《仪器分析》课程教学资源（教案讲义）第一章 紫外可见分光光度法

第一章紫外-可见分光光度法【教学目的】1.掌握紫外－可见吸收光谱的产生。2.了解紫外-可见分光光度计仪器原理和结构3.掌握紫外-可见吸收光谱法在有机定性及结构分析中的应用。【教学重点和难点】1.生色团的共轭作用2.双波长分光光度计原理及构造3.Lambert-Beer定律4.化合物的鉴定、结构分析【教学方法】讲授、多媒体、实验【教学时数】10课时【教学过程】第一节概述定义：紫外-可见吸收光谱法是根据溶液中物质的分子或离子对紫外和可见光谱区辐能的吸收来研究物质的组成和结构的方法。应用：主要用于有机物的定量及定性分析。分子光谱：分子是由原子组成的，分子的运动包括分子中电子的运动、分子的振动及其转动，所有这些运动都必须由能量来维持，故分子的能量包括：E分子=Ee+Ev+Er第二节紫外可见光谱法基本原理一、有机化合物的紫外-可见吸收光谱（一）电子跃迁类型1.分子轨道分子外层电子的分子轨道可以分为五种，即o成键与α*反键轨道，T成键与T*反键轨道，n非键轨道。A.o分子轨道：-C--CB.T键轨道：C=CC=O-N=N--C=CC.n键轨道-C--Br:-CO:H-C--N:HD.α*反键轨道E.TT*反键轨道o，TT，n键轨道为基态轨道，α*，TT*为激发态轨道根据轨道能量：g<T<n<T*<2.分子电子能级和跃迁（1）g-→g*跃迁：E较大，跃迁发生在远紫外区，波长范围低于200nm。如甲烷（125nm），乙烷（135nm)。(2）n→α*跃迁：4E较g→0*跃迁要小,跃迁发生在150--250nm波长范围内。如含有杂原子饱和烃衍生物。摩尔吸收系数一般在100-300范围内。(3)n-→T*和T→T*跃迁这两类跃迁是最有用的。^E比较少，最大吸收波长均大于200nm。这两类跃迁的差别在于吸收峰的强度不同。n→T*跃迁摩尔吸收系数很少，仅在10-100范围内。而T一→T*跃迁摩尔吸收系数很大，比n→T*跌跃迁大100-1000倍，达到1000-100000

第一章 紫外-可见分光光度法 【教学目的】 1.掌握紫外－可见吸收光谱的产生。 2.了解紫外－可见分光光度计仪器原理和结构。 3.掌握紫外－可见吸收光谱法在有机定性及结构分析中的应用。 【教学重点和难点】 1. 生色团的共轭作用 2. 双波长分光光度计原理及构造 3. Lambert - Beer定律 4.化合物的鉴定、结构分析 【教学方法】 讲授、多媒体、实验 【教学时数】 10课时 【教学过程】 第一节 概述 定义：紫外-可见吸收光谱法是根据溶液中物质的分子或离子对紫外和可见光谱区辐能的吸收来研究 物质的组成和结构的方法。 应用：主要用于有机物的定量及定性分析。 分子光谱：分子是由原子组成的，分子的运动包括分子中电子的运动、分子的振动及其转动，所有 这些运动都必须由能量来维持，故分子的能量包括： E分子=Ee+Ev+Er 第二节 紫外可见光谱法基本原理 一、有机化合物的紫外-可见吸收光谱 （一）电子跃迁类型 1.分子轨道 分子外层电子的分子轨道可以分为五种,即σ成键与σ* 反键轨道,π成键与π*反键轨道,ｎ非键轨道。 A. σ分子轨道: -C-C￾B.π键轨道: C＝C C＝O -N＝N- -C≡C￾C.ｎ键轨道： -C-Br: -C—O:H -C-N:H D. σ*反键轨道 E. π*反键轨道 σ，π，n 键轨道为基态轨道，σ*，π*为激发态轨道. 根据轨道能量： σ< π< n< π*< σ* 2．分子电子能级和跃迁 （1）σ→σ* 跃迁：E 较大,跃迁发生在远紫外区,波长范围低于 200nm。如甲烷(125nm),乙烷 (135 nm)。 （2）ｎ→σ* 跃迁:△E 较σ→σ* 跃迁要小,跃迁发生在150-250nm波长范围内。如含有杂原子饱和烃 衍生物。摩尔吸收系数一般在100-300范围内。 (3)ｎ→π* 和 π→π* 跃迁 这两类跃迁是最有用的。△E 比较少,最大吸收波长均大于200 nm 。这两类跃迁的差别在于吸收峰的 强度不同。ｎ→π* 跃迁摩尔吸收系数很少,仅在10-100范围内。而π→π*跃迁摩尔吸收系数很大,比ｎ →π* 跃迁大100-1000倍,达到1000-100000

