Методы анализа веществ
Рентгеноструктурный анализ
Рентгеноструктурный анализ это метод исследования строения тел, использующий явление дифракции рентгеновских лучей, метод исследования структуры вещества по распределению в пространстве и интенсивностям рассеянного на анализируемом объекте рентгеновского излучения. Дифракционная картина зависит от длины волны используемых рентгеновских лучей и строения объекта. Для исследования атомной структуры применяют излучение с длиной волны порядка размеров атома.
Методами рентгеноструктурного анализа изучают металлы, сплавы, минералы, неорганические и органические соединения, полимеры, аморфные материалы, жидкости и газы, молекулы белков, нуклеиновых кислот и т.д. Рентгеноструктурный анализ является основным методом определения структуры кристаллов.
При исследовании кристаллов он даёт наибольшую информацию. Это обусловлено тем, что кристаллы обладают строгой периодичностью строения и представляют собой созданною самой природой дифракционную решётку для рентгеновских лучей. Однако он доставляет ценные сведения и при исследовании тел с менее упорядоченной структурой, таких, как жидкости, аморфные тела, жидкие кристаллы, полимеры и другие. На основе многочисленных уже расшифрованных атомных структур может быть решена и обратная задача: по рентгенограмме поликристаллического вещества, например легированной стали, сплава, руды, лунного грунта, может быть установлен кристаллический состав этого вещества, то есть выполнен фазовый анализ.
Рентгеноструктурный анализ позволяет объективно устанавливать структуру кристаллических веществ, в том числе таких сложных, как витамины, антибиотики, координационные соединения и т.д. Полное структурное исследование кристалла часто позволяет решить и чисто химические задачи, например установление или уточнение химической формулы, типа связи, молекулярного веса при известной плотности или плотности при известном молекулярном весе, симметрии и конфигурации молекул и молекулярных ионов.
Рентгеноструктурный анализ с успехом применяется для изучения кристаллического состояния полимеров. Ценные сведения даёт рентгеноструктурный анализ и при исследовании аморфных и жидких тел. Рентгенограммы таких тел содержат несколько размытых дифракционных колец, интенсивность которых быстро падает с увеличением. По ширине, форме и интенсивности этих колец можно делать заключения об особенностях ближнего порядка в той или иной конкретной жидкой или аморфной структуре.
 |
|
| Рентгеновские диффрактометры "ДРОН" | |
Рентгенофлуоресцентный анализ (РФА)
Один из современных спектроскопических методов исследования вещества с целью получения его элементного состава, т.е. его элементного анализа. Метод РФА основан на сборе и последующем анализе спектра, полученного путём воздействия на исследуемый материал рентгеновским излучением. При облучении атом переходит в возбуждённое состояние, сопровождающееся переходом электронов на более высокие квантовые уровни. В возбуждённом состоянии атом пребывает крайне малое время, порядка одной микросекунды, после чего возвращается в спокойное положение (основное состояние). При этом электроны с внешних оболочек либо заполняют образовавшиеся вакантные места, а излишек энергии испускается в виде фотона, либо энергия передается другому электрону из внешних оболочек (оже-электрон). При этом каждый атом испускает фотоэлектрон с энергией строго определённого значения, например железо при облучении рентгеновскими лучами испускает фотоны К?= 6,4 кэВ. Далее соответственно по энергии и количеству квантов судят о строении вещества.
В рентгено-флуоресцентной спектрометрии имеются возможности провести детальное сравнение образцов не только по характеристическим спектрам элементов, но и по интенсивности фонового (тормозного) излучения и по форме полос Комптоновского рассеяния. Это приобретает особый смысл в случае, когда химический состав двух проб одинаков по результатам количественного анализа, но пробы отличаются другими свойствами, такими, как зернистость, размер кристаллитов, шероховатость поверхности, пористость, влажность, присутствие кристаллизационной воды, качество полировки, толщина напыления и пр. Идентификация выполняется на основании детального сопоставления спектров. При этом нет необходимости знать химический состав пробы. Любое отличие сравниваемых спектров неопровержимо свидетельствует об отличии исследуемого образца от эталона.
