# 质谱法

> IB 化学 SL · IB 化学 SL
> 来源: https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-chemistry-sl-u1-mass-spectrometry/

本模块讲解质谱法如何按质量分离同位素、如何解析质谱，以及如何计算元素的相对原子质量，这是SL考试的核心考点。

**先修:** [掌握同位素和相对原子质量的相关知识](https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-chemistry-sl-u1-isotopes-atomic-mass/)

## 学习目标

- 描述质谱仪的主要组成部分和功能
- 解析质谱以识别同位素及其相对丰度
- 利用质谱数据计算相对原子质量

## 质谱法的组成与原理

质谱仪对样品进行处理，按质荷比（$m/z$）分离离子。对于IB SL，你只需要记住每个主要处理步骤的功能，不需要掌握详细的仪器设计。

**质荷比** — 几乎所有元素分析中的离子电荷都是+1，因此$m/z$就等于离子的质量（单位为原子质量单位u）。

*记法:* m/z

1. 汽化：将固体/液体样品转化为气态原子。
2. 电离：用电子轰击气态原子，形成正离子。
3. 加速：离子被电场加速，获得恒定的动能。
4. 偏转：离子在磁场中发生偏转：相同电荷下，质量更轻的离子偏转程度更大。
5. 检测：不同$m/z$的离子被检测，并记录它们的相对丰度。

**例题:** 将质谱仪的步骤与其功能匹配：哪个步骤按质量分离离子？

1. 回忆每个处理步骤的核心功能：
2. 电离仅产生离子，加速赋予恒定动能，检测记录信号。
3. 结论：磁场偏转是按质量分离离子的步骤。

> **考试提示**
>
> 选择题经常会考查步骤排序或者组成部分与功能的匹配。

## 解析质谱

质谱的y轴为离子的相对丰度，x轴为质荷比$m/z$。对于天然元素样品，每个不同的峰对应元素的一种不同稳定同位素。

**例题:** 氯有两种同位素：$^{35}\text{Cl}$和$^{37}\text{Cl}$，天然丰度比为3:1。描述该情况在质谱中的表现。

1. 对于+1价离子，每种同位素产生一个峰，峰的$m/z$等于其质量数。
2. 峰的相对高度符合丰度比。
3. $$\text{Peak 1: } m/z = 35, \text{ abundance } 75\% \\ \text{Peak 2: } m/z = 37, \text{ abundance } 25\%$$
4. 35处的峰高度是37处峰的三倍。

**概念自测**

测试你对基础知识的理解

1. 哪个峰对应丰度最高的同位素？

   - 最高的峰
   - 最高质荷比处的峰
   - 最低质荷比处的峰

   *解析:* 正确！y轴代表相对丰度，因此峰越高代表丰度越高。

## 计算相对原子质量

元素的相对原子质量（$A_r$）是其同位素质量按天然相对丰度加权得到的平均值，这就是IB元素周期表上给出的数值。

**相对原子质量公式** — 对于百分比丰度，$A_r$的计算公式为：

$$A_r = \dfrac{\sum (\text{isotopic mass} \times \text{percent abundance})}{100}$$

**例题:** 硼有两种同位素：$^{10}\text{B}$（丰度19.9%）和$^{11}\text{B}$（丰度80.1%）。计算硼的$A_r$，结果保留两位小数。

1. 将数值代入公式：
2. $$A_r = \dfrac{(10 \times 19.9) + (11 \times 80.1)}{100}$$
3. 计算分子：
4. $$(10 \times 19.9) = 199; (11 \times 80.1) = 881.1 \\ 199 + 881.1 = 1080.1$$
5. 除以100得到最终结果：
6. $$A_r = \dfrac{1080.1}{100} = 10.80$$

**考试命令词**

IB SL中本主题常见的指令术语：

- **Calculate** — 你必须展示所有计算步骤才能获得满分，即使是简单计算也需要步骤。 *(计算相对原子质量$A_r$时，在给出最终答案前一定要写出代入后的公式。)*

- **Deduce** — 利用给出的数据逻辑推导得出答案，建议写出步骤以获得部分分数。

## 常见错误

- **错误做法:** 使用百分比丰度计算时忘记除以100
  - 原因: 如果使用百分比，丰度总和是100，跳过除法会让结果比正确值大100倍。
  - 正确做法: 始终检查丰度总和：如果总和为100，需要除以100；如果总和为1（分数丰度），则不需要除法。
- **错误做法:** 认为更重的离子比轻离子偏转程度更大
  - 原因: 大多数学生混淆了质量和偏转的关系，错误地认为质量越大偏转越多。
  - 正确做法: 电荷相同时，磁场中更轻的离子偏转程度更大，更重的离子偏转程度更小。
- **错误做法:** 计算时使用元素的相对原子质量，而非单个同位素的质量
  - 原因: 相对原子质量就是你要计算的平均值，不是单个同位素的质量。
  - 正确做法: 计算时始终使用每个同位素各自的$m/z$值（质量数）。
- **错误做法:** 计算$A_r$时包含杂质峰或碎片峰
  - 原因: 来自污染物或碎片的额外峰会导致加权平均结果出错。
  - 正确做法: 检查你最终计算出的$A_r$是否和元素周期表上的数值一致，确认你使用了正确的峰。

## 速查表

| 概念 | 核心要点/公式 |
| --- | --- |
| 处理顺序 | 汽化 → 电离 → 加速 → 偏转 → 检测 |
| 偏转规律 | 电荷相同：质量越轻的离子偏转程度越大 |
| +1价离子的质荷比 | $m/z = \text{isotope mass (u)}$ |
| 相对原子质量（百分比丰度） | $A_r = \frac{\sum (m \times \%\text{abundance})}{100}$ |

## 下一步

质谱法是一项基础分析技术，如果你继续学习IB化学HL，会在此基础上进一步学习：在HL中你会用质谱法识别有机化合物的分子碎片和完整分子质量。理解质谱法如何分离同位素可以巩固你原子结构的核心知识，这是所有后续主题（包括化学计量、核化学和有机分析）都需要的基础。掌握相对原子质量计算是卷一选择题和卷二简答题中常见的送分点，因此定期练习这项技能会在期末考试中给你带来回报。

- [原子中电子的基本排布](https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-chemistry-sl-u1-basic-electron-arrangement-in-atoms/)
- [结构 2：电子排布](https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-chemistry-sl-u2-overview/)
- [原子轨道](https://www.owlsprep.com/zh/study/ib-chemistry-sl-u2-atomic-orbitals/)

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