生色团的概念：含有π键的不饱和基团称为生色团。（二）分子结构和光谱的相互关系1.共轭效应：当分子含有多个T键，并且被单键隔开时,共轭效应增加，T一→T*跃迁能量更低，吸收光谱最大吸收峰向长波方向移动,摩尔吸收系数增大。称红移效应(redshifteffect)。2.含有T电子芳香体系，最大吸收向紫外方向移动。称蓝移效应3.助色团：一些原子和原子团不吸收200-800nm范围内的光，但与生色团结合后，具有能使生色团的吸收峰向长波或短波方向移动的作用，这样的原子或原子团称为助色团。（三）溶剂对吸收光谱的影响影响最大吸收波长：溶剂极性的改变会使由T一T*跃迁和n一T*跃迁产生的两种吸收峰的最大吸收波长向不同方向移动。溶剂极性增加，T一T*跃迁吸收峰发生红移（长波方向）n一T*跃迁吸收峰发生蓝移（短波方向）。二、定量分析的基础-Lambert-Beer定律CorrelationofTandC2.朗伯-比尔定律3.浓度测量中相对误差与透光率和吸光度的关系4.Beer--Lambert定律在混合物中的表达式5.偏离Beer-Lambert定律的因素第三节紫外可见分光光度计一、分光光度计的组成(一)光源1.理想光源的特性A.高强度；B.宽波长范围：C.稳定的输出；D.长寿：E.价格低；F.适宜的尺寸2.常用光源：钨灯、卤灯、气灯(二)单色器1.要求特性：A.高效能；B.宽波长范围；C.容易调节波长；D.好的波长精度和重现性；E.高的光谱纯度；F.好的机械稳定性：2.滤光片单色器组成：入口狭缝、滤光片、出口狭缝三部分组成。3.棱镜和光栅单色器：光谱通带宽度少于1nm组成：狭缝、色散元件、准直元件、透镜、反射镜。棱镜和光栅单色器比较A.光栅为匀排光谱，棱镜为非匀排光谱。光栅所采用的狭缝可产生几乎恒定的光谱通带而与波长无关。棱镜要得到恒定的带宽时，长波时要求狭缝窄，短波时要求狭缝宽B.光栅对温度不敏感，棱镜对温度很敏感(折射率n与温度有关)。C.光栅存在着潜在的杂散光源。D.光栅需要有一个“级消除滤光片以消除/2,入/3....等波长的干扰

