Физические методы исследования строения вещества. Методы исследования строения молекул

Введение

Эксперементальные методы

1 Рентгеноэлектронная спектроскопия

1.2 Ифракрасная спектроскопия

1.3 Дифракционные методы

Теоретические методы

1 Полуэмпирические методы

2 Неэмпирические методы

3 Кванто-механические методы

4 Метод Хюккеля

Заключение

Список использованных источников

ВВЕДЕНИЕ

В современной органической химии большое значение имеют различные физические методы исследования. Их можно разделить на две группы. К первой группе относятся методы, позволяющие получать различные сведения о строении и физических свойствах вещества, не производя в нем никаких химических изменений. Из методов этой группы, пожалуй, наибольшее применение получила спектроскопия в широком диапазоне областей спектра - от не слишком жестких рентгеновских лучей до радиоволн не очень большой длины. Ко второй группе относятся методы, в которых используются физические воздействия, вызывающие химические изменения в молекулах. В последние годы к ранее применявшимся широкоизвестным физическим средствам воздействия на реакционную способность молекулы прибавились и новые. Среди них особое значение имеют воздействия жестких рентгеновских лучей и потоков частиц больших энергий, получаемых в атомных реактора

Целью данной курсовой работы является - узнать о методах исследований строения молекул.

Задача курсовой работы:

выяснить виды методов и изучить их.

1. ЭКСПЕРЕМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ

1.1 Рентгеноэлектронная спектроскопия

Рисуник 1- Схема электронного спектрометра: 1-источник излучения; 2-образец; 3- анализатор; 4-детектор; 5-экран для защиты от магнитного поля

Рисунок 2- Рентгеноэлектронный спектр Сls этилтрифторацетата

РЭС позволяет исследовать все элементы, кроме Н, при содержании их в образце ~ 10 -5 г (пределы обнаружения элемента с помощью РЭС 10 -7 -10 -9 г). Относительное содержание элемента может составлять доли процента. Образцы могут быть твердыми, жидкими или газообразными. Величина E св электрона <#"606051.files/image003.gif">

По такой же формуле рассчитывают и атомный фактор, при этом описывает распределение рассеивающей плотности внутри атома. Значения атомного фактора специфичны для каждого вида излучения. Рентгеновские лучи рассеиваются электронными оболочками атомов. Соответствующий атомный фактор численно равен числу электронов в атоме, если выражен в названии электронных единицах, т. е. в относительных единицах амплитуды рассеяния рентгеновского излучения одним свободном электроне. Рассеяние электронов определяется электростатическим потенциалом атома. Атомный фактор для электрона связан соотношением:

исследование молекула спектроскопия дифракционный квантовый

Рисунок 2- Зависимость абсолютных значений атомных факторов рентгеновских лучей (1), электронов (2) и нейтронов (3) от угла рассеяния

Рисунок 3- Относительная зависимость усредненных по углу атомных факторов рентгеновских лучей (сплошная линия), электронов (штриховая)и нейтронов от атомного номера Z

При точных расчетах рассматривают отклонения распределения электронной плотности или потенциала атомов от сферической симметрии и название атомно-температурный фактор, учитывающий влияние тепловых колебаний атомов на рассеяние. Для излучения помимо рассеяния на электронных оболочках атомов существует роль может играть резонансное рассеяние на ядрах. Фактор рассеяния f м зависит от волновых векторов и векторов поляризации падающей и рассеянной волн. Интенсивность I(s) рассеяния объектом пропорциональна квадрату модуля амплитуды: I(s)~|F(s)| 2 . Экспериментально можно определить лишь модули |F(s)|, а для построения функции рассеивающей плотности (r) необходимо знать также фазы (s) для каждого s. Тем не менее теория дифракционных методов позволяет по измеренным I(s) получить функцию (r), т. е. определить структуру веществ. При этом лучшие результаты получают при исследовании кристаллов. Структурный анализ. Монокристалл представляет собой строго упорядоченную систему, поэтому при дифракции образуются лишь дискретные рассеянные пучки, для которых вектор рассеяния равен вектору обратной решетки.

Для построения функции (х, у, z)по экспериментально определяемым величинам применяют метод проб и ошибок, построение и анализ функции межатомных расстояний, метод изоморфных замещений, прямые методы определения фаз. Обработка экспериментальных данных на ЭВМ позволяет восстанавливать структуру в виде карт распределения рассеивающей плотности. Структуры кристаллов изучают с помощью рентгеновского структурного анализа. Этим методом определено более 100 тысяч структур кристаллов.

Для неорганических кристаллов с применением различных методов уточнения (учет поправок на поглощение, анизотропию атомно-температурного фактора и т. д.) удается восстановить функцию с разрешением до 0.05

Рисунок 4- Проекция ядерной плотности кристаллической структуры

Это позволяет определять анизотерапию тепловых колебаний атомов, особенности распределения электронов, обусловленные химической связью, и т. д. С помощью рентгеноструктурного анализа удается расшифровывать атомные структуры кристаллов белков, молекулы которых содержат тысячи атомов. Дифракция рентгеновских лучей используется также для изучения дефектов в кристаллах (в рентгеновской топографии), исследования приповерхностных слоев (в рентгеновской спектрометрии), качественного и количественного определения фазового состава поликристаллических материалов. Электронография как метод изучения структуры кристаллов имеет след. особенности: 1) взаимодействие вещества с электронами намного сильнее, чем с рентгеновскими лучами, поэтому дифракция происходит в тонких слоях вещества толщиной 1 -100 нм; 2) f э зависит от атомного ядра слабее, чем f р, что позволяет проще определять положение легких атомов в присутствии тяжелых; Структурная электронография широко применяется для исследования тонкодисперсных объектов, а также для изучения разного рода текстур (глинистые минералы, пленки полупроводников и т. п.). Дифракция электронов низких энергий (10 -300 эВ, 0.1-0.4 нм) - эффективный метод исследования поверхностей кристаллов: расположения атомов, характера их тепловых колебаний и т. д. Электронная микроскопия восстанавливает изображение объекта по дифракционной картине и позволяет изучать структуру кристаллов с разрешением 0.2-0.5 нм. Источниками нейтронов для структурного анализа служат ядерные реакторы на быстрых нейтронах, а также импульсные реакторы. Спектр пучка нейтронов, выходящих из канала реактора, непрерывен вследствие максвелловского распределения нейтронов по скоростям (его максимум при 100°С соответствует длине волны 0.13 нм).

Монохроматизацию пучка осуществляют разными способами - с помощью кристаллов-монохроматоров и др. Нейтронографию используется, как правило, для уточнения и дополнения рентгеноструктурных данных. Отсутствие монотонной зависимости f и от атомного номера позволяет достаточно точно определять положение легких атомов. Кроме того, изотопы одного в того же элемента могут иметь сильно различающиеся значения f и (так, f и углеводорода 3.74.10 13 см, у дейтерия 6.67.10 13 см). Это дает возможность изучать расположение изотопов и получать дополнит. сведения о структуре путем изотопного замещения. Исследование магнитного взаимодействия. нейтронов с магнитнами моментами атомов дает информацию о спинах магнитного атомов. Мёссбауэровское -излучение отличается чрезвычайно малой шириной линии - 10 8 эВ (тогда как ширина линии характеристических излучения рентгеновских трубок. 1 эВ). Это обусловливает высокую временную и пространств. согласованность резонансного ядерного рассеяния, что позволяет, в частности, изучать магнитное поле и градиент электрического поля на ядрах. Ограничения метода - слабая мощность мёссбауэровских источников и обязательное присутствие в исследуемом кристалле ядер, для которых наблюдается эффект Мёссбауэра. Структурный анализ некристаллическихвеществ.Отдельные молекулы в газах, жидкостях и твердых аморфных телах по-разному ориентированы в пространстве, поэтому определить фазы рассеянных волн, как правило, невозможно. В этих случаях интенсивность рассеяния обычно представляют с помощью т. наз. межатомных векторов r jk , которые соединяют пары различных атомов (j и k) в молекулах: r jk = r j - r k . Картина рассеяния усредняется по всем ориентациям:

.1 Полуэмпирические методы

Полуэмпирические методы квантовой химии, методы расчета мол. характеристик или свойств вещества с привлечением экспериментальных данных. По своей сути полуэмпирические методы аналогичны неэмпирическим методам решения уравнения Шрёдингера для многоатомных систем, однако для облегчения расчетов в полуэмпирических методах вводятся дополнит. упрощения. Как правило, эти упрощения связаны с валентным приближением, т. е. основаны на описании лишь валентных электронов, а также с пренебрежением определенными классами молекулярных интегралов в точных уравнениях того неэмпирического метода, в рамках которого проводится полуэмпирический расчет.

Выбор эмпирических параметров основан на обобщении опыта неэмпирических расчетов, учете химических представлений о строении молекул и феноменологических закономерностей. В частности, эти параметры необходимы для аппроксимации влияния внутренних электронов на валентные, для задания эффективных потенциалов, создаваемых электронами остова, и т.п. Использование экспериментальных данных для калибровки эмпирических параметров позволяет устранить ошибки, обусловленные упомянутыми выше упрощениями, однако лишь для тех классов молекул, представители которых служат опорными молекулами, и лишь для тех свойств, по которым параметры определялись.

Наиболее распространены полуэмпирические методы, основанные на представлениях о мол. орбиталях (см. Молекулярных орбиталей методы, Орбиталь). В сочетании с ЛКАО-приближением это позволяет выразить гамильтониан молекулы через интегралы на атомных орбиталях. При построении полуэмпирических методов в мол. интегралах выделяют произведения орбиталей, зависящих от координат одного и того же электрона (дифференциальное перекрывание), и пренебрегают некоторыми классами интегралов. Напр., если нулевыми считаются все интегралы, содержащие дифференциальное перекрывание cаcb при а. b, получается т. наз. метод полного пренебрежения дифференциала. перекрыванием (ППДП, в англ. транскрипции CNDO-complete neglect of differential overlap). Применяют также частичное или модифицированное частичное пренебрежение дифференциальное перекрыванием (соотв. ЧПДП или МЧПДП, в английской транскрипции INDO- intermediate neglect of differential overlap и MINDO-modified INDO), пренебрежение двухатомным дифференциальное перекрыванием - ПДДП, или neglect of diatomic differential overlap (NDDO), - модифицирование пренебрежение двухатомным перекрыванием (МПДП, или modified neglect of diatomic overlap, MNDO). Как правило, каждый из полуэмпирических методов имеет несколько вариантов, которые принято указывать в названии метода цифрой или буквой после косой черты. Напр., методы ППДП/2, МЧПДП/3, МПДП/2 параметризованы для расчетов равновесной конфигурации ядер молекулы в основном электронном состоянии, распределения заряда, потенциалов ионизации, энтальпий образования химических соединений, метод ЧПДП используется для расчета спиновых плотностей. Для расчета энергий электронного возбуждения применяют спектроскопическую параметризацию (метод ППДП/С). Распространено также использование в названиях полуэмпирических методов соответствующих программ для ЭВМ. Напр., один из расширенных вариантов метода МПДП называют Остинской моделью, как и соответствующую программу (Austin model, AM). Имеется несколько сотен различных вариантов полуэмпирических методов, в частности разработаны полуэмпирические методы, аналогичные конфигурационного взаимодействия методу. При внешних схожести разных вариантов полуэмпирических методов каждый из них можно применять для расчета лишь тех свойств, по которым проведена калибровка эмпирических параметров. В наиб. простых Полуэмпирических расчетах каждая мол. орбиталь для валентных электронов определяется как решение одноэлектронного уравнения Шрёдингера с оператором Гамильтона, содержащим модельный потенциал (псевдопотенциал) для электрона, находящегося в поле ядер и усредненном поле всех остальных электронов системы. Такой потенциал задают непосредственно с помощью элементарных функций или основанных на них интегральных операторов. В сочетании с ЛКАО-приближением подобный подход позволяет для многих сопряженных и ароматического мол. систем ограничиться анализом p-электронов (см. Хюккеля метод), для координационной соединений-пользоваться расчетными методами поля лигандов теории и кристаллического поля теории и т.п. При изучении макромолекул, напр. белков, или кристаллических образований нередко пользуются полуэмпирическими методами, в которых электронное строение не анализируется, а определяется непосредственно поверхность потенциальной энергии. Энергию системы приближенно считают суммой парных потенциалов взаимодействия атомов, напр. потенциалов Морса (Морзе) или Леннард-Джонса (см. Меж молекулярные взаимодействия). Такие полуэмпирические методы позволяют проводить расчет равновесной геометрии, конформационных эффектов, энергии изомеризации и т.п. Нередко парные потенциалы дополняют определенными для отдельных фрагментов молекулы многочастичными поправками. Полуэмпирические методы такого типа, как правило, относят к молекулярной механике. В более широком смысле к полуэмпирическим методам относятся любые методы, в которых определенные решением обратных задач параметры мол. системы используются для предсказаний новых экспериментальных данных, построения корреляционных соотношений. В этом смысле полуэмпирическими методами являются методы оценки реакционной способности, эффективных зарядов на атомах и т. п. Сочетание полуэмпирического расчета электронного строения с корреляц. соотношениями позволяет оценивать биологическую активность различных веществ, скорости химических реакций, параметры технологических процессов. К полуэмпирическим методам относятся и некоторые аддитивные схемы, напр. применяемые в химической термодинамике методы оценки энергии образования как суммы вкладов отдельных фрагментов молекулы. Интенсивное развитие полуэмпирических методов и неэмпирических методов квантовой химии делает их важными средствами современные исследования механизмов хим. превращений, динамики элементарного акта хим. реакции, моделирования биохимических и технологических процессов. При правильном использовании (с учетом принципов построения и способов калибровки параметров) полуэмпирические методы позволяют получить надежную информацию о строении и свойствах молекул, их превращениях.

