Đang tải bài học…

AP Chemistry

phổ

spectrum

Phổ là sự phân bố của bức xạ điện từ hoặc các hạt theo bước sóng, tần số, hoặc khối lượng thành một dải liên tục hoặc rời rạc.

Phổ là cách thức phân bố của một đại lượng vật lý, chẳng hạn như bước sóng ánh sáng hay khối lượng của các hạt, dọc theo một trục tọa độ xác định. Trong hóa học, khái niệm này xuất hiện khi ta tách một hỗn hợp phức tạp thành các thành phần riêng biệt để quan sát. Nhờ đó, nhà hóa học có thể đọc được "dấu vân tay" của vật chất (matter) qua cách nó phát xạ, hấp thụ năng lượng (energy) hoặc phản ứng với từ trường.

Tùy vào đại lượng được đo, ta có các loại phổ khác nhau với những ứng dụng đặc thù. Phổ điện từ sắp xếp bức xạ theo bước sóng $\lambda$ hoặc tần số $\nu$ , tuân theo hệ thức $c = \lambda \nu$ , từ sóng vô tuyến dài đến tia gamma (gamma ray) ngắn. Hệ thức này cho thấy bước sóng càng ngắn thì tần số dao động càng lớn. Ngược lại, phổ khối phân tách các ion dựa trên tỉ số $m/z$ , qua đó cho biết nguyên tố đang xét có những đồng vị nào và chúng dồi dào ra sao. Bên cạnh đó, phổ quang điện tử phân bố động năng của các điện tử bị bật khỏi nguyên tử (atom) để hé lộ cấu hình điện tử ở từng lớp.

Hệ quả của việc phân tích phổ là khả năng nhận diện chất mà không cần chạm vào nó. Mỗi đỉnh nhọn trên biểu đồ phổ đại diện cho một thành phần riêng lẻ, và vị trí của đỉnh cho biết bản chất còn chiều cao của đỉnh lại phản ánh độ dồi dào. Vì vậy, việc đọc hiểu các trục tọa độ và đơn vị đi kèm là bước đầu tiên không thể bỏ qua khi giải quyết bất kì bài toán quang phổ nào.

Ký hiệu

• $\lambda$ : bước sóng
• $\nu$ : tần số
• $m/z$ : tỉ số khối lượng trên điện tích

Đơn vịm, Hz, u

Trực giác: Giống như việc lăng kính tách ánh sáng trắng thành bảy màu cầu vồng, phổ tách một tín hiệu hỗn hợp thành các thành phần riêng lẻ để ta dễ dàng nhận mặt từng chất.

Công thức

c = \lambda \nu

Dùng để liên hệ bước sóng và tần số của bất kì bức xạ điện từ nào; khi biết một đại lượng thì suy ra đại lượng kia nhờ tốc độ ánh sáng là hằng số.

Trong đó

c

tốc độ ánh sáng trong chân không (

3.00 \times 10^8

) — m/s

\lambda

bước sóng — m

\nu

tần số — Hz

E = h\nu

Dùng để tính năng lượng của một photon khi biết tần số; cho thấy năng lượng tỉ lệ thuận với tần số, giải thích vì sao vùng tử ngoại mang năng lượng cao hơn vùng hồng ngoại trên phổ điện từ.

Trong đó

Khái niệm này sinh ra từ đâu

nửa sau thế kỷ 17Isaac NewtonAnders ÅngströmDavid AlterHeinrich KayserCarl Runge

Hay hiểu sai

Chiều cao đỉnh trong phổ khối là độ phổ biến, không phải khối lượng.

Trong quang phổ electron quang điện, chiều cao đỉnh đếm số electron, còn vị trí cho năng lượng ion hóa.

Phải chỉnh máy về không bằng cuvette chứa dung môi, không phải cuvette rỗng hay nước bất kỳ.

Phổ phát xạ vạch đặc trưng cho nguyên tố vì mức năng lượng của mỗi nguyên tố là riêng biệt.

