Физические методы исследования. Часть 1. Бондарев Ю.М - 5 стр.

UptoLike

Составители: 

5
позволило создать теорию химического строения. Эта теория существенно обогатила науку о
веществах , которой пользуются во многих других отраслях знаний.
Многие химические свойства прямо или косвенно связаны с физическими свойствами .
Эти свойства важны сами по себе как характеристики вещества и для изучения
взаимозависимости самих этих свойств. Так , известно различие атомной структуры алмаза и
графита, а также их механических свойств.
Однако для химии важна связь физических и химических свойств. Например, если
межъядерное расстояние углерод - углерод в исследуемом веществе равно 0,154 нм , то есть
r(CC) = 0,154 нм , то это означает , что атомы углерода связаны одинарной связью , и мы
имеем так называемое корреляционное соотношение r(C-C) = 0,154 нм . В колебательном
спектре кетонов ν ( СО )=1719 см
-1
= ν(С =О ). Следовательно, наличие частоты ν=1719см
-1
свидетельствует о присутствии карбонильной группы . Таких примеров существует очень
много. К сожалению, теория химического строения дает качественную или в лучшем случае
полуколичественную картину соединения атомов в молекуле. Физические величины имеют
определенные числовые характеристики. Поэтому в плане определения химического
строения можно говорить о соответствии или корреляции физических величин и
характеристик химического строения.
Физические методы большое значение имеют для целей определения состава веществ,
то есть для аналитической химии. Это особый раздел применения физических методов в
химии. Часто трудно разделить исследования состава и полной идентификации вещества. В
большей степени можно рассматривать вопросы идентификации и особенностей
химического строения веществ на основе физических методов.
КЛАССИФИКАЦИЯ ФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ
Строгого разграничения между физико-химическими и физическими методами
исследования нет . Обычно под физическими методами понимают методы , разработанные
физиками (особенно современные) и используемые в химии. Эти методы не включают такие,
как разделение перегонкой , перекристаллизацией , взвешивание, чисто термохимические и
электрохимические методы и т . п . Наиболее характерные черты физического метода
исследования в химии условно можно представить в следующем виде.
В основе физического метода лежит взаимодействие падающего излучения, потока
частиц или какого-либо поля с веществом и измерение результата этого взаимодействия.
Если обозначить измеряемое физическое свойство как x, а падающее излучение как I
0
, то
результат взаимодействия I(x) будет содержать информацию о свойстве х . I
0
и I могут быть
одной и той же природы , как , например, рентгеновские лучи , падающие на кристалл I
0
и
рассеянные кристаллом после взаимодействия I(x), где х - структура кристалла. Такая
последовательность означает прямую задачу физического метода.
Но исследователя интересует и обратная задача: по результату взаимодействия найти
свойство х . В определенном смысле это две разные задачи и далеко не всегда знание
решения прямой задачи дает решение обратной задачи . Решение обратной задачи определяет
возможности метода, его чувствительность. В тех случаях , когда обратная задача имеет
устойчивое решение, говорят, что такая задача корректно поставлена. Под устойчивостью
решения подразумевается малое влияние небольших отклонений в I(x) на величину х .
Определяемое физическое свойство х может иметь различную природу: межатомные
расстояния или координаты атомов , которые символично можно обозначить r, наборы частот
колебаний атомов в молекуле или наборы частот электронных переходов и т . п .
Некоторые физические свойства могут быть рассчитаны теоретически на основе
классической физики или квантовой механики. Поскольку любая физическая теория
опирается на определенную модель молекулы или вещества, то сравнение теории и
эксперимента позволяет проверить модель, то есть теоретические построения.
В связи с тем , что на основе физического свойства х можно оценить некоторые
химические свойства , как , например, по длине связи углерод - углерод определить ее
                                                    5
позволи лосоздатьтеори ю х и ми ческ огостроени я. Эта теори я сущ ественнообогати ла наук уо
вещ ествах , к оторой пользую тся вомноги х други х отраслях знани й .
       М ноги е х и ми ческ и е свой ства прямои ли к освенносвязаны с ф и зи ческ и ми свой ствами .
Эти свой ства важны сами по себе к ак х арак тери сти к и вещ ества и для и зучени я
взаи мозави си мости сами х эти х свой ств. Т ак , и звестноразли чи е атомной струк туры алмаза и
граф и та, а так жеи х мех ани ческ и х свой ств.
       О днак о для х и ми и важна связь ф и зи ческ и х и х и ми ческ и х свой ств. Н апри мер, если
межъядерное расстояни е углерод-углерод в и сследуемом вещ естве равно0,154 нм, тоесть
r(CC) = 0,154 нм, то э то означает, что атомы углерода связаны оди нарной связью , и мы
и меем так назы ваемое к орреляци онное соотнош ени е r(C-C) = 0,154 нм. В к олебательном
спек тре к етонов ν(С О )=1719 см-1 = ν(С =О ). С ледовательно, нали чи е частоты ν=1719см-1
сви детельствует о при сутстви и к арбони льной группы . Т ак и х при меров сущ ествует очень
много. К сожалени ю , теори я х и ми ческ огостроени я дает к ачественную и ли в лучш ем случае
полук оли чественную к арти нусоеди нени я атомов в молек уле. Ф и зи ческ и е вели чи ны и мею т
определенны е чи словы е х арак тери сти к и . П оэтому в плане определени я х и ми ческ ого
строени я можно говори ть о соответстви и и ли к орреляци и ф и зи ческ и х вели чи н и
х арак тери сти к х и ми ческ огостроени я.
       Ф и зи ческ и е методы больш ое значени е и мею т для целей определени я состава вещ еств,
то есть для анали ти ческ ой х и ми и . Это особы й раздел при менени я ф и зи ческ и х методов в
х и ми и . Частотруднораздели ть и сследовани я состава и полной и денти ф и к аци и вещ ества. В
больш ей степени можно рассматри вать вопросы и денти ф и к аци и и особенностей
х и ми ческ огостроени я вещ ествна основе ф и зи ческ и х методов.

