Joomla Software solutions Template

Payday loan

СПЕКТРАЛЕН АНАЛИЗ

Спектралният анализ е един от най-важните физични методи за изследване на веществата. Предназначен е за определяне на качествения и количествения състав на веществото въз основа на неговия спектър.

Отдавна е известно на химиците, че ако се внесат в пламъка, съединенията на някои химични елементи го оцветяват в характерни цветове. Така например солите на натрия оцветяват пламъка в жълто, а съединенията на бора — в зелено. Дадено вещество се оцветява,  когато  или  то  излъчва  вълни с определена дължина, или ги поглъща от пълния спектър на падащата върху него бяла светлина. Във втория случай видимият за окото цвят не съответства на погълнати­те вълни, а на допълнителните, които при събиране с погълнатите дават бяла светлина.

Тези закономерности, установени още в началото на миналия век, са обобщени през 1859 — 1861 г. от немските учени Г. Кирхоф и Р. Бунзен, които доказват, че всеки химичен елемент има свой характерен спектър. Това позволява впоследствие да се създаде разновидност на елементния анализ — атомният спектрален анализ, с който може количествено да се определя съдържанието на различни елементи в проба от веществото чрез разлагането им до атоми или йони в пламъка или в електрическата дъга. Още преди създаването на количестве­ния вариант на този метод той успешно е прилаган за „елементен анализ" на небесни тела. Още в миналия век спектралният анализ помага при изследване състава на Слънцето и на други звезди, а също при откриването на някои елементи, например на хелия.

Чрез спектралния анализ става възможно да се отличат не само различни химични елементи, но и изотопите на един и същ елемент, които обикновено дават нееднакви спектри. Методът се прилага за анализ на изотопния състав на веществата.

Рентгеновите лъчи, наречени на името на открилия ги през 1895 г. немски физик В. Рьонтген, са една от най-късовълновите части на пълния спектър на електромагнитни­те вълни, която се намира между ултравиоле­товата светлина и -лъчите. При поглъщане на рентгенови лъчи от атомите се възбуждат електроните, които са разположени близо до ядрото и са свързани с него особено здраво. Изпускането на рентгенови лъчи от атомите, обратно, е свързано с преходите на електроните от силно възбудените енерге­тични нива към обикновените, стационарните нива.

И едните, и другите нива могат да имат само точно определени енергии, които зави­сят от заряда на атомното ядро. Значи разли­ката между тези енергии, равна на енергията на погълнатия (или излъчения) квант, също зависи от заряда на ядрото и излъчването на всеки химичен елемент в рентгеновата област на спектъра представлява характерен за дадения елемент набор от вълни със строго определени честоти на трептенията.

Това явление е в основата на рентгеноспектралния анализ — разновид­ност на елементния анализ. Той широко се прилага при анализа на руди, минерали, а също на сложни неорганични и елемент органични съединения.

Съществуват и други видове спектроскопия, които се основават не на излъчване, а на поглъщане на светлинни вълни от веще­ството. Така наречените молекулни спектри обикновено се наблюдават при поглъщането на видима, ултравиолетова или инфрачервена светлина от разтвори на веществото; при това не става разлагане на молекулите. Ако видимата или ултравио­летовата светлина обикновено действува на електроните, като ги принуждава да заемат нови по-високи, възбудени енерге­тични   нива  инфрачервените (топлинните) лъчи, които носят по-малко енергия, възбуждат само трептения на свърза­ните помежду си атоми. Поради това инфор­мацията, която такива видове спектроскопия дават на химиците, е различна. Ако от инфра­червения (вибрационния) спектър се узнава за наличието на определени групи от атоми във веществото, спектрите в ултравиолетова­та (а за оцветените вещества и във видимата) област носят информация за строежа на по­глъщащата светлина групировка като цяло.

