IB 化學/現代分析化學
A.1.1 說明使用分析技術的理由
分析分析的主要用途是確定化學結構和組成，以及確定物質的純度。結構是透過儀器分析發現的。
A.1.2 說明化合物的結構可以透過單獨或組合使用多種分析技術獲得的資訊來確定
通常僅來自一項技術的資訊不足以確定或確認結構。
A.2.1 描述電磁頻譜
按波長遞減排列：無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X 射線、伽馬射線。電磁頻譜的短波長具有更多能量（例如，伽馬射線比無線電波具有更多能量）。
A.2.2 區分吸收光譜和發射光譜，以及它們是如何產生的。
發射光譜法：分析激發的原子、離子或分子在躍遷回基態時發射的光能。
吸收光譜法：當輻射透過樣品時，部分能量被樣品吸收，以激發原子、離子或分子到激發態。光譜儀分析相對於入射能量的透射能量。這種能量是量子化的。
A.2.3 描述發生能量吸收的原子和分子過程
紫外光和可見光區域的吸收是由於電子躍遷到高能級而引起的。分子振動，拉伸和彎曲，發生在紅外 (IR) 區域，導致分子極性的變化。分子旋轉發生在微波區域。對於每種鍵型別，都存在唯一的鍵強度，並且存在不同的能量量才能振動、旋轉等。
A.3.1 描述雙光束紅外光譜儀的工作原理。
光譜儀具有紅外光源（鎳鉻合金絲的熱線圈），它在檢測器的整個頻率範圍內發射輻射。然後將光束分成兩束強度相等的光束。一束光束穿過樣品，另一束光束穿過參比室。旋轉圓盤交替地使這兩束光束透過。比較這兩束光的強度，並在透過稜鏡將比較的波長分散到檢測器上。通常，這種檢測器將讀數轉換為電訊號以進行儲存。
A.3.2 描述如何利用紅外光譜中的資訊來識別鍵。
紅外線有助於確認或消除分子中存在的官能團。當有機化合物暴露於電磁輻射時，它會吸收特定波長的能量並透射其他波長的能量。根據關於釋放或吸收能量的資訊，可以推斷出關於官能團的資訊。官能團具有特徵性的紅外吸收，這些吸收不會從一種化合物變為另一種化合物。
A.3.3 解釋分子在吸收紅外輻射時在分子層面上會發生什麼
當紅外輻射照射到分子上時，它會導致分子伸展、彎曲或振動，從而改變分子的極性。伸展、彎曲或振動所需的能量是量子化的。分子可以在特定頻率下振動，這與特定能級有關。
A.3.4 分析有機化合物的紅外光譜
A.4.1 從分子離子峰確定化合物的分子量。
檢視最右邊的峰，以確定整個分子的質量。由於同位素，這可能會有一個或兩個克每電荷的差異。
A.4.2 分析質譜中的碎片模式以找到化合物的結構。
當樣品被引入質譜儀並被電離時，一些分子鍵斷裂併產生碎片。這些碎片也受到磁場的偏轉，並在檢測器上顯示出來。碎片可以幫助確定分子的分子結構。例如
Mr -15)+ 是失去了 CH3。
Mr -17)+ 是失去了 OH。
Mr -29)+ 是失去了 C2H5 或 CHO。
Mr -31)+ 是失去了 CH3O。
Mr -45)+ 是失去了 COOH。
A.5.1 在給出其 H NMR 光譜的資訊的情況下，推斷出化合物的結構。
圖表上的峰數顯示了氫環境的數量。峰的相對高度相當於每個氫環境的成員數量。NMR 理論 氫核就像一個“旋轉陀螺”。旋轉的核就像一個旋轉的磁鐵，它可以與外部磁場相互作用。旋轉的氫核將自身定向，使其平行或反平行於外部磁場。平行方向比反平行方向更穩定，因此它們的能量更低。當用正確頻率的能量輻射原子核時，較低能量（平行）方向會翻轉到較高能量（反平行）狀態。當發生翻轉時，它現在處於共振狀態，並表現出核磁共振。吸收頻率並非對所有氫核都相同。來自周圍電子雲的區域性磁場將遮蔽外部磁場。每組簇都會產生不同的遮蔽量。
A.5.2 概述 NMR 如何用於人體掃描器。
水、脂類、碳水化合物等中的質子，根據它們各自的氫環境產生不同的訊號。透過將患者置於 MRI 機的磁鐵中，可以構建整個身體的影像。MRI 尤其適用於診斷腫瘤、癌症、多發性硬化症、腦積水和韌帶撕裂。與核磁輻射相關的輻射是低能射頻波，因此它們對人體無害。
MRI 掃描可以檢測心臟缺陷，還可以檢測圍繞心臟的肌肉厚度的變化。MRI 提供詳細的影像，可用於發現腦腫瘤並檢查肝臟、腎臟、脾臟等軟組織。
