Реферат по теме - Современные физико-химические методы исследования

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждения высшего образования

«ПЕРМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГУМАНИТАРНО-ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНЫЙ Факультет

Кафедра анатомии, физиологии, химии и безопасности жизнедеятельности

Реферат

Современные физико-химические методы исследования

	Работу выполнила: обучающийся ZМ 622 группы, направленность (профиль) «Химия» Уросова Нина Сергеевна Преподаватель: профессор, доктор фармацевтических наук Козьминых Владислав Олегович

ПЕРМЬ

2020

Оглавление

Введение ………………………………………………………………………	3
Глава 1. ФИЗИКО – ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ…………………………………………………………	5
Глава 2. РЕНТГЕНОГРАФИЯ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ……………………………….……………………….…… 2.1 Общие положения…………….………………………………..… 2.2 Первичная обработка рентгенограммы……………………….… 2.3 Идентификация вещества…………………………………….….	7 7 7 8
Глава 3. КОЛЕБАТЕЛЬНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ………..…………… 3.1 Общие положения ……………………………………………….. 3.2 Колебательные спектры молекул……….………………….…....	9 9 10
Глава 4. МЕССБАУЭРОВСКАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ………………… 4.1 Общие положения ……………………………………………….. 4.2 Физические основы метода……..……….………………….…....	12 12 12
Глава 5. ЭЛЕКТРОННЫЙ ПАРАМАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС……… 5.1 Общие положения ……………………………………………….. 5.2 Физические основы метода……..……….………………….…....	14 14 15
Заключение ……………………………………………………………..……..	16
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ……………………………….….	17

Введение

На протяжении всей истории развития материаловедения перед исследователями неизменно возникала необходимость знать, какие химические соединения находятся в их распоряжении, каковы их структура и свойства, во что и как быстро они превращаются при заданных условиях.

Простые качественные или количественные химические методы очень скоро перестали удовлетворять экспериментаторов, поскольку далеко не всегда удавалось объяснить поведение веществ, исходя из их элементного состава и обнаруженных в нем функциональных групп.

К началу XXI века современная химическая наука достигла значительных высот в своем развитии. Более 100 Нобелевских премий в области химии живого, биохимии, медицинской химии, химии новых материалов и новых методов исследования являются ярким подтверждением значимости химической науки в научно-техническом прогрессе, в обеспечении человечества новыми материалами, новыми лекарственными препаратами, новыми источниками энергии, новыми технологиями практически во всех сферах человеческой деятельности.

Химическая наука все в большей степени переходит от качественного описания к количественному расчету, приобретая все черты точной науки. Достижения человечества в области химии были бы невозможны без современных физических методов исследования, которые стали необходимым и обязательным инструментом каждого химика-исследователя и химика технолога.

XXI век без преувеличения можно назвать веком нанотехнологий. Перевод различных технологических процессов на атомный уровень обеспечивает недостижимые другими методами новые физические и химические свойства, новые технологические характеристики и эксплуатационные параметры практически во всех разделах науки и отраслях промышленности.

Владение этими методами должно являться неотъемлемой частью в системе подготовки высококвалифицированного химика-исследователя.

Моей задачей является изучить различные источники справочной информации (книги, статьи и различные образовательные сайты) для получения ответов на вопросы: «какие физико-химические методы существуют сейчас?», «чем схожи и различны эти методы?» и «для чего они применяются?».

Глава 1. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Нанотехнология – это переход человечества на качественно новый уровень развития, обеспечивающий уже сегодня каждого из нас такими материалами, существование которых еще вчера казалось невозможным. Новые материалы и их новые уникальные свойства требуют и новых методов исследования. Физической сущностью большой группы методов исследования является взаимодействие электромагнитного излучения с веществом.

Широкий диапазон энергий электромагнитного излучения позволяет получать информацию о составе, структуре, электронном строении, как отдельных атомов, так и молекул различного уровня сложности, включая и макровещество молекулярного и надмолекулярного строения.

Среди физических методов исследования, основанных на взаимодействии излучения с веществом, рентгенография насчитывает почти столетнюю историю и является, вероятно, наиболее широко используемым методом идентификации различных фаз, включая кристаллографическую и структурную идентификацию различных сложных и простых веществ.

Метод колебательной спектроскопии также относится к числу физических методов исследования, основанных на взаимодействии электромагнитного излучения с веществом, но уже в инфракрасном (ИК-спектроскопия) или видимом (КР-спектроскопия) диапазоне. По своей информативности, универсальности, доступности и простоте метод колебательной спектроскопии относится к числу наиболее часто и широко используемых методов исследования для качественной и количественной идентификации веществ по эталонным спектрам известных соединений, структурно-группового анализа функционального состава химических частиц, оценки симметрии, а также фактор группового анализа строения соединений в любом агрегатном состоянии.

