质谱法

IB 化学 SL· 结构 1：原子结构，主题 3· 15 分钟阅读

1. 质谱法的组成与原理★★☆☆☆⏱ 5 min

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。

📘 定义

质荷比

m/z

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）。

汽化：将固体/液体样品转化为气态原子。
电离：用电子轰击气态原子，形成正离子。
加速：离子被电场加速，获得恒定的动能。
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。
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。

2. 解析质谱★★☆☆☆⏱ 4 min

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： $^{35} Cl$ 和 $^{37} Cl$ ，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。

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测试你对基础知识的理解

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
显示答案
最高的峰 —
正确！y轴代表相对丰度，因此峰越高代表丰度越高。

3. 计算相对原子质量★★★☆☆⏱ 6 min

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。

📘 定义

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： $^{10} B$ （丰度19.9%）和 $^{11} B$ （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
$A_r = \dfrac{1080.1}{100} = 10.80$

4. 常见陷阱

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。

5. 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	$m / z = isotope mass (u)$
相对原子质量（百分比丰度）	$A_{r} = \frac{\sum ( m \times % abundance )}{100}$

6. 常见问题

SL考试需要我背诵质谱仪的所有组成部分吗？

IB SL要求你掌握每个主要步骤的功能，而不只是名称，但永远不需要你画出仪器。

为什么元素的质谱中会出现多个峰？

每个峰对应元素的一种不同稳定同位素，每种同位素质量不同，因此会按质荷比分离。

真题中的出现

AI 根据考纲规律估算的考点位置,请对照官方真题核实准确性。仅作复习重点参考。

2022 · 1
根据质谱数据计算相对原子质量Ar
2023 · 2
从质谱中识别同位素
2021 · 1
标注质谱仪各部分的功能

深入阅读

Official SyllabusIB 化学 SL 指南完整官方大纲参考

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。