Физические методы исследования в химии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Физические методы исследования в химии

1. Предмет «Физические методы исследования в химии

магнитный резонанс спектроскопия

Развитие всех разделов химии - неорганической, аналитической, физической, органической, биологической, химической технологии и т.д. - на современном этапе развития химической науки невозможно без использования физических методов исследования, поскольку чисто химические методы анализа и исследования себя практически исчерпали. Поэтому всякий уважающий себя современный химик обязан уметь применять любые физические методы исследования, которые могут оказать ему помощь в решении стоящих перед ним химических проблем. При этом исследователь должен знать основные принципы метода, его возможности и ограничения.

Без физических методов исследования невозможно решение очень сложной и актуальной задачи охраны природы, ибо позволяют весьма эффективно и быстро контролировать состояние (проводить мониторинг) окружающей среды, как невозможно автоматически контролировать технологический производственный процесс с целью предотвращения выбросов вредных веществ в окружающую среду.

Без физических методов невозможно представить себе автоматизацию научных исследований и повышение их эффективности, как невозможна и автоматизация химических производств. Более того, физические методы позволяют включить в автоматическую систему управления научными исследованиями (как и производством) ЭВМ и ускорить обработку получаемых результатов.

Среди физических методов исследования наибольшее распространение получили следующие методы спектроскопии: ядерный магнитный резонанс (ЯМР), электронный парамагнитный резонанс (ЭПР), электронной и колебательной спектроскопии. К электронной спектроскопии относится УФ (ультрафиолетовая) и видимая области, к колебательной спектроскопии относятся ИКС и СКР (инфракрасная и спектроскопия комбинационного рассеивания). Из методов, не использующих электромагнитное излучение, широко применяется метод масс-спектрометрии. Кроме названных, в химии применяют и другие методы: месбауэровская спектроскопия (спектроскопия -резонанса), рентгеновская спектроскопия, хироптические методы - дисперсия оптического вращения (ДОВ) и круговой дихроизм (КД), электронография и нейтронография, ядерный квадрупольный резонанс (ЯКР).

В предлагаемом вам курсе основное внимание будет уделено следующим методам: ЯМР, электронной и колебательной спектроскопии, масс-спектрометрии. Прежде чем перейти к рассмотрению каждого конкретного метода, остановимся на некоторых общих вопросах.

2. Природа света

Световое излучение представляет собой поток фотонов - наименьших порций световой энергии, имеющих одновременно и корпускулярную, и волновую природу. Корпускулярная природа проявляется в том, что электромагнитное излучение испускается и поглощается квантами величиной h. Но световой поток одновременно является и электромагнитной волной, свойства которой проявляются в явлениях интерференции и дифракции.

Распространение света можно представить себе как изменение электрического и магнитного полей в пространстве и во времени. Эти изменения носят синусоидальный характер и их можно представить графически:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

По оси у откладывается напряженность (интенсивность) электрического (Е) или магнитного (Н) полей, по оси х либо время t изменения напряженности поля в данной точке пространства, либо расстояние при отображении изменения напряженности поля в пространстве в данный момент времени. Колебания электрического и магнитного полей совершаются во взаимно перпендикулярных плоскостях.

Электромагнитная волна в вакууме движется со скоростью С=310¹⁰ см/с. Длина волны - это расстояние между двумя соседними эквивалентными точками на графике изменения напряженности поля в пространстве. Эквивалентные точки - те, которые находятся в одной фазе, т.е. когда напряженность поля и знак и величина производной в таких точках одинаковы.