2.2Неэмпирические методы

Принципиально иное направление расчетной квантовой химии, сыгравшее огромную роль в современном развитии химии в целом, состоит в полном или частичном отказе от вычисления одноэлектронных (3.18) и двухэлектронных (3.19)-(3.20) интегралов, фигурирующих в методе ХФ. Вместо точного оператора Фока используется приближенный, элементы которого получают эмпирическим путем. Параметры оператора Фока подбирают для каждого атома (иногда с учетом конкретного окружения) или для пар атомов: они либо являются фиксированными, либо зависят от расстояния между атомами. При этом часто (но не обязательно - см. ниже) предполагается, что многоэлектронная волновая функция является однодетерминантной, базис - минимальным, а атомные орбитали Х; - симметричными ортогональными комбинациями ОСТ Хг Такие комбинации легко получить, аппроксимируя исходные АО функциями Слейтера "Xj (2.41) с помощью преобразования Полуэмпирические методы работают гораздо быстрее, чем неэмпирические. Они применимы к большим (часто - к очень большим, например, биологическим) системам и для некоторых классов соединений дают более точные результаты. Однако следует понимать, что это достигается за счет специально подобранных параметров, справедливых лишь в пределах узкого класса соединений. При переносе на другие соединения те же методы могут дать абсолютно неверные результаты. Кроме того, параметры часто подбираются таким образом, чтобы воспроизводить только определенные молекулярные свойства, поэтому придавать физический смысл отдельным параметрам, используемым в схеме расчета, не следует. Перечислим основные приближения, используемые в полуэмпирических методах.

Рассматриваются только валентные электроны. Считают, что электроны, относящиеся к атомным остовам, лишь экранируют ядра. Поэтому влияние этих электронов учитывают, рассматривая взаимодействие валентных электронов с атомными остовами, а не с ядрами, и вводя энергию отталкивания остовов вместо энергии межъядерного отталкивания. Поляризацией остовов пренебрегают.

В МО учитывают только АО с главным квантовым числом, соответствующим высшим заселенным электронами орбиталям изолированных атомов (минимальный базис). Предполагают, что базисные функции образуют набор ортанормированных атомных орбиталей- ОСТ, ортогонализованных по Лёвдину.

Для двухэлектронных кулоновских и обменных интегралов вводят приближение нулевого дифференциального перекрывания (НДП) .

Молекулярной структуре в пределах структурной области может соответствовать набор модификаций молекулы, сохраняющих одинаковую систему валентных химических связей при разной пространствеиной организации ядер. В этом случае глубокий минимум ППЭ дополнительно имеет несколько неглубоких (эквивалентных или неэквивалентных по энергии) минимумов, разделенных небольшими потенциальными барьерами. Различные пространствеиные формы молекулы, преобразующиеся друг в друга в пределах данной структурной области путем непрерывного изменения координат атомов и функциональных групп без разрыва или образования химических связей, составляют множество конформаций молекулы. Набор конформаций, энергии которых меньше намнизшего барьера, примыкающего к данной структурной области ППЭ, называется конформационным изомером, или конформером. Конформеры, соответствующие локальным минимумам ППЭ, называются устойчивыми или стабильными. Таким образом, молекулярную структуру можно определить как совокупность конформаций молекулы в определенной структурной области Часто встречающимся в молекулах типом конформационного перехода является вращение отдельных групп атомов относительно связей: говорят, что имеет место внутреннее вращение, а различные конформеры называют вращательными изомерами, или ротамерами. При вращении меняется и электронная энергия, причем ее значение в процессе такого движения может проходить через максимум; в этом случае говорят о барьере внутреннего вращения. Последние во многом обусловлены способностью этих молекул легко адаптировать структуру при взаимодействии с разными системами. Каждому энергетическому минимуму ППЭ соответствует пара энантиомеров с одинаковой энергией - правый (R) и левый (S). Эти пары имеют энергии, отличающиеся всего на 3.8 ккал/моль, однако они разделены барьером высотой 25.9 ккалjмоль и, следовательно, весьма устойчивы при отсутствии внешних воздействий. Результаты квантово-химических расчетов энергий барьеров внутреннего вращения для некоторых молекул и соответствующие экспериментальные значения. Теоретические и экспериментальные величины барьеров вращения для связей С-С, С-Р, C-S отличаются всего на 0.1 ккал/моль; для связей С-0, C-N, C-Si, несмотря на использование базисного набора с включением поляризационных функций (см. ниже), разница заметно выше. 1"ем не менее, можно констатировать удовлетворительную точность расчета энергий барьеров внутреннего вращения методом ХФ.

Подобные расчеты энергий барьеров внутреннего вращения для простых молекул помимо спектроскопических приложений важны как критерий качества того или иного расчетного метода. Большого внимания заслуживает внутреннее вращение в сложных молекулярных системах, например, в полипептидах и белках, где этот эффект обусловливает мноmе биологически важные функции этих соединений. Вычисление поверхностей потенциальной энергии для таких объектов представляет собой сложную задачу как в теоретическом, так и в практическом плане. Распространенным видом конформационного перехода является инверсия, такая, какая имеет место в пирамидальных молекулах типа АХ3 (А= N, Si, Р, As, Sb; Х =Н, Li, F и др.). В этих молекулах атом А может занимать позиции как выше, так и ниже плоскости, образованной тремя атомами Х. Например, в молекуле аммиака NH3 метод ХФ дает величину энергетического барьера, равную 23,4 ккал/моль; это неплохо согласуется с экспериментальным значением барьера инверсии - 24.3 ккал/моль. Если барьеры между минимумами ППЭ сопоставимы с тепловой энергией молекулы, это приводит к эффекту структурной нежесткости молекулы; конформационные переходы в таких молекулах происходят постоянно. Для решения уравнений ХФ применяется метод самосогласованного поля. В процессе решения оптимизируются только орбитали, занятые электронами, следовательно, энергии лишь этих орбиталей находят физически обоснованно. Однако метод. ХФ дает и характеристики свободных орбиталей: такие молекулярные спин-орбитали называются виртуальными. К сожалению, они описывают возбужденные энергетические уровни молекулы с погрешностью около 100%, и применять их для трактовки спектроскопических данных следует с осторожностью - для этого существуют другие методы. Также как и для атомов, метод ХФ для молекул имеет различные версии, в зависимости от того, является ли однодетерминантная волновая функция собственной функцией оператора квадрата полного спина системы S2 или нет. Если волновая функция построена из пространствеиных орбиталей, занятых парой электронов с противоположными спинами (молекулы с замкнутыми оболочками), это условие выполняется, а метод называется ограниченным методом Хартри-Фока (ОХФ). Если требование быть собственной функцией оператора на волновую функцию не накладывается, то каждая молекулярная спин-орбиталь отвечает определенному спиновому состоянию (а или 13), то есть электроны с противоположными спинами занимают разные спин-орбитали. Такой метод обычно применяется для молекул с открытыми оболочками и называется неограниченным методом ХФ (НХФ), или методом разных орбиталей для разных спинов. Иногда низколежащие энергетические состояния описывают орбиталями, дважды занятыми электронами, а валентные состояния описывают однократно занятыми молекулярными спин-орбиталями; этот метод назьmается ограниченным методом Хартри-Фока для открытых оболочек (ОХФ- 00). Как и в атомах волновая функция молекул с открытыми оболочками не соответствует чистому спиновому состоянию, и могут возникать решения, у которых симметрия волновой функции по спину понижена. Они называются НХФ-нестабильными решениями.

2.3 Квантово-механические методы

Успехи теоретической химии, развитие квантовой механики создали возможность приближенных количественных расчетов молекул. Известно два важнейших метода расчета: метод электронных пар, называемый также методом валентных связей, и метод молекулярных орбит. Первый из этих методов, разработанный Гейтлером и Лондоном для молекулы водорода, приобрел широкое распространение в 30-х годах нынешнего столетия. В последние годы все большее значение приобретает метод молекулярных орбит (Гунд, Э. Хюккель, Мулликен,Герц-берг, Ленард-Джонс).

В этом приближенном методе расчета состояние молекулы описывается так называемой волновой функцией ψ, которая составляется по определенному правилу из ряда слагаемых:

Сумма этих слагаемых должна учитывать все возможные комбинации, возникающие в результате попарного связывания атомов углерода за счет π-электронов.

Для того чтобы облегчить расчет волновой функции ψ, отдельные слагаемые (C1ψ1, C2ψ2 и т. д.) условно изображаются графически в виде соответствующих валентных схем, которые используются как вспомогательные средства при математическом расчете. Например, когда указанным способом рассчитывают молекулу бензола и принимают во внимание только π-элек-троны, то таких слагаемых получается пять. Этим слагаемым соответствуют следующие валентные схемы:

Часто приведенные валентные схемы изображают с учетом σ-связей, например для бензола

Такие валентные схемы называют «невозмущенными структурами» или «предельными структурами»

Функции ψ1, ψ2, ψ3 и т. д. различных предельных структур входят в волновую функцию ψ с тем большими коэффициентами (с тем большим весом), чем меньше энергия, рассчитанная для соответствующей структуры. Электронное состояние, соответствующее волновой функции ψ, наиболее устойчиво сравнительно с электронными состояниями, изображаемыми функциями ψ1, ψ2, ψ3 и т. д.; энергия же состояния, изображаемого функцией ψ (реальной молекулы), естественно, является наименьшей сравнительно с энергиями предельных структур.

При расчете молекулы бензола по методу электронных пар учитываются пять предельных структур (I-V). Две из них тождественны классической структурной формуле Кекуле и три-формуле Дьюара. Так как энергия электронных состояний, соответствующих предельным структурам III, IV и V, выше, чем для структур I и II, то вклад структур III, IV и V в смешанную волновую функцию молекулы бензола ψменьше, чем вклад структур I и II. Поэтому в первом приближении для изображения распределения электронной плотности в молекуле бензола достаточно двух эквивалентных структур Кекуле.

Предельные структуры не соответствуют каким-либо реальным электронным состояниям в невозбужденных молекулах, однако не исключено, что они могут осуществляться в возбужденном состоянии или в момент реакции.

Вышеизложенная качественная сторона теории резонанса совпадает с концепцией мезомерии, несколько ранее развитой Инголдом и независимо от него Арндтом.

Согласно этой концепции, истинное состояние молекулы является промежуточным («мезомерным») между состояниями, изображенными двумя или несколькими «предельными структурами», которые можно написать для данной молекулы, пользуясь правилами валентности.

Кроме этого основного положения теории мезомерии, к ее аппарату относятся хорошо разработанные представления об электронных смещениях, в обосновании, интерпретации и опытной проверке которых важная роль принадлежит Инголду. Согласно Инголду, механизмы электронных смещений (электронных эффектов) различны в зависимости от того, осуществляется ли взаимное влияние атомов через цепь простых или сопряженных двойных связей. В первом случае это - индукционный эффект I (или также статический индукционный эффект Is), во втором случае - мезомерный эффект М (статический эффект сопряжения).

В реагирующей молекуле электронное облако может поляризоваться по индукционному механизму; такое электронное смещение называется индуктомерным эффектом Id. В молекулах с сопряженными двойными связями (и в ароматических молекулах) поляризуемость электронного облака в момент реакции обусловлена электромерным эффектом E (динамический эффект сопряжения).

Теория резонанса не вызывает никаких принципиальных возражений, пока речь идет о способах изображения молекул, но она имеет и большие претензии. Аналогично тому, как в методе электронных, пар волновая функция описывается линейной комбинацией других волновых функций ψ1, ψ2, ψ3 и т. д., теория резонанса предлагает описывать истинную волновую функцию ψмолекулы в виде линейной комбинации волновых функций предельных структур.

Однако математика не дает критериев для выбора тех или иных «резонансных структур»: ведь в методе электронных пар волновую функцию можно представить не только как линейную комбинацию волновых функций ψ1, ψ2, ψ3 и т. д., но и как линейную комбинацию любых других функций, подобранных с определенными коэффициентами. Выбор же предельных структур может быть сделан только на основе химических соображений и аналогий, т. е. здесь концепция резонанса по существу не дает ничего нового по сравнению с концепцией мезомерии.

При описании распределения электронной плотности в молекулах с помощью предельных структур необходимо постоянно иметь в виду, что отдельно взятые предельные структуры не соответствуют какому-либо реальному физическому состоянию и что никакого физического явления «электронного резонанса» не существует.

Из литературы известны многочисленные случаи, когда сторонники концепции резонанса приписывали резонансу смысл физического явления и считали, что за определенные свойства веществ ответственны те или иные отдельные предельные структуры. Возможность возникновения таких ошибочных представлений заложена во многих пунктах концепции резонанса. Так, когда говорят о «различных вкладах предельных структур» в реальное состояние молекулы, легко может возникнуть представление о реальном существовании этих соотношений. Реальная молекула в концепции резонанса считается «резонансным гибридом»; этот термин может навести на мысль о якобы реальном взаимодействии предельных структур, подобно гибридизации атомных орбит.

Неудачен также термин «стабилизация за счет резонанса», так как стабилизация молекулы не может быть обусловлена несуществующим резонансом, а представляет собой физическое явление делокализации электронной плотности, характерное для сопряженных систем. Целесообразно поэтому это явление называть стабилизацией за счет сопряжения. Энергия сопряжения (энергия делокализации, или энергия мезомерии) может быть определена экспериментальным путем, независимо от «энергии резонанса», вытекающей из квантово-механических расчетов. Это - разность между энергией, вычисленной для гипотетической молекулы с формулой, соответствующей одной из предельных структур, и энергией, найденной экспериментально для реальной молекулы.

С указанными выше оговорками способ описания распределения электронной плотности в молекулах с помощью нескольких предельных структур несомненно может быть использован наряду с двумя другими также весьма распространенными способами.

