IB 化学/现代分析化学
A.1.1 说明使用分析技术的理由
分析分析的主要用途是确定化学结构和组成，以及确定物质的纯度。结构是通过仪器分析发现的。
A.1.2 说明化合物的结构可以通过单独或组合使用多种分析技术获得的信息来确定
通常仅来自一项技术的信息不足以确定或确认结构。
A.2.1 描述电磁频谱
按波长递减排列：无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X 射线、伽马射线。电磁频谱的短波长具有更多能量（例如，伽马射线比无线电波具有更多能量）。
A.2.2 区分吸收光谱和发射光谱，以及它们是如何产生的。
发射光谱法：分析激发的原子、离子或分子在跃迁回基态时发射的光能。
吸收光谱法：当辐射通过样品时，部分能量被样品吸收，以激发原子、离子或分子到激发态。光谱仪分析相对于入射能量的透射能量。这种能量是量子化的。
A.2.3 描述发生能量吸收的原子和分子过程
紫外光和可见光区域的吸收是由于电子跃迁到高能级而引起的。分子振动，拉伸和弯曲，发生在红外 (IR) 区域，导致分子极性的变化。分子旋转发生在微波区域。对于每种键类型，都存在唯一的键强度，并且存在不同的能量量才能振动、旋转等。
A.3.1 描述双光束红外光谱仪的工作原理。
光谱仪具有红外光源（镍铬合金丝的热线圈），它在检测器的整个频率范围内发射辐射。然后将光束分成两束强度相等的光束。一束光束穿过样品，另一束光束穿过参比室。旋转圆盘交替地使这两束光束通过。比较这两束光的强度，并在通过棱镜将比较的波长分散到检测器上。通常，这种检测器将读数转换为电信号以进行存储。
A.3.2 描述如何利用红外光谱中的信息来识别键。
红外线有助于确认或消除分子中存在的官能团。当有机化合物暴露于电磁辐射时，它会吸收特定波长的能量并透射其他波长的能量。根据关于释放或吸收能量的信息，可以推断出关于官能团的信息。官能团具有特征性的红外吸收，这些吸收不会从一种化合物变为另一种化合物。
A.3.3 解释分子在吸收红外辐射时在分子层面上会发生什么
当红外辐射照射到分子上时，它会导致分子伸展、弯曲或振动，从而改变分子的极性。伸展、弯曲或振动所需的能量是量子化的。分子可以在特定频率下振动，这与特定能级有关。
A.3.4 分析有机化合物的红外光谱
A.4.1 从分子离子峰确定化合物的分子量。
查看最右边的峰，以确定整个分子的质量。由于同位素，这可能会有一个或两个克每电荷的差异。
A.4.2 分析质谱中的碎片模式以找到化合物的结构。
当样品被引入质谱仪并被电离时，一些分子键断裂并产生碎片。这些碎片也受到磁场的偏转，并在检测器上显示出来。碎片可以帮助确定分子的分子结构。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 在给出其 H NMR 光谱的信息的情况下，推断出化合物的结构。
图表上的峰数显示了氢环境的数量。峰的相对高度相当于每个氢环境的成员数量。NMR 理论 氢核就像一个“旋转陀螺”。旋转的核就像一个旋转的磁铁，它可以与外部磁场相互作用。旋转的氢核将自身定向，使其平行或反平行于外部磁场。平行方向比反平行方向更稳定，因此它们的能量更低。当用正确频率的能量辐射原子核时，较低能量（平行）方向会翻转到较高能量（反平行）状态。当发生翻转时，它现在处于共振状态，并表现出核磁共振。吸收频率并非对所有氢核都相同。来自周围电子云的局部磁场将屏蔽外部磁场。每组簇都会产生不同的屏蔽量。
A.5.2 概述 NMR 如何用于人体扫描仪。
水、脂类、碳水化合物等中的质子，根据它们各自的氢环境产生不同的信号。通过将患者置于 MRI 机的磁铁中，可以构建整个身体的图像。MRI 尤其适用于诊断肿瘤、癌症、多发性硬化症、脑积水和韧带撕裂。与核磁辐射相关的辐射是低能射频波，因此它们对人体无害。
MRI 扫描可以检测心脏缺陷，还可以检测围绕心脏的肌肉厚度的变化。MRI 提供详细的图像，可用于发现脑肿瘤并检查肝脏、肾脏、脾脏等软组织。
MRI 很危险，因为它对妊娠前 12 周的胎儿有很小的风险。它的缺点是扫描可能会加剧幽闭恐惧症。
