WebLab STEM

Hóa học · 11. Phổ nghiệm & Xác định cấu trúc

Phổ hồng ngoại (IR) và phổ khối lượng (MS) trong phân tích cấu trúc

Đọc số sóng hấp thụ đặc trưng trên phổ IR và phân tích mảnh ion phân tử trên phổ MS để xác định công thức phân tử.

40 phútPhiên bản nội dung: 2.1
Bắt đầu lộ trình tương tácMở thí nghiệm mô phỏng

Câu hỏi dẫn đường

Làm thế nào chỉ từ đồ thị hấp thụ ánh sáng hồng ngoại và phổ khối ta có thể “nhìn thấy” chính xác cấu trúc phân tử vô hình?

Phạm vi chương trình

GDPT 2018 Hóa học 11 (Chương 4: Đại cương hóa học hữu cơ); Cambridge A-Level Chemistry 9701 (Analytical chemistry); AP Chemistry.

Phạm vi và giới hạn mô hình

Tập trung vào phổ IR (4000–400 cm⁻¹) và phổ MS ion hóa electron (EI) của các hợp chất hữu cơ đơn chức và đa chức đơn giản.

Mục tiêu học tập

  • Xác định các nhóm chức hữu cơ chính dựa trên vùng số sóng hấp thụ đặc trưng của phổ IR.
  • Xác định phân tử khối từ pic ion phân tử [M]⁺ và phân tích các pic mảnh phân rã trên phổ khối lượng MS.
  • Kết hợp số liệu phân tích nguyên tố, phổ IR và phổ MS để lập công thức phân tử và công thức cấu tạo.

Kiến thức cần biết trước

  • Công thức phân tử và các nhóm chức hữu cơ (ancol, aldehyde, axit cacboxylic, este).
  • Định luật bảo toàn khối lượng và phân tử khối.

Kiến thức trọng tâm

Nguyên lý phổ hồng ngoại (IR)

Khi chiếu bức xạ hồng ngoại, liên kết hóa học hấp thụ photon có năng lượng tương ứng với tần số dao động (kéo giãn hoặc uốn cong), tạo nên các vân hấp thụ đặc trưng theo số sóng (cm⁻¹).

Các vân hấp thụ đặc trưng then chốt

Liên kết O–H của ancol: vân tù rộng ở 3200–3600 cm⁻¹; C=O của cacbonyl: pic nhọn sắc nét cực mạnh ở 1680–1750 cm⁻¹; O–H của axit cacboxylic: vân rất rộng trải từ 2500–3300 cm⁻¹.

Pic ion phân tử trong phổ khối lượng (MS)

Dưới chùm electron năng lượng cao, phân tử bị bắn phá mất 1 electron tạo ion gốc cation [M]⁺. Giá trị m/z của pic này cho biết trực tiếp khối lượng phân tử M của hợp chất.

Ví dụ mẫu có giải thích

Chất hữu cơ X có phổ MS cho pic ion phân tử lớn nhất ở m/z = 60. Phổ IR có pic nhọn rất mạnh ở 1715 cm⁻¹ (C=O) và một vân rất rộng trải dài từ 2500 đến 3300 cm⁻¹ phủ lên liên kết C–H (O–H axit). Suy ra X có nhóm cacboxyl –COOH; với M = 60, công thức cấu tạo của X là axit axetic CH₃COOH (M = 60 g/mol).

Ngộ nhận cần tránh

  • Vân O–H của ancol và O–H của axit cacboxylic rất khác nhau: O–H ancol có đỉnh tù quanh 3300 cm⁻¹ nhưng tách rời dải C–H, trong khi O–H axit rất rộng trải từ 2500–3300 cm⁻¹ bao trùm cả vùng C–H.
  • Pic có cường độ cao nhất trên phổ MS là pic cơ sở (base peak, quy ước 100%), không nhất thiết phải là pic ion phân tử [M]⁺ (thường nằm ở giá trị m/z lớn nhất phía bên phải).

Quy trình thí nghiệm mô phỏng: Tổng hợp este và phân tích phổ

  1. Chuẩn bị mẫu hữu cơ tinh khiết, nạp vào cuvet tinh thể kim cương/ZnSe của máy đo quang phổ hồng ngoại FTIR.
  2. Ghi nhận đường truyền qua phổ IR (%T theo số sóng), xác định vị trí pic đặc trưng của liên kết C=O, O–H, N–H.
  3. Nạp mẫu vào buồng khối phổ kế, quan sát sự phân mảnh và xác định giá trị m/z của pic ion phân tử [M]⁺.

