第 13 章 紫外－可见分光光度法 Ultraviolet and Visible Spectrophotometry

1. 第13章紫外－可见分光光度法Ultraviolet and Visible Spectrophotometry

2. 第13章 紫外－可见分光光度法（Ultraviolet and Visible Spectrophotometry） 定义： 通常是指研究200-780nm光谱区域内，物质分子或离子对光辐射吸收的一种方法，也称为吸光光度法或分光光度法。 利用有色溶液对可见光的吸收来进行定量测定， 称为比色法。

3. 第13章 紫外－可见分光光度法（Ultraviolet and Visible Spectrophotometry） 历史（1） 公元60年 古希腊 普里尼 五倍子浸出液估测醋中Fe 十九世纪30-40年代 比色是一种普遍分析方法 利用金属离子本身颜色或无机显色剂 MnO4- NH3 使Cu2+Co2+显色 方法：目视比色法 系列标样 Cs C2s C3s C4s C5s  Cx 比较颜色深浅

4. 第13章 紫外－可见分光光度法（Ultraviolet and Visible Spectrophotometry） 历史（2） 1852年 Beer定律 1868年 布特列洛夫 1870年 杜包斯克 目视比色计 浦氏光度计 1911年 贝格尔 硒光电池比色计 1918年 美国国家标准局 第一台分光光度计 20世纪30-40年代 E.B.Sandell“痕迹金属比色测定” 20世纪50年代 有机显色剂 近二、三十年 信息技术，高新技术，联用技术

5. 第13章 紫外－可见分光光度法（Ultraviolet and Visible Spectrophotometry） 13-1 选择吸收及吸收光谱的获得 13-2 紫外可见吸收光谱的主要类型 13-3 光的吸收定律及定量分析方法 13-4 显色反应与光度测量 13-5 吸光光度的其他分析技术 13-6 分光光度法在化学研究中的应用

6. 第13章 紫外－可见分光光度法（Ultraviolet and Visible Spectrophotometry） • 选择吸收及吸收光谱 • 光的吸收定律及定量分析方面 • 光度分析的拓展及其应用

7. 第13章 紫外－可见分光光度法13-1 选择吸收及吸收光谱 1. 选择吸收 宏观现象 KMnO4(紫红色) 吸收白光中的 黄绿色 CuSO4 (蓝色) 吸收白光中的 黄色 互补色 结论 ⑴同一种物质对不同波长的光表现出不同的吸收能力，称之谓选择吸收现象。 ⑵不同的物质对光的选择吸收性质是不同的。 ⑶溶液的颜色并不是某一个波长，而是一个波长带。

8. 第13章 紫外－可见分光光度法 13-1 选择吸收及吸收光谱1. 选择吸收 量子解释（1） 入射光的能量 能级间的能量差 h = hc/ = E2-E1 = E 普朗克条件 E ？ 一个分子的总能量E =E内能+E平动能+E电+E振+E转 固有 连续变化 量子化 E = E电+E振+E转

9. 第13章 紫外－可见分光光度法 13-1 选择吸收及吸收光谱1. 选择吸收 量子解释（2） E = E电+E振+E转 1~10eV 0.05~1eV 10-4~0.05eV 10 10~100 5eV ± 0.1eV ±0.005eVn V 250nm ± 5nm ± 0.25nm J=±1 V=±1 n=±1 J J=±1 V=±1 J=±1

10. 第13章 紫外－可见分光光度法 13-1 选择吸收及吸收光谱1. 选择吸收 量子解释（3） • 物质对光呈现选择吸收的原因：单一吸光物质的分子或离子只有有限数量的量子化能级的缘故。 • 选择吸收的性质：反映了分子内部结构的差异，各物质分子能级千差万别，内部各能级间的间隔也不相同。 • 形成吸收带：电子跃迁时不可避免要同时发生振动能级和转动能级的跃迁。

11. 第13章 紫外－可见分光光度法 13-1 选择吸收及吸收光谱2. 吸收光谱 透光度： T= I / I0 单色光I0I 吸光度： A=lgT-1=lg(I0/I) 透射光谱： T~ 图 吸收光谱：A~ 图maxAmax  吸收峰值波长 吸收峰值吸光度 吸收带宽 max （半峰宽） 摩尔吸光系数 物质的能量特征 强度特征