Другим физическим методом исследования, основанным на взаимодействии гамма излучения с веществом, является так называемая гамма-резонансная или Мёссбауэровская спектроскопия. Несмотря на то, что в основе ядерной гамма-резонансной (ЯГР) спектроскопии лежит взаимодействие гамма-излучения с атомным ядром, этот метод позволяет получать информацию о валентном состоянии атомов в химическом соединении, степени окисления атомов, полярности связей.

Особенно эффективно применение ЯГР-спектроскопии в физике и химии твердого тела. Экспериментальная простота и уровень методического обеспечения этого метода позволяют использовать его для решения различных прикладных задач, в частности, геохимии, археологии, аналитической химии и других науках.

Электронный парамагнитный резонанс, как физический метод, содержит в своей основе взаимодействие электромагнитного излучения микроволнового диапазона с веществом, содержащим электроны с неспаренными спинами. Такой вид взаимодействия электромагнитного излучения с веществом называется электронным парамагнитным резонансом (ЭПР), иногда электронным спиновым резонансом (ЭСР) или электронным магнитным резонансом.

Объектами исследования с использованием метода ЭПР являются только парамагнитные вещества. Несмотря на это ограничение, значение метода ЭПР в химических исследованиях трудно переоценить. Метод ЭПР очень чувствителен к крайне малым количествам парамагнитных веществ, и является единственным методом прямого наблюдения неспаренных электронов. С помощью этого метода были получены доказательства делокализации электронов в различных химических объектах, а тонкая и сверхтонкая структуры спектров ЭПР позволяют получать информацию о распределении плотности неспаренного электрона между атомами в молекуле и ее строении.

Физические методы исследования – рентгенография, колебательная спектроскопия, Мёссбауэровская спектроскопия и электронный парамагнитный резонанс, относятся к числу наиболее востребованных в химических исследованиях в силу их универсальности, доступности и простоты.

Глава 2. РЕНТГЕНОГРАФИЯ ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

1. Общие положения

Одним из методов идентификации и изучения строения кристаллических веществ, представляющих собой поликристаллические тела или порошки, является метод рентгенографии («метод порошка»).

В процедуре расшифровки рентгенограммы можно выделить пять основных этапов:

1. первичная обработка рентгенограммы,

2. идентификация вещества,

3. определение сингонии кристалла и индицирование рентгенограммы,

4. расчет и уточнение периодов элементарной ячейки,

5. проверка правильности расчетов.

В общем случае метод позволяет определить сингонию кристаллической решетки соединения и параметры (периоды) его элементарной ячейки.

Кроме того, возможна постановка специальных задач: определение типа ячейки Бравэ, числа формульных единиц в элементарной ячейки, размеров кристаллитов и т.д. Однако, успех решения как общих, так и специальных задач весьма существенно зависит от того, к какой сингонии принадлежат кристаллы и насколько много нам уже известно об их строении. При изучении строения наиболее простыми и однозначными являются случаи кристаллических веществ, принадлежащих к кубической сингонии.

1. Первичная обработка рентгенограммы

В настоящее время регистрация дифракционной картины от порошковых образцов и поликристаллов, как правило, проиводится с помощью автоматических дифрактометров.

Пример получаемой при этом рентгенограммы приведен на рис. 1.1. Горизонтальная ось (параллельно перфорации диаграммной ленты) соответствует дифракционному углу 20^о. Каждому целому значению углов отвечают вертикальные штрихи, оставляемые пером самописца через равные п

Рисунок 1. Пример рентгенограммы поликристаллического образца

ромежутки (в нашем примере - через 10 мм). Значение угла увеличивается справа налево.

1. Идентификация веществ

Идентификация кристаллических веществ с помощью метода рентгенографии основана на том, что индивидуальность кристаллической структуры соединения обуславливает индивидуальный вид его рентгенограммы.

Под индивидуальностью подразумевается определенное число дифракционных максимумов в заданном угловом интервале и их фиксированное положение на рентгенограмме, а также определённая интенсивность этих рефлексов. Практически нет соединений, рентгенограммы которых совпадали бы полностью.

ГЛАВА 3. КОЛЕБАТЕЛЬНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ

1. Общие положения

Колебательные спектры связаны с переходами между дискретными колебательными энергетическими уровнями, с колебаниями атомных ядер относительно равновесных положений и определяются строением молекулы.

