Классификация методов не может быть абсолютно строгой, поскольку не всегда удается выделить специфические свойства, определяемые данным методом. Но в целом возможно оценить наиболее важные характеристики методов исследования.
Спектроскопические методы
В большинстве этих методов измеряют зависимость интенсивности излучения I, прошедшего через вещество или рассеянное веществом, от частоты n, то есть определяют функцию I(n). В настоящее время диапазон частот распространяется на значения от минимальных n ї 106 Гц в ядерном магнитном резонансе (ЯМР) до 1019 Гц (гамма-излучение). Частоты n и длины волн l излучения связаны простым соотношением с = ln, с - скорость света в вакууме. Для указанного диапазона частот длины волн изменяются от l - 200 м до 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:
, 2 = (E2 - E1)/ h,
где h - постоянная Планка. Переходами между уровнями энергии E1 и E2 «управляют» правила отбора. Это означает, что не все переходы возможны. Из таблицы видно, что разница, например, между двумя уровнями энергии валентных электронов (УФ-спектры - ультрафиолетовые спектры) DЕ (УФ) = E2 - E1 значительно больше, чем DЕ (ЯМР).
Для химии важны не только абсолютные разницы DЕ, но их изменения в различных соединениях, вызванных изменениями в составе или под влиянием ближайшего окружения.
Наибольшее распространение для идентификации веществ получили колебательные и электронные спектры, а также спектры ядерного магнитного резонанса.
В колебательной спектроскопии важно иметь полный интервал частот от очень низких (порядка 10 см - 1), характерных для крутильных колебаний, до высоких значений (порядка 5000 см - 1). Частоты колебательных спектров используются также для расчета силовых полей молекул, то есть для определения различного типа сил взаимодействия атомов в молекуле. Так называемые силовые постоянные для значительного числа групп атомов обладают свойством переносимости, то есть постоянством в рядах сходных по строению молекул.
Электронная спектроскопия является очень чувствительным и удобным методом для определения спектров поглощения, пропускания и отражения, изучения кинетики реакции, сопровождающихся спектральными изменениями. В обычных условиях спектры имеют диффузный характер, что ограничивает их применение веществами, имеющими хромофорные группы (ароматические циклы, кратные связи и т.п.). Эти спектры позволяют устанавливать наличие тех или иных групп в молекуле, то есть осуществлять групповой анализ, изучать влияние заместителей на электронные спектры и строение молекул, исследовать таутомерию и другие превращения.
Метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР) основан на взаимодействии внешнего магнитного поля с ядрами, имеющими магнитный момент, такими как 1H, 13C, 15N, 19F, 29Si, 31P, для которых спиновое квантовое число равно 1/2, а также для ряда ядер со спиновым квантовым числом, большим 1/2. Одни и те же ядра атомов в различных окружениях в молекуле показывают различные сигналы ЯМР. Отличие такого сигнала ЯМР от сигнала стандартного вещества, например тетраметилсилана, позволяет определить так называемый химический сдвиг, который обусловлен химическим строением изучаемого вещества. В методиках ЯМР есть много возможностей определять химическое строение веществ, конформации молекул, эффекты взаимного влияния, внутримолекулярные превращения и т.п.
Дифракционные методы
В дифракционных методах используются волновые свойства излучения и потока частиц электронов и нейтронов. Волновые свойства рентгеновских лучей были открыты в 1912 году немецким физиком Лауэ. Он заложил основы рентгеноструктурного анализа. Гипотеза о волновых свойствах частиц выдвинута французским физиком Луи де Бройлем в 1924 году. Эта гипотеза выражена простым соотношением между длиной волны l, массой m и скоростью u движущейся частицы:
Перейти на страницу:
1 2 3
TimeBiology