          К Л А ССИ Ф И К А Ц И Я Ф И ЗИ Ч Е СК И Х М Е ТО Д О В И ССЛ Е Д О В А Н И Я

        С трогого разграни чени я между ф и зи к о-х и ми ческ и ми и ф и зи ческ и ми методами
и сследовани я нет. О бы чно под ф и зи ческ и ми методами пони маю т методы , разработанны е
ф и зи к ами (особенносовременны е) и и спользуемы е вх и ми и . Эти методы не вк лю чаю т так и е,
к ак разделени е перегонк ой , перек ри сталли заци ей , взвеш и вани е, чи сто термох и ми ческ и е и
элек трох и ми ческ и е методы и т.п. Н аи более х арак терны е черты ф и зи ческ ого метода
и сследовани я вх и ми и условноможнопредстави тьвследую щ ем ви де.
        В основе ф и зи ческ ого метода лежи т взаи модей стви е падаю щ его и злучени я, поток а
части ц и ли к ак ого-ли бо поля с вещ еством и и змерени е результата э того взаи модей стви я.
Е сли обозначи ть и змеряемое ф и зи ческ ое свой ствок ак x, а падаю щ ее и злучени е к ак I0 , то
результат взаи модей стви я I(x) будет содержать и нф ормаци ю освой стве х . I0 и I могут бы ть
одной и той же при роды , к ак , напри мер, рентгеновск и е лучи , падаю щ и е на к ри сталл I0 и
рассеянны е к ри сталлом после взаи модей стви я I(x), где х - струк тура к ри сталла. Т ак ая
последовательностьозначает прямую задачуф и зи ческ огометода.
        Н ои сследователя и нтересует и обратная задача: порезультатувзаи модей стви я най ти
свой ство х . В определенном смы сле это две разны е задачи и далек о не всегда знани е
реш ени я прямой задачи дает реш ени е обратной задачи . Реш ени е обратной задачи определяет
возможности метода, его чувстви тельность. В тех случаях , к огда обратная задача и меет
устой чи вое реш ени е, говорят, чтотак ая задача к оррек тнопоставлена. П од устой чи востью
реш ени я подразумевается малое вли яни е небольш и х отк лонени й в I(x) на вели чи ну х .
О пределяемое ф и зи ческ ое свой ство х может и меть разли чную при роду: межатомны е
расстояни я и ли к оорди наты атомов, к оторы е си мволи чноможнообозначи тьr, наборы частот
к олебани й атомоввмолек уле и ли наборы частот э лек тронны х перех одови т.п.
        Н ек оторы е ф и зи ческ и е свой ства могут бы ть рассчи таны теорети ческ и на основе
к ласси ческ ой ф и зи к и и ли к вантовой мех ани к и . П оск ольк у лю бая ф и зи ческ ая теори я
опи рается на определенную модель молек улы и ли вещ ества, то сравнени е теори и и
эк спери мента позволяет провери тьмодель, тоестьтеорети ческ и епостроени я.
        В связи с тем, что на основе ф и зи ческ ого свой ства х можно оцени ть нек оторы е
х и ми ческ и е свой ства, к ак , напри мер, по дли не связи углерод-углерод определи ть ее