Данный вид анализа проводится при необходимости отождествления состава и некоторых физических свойств двух образцов, один из которых является эталонным. Такой вид анализа важен при поиске любых отличий в составе двух образцов. Область применения: определение тяжелых металлов в почвах, осадках, воде, аэрозолях, качественный и количественный анализ почв, минералов, горных пород, контроль качества сырья, производственного процесса и готовой продукции, анализ свинцовых красок, измерение концентраций ценных металлов, определение загрязнений нефти и топлива, определение токсичных металлов в пищевых ингредиентах, анализ микроэлементов в почвах и сельскохозяйственных продуктах, элементный анализ, датирование археологических находок, изучение картин, скульптур, для проведения анализа и экспертиз.
Обычно подготовка образцов ко всем видам рентгено-флуоресцентнному анализа не представляет сложностей. Для проведения высоконадежного количественного анализа образец должен быть однородным и представительным, иметь массу и размер не менее требуемого методикой анализа. Металлы шлифуются, порошки измельчаются до частиц заданного размера и прессуются в таблетки. Горные породы сплавляются до стеклообразного состояния (это надежно избавляет от погрешностей, связанных с неоднородностью образца). Жидкости и сыпучие вещества просто помещаются в специальные чашки.
Спектральный анализ
Спектральный анализ - физический метод качественного и количественного определения атомного и молекулярного состава вещества, основанный на исследовании его спектров. Физическая основа С. а. - спектроскопия атомов и молекул, его классифицируют по целям анализа и типам спектров (см. Спектры оптические). Атомный С. а. (АСА) определяет элементный состав образца по атомным (ионным) спектрам испускания и поглощения, молекулярный С. а. (МСА) - молекулярный состав веществ по молекулярным спектрам поглощения, люминесценции и комбинационного рассеяния света. Эмиссионный С. а. производят по спектрам испускания атомов, ионов и молекул, возбуждённым различными источниками электромагнитного излучения в диапазоне от?-излучения до микроволнового. Абсорбционный С. а. осуществляют по спектрам поглощения электромагнитного излучения анализируемыми объектами (атомами, молекулами, ионами вещества, находящегося в различных агрегатных состояниях). Атомный спектральный анализ (АСА) Эмиссионный АСА состоит из следующих основных процессов:
- отбор представительной пробы, отражающей средний состав анализируемого материала или местное распределение определяемых элементов в материале;
- введение пробы в источник излучения, в котором происходят испарение твёрдых и жидких проб, диссоциация соединений и возбуждение атомов и ионов;
- преобразование их свечения в спектр и его регистрация (либо визуальное наблюдение) с помощью спектрального прибора;
- расшифровка полученных спектров с помощью таблиц и атласов спектральных линий элементов.
На этой стадии заканчивается качественный АСА. Наиболее результативно использование чувствительных (т. н. «последних») линий, сохраняющихся в спектре при минимальной концентрации определяемого элемента. Спектрограммы просматривают на измерительных микроскопах, компараторах, спектропроекторах. Для качественного анализа достаточно установить наличие или отсутствие аналитических линий определяемых элементов. По яркости линий при визуальном просмотре можно дать грубую оценку содержания тех или иных элементов в пробе.
Количественный АСА осуществляют сравнением интенсивностей двух спектральных линий в спектре пробы, одна из которых принадлежит определяемому элементу, а другая (линия сравнения) - основному элементу пробы, концентрация которого известна, или специально вводимому в известной концентрации элементу («внутреннему стандарту»).
Атомно-абсорбционный С. а. (ААА) и атомно-флуоресцентный С. а. (АФА). В этих методах пробу превращают в пар в атомизаторе (пламени, графитовой трубке, плазме стабилизированного ВЧ- или СВЧ-разряда). В ААА свет от источника дискретного излучения, проходя через этот пар, ослабляется и по степени ослабления интенсивностей линий определяемого элемента судят о концентрации его в пробе. ААА проводят на специальных спектрофотометрах. Методика проведения ААА по сравнению с др. методами значительно проще, для него характерна высокая точность определения не только малых, но и больших концентраций элементов в пробах. ААА с успехом заменяет трудоёмкие и длительные химические методы анализа, не уступая им в точности.
В АФА атомные пары пробы облучают светом источника резонансного излучения и регистрируют флуоресценцию определяемого элемента. Для некоторых элементов (Zn, Cd, Hg и др.) относительные пределы их обнаружения этим методом весьма малы (10-5-10-6 %).
