Analytical techniques · ⁨Аналитические методы⁩

A-Level Chemistry · ⁨A-Level Химия⁩ · Topic 37 · ⁨Тема 37⁩

View Slides · ⁨Просмотр слайдов⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

Video lesson for this topic · ⁨Видеоурок по этой теме⁩ Open the video page · ⁨Открыть страницу видео⁩

37.1

Thin-layer chromatography · ⁨Тонкослойная хроматография⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

describe and understand the terms (a) stationary phase, for example aluminium oxide (on a solid support) (b) mobile phase; a polar or non-polar solvent (c) $R_{\text{f}}$ value (d) solvent front and baseline
interpret $R_{\text{f}}$ values
explain the differences in $R_{\text{f}}$ values in terms of interaction with the stationary phase and of relative solubility in the mobile phase

Русский

описывать и понимать термины (a) неподвижная фаза, например оксид алюминия (на твердой носителе) (b) подвижная фаза; полярный или неполярный растворитель (c) значение $R_{\text{f}}$ (d) фронт растворителя и базовая линия
интерпретировать значения $R_{\text{f}}$
объяснять различия в значениях $R_{\text{f}}$ с точки зрения взаимодействия с неподвижной фазой и относительной растворимости в подвижной фазе

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

Chromatography 色谱 separates a mixture using two "phases" — one that stays still and one that moves. In thin-layer chromatography 薄层色谱 (TLC):

the stationary phase 固定相 stays still (for example aluminium oxide on a plate).
the mobile phase 流动相 moves (a polar or non-polar solvent that travels up the plate).
the baseline 基线 is the starting line where the spots are placed; the solvent front 溶剂前沿 is the highest level the solvent reaches.

The $R_{\text{f}}$ value compares how far a spot moves with how far the solvent moves:

$$R_{\text{f}} = \frac{\text{distance moved by the spot}}{\text{distance moved by the solvent front}}$$

It is always between 0 and 1. A substance that sticks more strongly to the stationary phase, or is less soluble in the mobile phase, moves less and has a smaller $R_{\text{f}}$.

Русский

Хроматография разделяет смесь с помощью двух «фаз» — одной неподвижной и одной подвижной. В тонкослойной хроматографии (TLC):

неподвижная фаза остается на месте (например, оксид алюминия на пластине).
подвижная фаза движется (полярный или неполярный растворитель, поднимающийся вверх по пластине).
начальная линия — это место, куда наносят пятна; фронт растворителя — максимальная высота, до которой поднимается растворитель.

Значение $R_{\text{f}}$ сравнивает, насколько далеко переместилось пятно, с тем, насколько далеко переместился растворитель:

$$R_{\text{f}} = \frac{\text{distance moved by the spot}}{\text{distance moved by the solvent front}}$$

Оно всегда находится между 0 и 1. Вещество, которое сильнее связывается с неподвижной фазой или менее растворимо во подвижной фазе, перемещается меньше и имеет меньшее значение $R_{\text{f}}$.

Хроматографическая пластина TЛК с начальной линией, фронтом растворителя и пятном, переместившимся наполовину вверх, с обозначениями расстояний до пятна и фронта — Тонкослойная хроматография: значение $R_\text{f}$ равно расстоянию, на которое переместилось пятно, деленному на расстояние, пройденное фронтом растворителя

Проявленная пластина TЛК, светящаяся под ультрафиолетовым светом — Настоящая пластина TЛК под УФ-светом: каждое светящееся пятно представляет собой разделенный компонент смеси

Explore · ⁨Исследовать⁩

TLC route · ⁨Маршрут ТХК⁩

Follow a spot up a plate and use Rf to identify substances. · ⁨Отследите пятно вверх по пластине и используйте Rf для идентификации веществ.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
chromatography/krəʊməˈtɒɡrəfi/	хроматография
thin-layer chromatography/θɪn ˈleɪə krəʊməˈtɒɡrəfi/	тонкослойная хроматография
stationary phase/ˈsteɪʃənəri feɪz/	неподвижная фаза
mobile phase/ˈməʊbaɪl feɪz/	подвижная фаза
baseline/ˈbeɪslaɪn/	baseline (базовый уровень)
solvent front/ˈsɒlvənt frʌnt/	фронт растворителя
gas/liquid chromatography/ɡæs ˈlɪkwɪd krəʊməˈtɒɡrəfi/	газовая/жидкостная хроматография
retention time/rɪˈtenʃn taɪm/	время удерживания

