- analizar un espectro infrarrojo de una molécula simple para identificar grupos funcionales (consulte la sección de Datos para conocer los grupos funcionales requeridos)
Técnicas analíticas
A-Level Química · Tema 22
8:45
Técnicas analíticas (AS)
Acabas de crear un compuesto nuevo. Es un líquido transparente en un matraz, sin etiqueta, y no puedes ver ni una sola molécula. ¿Cómo demuestras qué es? Preguntas…
Narración en inglés · Subtítulos en inglés + 中文 quemados en pantalla
22.1
Espectroscopia infrarroja
Syllabus
Fuente: Plan de estudios Cambridge International
La espectroscopía infrarroja ayuda a encontrar el grupo funcional en una molécula. Cada tipo de enlace absorbe radiación infrarroja en su propio rango de frecuencias. Donde el enlace muestra una absorción fuerte, el espectro tiene una caída.
La posición se mide en número de onda 波数 (en $\text{cm}^{-1}$). Se te da una tabla de datos, así que no memorizas los números. Solo emparejas las caídas con los enlaces:
- una caída amplia alrededor de $3200$–$3650\ \text{cm}^{-1}$ → un enlace O–H en un alcohol.
- una caída alrededor de $1700\ \text{cm}^{-1}$ → un enlace C=O (aldehído, cetona, ácido o éster).
- una caída amplia $2500$–$3000\ \text{cm}^{-1}$ junto con una caída C=O → un ácido carboxílico.
Esto es útil para verificar una reacción. Por ejemplo, si el propeno se ha convertido en propan-2-ol, la caída del C=C debería haber desaparecido y aparecería una caída del O–H.
Explorar
Laboratorio de espectroscopía IR
Relacionar una absorción con el enlace o grupo funcional que revela.
22.2
Espectrometría de masas
Syllabus
- analizar espectros de masas en términos de valores $m/e$ y abundancias isotópicas (no se requiere conocimiento del funcionamiento del espectrómetro de masas)
- calcular la masa atómica relativa de un elemento dadas las abundancias relativas de sus isótopos, o su espectro de masas
- deducir la masa molecular de una molécula orgánica a partir del pico del ion molecular en un espectro de masas
- sugerir la identidad de las moléculas formadas por fragmentación simple en un espectro de masas dado
- deducir el número de átomos de carbono, $n$, en un compuesto utilizando el pico $[M + 1]^+$ y la fórmula $$n = \frac{100 \times \text{abundancia del ion } [M + 1]^+}{1.1 \times \text{abundancia del ion } M^+}$$
- deducir la presencia de átomos de bromo y cloro en un compuesto utilizando el pico $[M + 2]^+$
Fuente: Plan de estudios Cambridge International
En espectrometría de masas 质谱, una molécula se convierte en iones y se ordena por su relación masa-carga 质荷比 ($m/e$). El espectro es un conjunto de picos en diferentes valores de $m/e$.
Masa atómica relativa a partir de isótopos
La mezcla de isótopos 同位素 de un elemento da varios picos. A partir de la abundancia isotópica 同位素丰度 (lo común que es cada isótopo) puedes encontrar la masa atómica relativa 相对原子质量 — un promedio ponderado:
$$A_r = \frac{\sum (\text{isotope mass} \times \text{abundance})}{\sum \text{abundance}}$$
For example, chlorine is 75% $^{35}\text{Cl}$ and 25% $^{37}\text{Cl}$, giving $A_r = \dfrac{35 \times 75 + 37 \times 25}{100} = 35.5$.
El ión molecular y la fragmentación
El pico en el $m/e$ más alto (el pico del ion molecular 分子离子, o pico del ion molecular 分子离子峰, $M^+$) da la masa molecular relativa de toda la molécula.
La molécula también se rompe en piezas más pequeñas — esto es fragmentación 碎裂. La diferencia entre dos picos te dice la masa de la pieza perdida, por lo que puedes sugerir cada fragmento 碎片. Por ejemplo, una pérdida de 15 significa que se perdió un grupo $\text{CH}_3$, y una pérdida de 29 significa $\text{CHO}$ o $\text{C}_2\text{H}_5$.