12. 第13章 紫外－可见分光光度法 13-1 选择吸收及吸收光谱2. 吸收光谱 KMnO4吸收光谱： A -  图 525n m

13. 第13章 紫外－可见分光光度法 13-1 选择吸收及吸收光谱3. 吸收光谱的获得 Cary分光光度计

14. 第13章 紫外－可见分光光度法 13-1 选择吸收及吸收光谱3. 吸收光谱的获得 HP分光光度计

15. 第13章 紫外－可见分光光度法 13-1 选择吸收及吸收光谱3. 吸收光谱的获得 紫外可见分光光度计基本结构有五部分组成 主要类型有： 手动型 1、单波长、单光束分光光度计  I0′ I I0 A 光源 单色光器 吸收池 检测器 显示记录 钨灯 滤光片 光电池 电表 卤钨灯 单色器- 光栅 光电管记录仪 氢灯或氘灯 棱镜 光电倍增管 计算器系统

16. 第13章 紫外－可见分光光度法 13-1 选择吸收及吸收光谱3. 吸收光谱的获得 单色器后单束平行光，参比液和样品液轮流进入光路。 常用于简易型的仪器。 适合定波长的吸光度测量，进行定量分析。 扫描型 2、单波长、双光束分光光度计   I0′ I I0A～

17. 第13章 紫外－可见分光光度法 13-1 选择吸收及吸收光谱3. 吸收光谱的获得 单波长、双光束分光光度计 

18. 第13章 紫外－可见分光光度法 13-1 选择吸收及吸收光谱3. 吸收光谱的获得 3、双波长、 双光束分 光光度计  A～

19. 第13章 紫外－可见分光光度法 13-1 选择吸收及吸收光谱3. 吸收光谱的获得 阵列型 4、全波长光度计 多色仪 检测器 二极管阵列 CCD(Charge coupled device)

20. 第13章 紫外－可见分光光度法 13-1 选择吸收及吸收光谱3. 吸收光谱的获得

21. 第13章 紫外－可见分光光度法 13-1 选择吸收及吸收光谱3. 吸收光谱的获得

22. 第13章 紫外－可见分光光度法 13-1 选择吸收及吸收光谱4.光谱类型 不同的物质对光有不同的选择吸收——有何规律 max ， max 描述 ①概念 生色团 助色团 红移 (向红)max 蓝移 (向蓝) 浓色效应(增色效应) 浅色效应(减色效应) 强带 (max>104) 较强带 (104 > max> 103) max 弱带 (max <103)

23. 第13章 紫外－可见分光光度法 13-1 选择吸收及吸收光谱4.光谱类型 ② 类型 On电子（n轨道） 有机物HC电子（轨道） 电子（轨道）H * 反键轨道 * 反键轨道 n未成键轨道  成键轨道  成键轨道 * * n* n* max﹤ ﹤190nm ≈﹥200 nm ﹥200nm（S,N,Br,I） ～300nm max 较强带 强带 ﹤190nm(O,Cl)更弱带 (共轭时，红移 ) 弱带 （杂环时，较强带 ）

24. 第13章 紫外－可见分光光度法 13-1 选择吸收及吸收光谱4.光谱类型 ② 类型有机物（* ，* ， n* ， n* ） 说明一：含O、Cl有机物， 常用作紫外吸收光谱测量的溶剂 说明二：*共轭体系中发生红移 共轭体系（K带） max（红移）max (增色） C=C 177 nm 10000（气） C=C-C=C 210 nm 21000（己烷） C=C-C=C-C=C 250 nm 22500（己烷） 共轭封闭体系（苯） max max E 带* 185 nm 50000 E1吸收带 无精细结构 204 nm 7000 E2吸收带 低分辨率精细结构 B带 254 nm 200 B吸收带 精细结构吸收带 取代基时， E 带红移

25. 第13章 紫外－可见分光光度法 13-1 选择吸收及吸收光谱4.光谱类型 ② 类型 有机物（* ，* ， n* ， n* ） 说明三：n* ，*在有机化合物中最有用。 ●溶剂效应 溶剂极性影响电子极性 稳定 能量↓（n电子*电子电子） ⑴ max E1 E2 E1‘E2‘* E1E1'红移 n*E2E2‘蓝移 非极性溶剂 极性溶剂 例：环己烷→乙醇 * 红移 10-20 nm 环己烷→乙醇 n* 蓝移 -7 nm 环己烷→水 n* 蓝移 –15 nm ⑵吸收带结构 气相 -精细结构, 非极性溶剂-部分消失, 极性溶剂-进一步消失 ●温度影响 很低温度时，max红移，精细结构吸收峰出现，max↑