Время t, необходимое для прохождения волной расстояния, равного длине волны, равно t = /С. Величина, обратная t, известна под названием частота волнового движения и равна числу колебаний в 1 с: 1/ t = = С/ (с¹) Отсюда получаем универсальное соотношение:

С =

Следовательно, частоту, как и длину волны, можно использовать для характеристики электромагнитных колебаний, ибо зная одну из них, можно вычислить другую. Для характеристики световой волны в ИКС используют также величину, обратную длине волны: 1/. Если длину волны выразить в см, то величина 1/ означает число длин волн, вмещающихся на отрезке длиной в 1 см, и называется волновым числом с размерностью см¹. Обозначают его через , тогда: = 1/ = (1/С). Волновое число пропорционально частоте, а коэффициент пропорциональности - 1/С. Символ не используется, а обозначают и волновое число и частоту одним символом . Это, однако не вносит никакой путаницы, ибо либо из контекста, либо из размерности легко определить, о чем ведется речь. Частота имеет размерность с¹ и измеряется в Герцах (Гц), тогда как волновое число в см¹.

3. Единицы измерения длин волн и частоты

Длины волн измеряются в следующих единицах:

Е - Ангстрем, 1Е = 10⁸ см (десять минус восьмая степень доли см);

нм - нанометр (одна миллиардная доля метра), 1нм = 10⁹ м = 10⁷ см = 10Е;

мкм - микрометр (одна миллионная доля метра), 1мкм = 10⁶ м = 10⁴ см;

см, м.

Частоты измеряются в Гц (1Гц =1колебание/с), 1МГц = 10⁶ Гц.

4. Типы излучения

Весь диапазон длин волн, используемых в спектральных методах, разбит на поддиапазоны, типы излучения, как это представлено в таблице:

Энергия связи: СС - 3,510⁵, СС - 8,110⁵ Дж/моль

Вся область электромагнитного спектра не может быть исследована при помощи одного типа приборов, так как экспериментальные методы сильно изменяются при изменении типа излучения. Однако, основные блоки приборов остаются одними и теми же по назначению (но разными по устройству и конструкции, а принцип их действия может фундаментально изменяться) независимо от вида излучения. Для наблюдения спектров поглощения при любых длинах волн требуются следующие основные блоки:

Источник излучения;

Кювета с образцом;

Монохроматор - диспергирующее устройство, позволяющее выделить из потока полихроматических волн монохроматичемкое излучение (характеризуется одной длиной волны, а кванты этого излучения имеют одинаковую энергию);

Приемник излучения для измерения интенсивности излучения, прошедшего через образец;

Регистрирующее устройство (гальванометр, дисплей или самописец).

5. Типы задач, решаемых спектральными методами

При решении химических проблем спектральные методы позволяют решать две задачи - прямую и обратную. Прямая задача - установление изменения излучения, поля или потока частиц вследствие взаимодействия с веществом с известным набором свойств, в том числе и строения его молекулы. Обратная задача - установление совокупности свойств вещества, в том числе и строения его молекул, исходя из изменений излучения, поля или потока частиц вследствие их взаимодействия с исследуемым веществом.

Каждый спектральный метод решает только ему присущие задачи, имея при этом определенные ограничения. Каждый химик должен знать эти возможности и ограничения, чтобы поставить исследовательскую задачу корректно, когда метод может ее решить. Некорректно поставленная задача, когда метод решить ее в принципе не может, повлечет за собой бесполезную трату человеческих ресурсов, времени и материальных средств. В этом случае химик будет некомпетентным и не соответствующим своему положению и должности.

6. Историческая справка

Авторство Рентгена об открытии рентгеновских лучей не было оспорено, хотя и оспаривалось физиком, выходцем из Западной Украины Иваном Полюем, который учился у выдающегося физика Макса Планка, работал в Вене. Именно Иван Полюй открыл излучение, изобрел свои рентгеновские лампы, которые, судя по научным публикациям, были лучше, чем у Рентгена (да и раньше появились).

Рентген якобы открыл Х-лучи в 50-летнем возрасте, давно будучи профессором и директором физического института, вращался среди выдающих физиков, и, естественно, знал о работах Полюя, сумел заявить об изобретении как о своем собственном.

Попытки Полюя отстоять свое авторство (обращался во многие научные общества Европы) ни к чему не привели, он обращался даже к Эйнштейну, на что последний ответил, что за Рентгеном стоит вся Европа, а «за тобой, Иван, только далекая Рутения».

Размещено на Allbest.ru