2.2　紫外-可见吸收光谱的原理

紫外-可见吸收光谱产生于分子中电子能级的变化，各种化合物的紫外-可见吸收光谱的特征也反映了分子中电子在各种能级间跃迁的内在规律。依据某化合物的特征紫外-可见吸收光谱，可以对其进行定量分析，尤其对一些有机化合物结构的认识提供了一定的支持。

2.2.1　朗伯-比尔定律

2.2.1.1　朗伯-比尔吸收定律

为研究物质对光吸收的定量关系，早在1729年，布格（Bouguer）建立了吸光度与吸收介质厚度之间的关系。1760年，朗伯（Lamber）用更准确的数学方法表达了这一关系。1852年，比尔（Beer）确定了吸光度与溶液浓度及液层厚度之间的关系，建立了光吸收的基本定律。习惯上称这一定律为朗伯-比尔吸收定律（朗伯-比尔定律）。

当一束平行的单色光照射到一定浓度的均匀溶液时，入射光被溶液吸收的程度与溶液厚度的关系为：

　　（2-1）

式中　I——透射光强度；

I₀——入射光的强度；

b——样品溶液厚度；

k——吸光系数。

当入射光通过不同浓度的同一溶液时，入射光强度与溶液浓度的关系为：

　　（2-2）

式中，c为溶液浓度；k'为常数。这就是比尔（Beer）定律。

当溶液厚度和浓度都可改变时，就要考虑两者同时对透射光的影响，则有：

　　（2-3）

式中，为吸光度A；为透光度T。

式（2-3）可写为：

A=-lgT=kbc　　（2-4）

式中　c——浓度，g/L；

b——样品溶液厚度，cm；

k——吸光系数，L/（g·cm）。

式（2-4）就是朗伯-比尔光吸收定律（Lambert-Beer定律）的数学表达式。

吸光度A的物理学意义是物质吸收单色入射光的程度。

k为吸光系数，表示物质分子对某波长单色光的吸收能力，与吸光物质的性质、入射光波长及温度等因素有关。k值随b和c单位的不同而不同。

2.2.1.2　摩尔吸光系数

当c的单位为mol/L、b的单位为cm时，式（2-4）中的吸光系数k用ε表示，称为摩尔吸光系数，其单位为L/（mol·cm）。这样光吸收基本定律就是：

A=εbc　　（2-5）

式中，摩尔吸光系数ε表示吸光物质的浓度为1mol/L，介质厚度为1cm时物质对指定频率光的吸收能力。ε值越大，表示吸光物质对某波长光的吸收能力越强，则吸光光度法定量测定的灵敏度越高。因此，ε是吸光物质特性的重要参数，也是衡量吸光光度法分析灵敏度的重要指标。

在吸光光度法分析的实际工作中，ε值也与吸光光度计有关。对某一特定的物质来说，在固定条件下测量时，ε值主要与入射单色光的波长有关。摩尔吸光系数通常不能直接移取1mol/L这样高浓度的样品来测定，而是在适宜的低浓度下测量吸光度A，然后通过计算求出ε值。注意，这种测定ε值的前提是被测组分应该全部转变为有色配合物。

事实上，溶液中配合物的浓度常因解离、缔合等作用而有所改变，故在计算其摩尔吸光系数时，必须知道有色配合物的真实浓度，即实际测得的是表观摩尔吸光系数。由于摩尔吸光系数ε与吸收波长有关，也与仪器的测量精度有关，在书写时应标明波长并注意有效数字。

就定量分析而言，通常认为ε>10⁴是灵敏的，而ε<10³则是不灵敏的，ε>10⁵为高灵敏度。

2.2.1.3　偏离朗伯-比尔定律的因素

根据朗伯-比尔定律，吸光度与溶液浓度应是通过原点的线性关系（溶液厚度一定），但在实际工作中吸光度与浓度之间的关系有时是非线性的（不通过原点），这种现象称为偏离朗伯-比尔定律。产生偏离的主要因素有：

（1）样品溶液因素　朗伯-比尔定律是在稀溶液时才能成立，而在实际测定中随着溶液浓度增大，微观吸光质点间距离缩小，彼此间相互影响和相互作用加强，因此破坏了吸光度与浓度之间的线性关系。

（2）仪器因素　朗伯-比尔定律仅适用于单色光，但经仪器狭缝投射到被测溶液中的光，并不能保证理论意义上的单色光，这也是造成偏离朗伯-比尔定律的一个重要因素。

2.2.2　有机化合物的紫外-可见吸收光谱

紫外-可见吸收光谱起源于分子中电子能级的变化，各种化合物的紫外-可见吸收光谱的特征也就是分子中电子在各种能级间跃迁的内在规律的体现。据此，可以对许多化合物进行定量分析，深入认识有机化合物的结构。