2.4 Метод Хюккеля

Хюккеля метод, квантовохимический метод приближенного расчета энергетических уровней и мол. орбиталей ненасыщенных орг. соединений. Основан на предположении, согласно которому движение электрона вблизи атомного ядра в молекуле не зависит от состояний или числа др. электронов. Это позволяет максимально упростить задачу определения мол. орбиталей (МО) в представлении линейной комбинацией атомных орбиталей. Метод предложен Э. Хюккелем в 1931 для расчета электронного строения углеводородов с сопряженными связями. Считается, что атомы углерода сопряженной системы лежат в одной плоскости, относительно которой высшие занятые и низшие виртуальные (свободные) МО (граничные мол. орбитали) антисимметричны, т. е. являются орбиталями, образованными атомными 2рz-орбиталями (АО) соответствующих атомов С. Влиянием остальных атомов, напр. Н, или мол. фрагментов с насыщенными связями пренебрегают. Предполагается, что каждый из М атомов углерода сопряженной системы вносит в систему один электрон и описывается одной атомной 2рz-орбиталью(k = 1, 2, ..., М). Простая модель электронного строения молекулы, даваемая Хюккеля методом, позволяет понять многие хим. явления. Например неполярность альтернантных углеводородов обусловлена тем, что эффективные заряды на всех атомах углерода равны нулю. Напротив, неальтернантная конденсированная система 5- и 7-членного циклов (азулен) имеет дипольный момент ок. 1Д (3.3 x 10 -30 Кл x м). В нечетных альтернантных углеводородах основное энергетическое. состояние отвечает электронной системе, в которой есть хотя бы одна однократно занятая орбиталь. Можно показать, что энергия этой орбитали та же, что и в свободном атоме, в связи с чем она наз. несвязывающей МО. Удаление или добавление электрона изменяет заселенность лишь несвязывающей орбитали, что влечет появление заряда на некоторых атомах, который пропорционален квадрату соответствующего коэффициент в разложении несвязывающей МО по АО. Для определения такой МО применяют простое правило: сумма коэффициент Ck для всех атомов, соседних с любым данным, должна быть равна нулю. Кроме того, значения коэффициент должны отвечать дополнит. условию нормировки: Это приводит к характерному чередованию (альтернированию) зарядов на атомах в мол. ионах альтернантных углеводородов. В частности, указанное правило объясняет выделение по хим. свойствам орто- и пара-положений в бензольном ядре по сравнению с мета-положением. Закономерности, установленные в рамках простого Хюккеля метода, искажаются при более полном учете всех взаимодействие в молекуле. Однако обычно влияние множества разнородных дополнит, факторов (например электронов остова, заместителей, межэлектронного отталкивания и т. п.) качественно не меняет орбитальную картину электронного распределения. Поэтому Хюккеля метод часто используют для моделирования сложных механизмов реакций с участием орг. соединений. При введении в молекулу гетероатомов (N, О, S, ...) существенными становятся параметры матрицы H, принимаемые для гетероатома и для атомов углерода. В отличие от случая полиенов, разные типы атомов или связей описываются разными параметрами или и их соотношение существенно влияет на вид МО; качество предсказаний, получаемых в рамках простого Хюккеля метода, как правило, в итоге ухудшается. Простой по своей идее, наглядный и не требующий сложных вычислений Хюккеля метод является одним из наиболее распространенных средств создания квантовохимической модели электронного строения сложных мол. систем. Наиб. эффективно его применение в тех случаях, когда свойства молекулы определяются в основные топологические структурой хим. связей, в частности симметрией молекулы. Попытки построить улучшенные варианты Хюккеля метода в рамках простых молекулярных орбиталей методов имеют мало смысла, т. к. приводят к методикам расчета, сравнимым по сложности с более точными методами квантовой химии.

Заключение

В настоящее время создана «целая отрасль науки - квантовая химия, занимающаяся приложением квантово-механических методов к химическим проблемам. Однако было бы принципиально ошибочным думать, что все вопросы строения и реакционной способность органических соединений могут быть сведены к задачам квантовой механики. Квантовая механика изучает законы движения электронов и ядер, т. е. законы низшей формы движения, сравнительно с той, которую изучает химия (движение атомов и молекул), а высшая форма движения никогда не может быть сведена к низшей. Даже для весьма простых молекул такие вопросы, как реакционная способность веществ, механизм и кинетика их превращений, не могут быть изучены только методами квантовой механики. Основой изучения химической формы движения материи являются химические методы исследования, и ведущая роль в развитии химии принадлежит теории химического строения.

Мы рассмотрели так подробно вопрос о формировании понятий о химических явлениях потому, что это, как мы указали выше, ключ к успешному формированию понятий о веществах и химических элементах. В ряду химических понятий - химическая реакция, вещество, химический элемент - каждое предыдущее составляет основу для формирования последующего. Поэтому все условия, определяющие успех формирования понятий о химических реакциях, сохраняют свою силу и при формировании понятий о веществах и химических элементах. Вместе с тем при формировании этих понятий огромное значение приобретает ряд новых обстоятельств. Сначала мы рассмотрим эти обстоятельства применительно к формированию понятий о веществах, а потом о химических элементах.

Среди условий, определяющих успех формирования понятий о веществах, одним из решающих является правильный подход к изучению их. Этот подход не остается неизменным: он все более расширяется и углубляется по мере овладения теоретическими знаниями и обобщениями.

В VII и VIII классах большинство веществ изучается по следующему плану: химический состав, физические свойства (агрегатное состояние, цвет, запах, вкус, удельный вес и др.), отношение вещества к воде, химические свойства (отношение к простым веществам, к окислам, основаниям, кислотам и солям, к нагреванию, к электрическому току), физиологическое действие (в отдельных случаях), сходство по свойствам с другими веществами и отличие от них, применение веществ в промышленности, в сельском хозяйстве, в быту, нахождение в природе и способы получения.

Конкретность образующихся при этом понятий о веществах зависит главным образом от того, какие химические свойства (химические реакции веществ) изучаются. Изучение химических свойств металлов ограничивается рассмотрением отношения их к кислороду и к кислотам; изучение неметаллов - отношением их к кислороду (для углерода, серы и фосфора). Окислы металлов рассматриваются в отношении к водороду, окиси углерода, к кислотам и щелочам; основания - в отношении к кислотам, кислотным окислам и солям; кислоты - в отношении к металлам, окислам металлов, основаниям и солям. Отбор только этих химических реакций для характеристики химических свойств металлов и неметаллов, окислов, оснований, кислот и солей обусловливается тем, что это доступные пониманию и жизненно важные реакции. Истолкование сущности химических реакций производится с точки зрения атомно-молекулярного учения. Этим определяется глубина изучения их.

Важным моментом, характеризующим химическую природу веществ, является получение их. Однако в VII-VIII классах изучается получение немногих веществ: кислорода, водорода, углекислого газа, окиси углерода - и изучаются общие способы получения кислот, щелочей и солей. Это сделано потому, что получение многих веществ (например, серной и азотной кислот и т. д.) при отведенном для химии в восьмилетней школе времени и установленном объеме учебного материала является весьма сложным и недоступным. Ознакомление с получением веществ- задача IX-XI классов. В курсе химии для восьмилетней школы упор сделан на ознакомление учащихся с химическим составом, физическими и химическими свойствами и применением веществ.

Как ни узок круг знаний, приобретаемых в VII-VIII классах, он все же создает основу для предвидения свойств веществ. Так, опираясь на знания, приобретаемые в VII-VIII классах, учащиеся могут предсказывать:

а) химический состав окислов металлов, оснований и солей (соляной, серной, азотной кислот), весовой состав этих соединений, весовое содержание определенного элемента в определенном количестве вещества;

б) химические реакции окислов, кислот, оснований и солей и весовые отношения, в которых реагируют эти вещества;

в) получение кислот, солей и оснований, опирающееся на взаимодействие их между собой, а также получение солей при взаимодействии кислот с металлами и основными окислами и получение окислов прямым и косвенным способами.

Разумеется, эти предвосхищения должны подтверждаться эмпирическими данными, добытыми экспериментальным путем или сообщенными учителем. Развитие творческого подхода в изучении веществ составляет одну из важных задач преподавания химии. Поэтому прогноз химического состава и химических свойств веществ должен найти себе место как при изучении новых веществ, так и при решении различных количественных задач, например: «Какой качественный и количественный состав должен иметь азотнокислый кальций», «Какими тремя способами можно получить сернокислую медь», «Какие химические свойства имеет фосфорная кислота. Напишите уравнения реакций. Вычислите весовые отношения, в которых взаимодействуют и получаются вещества».

Свойства изученных веществ обязательно сравниваются между собой. Нахождение сходства и отличия в свойствах веществ имеет большое значение как подготовка к последующему усвоению периодического закона.

В IX-X классах в связи с расширением круга знаний, на основе которых изучаются вещества, подход, метод изучения их значительно расширяется и углубляется. Огромную роль здесь играют следующие обстоятельства: а) ознакомление учащихся с понятиями грамм-атом и грамм-молекула, грамм-молекулярный объем и расширение на этой основе стехиометрических расчетов; б) изучение производственных способов получения веществ; в) ознакомление учащихся с естественными группами химических элементов, закономерностями изменения свойств простых веществ, а также форм и свойств соединений, образуемых этими элементами.

До изучения периодической системы химических элементов учащиеся могут предсказывать химический состав, способы по лучения и химические свойства многих веществ из числа изучаемых в IX классе, опираясь на знание общих химических свойств окислов, кислот, оснований и солей и общих способов их получения. В этом заключается творческий подход к изучению веществ. Усилению этого подхода содействует изучение научных принципов химического производства, а также решение количественных и качественных задач, в особенности экспериментальных задач различных типов и видов: получение и распознавание веществ, разделение смесей, объяснение химических реакций, предвидение характерных свойств веществ и т. д.

После изучения периодической системы Д. И. Менделеева и потом теории строения атомов и ионной теории происходит резкое углубление творческого подхода к изучению веществ Теперь вещества изучаются с точки зрения общей связи химических элементов, выраженной в периодическом законе, а их химические свойства - с электронно-ионной точки зрения. Учащиеся могут предугадывать свойства простых веществ, а также формы и свойства их соединений, более глубоко понимать характер химической связи элементов в соединениях, а также химические свойства и получение веществ.

В этих классах следует показать учащимся, что противоречивая природа атомов (они состоят из ядра, имеющего положи тельный заряд, и электронов, несущих отрицательные электрические заряды), а также периодическое изменение строения их обусловливает особенности свойств веществ и их превращений

Представляется возможным также показать скачкообразное образование веществ нового качества путем прибавления или убавления атомов в молекулах, а также наличие в химических реакциях и веществах противоположных тенденций. На примере кислорода и озона, сернистого газа и серного ангидрида, сернистой и серной кислот, закиси, окиси и двуокиси азота и других веществ учитель разъясняет, что накопление атомов в молекулах обязательно ведет к образованию качественно новых веществ.

Кислоты и основания, окислители и восстановители, основные, кислотные и амфотерные окислы и другие вещества являются хорошими примерами, иллюстрирующими наличие в веществах противоположных тенденций.

Систематическое наблюдение учащимися изменения качества веществ в связи с изменением числа атомов в молекулах, постоянный показ противоположных тенденций в веществах и их химических свойствах способствует накоплению фактов, необходимых для формирования диалектико-материалистического мировоззрения.

В XI классе при изучении органической химии подход к изучению веществ все более расширяется и углубляется. Знакомство со структурной теорией открывает возможность изучать структуру вещества, а знакомство с органическими соединениями - не только отношение изучаемых веществ к неорганическим, но также и к органическим соединениям. Возникает возможность определять структуру веществ исходя из их химических свойств, предсказывать химические свойства исходя из строения веществ, и прослеживать их генетическую связь, опираясь на знание химических свойств и строения.

Так постепенно все новые и новые знания входят в состав творческого метода овладения химической наукой.

Сказанное выше о постепенном расширении и углублении подхода к изучению веществ может быть представлено в виде таблицы (табл. 11).

Нетрудно обнаружить, что здесь в химических терминах и суждениях выражен и в посильной мере применяется диалектико-материалистический подход к изучению вещества: конкретное рассмотрение вещества, ознакомление с составными частями его и связями этих частей между собой, изучение главных существенных и закономерных связей и отношений данного вещества к другим веществам и к физическим факторам (химические свойства), ознакомление с переходом вещества в качественно новые вещества при химических реакциях, рассмотрение способов получения и практического применения вещества, показ исторического характера химических знаний, их постепенного расширения и углубления, разъяснение роли практики как определителя знаний человека и критерия истины.

Таблица 11

Постепенное изменение подхода к изучению веществ

1. Физические свойства (физическое состояние, цвет, запах, вкус, удельный вес, молекулярный вес и др.)		То же и, кроме того, вес грамм- атома, грамм- молекулы, грамм- молекулярный объем	То же и, кроме того, вес 1 л газа при нормальных условиях
2. Химический состав. Первые попытки экспериментального доказательства химического состава; предвидение состава некоторых веществ (например, окислов металлов, солей, оснований); исходя из валентности элементов и остатков (водного и кислотных)	То же и, кроме того, предвидение состава окислов, оснований и солей, исходя из валентности элементов и остатков (водного и кислотных). Расширение экспериментального доказательства состава веществ, опираясь на отдельные характерные реакции их	То же и, кроме того, предвидение форм соединений исходя из положения элемента в периодической системе. Разъяснение характера химической связи элементов в соединении исходя из строения атомов и свойств элементов	То же и, кроме того, изучение структуры веществ и предвидение ее исходя из валентности элементов и химических свойств веществ
3. Химические свойства: отношение к воде, к кислороду, водороду, углю, металлам, к окислам металлов, основаниям, кислотам, к нагреванию и электрическому току; объяснение этих свойств с точки зрения атомномолекулярной теории; первые попытки предвидения химических свойств металлов, кислот и других веществ	То же и, кроме того, отношение к солям и кислотным окислам- расширение предвидения химических свойств веществ, опираясь на знание общих химических свойств оснований, кислот и солей; прослеживание генетических связей неорганических веществ	То же и, кроме того, предвидение свойств простых веществ и химических соединений элементов исходя из положения их в периодической системе, объяснение химических свойств веществ с электронноионной точки зрения; изменение свойств веществ в связи с прибавлением и убавлением атомов в молекулах; противоречивый характер свойств веществ в связи с противоречивым характером строения составляющих их элементов; изменение свойств веществ под воздействием среды	То же и, кроме того, отношение вешеств к органическим соединениям, объяснение химических свойств вешеств с точки зрения структурной теории и предвидение свойств веществ исходя из их строения; прослеживание генетических связей органических веществ
4. Физиологическое действие
5. Сходство данного вещества с другими веществами и отличие его от этих веществ. Г Отнесение веществ к известным учащимся классам			То же и, кроме того, изомерия и гомология
6. Нахождение веществ в природе и посильное объяснение форм нахождения исходя из химических свойств веществ
7. Применение веществ в промышленности, в сельском хозяйстве, и быту. Народнохозяйственное значение их.
8. Получение веществ, объяснение реакций получения веществ с точки зрения атомномолекулярной теории; предвидение способов получения некоторых веществ (например, окислов и солей)	То же и, кроме того, предвидение способов получения отдельных окислов, кислот, оснований и солей исходя из знания общих способов получения их; прослеживание генетических связей неорганических веществ	То же и, кроме того, получение некоторых веществ на производстве; предвидение способов получения аналогов и их соединений исходя из знания способов получения простых и сложных веществ одного из элементов данной естественной группы периодической системы, а также химических свойств этого элемента; объяснение реакций получения веществ с электронно-ионной точки зрения	То же и, кроме того, предвидение способов получения органических веществ на основании их общих свойств и генетических связей; прослеживание генетических связей органических веществ
9. История открытия и исследования веществ; роль производственной практики в этом деле; приоритет русских ученых в открытии и исследовании веществ

Уже в VII классе при изучении кислорода следует познакомить учащихся с подходом химии к изучению веществ, показав, что этот подход является одновременно и планом изучения. Тут же полезно записать его в тетради и вывесить в виде таблицы в кабинете.