A.6.1 说明 AA 光谱法的用途。
用于测定元素或离子的浓度，精确到百万分之一。AA 也可用于测定水、血液、土壤、石油和食物中金属的浓度。
A.6.2 描述原子吸收的原理。
原子发射光谱是通过使元素的原子获得足够的电能或热能，并记录电子跃迁回基态时发射的光而获得的。AA 是发射光谱法的逆过程。在 AA 中，测量的是电子从低能级跃迁到高能级时吸收的能量。根据吸收的光量，可以量化特定元素的浓度。AA 利用了红外光谱仪中概述的双光束原理。每种被分析的元素都需要不同的光源。AA 利用通过样品（分析物）的特定频率的光。
A.6.3 描述 AA 分光光度计中以下每个部件的使用：燃料、原子化器、单色光源、单色检测器和读数。原子吸收光谱法使用特定频率的光通过样品。样品首先在雾化器中被制成细雾/气溶胶。雾气首先与燃料和氧化剂混合，然后燃烧。来自光源的单色光穿过蒸汽样品。通过将其转换为电信号来检测样品吸收的光量。双光束原理比较来自光源的光量和通过火焰的光量。光束之间的差异由光电倍增管检测并转换为电信号。这是光电倍增管吸收的量。必须首先通过将吸收与对照进行比较来确定校准曲线。
A.6.4 根据校准曲线确定溶液的浓度。
由于浓度和吸收之间存在直接关系，因此可以确定每种元素的浓度。如果保持相同的样品和相同的路径长度，则吸收保持与浓度成正比。吸收与浓度图应产生一条直线。A=-logTf A = log (lo/la)
A7 色谱法
[edit | edit source]A.7.1 说明使用色谱法的理由。
色谱法可用于分离含有少量单个组分的混合物。与其他技术结合使用，它可以定量和定性地分离和鉴定复杂混合物。它还可以用于确定物质的纯度。
A.7.2 解释所有色谱技术都涉及吸附在固定相上并在固定相和流动相之间分配。
在每种类型的色谱法中，都有两个相：固定相保持固定，流动相移动。色谱法依赖于这样一个事实，即在混合物中，组分具有不同的吸附到表面或溶解在溶剂中的趋势。这使得分离它们成为可能。
A.7.3 概述纸色谱法、薄层色谱法 (TLC) 和柱色谱法的用途。
纸色谱法：在距边缘约 1 厘米处将少量混合物放置在纸上。然后，将纸悬浮在密闭容器中少量溶剂（洗脱液）中。密闭容器使大气饱和，并防止溶剂从纸上蒸发，从而提供更好更快的分离。当溶剂向上移动时，混合物中的组分根据其相对溶解度在两个相之间分配。当溶剂接近顶部时，做一个标记以记录液位，然后取出纸张并干燥。一些组分是有色的，可以用肉眼看到，但是，一些组分需要染色（可能用碘）或用紫外灯照射。由于两个相之间的平衡，只要温度保持恒定，溶质将始终以与溶剂距离相同的比例移动。溶质对每种洗脱液都有单独的保留因子 (Rf)。该因子通过测量从原始点到特定组分的中心以及到溶剂前沿的距离来确定。
Rf=(溶质移动距离)/(溶剂（洗脱液）移动距离) = x/y
如果物质具有相似的 Rf 值，则可以将纸旋转 90⁰ 并用不同的溶剂处理。这被称为双向色谱法
有时，可能需要开发纸色谱图，例如分离糖类。
薄层色谱法 (TLC)
类似于纸色谱法，但不是用纸，而是用一层薄薄的固体（如氧化铝或硅胶），或惰性载体（如玻璃）。当完全干燥时，它就像吸附一样，但是，像纸、硅胶和氧化铝一样，它们对水有很高的亲和力，因此分配更多地通过分配进行，水作为固定相。通过刮掉含有组分的区域并将该组分溶解在溶剂中，可以回收纯净的分离组分。妊娠测试可以使用 TLC 检测尿液中的孕烷二醇
柱色谱法
分离混合物中的组分以供进一步使用，而不是鉴定固定相：氧化铝或硅胶。通过在长柱底部的一块玻璃棉上填充干燥的固定相，并在柱底部安装一个阀门来建立柱，然后用洗脱溶剂饱和。在顶部添加样品，当样品向下移动时，添加更多洗脱液。在一些组分被洗脱后，有可能洗脱更紧密地结合的组分。
A8 可见光和紫外光 (UV-Vis) 光谱法
[edit | edit source]A.8.1 描述不同配体对过渡金属配合物中 d 轨道分裂的影响。
颜色与未占据的 d能级有关；因此，Zn、Cd 和 Hg 是无色的。不同的配体实际上并不都在同一水平上——dx2-y2 和 dz2 略高于 dxy、dxz 和 dyz 配体。
