第九章第1节 光度法基本原理

⑴
σ→σ＊跃迁
所需能量最大，σ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
λ<200nm，只能被真空紫外分光光度计检测到)。如甲烷的 λ为125nm,乙烷λmax为135nm。
⑵
n→σ＊跃迁
所需能量较大。吸收波长为150～250nm，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 →σ*跃迁。如一氯 甲烷、甲醇、三甲基胺 n →σ* 跃迁的λ分别为173nm、 183nm和227nm。
第九章 紫外-可见分 光光度分析法
一、概述 二、紫外可见吸收光谱 三、分子吸收光谱与电子跃迁 四、光的吸收定律 五、定量分析方法 六、准确度、灵敏度及检测限
第一节 基本原理
一、概述
基于物质光化学性质而建立起来的分析方法称之为光化 学分析法。 分为:光谱分析法和非光谱分析法。 光谱分析法是指在光（或其它能量）的作用下，通过测 量物质产生的发射光、吸收光或散射光的波长和强度来进行 分析的方法。 吸收光谱分析 发射光谱分析 分子光谱分析 原子光谱分析
♥
紫外吸收光谱
2. 物质对光的选择性吸收及吸收曲线
M + hν 基态 E1 M* M + 热 M + 荧光或磷光 激发态 （△E） E2
ΔE = E2 - E1 = h ν 量子化 ；选择性吸收; 分子结构的复杂性使其对不同波 长光的吸收程度不同； 用不同波长的单色光照射，测吸光 度— 吸收曲线与最大吸收波长λ max； 光的互补：蓝 黄
♥ （4）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。 ♥ （5）在λmax处吸光度随浓度变化的幅度最大，所以测定最灵敏。
吸收曲线是定量分析中选择入射光波长的重要依据。
3.紫外—可见分子吸收光谱与电子跃迁
♣ 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 ♣ 分子具有三种不同能级：电子能级、振动能级和转动能级 ♣ 三种能级都是量子化的，且各自具有相应的能量 ♣ 分子的内能：电子能量Ee 、振动能量Ev 、转动能量Er 即 E＝Ee+Ev+Er ΔΕe>ΔΕv>ΔΕr
⑶ π→π＊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，摩尔吸光系数εmax一般在104L·mol－1·cm－1以上，属 于强吸收。不饱和烃、共轭烯烃和芳香烃类均可发生该类跃 迁。如：乙烯π→π*跃迁的λ为162 nm， εmax为: 1×104 L· mol-1·cm－1。 ⑷ n →π＊跃迁 需能量最低，吸收波长λ>200nm。这类跃迁在跃迁选律 上属于禁阻跃迁，摩尔吸光系数一般为10～100 L·mol-1 ·cm-1，吸收谱带强度较弱。分子中孤对电子和π键同时存在 时发生n →π＊ 跃迁。丙酮n →π＊跃迁的λ为275nm εmax 为22 L·mol-1 ·cm -1（溶剂环己烷)。
二、紫外可见吸收光谱 1．光的基本性质
光是一种电磁波，具有波粒二象性。光的波动性可用 波长λ、频率ν、光速c、波数（cm-1）等参数来描述： λ ν = c ； 波数 = 1/ λ = ν /c 光是由光子流组成，光子的能量： E=hν=hc/λ （Planck常数：h=6.626 × 10 -34 J × S ) ♥ 光的波长越短（频率越高），其能量越大。 ♥ 白光(太阳光)：由各种单色光组成的复合光 ♥ 单色光：单波长的光(由具有相同能量的光子组成) ♥ 可见光区：400-750 nm ♥ 紫外光区：近紫外区200 - 400 nm 远紫外区10 - 200 nm （真空紫外区）
2.多组分的同时测定
⑴ 若各组分的吸收曲线互不重叠，则可 在各自最大吸收波长处分别进行测定。这 本质上与单组分测定没有区别。 ⑵ 若各组分的吸收曲线互有重叠，则可 根据吸光度的加合性求解联立方程组得出 各组分的含量。 Aλ1= εaλ1bca ＋ εbλ1bcb Aλ2= εaλ2bca ＋ εbλ2bcb
最佳读数范围与最佳值
设：ΔT =1%，则可绘出溶液浓 度相对误差Δc/c与其透光度T 的关系 曲线。如图所示： 当：ΔT =1%，T 在10%～70%之 间时，浓度相对误差较小，最佳读数 范围。 用仪器测定时应尽量使溶液透光度值在T %=10～70% (吸光度 A =1.00～0.15)。 Tmin＝36.8%,
吸收曲线的讨论：
♥ （1）同一种物质对不同波长光的吸光度不 同。吸光度最大处对应的波长称为最大吸收波长 λmax ♥ （2）不同浓度的同一种物质，其吸收曲线 形状相似λmax不变。而对于不同物质，它们的 吸收曲线形状和λmax则不同。