Los picos [M + 1] y [M + 2]
- un pequeño pico [M + 1] proviene del isótopo $^{13}\text{C}$. El número de átomos de carbono $n$ es:
$$n = \frac{100 \times \text{abundance of } [M + 1]^+}{1.1 \times \text{abundance of } M^+}$$
- un pico [M + 2] muestra cloro o bromo. Un cloro da un pico $[M + 2]$ aproximadamente un tercio de la altura de $M^+$ (de $^{37}\text{Cl}$); un bromo da un pico $[M + 2]$ aproximadamente de la misma altura que $M^+$ (de $^{81}\text{Br}$).
Ejemplo resuelto. Un compuesto muestra un ion molecular en $m/e = 108$ y un pico de altura casi igual en $m/e = 110$. Su espectro infrarrojo muestra ninguna absorción ancha cerca de $3300\ \text{cm}^{-1}$. Deduzca su identidad. Dos picos separados por dos unidades con alturas aproximadamente iguales son la $1:1$ firma de un átomo de bromo (de $^{79}\text{Br}$ y $^{81}\text{Br}$); un cloro habría dado una proporción de $3:1$ en su lugar. Retire el bromo del ion molecular: $108 - 79 = 29$, lo cual coincide con un fragmento de $\text{C}_2\text{H}_5$. La ausencia de un pico ancho cerca de $3300\ \text{cm}^{-1}$ descarta un $\text{O-H}$, por lo tanto no hay grupo alcohol. El compuesto es bromoetano, $\text{C}_2\text{H}_5\text{Br}$. Lea la $[M+2]$ proporción en lugar de simplemente notar el pico: $1:1$ significa bromo, $3:1$ significa cloro.
Explorar
Ruta de espectrometría de masas
Seguir una molécula a través de la ionización, separación y detección.
Vocabulario
Entrenar
| Inglés | Chino | Pinyin |
|---|---|---|
| infrared spectroscopy/ˌɪnfrəˈred spekˈtrɒskəpi/ | 红外光谱 | hóng wài guāng pǔ |
| functional group/ˈfʌŋkʃənl ɡruːp/ | 官能团 | guān néng tuán |
| absorption/əbˈsɔːpʃn/ | 吸收 | xī shōu |
| wavenumber/ˈweɪvnʌmbə/ | 波数 | bō shù |
| mass spectrometry/mæs spekˈtrɒmətri/ | 质谱 | zhì pǔ |
| mass-to-charge ratio/mæs tə tʃɑːdʒ ˈreɪʃɪəʊ/ | 质荷比 | zhì hé bǐ |
| isotope/ˈaɪsətəʊp/ | 同位素 | tóng wèi sù |
| isotopic abundance/ˌaɪsəˈtɒpɪk əˈbʌndəns/ | 同位素丰度 | tóng wèi sù fēng dù |
| relative atomic mass/ˈrelətɪv əˈtɒmɪk mæs/ | 相对原子质量 | xiāng duì yuán zi zhì liàng |
| molecular ion/məˈlekjʊlə ˈaɪɒn/ | 分子离子 | fèn zǐ lí zi |
| molecular ion peak/məˈlekjʊlə ˈaɪɒn piːk/ | 分子离子峰 | fèn zǐ lí zi fēng |
| fragmentation/ˌfræɡmənˈteɪʃn/ | 碎裂 | suì liè |
| fragment/ˈfræɡmənt/ | 碎片 | suì piàn |
22.2
Consejos para el examen
- En un espectro IR cite el número de onda y el enlace (O-H ancho $\sim 3200-3600$, C=O $\sim 1700$); utilice la hoja de datos.
- El pico en el mayor $m/z$ es el ion molecular $\text{M}^+$ y proporciona la $M_r$.
- Explique la fragmentación: la separación entre picos corresponde al fragmento perdido (pérdida de 15 = $\text{CH}_3$, 29 = $\text{C}_2\text{H}_5$ o CHO).
- Aprenda los patrones de isótopos comunes (el Cl da M y M+2 en una proporción de aproximadamente 3:1; M+1 proviene de $^{13}\text{C}$).
Lecciones interactivas sobre este tema
Trátalo paso a paso, con ejercicios de verificación instantánea.