第二章 紫外-可见吸收光谱法 (Ulltraviolet-Visible Absorption Spectrometry)

§2-1 紫外-可见吸收光谱 概述 紫外光谱（ultraviolet spectroscopy, UV）是吸收光谱。常用的UV可扩展到可见光区域。当样品分子或原子吸收光子后，外层的电子由基态跃迁到激发态。不同结构的样品，其电子的跃迁方式不同，吸收光的波长和几率也不同，故而可根据波长范围、吸光强度鉴别不同的物质。 普通紫外区 真空 紫外区 可见光区 200nm 100nm 400nm 700nm

§2-1 紫外-可见吸收光谱 紫外吸收光谱的产生 紫外吸收光谱是由分子中价电子的跃迁产生的。 形成键的  电子 价电子 §2-1 紫外-可见吸收光谱 紫外吸收光谱的产生 紫外吸收光谱是由分子中价电子的跃迁产生的。 形成键的  电子 价电子 形成键的  电子 未成键的 n 电子 按分子轨道理论，分子中的电子轨道分为：  成键 轨道、 * 反键轨道、  成键轨道、 * 反键轨道和 n 未 成键轨道(或称非键轨道)。其轨道能量顺序为：  <  < n < * < *

当基态价电子吸收紫外或可见辐射后，价电子就 由基态的成键轨道或非键轨道跃迁至激发态的反键轨 道，这些跃迁可分为三类； (1)成键轨道与反键轨道之间的跃迁  → *  → * (2)非键轨道向反键轨道的跃迁 n → * n → * (3)电荷转移跃迁 总之，价电子可能产生的跃迁主要为:  → * 、  → * 、 n → * 、 n → * 各种跃迁所需的能量也不同。

* * n   电子跃迁能级示意图 电子跃迁所处的波长范围及强度 远UV区 近UV区 Vis区 6 5 4 3 2 1 → * 反键 远UV区 近UV区 Vis区 * 6 5 4 3 2 1 反键 → * n→* n→* →* E → * →* lg n→* 非键 n→* n  n→* 成键  10 100 200 300 400 500 600 700 800 成键 波长/nm 电子跃迁能级示意图 电子跃迁所处的波长范围及强度

吸收光谱图的表示方法

紫外-可见吸收光谱中常用术语 生色团 能产生特征吸收带的具有不饱和键和未共用 电子对的基团。如：>C=C< 、—C≡C— 、 >C=O—、—CHO、—COOH、—N=N—、 —N=O、—NO2等。  → * 、 n → * 如果两个生色团相邻、发生共轭作用，则原来 的各自的吸收带将消失，并在较长的波长处产生强 度比原来吸收带强的新吸收带。

助色团 含有未共用的n电子对的氧原子、氮原子或卤 素原子的基团。如：—OH 、—NH2、—Br等 助色团不会使物质具有颜色，但引进这些基团能 增加生色团的生色能力、使其吸收波长向长波方向移 动，并增加了吸收强度。生色团是最有力的助色团。 红移 由于取代基或溶剂的影响造成有机化合物结构 的变化，使吸收峰向长波方向移动的现象。 蓝移 由于取代基或溶剂的影响造成有机化合物结构 的变化，使吸收峰向短波方向移动的现象。

增色效应 由于有机化合物结构的变化，使吸收峰 强度增加的现象。 减色效应 由于有机化合物结构的变化，使吸收峰 强度减小的现象。 溶剂效应 由于溶剂的极性不同引起某些化合物吸收 峰的红移或蓝移的现象。

UV吸收带及其特征 (i) R带[来自德文Radikalartig(基团)] 起源：由n-π＊跃迁引起。或者说，由带孤对电子的发色团产生。例如发色团与助色团形成共轭基团时： 特点：① λmax＞270nm，εmax＜100； ② 溶剂极性↑时，λmax发生蓝移。