Экспериментально в колебательной спектроскопии исследуют качественный и количественный состав электромагнитного излучения при помощи трёх основных методов: в процессе его поглощения, испускания или комбинационного рассеяния. Поглощенное или испущенное электромагнитное излучение располагается в инфракрасной части (ИК-области), начиная с красного края видимой его области. Получаемые при этом спектры называют инфракрасными спектрами, а колебательная спектроскопия носит название инфракрасной (ИК-спектроскопии).

ИК-область электромагнитного излучения обычно делят на:

• ближнюю (от 0.7 до 2.8 мкм или от 3600 до 1400 см^-1),

• среднюю или т.н. фундаментальную (2.8–33 мкм или 3600–300 см^-1),

• дальнюю (50–500 мкм или 200–20 см ^-1).

Однако эти границы весьма условны. При облучении вещества монохроматическим излучением видимой области от 0.4 до 0.7 мкм можно наблюдать спектры комбинационного рассеяния (КР) или КР-спектры. Большая часть этого излучения проходит через вещество без изменения интенсивности, а небольшая его доля (порядка 10^-5) рассеивается по различным направлениям. КР-спектр образует излучение, рассеянное под прямым углом к направлению падающего света.

Тепловое ИК-излучение впервые было обнаружено Уильямом Гершелем в конце 18 в. ИК-спектры поглощения молекул были получены лишь в начале ХХ века, а эффект комбинационного рассеяния света веществом был экспериментально открыт Л.И. Мандельштамом и Г.С. Ландсбергом в СССР, а также независимо индийскими учёными Ч.В. Раманом и К.С. Кришнаном в 1928г. В связи с последним в зарубежной литературе КР-спектры обычно называют Раман-спектрами.

Ниже перечислены основные задачи, которые позволяет решать колебательная спектроскопия.

1. Идентификация веществ, т.е. качественный анализ веществ по спектрам известных соединений.

2. Структурно-групповой (функционального) анализ строения молекул.

3. Количественный анализ веществ путём измерения интенсивностей линий в спектрах с использованием закона Бугера-Ламберта-Бера.

4. Нахождение энергетических состояний (колебательных уровней) молекул и связанных с ними молекулярных постоянных: межъядерных расстояний, частот колебаний, энергий диссоциации.

5. Исследование кинетики химических реакций, измерение времени жизни молекул в возбужденных колебательных состояниях и определение путей их деградации в более низко лежащие состояния.

6. Дистанционное определение состава и температуры газовых сред, в том числе, пламени, плазмы, атмосферы небесных тел, газов, загрязняющих атмосферу и т.д.

Молекула относится к системам, поведение которых хорошо описывается классической механикой. По классической схеме обычно проводятся расчеты не только частот и форм колебаний – прямая колебательная задача, но и силовых постоянных в выражении для потенциальной энергии U(q) – обратная колебательная задача. Современная теория колебаний молекул позволяет рассчитать колебательный спектр, исходя из заданной структуры и силовых постоянных. Однако обратная задача – расчет структуры из полученного спектра, не всегда решается.

1. Колебательные спектры молекул

Колебательный спектр выражается в виде зависимости интенсивности квантов энергии электромагнитного излучения, поглощённых, испущенных или рассеянных, при многочисленных переходах молекул из одних энергетических состояний в другие от длины волны λ или волнового числа ω. При поглощении электромагнитного излучения молекула из начального состояния с энергией Е₁ переходит в состояние с энергией Е₂ (рис. 2), причем ν, Е₁ и Е₂ удовлетворяют соотношению:

∆E = Е₂ – Е₁ = hn = hсω

Д

Рисунок 2. Схема квантовых переходов между колебательными энергетическими состояниями при поглощении (а) и испускание кванта (б)

ля регистрации спектральных линий поглощения используют источник полихроматического излучения интенсивностью I_o, который направляется на вещество. Чем больше квантов энергии поглощает вещество, тем меньше величина пропускания I/I_o. После поглощения света молекулы вновь переходят в нижележащие состояния за счёт безизлучательных или излучательных переходов.

КР-спектроскопия – это метод, в котором разница колебательных энергетических уровней молекул ∆Е = Е_υ+1 – Е_υ определяется по уменьшению n_1о (стоксово рассеяние) или возрастанию n₁ n_о (антистоксово рассеяние) частоты nо рассеянного монохроматического электромагнитного излучения в видимой или УФ областях.

Э то соответствует случаям а) и б) на рис. 3, соответственно. При этом рассеянное излучение с частотой n_о называется релеевским.