Рентгеноструктурный анализ: 1) По дифракционным картинам, получаемым при прохождении через кристалл рентгеновского пучка, определяют межатомные расстояния и устанавливают структуру кристалла; 2) Широко применяется для определения структуры молекул белков и нуклеиновых кислот; 3) Длины и углы связей, точно установленные для малых молекул, используются как стандартные значения в предположении, что они сохраняются такими же и в более сложных полимерных структурах; 4) Одним из этапов определения структуры белков и нуклеиновых кислот является построение молекулярных моделей полимеров, согласующихся с рентгеновскими данными и сохраняющих стандартные значения длин связей и валентных углов

Ядерный магнитный резонанс: 1) В основе – поглощение электромагнитных волн в радиочастотном диапазоне ядрами атомов , обладающими магнитным моментом; 2) Поглощение кванта энергии происходит, когда ядра находятся в сильном магнитном поле ЯМР-спектрометра; 3) Различные по химическому окружению ядра поглощают энергию в несколько отличающемся по напряжению магнитном поле (или, при постоянном напряжении, несколько отличающиеся по частоте радиочастотные колебания ); 4) В результате получается спектр ЯМР вещества, в котором магнитно несимметричные ядра характеризуются определенными сигналами – «химическими сдвигами» по отношению к какому-либо стандарту; 5) Спектры ЯМР дают возможность определить число атомов данного элемента в соединении и число и характер других атомов, окружающих данный

Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР): 1) Используется резонансное поглощение излучения электронами

Электронная микроскопия: 1) Используют электронный микроскоп, увеличивающий объекты в миллионы раз; 2) Первые электронные микроскопы появились в 1939 г.; 3) Обладая разрешением ~0,4 нм, электронный микроскоп позволяет «увидеть» молекулы белков и нуклеиновых кислот, а также детали строения клеточных органелл; 4) В 1950 г. были сконструированы микротомы и ножи , позволяющие делать ультратонкие (20–200 нм) срезы тканей, предварительно залитых в пластмассу

Методы выделения и очистки белков: После того, как выбран источник выделения белка, следующим шагом является экстракция его из ткани. Если экстракт, содержащий значительную часть исследуемого белка, получен, из него удалены частицы и небелковый материал, можно приступать к очистке белка. Концентрирование . Его можно проводить путем осаждения белка с последующим растворением осадка в меньшем объеме. Обычно при этом используют сульфат аммония или ацетон. Концентрация белка в исходном растворе должна быть не меньше 1 мг/мл. Тепловая денатурация . На начальном этапе очистки для разделения белков иногда используют тепловую обработку. Она эффективна, если белок относительно устойчив в условиях нагревания, в то время как сопутствующие белки денатурируют. При этом варьируют рН раствора, продолжительность обработки и температуру. Для выбора оптимальных условий предварительно проводят серию небольших опытов. После проведения первых этапов очистки белки далеки от гомогенного состояния. В полученной смеси белки отличаются друг от друга растворимостью, молекулярной массой, величиной суммарного заряда молекулы, относительной стабильностью и т.д.Осаждение белков органическими растворителями. Это один из старых методов. Он играет важную роль при очистке белков в промышленных масштабах. Чаще всего используют такие растворители как этанол и ацетон, реже – изопропанол, метанол, диоксан. Основной механизм процесса: по мере возрастания концентрации органического растворителя снижается способность воды к сольватации заряженных гидрофильных молекул фермента. Происходит снижение растворимости белков до уровня, при котором начинается агрегация и осаждение. Важным параметром, влияющим на осаждение, является размер молекулы белка. Чем больше молекула, тем ниже концентрация органического растворителя, вызывающая осаждение белка. Гельфильтрация С помощью метода гельфильтрации можно быстро разделить макромолекулы в соответствии с их размерами. Носителем для хроматографии является гель, который состоит из поперечно-сшитой трехмерной молекулярной сетки, сформированной в виде шариков (гранул) для удобства наполнения колонок. Так сефадексы - это поперечно-сшитые декстраны (α-1→6-глюканы микробиального происхождения) с заданными размерами пор. Сшиты цепи декстрана трехуглеродными мостиками с помощью эпихлоргидрина. Чем больше поперечных сшивок, тем меньше размеры отверстий. Полученный таким образом гель играет роль молекулярного сита. При пропускании раствора смеси веществ через колонку, наполненную набухшими гранулами сефадекса, крупные частицы, размер которых превышает размер пор сефадекса, будут двигаться быстро. Мелкие молекулы, например, соли, будут двигаться медленно, поскольку в процессе движения они проникают внутрь гранул. Электрофорез

Физический принцип метода электрофореза заключается в следующем. Молекула белка в растворе при любом рН, отличающемся от её изоэлектрической точки, имеет некий средний заряд. Это приводит к тому, что белок движется в электрическом поле. Движущая сила определяется величиной напряженности электрического поля Е умноженной на суммарный заряд частицы z . Этой силе противостоят силы вязкости среды, пропорциональные коэффициенту вязкости η , радиусу частицы r (стоксовскому радиусу) и скорости v .; Е ·z = 6πηrv.

Определение молекулярной массы белка. Масс-спектрометрия (масс-спектроскопия, масс-спектрография, масс-спектральный анализ, масс-спектрометрический анализ) - метод исследования вещества путём определения отношения массы к заряду. Белки способны приобретать множественные положительные и отрицательные заряды. Атомы химических элементов имеют специфическую массу. Таким образом, точное определение массы анализируемой молекулы, позволяет определить её элементный состав (см.: элементный анализ). Масс-спектрометрия также позволяет получить важную информацию об изотопном составе анализируемых молекул.

Методы выделения и очистки ферментов Выделение ферментов из биологического материала – единственный реальный способ получения ферментов. Источники фермента: ткани; бактерии, выращенные на среде, содержащей соответствующий субстрат; клеточные структуры (митохондрии и др.). Необходимо сначала выделить нужные объекты из биологического материала.

Методы выделения ферментов: 1)Экстракция (перевод в раствор): буферным раствором (предупреждает подкисление); высушивание ацетоном; обработка материала смесью бутанола с водой; экстракция различными органическими растворителями, водными растворами детергентов; обработка материала перхлоратами, гидролитическими ферментами (липазами, нуклеазами, протеолитическими ферментами)

Бутанол разрушает липопротеиновый комплекс, а фермент переходит в водную фазу.

Обработка детергентом приводит к истинному растворению фермента.

Фракционирование. Факторы, влияющие на результаты: рН, концентрация электролитов. Необходимопостоянно измерять активность фермента.

· фракционное осаждение при изменении рН

· фракционная денатурация нагреванием

· фракционное осаждение органическими растворителями

· фракционирование солями – высаливание

фракционная адсорбция (А. Я. Данилевский ): адсорбент вносят в раствор фермента, затем каждую порцию отделяют центрифугированием

§ если фермент адсорбируется, то его отделяют, затем элюируют с адсорбента

§ если фермент не адсорбируется, то обработку адсорбентом используют для отделения балластных веществ

ферментный раствор пропускают через колонку с адсорбентом и собирают фракции

Ферменты адсорбируются избирательно:колоночная хроматография;электрофорез; кристаллизация – получение высокоочищенных ферментов.

Клетка как минимальная единица жизни .

Современная клеточная теория включает следующие основные положения: Клетка - основная единица строения и развития всех живых организмов, наименьшая единица живого. Кл всех одноклеточных и многоклеточных организмов сходны (гомологичны) по строению, химическому составу, основным проявлениям жизнедеятел. и обмену веществ. Размножение клеток происходит путем их деления, т.е. каждая новая клетка. В сложных многоклеточных организмах клетки специализированы по выполняемой ими функции и образуют ткани; из тканей состоят органы. Кл – это элементарная живая система, способная к самообновлению, саморегуляции и самопроизведению.

Строение клетки. размеры прокариотических клеток составляют в среднем 0,5-5 мкм, размеры эукариотических - в среднем от 10 до 50 мкм.

Различают два типа клеточной организации: прокариотический и эукариотический. Клетки прокариотического типа устроены сравнительно просто. В них нет морфологически обособленного ядра, единственная хромосома образована кольцевидной ДНК и находится в цитоплазме. В цитоплазме имеются многочисленные мелкие рибосомы; микротрубочки отсутствуют, поэтому цитоплазма неподвижна, а реснички и жгутики имеют особую структуру. К прокариотам относят бактерии. Большинство современных живых организмов относится к одному из трех царств –растений, грибов или животных, объединяемых в надцарство эукариот. Организмы делят на одноклеточные и многоклеточные. Одноклеточные организмы состоят из одной единственной клетки, выполняющей все функции. Одноклеточными являются все прокариоты.

Эукариоты - организмы, обладающие, в отличие от прокариот, оформленным клеточным ядром, отграниченным от цитоплазмы ядерной оболочкой. Генетический материал заключён в нескольких линейных двухцепочечных молекулах ДНК (в зависимости от вида организмов их число на ядро может колебаться от двух до нескольких сотен), прикреплённых изнутри к мембране клеточного ядра и образующих у подавляющего большинства комплекс с белками-гистонами, называемый хроматином. В клетках эукариот имеется система внутренних мембран, образующих, помимо ядра, ряд других органоидов (эндоплазматическая сеть, Аппарат Гольджи и др.). Кроме того, у подавляющего большинства имеются постоянные внутриклеточные симбионты прокариоты - митохондрии, а у водорослей и растений - также и пластиды.

Биологические мембраны, их свойства и функции Одной из основных особенностей всех эукариотических клеток является изобилие и сложность строения внутренних мембран. Мембраны отграничивают цитоплазму от окружающей среды, а также формируют оболочки ядер, митохондрий и пластид. Они образуют лабиринт эндр-плазматического ретикулума и уплощенных пузырьков в виде стопки, составляющих комплекс Гольджи. Мембраны образуют лизосомы, крупные и мелкие вакуоли растительных и грибных клеток, пульсирующие вакуоли простейших. Все эти структуры представляют собой компартменты (отсеки), предназначенные для тех или иных специализированных процессов и циклов. Следовательно, без мембран существование клетки невозможно. Плазматическая мембрана, или плазмалемма, - наиболее постоянная, основная, универсальная для всех клеток мембрана. Она представляет собой тончайшую (около 10 нм) пленку, покрывающую всю клетку. Плазмалемма состоит из молекул белков и фосфолипидов. Молекулы фосфолипидов расположены в два ряда - гидрофобными концами внутрь, гидрофильными головками к внутренней и внешней водной среде. В отдельных местах бислой (двойной слой) фосфолипидов насквозь пронизан белковыми молекулами (интегральные белки). Внутри таких белковых молекул имеются каналы - поры, через которые проходят водорастворимые вещества. Другие белковые молекулы пронизывают бислой липидов наполовину с одной или с другой стороны (полуинтегральные белки). На поверхности мембран эукариотических клеток имеются периферические белки. Молекулы липидов и белков удерживаются благодаря гидрофильно-гидрофобным взаимодействиям. Свойства и функции мембран . Все клеточные мембраны представляют собой подвижные текучие структуры, поскольку молекулы липидов и белков не связаны между собой ковалентными связями и способны достаточно быстро перемещаться в плоскости мембраны. Благодаря этому мембраны могут изменять свою конфигурацию, т. е. обладают текучестью. Мембраны - структуры очень динамичные. Они быстро восстанавливаются после повреждения, а также растягиваются и сжимаются при клеточных движениях. Мембраны разных типов клеток существенно различаются как по химическому составу, так и по относительному содержанию в них белков, гликопротеинов, липидов, а следовательно, и по характеру имеющихся в них рецепторов. Каждый тип клеток поэтому характеризуется индивидуальностью, которая определяется в основном гликопротеинами. Разветвленные цепи гликопротеинов, выступающие из клеточной мембраны, участвуют в распознавании факторов внешней среды, а также во взаимном узнавании родственных клеток. Например, яйцеклетка и сперматозоид узнают друг друга по гликопротеинам клеточной поверхности, которые подходят друг к другу как отдельные элементы цельной структуры. Такое взаимное узнавание - необходимый этап, предшествующий оплодотворению. С распознаванием связана и регуляция транспорта молекул и ионов через мембрану, а также иммунологический ответ, в котором гликопротеины играют роль антигенов. Сахара, таким образом, могут функционировать как информационные молекулы (подобно белкам и нуклеиновым кислотам). В мембранах содержатся также специфические рецепторы, переносчики электронов, преобразователи энергии, ферментные белки. Белки участвуют в обеспечении транспорта определенных молекул внутрь клетки или из нее, осуществляют структурную связь цитоскелета с клеточными мембранами или же служат в качестве рецепторов для получения и преобразования химических сигналов из окружающей среды. избирательная проницаемость. Это значит, что молекулы и ионы проходят через нее с различной скоростью, и чем больше размер молекул, тем меньше скорость прохождения их через мембрану. Это свойство определяет плазматическую мембрану как осмотический барьер. Максимальной проникающей способностью обладает вода и растворенные в ней газы; значительно медленнее проходят сквозь мембрану ионы. Диффузия воды через мембрану называется осмосом. Существует несколько механизмов транспорта веществ через мембрану.