(ii) K带[来自德文Konjugierte(共轭)] 起源：由π-π＊跃迁引起。特指共轭体系的π-π＊跃迁。 K带是最重要的UV吸收带之一，共轭双烯、α,β－不饱和醛、酮，芳香族醛、酮以及被发色团取代的苯（如苯乙烯）等，都有K带吸收。例如： 特点： ① λmax 210－270nm，εmax＞10000； ② 溶剂极性↑时，λmax不变(双烯)或发生红移(烯酮)。

εmax偏低：200＜ε＜3000 (苯的ε为215)； (iii) B带和E带 B—德文Benzienoid(苯系) E—德文Ethylenic(乙烯型) 起源：均由苯环的π-π＊跃迁引起。是苯环的UV特征吸收。 特点： ①B带为宽峰，有精细结构 (苯的B带在230－270nm) εmax偏低：200＜ε＜3000 (苯的ε为215)； ② E1带特强，(εmax ＜10000) ； E2带中等强度，(2000＜εmax ＜10000) ③ 苯环上引入取代基时，E2红移，但一般不超过210nm。如果E2带红移超过210nm，将衍变为K带。

有机化合物的紫外-可见吸收光谱 饱和烃 饱和单键碳氢化合物只有 键, 因而只能产生→* 跃迁。由于 键电子最不易激发，需要吸收很大的能 量，这类化合物在200nm以上无吸收，常作溶剂。 当饱和单键碳氢化合物中的氢被氧、氮、卤素、 硫等取代时，这类化合物既有 电子，又有n电子，可 以实现→*和n→*跃迁，使电子跃迁所需能量降低， 其吸收峰向长波方向移动，出现“深色移动”现象， 即红移，吸收峰落在远紫外区和近紫外区。 甲醇：177nm，乙醇186nm。

不饱和脂肪烃 (1)含孤立不饱和键的烃类化合物 具有孤立双键或叁键的烯烃或炔烃都产生→*跃 迁，但多数在200nm以上无吸收，如：乙烯：171nm 乙炔173nm。若烯分子中的氢被助色团取代时，吸收 峰发生红移，吸收强度增加。 (2)含共轭体系的不饱和烃类化合物 具有共轭双键的化合物，其大键各能级之间的距 离较近，电子易被激发，产生 K 吸收带，其波长及强 度与共轭体系的长短、位置取代基种类有关，共轭双 键越多，波长越长，以至由无色变为有色吸收峰进入 可见区。

(3)含共轭体系的醛、酮和羧酸 碳氧双键同烯键之间的共轭作用也会降低*轨道 能量，使→* 、n→*跃迁的吸收峰发生红移。 例 巴豆醛 (CH3CH=CHCHO) →* n→* 单独 烯键 170nm 羰基 166nm 280nm 巴豆醛 220nm 322nm 显然，共轭作用使得→* 跃迁和n→*跃迁吸收峰 都发生了明显的红移。

芳香化合物 芳香化合物为环状共轭体系 左图为苯的UV谱图 三个→*跃迁特征吸收谱带： 1 85nm E1带 最强 4 3 2 1 E2 三个→*跃迁特征吸收谱带： B lg 1 85nm E1带 最强 204nm E2带 较强 230~270nm B带 较弱 180 200 220 240 260 280 /nm

E1和E2带是由苯环结构中三个乙烯的环状共轭 体系的跃迁所产生的，是芳香化合物的特征吸收。 若苯环上有助色团，如—OH、—Cl等取代，由 于n-共轭，使E2带向长波方向移动，一般为210nm； 若生色团取代且与苯环共轭( -共轭)，E2吸收 带与K吸收带合并，并且红移。 B带是由 -*跃迁和苯环振动的重叠引起。又称 苯的特征吸收带。可用于鉴别芳香族的化合物。

溶剂对UV吸收的影响 (1)对最大吸收波长的影响 在n-*跃迁时，由于n电子在基态时与极性溶剂易 形成稳定的氢键，使n轨道的能量降低大约一个氢键 的能量，而激发态能量降低较小，使跃迁所需要的能 量增加，引起吸收带蓝移。溶剂极性越大，形成氢键 能力越强，吸收带蓝移越显著。 例 异丙叉丙酮CH3COCH=C(CH3)2 溶剂 正己烷 三氯甲烷 甲醇 n-*跃迁max 329nm 315nm 309nm