26. 第13章 紫外－可见分光光度法 13-1 选择吸收及吸收光谱4.光谱类型 ② 类型 有机物（* ，* ， n* ， n* ） 苯（B 带）精细结构

27. 第13章 紫外－可见分光光度法 13-1 选择吸收及吸收光谱4.光谱类型 ② 类型有机物、无机物中电荷转移吸收带 h D—A  D+—A 电子给予体 电子接受体 分子内部的氧化还原过程，激发态是这一过程的产物 h = ID- EA- C D电离电位 A电子亲和势 A-D 间静电作用力 特点：▲谱带较宽的强带 ▲谱带处于长波长处 ▲max>104 例如： h Fe3+—CNS  Fe2+—CNS

28. 第13章 紫外－可见分光光度法 13-1 选择吸收及吸收光谱4.光谱类型 ② 类型 无机物中配位体场吸收带 max=10-1-102 弱带 max可见光区（少量落在紫外及近红外光区） d-d 跃迁（吸收峰较宽） f-f 跃迁（吸收峰较窄） 过渡金属 镧系和锕系元素 3d，4d电子 4f，5 f电子 配合物的结构研究 ?1 ?2

29. 第13章 紫外－可见分光光度法 13-1 选择吸收及吸收光谱4.光谱类型 ② 类型 无机物中配位体场吸收带 为什么在配位场作用下才可能发生d-d ，f-f跃迁呢？ ▲ 过渡元素、镧系和锕系元素在真空下，原子、离子的d轨道和f轨道是简并的。 ▲ 在配位体场影响下，简并能级发生分裂成不同能量组轨道。

30. 第13章 紫外－可见分光光度法 13-1 选择吸收及吸收光谱4.光谱类型 ② 类型 无机物中配位体场吸收带 为什么d-d跃迁的吸收峰较宽，f-f跃迁的吸收峰较窄呢？ ▲外层d电子跃迁时容易受外界环境（溶剂、配位体）的影响 ▲ f电子在内层，受外层轨道电子的屏蔽，不易受溶剂、配位体影响 Ce58 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 4f 2 5s2 5p6 6s2 Pr59 4f 3 Nd60 4f 4 … Ho67 4f 11

31. 第13章 紫外－可见分光光度法 13-1 选择吸收及吸收光谱4.光谱类型 • 小结波数cm-1 lg  100000 50000 33000 25000 20000 16667 14286 12500 6 远UV UV Vis 5   * 共轭 电荷转移 4   * n 杂环 * 3n  * 2 n  * 共轭 1 配位体场吸收带 10 100 200 300 400 500 600 700 800nm

32. 第13章 紫外－可见分光光度法 13-2 光的吸收定律及定量分析方面 • 吸收定律及影响因素 • Beer定律 (Lambert-Beer定律) A = a b c 吸光度 改为 mol/L 时 A=lgT-1 吸光系数 吸收光程 浓度 A =  b c =lg(I0/I) (吸收池厚度) 无量纲cm-1 (g/L)-1cm g/L摩尔吸光系数 cm-1 (mol /L)-1 A.Beer, Ann.der Physik.Chemie, (3), 26, 78(1852). 133

33. 第13章 紫外－可见分光光度法 13-2 光的吸收定律及定量分析方面 1. 吸收定律及影响因素 ① Beer定律 ▲单色光 ▲∥⊥入射 ▲溶液均匀 ▲ 吸光质点行为相互无关 Lambert定律 Beer定律 -dIx=kxIxdx -dIc=kcIcdc -dIx/Ix=kxdx -dIc/Ic=kcIcdc 积分，I0→Ix0→b I0 →Ix0→c ln(I0/I) = kx bln(I0/I) = kc c A = lg(I0/I) = k1 bA = lg(I0/I) = k2c 合并A = lg(I0/I) = a b c Lambert-Beer定律 简称Beer定律

34. 第13章 紫外－可见分光光度法 13-2 光的吸收定律及定量分析方面 1.吸收定律及影响因素① Beer定律 用量子观点推导Beer定律 吸光质点总数 n I0 IX I 吸光体的总截面积 s dx b 分子的俘获截面  从统计学的观点看 dIx dn 光的俘获分数 —— = —— 俘获光子的几率 Ix s

