Los antipiréticos para niños los prescribe un pediatra. Pero hay situaciones de emergencia con fiebre en las que es necesario administrar medicamentos al niño de inmediato. Entonces los padres asumen la responsabilidad y utilizan fármacos antipiréticos. ¿Qué se le permite dar a los bebés? ¿Cómo se puede bajar la temperatura en niños mayores? ¿Qué medicamentos son los más seguros?
MINISTERIO DE EDUCACIÓN Y CIENCIA DE LA FEDERACIÓN DE RUSIA
UNIVERSIDAD ESTATAL DE TOMSK
APROBADO por el Decano de la Facultad de Química Yu.G. Slizhov “___” ___________
DE ACUERDO. bazyl
MÉTODOS FÍSICOS DE INVESTIGACIÓN EN QUÍMICA
Tutorial
UDC 543,42 BBK 22.344a73 P 25
Bazyl está bien.
PAG 25 Métodos de investigación física en química: libro de texto. prestación.– Tomsk: Universidad Estatal de Tomsk, 2013. – 88 p.
Se ofrece una breve descripción de los fundamentos teóricos de varios métodos físicos para estudiar la materia. El propósito de este manual es presentar las áreas y aplicaciones de los métodos ópticos (vibracionales, rotacionales, espectroscopia electrónica y fotofísica de moléculas), de resonancia (EPR y RMN) y métodos para medir momentos dipolares.
Para estudiantes de la Facultad de Química que cursan la asignatura “Estructura de la Materia”.
Revisor –
Doctor. química. ciencias, prof. Departamento de Química Física y Coloidal T.S. Minakova
UDC 543,42 BBK 22.344a73
Bazyl O.K., 2013Universidad Estatal de Tomsk, 2013
PREFACIO................................................. .. ................................................. ......................................... |
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SECCION UNO. Momento dipolar eléctrico, su naturaleza. |
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y métodos de determinación................................................ ......................................... ................ ........ |
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Capítulo 1. Fundamentos teóricos del método................................................ ........................................................... |
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1.1. La naturaleza del momento dipolar................................................ ....... ........................................ |
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1.2. Dipolo en un campo eléctrico estático. Polarizabilidad de una molécula.................... |
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1.3. Dieléctrico en un campo eléctrico estático. Polarización dieléctrica.... |
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1.4. Ecuaciones de Debye y Clausius-Mossotti................................................ ......................................... |
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1.5. Polarización de un dieléctrico a altas frecuencias de un campo electromagnético. |
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Refracción molar................................................ .................................................... ......... ... |
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Capítulo 2. Métodos para medir el momento dipolar y su uso en química... |
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2.1. El primer método de Debye................................................ .... ................................................. .......... ..... |
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2.2. Determinación del momento dipolar mediante el efecto Stark................................. |
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2.3. Método de resonancia eléctrica................................................ .................... ................................ .......... |
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2.4. Uso de datos sobre momentos dipolares en química................................. ......... |
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SECCIÓN SEGUNDA. Métodos espectrales ópticos................................................ .................... ..... |
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Capítulo 3. Fundamentos teóricos de los métodos espectrales................................................ ........ ........ |
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3.1. Postulados de Bohr................................................ .................................................... ......... ............ |
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3.2. División de la energía molecular en partes y principales tipos de espectros................................. |
|
Capítulo 4. Espectros rotacionales de moléculas diatómicas................................. .......... ....... |
|
4.1. Energía de niveles estacionarios rotacionales................................................. .................... .......... |
|
4.1.1. Tapa esférica................................................ .................................................... |
|
4.1.2. Tapa simétrica................................................ ... ........................................ |
|
4.2.3. Molécula lineal................................................ .................................................... |
|
4.2. Reglas de selección y espectro de absorción rotacional.................................... ........ ... |
|
4.3. Determinación de parámetros geométricos de moléculas a partir de espectros rotacionales.... |
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Capítulo 5. Vibraciones de moléculas. |
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Determinación de la estructura y propiedades de moléculas diatómicas.................................... ......... |
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5.1. Fundamentos teóricos del método de espectroscopía IR................................................. ......... ........ |
|
5.2. Espectro vibratorio de un oscilador armónico................................................ ......... |
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5.3. Espectro vibratorio de un oscilador anarmónico................................................ ........ |
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Capítulo 6. Espectros vibratorios de moléculas poliatómicas................................. .......... ... |
|
6.1. Clasificación de vibraciones normales................................................ ................................. ........................ |
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6.2. Frecuencias de grupo y características................................................ ...... ................... |
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6.3. Aplicaciones de la espectroscopia IR................................................ ................................. ................................. ....... |
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Preguntas de control................................................ ................................................. ...... ............ |
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Tareas................................................. ................................................. ...... .................................... |
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Capítulo 7. Espectros electrónicos de absorción y emisión de moléculas. |
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Procesos fotofísicos intramoleculares................................................. ......................... |
7.1. Estados electrónicos y espectros de moléculas diatómicas................................................. ....... |
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7.2. Principio de Franck-Condon para procesos intramoleculares................................. |
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7.3. Espectros de absorción electrónica de moléculas poliatómicas. |
|
Ley de Lambert-Beer................................................ ................... ................................. ......................... .. |
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7.4. Clasificación de transiciones electrónicas................................................ ..... .................... |
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7.5. Procesos de desactivación de la energía absorbida. |
|
Diagrama de niveles de energía................................................. ................................. ................................ |
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7.6. Fluorescencia y sus leyes................................................ ...... ........................................... |
|
7.7. Aplicación de espectros electrónicos................................................ ................................. ................................ |
|
Preguntas de control................................................ ................................................. ...... .......... |
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Tareas................................................. ................................................. ...... .................................... |
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SECCIÓN TERCERA. Métodos de investigación de resonancia.................................... .................... ..... |
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Capítulo 8. Espectroscopia de resonancia paramagnética electrónica.................... |
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8.1. Fundamentos teóricos del método. Efecto Zeeman................................................ ... ....... |
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8.2. Condición de resonancia simple. g - Factor................................................. .... .................... |
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8.3. Interacción electrón-nuclear................................................ ................................. ................................. .. |
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8.4. Estructura ultrafina de los espectros EPR................................................. ................ ........................... |
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8.5. Aplicación de los espectros EPR en química................................................. ................................. ................................. .. |
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Preguntas de control................................................ ................................................. ...... ............ |
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Tareas................................................. ................................................. ...... .................................... |
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Capítulo 9. Espectroscopia de Resonancia Magnética Nuclear.................................... ......... ..... |
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9.1. Momento magnético del núcleo y su interacción con el campo magnético. |
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Condición para la resonancia nuclear simple................................................ ......................... ........................... |
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9.2. Desplazamiento químico de la señal de RMN................................................ ......................................... |
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9.3. Interacción espín-espín y multiplicidad de señales de RMN................................. |
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9.4. Aplicación de los espectros de RMN en química.................................... ................ ................................. |
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Preguntas de control................................................ ................................................. ...... .......... |
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Tareas................................................. ................................................. ...... .................................... |
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PLANES DE TALLER................................................ .................... ................................ .......... |
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LITERATURA................................................. ................................................. ...... ........................ |
PREFACIO
Ahora es obvio que el desarrollo de la química es imposible sin el uso generalizado de métodos físicos para estudiar la estructura y propiedades de la materia. El arsenal de métodos físicos modernos en química es tan extenso y su aplicación tan diversa que requiere un estudio sistemático de los principios teóricos subyacentes a un método particular para una comprensión competente de las capacidades del método, la aplicación práctica y la interpretación de las mediciones. resultados.
Las características medidas de una sustancia son necesarias en algunos casos para establecer patrones que conectan las propiedades físicas y químicas de una sustancia con la estructura química de moléculas individuales y, en otros, para optimizar los procesos tecnológicos. Además de determinar las características y propiedades básicas de las moléculas, algunos de los métodos de investigación física permiten estudiar los equilibrios cinéticos y los mecanismos de las reacciones químicas.
Junto con la mejora de los equipos e instrumentos utilizados en la investigación, una tendencia importante en el uso moderno de los métodos físicos es su uso complejo, especialmente para identificar una sustancia y establecer su estructura química. Los más utilizados para estos fines son los métodos espectrales ópticos y de resonancia (espectros IR, UV, RMN (NMR)) y la espectroscopia de masas. Actualmente, para una solución completa y confiable del problema, se requieren datos de tantos métodos como sea posible.