Рисунок 3. Схема переходов между колебательными энергетическими состояниями при стоксовом (а) и антистоксовом (б) комбинационном рассеяние

ГЛАВА 4. МЕССБАУЭРОВСКАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ

1. Общие положения

Открытие немецким физиком Р. Мессбауэром эффекта ядерного гамма резонанса легло в основу нового вида спектроскопии, которая получила название Мёссбауэровская спектроскопия (МБ- спектроскопия).

Сущность ядерного гамма резонанса (ЯГР) заключается в следующем: γ-кванты, испускаемые ядрами при переходе из возбужденного (метастабильного) состояния могут поглощаться ядрами того же изотопа, но находящимися в основном состоянии. Таким образом, для осуществления процесса ЯГР необходимо иметь ядерные изомеры, т.е. пару ядер одного и того же изотопа в основном и возбужденном состояниях. Ядерными изомерами, которые используются в МБспектроскопии, обладают далеко не все элементы периодической системы, что ограничивает область применения этого физического метода исследования. К ним относятся: ⁵⁷Fe, ¹²⁹I, ¹²¹Sb и др. Вероятность эффекта Мессбауэра падает с уменьшением порядкового номера элемента и на ядрах легких элементов, например, O, N, C эффект не наблюдается. Несмотря на то, что ЯГР является чисто ядерным процессом, с помощью МБ-спектроскопии получают ценную химическую информацию: электронное окружение атомов в твердых телах, степень их окисления, полярность связей и т.д. Уникальная информативность Мёссбауэровской спектроскопии, простота эксперимента и разработанные теоретические основы обусловили широкое применение Мёссбауэровской спектроскопии в физике и химии твердого тела, ядерной физике, геологии, археологии, аналитической химии. Рассмотрим подробнее физические основы МБ-спектроскопии.

1. Физические основы метода

Ядра атомов представляют собой типичные квантово-механические системы, т.е. имеют дискретные энергетические уровни. Снятие возбуждения, переход из возбужденного состояния в основное, может происходить различным образом. Для ЯГР мы будем рассматривать только испускание γ-квантов, как способ перехода ядра в основное состояние. Энергия испускаемого γ-кванта равна разности основного и возбужденного ядерных энергетических уровней E_γ=E_в-E_о.

Очевидно, что поглощение γ - кванта указанной энергии может приводить к переходу ядра из основного в возбужденное состояние E_о+E_γ=E_в. Разные энергетические уровни таких изомерных ядер характеризуются значениями ядерного спина J, который, в свою очередь является результирующим по отношению к спинам составляющих ядро нуклонов.

Ядерный изомер, имеющий возбужденное состояние, считается метастабильным и обозначается индексом (m). Например, ^107(m)Ag, который переходит (распадается) в основное состояние ¹⁰⁷Ag с периодом полураспада T_1/2=6.6 часа, испуская γ-квант с Eγ=93.1 кэВ.

Спектр поглощения ядерного изомера, находящегося в основном состоянии не должен отличаться от спектра испускания.

ГЛАВА 5. ЭЛЕКТРОННЫЙ ПАРАМАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС

1. Общие положения

Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) – это метод, основанный на явлении резонансного поглощения электромагнитного излучения парамагнитным веществом, помещенным в постоянное магнитное поле. Объектами исследования в методе ЭПР являются свободные органические и неорганические радикалы, ион-радикалы, молекулы в триплетном состоянии, комплексы переходных металлов, а также другие объекты, содержащие свободные электроны или парамагнитные центры.

Образец для исследования методом ЭПР может быть в виде раствора (жидкость), порошка (твердая фаза), или газа, т.е. паровой фазы, последний используется значительно реже. Причина состоит в том, что свободное вращение радикалов в газовой фазе приводит к размыванию спектральных линий. Поэтому газообразные радикалы перед исследованием конденсируют на подложке (вымораживают), охлаждаемой жидким азотом или гелием.

Электронный парамагнитный резонанс является единственным методом «прямого» наблюдения неспаренных электронов. Именно ЭПР подтвердил основную идею метода молекулярных орбиталей о делокализации электронов в молекулах.

• Владея методом ЭПР можно решать различные задачи:

• обнаружить парамагнитные частицы и определить их концентрацию;

• провести идентификацию радикалов и определить их строение;

• исследовать механизмы химических реакций, протекающих по свободно радикальному типу;

• исследовать распределение электронной плотности между ядрами атомов в молекуле;

• получить кинетические и термодинамические характеристики многих реакций;

• определять образование и поведение парамагнитных центров в твердых телах при фото и радиационном воздействии;

• решать многие другие задачи научного и прикладного характера.