Mẹo phòng thi

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/2

Một nguyên tố tinh khiết ở thể khí được chiếu bằng chùm photon năng lượng cao, và người ta ghi lại phổ quang electron (photoelectron spectrum) của nó. Phổ gồm đúng ba đỉnh, đặt tại 40,1 MJ/mol; 2,45 MJ/mol và 1,45 MJ/mol, với chiều cao tương đối lần lượt là 2 : 2 : 3. Trên trục hoành, năng lượng liên kết electron (binding energy) tăng dần về phía bên trái theo quy ước quen thuộc của kỹ thuật này.

aXác định nguyên tố và viết cấu hình electron ở trạng thái cơ bản của nguyên tử đó.
bGiải thích vì sao đỉnh tại 40,1 MJ/mol lại nằm ở năng lượng lớn hơn đỉnh tại 2,45 MJ/mol rất nhiều lần.
cPhổ của nguyên tử oxygen có đỉnh sâu nhất tại 52,6 MJ/mol. Hãy giải thích chiều dịch chuyển này so với nguyên tố ở trên.

Bạn nắm chắc chưa?

Quiz câu thật từ ngân hàng đề

Vài câu thật gắn đúng khái niệm này, chấm ngay kèm giải thích từng đáp án — hệ thống ghi nhớ bạn nắm tới đâu.

Tạo tài khoản miễn phí

Học tiếp từ đây

Bài học chứa thuật ngữ nàyCấu trúc & tính chất nguyên tử · bài “Phổ khối của nguyên tố” — khoá AP Chemistry

Cần trướcphoton

Nguồn tham khảo

[1]Chemistry The Central Science in SI Units 15th Expanded Global Edition. tr. 23, 105–106.

năng lượng của một photon — J

h

hằng số Planck (

6.626 \times 10^{-34}

) — J

\cdot

\nu

tần số — Hz

Chandrasekhara Venkata Raman

Từ "spectrum" được Isaac Newton đưa vào khoa học ở nửa sau thế kỷ 17 khi ông mô tả dải màu thu được lúc cho ánh sáng trắng đi qua lăng kính; suốt thế kỷ 19 và đầu thế kỷ 20, khái niệm này mở rộng thành công cụ nhận diện nguyên tố và phân tử.

Ban đầu, phổ chỉ là một hiện tượng thị giác: dải màu hiện lên trên tường khi ánh sáng mặt trời xuyên qua lăng kính. Sang thế kỷ 19, các nhà quang phổ nhận ra dải màu ấy không liền mạch mà bị cắt bởi những vạch riêng, và mỗi chất lại cho một bộ vạch khác nhau. Ångström đo được phổ phát xạ (emission spectrum) của hydrogen, còn Alter công bố quan sát trên phổ của kim loại và chất khí. Nhờ đó, phổ chuyển từ chuyện màu sắc sang chuyện danh tính hóa học: nhìn vạch là biết chất. Đây chính là nền tảng cho các câu hỏi về cấu trúc nguyên tử mà kỳ thi vẫn hỏi.

Vì sao mang đúng cái tên này? Cái tên nghe khô khan này lại có gốc gác khá ma quái. Trong tiếng Latin, "spectrum" nghĩa là hình ảnh, dáng vẻ hiện ra; dấu vết cổ nhất còn lại nằm trong thư từ giữa Cicero và Cassius Longinus, ở đó từ này được dùng để dịch chữ Hy Lạp εἴδωλον (eídōlon, "hình ảnh"). Sau thời cổ đại, từ gần như biến mất, rồi được các tác giả nhân văn thời Phục hưng làm sống lại vào đầu thế kỷ 16 với nghĩa "bóng ma, ảo ảnh". Vì vậy, khi Newton chọn chữ này cho dải màu hiện trên tường, ông đang gọi nó đúng như những gì mắt thấy: một hình ảnh xuất hiện, không sờ được. Tuy nhiên, cách dùng ấy chưa được chấp nhận ngay. Bản dịch tiếng Latin năm 1706 cuốn Opticks do Samuel Clarke thực hiện vẫn chuyển chữ "spectrum" của Newton thành "imago", tức vẫn hiểu theo nghĩa hình ảnh chứ chưa xem nó là thuật ngữ riêng. Phải đến khi kỹ thuật đo đạc phát triển, từ này mới cố định thành khái niệm khoa học: năm 1890, Kayser và Runge sắp xếp các dãy phổ (spectral series) bằng những tên gọi như "principal", "diffuse" và "sharp", còn Rydberg đưa ra công thức tính số sóng cho các dãy của hydrogen và kim loại kiềm. Chính những chữ viết tắt s, p, d ấy về sau đi thẳng vào tên các orbital mà học sinh dùng hằng ngày. Bước cuối cùng đưa phổ thành phương pháp phân tích hiện đại diễn ra năm 1928, khi Raman quan sát hiện tượng tán xạ trong chất lỏng, còn Landsberg và Mandelstam thấy điều tương tự trong tinh thể. Phổ Raman ghi cường độ ánh sáng theo số sóng, và độ dịch chuyển số sóng là đặc trưng riêng của từng hợp chất. Do đó, chữ "phổ" hôm nay không còn chỉ dải bảy màu, mà chỉ mọi đồ thị biểu diễn tín hiệu theo bước sóng hay tần số — nghĩa gốc "hình ảnh hiện ra" vẫn còn nguyên, chỉ khác là nó hiện ra trên màn hình máy đo.