El plan de estudios de la sección "Métodos físicos de investigación en química" del curso "Estructura de la Materia" incluye conferencias, seminarios y clases de laboratorio. Este libro de texto ha sido compilado para ayudar a los estudiantes a prepararse para las clases de seminario. Debido al número limitado de horas asignadas por el plan para los seminarios, sólo se consideran los métodos de espectroscopia óptica y de resonancia, así como los métodos para medir el momento dipolar de las moléculas. Estos son los métodos discutidos en el manual. El manual describe los fundamentos teóricos de cada método sin abarrotarlo con cálculos matemáticos y fórmulas complejas, lo cual es importante para que los estudiantes se familiaricen con el tema por primera vez, y define las áreas de su aplicación y posibilidades.
El manual consta de tres secciones que contienen 9 capítulos, cada uno de los cuales está dedicado a un método. Dentro del capítulo, la teoría en la que se basa el método, el ámbito de aplicación de este método, su
ventajas y desventajas. Las preguntas del examen que siguen la teoría están diseñadas para evaluar la comprensión del estudiante sobre el material que se está estudiando, las tareas están diseñadas para intentar aplicar el conocimiento de cada uno de los métodos bajo consideración. Se proporciona un plan de lección de seminario para cada método.
En las clases de laboratorio, los estudiantes participan en descifrar los espectros IR y PMR de moléculas poliatómicas y espectrogramas de masas. El curso de conferencias en la sección "Métodos físicos de investigación en química" examina todos los métodos físicos actualmente más utilizados en química y su base técnica moderna. Por lo tanto, este curso cubre una introducción a todos los métodos físicos más utilizados para estudiar la materia en la actualidad.
SECCION UNO. Momento dipolar eléctrico, su naturaleza y métodos de medición.
CAPÍTULO 1. Fundamentos teóricos del método
1.1. Naturaleza del momento dipolar
EN En general, un dipolo eléctrico es cualquier sistema formado por cargas eléctricas q de igual magnitud y de signo opuesto. me ubiqué a una distancia l yo:
Radio - vector l i, dirigido desde el centro de gravedad de la carga negativa del electrón al centro de gravedad de la carga nuclear positiva (Fig. 1.1). De la expresión (1.1) se deduce que el momento dipolar es una cantidad vectorial. La diferente naturaleza de la distribución de la densidad electrónica en las moléculas las divide en dos clases principales: polares y no polares. Moléculas polares
ly tiene un dipolo |
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momento, no polar - |
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No. Concepto de polaridad |
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no polaridad) |
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Arroz. 1.1. Centros de gravedad de positivo (OQ+) y negativo. |
ser atribuído |
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cada uno de los químicos |
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(CQ - ) cargas y la dirección del momento dipolar en una onda diatómica |
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molécula. |
enlaces que forman mo- |
||||||
Tabla 1.1
Dependencia de la polaridad de la molécula ABX.
sobre la disposición geométrica de los átomos para el caso general de un enlace AB polar
tipo de molécula |
Geometría |
La presencia de un dipolo |
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enésimo momento |
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AB2 |
lineal |
CO2, CS2 |
||
AB2 |
H2O, SO2 |
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AB3 |
BF3, SO3 |
|||
AB3 |
piramidal |
NH3, PF3 |
Si hay varios enlaces polares en una molécula, al determinar el momento dipolar de la molécula, los momentos dipolares de estos enlaces se suman de acuerdo con la ley de la suma de vectores, por lo tanto, el valor del dipolo
El momento de una molécula está determinado no solo por la magnitud de los momentos dipolares del enlace, sino también por su ubicación en el espacio entre sí. Es decir, en moléculas similares, la magnitud del momento dipolar caracteriza la geometría de las moléculas (Tabla 1.1).
Las razones de la aparición del momento dipolar de las moléculas son: 1) Desplazamiento del centro de gravedad de las cargas de electrones que forman sustancias químicas.
enlace ical hacia átomos de enlace más electronegativos. En moléculas diatómicas simétricas en ausencia de electricidad externa.
electrónico |
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simétrico con respecto a los núcleos. Próximo |
||||
En consecuencia, el centro de gravedad es positivo. |
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cargas nucleares y negativas |
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Arroz. 1.2. Esquema de origen |
cargas de los electrones de enlace de cada |
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dipolo homopolar en un mol- |
de los átomos del enlace coinciden y el dipolo |
|||
momento es cero. |
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2) Apariencia |
homopolar |
|||
Debido a las diferencias en los tamaños de los orbitales atómicos que forman un enlace químico, la región de orbitales superpuestos, es decir. la región donde es más probable encontrar electrones enlazantes (carga negativa) está desplazada con respecto al centro de las cargas positivas de los núcleos de los átomos que forman un enlace químico. Esta situación conduce a la aparición de un dipolo de enlace químico homopolar (fig. 1.2).
3) Asimetría del par de electrones no enlazantes. La aparición de un dipolo debido a la presencia en la molécula de un no sub-
un par de electrones está convenientemente distribuido |
|||||
mire el ejemplo de las moléculas de NH3 (a) y |
|||||
NF3 (c) |
(Figura 1.3). Comparación de electricidad. |
||||
negatividad de los átomos H (2.1), N (3.0) y |
|||||
Arroz. 1.3. Adición de vectores relacionados |
F (4.0) muestra que a pesar del cierre |
||||
momentos dipolares de brecha con di- |
|||||
la fuerza de los momentos dipolares de los enlaces N-H y |
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momento completo de no compartido |
|||||
N-F, dipolo |
enlaces NH |
||||
total |
dipolo |
||||
momento, cuya dirección coincide con la dirección del momento dipolar del par solitario de electrones de nitrógeno. En el caso de la molécula de NF3, el momento de enlace total está dirigido en dirección opuesta al momento dipolar del par libre de nitrógeno. Como resultado, el momento dipolar del amoníaco es mayor que el momento dipolar del NF3.
Todo lo dicho anteriormente se refiere al momento dipolar de una molécula fuera de un campo eléctrico.
1.2. Dipolo en un campo eléctrico estático. Polarizabilidad de una molécula.
En un campo eléctrico externo, las cargas que forman una molécula (los electrones son más grandes, los núcleos son más pequeños) experimentan desplazamientos en diferentes direcciones. Como resultado de esto, en un campo eléctrico constante, los centros de gravedad de las cargas positivas y negativas, incluso en moléculas no polares, dejan de coincidir y la molécula adquiere un momento dipolar bajo la influencia del campo, llamado dipolo inducido. momento.
La propiedad de una molécula de adquirir un momento dipolar bajo la influencia de un campo eléctrico se llama polarizabilidad. La magnitud del momento dipolar inducido de una molécula depende de la intensidad del campo eléctrico y de las propiedades de la propia molécula.
µ ≈ ε0 αE , (1.2) donde ε0 es la constante dieléctrica del vacío, α es la polarizabilidad del mo-
moléculas, E es la intensidad del campo eléctrico externo.
Dependiendo del tipo de desplazamiento de carga, la polarizabilidad se puede dividir en los siguientes componentes.
1). Polarizabilidad electrónica - αel. Ocurre cuando hay un desplazamiento elástico de las órbitas de los electrones con respecto a los núcleos de una molécula. Este tipo de polarizabilidad no tiene inercia: αel desaparece cuando se elimina la intensidad del campo eléctrico externo.
2). Polarizabilidad nuclear - αveneno. . Ocurre cuando los núcleos de una molécula se desplazan entre sí. La polarizabilidad nuclear también está prácticamente libre de inercia, pero es mucho menor en magnitud que la polarizabilidad electrónica:
veneno α<< α эл.
Juntos, estos dos tipos de polarizabilidad se denominan polarizabilidad por deformación:
α def.= α veneno.+ α el.
Ambos tipos de polarizabilidad están presentes en moléculas polares y no polares; para las moléculas no polares, la polarizabilidad total es igual a la polarizabilidad por deformación.
En un campo eléctrico externo en moléculas polares, es decir, moléculas con su propio momento dipolar, además de la polarización por deformación, surge un momento dipolar de orientación debido a la tendencia del momento dipolar propio de la molécula a orientarse en la dirección del campo eléctrico externo y , en consecuencia, la polarizabilidad orientacional αop. . Por tanto, la polarizabilidad total de las moléculas polares es igual a:
Arroz. 1.4. Campo electrostático inducido por el campo de un condensador plano en un dieléctrico.
α = αdef. + αo. = αveneno + αel. + αo. .
