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高考申論題 110年 [環境檢驗] 儀器分析

第 一 題

📖 題組:
乙酸乙酯(CH3C(=O)OCH2CH3)的定性分析,可以同時以多項光譜儀為之,請回答以下問題:(每小題 10 分,共 60 分)
📝 此題為申論題,共 6 小題

小題 (一)

在紫外光/可見光光譜分析圖中,使用乙醇為溶劑,乙酸乙酯的吸收圖譜為一寬廣的峰,而非窄而尖的吸收峰,請說明其原因。

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本題考查 UV-Vis 光譜的譜帶展寬原理。考生應從分子能階結構的角度出發。與原子光譜(電子能階躍遷)不同,分子具有多層次的能階(電子、振動、轉動)。此外,溶劑效應(特別是乙醇這種極性溶劑)對譜峰形狀的影響也是關鍵點。思考重點應放在「能階的重疊」與「溶劑分子的相互作用」。

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【考點分析】 分子紫外-可見光譜的譜帶展寬(Band Broadening)原因,涉及振動與轉動能階的耦合,以及溶劑化效應。 【理論/法規依據】

小題 (二)

在紅外光光譜分析中,C=O 的吸收峰與 C-O 的吸收峰出現的波長不同,請說明其原因。

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本題的核心是紅外光譜的基本原理——虎克定律(Hooke's Law)。考生需要解釋決定伸縮振動頻率的兩個主因:化學鍵的強弱(力常數 k)與原子的質量(折合質量 μ)。比較 C=O 與 C-O 時,應專注於「鍵結數」對力常數的影響。

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【考點分析】 化學鍵伸縮振動頻率與力常數(Force Constant)的關係。 【理論/法規依據】

小題 (三)

在紅外光光譜分析中,乙酸乙酯與乙酸甲酯相比較,兩個分析物的 C-O 的吸收峰,出現的波長不同,請說明其原因。

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這題是 (二) 的延伸,但比較的是不同分子間相同的官能基。當 C-O 鍵所連結的烷基(甲基 vs 乙基)改變時,會產生「誘導效應」與「質量效應」。應思考鄰近基團如何微調化學鍵的電子密度,進而影響力常數。

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【考點分析】 結構環境對特定官能基特徵頻率的影響(誘導效應與質量效應)。 【理論/法規依據】

小題 (四)

在質子核磁共振光譜分析中,乙酸乙酯的 2 個-CH3的質子共振峰,其化學位移不同,請說明其原因。

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本題考查 NMR 的核心概念:化學環境與屏蔽效應(Shielding Effect)。考生應畫出乙酸乙酯結構,觀察兩個甲基分別鄰接什麼官能基,並比較電負度對質子周圍電子雲密度的影響。

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【考點分析】 質子核磁共振(¹H-NMR)中的化學位移(Chemical Shift)與屏蔽效應。 【理論/法規依據】

小題 (五)

在質子核磁共振光譜分析中,乙酸乙酯的 2 個-CH3的質子共振峰,其形狀(單一峰或多重峰)不同,請說明其峰形的差異處以及原因。

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本題考查自旋-自旋耦合(Spin-Spin Coupling)與 n+1 法則。考生需判斷每個甲基的「鄰居」是誰,有多少個不等價的質子。

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【考點分析】 自旋-自旋分裂(Spin-Spin Splitting)與 n+1 法則。 【理論/法規依據】

小題 (六)

甲君不慎將乙酸乙酯倒入乙酸甲酯中,因此需分析此一混合物中,兩個成分的比例,請問前述問題中所提到的 3 種儀器,那一個儀器適合進行此分析,並請說明分析方法。

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本題考查儀器選擇的實務應用。要分析混合物比例,儀器必須具備:1. 區分兩者的能力(高選擇性);2. 定量分析的能力(訊號與濃度成正比)。UV 分子特徵太寬,IR 定量較難,NMR 則是定量分析的利器,特別是利用積分面積。

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【考點分析】 混合物定量分析儀器選擇,利用 NMR 積分面積進行組成鑑定。 【理論/法規依據】

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