Phổ hồng ngoại: nhận nhóm chức bằng bốn vùng số sóng, phần còn lại là vân tay

Phần 1. Một phổ có ba mươi đỉnh, và câu hỏi chỉ cần bốn

Chương trình Hoá học 2018 đưa phổ hồng ngoại vào ở mức giới thiệu, và phản ứng đầu tiên của học sinh khi nhìn một phổ IR thật là choáng: hàng chục đỉnh lớn nhỏ, chi chít, không biết bắt đầu từ đâu.

Hai cách xoay sở thường thấy, cả hai đều không dùng được:

• Cố quy từng đỉnh cho một liên kết. Bất khả thi ở cấp phổ thông, và thực ra cũng bất khả thi với phần lớn nhà hoá học chuyên nghiệp.
• Học thuộc một bảng ba mươi dòng số sóng. Nhớ được vài ngày, rồi lẫn.

Cách đọc chuẩn không làm cả hai. Nó chia phổ thành vùng, và chỉ bốn vùng đầu mang thông tin trực tiếp về nhóm chức.

Phần 2. Bản chất: mỗi liên kết dao động ở một tần số riêng

Liên kết hoá học cư xử như một lò xo nối hai quả cầu. Chiếu bức xạ hồng ngoại vào, liên kết hấp thụ đúng tần số cộng hưởng của nó và dao động mạnh lên — chỗ đó trên phổ hiện thành một đỉnh đi xuống (độ truyền qua giảm).

Tần số cộng hưởng phụ thuộc hai thứ, đúng như một lò xo thật:

• $k$ — độ cứng của liên kết. Liên kết ba cứng hơn đôi, đôi cứng hơn đơn ⇒ số sóng cao hơn.
• $\mu$ — khối lượng rút gọn của hai nguyên tử. Nguyên tử nhẹ dao động nhanh hơn ⇒ liên kết với H luôn ở vùng số sóng cao.

Hai quy luật ấy giải thích toàn bộ thứ tự của bảng dưới đây, nên không cần học thuộc bảng:

Vùng (cm⁻¹)	Liên kết	Hình dạng đỉnh
$3200$ – $3600$	O–H (ancol, axit)	rộng và tù
$3300$ – $3500$	N–H (amin, amit)	trung bình, có thể tách đôi
$2850$ – $3000$	C–H (no)	trung bình, luôn có mặt
$2100$ – $2260$	C≡N, C≡C	hẹp, yếu
$1650$ – $1750$	C=O	hẹp và rất mạnh
dưới $1500$	vùng VÂN TAY	chi chít, không quy được

Ba lưu ý

• HÌNH DẠNG đỉnh là dữ kiện, không phải trang trí. Đỉnh O–H rộng vì liên kết hydro giữa các phân tử làm mỗi liên kết O–H ở trong một môi trường hơi khác nhau, nên tần số bị "nhoè" ra. Đỉnh C=O thì hẹp và sâu vì nó phân cực mạnh và ít bị ảnh hưởng bởi hàng xóm. Hai đỉnh ấy phân biệt được bằng hình dạng ngay cả khi chồng lấn vùng.
• Vùng vân tay dùng để ĐỐI CHIẾU, không để suy. Dưới $1500$ cm⁻¹ có quá nhiều dao động uốn và dao động khung chồng nhau. Giá trị của nó là mỗi chất có một mẫu vân tay duy nhất — dùng để xác nhận hai mẫu có phải cùng một chất hay không, chứ không để đoán nhóm chức.
• KHÔNG có đỉnh cũng là thông tin. Không thấy dải rộng ở $3200$–$3600$ nghĩa là chất không có nhóm O–H — và đó thường là chìa khoá để phân biệt hai phương án cùng công thức phân tử.

Ba câu hỏi, theo đúng thứ tự

Câu 1 — Có đỉnh mạnh ở $1650$–$1750$ không? Có ⇒ phân tử có nhóm C=O (anđehit, xeton, axit, este, amit).

Câu 2 — Có dải rộng ở $2500$–$3600$ không? Có, rất rộng và kéo dài xuống tận $2500$ ⇒ nhóm $\mathrm{-COOH}$. Có, rộng vừa ở $3200$–$3600$ ⇒ nhóm $\mathrm{-OH}$ của ancol.

