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分子吸收光譜

發(fā)布時(shí)間:2025-07-20 點(diǎn)擊:14
一. 分子吸收光譜的產(chǎn)生
(一)分子能級(jí)與電磁波譜
分子中包含有 原子和電子,分子、原子、電子都是運(yùn)動(dòng)著的物質(zhì),都具有能量,且 都是量子化的。在一定的條件下,分子處于一定的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),物質(zhì)分子內(nèi)部運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有三種形式:
①電子運(yùn)動(dòng):電子繞原子核作相對(duì)運(yùn)動(dòng);
②原子運(yùn)動(dòng):分子中原子或原子團(tuán)在其平衡位置上作相對(duì)振動(dòng);
③分子轉(zhuǎn)動(dòng):整個(gè)分子繞其重心作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
所以:分子的能量總和為
E分子 = Ee +Ev +Ej+…(E0 +E平) (3)
分子中各種不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)都具有一定的能級(jí)。三種能級(jí):電子能級(jí) E(基態(tài) E1
與激發(fā)態(tài)
E2)
振動(dòng)能級(jí) V= 0,1,2,3

轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí) J
= 0,1,2,3 …
當(dāng)分子吸收一個(gè)具有一定能量的光量子時(shí),就有較低的能級(jí)基態(tài)能級(jí) E1
躍遷到較高的能級(jí)及激發(fā)態(tài)能級(jí) E2,被吸收光子的能量必須與分子躍遷前后的能量差∆E 恰好相等,否則不能被吸收。
對(duì)多數(shù)分子 對(duì)應(yīng)光子波長(zhǎng) 光 譜
∆E 約為1~20eV 1.25 ~ 0.06㎛
紫外、可見區(qū)(電子)
∆E 約為0.5~1eV 25 ~ 1.25㎛
(中)紅外區(qū)
(振動(dòng))
∆E約為10-4~0.05eV 1.25cm~ 25㎛
(遠(yuǎn))紅外區(qū)(轉(zhuǎn)動(dòng))
分子的能級(jí)躍遷是分子總能量的改變。當(dāng)發(fā)生電子能級(jí)躍遷時(shí),則同時(shí)伴隨有振動(dòng)能級(jí)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)的改變,即 “電子光譜”——均改變。
因此,分子的“電子光譜” 是由許多線光譜聚集在一起的帶光譜組成的譜帶,稱為“帶狀光譜”。
由于各種物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)不同 ® 對(duì)不同能量的光子有選擇性吸收 ® 吸收光子后產(chǎn)生的吸收光譜不同 ® 利用物質(zhì)的光譜進(jìn)行物質(zhì)分析的依據(jù)。
二. 紫外-可見吸收光譜與有機(jī)分子結(jié)構(gòu)的關(guān)系
(一)電子躍遷的類型
許多有機(jī)化合物能吸收紫外-可見光輻射。有機(jī)化合物的紫外-可見吸收光譜主要是由分子中價(jià)電子的躍遷而產(chǎn)生的。
分子中的價(jià)電子有:
成 鍵 電 子: s 電子、p 電子(軌道上能量低)
未成鍵電子: n
電子( 軌道上能量較低)
這三類電子都可能吸收一定的能量躍遷到能級(jí)較高的反鍵軌道上去,見 圖-3:
1. s - s 躍遷
s-s的能量差大®所需能量高®吸收峰在遠(yuǎn)紫外 (l<150nm)
飽和烴只有s 、s 軌道,只能產(chǎn)生s - s躍遷,例如:
甲烷 吸收峰在 125nm;乙烷 吸收峰在 135nm ( < 150nm)
( 因空氣中O2對(duì)< 150nm輻射有吸收,定量分析時(shí)要求實(shí)驗(yàn)室有真空條件,要求一般難達(dá)到)
2. p-p 躍遷
p-p能量差較小®所需能量較低®吸收峰紫外區(qū) (l200nm左右)
不飽和烴類分子中有p電子,也有p 軌道,能產(chǎn)生p-p躍遷:CH2=CH2,吸收峰 165nm。(吸收系數(shù) e 大,吸收強(qiáng)度大,屬于強(qiáng)吸收)
3. n- s躍遷
n- s 能量較低 ® 收峰紫外區(qū) (l
200nm左右)
(與p-p接近)
含有雜原子團(tuán)如:-OH,-NH2 ,-X,-S 等的有機(jī)物分子中除能產(chǎn)生
s-s 躍遷外,同時(shí)能產(chǎn)生n-
s 躍遷,例如:三甲基胺
(CH3)3N- 的
n- s 吸收峰在 227 nm, e 約為900 L/mol·cm ,屬于中強(qiáng)吸收。
4. n- p躍遷
n- p能量低 ® 吸收峰 在 近紫外、可見區(qū) (l 200 ~
700nm)含有雜原子的不飽和基團(tuán),如 -C=O,-CoN 等,例如: 丙酮: n- p躍遷, lmax
280nm左右(同時(shí)也可產(chǎn)生p-p躍遷),屬于弱吸收, e < 500
L/mol·cm .
各種躍遷所需能量大小次序?yàn)椋?s - s > n- s 3 p-p > n-
p
紫外-可見吸收光譜法在有機(jī)化合物中應(yīng)用主要以:p-p 、n- p 為基礎(chǔ)。
(二)吸收峰的長(zhǎng)移和短移
長(zhǎng)移:吸收峰向長(zhǎng)λ
移動(dòng)的現(xiàn)象,又稱 紅移;
短移:吸收峰向短λ移動(dòng)的現(xiàn)象,又稱 紫移;
增強(qiáng)效應(yīng):吸收強(qiáng)度增強(qiáng)的現(xiàn)象;
減弱效應(yīng):吸收強(qiáng)度減弱的現(xiàn)象。
(三)發(fā)色團(tuán)和助色團(tuán)
p-p 、n- p躍遷都需要有不飽和的官能團(tuán)以提供 p 軌道,因此,軌道的存在是有機(jī)化合物在紫外-可見區(qū)產(chǎn)生吸收的前提條件。
1.發(fā)色團(tuán):具有 p 軌道的不飽和官能團(tuán)稱為發(fā)色團(tuán)。
主要有: -C=O,-N=N-, -N=O, -CoC- 等。
但是,只有簡(jiǎn)單雙鍵的化合物生色作用很有限,其有時(shí)可能仍在遠(yuǎn)紫外區(qū),若分子中具有單雙鍵交替的 “共軛大p鍵” (離域鍵)時(shí),
如: 丁二稀 CH2=CH—CH=CH2
由于大p鍵中的電子在整個(gè)分子平面上運(yùn)動(dòng),活動(dòng)性增加,使p與 p 間的能量差減小,使 p- p 吸收峰長(zhǎng)移,生色作用大大增強(qiáng)。
2. 助色團(tuán)
本身不“生色”,但能使生色團(tuán)生色效應(yīng)增強(qiáng)的官能團(tuán) ——稱為助色團(tuán)
主要有: –OH、 –NH2、 –SH、 –Cl、 –Br 等
(具有未成鍵電子軌道 n 的飽和官能團(tuán))
當(dāng)這些基團(tuán)單獨(dú)存在時(shí)一般不吸收紫外-可見區(qū)的光輻射。但當(dāng)它們與具有軌道的生色基團(tuán)相結(jié)

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