在 -*跃迁时，其激发态的极性比基态强，则 极性溶剂使其激发态能量降低，而使 -*跃迁更容 易，引起吸收带红移。 (2)对光谱精细结构和吸收强度的影响 当物质处于气态时，分子间的作用很小，其振 动和转动光谱也能表现出来，因而具有非常清晰的 精细结构，当它溶于非极性溶剂时，由于溶剂化作 用，限制了分子的自由转动，则转动光谱不能表现 出来，随着溶剂极性的增大，分子振动也受到限制 精细结构逐渐消失，呈现一宽而低的吸收带。

§3-3 光的吸收定律 朗伯-比尔定律 （Lambert-Beer Law） 朗伯定律：当用一种适当波长的单色光照射一固定 §3-3 光的吸收定律 朗伯-比尔定律 （Lambert-Beer Law） 朗伯定律：当用一种适当波长的单色光照射一固定 浓度的溶液时，其吸光度与透过的液层厚度（光程） 成正比。 表达式 A= k l k与入射光的波长、溶液的性质、浓度和温度有关

比尔定律：当用适当波长的单色光照射一溶液时， 若透光液层厚度固定，则吸光度与溶液浓度成正比。 表达式 A= k' c k'与入射光的波长、溶液的性质、液层厚度和温度有关 吸收定律（朗伯-比尔定律）: 当用一适当波长的单 色光照射吸收物质的溶液时，其吸光度与溶液浓度 和透光液层厚度的乘积成正比。 表达式 A=K c l 或 A=εcl

吸光度的意义 吸光度表示光束通过溶液时被吸收的程度。 I。 I | l | 溶液所吸收光的强度越大，透过光的强度就 越小，则吸光度A就越大。 0≤A≤∞

透射比的意义 透射比也称透光率，表示透过光占入射光的比例， 也是物质吸光程度的一种量度，通常以T表示 当入射光全部被吸收时，I=0，则T=0, 当入射光 不被吸收时，I=I。，则T=1。所以0≤T≤1。光度 分析中，经常使用百分透光率，其值：0~100

吸光度与透光率之间的关系 比例系数K的意义及表示方法 K值表示单位浓度、单位液层厚度的吸光度，与吸光 物质及入射光波长有关，是吸光物质的重要特征值。

在液层厚度l为cm 为单位时，K值随浓度单位 的表示方法的不同而不同。 浓度以g·L-1为单位时，比例系数K称为质量吸收 系数，以 a表示，单位为：L · g-1 · cm-1 浓度以mol·L-1为单位时，比例系数K称为摩尔吸收 系数，以  表示，单位为：L · mol-1 · cm-1

通常 较常使用，文献中给出的某化合物的 值指最大吸收波长所对应的摩尔吸收系数，也可 表示为max。各种物质的摩尔吸收系数相差较大， 可以从10-2~105变动，可用于表示吸收峰的强弱：  >104 强吸收  =103~104 较强吸收  =102~103 较弱吸收  <10 弱吸收  值越大，表示物质对某波长光的吸收能力越强， 测定的灵敏度也就越高。

吸光定律的加和性 在多组分体系中，在某一波长，如果各种对光 有吸收的物质之间没有相互作用，则体系在该波长的 总吸光度等于各组分吸光度的和，即吸光度具有加和 性，称为吸光度的加和性原理。 A总=A1+ A2+ A3+···+ An =1c1b+ 2c2b+ 3c3b+···+ ncnb 吸光物质的加和性对多组分同时定量测定，校 正干扰等极为有用。

分光光度计提供的入射光都是有一定宽度的光 谱带，非严格的单色光，使溶液对光的吸收偏离了 吸收定律，产生误差，因此，分光光度计产生的单 偏离朗伯-比尔定律的原因 正偏离 A 负偏离 c 1、入射光非单色性引起的偏离 分光光度计提供的入射光都是有一定宽度的光 谱带，非严格的单色光，使溶液对光的吸收偏离了 吸收定律，产生误差，因此，分光光度计产生的单 色光纯度越高越好，即光谱带的宽度越窄越好。