2.2.2.1　有机化合物各种类型的电子跃迁

有机化合物的紫外-可见吸收光谱取决于有机化合物分子的结构。基于分子轨道理论，认识与紫外-可见吸收光谱有关的电子跃迁，如n→σ^*，n→π^*和π→π^*。图2-1定性地表示了各种类型的电子跃迁所需能量和吸收光波长之间的关系。

（1）n→σ^*跃迁　实现n→σ^*跃迁所需要的能量较大，跃迁的吸收光谱出现在远紫外区和近紫外区。尤其是杂原子O、N、S等都含有非键n电子，如C—N，C—OH等都能发生n→σ^*跃迁。该跃迁的能量主要与含有未成键电子的杂原子的电负性和非成键轨道是否重叠有关，而与分子结构的关系较小。如含杂原子O、Cl的有机化合物，吸收带λ_max小于200nm；而含N、S、Br、I的有机化合物，吸收带λ_max大于200nm；再如（CH₃）₂S的n→σ^*跃迁λ=229nm，而（CH₃）₂O的n→σ^*跃迁λ=184nm。说明S原子的电负性弱于O原子，对n电子的束缚较弱，激发时的能量较小，所以λ就较大。

（2）π→π^*跃迁　π→π^*跃迁是双键中的π电子由π成键轨道向π^*反键轨道的跃迁。这类跃迁能量介于n→σ^*跃迁和n→π^*跃迁，这类跃迁需要的能量较小，因此吸收峰一般处于近紫外区。在200nm左右，其特征是ε值较大，一般最大吸收波长处的摩尔吸光系数ε_max>10⁴，为强吸收带。

（3）n→π^*跃迁　n→π^*跃迁一般出现在波长大于200nm的近紫外区和可见光区，吸光系数较小，得到的是弱带，普通的紫外-可见光谱仪一般观察不到这类跃迁。当分子中同时存在杂原子和双键π电子时就有可能发生n→π^*跃迁，如CO、NN、NO、CS等基团，都能发生杂原子上的非键n电子向反键π^*轨道的跃迁。该跃迁产生的光吸收波长范围较宽，为200～700nm，但这种跃迁的摩尔吸光系数ε值一般都很小。

2.2.2.2　紫外-可见吸收光谱的术语

（1）生色团　生色团是使化合物呈现颜色（吸收可见光）的一些基团。在紫外光谱中生色团的含义被扩展，指能使化合物在紫外区产生吸收的基团，不论是否呈现出颜色。最有用的紫外光谱是由π→π^*跃迁和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，如双键或三键体系、羰基、亚硝基、偶氮基（—NN—）等。一些常见生色团的吸收特性见表2-1。

（2）助色团　助色团是指本身不能生色，但与生色团相连时可改变生色团吸收特性的基团。助色团通常是带有非键电子对的基团，如—OH、—OR、—NHR、—SH、—Cl、—Br、—I等。助色团会使生色团的吸收谱带向长波方向移动，并增加其吸收强度。

（3）红移和蓝移　在有机化合物中，常因取代基的变更或溶剂的改变，使其吸收谱带的最大吸收波长λ_max发生移动，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）。

（4）增色效应与减色效应　由于结构改变或其他原因，吸收强度增加称为增色效应，吸收强度减弱称为减色效应。

2.2.3　无机化合物的紫外-可见吸收光谱

2.2.3.1　电荷转移吸收带

电荷转移吸收带是指外来辐射照射到某些无机或有机化合物时，可能使电子从给予体外层轨道跃迁到接受体的轨道，从而产生的光的吸收谱带。这种由于电子转移产生的吸收光谱，称为电荷转移光谱。电荷转移的过程可用下式表示：

许多无机化合物及水合无机离子都能发生这种转移。例如：

Fe³⁺—SCN^-Fe²⁺—SCN

通常，配合物中的中心离子是电子接受体，配位体是电子给予体。若中心离子的氧化能力（或配位体的还原能力）越强，或中心离子的还原能力（或配位体的氧化能力）越强，产生电荷转移跃迁需要的能量就越小，吸收波长红移。电荷转移吸收带的特点是吸收强度大，ε_max>10L/（mol·cm），利用它进行定量分析，有利于灵敏度的提高。

2.2.3.2　配位体场吸收带

配位体场吸收带包括d-d和f-f跃迁产生的吸收带，这两种跃迁必须在配位体的配位场作用下才有可能发生。配位体场吸收带主要用于配合物结构的研究。

d-d电子跃迁吸收带是由于d电子层未填满的第一、第二过渡金属离子的d电子，在配位体场的作用下，分裂出不同能量的d轨道之间的跃迁而产生的。这种吸收带在可见光区，强度较弱，ε_max为0.1～100L/（mol·cm）。

f-f电子跃迁吸收带在紫外-可见光区，它是由镧系和锕系元素的4f和5f电子跃迁产生的。因f轨道被已填满的外层轨道屏蔽，不易受溶剂和配位体的影响，所以吸收带较窄。