Câu 3 — Kết hợp hai câu trên với công thức phân tử. Đây là bước chốt.

Phần 3. Bài toán thực chiến

Đề. Hợp chất Y có công thức phân tử $\mathrm{C_3H_6O_2}$. Phổ hồng ngoại của Y có một đỉnh mạnh, hẹp ở $1740$ cm⁻¹, nhưng không có dải hấp thụ rộng nào trong vùng $2500$–$3300$ cm⁻¹. Y là A. metyl axetat $\mathrm{CH_3COOCH_3}$ B. axit propanoic $\mathrm{CH_3CH_2COOH}$ C. propanal $\mathrm{CH_3CH_2CHO}$ D. axeton $\mathrm{CH_3COCH_3}$

Cách 1 — Thấy C=O là chọn chất quen nhất

"Đỉnh ở $1740$ cm⁻¹ là C=O. Chất hữu cơ quen nhất có C=O là axit hoặc anđehit." → chọn B hoặc C.

Điểm yếu. Lập luận dừng quá sớm: nó dùng một dữ kiện (có C=O) trong khi đề cho hai dữ kiện, và dữ kiện thứ hai — không có dải rộng — mới là dữ kiện phân loại.

Ngoài ra, hai phương án C và D còn sai ở một tầng khác: chúng là $\mathrm{C_3H_6O}$, không phải $\mathrm{C_3H_6O_2}$. Đây là lời nhắc rằng công thức phân tử luôn phải được kiểm trước.

Cách 2 — Ba câu hỏi, theo đúng thứ tự

Câu 1 — Có C=O không? Có, đỉnh mạnh hẹp ở $1740$ cm⁻¹. Loại mọi chất không có nhóm cacbonyl.

Câu 2 — Có O–H không? Không — đề nói rõ không có dải rộng nào ở $2500$–$3300$. Mà axit cacboxylic luôn cho một dải cực rộng kéo từ $2500$ tới $3300$ cm⁻¹, rộng tới mức không thể bỏ sót. Vậy Y không phải axit ⇒ loại B.

Câu 3 — Đối chiếu công thức phân tử. $\mathrm{C_3H_6O_2}$ có hai nguyên tử oxi. Propanal (C) và axeton (D) đều là $\mathrm{C_3H_6O}$ — chỉ một oxi ⇒ loại cả hai.

Còn lại A — metyl axetat, một este. Kiểm lại cho khớp hoàn toàn:

• Este có C=O ✓, và số sóng $1740$ cm⁻¹ đúng là vùng đặc trưng của este (cao hơn xeton và anđehit một chút, vì oxi của nhóm $\mathrm{-O-}$ làm liên kết C=O cứng hơn).
• Este không có O–H ✓
• $\mathrm{CH_3COOCH_3}$ có công thức $\mathrm{C_3H_6O_2}$ ✓

Đáp án A.

	Thấy C=O là đoán	Ba câu hỏi theo thứ tự
Dùng hết dữ kiện đề cho	không	có
Giá trị của việc KHÔNG có đỉnh	bỏ qua	là dữ kiện phân loại
Kiểm công thức phân tử	thường quên	là bước chốt
Phân biệt este với axit	không	dải rộng $2500$–$3300$

⭐ Câu đáng nhớ nhất khi đọc bất kỳ phổ nào: chỗ KHÔNG có đỉnh cũng nói nhiều như chỗ có đỉnh. Một phổ IR không có dải rộng ở vùng $3000$ đã loại sạch ancol, phenol và axit — ba phần tư số nhóm chức chứa oxi của chương trình phổ thông.

Vì sao số sóng C=O lệch nhau giữa các nhóm chức

Chi tiết này vừa giải thích được, vừa là chỗ đề thi hay dùng để phân loại học sinh khá:

Nhóm chức	Số sóng C=O (cm⁻¹)
Amit $\mathrm{-CONH_2}$	$\approx 1650$
Axit cacboxylic	$\approx 1710$
Anđehit, xeton	$1715$ – $1730$
Este	$\approx 1740$
Clorua axit	$\approx 1800$

Quy luật: nguyên tử gắn cạnh nhóm C=O càng hút electron mạnh thì liên kết C=O càng cứng, và số sóng càng cao. Clo hút mạnh nhất nên clorua axit đứng đầu bảng; nitơ của amit đẩy electron vào nên amit đứng cuối.