Dado que el movimiento térmico destruye la orientación de los momentos dipolares intrínsecos de las moléculas en un campo eléctrico constante, la polarizabilidad orientativa tiene inercia, es decir. αo. , al igual que la polarizabilidad total de las moléculas polares, disminuye con cierto retraso cuando se elimina el campo eléctrico externo.
1.3. Dieléctrico en un campo eléctrico constante. Polarización dieléctrica
Las sustancias que constan de moléculas polares y no polares son principalmente dieléctricas. Si se coloca un dieléctrico en el campo eléctrico de un capacitor, se producirá la polarización del dieléctrico, lo que cambiará la intensidad del campo eléctrico del capacitor. En un condensador plano con un área de placas A, una distancia entre ellas d y una densidad de carga en la placa del condensador σ, la intensidad del campo eléctrico es igual a E.
En la superficie de un dieléctrico ubicado en el campo eléctrico de un capacitor, aparecen cargas inducidas de densidad P, el momento dipolar creado por ellas es igual a: µ = P×A×d, y el momento dipolar promedio por unidad de volumen del dieléctrico que llena todo el espacio del condensador es
toro, es igual a:
µav = µ/V=(P×A×d)/V=P, aquí V es el volumen del dieléctrico en el capacitor.
De la expresión resultante podemos concluir que la polarización del dieléctrico es el momento dipolar promedio por unidad de volumen del dieléctrico.
Tenga en cuenta que la intensidad del campo eléctrico creada por las cargas inducidas en la superficie del condensador está dirigida en sentido opuesto a la intensidad del campo del propio condensador.
sator y lo reduce (Fig. 1.4).
Dado que la polarización de un dieléctrico es el resultado de la suma de los momentos dipolares intrínsecos e inducidos de sus moléculas, podemos hablar de las componentes de deformación y orientación de la polarización de todo el dieléctrico si relacionamos el valor del momento dipolar inducido con una unidad de volumen.
De mediados del siglo XX. Se están produciendo cambios fundamentales en los métodos de investigación química, que implican un amplio arsenal de física y matemáticas. Los problemas clásicos de la química (establecer la composición y estructura de las sustancias) se resuelven cada vez más utilizando los últimos métodos físicos. Una característica integral de la química teórica y experimental se ha convertido en el uso de la última tecnología informática de alta velocidad para cálculos químicos cuánticos, identificación de patrones cinéticos, procesamiento de datos espectroscópicos y cálculo de la estructura y propiedades de moléculas complejas.
Entre los métodos puramente químicos desarrollados en el siglo XX, cabe destacar el análisis microquímico, que permite realizar operaciones analíticas con cantidades de sustancias cientos de veces menores que en el método de análisis químico convencional. La cromatografía ha adquirido gran importancia, sirviendo no sólo con fines analíticos, sino también para la separación de sustancias con propiedades químicas muy similares a escala de laboratorio e industrial. El análisis fisicoquímico (PCA) desempeña un papel importante como uno de los métodos para determinar la composición química y la naturaleza de la interacción de componentes en soluciones, masas fundidas y otros sistemas. Los métodos gráficos (diagramas de estado y diagramas de composición-propiedad) se utilizan ampliamente en la FHA. La clasificación de este último permitió aclarar el concepto de individuo químico, cuya composición puede ser constante o variable. La clase de compuestos no estequiométricos predichos por Kurnakov ha adquirido gran importancia en la ciencia de los materiales y en el nuevo campo de la química del estado sólido.
El análisis luminiscente, el método de los átomos marcados, el análisis estructural de rayos X, la difracción de electrones, la polarografía y otros métodos de análisis fisicoquímicos se utilizan ampliamente en la química analítica. El uso de técnicas radioquímicas permite detectar la presencia de solo unos pocos átomos de. un isótopo radiactivo (por ejemplo, en la síntesis de elementos transuránicos).
Para establecer la estructura de los compuestos químicos es importante la espectroscopia molecular, con la ayuda de la cual se determinan las distancias entre átomos, la simetría, la presencia de grupos funcionales y otras características de la molécula, y se estudia el mecanismo de las reacciones químicas. La estructura energética electrónica de átomos y moléculas y la magnitud de las cargas efectivas se determinan mediante espectroscopia de rayos X de emisión y absorción. La geometría de las moléculas se estudia mediante métodos de análisis estructural de rayos X.
El descubrimiento de la interacción entre los electrones y los núcleos atómicos (que determina la estructura hiperfina de sus espectros), así como entre los electrones externos e internos, hizo posible crear métodos para determinar la estructura de las moléculas como la resonancia magnética nuclear (RMN). , resonancia paramagnética electrónica (EPR), resonancia cuadrupolar nuclear (NQR), espectroscopia de resonancia gamma. La espectroscopia de RMN ha adquirido un papel especial en cuanto a su amplitud de aplicaciones. Para aclarar las características espaciales de las moléculas, los métodos ópticos son cada vez más importantes: espectropolarimetría, dicroísmo circular, dispersión por rotación óptica. La destrucción de moléculas en el vacío bajo la influencia del impacto de electrones con la identificación de fragmentos se utiliza para determinar su estructura mediante espectroscopia de masas. El arsenal de métodos cinéticos se ha ampliado con herramientas asociadas con el uso de espectroscopia EPR y RMN (polarización química de núcleos), el método de fotólisis pulsada y radiólisis. Esto hace posible estudiar procesos ultrarrápidos que ocurren en un tiempo de 10 a 9 segundos o menos.
Existen varios métodos para estudiar el metabolismo en el cuerpo y en los órganos individuales. Uno de los métodos más antiguos es experimentos de equilibrio , que consiste en estudiar la cantidad de sustancias orgánicas entrantes y la cantidad de productos finales formados.
Para estudiar el metabolismo en órganos individuales, se utiliza el método. órganos aislados . Órganos que son capaces de mantener su actividad vital durante algún tiempo y pueden utilizar para sus actividades los nutrientes que pasan por la sangre.
Para estudiar el metabolismo en órganos individuales. método de angeostomía. Desarrollado por Londres. Se colocan tubos especiales en los vasos sanguíneos que permiten que la sangre fluya a cualquier órgano. Los cambios en la composición química de la sangre se utilizan para juzgar el proceso metabólico.
Actualmente muy utilizado método del átomo etiquetado – basado en el uso de compuestos cuyas moléculas incluyen átomos de isótopos pesados y radiactivos de bioelementos. Cuando se introducen en el cuerpo compuestos marcados con dichos isótopos, se utilizan métodos de análisis radiométricos para rastrear el destino de elementos o compuestos en el cuerpo y su participación en los procesos metabólicos.
Pregunta 59 Metabolismo de las proteínas. Su clasificación (dos tipos) y características. Importancia para el cuerpo. Valor biológico de las proteínas. Equilibrio de nitrógeno. El papel del hígado en el metabolismo de las proteínas. Características del metabolismo proteico en rumiantes. Regulación del metabolismo de las proteínas.
Metabolismo de proteínas FUNCIONES DE LAS PROTEÍNAS
Función plástica proteínas es asegurar el crecimiento y desarrollo del organismo a través de procesos de biosíntesis.
Actividad enzimática Las proteínas regulan la velocidad de las reacciones bioquímicas.
Función protectora de las proteínas. Consiste en la formación de proteínas inmunes: anticuerpos. Las proteínas pueden unir toxinas y venenos y también asegurar la coagulación de la sangre (hemostasia).
Función de transporte Implica el transporte de oxígeno y dióxido de carbono por las proteínas de los glóbulos rojos. hemoglobina, así como en la unión y transferencia de ciertos iones (hierro, cobre, hidrógeno), fármacos y toxinas.
Papel energético Las proteínas se deben a su capacidad para liberar energía durante la oxidación.
El metabolismo de las proteínas pasa por cuatro etapas principales:
Descomposición de proteínas en el tracto gastrointestinal y absorción en forma de aminoácidos;
El eslabón central del metabolismo es la síntesis de las proteínas del propio cuerpo a partir de aminoácidos y la descomposición de las proteínas en las células;
Transformaciones intermedias de aminoácidos en células;
Formación y excreción de productos finales del metabolismo proteico.
equilibrio de nitrógeno
Un indicador indirecto de la actividad del metabolismo de las proteínas es el llamado balance de nitrógeno- la diferencia entre la cantidad de nitrógeno recibida de los alimentos y la cantidad de nitrógeno excretada del organismo en forma de metabolitos finales.
equilibrio de nitrógeno- cantidad de nitrógeno suministrada es igual cantidad excretada (observada en un animal adulto sano en condiciones normales de alimentación y mantenimiento)
Balance positivo de nitrógeno excede resaltado.
