第二章 紫外 - 可见分子吸收光谱法

4. 了解紫外 - 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 - 可见吸收光谱法基本要点： 1.    理解分子吸收光谱的产生及特征；2. 了解紫外 - 可见分光光度计的主要部件及其类型；3. 掌握紫外 - 可见吸收光谱仪操作条件的选择；

概述 : 在光谱分析中，依据物质对光的选择性吸收而建立起来的分析方法称为吸光光度法 , 主要有 : 红 外 吸 收 光 谱 ： 分 子 振 动 光 谱 ， 吸 收 光 波 长 范 围2.51000 m , 主要用于有机化合物结构鉴定。 紫 外 吸 收 光 谱 ： 电 子 跃 迁 光 谱 ， 吸 收 光 波 长 范 围200400 nm （近紫外区），可用于结构鉴定和定量分析。 可 见 吸 收 光 谱 ： 电 子 跃 迁 光 谱 ， 吸 收 光 波 长 范 围400750 nm ，主要用于有色物质的定量分析。 本章主要讲授紫外可见分光光度法。

第一节 基本原理

一、紫外一、紫外 -- 可见吸收光谱的产生可见吸收光谱的产生物质分子内部三种运动形式： 1. 电子相对于原子核的运动， 2. 原子核在其平衡位置附近的相对振动 3. 分子本身绕其重心的转动。分子具有三种能级：电子能级、振动能级和转动能级分子内能：电子能量 Ee 、振动能量 Ev 、转动能量 Er 即 Ｅ＝Ｅ e+ Ｅ v+ Ｅ r ΔΕe>ΔΕv>ΔΕr

能级跃迁 电子能级间跃迁的同时，总伴随有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产生的若干谱线而呈现宽谱带。

（ 1 ） 转动能级间的能量差 ΔΕr ： 0.005 ～

0.050eV ，跃迁产生吸收光谱位于远红外区。远红外光谱或分子转动光谱；（ 2 ）振动能级的能量差 ΔΕv 约为： 0.05 ～１ eV ，跃迁产生的吸收光谱位于红外区，红外光谱或分子振动光谱；（ 3 ）电子能级的能量差 ΔΕe 较大 1 ～ 20eV 。电子跃迁产生的吸收光谱在紫外—可见光区，紫外—可见光谱或分子的电子光谱。

二、紫外可见吸收光谱二、紫外可见吸收光谱（ 1 ）．吸收光谱（吸收曲线）：不同波长光对样品作用不同，吸收强度不同 以 λ~A 作图 next（ 2 ）．吸收光谱特征：定性依据

图示

back

吸收光谱的波长分布是由产生谱带的跃迁能级间的能量差所决定，反映了分子内部能级分布状况，是物质定性的依据。对于不同物质，它们的吸收曲线形状和 λmax 则不同。通常将在最大吸收波长处测得的摩尔吸光系数 εmax 也作为定性的依据。不同物质的 λmax 有时可能相同，但εmax 不一定相同；吸收谱带强度与该物质分子吸收的光子数成正比，定量分析的依据。

不同浓度的同一种物质，其吸收曲线形状相似 λmax 不变。 不同浓度的同一种物质，在某

一定波长下吸光度 A 有差异，在 λmax 处吸光度 A 的差异最大。此特性可作为物质定量分析的依据。

三 有机化合物电子跃迁类型：三 有机化合物电子跃迁类型：

按能量大小： σ→ σ* > n → σ* > π→ π* > n→ π*

1. 电子跃迁类型电子跃迁类型有机化合物的紫外 - 可见吸收光谱，是其分子中外层价电子跃迁的结果（三种）： σ 电子、 π 电子、 n 电子。

C OH

n

H

电子类型电子类型 形成单键的形成单键的 σσ 电子 电子 C-HC-H 、、 C-CC-C 形成双键的形成双键的 ππ 电子 电子 C=CC=C 、、 C=OC=O 未成对的孤对电子未成对的孤对电子 n n 电子 电子 C=OC=O ：：

