Жаропонижающие средства для детей назначаются педиатром. Но бывают ситуации неотложной помощи при лихорадке, когда ребенку нужно дать лекарство немедленно. Тогда родители берут на себя ответственность и применяют жаропонижающие препараты. Что разрешено давать детям грудного возраста? Чем можно сбить температуру у детей постарше? Какие лекарства самые безопасные?
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
УТВЕРЖДАЮ Декан химического факультета Ю.Г. Слижов «___» ___________
О.К. Базыль
ФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ В ХИМИИ
Учебное пособие
УДК 543.42 ББК 22.344а73 П 25
Базыль О.К.
П 25 Физические методы исследования в химии: учеб. пособие. –Томск: Томский государственный университет, 2013. – 88 с.
Дается краткое описание теоретических основ ряда физических методов исследования вещества. Цель данного руководства – знакомство с областями и возможностями применения оптических (колебательной, вращательной, электронной спектроскопии и фотофизики молекул), резонансных (ЭПР и ЯМР) методов и методов измерения дипольных моментов.
Для студентов химического факультета, изучающих курс «Строение вещества».
Рецензент –
канд. хим. наук, проф. кафедры физической и коллоидной химии Т.С. Минакова
УДК 543.42 ББК 22.344а73
Базыль О.К., 2013Томский государственный университет, 2013
ПРЕДИСЛОВИЕ.......................................................................................................................... |
|
РАЗДЕЛ ПЕРВЫЙ. Электрический дипольный момент, его природа |
|
и методы определения......................................................................................................... |
|
Глава 1. Теоретические основы метода................................................................................... |
|
1.1. Природа дипольного момента........................................................................................ |
|
1.2. Диполь в статическом электрическом поле. Поляризуемость молекулы.................. |
|
1.3. Диэлектрик в статическом электрическом поле. Поляризация диэлектрика.......... |
|
1.4. Уравнения Дебая и Клаузиуса–Моссотти................................................................... |
|
1.5. Поляризация диэлектрика при высоких частотах электромагнитного поля. |
|
Молярная рефракция..................................................................................................... |
|
Глава 2. Методы измерения дипольного момента и использование его в химии........ |
|
2.1. Первый метод Дебая...................................................................................................... |
|
2.2. Определение дипольного момента с помощью эффекта Штарка............................. |
|
2.3. Метод электрического резонанса................................................................................. |
|
2.4. Использование данных по дипольным моментам в химии...................................... |
|
РАЗДЕЛ ВТОРОЙ. Оптические спектральные методы.................................................... |
|
Глава 3. Теоретические основы спектральных методов................................................... |
|
3.1. Постулаты Бора.............................................................................................................. |
|
3.2. Разделение энергии молекул на части и основные типы спектров.......................... |
|
Глава 4. Вращательные спектры двухатомных молекул.................................................. |
|
4.1. Энергия вращательных стационарных уровней......................................................... |
|
4.1.1. Сферических волчок........................................................................................... |
|
4.1.2. Симметричный волчок........................................................................................ |
|
4.2.3. Линейная молекула............................................................................................. |
|
4.2. Правила отбора и вращательный спектр поглощения............................................... |
|
4.3. Определение геометрических параметров молекул из вращательных спектров.... |
|
Глава 5. Колебания молекул. |
|
Определение структуры и свойств двухатомных молекул........................................ |
|
5.1. Теоретические основы метода ИК-спектроскопии.................................................... |
|
5.2. Колебательный спектр гармонического осциллятора............................................... |
|
5.3. Колебательный спектр ангармонического осциллятора........................................... |
|
Глава 6. Колебательные спектры многоатомных молекул.............................................. |
|
6.1. Классификация нормальных колебаний....................................................................... |
|
6.2. Групповые и характеристические частоты................................................................. |
|
6.3. Применение ИК спектроскопии................................................................................... |
|
Контрольные вопросы.............................................................................................................. |
|
Задания........................................................................................................................................ |
|
Глава 7 . Электронные спектры поглощения и излучения молекул. |
|
Внутримолекулярные фотофизические процессы....................................................... |
7.1. Электронные состояния и спектры двухатомных молекул...................................... |
|
7.2. Принцип Франка-Кондона для внутримолекулярных процессов............................ |
|
7.3. Электронные спектры поглощения многоатомных молекул. |
|
Закон Ламберта – Бера.................................................................................................. |
|
7.4. Классификация электронных переходов.................................................................... |
|
7.5. Процессы дезактивации поглощенной энергии. |
|
Диаграмма энергетических уровней............................................................................ |
|
7.6. Флуоресценция и ее законы......................................................................................... |
|
7.7. Применение электронных спектров............................................................................ |
|
Контрольные вопросы............................................................................................................. |
|
Задания........................................................................................................................................ |
|
РАЗДЕЛ ТРЕТИЙ. Резонансные методы исследования.................................................... |
|
Глава 8. Спектроскопия электронного парамагнитного резонанса................................ |
|
8.1. Теоретические основы метода. Эффект Зеемана....................................................... |
|
8.2. Условие простого резонанса. g - Фактор................................................................... |
|
8.3. Электрон - ядерное взаимодействие............................................................................ |
|
8.4. Сверхтонкая структура спектров ЭПР........................................................................ |
|
8.5. Применение спектров ЭПР в химии............................................................................ |
|
Контрольные вопросы.............................................................................................................. |
|
Задания........................................................................................................................................ |
|
Глава 9. Спектроскопия ядерного магнитного резонанса................................................ |
|
9.1. Магнитный момент ядра и его взаимодействие с магнитным полем. |
|
Условие простого ядерного резонанса........................................................................ |
|
9.2. Химический сдвиг сигнала ЯМР................................................................................. |
|
9.3. Спин-спиновое взаимодействие и мультиплетность сигналов ЯМР....................... |
|
9.4. Применение спектров ЯМР в химии........................................................................... |
|
Контрольные вопросы............................................................................................................. |
|
Задания........................................................................................................................................ |
|
ПЛАНЫ СЕМИНАРСКИХ ЗАНЯТИЙ................................................................................. |
|
ЛИТЕРАТУРА............................................................................................................................ |
ПРЕДИСЛОВИЕ
В настоящее время очевидно, что развитие химии невозможно без широкого использования физических методов исследования строения и свойств вещества. Арсенал современных физических методов в химии настолько обширен, а применение их настолько разнообразно, что требует систематического изучения теоретических принципов, лежащих в основе того или иного метода для грамотного понимания возможностей метода, практического применения и трактовки результатов измерений.