Диффузия -проникновение веществ через мембрану по градиенту концентрации {из области, где их концентрация выше, в область, где их концентрация ниже). При облегченной диффузии специальные мембранные белки-переносчики избирательно связываются с тем или иным ионом или молекулой и переносят их через мембрану по градиенту концентрации.

Активный транспорт сопряжен с затратами энергии и служит для переноса веществ против их градиента концентрации. Он осуществляется специальными белками-переносчиками, образующими так называемые ионные насосы. Наиболее изученным является Na - / К - -насос в клетках животных, активно выкачивающих ионы Na + наружу, поглощая при этом ионы К - . Благодаря этому в клетке поддерживается большая концентрация К - и меньшая Na + по сравнению с окружающей средой. На этот процесс затрачивается энергия АТФ. В результате активного транспорта с помощью мембранного насоса в клетке происходит также регуляция концентрации Mg 2- и Са 2+ .

При эндоцитозе {эндо... - внутрь) определенный участок плазмалеммы захватывает и как бы обволакивает внеклеточный материал, заключая его в мембранную вакуоль, возникшую вследствие впя-чивания мембраны. В дальнейшем такая вакуоль соединяется с лизосомой, ферменты которой расщепляют макромолекулы до мономеров.

Процесс, обратный эндоцитозу, - экзоцитоз (экзо... - наружу). Благодаря ему клетка выводит внутриклеточные продукты или непереваренные остатки, заключенные в вакуоли или пузырьки. Пузырек подходит к цитоплазматической мембране, сливается с ней, а его содержимое выделяется в окружающую среду. Гак выводятся пищеварительные ферменты, гормоны, гемицел-люлоза и др.

Таким образом, биологические мембраны как основные структурные элементы клетки служат не просто физическими границами, а представляют собой динамичные функциональные поверхности. На мембранах органелл осуществляются многочисленные биохимические процессы, такие как активное поглощение веществ, преобразование энергии, синтез АТФ и др.

Функции биологических мембран следующие: Отграничивают содержимое клетки от внешней среды и содержимое органелл от цитоплазмы. Обеспечивают транспорт веществ в клетку и из нее, из цитоплазмы в органеллы и наоборот.Выполняют роль рецепторов (получение и преобразование сит-налов из окружающей среды, узнавание веществ клеток и т. д.). Являются катализаторами (обеспечение примембранных химических процессов). Участвуют в преобразовании энергии.

«Повсюду, где мы встречаем жизнь, мы находим, что она связана с каким-либо белковым телом, и повсюду, где мы встречаем какое-либо белковое тело, которое находится в процессе разложения, мы без исключения встречаем явление жизни»

Белки– высокомолекулярные азотосодержащие органические соединения, характеризующиеся строго определенным элементарным составом и распадающиеся до аминокислот при гидролизе.

Особенности, отличающие их от других органических соединений

1. Неисчерпаемое многообразие структуры и вместе с тем ее высокая видовая уникальность

2. Огромный диапазон физических и химических превращений

3. Способность в ответ на внешнее воздействие обратимо и вполне закономерно изменять конфигурацию молекулы

4. Склонность к образованию надмолекулярных структур, комплексов с другими химическими соединениями

Полипептидная теория строения белка

только Э. Фишер (1902) сформулировал полипептидную теорию строения . Согласно этой теории, белки представляют собой сложные полипептиды, в которых отдельные аминокислоты связаны друг с другом пептидными связями, возникающими при взаимодействии α-карбоксильных СООН- и α-NН 2 -групп аминокислот. На примере взаимодействия аланина и глицина образование пептидной связи и дипептида (с выделением молекулы воды) можно представить следующим уравнением:

Наименование пептидов складывается из названия первой N-концевой аминокислоты со свободной NH 2 -группой (с окончанием -ил, типичным для ацилов), названий последующих аминокислот (также с окончаниями -ил) и полного названия С-концевой аминокислоты со свободной СООН-группой. Например, пентапептид из 5 аминокислот может быть обозначен полным наименованием: глицил-аланил-серил-цистеинил-аланин, или сокращенно Гли–Ала–Сер–Цис–Ала.

экспериментальные доказательства полипептидной теории строения белка .

1. В природных белках сравнительно мало титруемых свободных СООН- и NH 2 -групп, поскольку абсолютное их большинство находится в связанном состоянии, участвуя в образовании пептидных связей; титрованию доступны в основном свободные СООН- и NН 2 -группы у N- и С-концевых аминокислот пептида.

2. В процессе кислотного или щелочного гидролиза белка образуются стехиометрические количества титруемых СООН- и NH 2 -групп, что свидетельствует о распаде определенного числа пептидных связей.

3. Под действием протеолитических ферментов (протеиназ) белки расщепляются на строго определенные фрагменты, называемые пептидами, с концевыми аминокислотами, соответствующими избирательности действия протеиназ. Структура некоторых таких фрагментов неполного гидролиза доказана последующим химическим их синтезом.

4. Биуретовую реакцию (сине-фиолетовое окрашивание в присутствии раствора сульфата меди в щелочной среде) дают как биурет, содержащий пептидную связь, так и белки, что также является доказательством наличия в белках аналогичных связей.

5. Анализ рентгенограмм кристаллов белков подтверждает полипептидную структуру белков. Таким образом, рентгеноструктурный анализ при разрешении 0,15–0,2 нм позволяет не только вычислить межатомные расстояния и размеры валентных углов между атомами С, Н, О и N, но и «увидеть» картину общего расположения аминокислотных остатков в полипептидной цепи и пространственную ее ориентацию (конформацию).

6. Существенным подтверждением полипептидной теории строения белка является возможность синтеза чисто химическими методами полипептидов и белков с уже известным строением: инсулина – 51 аминокислотный остаток, лизоцима – 129 аминокислотных остатков, рибонуклеазы – 124 аминокислотных остатка. Синтезированные белки обладали аналогичными природным белкам физико-химическими свойствами и биологической активностью.

 = с / ( ж -  пара) 4 . (2.1)

На рис. 2.3 представлена схема изменения межфазного поверхностного натяжения вблизи границ ы раздела фаз «жидкость – пар» (– фаза пара,– фаза жидкости). На рисунке видно, что в пределах некоторой толщиныhповерхностного слоя происходит монотонное увеличение поверхностного натяжения, по мере приближения к границе раздела фаз, достигая максимума непосредственно на границе раздела.

Поверхностное натяжение (,) численно равно работе по образованию единичной поверхности и имеет размерность Дж/м 2 (СИ) или эрг/см 2 (CГС). Кроме того, оно характеризует некомпенсированность межмолекулярных сил по мере перехода из одного (обычно жидкого) в другое (газообразное) состояние.

Эта некомпенсированность межмолекулярных взаимодействий вызвана появлением границы раздела фаз, вблизи которой нарушается упорядоченность жидкой структуры вещества.

Поверхностное натяжение , как видно из его размерности, интенсивное свойство, которое может быть использовано для изучения макроскопических свойств вещества. Переход к определению микроскопических свойств можно осуществить следующим образом.

Рис. 2.3. Изменение межфазного поверхностного натяжения вблизи границы раздела фаз (h - толщина поверхностного слоя)

При низких температурах, далеких от критической температуры,  пара можно пренебречь.

Тогда  = с /  4 . (2.2)

Помножим это выражение на М 4 , где М – молекулярная масса жидкости:

 М 4 = с /  4 М 4 (2.3)

и

 М

4

С / М 4 = сonst. (2.4)

где с / , М 4 – постоянные.

С 1/4

ледовательно, и

Р = сonst. (2.5)

В

М  1 / 4

еличина Р Сегденом была названапарахором

[P] o k = =  1 / 4 V o k (моль) . (2.6)

Выражение (2.6) передает физический смысл парахора: он представляет собой молярный объем жидкости при такой температуре, когда поверхностное натяжение равно 1.

Парахор (Р) в СИ имеет размерность Дж 1/4 м 5/2 /моль.

Поскольку объемы – величины аддитивные, возникает возможность суммирования величин парахоров отдельных фрагментов молекул.

Значение парахора не зависит от температуры и давления и определяется исключительно структурой молекул.

Парахор является приближенно аддитивным свойством, т. е.

[Р] о k = [P] e a e +  [P] m b m , (2.7)

где a e – число атомов вида «e» в молекуле;

Р е – атомный парахор вида «е»;

b m – число структурных элементов вида «m» в молекуле;

P m – составляющая (инкремент) парахора для структурных элементов

Исследования с помощью парахора проводят в такой последовательности:

измеряют поверхностное натяжение  и плотность  о k и рассчитывают опытное значение парахора;

задаются гипотезой о строении молекулы, находят значения (в справочниках) Р е и P m для отдельных атомов и структурных элементов (циклов, двойных и обычных связей и т. д.). Вычисляют значение парахора как приближенное аддитивное свойство;

3) сравнивают опытное и расчетное значение парахора. Если они несовпадают, то исходная гипотеза неверна. Тогда задаются новой гипотезой и производят сопоставление опытных и расчетных значений до близкого совпадения.

Пример: бензол С 6 Н 6

Если формула верна, то парахор бензола состоит из парахоров:

6С = 6 ·16·10 -7 = 96 ·10 -7 Дж 1/4 м 5/2 моль -1

6Н = 6 ·27,56 ·10 -7 = 165,36 ·10 -7 Дж 1/4 м 5/2 моль -1

3 двойных связи = 3 · 33,78 ·10 -7 = 101,34 · 10 -7 Дж 1/4 м 5/2 моль -1

6-членное кольцо Р e = 1,42 ·10 -7 Дж 1/4 м 5/2 моль -1

В сумме: 364,12·10 -7 Дж 1/4 м 5/2 моль -1

Для бензола опытное значение парахора [Р] о равно 360·10 -7 Дж 1/4 м 5/2 моль -1 , что можно считать хорошим совпадением с теоретическим.

Мольная рефракция. Это понятие связано с поляризуемостью молекул. При прохождении света через вещество возникает переменное электрическое поле высокой частоты (порядка 10 15 Гц). Энергия такого поля невелика, поэтому поляризации подвергается лишь электроны, но не атомы ( эл >>  ат). Электронная поляризация, возникающая в этом случае за счет смещения электронов, называется молярной рефракцией R.

Молярная рефракция может быть определена на основании измерения показателя преломления видимого света (n) по уравнению Лорентца:

(n 2 - 1) M k

(n 2 + 2)  o k

(n 2 - 1)

R o K = = = V o k , мол, (2.8)

где R o K - молярная рефракция, м 3 /моль.

Закон преломления:

Sin  1

Показатель преломленияn среды представляет собой отношение скорости света:

n 21 = , (2.10)

где V 1 и V 2 – скорости света в первой и второй средах.

Если первая среда вакуум то,

n 21 = , (2.11)

где с – скорость света в вакууме, n 2  1.

Более удобно измерять показатель преломления по отношению к воздуху, тогда вводится переводной коэффициент 1,00029.

С вакуум = 1,00029С воздуха. (2.12)

Как было показано ранее, величина электронной поляризуемости имеет порядок 1Å 3 = 10 -30 м 3 и характеризует объем электронного облака молекулы:

 эл  r 3 . (2.13)

R o K = V молекулы N А = 4/3  r 3 N А = 4/3   эл N А. (2.14)

Из этого соотношения виден физический смысл молярной рефракции: она близка к собственному объему молекул одного моля вещества.

Поскольку объем обладает свойством аддитивности, следовательно:

R o K =  R e a e +  R m b m , (2.15)

где R e – атомная рефракция;

R m – составляющая рефракции структурных элементов;

a – число атомов;

b m ­ – число структурных элементов.

R o K =  R e a e + R циклов b циклов +  R кр. связей b кр. связей. (2.16)

Мольная рефракция не зависит от температуры и агрегатного состояния вещества. Последовательность операций при исследовании строения молекул та же, что и в методе по парахору.

Пример: этилен

Неправильный расчет :

R (C 2 H 4) (расчетное) = 2 R C + 4 R H < R (C 2 H 4) (опытное) на величину двойной связи. Разница равна R (двойной связи).

R (C 2 H 4) (расчетное) – R (C 2 H 4) (опытное) = R двойной связи

Правильно :

R (C 2 H 4) (расчетное) = 2 R C + 4 R H + R двойной связи

При работе с растворами удобно пользоваться понятием удельная рефракция r o k .

Удельная рефракция – величина, отнесенная к 1 грамму вещества, а молярная – к 1 молю.

О

(n 2 - 1) ­­­­

(n 2 + 2)  o k

(n 2 - 1)

тсюда

r o k = = V o k уд. , (2.17)

где V o k уд. – удельный объем компонента k.

2.4. МЕТОДЫ IIГРУППЫ

2.4.1. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИПОЛЬНЫХ МОМЕНТОВ

О

Рис.2.7 Поляризация диэлектрика во внешнем электрическом поле P (V) – вектор плотности поляризации (электрический момент единицы объема диэлектрика)

ни основаны на теоретической связи между диэлектрической проницаемостью ε, плотностью вещества и коэффициентом поляризации  его молекул.

В

о внешнем электрическом поле диэлектрик поляризуется. На поверхности появляются избыточные заряды, сам диэлектрик приобретает электрический момент (диполь) (рис. 2.7).

P (V) =   o E , (2.18)

где Е – напряженность электрического поля, В/м. Заряд в 1 Кл создает в

 0 – электрическая постоянная – она имеет размерность электрической

емкости, поделённой на длину [Ф/м];

 – не зависящая от Е величина, называемая диэлектрической воспри-

имчивостью диэлектрика (безразмерная величина),

 = ( – 1) / 4 . (2.19)

Уравнение (2.19) вытекает из теории Максвелла (где  – диэлектрическая проницаемость, величина показывающая во сколько раз ослабляется поле в диэлектрике по сравнению с вакуумом).