CH H O

ooo o

==o=n

外层电子吸收紫外或可见辐射后，就从基态向激发态 ( 反键轨道 ) 跃迁。σ→ σ* 跃迁：饱和烃（甲烷，乙烷）E 很高， λ<150nm （远紫外区） n → σ* 跃迁：含杂原子饱和基团（— OH ，— NH2 ）E 较大， λ150~250nm （真空紫外区）π→ π* 跃迁：不饱和基团（— C ＝ C— ，— C ＝ O ） E 较小， λ~ 200nm体系共轭， E 更小， λ 更大 n→ π* 跃迁：含杂原子不饱和基团（— C ≡N ， C ＝ O ）E 最小， λ 200~400nm （近紫外区）

续前注：紫外光谱电子跃迁类型： n—π* 跃迁 π—π* 跃迁 饱和化合物无紫外吸收根据分子结构→推测可能产生的电子跃迁类型；根据吸收谱带波长和电子跃迁类型 → 推测分子中可能存在的基团（分子结构鉴定）

2.2. 生色团与助色团生色团与助色团生色团：含有 π 键的不饱和基团称为生色团。简单的生色团由双键或叁键体系组成，如乙烯基、羰基、亚硝基、偶氮基— N ＝ N— 、乙炔基、腈基— C≡N 等。助色团：含有 n 电子的基团 ( 如— OH 、— OR 、— NH２、—NHR 、— X 等 ) ，本身没有生色功能 ( 不能吸收 λ>200nm 的光 ) ，但当与生色团相连时，发生 n—π 共轭作用，增强生色团的生色能力 ( 吸收波长向长波方向移动，且吸收强度增加 ) 乙烯— Cl(+5nm ) —OR(+30nm) —NH ２ (+40nm)

3.3. 红移与红移与蓝移蓝移 有机化合物的吸收谱带常常因引入取代基或改变溶剂使最大吸收波长 λmax 和吸收强度发生变化 :λmax 向长波方向移动称为红移，向短波方向移动称为蓝移 (或紫移 ) 。吸收强度即摩尔吸光系数 ε 增大或减小的现象分别称为增色效应或减色效应，如图所示。

4.4. 吸收带类型吸收带类型（ 1 ） R带：由含杂原子的不饱和基团的 n →π*跃迁产生 C ＝ O ； C ＝ N ；— N ＝ N— E 小， λmax>270nm ， εmax<100（ 2 ） K带：由共轭双键的 π→ π* 跃迁产生(—CH ＝ CH—)n ，— CH ＝ C—CO— , 芳环有发色基团取代 λmax 217~280nm ， εmax>104

共轭体系增长， λmax↑→ 红移， εmax↑

图示

续前（ 3 ）B带：芳香族化合物的 π→ π* 跃迁产生芳香族化合物的主要特征吸收带 λmax =254nm ，宽带，具有精细结构；εmax=200极性溶剂中，或苯环连有取代基，精细结构消失（ 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）

图示

续前5 5 影响吸收带位置的因素：（ 1 ）溶剂效应 n-π* 跃迁：溶剂极性↑， R 带蓝移 π-π* 跃迁：溶剂极性↑ ， R 带红移对吸收光谱精细结构影响 next 溶剂极性↑，苯环精细结构消失，变得平滑

图示

back

•吸收光谱图上或数据表中必须注明所用的溶剂•在进行紫外光谱法分析时，必须正确选择溶剂一般非极性化合物多用环己烷作溶剂，极性化合物多用甲醇或乙醇

在溶解度允许的范围内，尽量选择极性较小的溶剂。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。溶剂在样品的吸收光谱区应无明显吸

收。

（ 2 ） 共轭体系的存在 ---- 红移（ 3 ）取代基：红移或蓝移。 取代基为含孤对电子，如 -NH2 、 -OH 、 -Cl ，可使分子

红移； 取代基为斥电子基，如 -R ， -OCOR ，则使分子蓝移。 苯环或烯烃上的 H 被各种取代基取代，多产生红移。（ 4 ）空间障碍效应 ---- 影响共轭共平面，蓝移

四 无机物分子能级跃迁 一些无机物也产生紫外 - 可见吸收光谱，其跃迁类型包括 p-d 跃迁（电荷转移跃迁）以及 d-d, f-f 跃迁（配场跃迁）。1. 电荷转移跃迁 (Charge transfer transition) 一些同时具有电子予体 (配位体 ) 和受体 (金属离子 ) 的无机分子，在吸收外来辐射时，电子从予体跃迁至受体所产生的光谱。