Метод ЭПР имеет исключительно высокую чувствительность при определении количества парамагнитных частиц. Она составляет порядка 1011 -1013 частиц в см³ , что соответствует концентрации порядка 10^-8 %.

Характеристическое время метода ЭПР мало (до 10^-9 с) и для изучения доступны процессы с относительно низкими энергиями активации, т.е. протекающие достаточно быстро.

1. Физические основы метода

ЭПР Основой метода ЭПР является резонансное поглощение электромагнитного излучения системой неспаренных электронов при ее переходе между двумя дискретными энергетическими уровнями. Дискретные уровни энергии образуются за счет эффекта Зеемана, который описывает взаимодействие магнитного момента электрона m с внешним магнитным полем с индукцией В.

Е = = μВ cosβ

где Е – энергия взаимодействия, - векторное, а (μВ) скалярное произведение магнитного момента электрона и индукции внешнего магнитного поля, cosβ - косинус угла между этими двумя векторами, что позволяет считать произведение μ cosβ проекцией μ на В.

В отсутствии внешнего магнитного поля любые ориентации вектора магнитного момента электрона в пространстве равновероятны, т.е. имеют одинаковое значение энергии Е₀. Говорят, что энергетические уровни вырождены. При наложении внешнего магнитного поля с индукцией В магнитный момент электрона может иметь лишь две разрешенные ориентации, соответственно две проекции на направление внешнего поля. Они характеризуются с помощью магнитного квантового числа m и равны +1/2 и –1/2.

Заключение

На протяжении всей истории развития материаловедения перед исследователями неизменно возникала необходимость знать, какие химические соединения находятся в их распоряжении, каковы их структура и свойства, во что и как быстро они превращаются при заданных условиях. Простые качественные или количественные химические методы очень скоро перестали удовлетворять экспериментаторов, поскольку далеко не всегда удавалось объяснить поведение веществ, исходя из их элементного состава и обнаруженных в нем функциональных групп.

Один за другим стали разрабатываться методы, в которых исследуемая система, находящаяся в определенном агрегатном состоянии, зондируется электромагнитными излучениями различной частоты или пучками ускоренных элементарных частиц, а информация извлекается из спектральных характеристик излучения, прошедшего через вещество или отраженного им. В настоящее время к этим методам обращаются в первую очередь при исследовании структуры веществ и динамики их превращений. Комплекс таких методов получил название: «Физико-химические методы исследования».

К современным физико-химическим методам относятся электронная колебательная и вращательная спектроскопия, электронно-парамагнитный резонанс, масс-спектрометрия, мёсс-бауэровская спектроскопия, рентгеновская кристаллография, рентгеноспектральный анализ, электронная микроскопия и многие другие методы, базирующиеся на сложной аналитической аппаратуре и компьютерной обработке данных.

Особое значение приобретает необходимость применения физико-химических методов в современной металлургии, характеризующейся многообразием и сложностью взаимодействий реагирующих веществ, что усугубляется высокотемпературными условиями протекающих физико-химических процессов.

Эффективность и качество продуктов металлургического производства в значительной степени определяется научно-обоснованным выбором физико-химических методов исследования. Правильно поставленный, с использованием современной аппаратуры, аналитический эксперимент представляет технологу, инженеру, исследователю достоверные и точные данные о химическом составе, структуре и кристаллохимических особенностях исходных веществ, позволяет установить природу и закономерности явлений и процессов с их участием, и, наконец, разработать на этой основе технологические режимы получения материалов и изделий высокого качества с заданными эксплуатационными характеристиками.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Вилков Л.В., Пентин Ю.А. Физические методы исследования в химии. Резонансные и электрооптические методы. – М.: Высшая школа, 1989.

2. Драго Р. Физические методы в химии. Пер. с англ. – М.: Мир, 1981. Т.1,2

3. Вертц Дж., Болтон Дж. Теория и практика приложения метода ЭПР. – М.: Мир, 1975

Информация из сети Интернет:

1. https://ru.wikipedia.org/wiki/Физико-химический_анализ («Физико-химический анализ» 18.05.2020)

2. http://icmim.sfu-kras.ru/fhp_fhm («Физико химические методы исследования» 20.05.2020)

3. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%98%D0%BD%D1%84%D1%80%D0%B0%D0%BA%D1%80%D0%B0%D1%81%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D1%81%D0%BF%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D1%81%D0%BA%D0%BE%D0%BF%D0%B8%D1%8F («инфракрасная спектроскопия» 21.05.2020)

4. http://www.unn.ru/pages/e-library/aids/2006/28.pdf («Физические методы исследования неорганических веществ и материалов» 22.05.2020)