Balance de nitrógeno negativo- una condición en la que la cantidad de nitrógeno suministrada menos asignado.
A la hora de calcular el balance de nitrógeno, se parte de que la proteína contiene alrededor de un 16% de nitrógeno, es decir, cada 16 g de nitrógeno corresponden a 100 g de proteína (100:16 = 6,25).
Mínimo de proteínas
La menor cantidad de proteína se introduce con los alimentos, lo que ayuda a mantener el equilibrio de nitrógeno.
Bovinos pequeños y porcinos: 1 g/kg de peso vivo
Caballos – 0,7-0,8 (1,2-1,42)
Vacas – 0,6-0,7 (1)
Humano – 1,5-1,7 (óptimo de proteína).
Independientemente de la especificidad de especie, todas las estructuras proteicas diversas contienen sólo 20 aminoácidos . Para el metabolismo normal, no solo es importante la cantidad de proteína recibida, sino también su composición cualitativa, es decir, la proporción. reemplazable Y aminoácidos esenciales.
Existen 10 aminoácidos esenciales para animales monogástricos, aves y humanos: disina, triptófano, histidina, fenilalanina, leucina, isoleucina, metionina, valina, treonina, arginina.
Valor biológico de las proteínas.
Los rumiantes y algunas otras especies animales tienen sus propias características en el metabolismo de las proteínas: la microflora del proventrículo es capaz de sintetizar todos los aminoácidos esenciales y, por tanto, puede sobrevivir con alimentos sin aminoácidos esenciales.
Las proteínas que no contienen al menos un aminoácido esencial o si lo contienen en cantidades insuficientes se denominan defectuoso (proteínas vegetales).
Metabolismo de aminoácidos
El sitio principal del metabolismo de los aminoácidos es el hígado:
desaminación – eliminación del grupo amino (en forma de amoníaco) con formación de ácidos grasos, hidroxiácidos, cetoácidos;
transaminación – transferencia de grupos amino de aminoácidos a cetoácidos con la formación de otro aminoácido y cetoácido sin formación intermedia de amoníaco;
descarboxilación – eliminación del grupo carboxilo en forma de dióxido de carbono con formación de aminas biogénicas.
Regulación del metabolismo de las proteínas.
Glucocorticoides- acelerar la degradación de proteínas y aminoácidos, lo que resulta en una mayor liberación de nitrógeno del cuerpo.
Mecanismo de acción STG Consiste en acelerar la utilización de los aminoácidos por las células. En consecuencia, con acromegalia y gigantismo hipofisario, se observa un balance positivo de nitrógeno, y con hipofisectomía y enanismo hipofisario, un balance negativo.
tiroxina: con hiperfunción de la glándula tiroides, aumenta el metabolismo de las proteínas
La hipofunción se acompaña de una desaceleración del metabolismo, se detiene el crecimiento y desarrollo del cuerpo.
en el higado no solo se produce la síntesis de proteínas, sino que también se desinfectan los productos de su descomposición. en los riñones Se produce la desaminación de los productos del metabolismo del nitrógeno.
Institución educativa “Universidad Estatal de Brest que lleva el nombre de A.S. Pushkin"
Departamento de Química
TRABAJO DEL CURSO
Métodos para estudiar compuestos orgánicos.
Realizado:
estudiante de 5to año,
Facultad de Biología
especialidad “Biología. Química"
educación a tiempo completo
Petruchik Irina Alexandrovna
Consejero científico:
Borichevski
Alejandro Ivánovich
Brest, 2012
Métodos para estudiar compuestos orgánicos.
TABLA DE CONTENIDO
INTRODUCCIÓN……………………………………………………………….. 3
- Clasificación de métodos para estudiar sustancias orgánicas…………. 4
Los métodos más simples para estudiar sustancias orgánicas.
2.1.1 Cristalización………………………………………… ……… 6
2.1.2 Sublimación…………………………………………………………. 7
2.1.3 Destilación………………………………………………………….. 8
2.1.4 Cromatografía……………………………………………… …. 9-11
2.2 Análisis de sustancias orgánicas…………………………………….. 12-13
- Métodos fisicoquímicos para estudiar sustancias orgánicas... 14
3.2 Calorimetría……………………………………………………………… ……… 17
3.3 Difracción de rayos X y electrones……………………………… 18-19
3.4 Métodos de investigación electroquímica…………………… 20-21
3.5 Espectroscopia……………………………………………… …….. 22-27
CONCLUSIÓN…………………………………………………… ……….…. 28
LISTA DE REFERENCIAS…………………………. 29
INTRODUCCIÓN
El estudio de sustancias orgánicas tiene como objetivo establecer la estructura de la sustancia, su estructura espacial y orbitales moleculares característicos, estudiar la interacción de átomos y moléculas y estudiar las velocidades y mecanismos de reacciones. Debido a la gran cantidad de compuestos orgánicos diferentes, es imposible desarrollar un esquema analítico único, como suele hacerse en el análisis cuantitativo inorgánico. Y, sin embargo, la investigación sistemática permite identificar la materia orgánica de forma bastante fiable y rápida.
Establecer la estructura de la materia orgánica es el objetivo principal de su estudio, independientemente del método de investigación. Sin embargo, los intereses asociados al estudio de tal o cual compuesto orgánico ya son de otra índole. De particular importancia son las cuestiones relacionadas con los recursos naturales de nuestro planeta. Sabemos que las fuentes de petróleo y gas son de particular importancia para la humanidad, pero son limitadas. Por tanto, se ha vuelto urgente el problema de buscar nuevas materias primas para la síntesis orgánica y petroquímica y producir petróleo y gas artificialmente. Pero ésta es sólo una de las razones para estudiar la materia orgánica. Si miras a tu alrededor, toda la vida en la Tierra es química orgánica. En consecuencia, el estudio de las sustancias orgánicas es la clave para los descubrimientos globales en el campo de la naturaleza viva, la oportunidad de conocer todos los procesos vitales, encontrar formas de curar muchas enfermedades terribles, crear materia viva por nosotros mismos, etc.
- Clasificación de métodos para el estudio de sustancias orgánicas.
- los métodos de estudio más sencillos: purificación de sustancias orgánicas (cristalización, sublimación, destilación, cromatografía, filtración en gel, electroforesis) y análisis de sustancias orgánicas (análisis elementales cuantitativos y cualitativos);
- métodos físicos y químicos: refractometría, calorimetría, medición de momentos dipolares eléctricos, radiografía y difracción de electrones, métodos electroquímicos (polarografía, voltamperometría anódica), espectroscopia (fotoelectrones, espectroscopia de masas, infrarrojos, etc.)
Los métodos más simples para estudiar sustancias orgánicas.
- Purificación orgánica
Para caracterizar la pureza de una sustancia se utilizan las siguientes constantes y métodos: punto de fusión, temperatura de cristalización, punto de ebullición, índice de refracción de la luz, densidad, datos de los espectros de absorción (coeficiente de intensidad de absorción en espectros electrónicos e infrarrojos), resonancia magnética nuclear (RMN). ) datos espectrales, espectrometría de masas, análisis cromatográfico, análisis de luminiscencia, etc.
Obtener una sustancia pura significa separar una mezcla determinada de sustancias en sustancias individuales y purificarlas hasta el grado de pureza deseado. Aquí es necesario distinguir entre dos conjuntos de métodos: métodos de separación de una mezcla en componentes que aún no son puros y métodos de purificación final.
Cuando se habla de la pureza de sustancias químicas, hay que tener en cuenta que una sustancia absolutamente pura sólo puede imaginarse teóricamente. No existen ni pueden existir sustancias absolutamente puras. Dependiendo del método de purificación, la sustancia contiene una cierta cantidad de impurezas. Los métodos de purificación convencionales pueden alcanzar un contenido de sustancia principal del 99,9...99,95%. Utilizando métodos especiales de limpieza profunda, es posible reducir el contenido de impurezas de sustancias orgánicas a 10 -3 ....10 -4%
2.1.1 Cristalización
La cristalización es un método clásico para purificar sustancias cristalinas. El método se basa en el hecho de que diferentes sustancias tienen diferentes solubilidades en un determinado disolvente y una disminución de la temperatura (con raras excepciones) conduce a una disminución de la solubilidad de las sustancias. Al filtrar la solución caliente, se separan las impurezas insolubles y, después de enfriar, la sustancia se libera de la solución en forma de cristales. Las recristalizaciones repetidas suelen reducir la cantidad de impurezas. Una variante del método es la cristalización en estado fundido. Para la purificación profunda de sustancias se utiliza una opción especial, la fusión por zonas.