过渡金属（有 d10电子结构）的卤化物及硫化物max 较大 (104 以上 ) ，可用于定量分析。

SCNFeSCNFe

LMLMh

bnhbn

23

)1()1(

2. 配场跃迁 (Ligand field transition)

过渡元素的 d 或 f 轨道为简并轨道 (Degeneration orbit) ，当与配位体配合时，轨道简并解除， d 或 f 轨道发生能级分裂。如果轨道未充满，则低能量轨道上的电子吸收外来能量时，将会跃迁到高能量的 d 或 f 轨道，从而产生吸收光谱。位于可见区 吸收系数 max 较小 (102) ，很少用于定量分析；多用于研究配合物结构及其键合理论。

一．光的选择性吸收与物质颜色的关系：第二节 光的吸收定律

完全吸收

完全透过

吸收黄色光

光谱示意 表观现象示意复合光

二、比色法与可见紫外吸收光谱法比色法：基于比较有色物质溶液颜色深

度及进行定量分析的方法。方法：目视比色法 光电比色法

比色法与吸光法比较原理 光源 比较对象 应用

光电比色法 对光吸收作用

单色光(20-50nm)

透光度 定量

目视比色法 对光吸收作用

复合光（日光）

透射光强度

定量

吸光光度法 对光吸收作用 单色光

0.5-5nm

吸收光大小

定性、定量

三、光吸收定律——朗白—比耳定律1 朗伯比尔定律

abc lgA 0

II

a －吸光系数 A －吸光度 .为无因次量 A=-lgT T= I /Io

T常用百分比（ T% ）表示。b －液层厚度 .一般单位为 cm

式中比例常数的表示方法：吸光系数：与吸光物质的性质、入射光的波长及温度等因素有关当溶液浓度 c 的单位为 g/L, 叫“吸光系数”，用 a 表示，单位为 L/g·cm ，

A=abc由式可知： a=A/bc ，它表示的是当

c=1g/L 、 b=1cm 时溶液的吸光度。

摩尔吸光系数：当溶液浓度 c 的单位为 mol/L，叫“摩尔吸光系数”，用 ελ表示，其单位为 L/mol·cm ，此时：

A=ελbc由此式可知： ελ=A/bc ，它表示的是

当 c=1mol/L ， b=1cm 时，物质对波长为 λ 的光的吸光度。

说明：吸收定律的适用条件：• 必须是使用单色光为入射光；• 溶液为稀溶液；• 吸收定律能够用于彼此不相互作用的多组分溶液。它们的吸光度具有加合性，且对每一组分分别适用，即：A 总= A1+ A2+ A3…+ An

=ε1bc1+ε2bc2+ε3bc3…+εnbcn

• 吸收定律对紫外光、可见光、红外光都适用

2 偏离朗伯—比耳定律的原因 标准曲线法测定未知溶液的浓度时，发现：标准曲线常发生弯曲（尤其当溶液浓度较高时），这种现象称为对朗伯—比耳定律的偏离。 引起这种偏离的因素（两大类）：一类是物理性因素，即仪器的非理想引起的；另一类是化学性因素。

（ 1 ）物理性因素 朗—比耳定律的前提条件之一是入射光为单色光。难以获得真正的纯单色光。分光光度计只能获得近乎单色的狭窄光带。复合光可导致对朗伯—比耳定律的正或负偏离。 非单色光、杂散光、非平行入射光都会引起对朗伯—比耳定律的偏离，最主要的是非单色光作为入射光引起的偏离。

（ 2 ） 化学性因素朗—比耳定律的假定：所有的吸光质点之间不发生相互作用；假定只有在稀溶液(c<10-2mol/L) 时才基本符合。 当溶液浓度 c >10 － 2 mol/L 时，吸光质点间可能发生缔合等相互作用，直接影响了对光的吸收。故：朗伯—比耳定律只适用于稀溶液

溶液中存在着离解、聚合、互变异构、配合物的形成等化学平衡时。使吸光质点的浓度发生变化，影响吸光度。

例：铬酸盐或重铬酸盐溶液中存在下列平衡： Cr Ｏ 42- ＋ 2H ＋ = Cr2 Ｏ 72- ＋ H2 Ｏ 溶液中 Cr Ｏ 42- 、 Cr2 Ｏ 72- 的颜色不同，吸

