Skip to content · ⁨Bỏ qua nội dung⁩

Analytical techniques · ⁨Kỹ thuật phân tích⁩

A-Level Chemistry · ⁨Hóa học A-Level⁩ · Topic 22 · ⁨Chủ đề 22⁩

Video lesson for this topic · ⁨Bài học video cho chủ đề này⁩ Open the video page · ⁨Mở trang video⁩
8:45

Kỹ thuật phân tích (AS)

Bạn vừa tạo ra một hợp chất mới. Nó là chất lỏng trong suốt trong bình phễu, không có nhãn mác, và bạn không thể nhìn thấy một phân tử nào. Làm thế nào để chứng minh đó là chất gì? Bạn hỏi…

English narration · English + 中文 subtitles burned in · ⁨Giọng đọc tiếng Anh · phụ đề tiếng Anh + 中文 được ghi trực tiếp⁩

22.1

Infrared spectroscopy · ⁨红外光谱法⁩

Syllabus · ⁨Chương trình⁩
English
  1. analyse an infrared spectrum of a simple molecule to identify functional groups (see the Data section for the functional groups required)
Tiếng Việt
  1. phân tích phổ hồng ngoại của một phân tử đơn giản để xác định nhóm chức (xem phần Dữ liệu để biết các nhóm chức bắt buộc)

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Nguồn: Chương trình Cambridge International⁩

English

Infrared spectroscopy 红外光谱 helps you find the functional group 官能团 in a molecule. Each kind of bond soaks up (absorbs) infrared radiation at its own range of frequencies. Where the bond shows strong absorption 吸收, the spectrum has a dip.

The position is measured in wavenumber 波数 (in $\text{cm}^{-1}$). You are given a data table, so you do not memorise the numbers. You just match the dips to bonds:

  • a broad dip around $3200$–$3650\ \text{cm}^{-1}$ → an O–H bond in an alcohol.
  • a dip around $1700\ \text{cm}^{-1}$ → a C=O bond (aldehyde, ketone, acid or ester).
  • a broad dip $2500$–$3000\ \text{cm}^{-1}$ together with a C=O dip → a carboxylic acid.

This is useful for checking a reaction. For example, if propene has been turned into propan-2-ol, the C=C dip should be gone and an O–H dip should appear.

Tiếng Việt

红外光谱法有助于确定分子中的官能团。每种化学键都会在其特定的频率范围内吸收红外辐射。当化学键显示出强吸收时,光谱上就会出现一个波谷。

实验室台面上的红外光谱仪
红外光谱仪将红外光穿过样品,并记录其化学键吸收的波数

位置以波数为单位测量(单位为$\text{cm}^{-1}$)。由于题目会提供数据表,你不需要背诵具体数值。只需将波谷与对应的化学键匹配即可:

  • 在$3200$–$3650\ \text{cm}^{-1}$附近的宽波谷 → 醇中的O–H键。
  • 在$1700\ \text{cm}^{-1}$附近的波谷 → C=O键(醛、酮、酸或酯)。
  • 在$2500$–$3000\ \text{cm}^{-1}$处的宽波谷与C=O波谷同时出现 → 羧酸。

这对于检查反应非常有用。例如,如果propene已转化为propan-2-ol,则C=C的波谷应消失,而出现O–H的波谷。

带有宽O-H带和尖锐C=O带的红外光谱图
红外光谱:每种化学键都在其特定波数处产生波谷。宽O–H波谷与C=O波谷同时出现可鉴定为羧酸
Explore · ⁨Khám phá⁩

IR spectroscopy lab · ⁨Phòng thí nghiệm quang phổ IR⁩

Match an absorption to the bond or functional group it reveals. · ⁨Ghép sự hấp thụ với liên kết hoặc nhóm chức mà nó tiết lộ.⁩