, (2.20)

где E х – напряженность внешнего поля.

Явление поляризуемости наблюдается из-за индуцированности дипольных моментов и из-за ориентации диполей (дипольных моментов) (рис. 2.5).

P (V) х =
+
, (2.21)

где эл. инд х =  инд  0 E х, лок;

эл. ор. х =  ор.  0 E х, лок;

 инд и  ор – коэффициенты поляризуемости;

Е х,лок – напряженность локализованного электрического поля вследствие возникновения локализованных зарядов.

P (V) х = (v)  0 E х, лок ( инд +  ор) . (2.22)

индуцирование диполей ( инд.) ориентация жестких диполей ( ор)

Рис. 2.5. Механизмы поляризации в постоянном электрическом поле

Для газов и неполярных жидкостей известно уравнение Лоренца:

Е х, лок = Е х + 4/3  P (V) х 1/ 0 . (2.23)

Это выражение для напряженности локализованного поля.

Подставим в это уравнение – P V(х) из уравнения (2.20):

P V (х) = (v)  0 E х /3 ( + 2) ( инд +  ор) . (2.25)

Совместное решение уравнений (2.20) и (2.25) дает:

(v)  0 E х /3 ( + 2) ( инд +  ор) = ( – 1)  0 E х / 4 , (2.26)

 - 1

4/3  (v) ( инд +  ор). (2.27)

О

M k

бозначим инд +  ор = .

Умножим обе стороны уравнения (2.27) на (2.28)

 - 1

M k

M k

4/3  N (v) ( инд +  ор) . (2.29)

Напомним, что = V 0 k , моль.

Т

 - 1

k

V 0 k , моль = 4/3  (v) ( инд +  ор) , (2.30)

где N (v) = N A . (2.31)

В итоге получаем уравнение Клаузиуса – Мосотти:

V 0 k , моль = 4/3  N A  . (2.32)

Введем понятие – мольная поляризация  0 k , т. е. поляризация, отнесенная к 1 молю вещества (скалярное интенсивное свойство). Тогда:

 - 1

 - 1

 0 k = V 0 k , моль = (2.33)

 0 k = 4/3  N A  . (2.34)

С помощью уравнений связи (2.32) - (2.34) можно, измерив диэлектрическую проницаемость вещества (диэлектрика) и, зная молекулярную массу и плотность, вычислить молярную поляризуемость  0 k , а затем и поляризуемость .

О

 - 1

риентационная поляризация. Из уравнения Клаузиуса-Мосотти (2.32) следует, что:

 = V 0 k ,моль
. (2.35)

В уравнении (2.35) поляризуемость  включает в себя как ориентационную, так и индукционную (деформационную) поляризации. В свою очередь индукционная поляризуемость может сопровождаться как смещением электронов, так и деформацией атомов в молекуле вещества. Таким образом, можно записать

 =  инд.ат +  инд.эл +  ор. (2.36)

Эти рассуждения распространяются и на молярную поляризуемость:

 0 k =  0 k , инд. эл. +  0 k , инд. ат. +  0 k ор. (2.37)

Ориентационной поляризации подвержены полярные молекулы. В постоянном, т. е. статическом электрическом поле (создаваемом, например, с помощью конденсатора с плоскопараллельными пластинами), полярные молекулы ориентируются в соответствии с направлением поля. Ориентационная поляризация зависит от температуры: с повышением температуры усиливается тепловое хаотическое движение молекул, которое препятствует их ориентации, т. е. уменьшает ориентационную поляризацию. Величина ориентационной поляризации зависит и от дипольного момента молекулы: чем он больше, тем больше значение  0 k ор.

Например у аммиака при Т = 292 К 0  ор = 57,57·10 -30 м 3 , а при Т = 466 К 0  ор = 39,59·10 -30 м 3 .

Если поляризация с температурой не изменяется, то это значит, что данное вещество состоит из неполярных молекул. В этом случае нет жестких диполей, т. е. индукционная поляризация от температуры не зависит.

З

 2

ависимость ориентационной поляризации от температуры и дипольного момента описывается уравнением Дебая:

 ор = , (2.38)

где  – дипольный момент;

k – константа Больцмана.

В

 2

месте с уравнением (2.34):

 0 k =  0 k инд + 4/3  N А, (2.39)

4  N А  2

 0 k =  0 k инд + . (2.40)

Уравнение (2.40) – основа для определения дипольных моментов. Это уравнение строго справедливо для газо- и парообразного состояния веществ. Это и понятно, поскольку молекулы газа находятся друг от друга на больших расстояниях и почти не оказывают влияние друг на друга, особенно, если концентрация молекул газа невелика (при малых давлениях). В жидкостях диполи могут вращаться, но их вращение осложненяется за счет межмолекулярных диполь-дипольных и индукционных взаимодействий, поэтому уравнение (2.40) для жидкого состояния веществ не является строгим.

С

 2

помощью зависимости молярной поляризации газов от температуры по уравнению (2.40) можно определять величину дипольных моментов молекул. Перепишем уравнение (2.40) в виде:

 о,газ­ к = 4/3  N А  инд + 4/9  N a . (2.41)

Легко видеть, что уравнение зависимости  о,газ­ к = f(1/Т) представляет собой уравнение прямой линии, если учесть, что  инд не зависит от температуры.

Первое слагаемое обозначим через b, а коэффициент перед вторым через a, тогда

 2

4/3  N a  инд = b , (2.42)

4/9  N a = a , (2.43)

 о, газ­ к = b + a . (2.44)

Опытным путем при различных температурах находят  о,газ­ к и строят графики.

Рис. 2.6 Зависимости  0 k от Т и от 1/Т

4  N А  2

По определению tg  = a = . (2.45)

Из соотношения (2.45) следует, что

 = 0,0127
·10 -18 эл.ст.ед. · см,

 = 0,0127·
Д (дебай) . (2.46)

Последовательность расчета дипольных моментов :

1) измеряют диэлектрическую проницаемость  и плотность  о,газа к при нескольких температурах Т и рассчитывают молярную поляризацию газа для каждой из температур;

2) строят график зависимости  о,газа к,ор = f(1/Т), рассчитывают коэффициенты a и b;

3) вычисляют дипольный момент, используя значения a.

Индукционная (деформационная) поляризация. Изменения в состоянии молекулы вызываются не только постоянными, но и переменными электрическими полями. При наложении таких полей удается избежать ориентационную поляризации, выделив индукционную.

 инд =  ат +  эл, ­ (2.47)

Здесь  эл >>  ат, поскольку легкие электроны смещаются легче, чем атомы.

При оптических частотах изменение электромагнитного поля происходит настолько быстро, что у молекулы, обладающей дипольным моментом, не хватает времени, чтобы изменить свою ориентацию в поле. Особый интерес представляет поведение молекул в поле высокой частоты, когда имеет место лишь один вид поляризации – электронная ( эл).

 о к ат <<  о к эл, (2.48)

 о к ат  0,03 – 0,05  о к эл,

 о к эл = R . (2.49)

Уравнение (2.49) справедливо для поля высокой частоты. Физический смысл этого уравнения состоит в том, что такое поле возникает при прохождении через вещество видимого света. Как было показано ранее, электронная поляризация, наблюдаемая в этом случае, называется рефракцией. Отсюда – равенство молярной поляризации и молярной рефракции.

Следует упомянуть еще об одном соотношении – соотношении Максвелла для этих условий:

 = n 2 . (2.50)

Исходя из соотношений (2.49) и (2.50), можно перейти от уравнения Клаузиуса – Мосотти

куравнению Лорентца:

И

 2

сходя из сказанного, можно осуществить определение молярной рефракции, молярной электронной поляризации и дипольного момента:

 о к =  о к эл + 4/9  N a ,

 2

 о к = R + 4/9  N a ,

 =√ 9kТ( о к – R)/(4 N a).

Подставив все постоянные величины, получим уравнения (2.51а) и (2.51б), где дипольный момент в (2.51а) имеет размерность эл.ст.ед.см, а в (2.51б) выражен в дебаях:

 = 0,0127 10 -18 ( о к – R)Т, (2.51а)

 = 0,0127 ( о к – R)Т. (2.51б)

Дипольные моменты можно определять также и по зависимости мольной поляризации раствора полярного вещества в неполярном растворителе от состава раствора.

Дипольный момент растворенного вещества в неполярном растворителе может быть определен с помощью диэлектрической постоянной и измерения плотности разбавленных растворов (рис. 2.10).

Пусть имеются образцы растворов. Условимся, что неполярный растворитель имеет индекс – 1, полярное вещество – 2, тогда

( 12 – 1) (N 1 M 1 + N 2 M 2)

( 12 + 2)  12

 12 = , (2.52)

 12 =  (N 2) (2.53)

где  12 – диэлектрическая постоянная раствора;

 12 – плотность раствора;

N 1 и N 2 – мольные доли соответственно растворителя с молекулярной массой М 1 и растворенного вещества с молекулярной массой М 2 .

Сняв экспериментальную зависимость, выраженную уравнением (2.53), можно построить график, как на рис 2.10.

Рис. 2.7 Зависимость мольной поляризации раствора от мольной доли растворенного вещества

На рис. 2.10 изображена экспериментальная кривая (1), содержащая информацию о дипольном моменте растворенного вещества.

Найдем уравнение кривой и оценим вклады в значения  со стороны растворителя и растворенного вещества.

 12 =  1 N 1 +  2 N 2 (2.54)

где  1 и  2 – парциальные мольные поляризации компонентов раствора.  12 – эффективная поляризация.

При этом:  1   о 1 ,  2   о 2 , так как существуют межмолекулярные силы взаимодействия типа:1 – 2, 2 – 2, 1 – 1.

 1 =  1 (Т, Р, N 2) (2.55)

 2 =  2 (Т, Р, N 2) (2.56)

 1 2 =  1 (1 – N 2) +  2 N 2 (2.57)

 1 2 =  1 + ( 2 –  1) N 2 (2.58)

Уравнение (2.58) – уравнение кривой 1.

Рассмотрим, как это уравнение будет действовать в области разбавленных растворов.

Если N 2  0, то  1   о 1 , то это состояние отвечает бесконечно разбавленному раствору. Молекулы растворенного вещества предельно сольватированы и не взаимодействуют друг с другом (т. е. отсутствуют взаимодействия типа 2 – 2). Остаются два типа взаимодействия (1 – 2 и 1 – 1).

Кривая вырождается в прямую линию, а уравнение (2.58) описывает касательную, проведенную к опытной кривой в точке N 2 = 0 (рис. 2.10).

Тогда уравнение (2.58) можно записать в виде:

 разб =  1 о + ( 2 -  1 о)N 2 , (2.59)

 разб = b + a N 2 . (2.60)

Уравнение (2.60) – прямой линии, где a – угловой коэффициент; a = tg .

tg  =  2 -  1 о, (2.61)

 2 =  1 о + tg , (2.62)

Из уравнения (2.62) можно найти мольную поляризацию растворенного вещества в бесконечно разбавленном растворе. Его состояние похоже на состояние газа, т.е. расстояния между молекулами растворенного вещества велики и практически отсутствуют взаимодействия между ними. Поэтому к  2 , найденному из уравнения (2.62), применимо уравнение Дебая (уравнение ориентационной поляризации), а по этой величине можно рассчитать дипольный момент молекул.

Для расчета дипольных моментов применяют следующую последовательность:

приготавливают образцы растворов полярного вещества в неполярном растворителе;

измеряют диэлектрическую проницаемость  и плотность  растворов и рассчитывают их мольную поляризацию по уравнению (2.52);

находят зависимость  12 от N 2 и строят ее графически;

графически экстраполируют зависимость (кривую) в точку N 2 = 0 ( 1 =  1 о). С помощью уравнения (2.62) рассчитывают  2 для бесконечно разбавленного раствора полярного вещества в полярном растворителе.

Первый способ:

при нескольких температурах проводят измерения и рассчитывают поляризацию  2 при этих температурах;

строят графическую зависимость  2 от 1/Т ( 2 = b + a 1/T) и определяют угловой коэффициент наклона прямой по уравнению:

t

 2 N a  2

g = a = 4/9 .

рассчитывают дипольный момент (в дебаях) из уравнения:

= 0,0127  a .

Второй способ:

определяют показатель преломления (n) и плотность образца () растворенного вещества в чистом виде и рассчитывают мольную рефракцию:

R

n 2 - 1

2

рассчитывают дипольный момент вещества (в дебаях):

= 0,0127  ( 2 о – R 2) T.

Определение дипольного момента позволяет сделать заключения о характере химической связи (ионная, полярная, ковалентная) и о геометрической структуре молекулы.

При рассмотрении  сложных молекул каждой связи целесообразно приписывать определенное значение  i , учитывая при этом не только его величину но и знак (в зависимости от направления смещения электронов)., т. е. рассматривая дипольный момент, приходящийся на связь, как вектор.

Дипольный момент многоатомной молекулы можно считать равным векторной сумме дипольных моментов всех связей:

 =
. (2.63)

Векторное сложение дипольных моментов связей показано на рисунке 2.11 (во всех случаях принято, что вектор направлен от + к –).

HCN SO 2

Рис. 2.11 Определение строения вещества с помощью векторого сложения

Для определения строения вещества вычисляют  (по правилу сложения векторов) для различных моделей. Правильной оказывается та из них, для которой вычисленные значения  наиболее близко к опытному.

Примеры

Из двух мыслимых вариантов (а) и (б) строения молекулы аммиака выбираем (б), поскольку измерения показывают, что молекула полярна (рис. 2.12):

(б)  = 1,48

Рис. 2.12 Модели строения молекулы аммиака

2) синтезировали хлорнитробензол (рис. 2.13). Дипольный момент составил 4,35D. Какой это хлорнитробензол (орто-, мета- или пара-)?

Вывод: синтезировано орто-соединение.

2.4.2. МОЛЕКУЛЯРНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ (СПЕКТРОХИМИЯ)

Спектром называется распределение энергии электромагнитного излучения по длинам волн или частотам.