Por ejemplo: necesitamos limpiar el ácido salicílico de impurezas. Para hacer esto, tomamos una masa previamente pesada de este ácido y calculamos el volumen requerido de solvente - agua, para obtener una solución saturada, que posteriormente se puede cristalizar.
2.1.2 Sublimación (Sublimación)
Muchas sustancias cristalinas tienen la capacidad de sublimar, es decir, a la transición a la fase gaseosa, sin pasar por la fase líquida, seguida de la cristalización desde la fase gaseosa. Este método permite separar sustancias que subliman de impurezas que no subliman y separar de la fase gaseosa una mezcla de sustancias con diferentes temperaturas de sublimación o temperaturas de cristalización (sublimación en gradiente). Si las sustancias son difíciles de sublimar y descomponer a altas temperaturas, la sublimación se utiliza en vacío o alto vacío, hasta 0,0013 Pa (10 -5 mm Hg; 1 mm Hg = 133,3 Pa). Para la limpieza profunda se utiliza la sublimación de alto vacío en varias versiones.
La purificación de un sólido por sublimación sólo es posible si su presión de vapor es superior a la presión de vapor de las impurezas. Cuando la presión de vapor del sólido coincide con la presión aplicada, se obtienen los mejores resultados.
Por ejemplo: el e-estilbeno se sublima a una temperatura de 100 o C y una presión de 20 mm Hg. Arte.
2.1.3 Destilación (destilación)
Para muchas sustancias de bajo punto de fusión y la mayoría de los líquidos, un buen método de limpieza es
Destilación fraccionada, siempre que la diferencia de puntos de ebullición de los componentes de la mezcla sea suficientemente grande y no se formen mezclas azeotrópicas. La selectividad (eficiencia) de la destilación fraccionada se puede aumentar mediante dispositivos especiales: condensadores de reflujo, columnas de destilación, etc. Para sustancias de alto punto de ebullición, se utiliza la destilación al vacío. Una variante del método es la destilación de sistemas de dos componentes, que se separan cuando se enfrían, por ejemplo, la destilación al vapor: el limoneno (pb 178 o C a 760 mm Hg) se destila con agua (pb 100 o C a 760 mm Hg). Art.) a una temperatura de 98 o C. En este caso, la relación cuantitativa en el destilado (en gramos) de limoneno: agua es 1: 1,54.
2.1.4 Cromatografía
Los métodos de separación cromatográfica se basan en la diferente capacidad de las sustancias para ser adsorbidas en la superficie del sorbente o distribuidas entre dos fases inmiscibles (líquido-líquido, líquido-gas), de las cuales una fase (líquido) se encuentra en la superficie del sorbente. Por tanto, existen diferentes tipos de cromatografía, a saber: cromatografía de adsorción y partición de líquidos, cromatografía de gases.
La cromatografía de adsorción líquida se basa en la diferente capacidad de las sustancias para ser absorbidas en la superficie del sorbente y desorbidas al pasar por un disolvente: eluyente. Como sorbentes se utilizan óxido de aluminio, ácido silícico y dióxido de silicio (geles de sílice), polisacáridos granulares (dextranos) u otros polímeros que se hinchan en un disolvente formando un gel granular (cromatografía en gel).
La cromatografía de partición líquida es un tipo de cromatografía de adsorción en la que el sorbente (portador) se recubre con una fina película de un líquido. El eluyente suele ser un disolvente que no se mezcla con el líquido del sorbente. Al pasar el eluyente, las sustancias se distribuyen entre la fase líquida y el eluyente. Este tipo de cromatografía es más adecuado para separar sustancias que son altamente solubles en agua o capaces de formar sales solubles en agua. Estas sustancias incluyen azúcar, aminoácidos, muchos colorantes orgánicos, la mayoría de los alcaloides, ácidos mono y policarboxílicos, alcoholes, etc.
Un ejemplo de cromatografía líquida de una mezcla de estándares de fosfolípidos sintéticos (1) y una muestra de un extracto lipídico crudo de la membrana celular de eritrocitos humanos (2) en una columna de fase normal cuando se detecta con un detector de dispersión de luz láser.NL - neutral lípidos; PE – fosfatidiletanolamina; PS – fosfatidilserina; PC – fosfatidilcolina; SM – esfingomielina.
La cromatografía de gases se utiliza para separar mezclas de sustancias líquidas y sólidas gaseosas o altamente volátiles. El principio del método es similar al de la cromatografía líquida. La mezcla a separar se diluye con un gas portador (H 2, N 2, He) y se introduce en columnas de adsorción. El gas portador es a la vez disolvente y eluyente. Como sorbentes se utilizan polvos finos de materiales de silicato, que pueden ser puros (cromatografía de adsorción de gases) o recubiertos con una película de líquido no volátil (cromatografía gas-líquido). También se utilizan capilares recubiertos por dentro con una película de líquido no volátil (cromatografía capilar). El gas portador desorbe gradualmente los componentes de la mezcla y se los lleva consigo. La presencia de sustancias orgánicas en el gas portador y su cantidad se detecta mediante detectores especiales y se registra mediante un registrador. En la cromatografía preparativa, el gas portador pasa a través de receptores especiales en los que se capturan sustancias orgánicas mediante congelación.
Este método puede lograr la separación completa de la mezcla. Cuando se utilizan columnas de adsorción de alta potencia, el método se utiliza como método preparativo para la separación de pequeñas cantidades de sustancias (1...10 g).
Ejemplo de cromatografía de gases: análisis de alta velocidad de vapores explosivos en una columna policapilar a una temperatura de 170°C.
Una columna policapilar con una longitud de solo 22 cm permite detectar e identificar trazas de vapores explosivos en 2,5 minutos: 1 - 2,6-dinitrotolueno, 2 - 2,4-dinitrotolueno. 3 - 2,4,6-trinitrotolueno, 4 - 3,4,5-trinitrotolueno, 5 - 2,3,4-trinitrotolueno, 6 - hexógeno. 7 - tetril.
- Análisis de materia orgánica.
La primera tarea es la determinación cualitativa y cuantitativa de la composición elemental. Luego, de acuerdo con los datos del análisis elemental, se calcula la fórmula resumida más simple, se determina el peso molecular y se calcula la fórmula molecular bruta verdadera. Finalmente, el último paso es determinar la estructura molecular. Para ello se utilizan métodos químicos (escisión gradual, derivación) y recientemente se utilizan cada vez más métodos fisicoquímicos (espectroscopia de masas, análisis de difracción de rayos X, espectroscopia).
Análisis elemental cuantitativo y cualitativo.
Los métodos analíticos se basan en la descomposición completa de la materia orgánica como resultado de oxidación u otros medios y la determinación de elementos químicos mediante métodos conocidos. El carbono se determina en forma de CO 2, el hidrógeno, en forma de H 2 O, el nitrógeno, midiendo el volumen de N 2 o determinando NH 3 o NaCN (según el tipo de división), los halógenos, en forma de iones de haluro, azufre, en forma de ion sulfato o sulfuro, fósforo, que significa ion fosfato, etc.
El carbono y el hidrógeno se determinan cualitativamente calentando con CuO:
C norte H 2 n + 3 nCuO> nCO 2 + nH 2 O + 3nCu
Y el monóxido de carbono liberado se detecta al pasar el gas a la solución de Ba(OH) 2, y el agua se detecta visualmente en las paredes del tubo de ensayo.
El nitrógeno, el azufre y los halógenos se determinan cualitativamente mediante fusión con sodio. El NaCN, Na 2 S y los haluros de sodio resultantes se detectan en solución acuosa mediante reacciones analíticas convencionales.
Existen muestras especiales para el análisis cuantitativo de compuestos orgánicos. Anteriormente se utilizaban habitualmente instalaciones para macroanálisis (la muestra pesaba 0,2 ... 0,5 g). Hoy en día, son habituales varios dispositivos para microanálisis (muestra 0,001 ... 0,01 g), para ultramicroanálisis (muestra 10 -5 ... 10 -4 g). Para la determinación cuantitativa de carbono e hidrógeno se utilizan dispositivos en los que la materia orgánica se quema en una corriente de oxígeno: el CO 2 se captura con una solución de KOH y el H 2 O con un absorbente especial y se determina pesando. Para cuantificar el nitrógeno, la sustancia se quema cuando se calienta con CuO y el volumen de gas liberado se mide en un azómetro sobre una solución de KOH. Los halógenos y el azufre se cuantifican quemando la muestra en una atmósfera de oxígeno, disolviendo los gases en agua y valorando los iones haluro o sulfato.