37.2

Gas/liquid chromatography · ⁨Газожидкостная хроматография⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

describe and understand the terms (a) stationary phase; a high boiling point non-polar liquid (on a solid support) (b) mobile phase; an unreactive gas (c) retention time
interpret gas/liquid chromatograms in terms of the percentage composition of a mixture
explain retention times in terms of interaction with the stationary phase

Русский

описывать и понимать термины (a) неподвижная фаза; высококипящая неполярная жидкость (на твердом носителе) (b) подвижная фаза; инертный газ (c) время удерживания
интерпретировать газожидкостные хроматограммы с точки зрения процентного состава смеси
объяснять время удерживания с точки зрения взаимодействия с неподвижной фазой

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

In gas/liquid chromatography 气液色谱 (GLC):

the stationary phase is a high-boiling-point non-polar liquid on a solid support.
the mobile phase is an unreactive carrier gas.
the retention time 保留时间 is how long a component takes to pass through.

The area of each peak gives the percentage of that component in the mixture. A component that interacts more with the stationary phase has a longer retention time.

Русский

В газожидкостной хроматографии (GLC):

неподвижная фаза — высоковскипяющая неполярная жидкость на твердой подложке.
подвижная фаза — инертный газ-носитель.
Время удерживания — это время, за которое компонент проходит через колонку.

Площадь каждой пиков соответствует процентному содержанию данного компонента в смеси. Компонент, взаимодействующий сильнее с неподвижной фазой, имеет более длительное время удерживания.

Хромограмма с тремя пиками в разные моменты времени удерживания, где площадь пика показывает процент каждого компонента — Газожидкостная хромограмма: каждый компонент дает пик в свое время удерживания, а площадь пика составляет его процентное содержание в смеси

Explore · ⁨Исследовать⁩

Gas/liquid chromatography route · ⁨маршрут газо-жидкостной хроматографии⁩

Follow a volatile sample through column separation to a chromatogram. · ⁨Отследите летучий образец через колонку разделения до получения хроматограммы.⁩

37.3

Carbon-13 NMR spectroscopy · ⁨ЯМР-спектроскопия по ядрам углерода-13⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

analyse and interpret a carbon-13 NMR spectrum of a simple molecule to deduce: (a) the different environments of the carbon atoms present (b) the possible structures for the molecule
predict or explain the number of peaks in a carbon-13 NMR spectrum for a given molecule

Русский

анализировать и интерпретировать спектр ЯМР углерода-13 простой молекулы для вывода: (a) различных окружений присутствующих атомов углерода (b) возможных структур молекулы
предсказывать или объяснять количество сигналов в спектре ЯМР углерода-13 для данной молекулы

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

NMR 核磁共振 (nuclear magnetic resonance) studies how certain nuclei behave in a strong magnetic field.

In carbon-13 NMR, each different chemical environment 化学环境 of carbon gives one peak. So:

the number of peaks tells you how many different carbon environments there are (equivalent carbons share a peak).
the position of each peak (its chemical shift) suggests the type of carbon, which helps you deduce possible structures.

Русский

ЯМР (ядерный магнитный резонанс) изучает поведение определенных ядер в сильном магнитном поле.

Высокий цилиндрический спектрометр ЯМР в лаборатории с предупреждением о сильном магнитном поле — Спектрометр ЯМР: большой цилиндр содержит сверхпроводящий магнет, создающий очень сильное магнитное поле, необходимое для метода

В ЯМР-спектроскопии по ядрам углерода-13 каждая разная химическая среда атома углерода дает одну линию. Поэтому:

количество линий указывает, сколько различных химических сред у атомов углерода существует (эквивалентные атомы углерода дают одну линию).
положение каждой линии (ее химический сдвиг) подсказывает тип атома углерода, что помогает определить возможные структуры.

Explore · ⁨Исследовать⁩

Carbon-13 NMR lab · ⁨Лаборатория ЯМР углерода-13⁩

Match carbon environments to C-13 NMR evidence. · ⁨Соотнесите окружения атомов углерода со спектрами ЯМР C-13.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
NMR/ˌen em ˈɑː/	ЯМР (NMR)
chemical environment/ˈkemɪkl enˈvaɪrənmənt/	химическое окружение

37.4

Proton (¹H) NMR spectroscopy · ⁨Протонная (¹H) ЯМР-спектроскопия⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩

English

analyse and interpret a proton ($^1\text{H}$) NMR spectrum of a simple molecule to deduce: (a) the different environments of proton present using chemical shift values (b) the relative numbers of each type of proton present from relative peak areas (c) the number of equivalent protons on the carbon atom adjacent to the one to which the given proton is attached from the splitting pattern, using the $n + 1$ rule (limited to singlet, doublet, triplet, quartet and multiplet) (d) the possible structures for the molecule
predict the chemical shifts and splitting patterns of the protons in a given molecule
describe the use of tetramethylsilane, TMS, as the standard for chemical shift measurements
state the need for deuterated solvents, e.g. $\text{CDCl}_3$, when obtaining a proton NMR spectrum
describe the identification of O–H and N–H protons by proton exchange using $\text{D}_2\text{O}$

Русский

анализировать и интерпретировать протонный ($^1\text{H}$) ЯМР-спектр простой молекулы для вывода: (a) различных окружений протонов с использованием значений химического сдвига (b) относительных количеств каждого типа протонов на основе относительных площадей сигналов (c) числа эквивалентных протонов на соседнем атоме углерода, к которому присоединен данный протон, используя правило $n + 1$ (ограничено синглетом, дублетом, триплетом, квартетом и мультиплетом) (d) возможных структур молекулы
предсказывать химические сдвиги и картины расщепления протонов в данной молекуле
описывать использование тетраметилсилилана, TMS, как стандарта для измерений химического сдвига
указывать необходимость использования дейтерированных растворителей, напр. $\text{CDCl}_3$, при получении протонного ЯМР-спектра
описывать идентификацию протонов O–H и N–H путем протонного обмена с использованием $\text{D}_2\text{O}$

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Источник: Программа Cambridge International⁩

English

Proton NMR looks at the hydrogen atoms (proton 质子 nuclei). From the spectrum you read off:

chemical environments: protons in different environments appear at different chemical shift 化学位移 values.
relative numbers: the relative peak areas give the ratio of each type of proton.
splitting 裂分: a peak is split by the protons on the neighbouring carbon, following the $n+1$ rule — $n$ equivalent neighbours split a peak into $n+1$ lines:

Neighbours ($n$)	Pattern
0	singlet 单峰
1	doublet 双峰
2	triplet 三峰
3	quartet 四峰
many	multiplet 多重峰

Practical points

tetramethylsilane 四甲基硅烷 (TMS) is the standard, set at a chemical shift of $0$.
a deuterated solvent 氘代溶剂 (such as $\text{CDCl}_3$) is used so that the solvent itself gives no proton signal.
shaking the sample with $\text{D}_2\text{O}$ makes the O–H and N–H peaks disappear (their hydrogen is swapped for deuterium), which identifies those protons.

Worked example. A compound $\text{C}_4\text{H}_8\text{O}_2$ gives three proton NMR peaks: a triplet at $\delta\ 1.2$ (area 3), a quartet at $\delta\ 4.1$ (area 2), and a singlet at $\delta\ 2.0$ (area 3). Deduce the structure. Read the areas first, then the splitting. Areas $3:2:3$ give three proton environments holding 3, 2 and 3 hydrogens. Apply the $n+1$ rule in reverse: a triplet (area 3) is a $\text{CH}_3$ with 2 neighbours, and a quartet (area 2) is a $\text{CH}_2$ with 3 neighbours - each splitting the other, which is the classic ethyl group, $\text{CH}_3\text{CH}_2-$. That $\text{CH}_2$ lies far downfield at $\delta\ 4.1$, so it is attached to an oxygen. The remaining singlet (area 3) is a $\text{CH}_3$ with no neighbours at $\delta\ 2.0$, so it sits next to the C=O. Together: $\text{CH}_3\text{COOCH}_2\text{CH}_3$, ethyl ethanoate. A triplet-and-quartet pair is almost always an ethyl group - spot it first and the rest follows.

Русский

Протонная ЯМР исследует атомы водорода (протоны). Из спектра считывают следующее:

химические среды: протоны в разных средах проявляются при различных значениях химического сдвига.
относительное количество: относительные площади пиков дают соотношение типов протонов.
расщепление: пик расщепляется протонами на соседнем атоме углерода согласно $n+1$ правилу — $n$ эквивалентных соседей расщепляют пик на $n+1$ линий:

Соседи ($n$)	Паттерн
0	синглет
1	дублет
2	триплет
3	кваartet
много	мультиплет

Четыре паттерна пиков ЯМР: одиночная линия, две линии, три линии и четыре линии, подписанные как синглет, дублет, триплет и кваartet — Правило $n+1$: $n$ эквивалентных соседних протонов расщепляют сигнал на $n+1$ линий (синглет, дублет, триплет, квартет)

Спектр ЯМР протонов этанола с тремя группами сигналов: триплет CH3, квартет CH2 и синглет OH, а также стандарт TMS при нуле — ЯМР протонов этанола: три химически неэквивалентные среды дают триплет для CH$_3$, квартет для CH$_2$ и синглет для OH, площади которых соотносятся как $3:2:1$

Практические моменты

тетраметилсилилан (TMS) используется в качестве стандарта; его химический сдвиг принят равным $0$.
Используется деутерированный растворитель (например, $\text{CDCl}_3$), чтобы сам растворитель не давал сигнала протонов.
Тряска образца с $\text{D}_2\text{O}$ приводит к исчезновению пиков O–H и N–H (их водород замещается дейтерием), что позволяет идентифицировать эти протоны.

