化學學習筆記：儀器分析法及其應用

大家好！歡迎來到化學中最引人入勝的課題之一——分析化學。您可以把它想像成科學界的「偵探工作」。在本章中，我們將學習化學家如何弄清楚樣本中有什麼成分以及有多少分量。這些技能對於解決罪案、檢測食品安全以至保護環境都非常重要。請戴上我們的偵探帽，一同深入探索吧！


第一部分：化學家的工具箱——辨識未知物

在使用先進儀器之前，讓我們先看看化學家辨識物質的一些經典實用測試。這些都是每個化學家都必備的基本技能！

A. 火焰試驗：看見元素的本色

您有沒有想過煙花為何能發出燦爛的色彩？這一切都與化學相關！當我們加熱某些金屬離子時，它們會發出獨特的顏色光。我們可以利用這個特性來辨識它們。

原理：將潔淨的鉑或鎳鉻線圈浸入濃鹽酸和樣本中，然後置於非發光的本生燈火焰中。

• 鈉 (\(\text{Na}^+\))：鮮豔的金黃色
• 鉀 (\(\text{K}^+\))：紫丁香色 (淡紫色)
• 鈣 (\(\text{Ca}^{2+}\))：磚紅色
• 銅 (\(\text{Cu}^{2+}\))：藍綠色

快速回顧：火焰試驗顏色

記憶小訣竅：想想生活中的事物！鹹脆片 (鈉) 是金黃色的。銅像會變成綠色。

B. 常見氣體的測試

以下是我們如何在實驗室中辨識一些常見、無色的氣體。

• 氫 (\(\text{H}_2\))：用燃著的木條測試。如果存在氫氣，您會聽到一聲「噗」的爆鳴聲。
• 氧 (\(\text{O}_2\))：用餘燼的木條測試。如果存在氧氣，木條會重新燃燒。
• 二氧化碳 (\(\text{CO}_2\))：將氣體通入石灰水 (氫氧化鈣溶液) 中。如果存在 \(\text{CO}_2\)，會形成白色沉澱物，使石灰水變混濁/乳白色。
• 氯 (\(\text{Cl}_2\))：用濕潤的藍色石蕊試紙測試。它會首先變紅 (酸性)，然後迅速被漂白成白色。
• 氨 (\(\text{NH}_3\))：用濕潤的紅色石蕊試紙測試。它會變藍，因為氨氣是鹼性氣體。
• 二氧化硫 (\(\text{SO}_2\))：使酸化重鉻酸鉀溶液由橙色變為綠色。

C. 溶液中離子的測試

許多物質都溶解在水中，因此我們需要有系統的方法，透過觀察沉澱物的形成及其在過量試劑中的溶解度，來檢驗水溶液中的離子。

陽離子 (正離子) 的測試

逐滴加入氫氧化鈉水溶液 \(\text{NaOH(aq)}\) 或氨水 \(\text{NH}_3\text{(aq)}\) 直至過量：

• 銅(II) (\(\text{Cu}^{2+}\))：形成 \(\text{Cu(OH)}_2\) 的藍色沉澱物。沉澱物溶解於過量 \(\text{NH}_3\text{(aq)}\) 中形成深藍色溶液，但在過量 \(\text{NaOH(aq)}\) 中則不溶。
• 鐵(II) (\(\text{Fe}^{2+}\))：形成 \(\text{Fe(OH)}_2\) 的灰綠色沉澱物，不溶於過量鹼中。
• 鐵(III) (\(\text{Fe}^{3+}\))：形成 \(\text{Fe(OH)}_3\) 的紅棕色沉澱物，不溶於過量鹼中。
• 鋁 (\(\text{Al}^{3+}\))：形成 \(\text{Al(OH)}_3\) 的白色沉澱物。它溶於過量 \(\text{NaOH(aq)}\) 形成無色溶液，但不溶於過量 \(\text{NH}_3\text{(aq)}\)。
• 鋅 (\(\text{Zn}^{2+}\))：形成 \(\text{Zn(OH)}_2\) 的白色沉澱物。它溶於過量 \(\text{NaOH(aq)}\) 及過量 \(\text{NH}_3\text{(aq)}\)，形成無色溶液。
• 鈣 (\(\text{Ca}^{2+}\))：與 \(\text{NaOH(aq)}\) 形成 \(\text{Ca(OH)}_2\) 的白色沉澱物 (不溶於過量 \(\text{NaOH(aq)}\))，但與 \(\text{NH}_3\text{(aq)}\) 不起沉澱。
• 鎂 (\(\text{Mg}^{2+}\))：形成 \(\text{Mg(OH)}_2\) 的白色沉澱物，不溶於過量 \(\text{NaOH(aq)}\) 及過量 \(\text{NH}_3\text{(aq)}\)。
• 銨 (\(\text{NH}_4^+\))：加入 \(\text{NaOH(aq)}\) 並輕輕加熱。會釋出氨氣，使濕潤的紅色石蕊試紙變藍。