Los microanalizadores automáticos se desarrollaron utilizando el principio de la cromatografía de gases, en el que se determinan simultáneamente carbono, hidrógeno, nitrógeno y azufre.
El peso molecular de un compuesto suele determinarse mediante espectrometría de masas.
- Métodos fisicoquímicos para estudiar sustancias orgánicas.
- Métodos espectrales y otros métodos ópticos;
Métodos electroquímicos;
Métodos de análisis cromatográficos.
Un grupo de métodos de análisis electroquímicos, basados en la medición de la conductividad eléctrica, potenciales y otras propiedades, incluye métodos de conductimetría, potenciometría, voltamperometría, etc.
Pero para verificar con precisión la mayor eficiencia de estos métodos y su gran importancia práctica real, consideremos otros métodos fisicoquímicos para comparar.
- Refractometria
, donde n es el índice de refracción de la luz para la línea D de sodio (589 nm); M es el peso molecular de la sustancia; ?? - densidad.
La refracción molecular tiene propiedades aditivas, es decir. la refracción molecular de una molécula se puede obtener sumando las refracciones de las partes constituyentes de la molécula. Dichos componentes son enlaces químicos y un conjunto de enlaces y átomos. Estas refracciones se calculan a partir de estudios de muchos compuestos orgánicos y se pueden encontrar en libros de referencia. Por ejemplo:
R CH4 = 4 R C-H; R CH3NO2 = 3 R C-H +R C-N +R NO2
El fenómeno de la refracción de la luz está asociado con la polarizabilidad del sistema electrónico de moléculas. Bajo la influencia del campo electromagnético de la luz, se produce la polarización de las moléculas, principalmente de sus sistemas electrónicos. Cuanto más móvil es el sistema electrónico de una molécula, mayor es el índice de refracción de la luz y la refracción molecular.
Los estudios de refracción molecular se pueden utilizar para determinar la estructura de un compuesto. Así, para el compuesto en estudio, la refracción molecular se determina experimentalmente y se compara con la refracción obtenida sumando las refracciones de los enlaces según la fórmula estructural propuesta. Si los resultados coinciden, entonces la estructura puede considerarse probada; si no, entonces debemos buscar otra estructura. En algunos casos se observa un fuerte aumento de la refracción molecular respecto a lo esperado (exaltación de la refracción). Esto es típico de los sistemas acoplados.
Los valores de refracción molecular de enlaces químicos, átomos, moléculas e iones se pueden utilizar para evaluar cualitativamente su polarizabilidad. La polarizabilidad de una molécula (ion, enlace) es su capacidad para polarizarse, es decir a un cambio en la posición de los núcleos y el estado de la nube de electrones bajo la influencia de un campo eléctrico externo. Se produce principalmente polarización electrónica.
3.2 Calorimetría
La calorimetría es un método para estudiar los efectos térmicos de reacciones químicas y procesos de transición de fase (por ejemplo, fusión, cristalización, sublimación, condensación). El proceso (reacción) se lleva a cabo en dispositivos especiales: calorímetros y se cuantifica el calor liberado o absorbido.
Los calores molares de combustión de sustancias se determinan calorimétricamente. A su vez, ¿el calor de combustión (W) se utiliza para calcular el calor de formación de una sustancia E o la entalpía estándar de formación H 0? El calor de formación de una sustancia se puede calcular a partir de elementos en estado atómico o de elementos en estado "estándar" (carbono en forma de grafito, hidrógeno gaseoso, etc.), y los valores numéricos resultantes, por supuesto, diferir de. Al considerar datos tabulares, se debe prestar especial atención a esto. Normalmente, los calores de formación de sustancias para un proceso se calculan a partir de los átomos de los elementos y ?H 0, a partir de los elementos en el estado "estándar". Por ejemplo, el calor de formación de hidrocarburos a partir de átomos:
- nS - ] – W, donde W es el calor de combustión; - calor de formación de CO 2 (393,5 kJ/mol); - calor de formación del agua (285,8 kJ/mol); S – calor de atomización (sublimación) del carbono (grafito) (-715 kJ/mol); - calor de atomización (disociación) de una molécula de hidrógeno (-436 kJ/mol).
Cuanto menor es el calor de combustión, mayor es el calor de formación de compuestos de la misma composición.
Este método sirve principalmente para comparar y caracterizar la estabilidad y reactividad de compuestos orgánicos.
3.3 Radiografía y difracción de electrones.
El método de rayos X (análisis de difracción de rayos X) se basa en la difracción de rayos X en un cristal de una sustancia. Los rayos X (radiación electromagnética con una longitud de onda de 0,1 a 10 nm) al pasar a través de un cristal interactúan con las capas electrónicas de los átomos. Como resultado de esta interacción, se produce la difracción de rayos X y se obtiene un patrón de difracción en una película fotográfica: manchas o círculos. A partir del patrón de difracción, con la ayuda de cálculos complejos, se obtiene información sobre la ubicación de las moléculas en la celda unitaria de un cristal y sobre las distancias entre átomos y los ángulos entre enlaces químicos. Cuanto menor es el número de electrones en un átomo, más débiles son los reflejos de los rayos X. Por tanto, es muy difícil determinar la ubicación de los átomos de hidrógeno.
El método de difracción de electrones es similar al método de rayos X y se basa en la interacción de un flujo de electrones con una sustancia. El flujo de electrones que atraviesa una sustancia se asemeja a la radiación electromagnética con una longitud de onda muy corta y produce un patrón de difracción. Estos patrones de difracción (patrones de difracción de electrones) se pueden obtener para sustancias en estado gaseoso o para películas muy finas. La difracción de electrones es causada por la interacción de los electrones con los núcleos atómicos.
Estos métodos de análisis estructural permiten determinar la estructura completa de una molécula: distancias interatómicas, ángulos entre enlaces, es decir, la disposición espacial exacta de todos los átomos de una molécula en una red cristalina o en estado gaseoso. La estructura de sustancias naturales complejas como la sacarosa, la penicilina, la estricnina, la vitamina B 12, algunas proteínas (mioglobina) y los ácidos nucleicos se determinó mediante análisis de difracción de rayos X.
A partir de métodos de investigación con rayos X se ha descubierto que el radio covalente de los átomos durante la hibridación sp 2 y sp varía según el tipo de enlace, por ejemplo, en el doble enlace C=C (C sp2 - C sp2), el radio covalente del átomo de carbono C sp2 es menor que en los enlaces =C-C (C sp2 - C sp3). En el primer caso es 0,067 nm, en el segundo es 0,076 nm y en el caso del benceno es 0,0695 nm, es decir La longitud del enlace también depende del compuesto en sí, y para cada compuesto la longitud del enlace es una característica individual, que puede resultar útil para identificar un compuesto orgánico específico.
3.4 Métodos de investigación electroquímica.
Los métodos electroquímicos se basan en la dependencia de la intensidad de la corriente del voltaje aplicado cuando la corriente pasa a través de una solución en electrolizadores especialmente diseñados. Como resultado, aparecen curvas corriente-voltaje (potencial). Estas curvas corriente-tensión caracterizan los procesos que tienen lugar en los electrodos. La reducción electroquímica ocurre en el caotado y la oxidación electroquímica ocurre en el ánodo. Dependiendo del tipo de proceso en estudio (anódico o catódico), se utilizan dispositivos que se diferencian en la proporción de áreas de electrodos, material de electrodos, etc.
Polarografía
El método polarográfico se basa en procesos catódicos (la adición de un electrón a una sustancia en un electrodo de caída de mercurio). El diagrama del circuito de un polarógrafo es muy sencillo. Consiste en un microelectrodo de mercurio que gotea con una superficie que se renueva continuamente y un electrodo de referencia (mercurio u otro electrodo normal). La superficie del cátodo es claramente menor que la del ánodo, por lo que en este caso son decisivos los procesos de polarización del cátodo. La sustancia orgánica se difunde hacia el cátodo y acepta un electrón, y el cátodo se despolariza. La despolarización del cátodo comienza con un cierto potencial E ext (potencial de reducción o liberación característico de un despolarizador determinado. Como resultado, comienza la electrólisis y la intensidad de la corriente aumenta bruscamente. Con un aumento gradual del voltaje, se alcanza un cierto valor estacionario de la intensidad de la corriente (corriente límite), que ya no depende del aumento de voltaje.