生色团的概念：含有π键的不饱和基团称为生色团。 （二）分子结构和光谱的相互关系 1. 共轭效应: 当分子含有多个π键,并且被单键隔开时,共轭效应增加,π→π* 跃迁能量更低,吸收光谱最大吸收峰向长 波方向移动,摩尔吸收系数增大。称红移效应(red shift effect)。 2. 含有π电子芳香体系,最大吸收向紫外方向移动。称蓝移效应。 3. 助色团: 一些原子和原子团不吸收200-800nm范围内的光,但与生色团结合后,具有能使生色团的吸收峰向长波 或短波方向移动的作用,这样的原子或原子团称为助色团。 （三）溶剂对吸收光谱的影响 影响最大吸收波长: 溶剂极性的改变会使由π—π* 跃迁和n —π*跃迁产生的两种吸收峰的最大吸收波 长向不同方向移动。 溶剂极性增加， π—π* 跃迁吸收峰发生红移（长波方向） n —π* 跃迁吸收峰发生蓝移（短波方向）。 二、定量分析的基础－Lambert-Beer定律. Correlation of T and C 2. 朗伯-比尔定律 3. 浓度测量中相对误差与透光率和吸光度的关系 4. Beer-Lambert定律在混合物中的表达式 5．偏离Beer-Lambert定律的因素 第三节 紫外可见分光光度计 一、分光光度计的组成 (一) 光源 1. 理想光源的特性： A.高强度；B.宽波长范围；C.稳定的输出；D.长寿；E.价格低；F.适宜的尺寸 2. 常用光源：钨灯、钨卤灯、氘灯 (二) 单色器 1. 要求特性： A.高效能；B.宽波长范围；C.容易调节波长；D.好的波长精度和重现性；E.高的光谱纯度；F.好的机 械稳定性： 2. 滤光片单色器 组成：入口狭缝、滤光片、出口狭缝三部分组成。 3. 棱镜和光栅单色器： 光谱通带宽度 少于 1nm 组成：狭缝、色散元件、准直元件、透镜、反射镜。 棱镜和光栅单色器比较 A．光栅为匀排光谱,棱镜为非匀排光谱。光栅所采用的狭缝可产生几乎恒定的光谱通带而与波长无 关。棱镜要得到恒定的带宽时,长波时要求狭缝窄,短波时要求狭缝宽 B. 光栅对温度不敏感,棱镜对温度很敏感(折射率n与温度有关)。 C．光栅存在着潜在的杂散光源。 D．光栅需要有一个“级消除滤光片”以消除λ/2,λ/3,.等波长的干扰

E.光栅光能量消耗大。(三)样品池按材料不同分：玻璃池340-1000nm石英池200-340nm紫外级石英池185-220nm按用途分：常用比色池0.5，1.0，1.5.2.0厘米微量池0.5毫升以下流动池5-11微升注意：样品池使用前必需进行以下测定玻璃池：365nm时，每个池之间^T<0.5%，即^A<0.002石英池：240nm时，每个池之间^T<1.5%，即^A<0.007(四)检测器作用：光信号转变为电信号。几种光检测器性能的比较光电池光电管光电倍增管190-650(蓝敏)波长(nm)400-750180-900(Wavelength)600-1000（红敏）响应速度慢约10-8秒10-9秒(Speed of response)低105--106108-109灵敏度(Sensitivity)B.结构和作用a.真空光电管篮敏光电管阴极镀有光电发射材料金属锑和艳红敏光电管阴极镀有光电发射材料金属银和氧化。b.光电倍增管作用：除了将光信号转变为电信号作用外还具有放大作用。二、分光光度剂的分类及特点1.单光束分光光度计特点：光路系统简单，机械振动小，信噪比高。2.双光束分光光度计特点：消除了光源不稳定造成的影响，具有较高的精密度和准确度。3.双光束分光光度计特点：仅使用一个吸收池。第四节定性和定量分析一、仪器条件的选择1.测量波长的选择：A.优先选择最大吸收波长B.最大波长受到共存杂质干扰时，选择次强波长。C.最大波长的吸收峰太尖锐，测量波长难以重复时，选择次强波长

E．光栅光能量消耗大。 (三) 样品池 按材料不同分:玻璃池 340-1000nm 石英池 200-340nm 紫外级石英池 185-220nm 按用途分: 常用比色池 0.5, 1.0, 1.5, 2.0厘米 微 量 池 0.5毫升以下 流 动 池 5-11微升 注意：样品池使用前必需进行以下测定: 玻璃池: 365nm时, 每个池之间△T<0.5%,即△A<0.002 石英池: 240nm时, 每个池之间△T<1.5%, 即△A<0.007 (四) 检测器 作用: 光信号转变为电信号。 几种光检测器性能的比较 光电池 光电管 光电倍增管 波长(nm) (Wavelength) 400-750 190-650(蓝敏) 600-1000(红敏) 180-900 响应速度 (Speed of response) 慢 约10-8 秒 10-9 秒 灵敏度(Sensitivity) 低 105 -106 108 -109 B. 结构和作用 a. 真空光电管 篮敏光电管阴极镀有光电发射材料金属锑和铯。 红敏光电管阴极镀有光电发射材料金属银和氧化铯。 b. 光电倍增管 作用: 除了将光信号转变为电信号作用外,还具有放大作用。 二、分光光度剂的分类及特点 1. 单光束分光光度计 特点：光路系统简单，机械振动小，信噪比高。 2. 双光束分光光度计 特点：消除了光源不稳定造成的影响，具有较高的精密度和准确度。 3. 双光束分光光度计 特点：仅使用一个吸收池。 第四节 定性和定量分析 一、仪器条件的选择 1. 测量波长的选择： A.优先选择最大吸收波长 B.最大波长受到共存杂质干扰时,选择次强波长。 C.最大波长的吸收峰太尖锐,测量波长难以重复时,选择次强波长

