化學工程 110 年儀器分析考古題

化學分子的紅外光譜圖能提供分子結構資訊，測得特定吸收峰波數 （wavenumber）可用作化學鍵官能基的鑑定及定性分析使用，請回答下列 問題。（每小題10 分，共20 分） 下圖是一個有機化合物的紅外光譜，有下列三個化合物，分別為⑴苯 甲醇（Benzyl alcohol）、⑵酚（Phenol）、⑶2-甲基-1-丁醇（2-Methyl- 1-butanol），請以光譜圖資訊判定它是那一個化合物的光譜圖並解釋。 依據選定的化合物，並就圖譜中所標示的吸收峰波數的數字，說明是那 一種化學鍵的振動及振動模式。

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） 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。 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。 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。 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。 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。 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。

有機化合物的紫外光及可見光吸收光譜，是分子吸收紫外光或可見光後分 子軌域電子的躍遷而產生，請回答下列問題。 根據分子軌域理論，鍵結軌域能量高低排列有：（低）σ、π、n、π ＊、σ ＊（高）， 請寫出只有四種允許（allowed）的軌域電子躍遷形式並請解釋。（4 分） 依據電子躍遷的類型，將有機化合物紫外光譜吸收譜帶（band）分為： R、K、B、E 四種譜帶，請解釋這四種譜帶，分別是那種型態的有機化 合物分子軌域的電子躍遷。（12 分） 請回答何謂有機分子的發色團（chromophore），及助色團（auxochrome）， 並請寫出它們官能基的化學結構式。（4 分）

進行色層分析時，分析物同時被送進分離管柱中，在同樣的流析條件下， 所有的分析物應該具有相同的移動速率，預期在同一時間離開管柱而被 偵檢器所偵測，也就是每一分析物具有相同的滯留時間。實際上，分析 物在偵檢器下所呈現的層析圖，卻是一個具有不同滯留時間分布的層析 峰，也就是發生訊號變寬（band broadening）的現象，這通常會導致訊號 重疊而影響層析的解析度。（每小題10 分，共20 分） 請說明此一現象發生的原因。 在層析儀器元件和操作中，請說明如何減少訊號變寬的程度而提高解 析度，並說明其原理。 38640

原子光譜法主要用來分析水溶液樣品中的元素，請回答下列問題。 原子光譜法有火焰原子吸收光譜法、電熱式石墨爐原子吸收光譜法、感 應耦合氬電漿原子發射光譜法，請說明這三種方法原理，並比較在樣品 分析上的各項優勢、差異性。（12 分） 水溶液中含微量砷元素可以利用連續流動式氫化物原子吸收光譜法，微 量汞元素可以利用冷蒸氣原子吸收光譜法來分析，請分別說明它們的原 理。（8 分）

X 光電子能譜儀為表面分析的有效工具，可以偵測樣品表面奈米等級厚 度內的訊號，請說明：（每小題10 分，共20 分） 此一儀器的表面取樣深度達於奈米尺度的原理。 對鐵元素來說，中性鐵原子以及二價鐵離子（Fe2+）在X 光電子能譜 儀分析圖譜中，其Fe2p 光電子訊號具有不同束縛能的原因。

層析是一種分離技術，可用於有機及水溶液中的成份分離，搭配各種偵測 器可作定性、定量分析，請回答下列層析分離技術的問題。 吹氣－捕捉（purge and trap）技術常搭配氣相層析質譜（GC-MS）作環 境樣品如土壤或水溶液中低濃度揮發性有機化合物（VOCs）的前濃縮， 請回答何謂揮發性有機化合物，並請說明如何利用吹氣－捕捉技術對水 溶液中揮發性有機化合物進行前置處理以利後續氣相層析分離及質譜 偵測。（12 分） 離子層析主要是以電導度偵測離子性物質，經層析的離子進入電導度偵 測器前先經由抑制器（Suppressor），請回答抑制器的功能及其設計原 理。（8 分）

請回答有關質譜圖的問題。 何謂元素的同位素豐度（isotope abundance），請說明它在有機化合物 質譜判圖的功能。（4 分） 二溴二氯甲烷（CCl2Br2）的質譜圖中，分別有CCl2Br+及CClBr2+二種離 子碎片，具有同位素離子團簇（isotope ion cluster），它們的離子團簇各 有四個峰，請分別寫出並計算它們峰強度的相對比例。元素同位素相對 比如下：79Br：81Br =1：1，35Cl：37Cl=3：1，12C 的同位素效應不顯著。 （16 分）

前年4 月，某芳香烴廠發生氣爆火警事故。當時新聞報導，行政院環境 保護署在事故現場以光離子偵測器（PID）檢測，總揮發性有機物氣體濃 度（TVOCs）為1.4~2.6 ppm，以紅外線光譜儀檢測，未測出異常化學物 質。行政院環境保護署確認該廠運作列管之毒性化學物質（苯及1,2-二 氯乙烷）未洩漏。 光離子偵測器（PID）常用為氣相層析法的偵測系統。以至少40 字， 敘述PID 的工作原理。（4 分） ⑴配合示意圖（須清楚標示圖示組成）輔助，以至少60 字，敘述紅外 線光譜術的原理。⑵PID 是否可以做為紅外線光譜術的偵測器？解釋 之。⑶另外列舉一個紅外線光譜術的偵測器，並以至少20 字，敘述其 工作原理。⑷寫出1,2-二氯乙烷之任何一個紅外線光譜術的吸收峰在 其圖譜中應該出現的波數範圍，並說明該吸收峰與此化合物的那一個 官能基的那一種活性機制有關。（9 分） 對上述紅外線光譜儀和光離子偵測器之檢測結果的差異，提出解釋。 （2 分） 上述報導亦提及，在事件現場，火焰離子偵測器（FID）所檢測之總碳 氫化合物（THC）濃度為0.5 ppm，而消防廢水之pH 值為7。依上述 所有資訊，是否同意行政院環境保護署所稱「該廠運作列管之毒性化 學物質（苯及1,2-二氯乙烷）未洩漏」？解釋之。（2 分）