АСА позволяет проводить измерения изотопного состава. Некоторые элементы имеют спектральные линии с хорошо разрешенной структурой (например, Н, Не, U). Изотопный состав этих элементов можно измерять на обычных спектральных приборах с помощью источников света, дающих тонкие спектральные линии (полый катод, безэлектродные ВЧ- и СВЧ-лампы). Для проведения изотопного спектрального анализа большинства элементов требуются приборы высокой разрешающей способности (например, эталон Фабри - Перо). Изотопный спектральный анализ можно также проводить по электронно-колебательным спектрам молекул, измеряя изотопные сдвиги полос, достигающие в ряде случаев значительной величины.
Значительную роль АСА играет в атомной технике, производстве чистых полупроводниковых материалов, сверхпроводников и т. д. Методами АСА выполняется более 3/4 всех анализов в металлургии. С помощью квантометров проводят оперативный (в течение 2-3 мин) контроль в ходе плавки в мартеновском и конвертерном производствах. В геологии и геологической разведке для оценки месторождений производят около 8 млн. анализов в год. АСА применяется для охраны окружающей среды и анализа почв, в криминалистике и медицине, геологии морского дна и исследовании состава верхних слоев атмосферы, при разделении изотопов и определении возраста и состава геологических и археологических объектов и т. д.
Инфракрасная спектроскопия
Метод ИКС включает получение, исследование и применение спектров испускания, поглощения и отражения в инфракрасной области спектра (0,76-1000 мкм). ИКС занимается главным образом изучением молекулярных спектров, т.к. в ИК-области расположено большинство колебательных и вращательных спектров молекул. Наиболее широкое распространение получило исследование ИК спектров поглощения, возникающих при прохождении ИК-излучения через вещество. При этом селективно поглощается энергия на тех частотах, которые совпадают с частотами вращения молекулы как целого, а в случае кристаллического соединения с частотами колебаний кристаллической решетки.
ИК-спектр поглощения - вероятно, уникальное в своем роде физическое свойство. Не существует двух соединений, за исключением оптических изомеров, с различающимися структурами, но одинаковыми ИК-спектрами. В некоторых случаях, таких как полимеры с близким молекулярным весом, различия могут быть практически незаметны, но они всегда есть. В большинстве случаев ИК-спектр является "отпечатком пальцев" молекулы, который легко отличим от спектров других молекул.
Кроме того, что поглощение характеристичное для отдельных групп атомов, его интенсивность прямопропорциональна их концентрации. Т.о. измерение интенсивности поглощения дает после простых вычислений количество данного компонента в образце.
ИК-спектроскопия находит применение в исследовании строения полупроводниковых материалов, полимеров, биологических объектов и непосредственно живых клеток. В молочной промышленности метод инфракрасной спектроскопии применяют для определения массовой доли жира, белка, лактозы, сухих веществ, точки замерзания и т. д.
Жидкое вещество чаще всего снимают в виде тонкой пленки между крышками из солей NaCl или KBr. Твердое вещество чаще всего снимают в виде пасты в вазелиновом масле. Растворы снимают в разборных кюветах.
 |
 |
 |
спектральный диапазон от 185 до 900 нм, двулучевой, регистрирующий, точность длины волны 0.03 нм при 54000 см-1, 0.25 при 11000 см-1, воспроизводимость длины волны соответственно 0.02 нм и 0.1 нм |
Прибор предназначен для снятия ИК - спектров твердых и жидких образцов. Спектральный диапазон – 4000…200 см-1; фотометрическая точность ± 0.2%. |
|
Абсорбционный анализ видимой и близкой ультрафиолетовой области
На абсорбционном методе анализа или свойстве растворов поглощать видимый свет и электромагнитное излучение в близком к нему ультрафиолетовом диапазоне основан принцип действия самых распространенных фотометрических приборов для медицинских лабораторных исследований - спектрофотометров и фотоколориметров (видимый свет).
Каждое вещество поглощает только такое излучение, энергия которого способна вызвать определенные изменения в молекуле этого вещества. Иными словами, вещество поглощает излучение только определенной длины волны, а свет другой длины волны проходит через раствор. Поэтому в видимой области света цвет раствора, воспринимаемый глазом человека, определяется длиной волны излучения, не поглощенного этим раствором. То есть наблюдаемый исследователем цвет является дополнительным по отношению к цвету поглощенных лучей.