光性质也不相同。故：此时溶液 pH 对测定有重要影响。

第三节 紫外可见分光光度计一．分光光度计的主要部件和工作原理：

0.575

光源 单色器吸收池

检测器 显示

1 光源： 用于提供足够强度和稳定的连续光谱。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 340 ~

2500nm ，如钨丝灯和卤钨灯；气体放电光源：用于紫外光区 160 ~

375 nm ，如氢灯和氘灯。

玻璃棱镜：用于 350 ~ 3200 nm 的波长范围，即只能用于可见光域内。石英棱镜： 185 ~ 4000nm ，即可

用于紫外、可见和近红外三 个光域。

2. 单色器

3 、吸收池 (Cell ， Container) ： 4 、检测器：种类：硒光电池、 光电管 光电倍增管

2 、分光光度计的类型：（ 1 ）单光束分光光度计：

0.575

光源 单色器吸收池

检测器 显示

（ 2 ）单波长双光束分光光度计

比值光源 单色器

吸收池 检测器 显示

光束分裂器

双光束分光光度计是自动比较了透过参比溶液和样品溶液的光的强度，它不受光源（电源）变化的影响。

双光束分光光度计还能进行波长扫描，并自动记录下各波长下的吸光度，很快就可得到试液的吸收光谱。所以能用于定性分析。

光源

单色器

单色器

检测器切光器

狭缝吸收池

（ 3 ）双光束双波长分光光度计：

原理

AB1 和 AB2 分别为在 1 和 2 处的背景吸收，当 1 和 2 相近时 ,△=1～ 2nm,背景吸收近似相等。二式相减，得特点：可测多组份试样、混浊试样、而且可作成导数光谱、不需参比液 (消除了由于参比池的不同和制备空白溶液等产生的误差 ) 、克服了电源不稳而产生的误差，灵敏度高。

11

1

1

0lg BAbcIIA

22

2

2

0lg BAbcIIA

bcAAII

A )(lg1212

2

1

光纤光度仪

第五节 分析条件选择一、测定条件的选择二、显色反应条件的选择三、参比溶液的选择四、干扰及消除方法

一、测定条件的选择一、测定条件的选择1. 波长的选择 一般应该选择 λmax 为入射光波长。

•灵敏度最高•吸光度随波长变化最小，测定精度好

如果 λmax 处有共存组分干扰时，待测组分浓度太高则应考虑选择灵敏度稍低但能避免干扰的入射光波长。

2.控制适宜的吸光度（读数范围） 不同的透光度读数，产生的误差大小不同： － lgT=εbc微分：－dlgT＝－ 0.434dlnT = - 0.434T -1 dT =εb dc两式相除得： dc/c = （ 0.434 / TlgT ） dT 以有限值表示可得： Δc/c =（ 0.434/TlgT） ΔT 浓度测量值的相对误差（ Δc/c）不仅与仪器的透光度误差ΔT 有关，而且与其透光度读数 T 的值也有关。

最佳读数范围与最佳值ΔT =1% ，则 Δc/c 与其透光度 T 的关系曲线。如图所示：可见 ΔT =1% ， T 在 20% ～ 65%之间时，浓度相对误差较小，最佳读数范围。

可求得浓度相对误差最小时的透光度 Tmin 为： Tmin ＝ 36.8%, Amin ＝ 0.434

用仪器测定时应尽量使溶液透光度值在 T %=20

～ 65% ( 吸光度 A =0.70 ～ 0.20) 。

二、二、反应条件的选择反应条件的选择选择显色反应时，应考虑 灵敏度高、选择性高、生成物稳定、显色剂在测定波长处无明显吸收，两种有色物最大吸收波长之差：“对比度”，要求△ > 60nm 。1.显色剂用量 吸光度 A 与显色剂用量CR 的关系会出现如图所示的几种情况。选择曲线变化平坦处。

2. 反应体系的酸度 在相同实验条件下，分别测定不同 pH值条件下显色溶液的吸光度。选择曲线中吸光度较大且恒定的平坦区所对应的 pH范围。3.显色时间与温度温度：实验确定显色时间：反应时间、稳定时间4.溶剂 一般尽量采用水相测定，