Watch lesson · ⁨Xem bài học⁩
22.2

Mass spectrometry · ⁨质谱法⁩

Syllabus · ⁨Chương trình⁩
English
  1. analyse mass spectra in terms of $m/e$ values and isotopic abundances (knowledge of the working of the mass spectrometer is not required)
  2. calculate the relative atomic mass of an element given the relative abundances of its isotopes, or its mass spectrum
  3. deduce the molecular mass of an organic molecule from the molecular ion peak in a mass spectrum
  4. suggest the identity of molecules formed by simple fragmentation in a given mass spectrum
  5. deduce the number of carbon atoms, $n$, in a compound using the $[M + 1]^+$ peak and the formula
    $$n = \frac{100 \times \text{abundance of } [M + 1]^+ \text{ ion}}{1.1 \times \text{abundance of } M^+ \text{ ion}}$$
  6. deduce the presence of bromine and chlorine atoms in a compound using the $[M + 2]^+$ peak
Tiếng Việt
  1. phân tích phổ mass theo các giá trị $m/e$ và tỷ lệ đồng vị (không yêu cầu kiến thức về cơ chế hoạt động của máy phổ mass)
  2. tính khối lượng nguyên tử tương đối của một nguyên tố khi biết tỷ lệ đồng vị tương đối hoặc phổ mass của nó
  3. suy ra khối lượng phân tử của một phân tử hữu cơ từ đỉnh ion phân tử trong phổ mass
  4. gợi ý danh tính của các phân tử được hình thành do phân mảnh đơn giản trong một phổ mass cho trước
  5. suy ra số nguyên tử carbon, $n$, trong một hợp chất sử dụng đỉnh $[M + 1]^+$ và công thức
    $$n = \frac{100 \times \text{abundance of } [M + 1]^+ \text{ ion}}{1.1 \times \text{abundance of } M^+ \text{ ion}}$$
  6. suy ra sự tồn tại của nguyên tử brom và clo trong một hợp chất sử dụng đỉnh $[M + 2]^+$

Source: Cambridge International syllabus · ⁨Nguồn: Chương trình Cambridge International⁩

English

In mass spectrometry 质谱, a molecule is turned into ions and sorted by its mass-to-charge ratio 质荷比 ($m/e$). The spectrum is a set of peaks at different $m/e$ values.

Relative atomic mass from isotopes

An element's isotope 同位素 mixture gives several peaks. From the isotopic abundance 同位素丰度 (how common each isotope is) you can find the relative atomic mass 相对原子质量 — a weighted average:

$$A_r = \frac{\sum (\text{isotope mass} \times \text{abundance})}{\sum \text{abundance}}$$

For example, chlorine is 75% $^{35}\text{Cl}$ and 25% $^{37}\text{Cl}$, giving $A_r = \dfrac{35 \times 75 + 37 \times 25}{100} = 35.5$.

The molecular ion and fragmentation

The peak at the highest $m/e$ (the molecular ion 分子离子 peak, or molecular ion peak 分子离子峰, $M^+$) gives the relative molecular mass of the whole molecule.

The molecule also breaks into smaller pieces — this is fragmentation 碎裂. The gap between two peaks tells you the mass of the lost piece, so you can suggest each fragment 碎片. For example, a loss of 15 means a $\text{CH}_3$ group was lost, and a loss of 29 means $\text{CHO}$ or $\text{C}_2\text{H}_5$.

The [M + 1] and [M + 2] peaks

  • a small [M + 1] peak comes from the $^{13}\text{C}$ isotope. The number of carbon atoms $n$ is:
$$n = \frac{100 \times \text{abundance of } [M + 1]^+}{1.1 \times \text{abundance of } M^+}$$
  • an [M + 2] peak shows chlorine or bromine. One chlorine gives an $[M + 2]$ peak about one third the height of $M^+$ (from $^{37}\text{Cl}$); one bromine gives an $[M + 2]$ peak about the same height as $M^+$ (from $^{81}\text{Br}$).