35. 第13章 紫外－可见分光光度法 13-2 光的吸收定律及定量分析方面 1.吸收定律及影响因素① Beer定律 ( 用量子观点推导Beer定律 )光束通过b厚度 ，积分。 由吸光度的定义： I0n A = lg — = —— I 2.303s n s = V / b A = 0.4343NA   b  —— NAV dm3 Avogadro常数 cm 吸光质点的浓度c（moldm3） A = 0.43436.0231023103 b c = 2.6141020 b c A =  b c

36. 第13章 紫外－可见分光光度法 13-2 光的吸收定律及定量分析方面 1.吸收定律及影响因素① Beer定律 几点说明 ⅰ 推导Beer定律的四点假定 ⅱ 加和性A = b （1c1 + 2c2 + 3c3+ …… +  ncn） （1）n种互不作用的吸光物质 （2）同一波长 ⅲ  = 2.6141020  = (1/3)   统计常数 分子大小截面 跃迁几率 10-15cm2 (0.05 ~ 0.5) 可以估算得  ≯105 , 实际情况  在 104~103。 科学启示

37. 第13章 紫外－可见分光光度法 13-2 光的吸收定律及定量分析方面 1. 吸收定律及影响因素 ② 影响因素——吸收定律的适应性及可靠性 物质 ↑↓ → 信号 A =  b c 令b=1cm A =  c 能量 ● 样品溶液因素 ⅰ 基本限制 ≯0.01 mol / L 浓度→分子或离子间距缩小→电荷分布改变→吸收能力 高浓度 → n 改变 →  改变 ⅱ溶剂影响 ⅲ “非真”吸收 ⅳ 试剂，溶剂中的杂质

38. 第13章 紫外－可见分光光度法 13-2 光的吸收定律及定量分析方面 1. 吸收定律及影响因素 ② 影响因素——吸收定律的适应性及可靠性 ● 样品溶液因素 ⅴ 溶液组分间的相互作用不可避免---即平衡影响---化学误差 ： 例一 Cr2O72-离子在水溶液中存在着二聚平衡 Cr2O72-+H2O  2HCrO42- 2H+ + 2CrO42- 橙 黄 吸收绿蓝 光（450nm） 吸收蓝 光（375nm） A 比尔定律 发生了正偏差 0.033 0.050 0.100c

39. 第13章 紫外－可见分光光度法 13-2 光的吸收定律及定量分析方面 1. 吸收定律及影响因素 ② 影响因素——吸收定律的适应性及可靠性 ● 样品溶液因素 ⅴ 溶液组分间的相互作用不可避免---即平衡影响---化学误差 例: Fe3+ - 水杨酸受 pH 影响 pH ＜4 ———— 9 ———— 12＞ Fe(C7H4O3)+ Fe(C7H4O3)2- Fe(C7H4O3)33- Fe(OH)3↓ 紫色红色黄色

40. 第13章 紫外－可见分光光度法 13-2 光的吸收定律及定量分析方面 1. 吸收定律及影响因素 ②影响因素——吸收定律的适应性及可靠性 ● 能量測量因素（仪器因素） ⅰ 仪器的单色光单色器提供的单色光 0 是具有一定的通带宽度，(即带宽） 定量分析时取 为吸收峰宽 ′的1/8—1/10时，误差可不计 a.对測量的具体影响 ● 0一定 ↑ A↑ A A实 -A真 = A为二次方影响 ↓A实≈A真 ↓↓↓ ，A≈0不切实际  0

41. 第13章 紫外－可见分光光度法 13-2 光的吸收定律及定量分析方面 1. 吸收定律及影响因素 ②影响因素——吸收定律的适应性及可靠性 ● 能量測量因素（仪器因素） ⅰ仪器的单色光A1 a.对測量的具体影响A2 ● 一定 不同0，A不同 01：峰 A1小 A影响小 02：陡坡 A2大 A影响大 ● 0，一定 A正比于c02 01 A随(A)2变化，使A-c 曲线（向c 弯曲）

42. 第13章 紫外－可见分光光度法 13-2 光的吸收定律及定量分析方面 1. 吸收定律及影提供响因素 ② 影响因素——吸收定律的适应性及可靠性 ● 能量測量因素（仪器因素） ⅰ仪器的单色光 b.狭缝对提供单色光性能的关系 I  1′ 0 2′1 021″02″ 入射狭缝S1＜出射狭缝S2 S1 =S2 S1＞S2 单色光不纯 0,Imax 光不纯 ,I↓