Разобранный пример. Вещество $\text{C}_4\text{H}_8\text{O}_2$ дает три сигнала в спектре ЯМР протонов: триплет при $\delta\ 1.2$ (площадь 3), квартет при $\delta\ 4.1$ (площадь 2) и синглет при $\delta\ 2.0$ (площадь 3). Определите структуру. Сначала прочитайте площади, затем расщепление. Площади $3:2:3$ указывают на три протонные среды, содержащие 3, 2 и 3 атома водорода. Примените правило $n+1$ в обратном порядке: триплет (площадь 3) соответствует группе $\text{CH}_3$ с 2 соседними протонами, а квартет (площадь 2) — группе $\text{CH}_2$ с 3 соседними протонами — они расщепляют друг друга, что является классической этильной группой, $\text{CH}_3\text{CH}_2-$. Группа $\text{CH}_2$ находится далеко в низком поле при $\delta\ 4.1$, следовательно, она связана с кислородом. Оставшийся синглет (площадь 3) представляет собой группу $\text{CH}_3$ с нулем соседей при $\delta\ 2.0$, поэтому он расположен рядом с C=O. Вместе это составляет $\text{CH}_3\text{COOCH}_2\text{CH}_3$, этилэтановая кислота (ацетат этила). Пара триплет-квартет почти всегда указывает на этильную группу — найдите её первой, и остальное станет ясно.

Explore · ⁨Исследовать⁩

Proton NMR lab · ⁨Лаборатория ЯМР протонов⁩

Match proton evidence to chemical environment and neighbours. · ⁨Соотнесите сигналы ЯМР протонов с химическим окружением и соседями.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩

English	Русский
proton/ˈprəʊtɒn/	протон
chemical shift/ˈkemɪkl ʃɪft/	химический сдвиг
splitting/ˈsplɪtɪŋ/	расщепление
singlet/ˈsɪŋɡlɪt/	синглет
doublet/ˈdʌblət/	дублет
triplet/ˈtrɪplɪt/	триплет
quartet/kwɔːˈtet/	квартет
multiplet/ˈmʌltɪplɪt/	мультиплет
tetramethylsilane/ˈtetrəmiːθɪlsɪleɪn/	тетраметилсилилан
deuterated solvent/ˈdjuːtəreɪtɪd ˈsɒlvənt/	дейтерированный растворитель

37.4

Exam tips · ⁨Советы для экзамена⁩

English

In $^{13}\text{C}$ NMR the number of peaks equals the number of carbon environments — use symmetry to count them.
In $^1\text{H}$ NMR use chemical shift (data booklet), integration (ratio of H's) and splitting (the $n+1$ rule): a triplet + quartet means an ethyl group.
TMS is the reference ($\delta = 0$); a $\text{D}_2\text{O}$ shake removes O-H and N-H peaks.
Combine IR, mass spectrum and NMR to deduce a structure, stating which evidence gives which feature.

Русский

В $^{13}\text{C}$ ЯМР-спектроскопии число пиков равно числу углеродных сред — используйте симметрию для их подсчета.
В $^1\text{H}$ ЯМР-спектроскопии используйте химический сдвиг (справочник данных), интеграцию (соотношение атомов H) и расщепление (правило $n+1$): триплет + квартет указывает на этильную группу.
TMS является эталоном ($\delta = 0$); $\text{D}_2\text{O}$ тряска устраняет пики O-H и N-H.
Сочетайте ИК-спектрографию, масс-спектрометрию и ЯМР для определения структуры, указывая, какое свидетельство подтверждает каждую особенность.

Interactive lessons on this topic · ⁨Интерактивные уроки по этой теме⁩

Work through it step by step, with instant-check exercises. · ⁨Пройдите его шаг за шагом с упражнениями мгновенной проверки.⁩

Past Papers · ⁨Архив экзаменационных работ⁩

More topics in A-Level Chemistry · ⁨A-Level Химия⁩ · ⁨Больше тем в A-Level Chemistry · ⁨A-Level Химия⁩⁩