MRI 很危險，因為它對妊娠前 12 周的胎兒有很小的風險。它的缺點是掃描可能會加劇幽閉恐懼症。
A.6.1 說明 AA 光譜法的用途。
用於測定元素或離子的濃度，精確到百萬分之一。AA 也可用於測定水、血液、土壤、石油和食物中金屬的濃度。
A.6.2 描述原子吸收的原理。
原子發射光譜是透過使元素的原子獲得足夠的電能或熱能，並記錄電子躍遷回基態時發射的光而獲得的。AA 是發射光譜法的逆過程。在 AA 中，測量的是電子從低能級躍遷到高能級時吸收的能量。根據吸收的光量，可以量化特定元素的濃度。AA 利用了紅外光譜儀中概述的雙光束原理。每種被分析的元素都需要不同的光源。AA 利用透過樣品（分析物）的特定頻率的光。
A.6.3 描述 AA 分光光度計中以下每個部件的使用：燃料、原子化器、單色光源、單色檢測器和讀數。原子吸收光譜法使用特定頻率的光透過樣品。樣品首先在霧化器中被製成細霧/氣溶膠。霧氣首先與燃料和氧化劑混合，然後燃燒。來自光源的單色光穿過蒸汽樣品。透過將其轉換為電訊號來檢測樣品吸收的光量。雙光束原理比較來自光源的光量和透過火焰的光量。光束之間的差異由光電倍增管檢測並轉換為電訊號。這是光電倍增管吸收的量。必須首先透過將吸收與對照進行比較來確定校準曲線。
A.6.4 根據校準曲線確定溶液的濃度。
由於濃度和吸收之間存在直接關係，因此可以確定每種元素的濃度。如果保持相同的樣品和相同的路徑長度，則吸收保持與濃度成正比。吸收與濃度圖應產生一條直線。A=-logTf A = log (lo/la)
A7 色譜法
[edit | edit source]A.7.1 說明使用色譜法的理由。
色譜法可用於分離含有少量單個組分的混合物。與其他技術結合使用，它可以定量和定性地分離和鑑定複雜混合物。它還可以用於確定物質的純度。
A.7.2 解釋所有色譜技術都涉及吸附在固定相上並在固定相和流動相之間分配。
在每種型別的色譜法中，都有兩個相：固定相保持固定，流動相移動。色譜法依賴於這樣一個事實，即在混合物中，組分具有不同的吸附到表面或溶解在溶劑中的趨勢。這使得分離它們成為可能。
A.7.3 概述紙色譜法、薄層色譜法 (TLC) 和柱色譜法的用途。
紙色譜法：在距邊緣約 1 釐米處將少量混合物放置在紙上。然後，將紙懸浮在密閉容器中少量溶劑（洗脫液）中。密閉容器使大氣飽和，並防止溶劑從紙上蒸發，從而提供更好更快的分離。當溶劑向上移動時，混合物中的組分根據其相對溶解度在兩個相之間分配。當溶劑接近頂部時，做一個標記以記錄液位，然後取出紙張並乾燥。一些組分是有色的，可以用肉眼看到，但是，一些組分需要染色（可能用碘）或用紫外燈照射。由於兩個相之間的平衡，只要溫度保持恆定，溶質將始終以與溶劑距離相同的比例移動。溶質對每種洗脫液都有單獨的保留因子 (Rf)。該因子透過測量從原始點到特定組分的中心以及到溶劑前沿的距離來確定。
Rf=(溶質移動距離)/(溶劑（洗脫液）移動距離) = x/y
如果物質具有相似的 Rf 值，則可以將紙旋轉 90⁰ 並用不同的溶劑處理。這被稱為雙向色譜法
有時，可能需要開發紙色譜圖，例如分離糖類。
薄層色譜法 (TLC)
類似於紙色譜法，但不是用紙，而是用一層薄薄的固體（如氧化鋁或矽膠），或惰性載體（如玻璃）。當完全乾燥時，它就像吸附一樣，但是，像紙、矽膠和氧化鋁一樣，它們對水有很高的親和力，因此分配更多地透過分配進行，水作為固定相。透過刮掉含有組分的區域並將該組分溶解在溶劑中，可以回收純淨的分離組分。妊娠測試可以使用 TLC 檢測尿液中的孕烷二醇
柱色譜法
分離混合物中的組分以供進一步使用，而不是鑑定固定相：氧化鋁或矽膠。透過在長柱底部的一塊玻璃棉上填充乾燥的固定相，並在柱底部安裝一個閥門來建立柱，然後用洗脫溶劑飽和。在頂部新增樣品，當樣品向下移動時，新增更多洗脫液。在一些組分被洗脫後，有可能洗脫更緊密地結合的組分。
A8 可見光和紫外光 (UV-Vis) 光譜法
[edit | edit source]A.8.1 描述不同配體對過渡金屬配合物中 d 軌道分裂的影響。