43. 第13章 紫外－可见分光光度法 13-2 光的吸收定律及定量分析方面 1. 吸收定律及影提供响因素 ② 影响因素——吸收定律的适应性及可靠性 ● 能量測量因素（仪器因素） ⅱ 光程问题 ●光束倾斜●试样容器的窗面平行 n n’ n∠R A/A %±0.02mm 20 0.020 R 50 0.11 100 0.38 ●内反射损失

44. 第13章 紫外－可见分光光度法 13-2 光的吸收定律及定量分析方面 1. 吸收定律及影提供响因素 ② 影响因素——吸收定律的适应性及可靠性 ● 能量測量因素（仪器因素） ⅲ 杂散光 定义 表示法：杂散光分数 S = Is/ I0 杂散光存在时的测量值 1 I + Is 1+S 1+S A M =lg — = lg ——— =lg ———-- = lg —— TMI0+ Is(I/I0)+S T +S 几点说明： ● 一台高质量的紫外可见光光度计，杂散光应很小 ● 在仪器光谱感应区的极端，杂散光引起的误差较大 ● 高吸光度时，杂散光引起的相对误差大

45. 第13章 紫外－可见分光光度法 13-2 光的吸收定律及定量分析方面 1. 吸收定律及影提供响因素 ② 影响因素——吸收定律的适应性及可靠性 ● 能量測量因素（仪器因素） ⅳ 光度误差c/c A = -lgT = a b c → c/c = (0.4343 T)/(T lgT) T与 T的关系 T = k1a.暗电流，放大器噪声，0%T值的不精确性 b.热噪声 c.有限读出分辨率 T= k2(T＋T2)1/2d.信号的散粒噪声 T = k3 Te.光源的闪变噪声 f.吸收池定位的不精确性

46. 第13章 紫外－可见分光光度法 13-2 光的吸收定律及定量分析方面 1. 吸收定律及影提供响因素 ② 影响因素——吸收定律的适应性及可靠性 ● 能量測量因素（仪器因素）ⅳ 光度误差 c/c 低中档仪器 c(有限读出分辨率)为主要因素 T = k1 = ±0.005 c/c = 1.5 - 3% ±0.003 c/c = 1 – 2 % 在 10-80% T 即 0.1-1.0 A）时，误差小

47. 第13章 紫外－可见分光光度法 13-2 光的吸收定律及定量分析方面 1. 吸收定律及影提供响因素 ② 影响因素——吸收定律的适应性及可靠性 ● 能量測量因素（仪器因素）ⅳ 光度误差 c/c 高级分光光度计 d. f.为主要因素 一般k2= ±0.003 误差小 0.2 - 2.5 A k3= ±0.003 A →∞ c/c → 0 综合 k2， k3一般在 0.8 - 1.5 A c/c小

48. 第13章 紫外－可见分光光度法 13-2 光的吸收定律及定量分析方面 2. 定量分析方面 ① 定量測定的溶液体系 ● 在測量条件下，仅有单一物质有吸收 • 被測物质本身有较大吸收，即 max大 物质溶液体系直接測量 A • 被測物质本身吸收小，无 物质转化为有色物測量 A 显色反应显色剂-------无机显色剂 有机显色剂（具有不饱和键基团） —N=N ＞C=O ＞C=S —NO2 —N=O 影响显色反应因素 络合物稳定性, 显色剂用量, pH , 温度, 时间, 溶剂

49. 第13章 紫外－可见分光光度法 13-2 光的吸收定律及定量分析方面 2. 定量分析方面 ① 定量測定的溶液体系 ● 在測量条件下，仅有单一物质有吸收 ● 在測量条件下，体系内有多种物质有吸收 ⅰ 物质分离各组分 第四篇 ⅱ 物质的化学掩蔽 滴定分析中有讨论 ⅲ 信息分离处理 见下面13-3内容

50. 第13章 紫外－可见分光光度法 13-2 光的吸收定律及定量分析方面 2. 定量分析方面 ② 定量測定的光度測量 ●波长 max ●单色器宽度 单≤ (1/8—1/10）吸 ● A值 落在c/c较小区域 ●参比液 消除除測定组分外引起吸收变化的影响 ●溶剂 溶解能力,吸收峰,稳定性,对被測吸收峰的影响 A=1时，短波长端临界波长值（nm） 200 210 230 245 265 280 305 330 水 甲醇 甘油 氯仿 四氯化碳 苯 吡啶 丙酮 正己烷 乙醇 二氯甲烷 正庚烷 异丙醇 环己烷