Измеряемые характеристики вещества в одних случаях необходимы для устанавливания закономерностей, связывающих физические и химические свойства вещества с химическим строением отдельных молекул, а в других - для оптимизации технологических процессов. Кроме определения основных характеристик и свойств молекул некоторые из физических методов исследования позволяют изучать кинетические равновесия и механизмы химических реакций.
Наряду с совершенствованием оборудования и приборов, применяемых при исследовании, важной тенденцией современного использования физических методов является их комплексное использование, особенно в целях идентификации вещества и установления его химического строения. Наиболее широко в этих целях применяются оптические и резонансные спектральные методы (ИК-, УФ-, ЯМР- (ПМР-) спектры) и массспектроскопия. В настоящее время для полного и достоверного решения задачи требуются данные возможно большего числа методов.
Учебный план раздела "Физические методы исследования в химии" курса "Строение вещества" включает в себя лекции, семинарские и лабораторные занятия. Настоящее учебное пособие составлено в помощь студентам при подготовке к семинарским занятиям. В силу ограниченного числа часов, отведенных планом на семинарские занятия, на них рассматриваются только методы оптической и резонансной спектроскопии, а также методы измерения дипольного момента молекул. Именно эти методы рассмотрены в пособии. В пособии изложены теоретические основы каждого из методов без загромождения математическими выкладками и сложными формулами, что важно для первого знакомства студентов с предметом, определены области их применения и возможности.
Пособие состоит из трех разделов, содержащих 9 глав, каждая из которых посвящена одному методу. В пределах главы коротко изложена теория, на которой базируется метод, область применения данного метода, его
достоинства и недостатки. Следующие за теорией контрольные вопросы рассчитаны на проверку понимания студентом изучаемого материала, задания – на попытку применения знания каждого из рассматриваемых методов. По каждому методу приведен план семинарского занятия.
На лабораторных занятиях студенты занимаются расшифровкой ИК-, ПМРспектров многоатомных молекул и масс-спектрограмм. В лекционном курсе по разделу "Физические методы исследования в химии" рассматриваются все наиболее часто используемые в настоящее время в химии физические методы, их современная техническая база. Таким образом, данный курс охватывает знакомство со всеми наиболее часто используемыми в настоящее время физическими методами исследования вещества.
РАЗДЕЛ ПЕРВЫЙ. Электрический дипольный момент, его природа и методы измерения
ГЛАВА 1. Теоретические основы метода
1.1. Природа дипольного момента
В общем случае под электрическим диполем понимают любую систему, состоящую из равных по величине и противоположных по знаку электрических зарядов q i , расположенных на расстоянии l i :
Радиус - вектор l i , направлен от центра тяжести отрицательного электронного заряда к центру тяжести положительного ядерного заряда (рис.1.1). Из выражения (1.1) следует, что дипольный момент является величиной векторной. Различный характер распределения электронной плотности в молекулах делит их на два основных класса - полярные и неполярные. Полярные молеку-
лы обладают дипольным |
|||||||
моментом, неполярные - |
|||||||
нет. Понятие полярности |
|||||||
неполярности) |
|||||||
Рис. 1.1. Центры тяжести положительного (OQ+ ) и отрицательного |
быть отнесено |
||||||
каждой из химических |
|||||||
(CQ - ) зарядов и направление дипольного момента в двухатомной |
|||||||
молекуле. |
связей, образующих мо- |
||||||
Т а б л и ц а 1.1
Зависимость полярности молекулы АВX
от геометрического расположения атомов для общего случая полярной связи А-В
Тип молекулы |
Геометрия |
Наличие дипольно- |
||
го момента |
||||
АВ2 |
линейная |
СО2 , СS2 |
||
АВ2 |
H2 O, SO2 |
|||
АВ3 |
BF3 , SO3 |
|||
АВ3 |
пирамидальная |
NH3 , PF3 |
Если в молекуле несколько полярных связей, при определении дипольного момента молекулы дипольные моменты этих связей суммируются по закону суммирования векторов, поэтому величина дипольного
момента молекулы определяется не только величиной связевых дипольных моментов, но и их расположением в пространстве относительно друг друга. То есть, в сходных молекулах величина дипольного момента характеризует геометрию молекул (таблица 1.1).
Причинами возникновения дипольного момента молекул являются: 1) Смещение центра тяжести зарядов электронов, образующих хими-
ческую связь в сторону более электроотрицательных атомов связи. В симметричных двухатомных молекулах в отсутствии внешнего электри-
электронное |
||||
симметрично относительно ядер. Сле- |
||||
довательно, центр тяжести положитель- |
||||
ных зарядов ядер и отрицательных |
||||
Рис. 1.2. Схема возникновения |
зарядов связывающих электронов каждого |
|||
гомополярного диполя в моле- |
из атомов связи совпадают и дипольный |
|||
момент равен нулю. |
||||
2) Появление |
гомополярного |
|||
По причине различий в размерах атомных орбиталей, образующих химическую связь, область перекрывания орбиталей, т.е. область более вероятного нахождения связывающих электронов (отрицательного заряда), оказывается смещенной относительно центра положительных зарядов ядер атомов, образующих химическую связь. Эта ситуация приводит к возникновению гомополярного диполя химической связи (рис. 1.2).