В основу абсорбционного метода анализа положен обобщенный закон Бугера - Ламберта - Бера, который часто называют просто законом Бера. Он базируется на двух законах:
- Относительное количество энергии светового потока, поглощенного средой, не зависит от интенсивности излучения. Каждый поглощающий слой одинаковой толщины поглощает равную долю проходящего через эти слои монохроматического светового потока.
- Поглощение монохроматического потока световой энергии прямо пропорционально числу молекул поглощающего вещества.
Термический анализ
Метод исследования физ.-хим. и хим. процессов, основанный на регистрации тепловых эффектов, сопровождающих превращения веществ в условиях программирования температуры. Поскольку изменение энтальпии?H происходит в результате большинства физ.-хим. процессов и хим. реакций, теоретически метод применим к очень большому числу систем.
В Т. а. можно фиксировать т. наз. кривые нагревания (или охлаждения) исследуемого образца, т.е. изменение температуры последнего во времени. В случае к.-л. фазового превращения в веществе (или смеси веществ) на кривой появляются площадка или изломыБольшей чувствительностью обладает метод дифференциального термического анализа (ДТА), в котором регистрируют во времени изменение разности температур DT между исследуемым образцом и образцом сравнения (чаще всего Аl2О3), не претерпевающим в данном интервале температур никаких превращений.
В Т. а. можно фиксировать т. наз. кривые нагревания (или охлаждения) исследуемого образца, т.е. изменение температуры последнего во времени. В случае к.-л. фазового превращения в веществе (или смеси веществ) на кривой появляются площадка или изломы.
Дифференциальный термический анализ (ДТА) обладает большей чувствительностью. В нем регистрируют во времени изменение разности температур DT между исследуемым образцом и образцом сравнения (чаще всего Аl2О3), не претерпевающим в данном интервале температур никаких превращений. Минимумы на кривой ДТА (см., напр., рис.) соответствуют эндотермическим процессам, а максимумы - экзотермическим. Эффекты, регистрируемые в ДТА, м. б. обусловлены плавлением, изменением кристаллической структуры, разрушением кристаллической решетки, испарением, кипением, возгонкой, а также хим. процессами (диссоциация, разложение, дегидратация, окисление-восстановление и др.). Большинство превращений сопровождается эндотермическими эффектами; экзотермичны лишь некоторые процессы окисления-восстановления и структурного превращения.
В Т. а. можно фиксировать т. наз. кривые нагревания (или охлаждения) исследуемого образца, т.е. изменение температуры последнего во времени. В случае к.-л. фазового превращения в веществе (или смеси веществ) на кривой появляются площадка или изломы.
Мат. соотношения между площадью пика на кривой ДТА и параметрами прибора и образца позволяют определять теплоту превращения, энергию активации фазового перехода, некоторые кинетические константы, проводить полуколичественный анализ смесей (если известны DH соответствующих реакций). С помощью ДТА изучают разложение карбоксилатов металлов, различных металлоорганических соединений, оксидных высокотемпературных сверхпроводников. Этим методом определили температурную область конверсии СО в СО2 (при дожигании автомобильных выхлопных газов, выбросов из труб ТЭЦ и т.д.). ДТА применяют для построения фазовых диаграмм состояния систем с различным числом компонентов (физ.-хим. анализ), для качеств. оценки образцов, напр. при сравнении разных партий сырья.
Дериватография - комплексный метод исследования хим. и физ.-хим. процессов, происходящих в веществе в условиях программированного изменения температуры.