An toàn và lưu ý

  • Nhiều dung môi hữu cơ dễ bay hơi và dễ cháy; tiến hành chuẩn bị mẫu trong tủ hút và tránh xa nguồn lửa.

Bằng chứng cần thu thập

  • Bảng tra cứu số sóng hấp thụ đặc trưng và nhóm chức tương ứng.
  • Sơ đồ phân mảnh phổ khối lượng đối chiếu với các nhóm rời đi (mất 15 đvC cho –CH₃, mất 18 đvC cho H₂O).
Mở thí nghiệm mô phỏng
📋 Nhúng thí nghiệm này vào bài giảng điện tử (Dành cho Giáo viên & LMS)

Sao chép đoạn mã iframe dưới đây để nhúng mô phỏng tương tác này vào Google Sites, LMS Moodle, Canvas, Microsoft Teams hoặc blog học tập:

<iframe src="https://visuallab.win/chem-lab/?experiment=exp_sgk_esterification&lang=vi" width="100%" height="560" frameborder="0" allow="fullscreen" loading="lazy"></iframe>

Kiểm tra đầu vào

1. Pic hấp thụ sắc nét, cường độ rất mạnh ở khoảng 1715 cm⁻¹ trên phổ IR chứng tỏ sự có mặt của liên kết nào?

  1. Liên kết đôi C=O
  2. Liên kết đơn C–C
  3. Liên kết O–H ancol
Xem đáp án và giải thích

Đáp án đúng: Liên kết đôi C=O

Liên kết C=O có mômen lưỡng cực lớn và độ cứng liên kết cao nên hấp thụ mạnh ở vùng 1680–1750 cm⁻¹.

2. Trên phổ khối lượng (MS), đại lượng đặt trên trục hoành biểu thị điều gì?

  1. Tỉ số khối lượng trên điện tích (m/z)
  2. Khối lượng riêng
  3. Tần số ánh sáng
Xem đáp án và giải thích

Đáp án đúng: Tỉ số khối lượng trên điện tích (m/z)

Khối phổ kế tách các ion theo tỉ số điện tích trên khối lượng m/z (với ion điện tích +1 thì m/z chính bằng khối lượng m).

Luyện tập vận dụng

1. Phổ MS của este X cho pic ion phân tử [M]⁺ ở m/z = 88. Este no, đơn chức mạch hở C_n H_{2n} O₂ có công thức phân tử là gì?

  1. C₄H₈O₂
  2. C₃H₆O₂
  3. C₅H₁₀O₂
Xem đáp án và giải thích

Đáp án đúng: C₄H₈O₂

M = 14n + 32 = 88 ⇒ 14n = 56 ⇒ n = 4. Do đó công thức phân tử là C₄H₈O₂.

2. Hợp chất có công thức C₂H₆O. Phổ IR không xuất hiện vân hấp thụ tù ở vùng 3200–3600 cm⁻¹. Hợp chất này là?

  1. Đimetyl ete (CH₃–O–CH₃)
  2. Etanol (C₂H₅OH)
  3. Axit axetic (CH₃COOH)
Xem đáp án và giải thích

Đáp án đúng: Đimetyl ete (CH₃–O–CH₃)

Nếu là etanol (C₂H₅OH) thì bắt buộc phải có vân O–H ở 3200–3600 cm⁻¹; không có vân này chứng tỏ là ete (CH₃–O–CH₃).

3. Trên phổ MS của etanol CH₃CH₂OH, pic mảnh có m/z = 31 tương ứng với ion nào?

  1. [CH₂OH]⁺
  2. [CH₃]⁺
  3. [C₂H₅]⁺
Xem đáp án và giải thích

Đáp án đúng: [CH₂OH]⁺

Mảnh ion phân rã: CH₃CH₂OH⁺ bẻ gãy liên kết C–C mất gốc •CH₃ (15 đvC), tạo ion [CH₂OH]⁺ có m/z = 46 − 15 = 31.

Nguồn kiểm tra chuyên môn

  1. Cambridge IGCSE Chemistry 0620 — đề cương và tài liệu chính thức
  2. Cambridge AS & A Level Chemistry 9701 — đề cương chính thức
  3. OpenStax Chemistry 2e — hóa học đại cương đã bình duyệt
  4. IUPAC Color Books — thuật ngữ và danh pháp hóa học chuẩn
  5. BIPM — Hệ đơn vị quốc tế SI, ấn bản 9

Nội dung được duy trì theo các nguồn trích dẫn bên dưới. Mô phỏng là mô hình học tập và không thay thế quy trình an toàn của phòng thí nghiệm thực.

Đơn vị xuất bản nội dung
WebLab STEM
Phụ trách kỹ thuật
Đức Tiến — Kỹ sư Điều khiển và Tự động hóa