顏色與未佔據的 d能級有關；因此，Zn、Cd 和 Hg 是無色的。不同的配體實際上並不都在同一水平上——dx2-y2 和 dz2 略高於 dxy、dxz 和 dyz 配體。
A.8.2 描述影響過渡金屬配合物顏色的因素。
d 子能級內的電子躍遷在可見光譜中吸收能量。當白光照射到含有過渡金屬絡合離子的溶液上時，一些光會被吸收。溶液透射剩餘的光。光是被吸收光的互補色。影響 d-d 分裂並因此影響顏色的因素包括過渡元素的性質、氧化態、配體的型別以及絡合離子的形狀（四面體、平面正方形、八面體）
A.8.3 說明含有雙鍵的有機分子會吸收紫外線輻射。
含有不飽和雙鍵的分子可以吸收紫外線輻射。紫外光告訴我們分子中存在雙鍵。具有交替的雙鍵和單鍵的分子稱為共軛二烯。吸收紫外線輻射的化合物包括烯烴、芳香烴/芳烴和葉綠素。
A.8.4 描述有機分子中雙鍵共軛對吸收光波長的影響。
隨著能量的獲得，雙鍵被提升到反鍵狀態。對於紫外線輻射，吸收的能量對應於將不飽和溶液中 pi 電子能級提高到更高空能級所需的能量。
A.8.5 預測特定分子是否會吸收紫外線或可見光輻射。
當紫外線波長具有使 pi 電子激發到更高能級所需的正確能量量子被吸收時，就會吸收能量。這種吸收的能量被檢測並記錄下來。這需要大量的能量。大多數化合物在紫外區域吸收，因此看起來是無色的。共軛二烯需要較少的能量才能使 pi 電子躍遷到更高能級。由於離域電子和相應的共振結構，只有共軛二烯在 200nm 以上顯示出紫外線吸收。
A.8.6 使用比爾-朗伯定律根據校準曲線確定溶液的濃度。
比爾定律指出，可以確定每種元素的濃度，因為濃度和吸收之間存在直接關係。A = abc 其中 A=吸光度，a=吸收率常數，b=路徑長度，c=濃度 由於路徑長度和吸收率保持恆定，因此吸光度與濃度成正比。吸光度與濃度圖應產生一條直線。
A9 核磁共振 (NMR) 光譜法
[edit | edit source]A.9.1 解釋四甲基矽烷 (TMS) 作為參考標準的使用
TMS 被用作參考的原因有多種：（1）它只有一種型別的氫，因此產生一個峰。（2）訊號出現在比大多數化合物更高的磁場，因此可以設定為零作為參考。（3）它是一種相對惰性的化合物，因此不太可能與樣品反應。（4）它具有較低的沸點，可以很容易地從樣品中去除。
A.9.2 分析 1H NMR 譜
圖上的峰數對應於連線到相鄰碳原子的氫原子數（注意：相鄰的氫原子必須具有不同的化學位移）。每個峰下的面積與具有相同氫原子鄰居數的碳原子數成正比。
A10 色譜法
[edit | edit source]A.10.1 描述氣相色譜法 (GLC) 和高效液相色譜法 (HPLC) 的技術。
氣相色譜法
**用途**: 用於分離和識別沸點及其附近溫度不分解的揮發性液體混合物中的成分。**固定相**: 液體塗覆在長而細的毛細管內的固體載體上。**流動相**: 惰性氣體，例如氮氣或氦氣。樣品透過自密封蓋注入烘箱進行汽化。然後，樣品由惰性氣體帶入盤繞並安裝在烘箱中的色譜柱中。在色譜柱末端，分離後的組分進入檢測器，通常是火焰離子化檢測器，然後傳送到圖表記錄器。每種組分都具有單獨的保留時間，其峰面積與其存在的組分量成正比。**實際應用**: 血液酒精含量（BAC）分析。
**高效液相色譜 (HPLC)**
**柱層析**: 重力使溶劑洗脫。**HPLC**: 流動相在壓力下被強制透過。**固定相**: 表面吸附有長鏈烷烴的二氧化矽顆粒。分離效率高，不需要長色譜柱。分離後的組分透過紫外光譜儀進行識別。與 GLC 一樣，結果記錄在顯示不同保留時間的圖表上。HPLC 可用於分離和識別。**用途**: 用於分離和識別沸點附近會分解的非揮發性組分。可以使用含有光學活性物質的色譜柱分離對映異構體。
**A.10.2 推斷哪種色譜技術最適合分離特定混合物中的組分。**
**HPLC**: 用於分析對溫度敏感的組分，例如：
油類、酒精飲料、抗氧化劑、食品中的糖類和維生素、藥物、聚合物、生物化學和生物技術研究、殺蟲劑和除草劑的質量控制。
**GLC**: 用於識別可以在不分解的情況下汽化的化合物，用途包括分析：
運動員尿液樣本中的藥物、地下礦井氣體、血液酒精含量 (BAC)。