Khi đề cho phổ, hãy viết ra ngay trục nào mang thông tin gì trước khi tính.

Với câu ước lượng khối lượng trung bình, hãy lập luận bằng so sánh thay vì bấm máy.

Mọi câu "account for" đều đòi cơ chế ở mức nguyên tử, không chỉ đòi hiện tượng.

Tần suất trong đề AP ChemistryThường xuyên

Bước 1: Đọc phổ theo hai thông tin mà nó mang: vị trí đỉnh cho biết electron thuộc phân lớp nào, còn chiều cao đỉnh tỉ lệ với số electron trong phân lớp ấy. Ba đỉnh với tỉ lệ chiều cao 2 : 2 : 3 tương ứng với ba phân lớp chứa 2, 2 và 3 electron, nên tổng số electron là

2+2+3=7

. Nguyên tử trung hòa có 7 electron thì

Z=7

, tức là nitrogen, và cấu hình electron là

1s^2\,2s^2\,2p^3

. Do đó đỉnh 40,1 MJ/mol ứng với

1s

, đỉnh 2,45 MJ/mol ứng với

2s

và đỉnh 1,45 MJ/mol ứng với

2p

2Bước 2: Năng lượng ghi trên trục hoành chính là năng lượng cần để bứt electron ra khỏi phân lớp đó, tính từ phương trình

E_b = h\nu - E_k

, trong đó

h\nu

là năng lượng photon tới và

E_k

là động năng của electron bay ra. Electron

1s

nằm sát hạt nhân, hầu như không được các lớp electron ngoài che chắn, nên nó chịu điện tích hạt nhân hiệu dụng gần bằng

+7

. Ngược lại, electron

2s

vừa ở xa hơn vừa bị hai electron

1s

chắn bớt lực hút, nên điện tích hạt nhân hiệu dụng mà nó cảm nhận chỉ còn cỡ vài đơn vị. Vì vậy tỉ số

40{,}1/2{,}45 \approx 16{,}4

không hề vô lý: khoảng cách và sự chắn cùng lúc làm giảm mạnh lực hút.

3Bước 3: Khi đi từ nitrogen sang oxygen, số proton tăng từ 7 lên 8 trong khi electron thêm vào lại nằm ở phân lớp

2p

bên ngoài, gần như không chắn được cho electron

1s

. Điện tích hạt nhân hiệu dụng tác dụng lên electron

1s

vì thế tăng thêm khoảng một đơn vị, lực hút mạnh hơn và năng lượng cần để bứt electron đó cũng lớn hơn. Kết quả là đỉnh

1s

dịch từ 40,1 MJ/mol sang 52,6 MJ/mol, tức dịch sang trái trên trục năng lượng liên kết. Chiều cao đỉnh vẫn giữ nguyên bằng 2 vì phân lớp

1s

của cả hai nguyên tử đều chứa đúng hai electron.

Phổ đã cho thuộc về nguyên tử nitrogen với cấu hình $1s^2\,2s^2\,2p^3$ ; đỉnh 40,1 MJ/mol ứng với hai electron $1s$ bị hạt nhân hút rất mạnh và gần như không bị chắn, nên nó nằm ở năng lượng cao gấp khoảng mười sáu lần đỉnh $2s$ . Sang oxygen, hạt nhân có thêm một proton mà lớp trong không được chắn thêm, nên đỉnh $1s$ lùi ra tới 52,6 MJ/mol trong khi chiều cao vẫn là 2.

