某波长的光，使一个电子从SCN-的某一轨道跃迁到Fe3+的某一轨道上。ii)金属配位体的电荷转移产生这种电荷转移的必要条件是：金属离子容易被氧化（处于低氧化态）；而配位体容易被还原，配位体具有空的反键轨道，可接受从金属离子转移出来的电子。iii)分子络合物内部电荷转移例如：在乙醇介质中，将醌与氢醌混合，就可以得到美丽的醌氢醌暗绿色结晶，它的吸收峰在可见光区。特点电荷转移吸收光谱的最大特点是：吸收强度大，摩尔吸收系数一般超过104L·mol-1·cm-1。（3）两种吸收谱带的区别这类光谱一般位于可见光区。电荷迁移吸收产生的谱带较宽，吸收强度大，最大波长处的摩尔吸收系数max可大于104Lcm-1mol-1。与电荷迁移跃迁比较，配位场跃迁产生的吸收谱带的摩尔吸收系数小，一般max102Lcm-1mol-1。2.3分光光度法的对比度1.对比度的概念在光度法中，对比度是指显色剂与金属离子所形成络合物（MeR）的最大吸收峰波长（MeRmax）与显色剂本身（HnR）最大吸收峰波长（HnRmax）之间的差值。对比度以来表示：=MeRmax-HnRmax一般认为：40nm时，显色反应的对比度较小；=40nm~80nm时，显色反应的对比度为中等；80nm时，显色反应具有较高的对比度。一般要求：显色剂与有色化合物的对比度在60nm以上。2.对比度在实际分析测定中的意义对比度实质上表示了显色反应颜色变化的程度；反映了过量显色剂对测定体系的影响。如果显色反应的对比度大，则过量试剂对测定的影响较小；反之，对比度小，则过量试剂对测定的影响就比较大。如何选择测定波长？如果显色反应的对比度较大，则测定波长往往与络合物的最大吸收波长一致。如果显色反应的对比度较小，此时测定波长决定于MeR/HnR的比值或MeR-HnR的差值。因此，对比度的概念可以为选择测定波长提供帮助。3.影响对比度的因素对比度的大小与显色剂的结构、反应条件、金属离子的性质及络合物的组成有关。2.4光吸收定律—朗伯-比耳定律1.朗伯-比耳定律（Lambert-BeerLaw）（1）定义1：A=lgI/I为吸光度(Absorbance)其中：I和I分别为试样入射光强度和出射光强度。（2）朗伯-比尔定律的数学表达式为：nA=icili=1其中：i表示某一吸光质点。c为浓度，单位molL-1；l为液层厚度，单位为cm；为摩尔吸光系数，单位L·mol-1·cm-1。该式物理意义为：物质的吸光度与物质的吸收系数和浓度的乘积成正比。：表示物质分子对某一波长光的吸收本领，称为摩尔吸收系数/摩尔吸光系数。与物质性质、入射光波长及温度等因素有关。(a)是吸收物质在一定波长和溶剂条件下的特征常数。(b)不随浓度c和光程长度l的改变而改变。在温度和波长等条件一定时，仅与吸收物质本身的性质有关，与待测物浓度无关。(c)可作为定性鉴定的参数。(d)在数值上等于浓度为1molL-1、液层厚度为1cm时，该溶液在某一波长下的吸光度。105L·mol-1·cm-1：超高灵敏；=(610)104L·mol-1·cm-1：高灵敏；2104L·mol-1·cm-1：不灵敏。(e)同一吸收物质在不同波长下的值是不同的。在最大吸收波长max处的摩尔吸光系数，常以max表示。max表明了该吸收物质最大限度的吸光能力，也反映了光度法测定该物质可能达到的最大灵敏度。max越大，表明该物质的吸光能力越强；用光度法测定该物质的灵敏度越高。吸光度具有加和性：nA=A1+A2+A3+…+An=Aii=1当物质中只有一种吸光组分，则上式可简化为：A=cl（3）定义2：若将I/I0称为透光度（亦称:透射率），用T表示，T=I/I0则A=lgI0/I=-lgT=cl溶液透光度愈大，则吸光度愈小，表明它对光的吸收愈少。2.朗伯-比耳定律成立的条件及其偏离该定律的因素（1）成立的条件(a)适用于极稀的溶液(一般c0.01molL-1)。(b)电磁波辐射和所讨论的吸光成分之间的相互作用机制只是光被该成分所吸收。(c)采用“单色光”。(d)吸收成分（分子或离子）的行为相互无关，且不论其数量和种类如何。（2）偏离该定律的因素图2-3定量分析中的校正曲线偏离朗伯-比耳定律的主要原因有：(a)在实际工作中，由出射狭缝投射到被测物上的光，并非理论上所要求的单色光，而是一个有限宽度的谱带，称为光谱通带。(b)散射的影响当被测试样中含有悬浮物或胶粒等散射质点时，入射光通过试样就会因为光的散射而损失一部分，使透射率减小，而吸光度增大，导致偏离比耳定律。质点的散射强度与入射光的波长4次方成反比，因此散射对紫外区的测定影响更大。(c)化学因素若在试样中，被测组分发生离解、缔合、光化及互变异构等作用，或与溶剂发生相互作用，就会使被测组分的吸收曲线发生明显改变，导致偏离比耳定律。(d)荧光的影响某