Đây lại là công thức $\tilde\nu \propto \sqrt{k/\mu}$ ở phần 2, áp cho một dãy chất — không phải một bảng mới phải thuộc.

Phần 4. Góc giáo viên

Phổ hồng ngoại phục vụ năng lực tìm hiểu thế giới tự nhiên: học sinh đọc một phép đo thật của phòng thí nghiệm hiện đại, thay vì chỉ làm bài tập trên giấy.

• Dạy BỐN vùng, không dạy bảng ba mươi dòng. Với mục tiêu của chương trình phổ thông, bốn vùng là đủ, và bốn thứ thì nhớ được.
• Nhấn vào HÌNH DẠNG đỉnh ngay từ phổ đầu tiên. Rộng hay hẹp là dữ kiện phân biệt O–H với N–H, và nó là thứ học sinh dễ bỏ qua nhất vì bảng số liệu không ghi.
• Ra bài tập kiểu "chất nào KHÔNG thể là X". Dạng câu hỏi phủ định buộc học sinh dùng thông tin từ chỗ không có đỉnh — đúng kỹ năng cần rèn.
• Cho học sinh xem phổ THẬT, tải từ cơ sở dữ liệu phổ công khai. Phổ vẽ minh hoạ trong sách sạch hơn phổ thật rất nhiều, và sự khác biệt ấy nên được thấy trước khi thi.

Bẫy đề thi. Thứ nhất, hai phương án cùng có C=O và chỉ phân biệt được bằng sự vắng mặt của dải O–H. Thứ hai, đề cho số sóng nằm ở ranh giới hai vùng — khi ấy hình dạng đỉnh mới là thứ quyết định. Thứ ba, phương án có nhóm chức khớp phổ nhưng sai công thức phân tử: luôn kiểm bước này cuối cùng.

Phần 5. Bài tập tự luyện

Bài 1. Hợp chất Z có công thức $\mathrm{C_3H_8O}$. Phổ IR của Z có dải rộng ở $3350$ cm⁻¹ và không có đỉnh nào trong vùng $1650$–$1750$ cm⁻¹. Z thuộc loại chất nào?

Gợi ý: trả lời hai câu hỏi đầu theo đúng thứ tự. Đáp án: Không có C=O ⇒ không phải anđehit, xeton, axit hay este. Có dải rộng ở $3350$ ⇒ có nhóm $\mathrm{-OH}$. Vậy Z là ancol (propan-1-ol hoặc propan-2-ol; phổ IR ở mức này không phân biệt được hai đồng phân ấy — muốn phân biệt phải dùng vùng vân tay hoặc phổ khác).

Bài 2. Hai chất $\mathrm{CH_3CH_2COOH}$ và $\mathrm{CH_3COOCH_3}$ có cùng công thức phân tử $\mathrm{C_3H_6O_2}$. Nêu một đặc điểm trên phổ IR phân biệt được chúng, và giải thích.

Gợi ý: cả hai đều có C=O, nên phải tìm ở chỗ khác. Đáp án: Axit propanoic có dải cực rộng kéo từ $2500$ đến $3300$ cm⁻¹ (O–H của nhóm cacboxyl, bị nhoè mạnh do liên kết hydro tạo đime), còn metyl axetat hoàn toàn không có dải ấy. Ngoài ra số sóng C=O của este ($\approx 1740$) cao hơn của axit ($\approx 1710$).

---

Phổ hồng ngoại là nội dung mà dừng lại ở dữ kiện đầu tiên vẫn cho ra một chất có nhóm chức hợp lý. Thầy cô có thể dựng bộ đề luyện đúng dạng này trên Grade: chấm tự động ngay khi nộp kèm lời giải chi tiết từng câu, và xem tỷ lệ chọn axit khi đề nói rõ không có dải rộng — con số ấy đo đúng số em chưa dùng thông tin từ chỗ phổ không có đỉnh. Dùng thử miễn phí tại đây.

---