3) Ассиметрия несвязывающей электронной пары. Возникновение диполя из-за наличия в молекуле неподе-
ленной пары электронов удобно рас- |
|||||
смотреть на примере молекул NH3 (а) и |
|||||
NF3 (в) |
(рис.1.3). Сравнение электроот- |
||||
рицательностей атомов Н (2.1), N (3.0) и |
|||||
Рис. 1.3. Сложение векторов свя- |
F (4.0) показывает, что несмотря на бли- |
||||
зевых дипольных моментов с ди- |
|||||
зость дипольных моментов связей N-H и |
|||||
польным моментом неподеленной |
|||||
N-F, дипольные |
связей N-H |
||||
суммарный |
дипольный |
||||
момент, направление которого совпадает с направлением дипольного момента неподеленной пары электронов азота. В случае молекулы NF3 суммарный связевый момент направлен против дипольного момента неподеленной пары азота. В результате дипольный момент аммиака больше дипольного момента NF3 .
Все изложенное выше касается дипольного момента молекулы вне электрического поля.
1.2. Диполь в статическом электрическом поле. Поляризуемость молекулы
Во внешнем электрическом поле заряды, образующие молекулу (электроны больше, ядра меньше), испытывают смещение в разных направлениях. В результате этого в постоянном электрическом поле центры тяжести положительных и отрицательных зарядов даже в неполярных молекулах перестают совпадать и молекула приобретает дипольный момент под действием поля называемый наведенным или индуцированным дипольным моментом.
Свойство молекулы приобретать дипольный момент под действием электрического поля называется поляризуемостью. Величина индуцированного дипольного момента молекулы зависит от величины напряженности электрического поля и от свойств самой молекулы
µ ≈ ε0 αЕ , (1.2) где ε0 - диэлектрическая проницаемость вакуума, α - поляризуемость мо-
лекулы, Е - напряженность внешнего электрического поля.
В зависимости от типа смещения заряда поляризуемость можно разделить на следующие составляющие.
1). Электронная поляризуемость - αэл . Возникает при упругом смещении электронных орбит относительно ядер в молекуле. Данный тип поляризуемости является безинерционным: αэл исчезает со снятием напряженности внешнего электрического поля.
2). Ядерная поляризуемость - αяд. . Возникает при смещении ядер в молекуле относительно друг друга. Ядерная поляризуемость также практически безинерционна, но по величине много меньше электронной:
α яд.<< α эл.
Вместе эта два типа поляризуемости называют деформационной поляризуемостью:
α деф.= α яд.+ α эл.
Оба типа поляризуемости присутствуют в полярных и неполярных молекулах, для неполярных молекул полная поляризуемость равна деформационной.
Во внешнем электрическом поле в полярных молекулах, т.е молекулах имеющих собственный дипольный момент, помимо деформационной поляризуемости возникает ориентационный дипольный момент благодаря стремлению собственного дипольного момента молекулы ориентироваться по направлению внешнего электрического поля и, соответственно, ориентационная поляризуемость αор. . Таким образом, полная поляризуемость полярных молекул равна:
Рис. 1.4. Электростатическое поле, наведенное полем плоского конденсатора в диэлектрике
α = αдеф. + αор. = αяд. + αэл. + αор. .
Поскольку тепловое движение разрушает ориентацию собственных дипольных моментов молекул в постоянном электрическом поле, ориентационная поляризуемость обладает инерцией, т.е. αор. , как и полная поляризуемость полярных молекул, при снятии напряженности внешнего электрического поля снижается с некоторой задержкой.
1.3. Диэлектрик в постоянном электрическом поле. Поляризация диэлектрика
Вещества, состоящие из полярных и неполярных молекул, в основном являются диэлектриками. Если диэлектрик поместить в электрическое поле конденсатора, произойдет поляризация диэлектрика, которая изменит напряженность электрического поля конденсатора. В плоском конденсаторе с площадью пластин А, расстоянием между ними d и плотностью заряда на пластине конденсатора σ напряженность электрического поля равна Е.
На поверхности диэлектрика, находящегося в электрическом поле конденсатора, возникают наведенные заряды плотности Р, дипольный момент созданный ими равен: µ = Р×А×d, а средний дипольный момент единицы объема диэлектрика, заполняющего все пространство конденса-
тора, равен:
µср = µ/V=(Р×А×d)/V=P, здесь V- объем диэлектрика в конденсаторе.
Из полученного выражения можно заключить, что поляризация диэлектрика есть средний дипольный момент единицы объема диэлектрика.
Заметим, что напряженность электрического поля, созданного наведенными зарядами поверхности конденсатора, направлена против напряженности поля самого конден-
сатора и уменьшает его (рис. 1.4).
Поскольку поляризация диэлектрика - результат сложения собственных и наведенных дипольных моментов его молекул, можно говорить о деформационной и ориентационной составляющих поляризации всего диэлектрика, если отнести величину наведенного дипольного момента к единице объема.
С середины 20 в. происходят коренные изменения в методах химических исследований, в которые вовлекается широкий арсенал средств физики и математики. Классические задачи химии - установление состава и строения веществ - всё успешнее решаются с использованием новейших физических методов. Неотъемлемой чертой теоретической и экспериментальной химии стало применение новейшей быстродействующей вычислительной техники для квантовохимических расчётов, выявления кинетических закономерностей, обработки спектроскопических данных, расчёта структуры и свойств сложных молекул.
Из числа чисто химических методов, разработанных в 20 в., следует отметить микрохимический анализ, позволяющий производить аналитические операции с количествами веществ, в сотни раз меньшими, чем в методе обычного химического анализа. Большое значение приобрела хроматография, служащая не только для аналитических целей, но и для разделения весьма близких по химическим свойствам веществ в лабораторных и промышленных масштабах. Важную роль играет физико-химический анализ (ФХА) как один из методов определения химического состава и характера взаимодействия компонентов в растворах, расплавах и др. системах. В ФХА широко используются графические методы (диаграммы состояния и диаграммы состав - свойство). Классификация последних позволила уточнить понятие химического индивида, состав которого может быть постоянным и переменным. Предсказанный Курнаковым класс нестехиометрических соединений приобрёл большое значение в материаловедении и новой области - химия твёрдого тела.