La polarografía se puede utilizar para caracterizar el proceso:
El método de polarografía se utiliza ampliamente para determinar la concentración de sustancias en soluciones.
Voltametría anódica
Este método se basa en procesos anódicos (oxidación de un compuesto orgánico sobre un ánodo de platino o grafito). Desde un punto de vista experimental, este método es similar a la polarografía.
La voltamperometría anódica se utiliza para estudiar los procesos de oxidación:
El método también se utiliza para la determinación cuantitativa de sustancias en soluciones.
3.5 Espectroscopia
Los métodos espectroscópicos se basan en la interacción de una sustancia con radiación electromagnética, lo que provoca la absorción de radiación o su emisión. La interacción es posible en una gama muy amplia de ondas electromagnéticas, desde los rayos β hasta las ondas de radio.
Dependiendo de la región del espectro electromagnético se utilizan diversos métodos e instrumentos experimentales.
Los campos de radiación electromagnética más utilizados en química orgánica son:
- región ultravioleta (UV) y visible del espectro, donde se absorbe la energía necesaria para excitar los electrones de la molécula (un tipo de espectroscopia electrónica);
- región infrarroja (IR), donde se absorbe la energía necesaria para cambiar los estados vibratorios de la molécula (espectroscopia vibratoria);
- la región de radiación de radiofrecuencia, donde se gasta energía para reorientar los espines de los núcleos (espectroscopia de resonancia magnética nuclear - RMN).
Los métodos espectrales se utilizan para identificar y establecer la estructura de compuestos, analizar mezclas y también permiten monitorear el progreso de las transformaciones químicas. La ventaja de los métodos espectrales es el bajo consumo de sustancia (1 mg o menos).
espectroscopia electrónica
El espectro electrónico surge cuando una sustancia absorbe radiación ultravioleta (longitudes de onda de 22 a 400 nm) y visible (400 a 800 nm). No existe una diferencia fundamental entre estas partes del espectro; solo se diferencian en que el ojo humano percibe ondas con una longitud de 400 a 800 nm y vemos la sustancia coloreada.
Bajo la influencia de la luz ultravioleta, la molécula se excita, es decir. transición de electrones a un nivel más excitado y redistribución de la densidad electrónica en la molécula. Los electrones que forman enlaces \alpha son los más difíciles de excitar; los electrones de los enlaces \alpha y los pares solitarios de electrones son más fáciles de excitar.
Examinamos con tanto detalle la cuestión de la formación de conceptos sobre los fenómenos químicos porque esto, como indicamos anteriormente, es la clave para la formación exitosa de conceptos sobre sustancias y elementos químicos. En una serie de conceptos químicos (reacción química, sustancia, elemento químico), cada uno de los anteriores forma la base para la formación del siguiente. Por tanto, todas las condiciones que determinan el éxito de la formación de conceptos sobre reacciones químicas siguen siendo válidas en la formación de conceptos sobre sustancias y elementos químicos. Al mismo tiempo, en la formación de estos conceptos adquieren gran importancia una serie de nuevas circunstancias. Primero, consideraremos estas circunstancias en relación con la formación de conceptos sobre sustancias y luego sobre elementos químicos.
Entre las condiciones que determinan el éxito de la formación de conceptos sobre sustancias, una de las decisivas es el correcto enfoque de su estudio. Este enfoque no permanece inalterado: se expande y profundiza cada vez más a medida que se dominan los conocimientos teóricos y las generalizaciones.
En los grados VII y VIII, la mayoría de las sustancias se estudian de acuerdo con el siguiente plan: composición química, propiedades físicas (estado de agregación, color, olor, sabor, gravedad específica, etc.), la proporción de la sustancia al agua, propiedades químicas ( relación con sustancias simples, óxidos, bases, ácidos y sales, con el calor, con la corriente eléctrica), acción fisiológica (en algunos casos), similitud en propiedades con otras sustancias y diferencias con ellas, el uso de sustancias en la industria, la agricultura, en vida cotidiana, estar en la naturaleza y métodos de recepción.
La especificidad de los conceptos resultantes sobre sustancias depende principalmente de qué propiedades químicas (reacciones químicas de las sustancias) se están estudiando. El estudio de las propiedades químicas de los metales se limita a considerar su relación con el oxígeno y los ácidos; el estudio de los no metales: su relación con el oxígeno (para el carbono, el azufre y el fósforo). Se consideran óxidos metálicos en relación al hidrógeno, monóxido de carbono, ácidos y álcalis; bases - en relación con ácidos, óxidos de ácido y sales; Ácidos: en relación con metales, óxidos metálicos, bases y sales. La elección de únicamente estas reacciones químicas para caracterizar las propiedades químicas de metales y no metales, óxidos, bases, ácidos y sales está determinada por el hecho de que se trata de reacciones comprensibles y vitales. La interpretación de la esencia de las reacciones químicas se realiza desde el punto de vista de la teoría atómico-molecular. Esto determina la profundidad de su estudio.
Un punto importante que caracteriza la naturaleza química de las sustancias es su producción. Sin embargo, en los grados VII-VIII se estudia la producción de algunas sustancias: oxígeno, hidrógeno, dióxido de carbono, monóxido de carbono, y se estudian métodos generales de producción de ácidos, álcalis y sales. Esto se hizo porque la producción de muchas sustancias (por ejemplo, ácidos sulfúrico y nítrico, etc.) con el tiempo asignado a la química en una escuela de ocho años y el volumen establecido de material educativo es muy difícil e inaccesible. La familiarización con la producción de sustancias es una tarea de las clases IX-XI. En el curso de química escolar de ocho años de duración, se hace hincapié en familiarizar a los estudiantes con la composición química, las propiedades físicas y químicas y los usos de las sustancias.
No importa cuán estrecha sea la gama de conocimientos adquiridos en los grados VII-VIII, todavía crea la base para predecir las propiedades de las sustancias. Así, a partir de los conocimientos adquiridos en los grados VII-VIII, los estudiantes pueden predecir:
a) la composición química de los óxidos, bases y sales metálicas (ácidos clorhídrico, sulfúrico, nítrico), la composición en peso de estos compuestos, el contenido en peso de un determinado elemento en una determinada cantidad de una sustancia;
b) reacciones químicas de óxidos, ácidos, bases y sales y las relaciones en peso en las que reaccionan estas sustancias;
c) la producción de ácidos, sales y bases, en base a su interacción entre sí, así como la producción de sales mediante la interacción de ácidos con metales y óxidos básicos y la producción de óxidos por métodos directos e indirectos.
Por supuesto, estas anticipaciones deben ser confirmadas por datos empíricos, obtenidos experimentalmente o informados por el profesor. El desarrollo de un enfoque creativo para el estudio de sustancias es una de las tareas importantes de la enseñanza de la química. Por tanto, la predicción de la composición química y las propiedades químicas de las sustancias debería encontrar un lugar tanto en el estudio de nuevas sustancias como en la resolución de diversos problemas cuantitativos, por ejemplo: "¿Qué composición cualitativa y cuantitativa debe tener el nitrato de calcio", "¿Cuáles son tres?" formas de obtener sulfato de cobre”, “¿Qué propiedades químicas tiene el ácido fosfórico? Escribe las ecuaciones de reacción. Calcular las proporciones en peso en las que interactúan las sustancias y se obtienen”.
Las propiedades de las sustancias estudiadas deben compararse entre sí. Encontrar similitudes y diferencias en las propiedades de las sustancias es de gran importancia como preparación para el posterior dominio de la ley periódica.
En los grados IX-X, debido a la ampliación de la gama de conocimientos a partir de los cuales se estudian las sustancias, el enfoque y el método de estudiarlas se amplían y profundizan significativamente. Las siguientes circunstancias juegan un papel muy importante aquí: a) familiarizar a los estudiantes con los conceptos de átomo gramo y molécula gramo, volumen molecular gramo y ampliar los cálculos estequiométricos sobre esta base; b) estudio de métodos de producción para la obtención de sustancias; c) familiarizar a los estudiantes con grupos naturales de elementos químicos, patrones de cambios en las propiedades de sustancias simples, así como las formas y propiedades de los compuestos formados por estos elementos.
Antes de estudiar la tabla periódica de elementos químicos, los estudiantes pueden predecir la composición química, los métodos de preparación y las propiedades químicas de muchas sustancias estudiadas en el grado IX, basándose en el conocimiento de las propiedades químicas generales de los óxidos, ácidos, bases y sales y los métodos generales. de su preparación. Este es un enfoque creativo para el estudio de sustancias. El fortalecimiento de este enfoque se ve facilitado por el estudio de los principios científicos de la producción química, así como la solución de problemas cuantitativos y cualitativos, especialmente problemas experimentales de diversos tipos y tipos: obtención y reconocimiento de sustancias, separación de mezclas, explicación de reacciones químicas, predicción de la propiedades características de las sustancias, etc.