Worked example. A compound shows a molecular ion at $m/e = 108$ and a peak of almost equal height at $m/e = 110$. Its infrared spectrum shows no broad absorption near $3300\ \text{cm}^{-1}$. Deduce its identity. Two peaks two units apart with roughly equal heights are the $1:1$ signature of one bromine atom (from $^{79}\text{Br}$ and $^{81}\text{Br}$); one chlorine would have given a $3:1$ ratio instead. Take the bromine away from the molecular ion: $108 - 79 = 29$, which fits a $\text{C}_2\text{H}_5$ fragment. The absence of a broad peak near $3300\ \text{cm}^{-1}$ rules out an $\text{O-H}$, so there is no alcohol group. The compound is bromoethane, $\text{C}_2\text{H}_5\text{Br}$. Read the $[M+2]$ ratio rather than merely noting the peak: $1:1$ means bromine, $3:1$ means chlorine.

Tiếng Việt

在质谱法中,分子被转化为离子,并按其质荷比($m/e$)进行分离。光谱是一系列不同$m/e$值的峰。

科学家在实验室中将少量样品装入大型现代质谱仪
现代质谱仪:样品从前方装入,随后机器将其电离并按质荷比分离离子,从而得到光谱

根据同位素计算相对原子质量

元素的同位素混合物会产生多个峰。根据同位素丰度(即各同位素的常见程度),可以计算出相对原子质量——这是一个加权平均值:

$$A_r = \frac{\sum (\text{isotope mass} \times \text{abundance})}{\sum \text{abundance}}$$

例如,氯元素由75%的$^{35}\text{Cl}$和25%的$^{37}\text{Cl}$组成,得出$A_r = \dfrac{35 \times 75 + 37 \times 25}{100} = 35.5$。

分子离子与碎片化

最高$m/e$处的峰(分子离子峰,或称分子离子峰,$M^+$)给出了整个分子的相对分子质量。

分子还会断裂成更小的片段——这称为碎片化。两个峰之间的差值告诉你失去片段的分子量,因此你可以推测每个碎片。例如,失去15意味着失去了一个$\text{CH}_3$基团,失去29意味着失去了$\text{CHO}$或$\text{C}_2\text{H}_5$。

Phổ khối lượng của ethanol với các đỉnh tại nhiều giá trị m/e khác nhau, ion phân tử tại 46 được đánh dấu và khoảng trống 15 từ 46 đến 31 được ghi chú là sự mất đi một nhóm methyl
质谱图:最高$m/e$处的峰是分子离子($M^+$,即$M_r$);峰之间的间隔给出了丢失碎片的分子量

[M + 1] 和 [M + 2] 峰

  • một peak nhỏ [M + 1] đến từ đồng vị $^{13}\text{C}$. Số nguyên tử carbon $n$ là:
$$n = \frac{100 \times \text{abundance of } [M + 1]^+}{1.1 \times \text{abundance of } M^+}$$
  • **[M + 2]**峰表明存在氯或溴。一个氯原子会产生一个$[M + 2]$峰,其高度约为$M^+$峰的三分之一(源自$^{37}\text{Cl}$);一个溴原子会产生一个$[M + 2]$峰,其高度与$M^+$相同(源自$^{81}\text{Br}$)。
两对相距两个单位的质谱峰:一对氯峰比例为3:1,一对溴峰比例为1:1
Một peak $[M+2]$ cao hơn $M^+$ hai đơn vị khối lượng cho thấy halogen: một clo tạo tỷ lệ $3:1$, một brom tạo tỷ lệ $1:1$

例题。某化合物在$m/e = 108$处显示分子离子峰,且在$m/e = 110$处有一个几乎等高的峰。其红外光谱在$3300\ \text{cm}^{-1}$附近没有宽吸收带。推断其身份。两个相距两个单位且高度大致相等的峰是一个溴原子的$1:1$特征(源自$^{79}\text{Br}$和$^{81}\text{Br}$);若为一个氯原子,则会给出$3:1$的比例。从分子离子中减去溴:$108 - 79 = 29$,这符合一个$\text{C}_2\text{H}_5$碎片。在$3300\ \text{cm}^{-1}$附近缺乏宽峰排除了$\text{O-H}$的可能性,因此不存在羟基。该化合物是溴乙烷,$\text{C}_2\text{H}_5\text{Br}$。请读取$[M+2]$比例而不仅仅是注意峰的位置:$1:1$代表溴,$3:1$代表氯。