Люминесцентный анализ, метод меченых атомов, рентгеновский структурный анализ, электронография, полярография и др. физико-химические методы анализа находят широкое применение в аналитической химии Использование радиохимических методик позволяет обнаружить присутствие всего нескольких атомов радиоактивного изотопа (например, при синтезе трансурановых элементов).
Для установления строения химических соединений важное значение имеет молекулярная спектроскопия, с помощью которой определяются расстояния между атомами, симметрия, наличие функциональных групп и др. характеристики молекулы, а также изучается механизм химических реакций. Электронная энергетическая структура атомов и молекул, величина эффективных зарядов выясняются посредством эмиссионной и абсорбционной рентгеновской спектроскопии. Геометрия молекул исследуется методами рентгеновского структурного анализа.
Обнаружение взаимодействия между электронами и ядрами атомов (обусловливающего сверхтонкую структуру их спектров), а также между внешними и внутренними электронами позволило создать такие методы установления строения молекул, как ядерный магнитный резонанс (ЯМР), электронный парамагнитный резонанс (ЭПР), ядерный квадрупольный резонанс (ЯКР), гамма-резонансная спектроскопия. Особую роль по широте применения приобрела ЯМР-спектроскопия. Для выяснения пространственных характеристик молекул возрастающее значение приобретают оптические методы: спектрополяриметрия, круговой дихроизм, дисперсия оптического вращения. Разрушение молекул в вакууме под влиянием электронного удара с идентификацией осколков применяется для установления их строения методом масс-спектроскопии. Арсенал кинетических методов пополнился средствами, связанными с использованием ЭПР - и ЯМР-спектроскопии (химическая поляризация ядер), метода импульсного фотолиза и радиолиза. Это позволяет изучать сверхбыстрые процессы, протекающие за время 10-9 сек и меньше.
Для изучения обмена веществ в организме и отдельных органах существует разнообразные методы. Одним из старинных является метод балансовых опытов , заключающийся в том, что изучают количество поступивших органических веществ и количество образовавшихся конечных продуктов.
Для изучения обмена веществ в отдельных органах применяют метод изолированных органов . Органы, способные сохранять в течение некоторого времени свою жизненную активность и могут использовать для своей деятельности питательные вещества, пропускающие через кровь.
Для изучения обмена веществ в отдельных органах - метод ангеостомии. Разработал Лондон. На кровеносные сосуды накладывают специальные трубочки, которые позволяют получить притекающую кровь к какому-либо органу. По изменению химического состава крови судят о процессе обмена веществ.
В настоящее время широко используется метод меченых атомов – основанный на использовании соединений, в молекулы которых включены атомы тяжелых и радиоактивных изотопов биоэлементов. Вводят в организм соединения, меченные такими изотопами, используют радиометрические методы анализа можно проследить за судьбой элементов или соединений в организме и о его участии в метаболических процессах.
59 вопрос Обмен белков. Классификация их (два вида) и характеристика. Значение для организма. Биологическая ценность белков. Азотистый баланс. Роль печени в белковом обмене. Особенности белкового обмена у жвачных. Регуляция белкового обмена
Обмен белков ФУНКЦИИ БЕЛКОВ
Пластическая функция белков состоит в обеспечении роста и развития организма за счет процессов биосинтеза.
Ферментативная активность белков регулирует скорость протекания биохимических реакций.
Защитная функция белков состоит в образовании иммунных белков - антител. Белки способны связывать токсины и яды а также обеспечивать свертываемость крови (гемостаз).
Транспортная функция заключается в переносе кислорода и двуокиси углерода эритроцитным белком гемоглобином , а также в связывании и переносе некоторых ионов (железо, медь, водород), лекарственных веществ, токсинов.
Энергетическая роль белков обусловлена их способностью освобождать при окислении энергию.
Белковый обмен проходит четыре основных этапа:
Расщепление белка в ЖКТ и всасывание в виде аминокислот;
Центральное звено обмена – синтез из аминокислот собственных белков организма и расщепление белка в клетках;
Межуточные превращения аминокислот в клетках;
Образование и выведение конечных продуктов белкового обмена.
Азотистый баланс
Косвенным показателем активности обмена белков служит так называемый азотистый баланс - разность между количеством азота, поступившего с пищей, и количеством азота, выделяемого из организма в виде конечных метаболитов.
Азотистое равновесие - количество поступившего азота равно количеству выделенного (отмечают у взрослого здорового животного в нормальных условиях кормления и содержания)
Положительный азотистый баланс превышает выделенное.
Отрицательный азотистый баланс - состояние, при котором количество поступившего азота меньше выделенного.
При расчетах азотистого баланса исходят из того факта, что в белке содержится около 16% азота, то есть каждые 16 г азота соответствуют 100 г белка (100:16=6,25).
Белковый минимум
Наименьшее количество вводимого с пищей белка, способствующее поддержанию азотистого равновесия.
МРС, свиньи – 1г/кг живой массы
Лошади – 0,7-0,8 (1,2-1,42)
Коровы – 0,6-0,7 (1)
Человек – 1,5-1,7 (белковый оптимум).
Вне зависимости от видоспецифичности все многообразные белковые структуры содержат в своем составе всего 20 аминокислот . Для нормального метаболизма имеет значение не только количество получаемого белка, но и его качественный состав, а именно соотношение заменимых и незаменимых аминокислот .
Незаменимых аминокислот для моногастричных животных, птиц и человека 10: дизин, триптофан, гистидин, фенилаланин, лейцин, изолейцин, метионин, валин, треонин, аргинин.
Биологическая ценность белков
У жвачных и некоторых других видов животных есть свои особенности в обмене белка: микрофлора преджелудков способна синтезировать все незаменимые аминокислоты и, следовательно, могут обходиться кормом без незаменимых аминокислот.
Белки в которых нет хотя бы одной незаменимой аминокислоты или если они содержатся в недостаточных количествах называются неполноценными (растительные белки ).