三 参比溶液的选择1.参比溶液的作用（ 1 ）、调节仪器零点，使 A=0 ，以此作为测量的相对标准（抵消 I反、 I 散）（ 2 ）、抵消试剂，容器中的干扰因素（例试剂中含被测离子）2.参比溶液的选择： ⑴ 溶剂参比：若仅待测组分与显色剂反应产物在测定波长处有吸收，其它所加试剂均无吸收，用纯溶剂（水 ) 作参比溶液； ⑵ 试剂参比：若显色剂或其它所加试剂在测定波长处略有吸收，而试液本身无吸收，用“试剂空白” (不加试样溶液 ) 作参比溶液；

⑶ 试样参比：若待测试液其他组分在测定波长处有吸收，而显色剂等无吸收，则可用“试样空白” ( 不加显色剂 ) 作参比溶液； ⑷褪色参比： 若显色剂、试液中其它组分在测量波长处有吸收，则可在试液中加入适当掩蔽剂将待测组分掩蔽后再加显色剂，作为参比溶液。 （ 5 ）改变顺序参比：酶活测定

三、共存离子干扰的消除三、共存离子干扰的消除1.加入掩蔽剂 选择掩蔽剂的原则是：掩蔽剂不与待测组分反应；掩蔽剂本身及掩蔽剂与干扰组分的反应产物不干扰待测组分的测定。2. 选择适当的显色反应条件3. 分离干扰离子4. 合适测量波长

第六节 .紫外—可见分光光度法的应用一定性分析• 化合物鉴定

比较光谱的一致性（注：紫外光谱相同，化合物不一定相同） 比较 λmax εmax 的一致性

• 结构分析 官能团的鉴定

220~280透明，无苯环、共轭双键、双键、溴、碘等 210~250 有强吸收带，有共轭双键 250~300 有弱吸收，含羰基；有中强吸收有苯环

异构体的确定• 纯度检查

（二）定量测定•目视比色法•常规定量分析分析法标准对照法 （比较法）标准曲线法标准加入法

•示差分光光度法•双波长分光光度法•导数分光光度法

1. 示差分光光度法——浓度过大或过小试样原理：采用浓度稍低于待测溶液浓度的标准溶液作参比溶液。则：　　　　 Ax = εbcx 　　　　As = εbcs 　　　　

ΔA = Ax － As =εb(cx － cs ） =εbΔc由标准曲线上查得相应的 Δc 值， cx = cs + Δc

2. 双波长分光光度法同一光源发出的光被分为两束，分别经过两个单色器，交替照在同一溶液里，测到两波长吸光度之差。

ΔA=(ελ2-ελ1)Cb

特点：不用参比溶液，测定高浓度试样、多组分试样，并能测定混浊试样

（ 1 ）多组分混合物的同时测定

①两组分互不干扰，可以用测定单组分的方法分别在 λ1 、 λ2 测定 A 、 B 两组分

21

XA

Y

21 AAA

yy AA 21

xxx bCA ）（ 21

②Y 的存在干扰 X 的测定（等吸收双波长消去法）

③在 λ1 、 λ2 处分别测定溶液的吸光度而且同时测定 A 、 B 纯物质的摩尔吸光系数。然后列出联立方程 :

1 1 1

2 2 2

x y x yx y

x y x yx y

A bc bc

A bc bc

3.导数分光光度法 利用自动电路对光谱进行求导，其导数信号与浓度成正比，即

lceII 0

同样高阶导数光谱信号也与浓度成正比。导数光谱可以消除干扰物质的光谱重叠、胶体和浑浊溶液对光散射及背景吸收的影响。

bcdd

dAd

n

n

n

n

奇数阶导数光谱中的零，偶数阶导数光谱中的极值（极大或极小），对应于常规吸收曲线上的最大值。随着导数阶数增加，吸收峰的尖锐程度增大，带宽减小，因此有利于重叠峰的分离、有利于肩峰的测定、并能准确地确定宽吸收带上的最大吸收波长。导数光谱的分辨率随导数阶数的增加而增加，信噪比随着导数阶数的增加而减小。