Между органичните съединения основата на такива групировки е образувана от систе­ма от -връзки. Колкото повече са двойните или тройни­те връзки, които се редуват с прости (с други думи, колкото по-дълга е веригата на спрежение), толкова по-лесно се възбуж­дат електроните.

Методите на молекулната спек­троскопия се използуват не само за определяне строежа на молекулите, но и за точно измерване количеството на извест­но вещество в разтвора. Особено удобни за тази цел са спектрите в ултравиолетовата и във видимата област. Ивиците на поглъща­не в тази област обикновено се наблюдават при концентрация на разтвореното вещество от порядъка на стотни и дори на хилядни части от процента. Частен случай на такова прилагане на спектроскопията е методът на колориметрията, който широко се изпол­зува за измерване концентрацията на цветни съединения.

Атомите на някои вещества са способни да поглъщат също и радиовълни. Така­ва способност се проявява при поставяне на веществото в полето на мощен постоянен магнит. Много атомни ядра имат собствен магнитен момент — спин, и в магнитното поле ядрата с нееднаква ориентация на спина се оказват ,неравноправни" в енергетично отношение. Тези, направлението на чийто спин съвпада с направлението на наслагващото се магнитно поле, попадат в по-изгодно положение, а другите ориентации започват да играят спрямо тях ролята на „възбудени състояния". Това не означава, че ядрото, което е в изгодно спиново състояние, не може да премине във “възбудено"; разлика­та в енергиите на спиновите състояния не е много голяма. Ядрата като че ли трептят между двете енергетични състояния. А тъй като честотата на такива трептения съответства на честотата на радиовълните, възмо­жен е и резонанс — поглъщане на енер­гията на променливото електромагнитно поле със съответна честота, което води до рязко увеличаване броя на ядрата, които са във възбудено състояние.

На това се основава работата на спектро­метрите на ядрения магнитен ре­зон а н с (ЯМР), които могат да открият във веществото наличието на тези атомни ядра, чийто спин е различен от нула, но най-удобни за изследване са ядрата със спин 1/2: водород ¹Н, литий ⁷ Li, флуор ¹⁹ F, фосфор ³¹Р, а също и по-рядко срещаните изотопи въглерод ¹³С, азот ¹⁵N, кислород ¹⁷O и др.

Чувствителността на тези прибори е толко­ва по-голяма, колкото по-мощен е постоян­ният магнит. Пропорционално на напрегна­тостта на магнитното поле расте и

резонансната честота, която е необходима за възбуждане на ядрата. Тя служи като мярка за класа на прибора. Спектрометрите от среден клас работят с честота 60 MHz (при записване на протонни спектри); приборите от по-висок клас работят с често­та 90,180, 360 и повече MHz.

Спектрометрите от висок клас — много точни и сложни прибори — позволяват не само да се открие и количествено да се измери съдържанието на един или друг елемент, но и да се различат сигналите на атомите, които заемат в молекулата химично „неравноправни" положения. А като се изучи т.нар. спин-спиново взаимодействие, което води до разцепване на сигналите на групи от тесни линии под влияние на магнитното поле на съседните ядра, може да се научат много интересни неща за атоми­те, които обкръжават изследваното ядро. ЯМР-спектроскопията позволява да се полу­чи от 70 до 100% от информацията, която е необходима например за установяване строежа на сложно органично съединение.

Още една разновидност на спектроскопията- електронният пара магнитен резонанс (ЕПР) — се основава на факта, че спин 1/2 притежават не само ядрата, но и електроните. Спектроскопията на ЕПР е най-добрият начин за изследването на частици с единични (неодвоени) електрони — свободните радикали. Подобно на ЯМР- спектрите на ЕПР дават възмож­ност да се получи информация не само за са­мата „даваща сигнал” частица, но и за приро­дата на заобикалящите я атоми. Приборите на ЕПР-спектроскопията са много чувствителни: за записването на спектъра обикновено е на­пълно достатъчно в разтвора да се съдържат няколко сто милионни части от мола на свободните радикали на 1 1.