Обмен аминокислот
Основное место обмена аминокислот – печень:
дезаминирование – отщепление аминогруппы (в виде аммиака) с образованием жирных кислот, оксикислот, кетокислот;
трансаминирование – перенос аминогрупп из аминокислот в кетокислоты с образованием другой аминокислоты и кетокислоты без промежуточного образования аммиака;
декарбоксилирование – отщепление карбоксильной группы в виде углекислоты с образованием биогенных аминов.
Регуляция белкового обмена
Глюкокортикоиды - ускоряют распад белков и аминокислот, в результате чего усиливается выделение азота из организма.
Механизм действия СТГ состоит в ускорении утилизации аминокислот клетками. Соответственно, при акромегалии и гипофизарном гигантизме наблюдается положительный азотистый баланс, при гипофизэктомии и гипофизарном нанизме – отрицательный.
Тироксин : при гиперфункции щитовидной железы повышается обмен белков
Гипофункция сопровождается замедлением обмена веществ, останавливается рост и развитие организма.
В печени происходит не только синтез белка, но и обеззараживание продуктов их гниения. В почках совершается дезаминирование продуктов азотистого обмена.
Учреждение образования «Брестский государственный университет имени А.С. Пушкина»
Кафедра химии
КУРСОВАЯ
РАБОТА
Методы
исследования органических соединений
Выполнила:
студентка 5 курса,
биологического
факультета
специальности
«Биология. Химия»
очной формы
обучения
Петручик
Ирина Александровна
Научный руководитель:
Боричевский
Александр Иванович
Брест, 2012
Методы исследования органических
соединений
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………… …………..
3
-
Классификация методов исследования органических веществ………. 4
Простейшие методы исследования органических веществ
2.1.1 Кристаллизация………………………………………… ……… 6
2.1.2 Возгонка………………………………………………………… . 7
2.1.3 Перегонка……………………………………………………… .. 8
2.1.4 Хроматография…………………………………………… …. 9-11
2.2 Анализ органических веществ………………………………….. 12-13
-
Физико-химические методы исследования органических веществ… 14
3.2 Калориметрия……………………………………………… ……… 17
3.3 Рентгенография и электронография…………………………… 18-19
3.4 Электрохимические методы исследования…………………… 20-21
3.5 Спектроскопия…………………………………………… …….. 22-27
ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………… ……….…. 28
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ…………………………. 29
ВВЕДЕНИЕ
Изучение органических веществ
преследует цель установления строения
вещества, его пространственной структуры
и характеристических молекулярных орбиталей,
изучение взаимодействия атомов и молекул,
исследование скоростей и механизмов
реакции. Ввиду огромного числа разнообразных
органических соединений нельзя выработать
единую схему анализа, как часто делается
в неорганическом количественном анализе.
И все же систематическое исследование
позволяет достаточно надежно и быстро
идентифицировать органическое вещество.
Установление строения органического
вещества – это главная цель их изучения
вне зависимости от метода исследования.
Однако интересы, связанные с исследованием
того или иного органического соединения,
уже имеют разный характер. Особенную
важность имеют вопросы, касающиеся природных
ресурсов нашей планеты. Мы знаем, что
особенное значение для человечества
имеют источники нефти и газа, но они ограничены.
Поэтому назрела проблема поисков нового
сырья для органического и нефтехимического
синтеза, получения нефти и газа искусственным
путем. Но это лишь одна из причин изучения
органических веществ. Если посмотреть
вокруг, то все живое на Земле это органическая
химия. Соответственно, изучение органических
веществ это ключ к глобальным открытиям
в области живой природы, возможность
узнать все жизненноважные процессы, найти
пути излечения многих страшных заболеваний,
создавать самим живые материи и т.д.
-
Классификация методов изучения органических веществ.
- простейшие методы изучения: очистка органических веществ (кристаллизация, возгонка, перегонка, хроматография, гель-фильтрация, электрофорез) и анализ органических веществ (количественный и качественные элементные анализы);
- физико-химические методы: рефрактометрия, калориметрия, измерение электрических дипольных моментов, рентгенография и электронография, электрохимические методы (полярография, анодная вольтамперометрия), спектроскопия (фотоэлектронная, масс-спектроскопия, инфракрасная и т.д.)
Простейшие методы исследования органических веществ
-
Очистка органических веществ
Для характеристики чистоты вещества используют следующие константы и методы: температура плавления, температура кристаллизации, температура кипения, коэффициент преломления света, плотность, данные спектров поглощения (коэффициент интенсивности поглощения в электронных и инфракрасных спектрах), данные спектров ядерного магнитного резонанса (ЯМР), масс-спектрометрии, хроматографический анализ, люминесцентный анализ и др.
Получить чистое вещество – означает разделить данную смесь веществ на индивидуальные вещества, очистить до желаемой степени чистоты. Здесь необходимо различать две совокупности методов: методы разделения смеси на компоненты, которые еще не являются чистыми, и методы конечной очистки.
Говоря о чистоте химических веществ, нужно отдавать себе отчет в том, что абсолютно чисто вещество можно представить только теоретически. Абсолютно чистых веществ нет и быть не может. В зависимости от методы очистки вещество содержит определенное количество примесей. Обычными методами очистки можно достичь содержания основного вещества 99,9…99,95%. Специальными методами глубокой очистки можно уменьшить содержание примесей для органических веществ до 10 -3 ….10 -4 %
2.1.1 Кристаллизация
Кристаллизация
является классическим методом очистки
кристаллических веществ. Метод
основан на том, что разные вещества
имеют разную растворимость в определенном растворителе,
причем понижение температуры (за редким
исключением) приводит к уменьшению растворимости
веществ. Фильтрованием горячего раствора
отделяют нерастворимые примести, и после
охлаждения вещество выделяется из раствора
в виде кристаллов. Повторные перекристаллизации
обычно уменьшают количество примесей.
Вариантом метода является кристаллизация
из расплава. Специальный вариант – зонная
плавка – применяется для глубокой очистки
веществ.
Например: нам необходимо очистить салициловую
кислоту от примесей. Для этого мы берем
взвешенную предварительно массу этой
кислоты и рассчитываем необходимый обьем
растворителя – воды, для того, чтобы получить
насыщенный раствор, который впоследствии
можно будет кристаллизировать.