2.透过率或吸光度的范围的选择选择T=15%--70%或A=0.150-0.800之间。3.狭缝宽度的选择定性分析：选择较小的狭缝，以尽量保留振动能级跃迁的精细结构。定量分析：在吸光度稳定的情况下，选用最少狭缝。4.样品池选择根据测定波长、溶液浓度(选择L)等选择。二、定性分析1.未知试样检定根据光谱形状（极大、极小和拐点波长)吸收峰数目，位置与标准试样比较。2.有机化合物分子结构的推测有机化合物的吸收光谱结构与光谱①如在200nm到400nm区域内没有吸收峰，则可以初步判断待测化合物无双键或不含环状共轭体系②若250nm处有吸收峰，而且max约103-104时，化合物可能具有芳香环结构，如果芳香环被取代而使共轭体系延长时，max大于104。③如在270-350nm区域有弱的吸收峰，max大约10到100，且200nm以上无其它吸收，说明该化合物含有带孤对电子的未共轭的生色团。④同份异构体鉴别③纯度的检查三、定量分析标准曲线：直接分取标准溶液进行光度测定或显色测定所测得的A与C作图得到的曲线工作曲线：标准溶液按样品处理进行测定得到的A与C的曲线。标准对比法：只配制一个浓度的标准溶液和样品比对，求出待测样品的浓度。标准加入法（增量法）【布置作业】1.生色团及助色团的概念？2.紫外可见分光光度计的基本组成有哪几部分？3.吸光度（A）与透光率（T）的转换？【教学后记】

2. 透过率或吸光度的范围的选择 选择T＝15%-70%或A＝0.150-0.800之间。 3. 狭缝宽度的选择 定性分析：选择较小的狭缝,以尽量保留振动能级跃迁的精细结构。 定量分析：在吸光度稳定的情况下,选用最少狭缝。 4. 样品池选择 根据测定波长、溶液浓度(选择L)等选择。 二、 定性分析 1. 未知试样检定 根据光谱形状(极大、极小和拐点波长)吸收峰数目,位置与标准试样比较。 2. 有机化合物分子结构的推测 有机化合物的吸收光谱_结构与光谱 ① 如在200nm到400nm区域内没有吸收峰，则可以初步判断待测化合物无双键或不含环状共轭体系 ② 若250nm处有吸收峰，而且max约103-104时，化合物可能具有芳香环结构，如果芳香环被取代而 使共轭体系延长时，max大于104。 ③ 如在270-350nm区域有弱的吸收峰， max大约10到100，且200nm以上无其它吸收，说明该化合 物含有带孤对电子的未共轭的生色团。 ④ 同份异构体鉴别 ⑤ 纯度的检查 三、定量分析 标准曲线: 直接分取标准溶液进行光度测定或显色测 定所测得的A与C作图得到的曲线。 工作曲线: 标准溶液按样品处理进行测定得到的A与C 的曲线。 标准对比法：只配制一个浓度的标准溶液和样品比对，求出待测样品的浓度。 标准加入法（增量法） 【布置作业】 1．生色团及助色团的概念？ 2. 紫外可见分光光度计的基本组成有哪几部分？ 3. 吸光度（A）与透光率（T）的转换？ 【教学后记】