Физические методы исследования. Часть 1. Бондарев Ю.М - 6 стр.

UptoLike

Составители: 

6
кратность, то соответственно, зная химическое строение, возможно предсказать некоторые
физические свойства . Если связь углерод - углерод одинарна, то ее длина должна быть равной
0,154 нм , частота карбонильной группы в кетонах 1719 см
-1
и т.д. Это означает отсутствие
строгой функциональной связи между физическими величинами х и химическими
свойствами . Такое соотношение величин называют корреляцией .
Химики используют в основном те физические свойства, которые необходимы для
установления химических свойств. В этом состоит задача химика: организовать
всесторонние исследования вещества и его химических превращений. Любое вновь
синтезируемое вещество должно быть изучено и охарактеризовано всеми возможными и
необходимыми методами . В настоящие время это является нормой химического
исследования.
В силу особенностей физических взаимодействий с веществом нет единого метода,
который позволял бы определять все или очень большое число физических величин. Можно
говорить о специализации в использовании физических методов исследования. Не всегда
удается выделить специфические свойства , определяемые данным методом , поэтому не
может быть абсолютно строгой классификации методов . Однако возможно оценить наиболее
важные характеристики методов исследования.
Спектроскопические методы .
Взаимодействие электромагнитного излучения с веществом , приводящее к различным
энергетическим переходам , регистрируемым экспериментально, является главным
критерием отнесения физического метода анализа к спектроскопическому.
В большинстве этих методов измеряют зависимость интенсивности излучения I,
прошедшего через вещество или рассеянное веществом , от частоты ν, то есть определяют
функцию Ι(ν). В настоящее время диапазон частот распространяется на значения от
минимальных ν=10
6
Гц в ядерном магнитном резонансе (ЯМР) до 10
19
Гц (гамма-излучение).
Частоты ν и длины волн λ излучения связаны простым соотношением с = λν, где с - скорость
света в вакууме. Для указанного диапазона частот длины волн изменяются от λ 200 м до
λ 3·10
-14
м. Столь значительный диапазон частот (длин волн) требует различных
источников излучения и выявляет различные физические свойства вещества. Наблюдаемые
частоты соответствуют разностям энергий Е двух состояний молекул :
hν = hc/λ = (E
2
- E
1
) (1)
где h - постоянная Планка. Основные характеристики спектроскопических методов
представлены в таблице 1. Переходами между уровнями энергии E
1
и E
2
"управляют"
правила отбора. Это означает , что не все переходы возможны .
Таблица 1.
Энергетические характеристики различных методов спектроскопии
Метод
Единицы энергии
Изм . интервал энергий, эв
Рентгеновские спектры эв 10
3
и больше
Фотоэлектронные спектры эв 0 20
Электронные спектры
см
−1
1 10
Колебательные спектры
см
−1
10
−2
1
ЭПР-спектры Мгц
10
−4
ЯМР-спектры Мгц
10
−7
Резонансные спектры мм/сек
10
−8
Из таблицы видно, что разница, например, между двумя уровнями энергии валентных
электронов (УФ-спектры - ультрафиолетовые спектры ) Е (УФ)=E
2
-E
1
значительно больше,
чем Е (ЯМР).
                                                  6
к ратность, тосоответственно, зная х и ми ческ ое строени е, возможнопредск азать нек оторы е
ф и зи ческ и е свой ства. Е сли связьуглерод-углерод оди нарна, тоее дли на должна бы тьравной
0,154 нм, частота к арбони льной группы в к етонах 1719 см-1 и т.д. Этоозначает отсутстви е
строгой ф унк ци ональной связи между ф и зи ческ и ми вели чи нами х и х и ми ческ и ми
свой ствами . Т ак оесоотнош ени е вели чи н назы ваю т к орреляци ей .
        Х и ми к и и спользую т в основном те ф и зи ческ и е свой ства, к оторы е необх оди мы для
установлени я х и ми ческ и х свой ств. В этом состои т задача х и ми к а: органи зовать
всесторонни е и сследовани я вещ ества и его х и ми ческ и х превращ ени й . Л ю бое вновь
си нтези руемое вещ ество должно бы ть и зучено и ох арак тери зовано всеми возможны ми и
необх оди мы ми методами . В настоящ и е время это является нормой х и ми ческ ого
и сследовани я.
        В си луособенностей ф и зи ческ и х взаи модей стви й с вещ еством нет еди ного метода,
к оторы й позволял бы определять все и ли очень больш ое чи слоф и зи ческ и х вели чи н. М ожно
говори ть о специ али заци и в и спользовани и ф и зи ческ и х методов и сследовани я. Н е всегда
удается вы дели ть специ ф и ческ и е свой ства, определяемы е данны м методом, поэтому не
может бы тьабсолю тнострогой к ласси ф и к аци и методов. О днак овозможнооцени тьнаи более
важны е х арак тери сти к и методови сследовани я.

       Спектроскопическиеметоды.
       В заи модей стви е э лек тромагни тногои злучени я с вещ еством, при водящ ее к разли чны м
энергети ческ и м перех одам, реги стри руемы м эк спери ментально, является главны м
к ри тери ем отнесени я ф и зи ческ огометода анали за к спек троск опи ческ ому.
       В больш и нстве э ти х методов и змеряю т зави си мость и нтенси вности и злучени я I,
прош едш егочерез вещ ествои ли рассеянное вещ еством, от частоты ν, тоесть определяю т
ф унк ци ю Ι(ν). В настоящ ее время ди апазон частот распространяется на значени я от
ми ни мальны х ν=106 Г ц вядерном магни тном резонансе (ЯМ Р) до1019 Г ц (гамма-и злучени е).
Частоты ν и дли ны волн λ и злучени я связаны просты м соотнош ени ем с=λν, где с - ск орость
света в вак ууме. Д ля ук азанногоди апазона частот дли ны волн и зменяю тся от λ ≅ 200 м до
λ ≅ 3·10-14 м. С толь значи тельны й ди апазон частот (дли н волн) требует разли чны х
и сточни к ов и злучени я и вы являет разли чны е ф и зи ческ и е свой ства вещ ества. Н аблю даемы е
частоты соответствую т разностям энерги й Е двух состояни й молек ул:
                                       hν = hc/λ = (E2 - E1)                                      (1)
где h - постоянная П ланк а. О сновны е х арак тери сти к и спек троск опи ческ и х методов
представлены в табли це 1. П ерех одами между уровнями энерги и E1 и E2 "управляю т"
прави ла отбора. Этоозначает, чтоневсе перех оды возможны .

     Т абли ца 1.
     Энергети ческ и е х арак тери сти к и разли чны х методовспек троск опи и
                М етод                     Е ди ни цы энерги и    И зм. и нтервал энерги й , э в
  Рентгеновск и е спек тры                       эв                      103 и больш е
  Ф отоэ лек тронны е спек тры                   эв                          0— 20
  Элек тронны е спек тры                        см−1                         1— 10
  Колебательны еспек тры                        см−1                        10−2— 1
  ЭП Р-спек тры                                 М гц                          10−4
  ЯМ Р-спек тры                                 М гц                          10−7
  Резонансны е спек тры                       мм/сек                          10−8

И з табли цы ви дно, что разни ца, напри мер, между двумя уровнями э нерги и валентны х
элек тронов (У Ф -спек тры - ультраф и олетовы е спек тры ) ∆Е (У Ф )=E2-E1 значи тельнобольш е,
чем ∆Е (ЯМ Р).