2.1.2 Возгонка (Сублимация)
Многим кристаллическим
веществам свойственна способность
к возгонке, т.е. к переходу в газовую
фазу, минуя жидкую, с последующей
кристаллизацией из газовой фазы.
Этот метод позволяет отделить сублимирующиеся
вещества от несублимирующихся примесей и разделить смесь веществ
с разными температурами сублимации или
температурами кристаллизации из газовой
фазы (градиентная возгонка). Если вещества
возгоняются трудно и при высоких температурах
разлагаются, применяют возгонку в вакууме
или высоком вакууме – до 0,0013 Па (10 -5
мм рт.ст.; 1 мм рт.ст.=133,3 Па). Высоковакуумная
возгонка в различных вариантах применяется
для глубокой очистки.
Очистка твердого вещества
возгонкой возможна только в том
случае, если давление его паров
выше, чем давление паров примесей.
Когда давление паров твердого вещества
соответствует приложенному давлению
получают наилучшие результаты.
Например: Е-стильбен возгоняют при температуре
100 о С и давлении 20 мм рт. ст.
2.1.3 Перегонка
(дистилляция)
Для многих низкоплавких веществ и большинства жидкостей
хорошим методом очистки является
Фракционная перегонка при
условии, что разница в температурах
кипения компонентов смеси достаточно
велика и не образуются азеотропные
смеси. Селективность (эффективность)
фракционной перегонки можно увеличить
специальными приспособлениями: дефлегматорами,
дистилляционными колоннами и др. Для
высококипящих веществ применяется вакуумная
перегонка. Вариантом метода является
перегонка двухкомпонентных систем, которые
при охлаждении расслаиваются, например
перегонка с водным паром: лимонен (т.кип. 178 о С при
760 мм рт. ст.) перегоняется с водой (т.кип.
100 о С при 760 мм рт. ст.) при температуре
98 о С. При этом количественное соотношение
в дистилляте (в граммах) лимонен: вода
составляет 1: 1,54.
2.1.4 Хроматография
Методы хроматографического
разделения основываются на различной
способности веществ адсорбироваться
на поверхности сорбента или распределяться
между двумя несмешивающимися фазами
(жидкость-жидкость, жидкость-газ), из которых одна фаза (жидкая) находится
на поверхности сорбента. Поэтому различают
разные виды хроматографии, а именно: жидкостную
адсорбционную и распределительную хроматографию,
газовую хроматографию.
Жидкостная адсорбционная хроматография основана на различной способности
веществ сорбироваться на поверхности
сорбента и десорбироваться при пропускании
растворителя – элюента. В Качестве сорбентов
применяют оксид алюминия, кремниевую
кислоту и диоксид кремния (силикагели),
гранулированные полисахариды (декстраны)
или другие полимеры, которые в растворителе
набухают, образуя гранулированный гель
(гель-хроматография).
Жидкостная
распределительная хроматография является разновидностью адсорбционной
хроматографии, в которой сорбент (носитель)
покрыт тонкой пленкой какой-то жидкости.
Элюентом обычно является растворитель,
который не смешивается с жидкостью на
сорбенте. При пропускании элюента происходит
распределение веществ между жидкой фазой
и элюентом. Этот вид хроматографии наиболее
пригоден для разделения веществ, хорошо
растворимых в воде или способных образовывать
растворимые в воде соли. К таким веществам
относятся сахар, аминокислоты, многие
органические красители, большая часть
алкалоидов, моно- и поликарбоновые кислоты,
спирты и т. д.
Пример жидкостной
хроматографии смеси стандартов синтетических
фосфолипидов (1) и образца грубого липддного
экстракта из клеточной мембраны эритроцитов
человека(2) на нормально фазной колонке
при детектировании лазерным светорассеивающим
детектором.НЛ – нейтральные липиды; ФЭ
– фосфатидилэтаноламин; ФС – фосфатидилсерин;
ФХ – фосфатидилхолин; СМ – сфингомиелин.
Газовая
хроматография применяется для разделения
смесей газообразных или легкоиспаряемых
жидких и твердых веществ. Принцип метода
подобен жидкостной хроматографии. Разделяемую
смесь разбавляют газом-носителем (H 2,
N 2 , He) и вводят в адсорбционные колонны.
Газ-носитель является одновременно растворителем
и элюентом. В качестве сорбентов используют
тонкие порошки силикатных материалов,
которые могут быть чистыми (газо-адсорбционная
хроматография) или покрытыми пленкой
нелетучей жидкости (газо-жидкостная хроматография).
Используют также капилляры, покрытые
внутри пленкой нелетучей жидкости (капиллярная
хромотография). Газ-носитель постепенно
десорбирует компоненты смеси и уносит
с собой. Присутствие органических веществ
в газе-носителе и их количество обнаруживается
при помощи специальных детекторов и фиксируется
самописцем. В препаративной хроматографии
газ-носитель затем пропускают через специальные
приемники, в которых органические вещества
улавливают вымораживанием.
Этим методом
можно достичь полного разделения
смеси. При использовании адсорбционных
колонн повышенной мощности метод применяется
как препаративный для разделения
небольших количеств веществ (1….10
г).
Пример
газовой хроматографии: скоростной анализ паров взрывчатых
веществ на поликапиллярной колонке при
температуре 170°С.
Поликапиллярная колонка длиной всего
22 см позволяет за 2.5 минуты обнаружить
и идентифицировать следовые количества
паров взрывчатых веществ: 1 - 2,6-динитротолуол,
2 - 2.4-динитротолуол. 3 - 2,4,6-тринитротолуол,
4 - 3,4,5-трининитротолуол, 5 - 2.3,4-тринитротолуол,
6 - гексоген. 7 - тетрил.