Молекулярная спектроскопия изучает спектральный состав излучения, получающегося в результате поглощения, испускания или рассеяния света веществом. Слова «свет», «световой» и т. п. условно используется для обозначения электромагнитного излучения не только в видимой, но и в других областях спектра, применяемых в молекулярной спектроскопии.

Абсорбционная спектроскопия основана на способности вещества к избирательному поглощению. Чтобы определить, какие именно кванты поглощаются веществом и какова величина поглощения, через вещество пропускают электромагнитное излучение источника, имеющего непрерывный спектр испускания, а затем прошедший поток раскладывают в спектральном приборе по длинам волн и исследуют его спектральный состав. Подобным же образом изучают рассеянное веществом излучение.

Эмиссионная спектроскопия , нашедшая широкое применение в атомной спектроскопии, для изучения молекул используется реже. Для получения спектров испускания необходимо перевести достаточное число молекул в возбужденное состояние, сообщив веществу избыточную энергию извне. Нередко для этого применяют пламя горелки, дуговой или искровой разряд и т. д.

Термином спектроскопия обозначают обычно такой раздел современной науки, в котором спектральные измерения проводят с целью решения различных химических и физико-химических задач. Возможности спектрохимии чрезвычайно широки. Укажем лишь небольшую часть из огромного круга задач, решать которые позволяют методы спектрохимии.

1. Определение молекулярных постоянных, позволяющих описать систему энергетических состояний молекулы. Эти данные используют для расчета термодинамических функций веществ и констант равновесия химических реакций.

2. Определение строения молекулы или ее составных частей. Определение в молекуле функциональных групп. Установление геометрической конфигурации молекул, их симметрии. Определение внутримолекулярных расстояний и углов между связями. Количественная оценка упругих сил, действующих между атомами в молекуле, определение частот внутримолекулярных колебаний, энергии химической связи (диссоциации). Установление структуры координационных соединений – определение числа и способов связывания лигандов.

3. Исследование межмолекулярных взаимодействий. Изучение водородной и донорно-акцепторной связи, явлений гидратации и сольватации, взаимодействия между ионами в растворе.

4. Исследование химических равновесий и кинетики химических реакций.

5. Аналитическое приложение. Качественный и количественный анализ молекулярного состава природных и синтетических веществ, многокомпонентных смесей. Идентификация индивидуального соединения; определение его молекулярной массы; контроль степени очистки.

Экспериментальные методы исследования структуры кристаллов Определение строения веществ и материалов, т. е. выяснение расположения в пространстве составляющих их структурных единиц (молекул, ионов, атомов) проводят различными методами. Количественную информацию о строении соединений в кристаллическом состоянии дают дифракционные методы: - рентгеновский структурный анализ, - электронография, - нейтронография. Они основаны на изучении углового распределения интенсивности рассеиваемого исследуемым веществом излучения - рентгеновского, потока электронов или нейтронов. . 1

В основе дифракционных методов лежит явление дифракции (когерентного рассеяния) рентгеновских лучей, электронов и нейтронов на кристаллической решетке твердых тел. Процесс поглощения энергии падающего излучения и отдачи этой энергии при испускании волны той же длины называется когерентным рассеянием. Волны, проходя через кристаллическое вещество, испытывают дифракцию, т. к. кристаллическая решетка со средними межатомными расстояниями порядка 10 -10 м является для них дифракционной решеткой. Длина волны падающего излучения при этом должна быть сравнима с этими межатомными расстояниями. 2

В настоящее время в результате систематических структурных исследований накоплен достаточно обширный материал по определению структуры самых различных веществ. Эти данные позволяют установить ряд соотношений между: - химическим составом твердого тела, - характером сил межатомного взаимодействия в нем, - пространственным расположением этих атомов, - физическими свойствами. Закономерности в строении кристаллов, установленные с помощью структурного анализа, часто оказываются настолько общими, что могут быть использованы при анализе еще не исследованных веществ. Это во многих случаях позволяет построить модели структуры, что облегчает задачу структурного исследования и сводит ее к проверке правильности той или иной модели. 3

Во всех дифракционных методах на исследуемый объект направляют монохроматический пучок и анализируют картину рассеяния. Рассеянное излучение регистрируется фотографически или с помощью счетчиков. По дифракционной картине можно в принципе восстановить атомную структуру вещества. Если дифракционная картина на пленке представляет собой набор точек, то твердое тело находится в состоянии монокристалла. Если она является набором концентрических колец (на плоскую пленку) – поликристалла. Если размытые (диффузные) кольца (гало), то тело находится в аморфном состоянии. По распределению и величине интенсивности дифракционных максимумов можно рассчитать положения атомов, т. е. определить структуру. 4

Теория, описывающая связь картины упругого рассеяния с пространственным расположением рассеивающих центров, для всех излучений рентгеновского, потока электронов или нейтронов одинакова. Однако, поскольку взаимодействие разного рода излучений с веществом имеет разную физическую природу, конкретный вид и особенности дифракционной картины определяются разными характеристиками атомов. Поэтому различные дифракционные методы дают сведения, дополняющие друга. 5

Основы теории дифракции. Плоскую монохроматическую волну с длиной волны λ и волновым вектором k 0, где | k 0| = 2π/ λ , можно рассматривать как пучок частиц с импульсом р, где |р| = h/λ; h - постоянная Планка. Амплитуда F волны (с волновым вектором k), рассеянной совокупностью из n атомов, определяется уравнением: где вектор s = (k - k 0)/ 2π, s = 2 sinθ/λ, 2θ - угол рассеяния, fj(s) - атомный фактор, или фактор атомного рассеяния, то есть функция, определяющая амплитуду рассеяния изолированным j-м атомом (или ионом); r j - его радиус-вектор. 6

Аналогичное выражение можно записать, если считать, что объект объемом V обладает непрерывной рассеивающей плотностью ρ(r): По такой же формуле рассчитывают и атомный фактор f(s); при этом ρ(r) описывает распределение рассеивающей плотности внутри атома. Значения атомного фактора специфичны для каждого вида излучения. Рентгеновское излучение возникает при взаимодействии катодных лучей (потока электронов, движущихся от анода к катоду) с веществом анода. 7

Рентгеновские лучи рассеиваются электронными оболочками атомов. Атомный фактор fр при θ = 0 численно равен числу электронов Z в атоме, если fр выражен в так называемых электронных единицах, т. е. в относительных единицах амплитуды рассеяния рентгеновского излучения одним свободным электроном. С увеличением угла рассеяния атомный фактор fр уменьшается. Рассеяние электронов определяется электростатическим потенциалом атома φ(r) (r - расстояние от центра атома). Атомный фактор для электронов fэ связан с fр соотношением: где е - заряд электрона, m - его масса. 8

Абсолютные значения fэ (~10 -8 см) значительно больше, чем fр (~10 -11 см), т. е. атом рассеивает электроны сильнее, чем рентгеновские лучи; fэ уменьшается с ростом sinθ/λ, более резко, чем fр, но зависимость fэ от Z слабее. Интенсивность дифракции электронов примерно в 106 раз больше, чем для рентгеновских лучей. Нейтроны рассеиваются ядрами атомов (фактор fн), а также благодаря взаимодействию магнитных моментов нейтронов с отличными от нуля магнитными моментами атомов (фактор fнм). Радиус действия ядерных сил очень мал (~10 -6 нм), поэтому величины fн практически не зависят от θ. Кроме того, факторы fн не зависят монотонно от атомного номера Z и, в отличие от fр и fэ, могут принимать отрицательные значения. По абсолютной величине fн ~10 -12 см. 9

Интенсивность дифракции нейтронов примерно в 100 раз меньше, чем для рентгеновского излучения. Преимущество метода в том, что с его помощью выявляется различие атомов с близкими порядковыми номерами, что трудно сделать методами рентгенографии и электронографии. Интенсивность I(s) рассеяния кристаллом пропорциональна квадрату модуля амплитуды: I(s)~|F(s)|2. Экспериментально можно определить лишь модули |F(s)|, а для построения функции рассеивающей плотности ρ(r) необходимо знать также фазы φ(s) для каждого s. Тем не менее, теория дифракционных методов позволяет по измеренным I(s) получить функцию ρ(r), т. е. определить структуру веществ. При этом лучшие результаты получают при исследовании кристаллов 10

Рентгеноструктурный анализ монокристаллов и порошков Рентгеновский структурный анализ (РСА) основан на дифракции рентгеновских лучей, проходящих через монокристалл и возникающей при взаимодействии с исследуемым образцом рентгеновского излучения длины волны около 0, 1 нм. Используют главным образом характеристическое рентгеновское излучение, источником которого служит, как правило, рентгеновская трубка. Структурный анализ обычно включает получение экспериментальных данных и их математическую обработку. Прибором для РСА служит дифрактометр, который включает источник излучения, гониометр, детектор и измерительно-управляющее устройство. 11

Гониометр служит для установки (с точностью около 13 угловых секунд) исследуемого образца и детектора в нужное для получения дифракционной картины положение. Детекторы представляют собой сцинтилляционные, пропорциональные или полупроводниковые счетчики. Измерительное устройство регистрирует (непрерывно или по точкам) интенсивность гониометр рентгеновских дифракционных. максимумов (отражений, рефлексов) в зависимости от угла дифракции - угла между падающим и дифрагированным лучами 12

С помощью РСА исследуют поликристаллические образцы и монокристаллы металлов, сплавов, минералов, жидких кристаллов, полимеров, биополимеров, различных низкомолекулярных органических и неорганических соединений. В реальном теле, на которое направлено рентгеновское излучение, огромное количество атомов и каждый из них становится источником рассеянных волн. Энергия излучения рассеивается в разных направлениях с различной интенсивностью. Вид картины рассеяния будет зависеть от сорта атомов, расстояний между ними, частоты падающего излучения и ряда других факторов. Русский ученый Вульф и англичане, отец и сын Брегги, дали простое толкование интерференции рентгеновских лучей в кристаллах, объяснив ее отражением от атомных сеток. 13

Трехмерную решетку кристалла можно рассматривать как бесконечное множество совокупностей параллельных атомных плоскостей с межплоскостным расстоянием d. Пусть на кристалл под углом скольжения q, падает параллельный пучок монохроматических лучей с длиной волны l. . Лучи отражаются от параллельного поверхности семейства плоскостей с межплоскостным расстоянием d под таким же углом q. Параллельные отраженные лучи I и II интерферируют, т. е. усиливают и ослабляют друга. 14

Если их разность хода параллельных отраженных лучей I и II Δ=(АВ+ВС)-АD равна целому числу n длин волн l, то наблюдается интерференционный максимум. Условие возникновения такого максимума можно записать в виде 2 dhklsinθ= n λ. Это соотношение носит название закона Вульфа−Брэггов. Это соотношение является следствием периодичности пространственной решетки и не связано с расположением атомов в ячейке или в узлах решетки. 15

Условия Лауэ Это условия, при которых возникают интерференционные максимумы при рассеянии излучения на узлах кристаллической решетки. Выделим в кристалле узловой ряд в направлении оси x с расстоянием между узлами а. Если на такой ряд направить под произвольным углом φ 0 пучок параллельных монохроматических лучей с длиной волны λ , то интерференционный максимум будет наблюдаться только в направлениях, для которых все отражения от узлов усиливают друга. Это будет если разность хода между падающим и рассеянным каким-либо узлом ряда лучом Δ=AC-BD будет равна целому числу длин волн: 16

Для трех некомпланарных направлений условия Лауэ имеют вид где ψ0 и χ0 − углы падения рентгеновских лучей на узловые ряды, располагающиеся вдоль направлений соответственно, а k и l − соответствующие индексы интерференции. Интерференционное уравнение Лауэ и закон Вульфа−Брэггов 17 эквивалентны другу.

Таким образом, в каждом кристалле можно выделить совокупность периодически расположенных плоскостей, которые образованы расположенными в правильном порядке атомами кристаллической решётки. Рентгеновские лучи проникают внутрь кристалла и отражаются от каждой плоскости этой совокупности. В результате возникает множество когерентных пучков рентгеновских лучей, между которыми существует разность хода. Пучки интерферируют между собой подобно тому, как интерферируют световые волны на обычной дифракционной решётке, проходя через щели. При выполнении условий Лауэ и Вульфа - Бреггов каждая совокупность периодически расположенных плоскостей дает свою систему пятен - максимумов. Расположение пятен на фотопленке полностью определяется расстоянием между плоскостями d. 18

Падающие под произвольным углом q на монокристалл рентгеновские лучи с длиной волны λ в общем случае отражаться не будут. Чтобы выполнялись условия Лауэ или закон Вульфа−Брэггов, надо подобрать или длины волн, или углы падения. На основании этого подбора были разработаны три основных метода получения дифракционной картины: - Метод Лауэ, - метод вращения монокристалла, - метод порошка (Дебая - Шеррера). 19

Метод Лауэ Немонохроматический пучок рентгеновских лучей (электронов или нейтронов) направляется на неподвижно закрепленный монокристалл. Кристалл «выбирает» те длины волн, для которых удовлетворяется условие Вульфа−Брэггов. Рассеянные лучи дают на пленке точечные рефлексы, каждому из которых соответствует своя длина волны из полихроматического спектра. Каждое пятно на лауэграмме соответствует определенной плоскости решетки. Симметрия в 20 расположении пятен отражает симметрию кристалла.