2、溶液本身引起的偏离 化学因素引起的偏离 有色化合物在溶液中受酸度、温度、溶剂等影 响，发生离解、缔合、形成新的化合物或互变异构 等化学变化而改变了浓度，因而导致偏离朗伯-比尔 定律。 溶液折射率的变化引起的偏离 当溶液浓度变化能显著改变溶液的折射率，则可 观测到偏离朗伯-比尔定律的现象，此时可对光吸收 定律进行校正。当浓度小于0.01mol/L时，其影响可 忽略不计，这是朗伯-比尔定律只适用于稀溶液的原 因之一。

折射引起的偏离 溶液为胶体、乳浊液或悬浊液时，在入射光通过 溶液时，除一部分被吸收外，还有一部分被散射而损 失，使透光度减少，实测的吸光度增大，发生正偏离。

2.2 紫外光谱仪和实验方面的一些问题 2.2.1 紫外分光光度计 1. 光源 2. 单色器 2.2 紫外光谱仪和实验方面的一些问题 2.2.1 紫外分光光度计 结构大致由光源、单色器、样品池、检测器和记录装置及计算机等几个部分组成。 1. 光源 可见光源可选钨灯(波长范围为325 ~ 2500 nm), 紫外光源可选氘灯、氢灯(氢弧灯 165 ~ 375 nm)；激光。 2. 单色器 把复色光分解为单色光。由入射狭缝、色散（分光）系统、出射狭缝组成。常用的色散元件是棱镜或全息光栅。

3. 检测器 光信号转换为电信号。一般为光电倍增管或光电二极管。 4. 样品池(比色皿) 紫外区要用石英比色皿，可见区可用一般光学玻璃。 5. 记录装置及计算机 记录装置一般已用计算机代替，计算机用于仪器控制、 数据存取、数据处理。

三种类型的紫外-可见分光光度计 单光束分光光度计 双光束分光光度计 双波长分光光度计

虚线为光源发出的复合光，实线为经过分光后的单色光。 氘灯D2，钨灯W，反射镜M，棱镜P，狭缝S，Sa样品池。

一次测量同时得到样品溶液相对空白溶液的透光度，因此该仪器可消除光源强度变化引发的误差。

同一光源发出的光被分为两束，经过两个不同的单色器得到两束不同波长的单色光，利用切光器使两束光交替照射吸收池，样品在两个波长的吸光度的差值与其待测浓度成正比。适合多组分混合物或有背景干扰的情况，能提高检测的灵敏度和选择性。

2.2.2 溶剂 一般紫外光谱的测定都是在稀溶液中进行。 溶剂应能溶解测定的化合物 在测定的全波长区透明。 2.2.2 溶剂 一般紫外光谱的测定都是在稀溶液中进行。 溶剂应能溶解测定的化合物 在测定的全波长区透明。 根据测定的波长范围选溶剂，溶剂的透明范围的下限应小于测定波长范围。 微量杂质可能对测定影响严重

2.2.3 吸收池 2.2.4 样品溶液的配制 石英：185 nm以上；光学玻璃：大约280 nm以上 ※ 样品池与参比池必须严格匹配。 2.2.3 吸收池 石英：185 nm以上；光学玻璃：大约280 nm以上 ※ 样品池与参比池必须严格匹配。 2.2.4 样品溶液的配制 选择溶剂：不反应；注意溶解度及透光范围。 调节样品溶液浓度使吸收峰顶端落在记录纸内。 具有不同生色团的化合物所需浓度不同, 有共轭体系的样品，浓度应在10-4 ~ 10-5 mol/L左右。 吸光度：定性测定0.7 ~ 1.2，定量测定0.2 ~ 0.8。

课后作业 一、紫外-可见吸收光谱的原理； 二、电子跃迁有哪几种方式，并说明其特点； 三、名词解释：生色团和助色团、增色和减色、蓝移和红移； 四、朗伯-比尔定律 （Lambert-Beer Law），及其产生偏差的原因。