陰離子 (負離子) 的測試

• 碳酸根 (\(\text{CO}_3^{2-}\))：加入稀 \(\text{HCl(aq)}\)。會產生氣泡；釋出的無色氣體會使石灰水變混濁。
• 硫酸根 (\(\text{SO}_4^{2-}\))：加入稀 \(\text{HCl(aq)}\)，然後加入 \(\text{BaCl}_2\text{(aq)}\)。會形成 \(\text{BaSO}_4\) 的白色沉澱物。
• 鹵素離子 (\(\text{Cl}^-\)、\(\text{Br}^-\)、\(\text{I}^-\))：先加入稀 \(\text{HNO}_3\text{(aq)}\) 酸化，然後加入 \(\text{AgNO}_3\text{(aq)}\)：
- \(\text{Cl}^-\)：白色沉澱物 (\(\text{AgCl}\))，溶於稀 \(\text{NH}_3\text{(aq)}\)。
- \(\text{Br}^-\)：乳白色沉澱物 (\(\text{AgBr}\))，僅溶於濃 \(\text{NH}_3\text{(aq)}\)。
- \(\text{I}^-\)：黃色沉澱物 (\(\text{AgI}\))，在稀和濃 \(\text{NH}_3\text{(aq)}\) 中均不溶。

D. 尋找有機化合物中的官能團

• \(\text{C=C}\) (烯烴)：加入溶於有機溶劑的溴或溴水。會迅速從橙棕色褪色至無色。
• \(\text{-COOH}\) (羧酸)：加入 \(\text{Na}_2\text{CO}_3\text{(aq)}\) 或 \(\text{NaHCO}_3\text{(aq)}\)。會觀察到釋出 \(\text{CO}_2\) 氣體並冒泡。
• 羰基化合物 (醛和酮)：加入 2,4-二硝基苯肼 (2,4-DNPH)。會形成亮橙/黃色沉澱物。
• 醛 (\(\text{-CHO}\)) 對比 酮 (\(\text{>C=O}\))：
1. 多侖試劑：與銀氨溶液一同加熱。醛會在試管內壁形成銀鏡；酮則沒有反應。
2. 斐林試劑：與斐林試劑一同加熱。醛會還原深藍色溶液，生成 \(\text{Cu}_2\text{O}\) 的磚紅色沉澱物；酮則沒有反應。
3. 酸化 \(\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7\)：醛會被氧化，使溶液由橙色變為綠色。


第二部分：分離與提純方法

A. 常見的分離技術

• 結晶法：透過緩慢冷卻和蒸發溶劑，從溶液中分離並提純可溶性固體。
• 簡易蒸餾法：用於從非揮發性固體中分離揮發性液體，或分離沸點差異很大的液體。
• 分餾法：使用分餾柱分離沸點相近的互溶液體。
• 液液萃取法：利用分液漏斗，根據溶質在兩種互不相溶的溶劑層中的相對溶解度來分配溶質。

B. 層析法

根據各組分在固定相和流動相之間的差異分配來進行分離。

在濾紙層析法或薄層層析法 (TLC) 中，阻滯程度以比移值 (\(R_f\)) 來量化：

\( R_f = \frac{\text{distance travelled by the component}}{\text{distance travelled by the solvent front}} \)

C. 純度測定

• 純物質：具有銳利、明確的熔點和沸點。
• 不純物質：會在較寬的溫度範圍內熔化和沸騰；雜質會降低熔點並提高沸點。


第三部分：現代儀器分析法

A. 比色法

測量有色溶液的吸光度。透過使用標準溶液繪製校準曲線 (吸光度對濃度)，並在相同波長濾光片下測量未知樣本，從而測定其濃度。

B. 紅外線 (IR) 光譜法

紅外線輻射會激發分子振動。特徵吸收峰帶可用於辨識特定的官能團：

• 醇 \(\text{O–H}\) (具氫鍵)：在 \(3230\text{–}3670\text{ cm}^{-1}\) 處出現寬闊的吸收峰帶。
• 羧酸 \(\text{O–H}\) (具氫鍵)：在 \(2500\text{–}3300\text{ cm}^{-1}\) 處出現非常寬闊且呈鋸齒狀的吸收峰帶 (常與 \(\text{C–H}\) 伸展振動區域重疊)。
• 羰基 \(\text{C=O}\)：在 \(1680\text{–}1750\text{ cm}^{-1}\) 處出現強而尖銳的吸收峰 (見於醛、酮、羧酸和酯)。
• 碳碳雙鍵 \(\text{C=C}\)：在 \(1610\text{–}1680\text{ cm}^{-1}\) 處出現中等強度的吸收峰。

C. 質譜法 (MS)

樣本被電離並根據其質荷比 (\(m/z\)) 進行分離。

• 分子離子峰 (\(M^+\))：對應於未碎裂的自由基陽離子，提供化合物的相對分子質量 (\(M_r\))。
• 同位素峰：含氯化合物顯示 \(M : M+2\) 峰比例約為 \(3 : 1\) (由於 \(^{35}\text{Cl}\) 和 \(^{37}\text{Cl}\))。含溴化合物顯示 \(M : M+2\) 比例約為 \(1 : 1\) (由於 \(^{79}\text{Br}\) 和 \(^{81}\text{Br}\))。
• 碎裂模式：特徵碎片離子 (例如 \(\text{CH}_3^+\) 的 \(m/z = 15\)，\(\text{C}_2\text{H}_5^+\) 或 \(\text{CHO}^+\) 的 \(m/z = 29\)，\(\text{CH}_3\text{CO}^+\) 的 \(m/z = 43\)) 可用於推斷結構特徵。


第四部分：現實世界中的應用

• 環境監測：定量檢測微量空氣污染物 (如 \(\text{CO}\)、\(\text{NO}_x\)、揮發性有機化合物) 以及水質評估 (如重金屬離子、溶解氧、高錳酸鹽指數)。
• 法證科學：利用 GC-MS 和紅外線光譜法辨識違禁藥物、縱火現場的助燃劑、毒理學分析以及纖維/油漆比對。
• 臨床診斷：透過比色法和光譜法測定血糖、膽固醇和血清電解質，以指導醫療處置。