A.8.2 描述影响过渡金属配合物颜色的因素。
d 子能级内的电子跃迁在可见光谱中吸收能量。当白光照射到含有过渡金属络合离子的溶液上时，一些光会被吸收。溶液透射剩余的光。光是被吸收光的互补色。影响 d-d 分裂并因此影响颜色的因素包括过渡元素的性质、氧化态、配体的类型以及络合离子的形状（四面体、平面正方形、八面体）
A.8.3 说明含有双键的有机分子会吸收紫外线辐射。
含有不饱和双键的分子可以吸收紫外线辐射。紫外光告诉我们分子中存在双键。具有交替的双键和单键的分子称为共轭二烯。吸收紫外线辐射的化合物包括烯烃、芳香烃/芳烃和叶绿素。
A.8.4 描述有机分子中双键共轭对吸收光波长的影响。
随着能量的获得，双键被提升到反键状态。对于紫外线辐射，吸收的能量对应于将不饱和溶液中 pi 电子能级提高到更高空能级所需的能量。
A.8.5 预测特定分子是否会吸收紫外线或可见光辐射。
当紫外线波长具有使 pi 电子激发到更高能级所需的正确能量量子被吸收时，就会吸收能量。这种吸收的能量被检测并记录下来。这需要大量的能量。大多数化合物在紫外区域吸收，因此看起来是无色的。共轭二烯需要较少的能量才能使 pi 电子跃迁到更高能级。由于离域电子和相应的共振结构，只有共轭二烯在 200nm 以上显示出紫外线吸收。
A.8.6 使用比尔-朗伯定律根据校准曲线确定溶液的浓度。
比尔定律指出，可以确定每种元素的浓度，因为浓度和吸收之间存在直接关系。A = abc 其中 A=吸光度，a=吸收率常数，b=路径长度，c=浓度 由于路径长度和吸收率保持恒定，因此吸光度与浓度成正比。吸光度与浓度图应产生一条直线。
A9 核磁共振 (NMR) 光谱法
[edit | edit source]A.9.1 解释四甲基硅烷 (TMS) 作为参考标准的使用
TMS 被用作参考的原因有多种：（1）它只有一种类型的氢，因此产生一个峰。（2）信号出现在比大多数化合物更高的磁场，因此可以设置为零作为参考。（3）它是一种相对惰性的化合物，因此不太可能与样品反应。（4）它具有较低的沸点，可以很容易地从样品中去除。
A.9.2 分析 1H NMR 谱
图上的峰数对应于连接到相邻碳原子的氢原子数（注意：相邻的氢原子必须具有不同的化学位移）。每个峰下的面积与具有相同氢原子邻居数的碳原子数成正比。
A10 色谱法
[edit | edit source]A.10.1 描述气相色谱法 (GLC) 和高效液相色谱法 (HPLC) 的技术。
气相色谱法
**用途**: 用于分离和识别沸点及其附近温度不分解的挥发性液体混合物中的成分。**固定相**: 液体涂覆在长而细的毛细管内的固体载体上。**流动相**: 惰性气体，例如氮气或氦气。样品通过自密封盖注入烘箱进行汽化。然后，样品由惰性气体带入盘绕并安装在烘箱中的色谱柱中。在色谱柱末端，分离后的组分进入检测器，通常是火焰离子化检测器，然后传送到图表记录器。每种组分都具有单独的保留时间，其峰面积与其存在的组分量成正比。**实际应用**: 血液酒精含量（BAC）分析。
**高效液相色谱 (HPLC)**
**柱层析**: 重力使溶剂洗脱。**HPLC**: 流动相在压力下被强制通过。**固定相**: 表面吸附有长链烷烃的二氧化硅颗粒。分离效率高，不需要长色谱柱。分离后的组分通过紫外光谱仪进行识别。与 GLC 一样，结果记录在显示不同保留时间的图表上。HPLC 可用于分离和识别。**用途**: 用于分离和识别沸点附近会分解的非挥发性组分。可以使用含有光学活性物质的色谱柱分离对映异构体。
**A.10.2 推断哪种色谱技术最适合分离特定混合物中的组分。**
**HPLC**: 用于分析对温度敏感的组分，例如：
油类、酒精饮料、抗氧化剂、食品中的糖类和维生素、药物、聚合物、生物化学和生物技术研究、杀虫剂和除草剂的质量控制。
**GLC**: 用于识别可以在不分解的情况下汽化的化合物，用途包括分析：
运动员尿液样本中的药物、地下矿井气体、血液酒精含量 (BAC)。