2Ví dụ 2/2

Một học sinh cần xác định nồng độ của một chất tan có màu bằng phương pháp đo quang, dung môi dùng để pha là acetone. Phổ hấp thụ tử ngoại – khả kiến của acetone nguyên chất chỉ có một dải hấp thụ mạnh trong khoảng 250–290 nm và gần như không hấp thụ ở bước sóng dài hơn 320 nm. Phổ của chất tan lại có hai cực đại: một tại 275 nm và một tại 455 nm. Dùng cuvette dày

b = 1{,}00

cm, học sinh đo được độ hấp thụ (absorbance) của dung dịch bằng 0,435; hệ số hấp thụ mol (molar absorptivity) của chất tan tại cực đại khả kiến là

1{,}45\times10^{3}\ \text{L·mol}^{-1}\text{cm}^{-1}

aChọn bước sóng nên dùng để đo và giải thích dựa trên hai phổ.
bTính nồng độ mol của chất tan trong dung dịch.
cNếu học sinh vẫn đo tại 275 nm và dùng cùng công thức, kết quả nồng độ sẽ cao hơn hay thấp hơn giá trị thật? Giải thích.

1Bước 1: So chồng hai phổ lên nhau để tìm vùng bước sóng mà chỉ có chất tan hấp thụ. Tại 275 nm cả acetone lẫn chất tan đều hấp thụ mạnh, nên tín hiệu đo được là tổng của hai đóng góp và không còn phản ánh riêng chất tan nữa. Tại 455 nm thì acetone trong suốt, trong khi chất tan lại đang ở cực đại hấp thụ. Vì vậy phải chọn 455 nm: nơi này vừa loại được nhiễu của dung môi, vừa cho tín hiệu lớn nhất nên sai số tương đối nhỏ nhất.

2Bước 2: Áp dụng định luật Beer–Lambert ở dạng

A = \varepsilon b c

, trong đó

A

là độ hấp thụ,

\varepsilon

là hệ số hấp thụ mol,

b

là chiều dài đường đi của ánh sáng qua dung dịch và

c

là nồng độ mol. Rút

c

ra rồi thay số:

c = \frac{A}{\varepsilon b} = \frac{0{,}435}{(1{,}45\times10^{3})(1{,}00)} = 3{,}00\times10^{-4}\ \text{M}.

Phép chia này cho biết mỗi lít dung dịch chứa

3{,}00\times10^{-4}

mol chất tan, và đơn vị tự khớp vì

\text{L·mol}^{-1}\text{cm}^{-1}

nhân với cm sẽ triệt tiêu, chỉ còn

\text{L·mol}^{-1}

ở mẫu.

3Bước 3: Ở 275 nm, máy ghi được

A_{\text{do}} = A_{\text{chat tan}} + A_{\text{acetone}}

, tức là lớn hơn phần thực sự thuộc về chất tan. Khi vẫn chia cho

\varepsilon b

của riêng chất tan, tử số bị thổi phồng còn mẫu số giữ nguyên, nên nồng độ tính ra cao hơn giá trị thật. Đây chính là lý do bước chuẩn bị máy luôn yêu cầu đưa độ hấp thụ về không bằng mẫu trắng chứa đúng dung môi, và nếu dải hấp thụ của dung môi chồng lên dải của chất tan thì phải đổi bước sóng chứ không thể sửa bằng phép trừ đơn giản.

Nên đo tại 455 nm vì acetone không hấp thụ ở vùng này còn chất tan lại đạt cực đại; với $A = 0{,}435$ , $\varepsilon = 1{,}45\times10^{3}\ \text{L·mol}^{-1}\text{cm}^{-1}$ và $b = 1{,}00$ cm, nồng độ chất tan là $3{,}00\times10^{-4}$ M. Nếu đo ở 275 nm, phần hấp thụ của dung môi cộng thêm vào tín hiệu sẽ khiến nồng độ tính được cao hơn thực tế.

phổ học hồng ngoại (sắp có)

Liên quanbước sóngphổ điện từ (sắp có)phổ nguyên tử

Mục tiêu và lộ trình unit xem miễn phí — làm bài tập và lưu tiến độ cần tài khoản 0đ.