21

Метод вращения монокристалла Кристалл вращают вокруг оси, которая перпендикулярна к направлению падающего монохроматического пучка рентгеновских лучей или нейтронов. Вокруг помещена фотопленка в цилиндрической кассете. При повороте кристалла различные атомные плоскости занимают такие положения, при которых отраженные от них лучи интерферируют. 22

Плоскости, параллельные оси вращения, дадут дифракционную картину в виде точек, расположенных вдоль прямой, проходящей через центр пленки и называемой нулевой слоевой линией первого рода. Плоскости, ориентированные наклонно по отношению к оси вращения, дадут рефлексы, образующие слоевые линии, находящиеся выше и ниже нулевой. Из расстояния между слоевыми линиями первого рода можно рассчитать кратчайшее расстояние между атомами, расположенными вдоль кристаллографического направления, параллельного оси вращения кристалла. В отличие от метода Лауэ, который служит для определения элементов симметрии кристаллов, метод вращения позволяет выяснить структуру кристалла, т. е. установить форму и периоды элементарной ячейки, а в некоторых случаях, найти координаты всех базисных атомов. 23

Метод порошка (Дебая - Шеррера) Исследование порошковых (поликристаллических) материалов в монохроматическом излучении. Число зерен (кристаллитов) с совершенно произвольной ориентировкой достаточно велико. Можно считать, что они имеют все возможные ориентировки и что все ориентировки равновероятны. Падающие лучи отражаются от тех кристаллитов, которые по отношению к направлению падающего пучка оказываются ориентированы так, что выполняется условие Вульфа. Брэггов. Два способа регистрации дифракционной картины: на фотопленку (фотометод) и с помощью счетчика (дифрактометрический метод). 24

Фотометод дифракционная картина на пленке выглядит как серия концентрических окружностей. Дифрактометр регистрирует картину в виде чередования кривой фона и максимумов интерференции. Последние возникают на определенных углах положения счетчика 2 q. По измеренному значению угла рассеяния q можно рассчитать межплоскостные расстояния для любого дифракционного максимума. 25 Fe 3 O 4 а –рентген; б – нейтроны.

Поликристаллические образцы получаются в результате спекания из -мельчённого в порошок кристаллического вещества. Изготовленный таким способом образец помещается на оси камеры, на боковые стенки которой помещается фотоплёнка. При облучении монохроматическим рентгеновским излучением поликристаллического образца из -за беспорядочной ориентации кристаллических плоскостей различных его составляющих возникают конусы направлений. Дифракционная картина (дебаеграмма) имеет вид колец или полос. Ее анализ позволяет определить основные элементы структуры кристалла. 26

Набор dhkl называют паспортом кристалла. Информация о межплоскостных расстояниях различных кристаллов оформлена в виде баз данных: JCPD, MINCRYST. Зная из эксперимента для данного образца значения межплоскостных расстояний dhkl и величины относительных интенсивностей отражений Iотн, можно во многих случаях установить тип вещества или его фазу. После получения дифракционной картины делается предположение о типе кристаллической структуры, определяются значения индексов полученных отражений, размеры элементарной ячейки, если известны химический состав и плотность материала, рассчитывают количество атомов в элементарной ячейке. По интегральной интенсивности дифракционных линий можно установить расположение атомов в элементарной ячейке. 27

В случае поликристаллических образцов структуру устанавливают методом проб и ошибок: к заранее известному или предполагаемому каркасу атомной структуры (например, содержащему только "тяжелые" атомы) добавляют неизвестные ранее детали и рассчитывают интенсивности максимумов, которые сравнивают затем с экспериментально полученными значениями. С помощью РСА исследуют поликристаллические образцы и монокристаллы металлов, сплавов, минералов, жидких кристаллов, полимеров, биополимеров, различных низкомолекулярных органических и неорганических соединений. 28

При изучении монокристалла (чаще всего в виде шарика диаметром 0, 1 -0, 3 мм) первым этапом определения структуры является индицирование, т. е. установление индексов (h k l) всех отражений, наблюдающихся на дифракционной картине данного кристалла. Процесс индицирования основан на том, что значения межплоскостных расстояний dhkl связаны со значениями периодов (a, b, c) и углов (α, β, γ) элементарной ячейки вполне определенными соотношениями (квадратичными формами). После проведения индицирования проводится определение периодов элементарной ячейки. По закономерному отсутствию некоторых отражений судят о пространственной группе симметрии кристалла. . 29

Индицирование дифракционной картины и определение периодов кристаллической решетки являются начальными этапами установления атомной структуры кристаллов, т. е. нахождения взаимного расположения атомов в элементарной ячейке Определение атомной структуры основано на анализе интенсивностей дифракционных максимумов. Интенсивность отражений I(h k l) пропорциональна квадрату модуля структурной амплитуды F(h k l), величина которой определяется значениями координат атомов в ячейке кристалла. По интенсивности отражений рассчитывают абсолютные значения структурных амплитуд F(h k l). Анализ структурных амплитуд позволяет определить 30 тип решетки Бравэ.

Интенсивности дифракционных лучей I(h k l) связаны с координатами атомов xj, yj, zj в элементарной ячейке соотношениями: где F(h k l)-коэффициенты Фурье, которые в РСА называют структурными амплитудами, Ккоэффициент пропорциональности, φ(h k l)-начальная фаза дифракционного луча, fj - фактор атомного рассеяния j-го атома; h, k, l - целые числа, характеризующие расположение граней и соответствующих им атомных плоскостей в кристалле (индексы дифракционных лучей); N- общее число атомов в элементарной ячейке; i=√-1. 31

Величину |F(h k l)| можно непосредственно вычислить из I(h k l), но значение φ(h k l) при этом остается неизвестным (проблема начальных фаз). Фазы структурных амплитуд (т. е. сдвиг фазы отраженной волны по отношению к падающей) в общем случае непосредственно из эксперимента определить нельзя. Существуют методы решения проблемы начальных фаз: - метод Паттерсона, используют при расшифровке структур соединений, содержащих наряду с легкими (Н, С, N, О) тяжелые атомы металлов, координаты которых определяют в первую очередь. Координаты легких атомов в элементарной ячейке устанавливают, рассчитывая распределение электронной плотности ρ(x, y, z). 32

Функцию электронной плотности представляют в виде ряда ρ(x, y, z) Фурье: где h, k, l - индексы отражающей плоскости, Fhkl = |Fhkl|exp соответствующая структурная амплитуда рассеянного излучения, φhkl - ее фаза. Электронная плотность есть плотность вероятности распределения электронов в атоме, молекуле, кристалле. Для построения функции ρ(х, у, z) используют экспериментально определяемые величины |Fhkl|. Обработка экспериментальных данных позволяет восстанавливать структуру в виде карт распределения рассеивающей плотности. Положения максимумов функции ρ(x, y, z) отождествляют с положением атомов, а по форме максимумов судят о 33 тепловых колебаниях атомов.

После определения общего характера кристаллической структуры производят ее уточнение путем последовательных приближений значений теоретически рассчитанных структурных амплитуд к экспериментально определенным. Так уточняют, в частности координаты атомов (xj, yj, zj) и константы их тепловых колебаний. Критерий правильности определения структуры - фактор расходимости R. R = 0, 05: 0, 04 структура определена с хорошей точностью, R ≤ 0, 02 -прецизионно. 34

Атомную структуру представляют в виде набора координат атомов и параметров их тепловых колебаний. Из этих данных можно вычислить межатомные расстояния и валентные утлы с погрешностью 10 -3 - 10 -4 нм и 0, 2 -2° соответственно. Это позволяет более точно установить химический состав кристалла, тип возможных изоморфных замещений (достоверность и точность при этом зависит от атомного номера элемента), характер тепловых колебаний атомов и т. д. 35

Благодаря прецизионной обработке экспериментальных данных можно исследовать распределение электронной плотности между атомами. Для этого строят функцию деформационной электронной плотности, описывающую перераспределение электронов в атомах при образовании химической связи между ними. Анализ функции деформационной электронной плотности позволяет установить степень переноса заряда, ковалентность связи, пространственное расположение неподеленных пар электронов и т. д. 36

Метод рентгеноструктурного анализа (РСА) позволяет устанавливать: - стереохимические и кристаллохимические закономерности строения химических соединений различных классов, - корреляции между структурными характеристиками вещества и его физико-химическими свойствами, - получать исходные данные для углубленной разработки теории химической связи и изучения химических реакций, - анализировать тепловые колебания атомов в кристаллах, - исследовать распределение электронной плотности в кристаллах. 37

Электронография Исследования атомной структуры кристаллов можно проводить также методами, основанными на дифракции электронов. Электронография как метод изучения структуры кристаллов имеет следующие особенности: 1) взаимодействие вещества с электронами намного сильнее, чем с рентгеновскими лучами, поэтому дифракция происходит в тонких слоях толщиной 1 -100 нм; 2) fэ зависит от атомного номера слабее, чем fр, что позволяет проще определять положение легких атомов в присутствии тяжелых; 3) благодаря тому, что длина волны обычно используемых быстрых электронов с энергией 50 -300 кэ. В составляет около 5. 10 -3 нм, геометрическая интерпретация электронограмм существенно проще. 38

Структурная электронография широко применяется для исследования тонкодисперсных объектов, а также для изучения разного рода текстур (глинистые минералы, пленки полупроводников и т. п.). Дифракция электронов низких энергий (10 -300 э. В, λ 0, 10, 4 нм) - эффективный метод исследования поверхностей кристаллов: расположения атомов, характера их тепловых колебаний и т. д. Основным является метод на просвет, при этом используют дифракцию электронов высоких энергий (50 -300 кэ. В, что соответствует длине волны около 5 -10 -3 нм). 39

Электронографию проводят в специальных приборах электронографах, в которых поддерживается вакуум 105 -10 -6 Па, время экспозиции около 1 с, или в трансмиссионных электронных микроскопах. Образцы для исследований готовят в виде тонких пленок толщиной 10 -50 нм, осаждая кристаллическое вещество из растворов или суспензий, либо получая пленки вакуумным распылением. Образцы представляют собой мозаичный монокристалл, текстуру или поликристалл. Дифракционная картина - электронограмма - возникает в результате прохождения начального монохроматического пучка электронов через образец и представляет собой совокупность упорядоченно расположенных дифракционных пятен - рефлексов, которые определяются расположением атомов в исследуемом объекте. 40

Рефлексы характеризуются межплоскостными расстояниями d hkl в кристалле и интенсивностью I hkl, где h, k и l - миллеровские индексы. По величинам и по расположению рефлексов определяют элементарную ячейку кристалла. Используя данные по интенсивности рефлексов, можно определить атомную структуру кристалла. Методы расчета атомной структуры близки к применяемым в рентгеновском структурном анализе. Расчеты, обычно проводимые на ЭВМ, позволяют установить координаты атомов, расстояния между ними и т. д. Электронография позволяет: - проводить фазовый анализ вещества, - изучать фазовые переходы в образцах и устанавливать геометрические соотношения между возникающими фазами, 41 - исследовать полиморфизм.

Методом электронографии исследованы структуры ионных кристаллов, кристаллогидратов, оксидов, карбидов и нитридов металлов, полупроводниковых соединений, органических веществ, полимеров, белков, различных минералов (в частности, слоистых силикатов) и др. При изучении массивных образцов используют дифракцию электронов на отражение, когда падающий пучок как бы скользит по поверхности образца, проникая на глубину 5 -50 нм. Дифракционная картина в этом случае отражает структуру поверхности. Так можно изучать явления адсорбции, эпитаксию, процессы окисления и т. п. 42

Если кристалл обладает атомной структурой, близкой к идеальной, и дифракция на просвет или на отражение происходит на глубине ~ 50 нм или более, то получается дифракционная картина, на основании которой можно делать выводы о совершенстве структуры. При использовании электронов низких энергий (10300 э. В) проникновение идет на глубину всего в 1 -2 атомных слоя. По интенсивности отраженных пучков можно установить строение поверхностной атомной решетки кристаллов. Этим методом установлено отличие поверхностной структуры кристаллов Ge, Si, Ga. As, Mo, Au и других от внутренней структуры, т. е. наличие поверхностной сверхструктуры. Так, например, для Si на грани (111) образуется структура, обозначаемая 7 x 7, т. е. период поверхностной решетки в этом случае превышает период внутренней атомной структуры в 7 раз. 43

Электронная микроскопия Электронографию часто комбинируют с электронной микроскопией высокого разрешения, позволяющей получать прямое изображение атомной решетки кристалла. Изображение объекта восстанавливается по дифракционной картине и позволяет изучать структуру кристаллов с разрешением 0, 2 -0, 5 нм. Электронная микроскопия представляет собой совокупность электронно-зондовых методов исследования микроструктуры твердых тел, их локального состава и микрополей (электрических, магнитных и др.). Для этого используют электронные микроскопы - приборы, в которых для получения увеличенных изображений используют электронный пучок. 44

Различают два главных направления электронной микроскопии: трансмиссионную (просвечивающую) и растровую (сканирующую). Они дают качественно различную информацию об объекте исследования и часто применяются совместно. В электронных микроскопах электронный луч направленный пучок ускоренных электронов, применяется для просвечивания образцов или возбуждения в них вторичных излучений (например, рентгеновского). Между электродами электронной пушки создается ускоряющее напряжение, определяющее кинетическую энергию электронного луча. Наименьшее расстояние между двумя элементами микроструктуры, видимыми на изображении раздельно называется разрешающей способностью (разрешением). Оно зависит от характеристик электронных микроскопов, режима работы и свойств образцов. 45

Трансмиссионная микроскопия реализуется с помощью трансмиссионных (просвечивающих) электронных микроскопов, в которых тонкопленочный объект просвечивается пучком ускоренных электронов с энергией 50 -200 кэ. В. Электроны, отклоненные атомами объекта на малые углы и прошедшие сквозь него с небольшими энергетическими потерями, попадают в систему магнитных линз, которые формируют на люминесцентном экране (и на фотопленке) светлопольное изображение внутренней структуры. 46

Светлопольное изображение - увеличенное изображение микро-структуры, сформированное электронами, прошедшими через объект с малыми энергетическими потерями. Структура изображается на экране электроннолучевой трубки темными линиями и пятнами на светлом фоне. При этом удается достичь разрешения порядка 0, 1 нм (увеличение до 1, 5 х 106 раз). Трансмиссионная микроскопия обеспечивает также получение дифракционных картин (электронограмм), позволяющих судить о кристаллической структуре объектов и точно измерять параметры кристаллических решеток. В сочетании с непосредственными наблюдениями кристаллических решеток в высокоразрешающих трансмиссионных электронных микроскопах данный метод - одно из основных средств 47 исследования ультратонкой структуры твердого тела.

При дифракции в электронном микроскопе применяют другие специальные методы, например метод сходящегося пучка и нанодифракции тонкого луча. В первом случае получают дифракционные картины, по которым можно определять симметрию (пространственную группу) исследуемого кристалла. Второй метод дает возможность изучать мельчайшие кристаллы (неск. нм). Сканирующий электронный микроскоп 48