Explore · ⁨Khám phá⁩

Mass spectrometry route · ⁨Tuyến phổ khối lượng⁩

Follow a molecule through ionisation, separation and detection. · ⁨Theo dõi một phân tử qua quá trình ion hóa, tách biệt và phát hiện.⁩

Vocabulary · ⁨Từ vựng⁩ Train · ⁨Luyện tập⁩
English Tiếng Việt
infrared spectroscopy/ˌɪnfrəˈred spekˈtrɒskəpi/ quang phổ hồng ngoại
functional group/ˈfʌŋkʃənl ɡruːp/ nhóm chức
absorption/əbˈsɔːpʃn/ sự hấp thụ
wavenumber/ˈweɪvnʌmbə/ số sóng
mass spectrometry/mæs spekˈtrɒmətri/ phổ khối
mass-to-charge ratio/mæs tə tʃɑːdʒ ˈreɪʃɪəʊ/ tỷ lệ khối lượng/điện tích
isotope/ˈaɪsətəʊp/ đồng vị
isotopic abundance/ˌaɪsəˈtɒpɪk əˈbʌndəns/ độ phong phú đồng vị
relative atomic mass/ˈrelətɪv əˈtɒmɪk mæs/ khối lượng nguyên tử tương đối
molecular ion/məˈlekjʊlə ˈaɪɒn/ ion phân tử
molecular ion peak/məˈlekjʊlə ˈaɪɒn piːk/ đỉnh ion phân tử
fragmentation/ˌfræɡmənˈteɪʃn/ phân mảnh
fragment/ˈfræɡmənt/ fragment
Watch lesson · ⁨Xem bài học⁩
22.2

Exam tips · ⁨Mẹo làm bài thi⁩

English
  • On an IR spectrum quote the wavenumber and the bond (O-H broad $\sim 3200-3600$, C=O $\sim 1700$); use the data booklet.
  • The peak at the highest $m/z$ is the molecular ion $\text{M}^+$ and gives the $M_r$.
  • Explain fragmentation: the gap between peaks is the lost fragment (loss of 15 = $\text{CH}_3$, 29 = $\text{C}_2\text{H}_5$ or CHO).
  • Learn common isotope patterns (Cl gives M and M+2 in about 3:1; M+1 from $^{13}\text{C}$).
Tiếng Việt
  • 在IR光谱上引用波数和化学键(如O-H宽峰在$\sim 3200-3600$,C=O在$\sim 1700$);使用数据手册。
  • 最高$m/z$处的峰是分子离子$\text{M}^+$,它给出了$M_r$。
  • 解释碎片化:峰之间的间隔即为丢失的碎片(失去15 = $\text{CH}_3$,29 = $\text{C}_2\text{H}_5$或CHO)。
  • 记住常见的同位素模式(Cl产生M和M+2峰,比例约为3:1;M+1峰来自$^{13}\text{C}$)。

Interactive lessons on this topic · ⁨Bài học tương tác về chủ đề này⁩

Work through it step by step, with instant-check exercises. · ⁨Làm theo từng bước, kèm theo bài tập kiểm tra ngay lập tức.⁩

Past Papers · ⁨Đề thi cũ⁩

More topics in A-Level Chemistry · ⁨Hóa học A-Level⁩ · ⁨Nhiều chủ đề hơn trong A-Level Chemistry · ⁨Hóa học A-Level⁩⁩

Log in or create account · ⁨Đăng nhập hoặc tạo tài khoản⁩

IGCSE, A-Level & AP