Después de estudiar el sistema periódico de D.I. Mendeleev y luego la teoría de la estructura atómica y la teoría iónica, se produce una profunda profundización del enfoque creativo para el estudio de las sustancias, ahora se estudian desde el punto de vista de la conexión general de los elementos químicos. expresado en la ley periódica, y sus propiedades químicas, desde puntos de vista electrón-iónicos. Los estudiantes pueden predecir las propiedades de sustancias simples, así como las formas y propiedades de sus compuestos, comprender más profundamente la naturaleza del enlace químico de los elementos en los compuestos, así como las propiedades químicas y la preparación de sustancias.
En estas clases se debe mostrar a los estudiantes que la naturaleza contradictoria de los átomos (consisten en un núcleo con carga positiva y electrones con carga eléctrica negativa), así como los cambios periódicos en su estructura, determinan las peculiaridades de las propiedades de las sustancias y sus transformaciones
También parece posible mostrar la formación abrupta de sustancias de una nueva calidad añadiendo o restando átomos en las moléculas, así como la presencia de tendencias opuestas en reacciones y sustancias químicas. Utilizando el ejemplo del oxígeno y el ozono, el dióxido de azufre y el anhídrido sulfúrico, los ácidos sulfúrico y sulfúrico, el óxido nitroso, el óxido y el dióxido de nitrógeno y otras sustancias, el profesor explica que la acumulación de átomos en las moléculas conduce necesariamente a la formación de sustancias cualitativamente nuevas.
Los ácidos y bases, los agentes oxidantes y reductores, los óxidos básicos, ácidos y anfóteros y otras sustancias son buenos ejemplos que ilustran la presencia de tendencias opuestas en las sustancias.
La observación sistemática por parte de los estudiantes de los cambios en la calidad de las sustancias en relación con los cambios en el número de átomos en las moléculas, la demostración constante de tendencias opuestas en las sustancias y sus propiedades químicas contribuye a la acumulación de hechos necesarios para la formación de una cosmovisión dialéctica-materialista. .
En el undécimo grado, al estudiar química orgánica, el enfoque del estudio de sustancias se amplía y profundiza cada vez más. El conocimiento de la teoría estructural abre la oportunidad de estudiar la estructura de la materia y el conocimiento de los compuestos orgánicos, no sólo la relación de las sustancias que se estudian con los compuestos inorgánicos, sino también con los orgánicos. Es posible determinar la estructura de sustancias en función de sus propiedades químicas, predecir propiedades químicas en función de la estructura de sustancias y rastrear sus relaciones genéticas en función del conocimiento de las propiedades y estructuras químicas.
Así, gradualmente, más y más conocimientos nuevos pasan a formar parte del método creativo para dominar la ciencia química.
Lo dicho anteriormente sobre la paulatina ampliación y profundización del enfoque del estudio de sustancias se puede presentar en forma de cuadro (Cuadro 11).
No es difícil descubrir que aquí, en términos y juicios químicos, se expresa y aplica en la mayor medida posible un enfoque dialéctico-materialista para el estudio de la materia: un examen específico de la sustancia, una familiarización con sus partes constituyentes y sus conexiones. de estas partes entre sí, el estudio de las principales conexiones y relaciones esenciales y naturales de esta sustancia con otras sustancias y con factores físicos (propiedades químicas), familiarización con la transición de una sustancia a sustancias cualitativamente nuevas durante reacciones químicas, consideración de métodos para la obtención y uso práctico de una sustancia, mostrando el carácter histórico del conocimiento químico, su paulatina expansión y profundización, explicando el papel de la práctica como determinante del conocimiento del hombre y criterio de verdad.
Tabla 11
Un cambio gradual en el enfoque del estudio de sustancias.
| 1. Propiedades físicas (estado físico, color, olor, sabor, gravedad específica, peso molecular, etc.) | Lo mismo y, además, el peso de un átomo gramo, una molécula gramo, un volumen molecular gramo. | Lo mismo y, además, el peso de 1 litro de gasolina en condiciones normales. |
|
| 2. Composición química. Los primeros intentos de probar experimentalmente la composición química; predicción de la composición de determinadas sustancias (por ejemplo, óxidos metálicos, sales, bases); basado en la valencia de elementos y residuos (acuosos y ácidos) | Lo mismo y, además, la predicción de la composición de óxidos, bases y sales, en base a la valencia de elementos y residuos (acuosos y ácidos). Ampliación de la evidencia experimental de la composición de sustancias, basándose en sus reacciones características individuales. | Lo mismo y, además, la predicción de las formas de compuestos en función de la posición del elemento en la tabla periódica. Explicación de la naturaleza del enlace químico de los elementos en un compuesto basándose en la estructura de los átomos y las propiedades de los elementos. | Lo mismo y, además, el estudio de la estructura de las sustancias y su predicción en base a la valencia de los elementos y las propiedades químicas de las sustancias. |
| 3. Propiedades químicas: actitud hacia el agua, oxígeno, hidrógeno, carbón, metales, óxidos metálicos, bases, ácidos, calor y corriente eléctrica; explicación de estas propiedades desde el punto de vista de la teoría atómico-molecular; Primeros intentos de predecir las propiedades químicas de metales, ácidos y otras sustancias. | Lo mismo y, además, la actitud hacia las sales y óxidos ácidos es una ampliación de la predicción de las propiedades químicas de las sustancias, basada en el conocimiento de las propiedades químicas generales de las bases, ácidos y sales; rastrear conexiones genéticas de sustancias inorgánicas | Lo mismo y, además, la predicción de las propiedades de sustancias simples y compuestos químicos de elementos en función de su posición en la tabla periódica, la explicación de las propiedades químicas de las sustancias desde el punto de vista del ion electrónico; cambios en las propiedades de las sustancias debido a la suma y resta de átomos en las moléculas; la naturaleza contradictoria de las propiedades de las sustancias debido a la naturaleza contradictoria de la estructura de sus elementos constituyentes; cambio en las propiedades de sustancias bajo la influencia del medio ambiente | Lo mismo y, además, la relación de sustancias con compuestos orgánicos, la explicación de las propiedades químicas de las sustancias desde el punto de vista de la teoría estructural y la predicción de las propiedades de las sustancias en función de su estructura; rastrear relaciones genéticas de sustancias orgánicas |
| 4. Acción fisiológica | |||
| 5. Similitudes de una sustancia determinada con otras sustancias y su diferencia con estas sustancias. D Asignar sustancias a clases de estudiantes conocidos | Lo mismo y, además, isomería y homología. |
||
| 6. Encontrar sustancias en la naturaleza y una explicación factible de las formas de ocurrencia basada en las propiedades químicas de las sustancias. | |||
| 7. Uso de sustancias en la industria, la agricultura y la vida cotidiana. Su importancia económica nacional. | |||
| 8. Preparación de sustancias, explicación de reacciones para la producción de sustancias desde el punto de vista de la teoría atómico-molecular; prever métodos para la obtención de determinadas sustancias (por ejemplo, óxidos y sales) | Lo mismo y, además, previendo métodos para la obtención de óxidos, ácidos, bases y sales individuales con base en el conocimiento de los métodos generales para su obtención; rastrear conexiones genéticas de sustancias inorgánicas | Lo mismo y, además, la producción de determinadas sustancias en producción; prever métodos para la obtención de análogos y sus compuestos basados en el conocimiento de los métodos para obtener sustancias simples y complejas de uno de los elementos de un determinado grupo natural de la tabla periódica, así como de las propiedades químicas de este elemento; explicación de las reacciones para la producción de sustancias desde el punto de vista del ion electrónico | Lo mismo y, además, previendo formas de obtención de sustancias orgánicas en función de sus propiedades generales y relaciones genéticas; rastrear relaciones genéticas de sustancias orgánicas |
| 9. Historia del descubrimiento e investigación de sustancias; el papel de la práctica industrial en esta materia; prioridad de los científicos rusos en el descubrimiento y la investigación de sustancias | |||
Ya en 7º grado, al estudiar el oxígeno, se debe introducir a los estudiantes en el enfoque de la química para el estudio de sustancias, demostrando que este enfoque es también un plan de estudio. Es útil anotarlo en una libreta y colgarlo en forma de mesa en tu oficina.