-
Анализ органических веществ
Первой задачей является качественное и количественное определение элементного состава. Затем по данным элементного анализа вычисляют простейшую суммарную формулу, определяют молекулярную массу и вычисляют истинную молекулярную брутто-формулу. И наконец, заключительным этапом является определение молекулярной структуры. Для этой цели используют химические методы (постепенное расщепление, получение производных), а в последнее время все чаще применяют физико-химические методы (масс-спектроскопия, рентгеноструктурный анализ, спектроскопия).
Количественный и качественный элементный анализ
В основе методов анализа лежит полное расщепление органического вещества в результате окисления или другим путем и определение химических элементов известными методами. Углерод определяют в виде СО 2, водород – в виде H 2 О, азот – измерением объема N 2 или определением NH 3 или NaCN (в зависимости от вида расщепления), галогены – в виду галогенид-ионов, серу – в виде сульфат- или сульфид-иона, фосфор в виду фосфат-иона и т.д.
Качественно углерод и водород определяют при нагревании с CuO:
C n H 2n +3nCuO>nCO 2 +nH 2 O+3nCu
И выделяющийся оксиду углерода обнаруживают пропусканием газа в раствор Ba(OH) 2 , а воду обнаруживают визуально на стенках пробирки.
Азот, серу и галогены качественно определяют при сплавлении натрием. Образующиеся NaCN, Na 2 S и галогениды натрия обнаруживают в водном растворе обычными аналитическими реакциями.
Для количественного анализа органических соединений существуют специальные пробы. Раньше обычно применялись установки для макроанализа (навеска образца 0,2 … 0,5 г). В наши дни распространены различные приборы для микроанализа (навеска 0,001…0,01 г), для ультрамикроанализа (навеска 10 -5 ...10 -4 г). Для количественного определения углерода и водорода используют приборы, в которых органическое вещество сжигают в токе кислорода: CO 2 улавливают раствором KOH, а H 2 O – специальным абсорбентом и определяют взвешиванием. Для количественного определения азота используют сожжение вещества при нагревании с CuO и объем выделившегося газа измеряют в азометре над раствором KOH. Галогены и серу количественно определяют сожжением образца в атмосфере кислорода, растворением газов в воде и титрованием галогенид-ионов или сульфат-иона.
Разработаны автоматические микроанализаторы с использованием принципа газовой хроматографии, в которых одновременно определяют углерод, водород, азот и серу.
Молекулярную массу соединения обычно определяют масс-спектрометрически.
-
Физико-химические методы исследования органических веществ
-
Спектральные и другие оптические методы;
Электрохимические методы;
Хроматографические методы анализа.
Группа электрохимических методов анализа, основанная на измерении электрической проводимости, потенциалов и других свойств, включает методы кондуктометрии, потенциометрии, вольтамперометрии и т.д.
Но для того, чтобы точно убедиться в более лучшей эффективности этих методов и их действительном большом практическом значении, рассмотрим для сравнения и другие физико-химические методы.
-
Рефрактометрия
, где n – коэффициент преломления света для D-линии натрия (589нм); M – молекулярная масса вещества; ?? – плотность.
Молекулярная рефракция имеет аддитивные свойства, т.е. молекулярная рефракция молекулы может быть получена суммированием рефракций составных частей молекулы. Такими составными частями являются химические связи и совокупность связей и атомов. Эти рефракции вычислены на основе исследований многих органических соединений и могут быть найдены в справочниках. Например:
R CH4 = 4 R C-H ; R CH3NO2 = 3 R C-H +R C-N +R NO2
Явление преломления света связано с поляризуемостью электронной системы молекул. Под влиянием электромагнитного поля света происходит поляризация молекул, в основном их электронных систем. Чем подвижнее электронная система молекулы, тем больше коэффициент преломления света и молекулярная рефракция.
Исследования молекулярной рефракции могут быть использованы для установления структуры соединения. Так, для изучаемого соединения экспериментально определяют молекулярную рефракцию и сравнивают с рефракцией, полученной суммированием рефракций связей по предполагаемой структурной формуле. Если результаты совпадают, то можно считать структуру доказанной, если нет, то надо искать другую структуру. В некоторых случаях наблюдают сильное увеличение молекулярной рефракции по сравнению с ожидаемой (экзальтация рефракции). Это характерно для сопряженных систем.
Значения молекулярной рефракции химических связей, атомов, молекул и ионов могут быть использованы для качественной оценки их поляризуемости. Поляризуемостью молекулы (иона, связи) называют способность ее к поляризации, т.е. к изменению положения ядер и состояния электронного облака под влиянием внешнего электрического поля. В основном происходит электронная поляризация.
3.2 Калориметрия
Калориметрия
является методом исследования тепловых
эффектов химических реакций и процессов
фазовых переходов (например, плавления,
кристаллизации, возгонки, конденсации).
Процесс (реакцию) проводят в специальных
приборах – калориметрах и количественно
оценивают выделенное или поглощенное
тепло.
Калориметрическим
путем определяют молярные теплоты
сгорания веществ. В свою очередь
теплоты сгорания (W) используют для вычисления
теплоты образования вещества E или стандартной
энтальпии образования?H 0 . Теплота
образования вещества может быть вычислена,
исходя из элементов в атомарном состоянии
или из элементов в «стандартном» состоянии
(углерод в виду графита, газообразный
водород и т.д.), при этом полученные числовые
значения, естественно, отличаются. При
рассмотрении табличных данных на это
надо особенно обращать внимание. Обычно
теплоты образования веществ для процесса
вычисляются из атомов элементов, а?H 0
- из элементов в «стандартном» состоянии.
Например, теплота образования углеводородов
из атомов:
- nS -
] – W, где W – теплота сгорания;
- теплота образования CO 2
(393,5 кДж/моль);
- теплота образования воды
(285,8 кДж/моль); S – теплота атомизации (возгонки)
углерода (графита) (-715 кДж/моль);
- теплота атомизации (диссоциации)
молекулы водорода (-436 кДж/моль).
Чем меньше теплота
сгорания, тем больше теплота образования
соединений одинакового состава.
В основном этот
метод служит для сравнения и
характеристики стабильности и реакционной
способности органических соединений.