（动画）
♥ （3）③吸收曲线可以提供物质的结构信息，并作为物质定性分析的依 据之一。
⇒ Ca =
Cb =
b a A1a +b ⋅ E 2 − A2 +b ⋅ E1b b a E1a ⋅ E 2 − E 2 ⋅ E1b
a a A E1a ⋅ E 2 − E 2 ⋅ E1b
五、定量分析方法
1.单组分的测定
通常采用 A-C 标准曲线法定量测定。
最佳的吸光度范围：A＝0.2~0.8
可求出浓度相对误差最小时的透光度Tmin为： Amin＝0.434
有机合物紫外光谱解析
了解共轭程度、空间效应、氢键等；可对饱和与不饱和 化合物、异构体及构象进行判别。 紫外—可见吸收光谱中有机物发色体系信息分析的一般 规律是： ⑴若在200～750nm波长范围内无吸收峰，则可能是直链烷 烃、环烷烃、饱和脂肪族化合物或仅含一个双键的烯烃等。 ⑵若在270～350nm波长范围内有低强度吸收峰(ε＝10～ 100L·mol-1·cm-1),（n→π跃迁），则可能含有一个简单非共 轭且含有n电子的生色团，如羰基。
有机合物结构紫外光谱辅析
⑶若在2５0～300nm波长范围内有中等强度的吸收峰则 可能含苯环。 ⑷若在210～250nm波长范围内有强吸收峰，则可能含有 2个共轭双键；若在260～300nm波长范围内有强吸收峰，则 说明该有机物含有3个或3个以上共轭双键。 ⑸若该有机物的吸收峰延伸至可见光区，则该有机物可 能是长链共轭或稠环化合物。
红移与蓝移
增色和减色
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。
溶剂极性的影响 对λmax影响：n-π*跃迁：溶剂极性↑，λmax↓蓝移； π-π*跃迁：溶剂极性↑ ，λmax↑红移
芦丁含量测定：取样品3mg稀释至25mL。
0.710mg/25mL
解线性方程组法
λ1 ⇒ 测定E1a 和E1b ；A1a +b • 步骤： a b a λ 2 ⇒ 测定E 2 和E 2 ；A2 +b
A1a +b = A1a + A1b = E1a ⋅ C a + E1b ⋅ C b
a a b a b A2 +b = A2 + A2 = E 2 ⋅ C a + E 2 ⋅ C b
浓度之间也具有类似的关系。A∝ c
朗伯—比耳定律数学表达式
A＝lg（I0/It)= εb c 式中A：吸光度；描述溶液对光的吸收程度； b：液层厚度(光程长度)，通常以cm为单位； c：溶液的摩尔浓度，单位mol·L－１；
ε：摩尔吸光系数，单位L·mol－１·cm－１；
或: A＝lg（I0/It)= a b c c：溶液的浓度，单位g·L－１ a：吸光系数，单位L·g－１·cm－１ a与ε的关系为： a =ε/M （M为摩尔质量） 透过光的强度It； 与入射光的强度Io 比之比称为透光度 或透光率，用T表 示。 T＝ It/Io
共轭效应
π 电子共轭体系增大，λmax红移，εmax增大 由于共轭效应，电子离域到多个原子之间，导 致π→π*能量降低。
吸收带
180nm π→π＊ 204nm
π→π＊ π→π＊
π→π＊
n→π＊ 255nm
四、光的吸收定律
1.朗伯—比耳定律
• 布格(Bouguer)和朗伯(Lambert)先后于1729年和 1760年阐明了光的吸收程度和吸收层厚度的关系。A∝b （动画1） • 1852年比耳(Beer)又提出了光的吸收程度和吸收物 （动画2） • 二者的结合称为朗伯—比耳定律，其数学表达式为：
3.几个基本术语
生色团： 最有用的紫外—可见光谱是由π→π＊和n→π＊跃迁产 生的。这两种跃迁均要求有机物分子中含有不饱和基团。这 类含有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三N等。 助色团： 有一些含有n电子的基团(如—OH、—OR、—NH２、— NHR、—X等)，它们本身没有生色功能(不能吸收λ>200nm 的光)，但当它们与生色团相连时，就会发生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)，这样的基团称为助色团。
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 2.5∼1000 μm ,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 200∼400 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 400∼750 nm ，主要用于有色物质的定量分析。 本章主要讲授紫外可见吸光光度法。
4、双波长分光光度法