3.3 Рентгенография
и электронография
Рентгенографический
метод – рентгеноструктурный
анализ – основан на дифракции
рентгеновских лучей в кристалле
вещества. Рентгеновские лучи
(электромагнитное излучение с длиной
волны 0,1-10 нм) при прохождении через кристалл
взаимодействует с электронными оболочками
атомов. В результате этого взаимодействия
происходит дифракция рентгеновских лучей
и на фотопленке получается дифракционная
картина – пятна или окружности. Из дифракционной
картины при помощи сложных расчетов получают
сведения о размещении молекул в элементарной
ячейке кристалла и о расстояниях между
атомами и углах между химическими связями.
Чем меньше число электронов в атоме, тем
слабее рефлексы рентгеновских лучей.
Поэтому определить местонахождение атомов
водорода весьма трудно.
Электронографический
метод подобен рентгенографическому
и основан на взаимодействии потока
электронов с веществом. Поток электронов при прохождении через
вещество напоминает электромагнитное
излучение с очень небольшой длиной волны
и дает дифракционную картину. Эти дифракционные
картины (электронограммы) можно получить
для веществ в газообразном состоянии
или для очень тонких пленок. Дифракция
электронов обусловлена взаимодействием
электронов с атомными ядрами.
Эти методы структурного
анализа дают возможность определить
полную структуру молекулы – межатомные
расстояния, углы между связями, т.е.
точное пространственное расположение всех атомов молекулы в кристаллической
решетке или в газообразном состоянии.
Методом рентгеноструктурного анализа
определена структура таких сложных природных
веществ, как сахароза, пенициллин, стрихнин,
витамин B 12 , некоторые белки (миоглобин)
и нуклеиновые кислоты.
Из рентгенографических
методов исследования было установлено,
что ковалентный радиус атомов при sp 2 - и sp-гибридизации меняется
в зависимости от типа связи, например
в двойной связи С=С (С sp2 - С sp2)
ковалентный радиус атома углерода С sp2
меньше, чем в связи =С-С (С sp2 - С sp3).
В 1-ом случае он составляет 0,067 нм, во 2-ом
– 0,076 нм, а в случае бензола - 0,0695 нм, т.е.
длина связи также зависит уже от самого
соединения и у каждого соединения длины
связей являются уже индивидуальной характеристикой,
что может пригодиться при идентификации
определенного органического соединения.
3.4 Электрохимические
методы исследования
Электрохимические
методы основаны на зависимости силы
тока от приложенного напряжения при
прохождении тока через раствор в электролизерах
специальной конструкции. В результате
появляются кривые зависимости силы тока
– напряжение (потенциал). Эти вольтамперные
кривые характеризуют процессы, проходящие
на электродах. На каотед происходит электрохимическое
восстановление, а на аноде – электрохимическое
окисление. В зависимости от типа изучаемого
процесса (анодного или катодного) применяются
приборы, отличающиеся между собой соотношением
площадей электродов, материалом электродов
и др
Полярография
В основе полярографического метода лежат катодные
процессы (присоединение электрона к веществу
на ртутном капающем электроде). Принципиальная
схема полярографа очень проста. Он состоит
из капающего ртутного микроэлектрода
с непрерывно обновляющейся поверхностью
и электрода сравнения (ртутный или другой
нормальный электрод). Площадь катода
значительно меньше площади анода, поэтому
решающими в этом случае являются процессы
поляризации катода. Органическое вещество
диффундирует к катоду и принимает электрон,
происходит деполяризация катода. Деполяризация
катода начинается при определенном потенциале
Е выд (потенциал восстановления
или выделения, характерный для данного
деполяризатора. В результате начинается
электролиз и сила тока круто возрастает.
При постепенном увеличении напряжения
устанавливается некоторое стационарное
значение силы тока (предельный ток), которое
уже не зависит от повышения напряжения.
Полярографию
можно использовать для характеристики
процесса:
Метод полярографии
широко используется для определения
концентрации веществ в растворах.
Анодная
вольтамперометрия
В основе этого
метода лежат анодные процессы (окисление
органического соединения на платиновом
или графитовом аноде). С точки
зрения экспериментального осуществления
этот метод подобен полярографии.
Анодную вольтамперометрию используют
для изучения процессов окисления:
Метод используют также для количественных определений веществ в растворах.
3.5 Спектроскопия
В основе спектроскопических
методов лежит взаимодействие вещества
с электромагнитным излучением, что вызывает поглощение
излучения или его эмиссию. Взаимодействие
возможно в очень широком интервале электромагнитных
волн, начиная с?-лучей и кончая радиоволнами.
В зависимости
от области электромагнитного спектра
применяют различные эксперимен тальные методы и приборы.
В органической
химии наиболее часто используются
следующие области электромагнитного
излучения:
- ультрафиолетовая
(УФ) и видимая область спектра,
где поглощается энергия, необходимая
для возбуждения электронов в
молекуле (вид электронной спектроскопии);
- инфракрасная
(ИК) область, где поглощается
энергия, необходимая для изменения
колебательных состояний молекулы
(колебательная спектроскопия);
- область радиочастотного
излучения, где энергия затрачивается
для переориентации спинов ядер (спектроскопия
ядерного магнитного резонанса – ЯМР).
Спектральные
методы применяются с целью идентификации
и установления структуры соединений,
анализа смесей, а также позволяют
следить за ходом химических превращений.
Достоинством спектральных методов является малый расход
вещества (1 мг и менее).
Электронная
спектроскопия
Электронный спектр
возникает при поглощении веществом
ультрафиолетового (длины волн 22-400
нм) и видимого (400-800 нм) излучения. Принципиальной
разницы между этими участками спектра нет, они различаются
лишь тем, что волны длиной 400-800 нм воспринимаются
человеческим глазом, и мы видим вещество
окрашенным.
Под действием
УФ-света происходит возбуждение
молекулы, т.е. переход электронов на
более возбужденный уровень и
перераспределение электронной плотности
в молекуле. Труднее всего возбуждаются
электроны, образующие?-связи, легче –
электроны?-связей и неподеленные пары
электронов.
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.