Основана на сочетании дифференциального термического анализа (ДТА) с одним или несколькими физ. или физ.-хим. методами, например, с термогравиметрией, термомеханическим анализом (дилатометрия), масс-спектрометрией и эманационным термическим анализом. Во всех случаях наряду с превращениями в веществе, происходящими с тепловым эффектом, регистрируют изменение массы образца (жидкого или твердого). Это позволяет сразу однозначно определить характер процессов в веществе, что невозможно сделать по данным только ДТА или др. термическими методами. В частности, показателем фазового превращения служит тепловой эффект, не сопровождающийся изменением массы образца. Прибор, регистрирующий одновременно термического и термогравиметрического изменения, называется дериватографом. В дериватографе, действие которого основано на сочетании ДТА с термогравиметрией, держатель с исследуемым веществом помещают на термопару, свободно подвешенную на коромысле весов. Такая конструкция позволяет записывать сразу 4 зависимости (см., напр., рис.): разности температур исследуемого образца и эталона, который не претерпевает превращений, от времени t (кривая ДТА), изменения массы Dm от температуры (термогравиметрическая кривая), скорости изменения массы, т.е. производной dm/dt, от температуры (дифференциальная термогравиметрическая кривая) и температуры от времени. При этом удается установить последовательность превращений вещества и определить кол-во и состав промежуточных продуктов.
Химические методы анализа
Гравиметрический анализ
основан на определении массы вещества.
В ходе гравиметрического анализа определяемое вещество или отгоняется в виде какого-либо летучего соединения (метод отгонки), или осаждается из раствора в виде малорастворимого соединения (метод осаждения). Методом отгонки определяют, например, содержание кристаллизационной воды в кристаллогидратах.
Гравиметрический анализ - один из наиболее универсальных методов. Он применяется для определения почти любого элемента. В большей части гравиметрических методик используется прямое определение, когда из анализируемой смеси выделяется интересующий компонент, который взвешивается в виде индивидуального соединения. Часть элементов периодической системы (например, соединения щелочных металлов и некоторые другие) нередко анализируется по косвенным методикам.
В этом случае сначала выделяют два определенных компонента, переводят их в гравиметрическую форму и взвешивают. Затем одно из соединений или оба переводят в другую гравиметрическую форму и снова взвешивают. Содержание каждого компонента определяют путем несложных расчетов.
Наиболее существенным достоинством гравиметрического метода является высокая точность анализа. Обычная погрешность гравиметрического определения составляет 0,1-0,2%. При анализе пробы сложного состава погрешность возрастает до нескольких процентов за счет несовершенства методов разделения и выделения анализируемого компонента. К числу достоинств гравиметрического метода относится также отсутствие каких-либо стандартизации или градуировок по стандартным образцам, необходимых почти в любом другом аналитическом методе. Для расчета результатов гравиметрического анализа требуется знание лишь молярных масс и стехиометрических соотношений.
Титриметрический или объемный метод анализа является одним из методов количественного анализа. Титрование – это постепенное прибавление титрованного раствора реагента (титранта) к анализируемому раствору для определения точки эквивалентности. Титриметрический метод анализа основан на измерении объема реагента точно известной концентрации, затраченного на реакцию взаимодействия с определяемым веществом. В основе этого метода лежит точное измерение объемов растворов двух веществ, реагирующих между собой. Количественное определение с помощью титриметрического метода анализа выполняется довольно быстро, что позволяет проводить несколько параллельных определений и получать более точное среднее арифметическое. В основе всех расчетов титриметрического метода анализа лежит закон эквивалентов. По характеру химической реакции, лежащей в основе определения вещества, методы титриметрического анализа подразделяют на следующие группы: метод нейтрализации или кислотно-основного титрования; метод окисления- восстановления; метод осаждения и метод комплексообразования.
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.
Молекулярная физика и термодинамика – разделы физики, в которых изучаются макроскопические процессы в телах, связанные с огромным числом содержащихся в телах атомов и молекул. Примером макроскопических систем могут служить газы, жидкости, твердые тела, плазма. Размеры атомов или молекул по сравнению с размерами макросистем очень малы. Они изменяются в диапазоне от 10 -10 м (размер атома водорода) до 10 -7 м (размер молекулы белка вируса). Органы чувств человека не позволяют различать размеры, форму, энергию и импульс отдельных молекул. Однако ряд экспериментов косвенно, а в отдельных случаях прямо позволяет это сделать. К прямым методам наблюдения молекул относятся методы современной микроскопии: электронной, ионной, голографической. Косвенные методы наблюдения : броуновское движение, давление газа на стенки сосудов, диффузия газов и жидкостей, вязкое трение и др. Все эти явления могут быть объяснены, если считать, что вещества: а) состоят из атомов и молекул, б) находятся в состоянии непрерывного беспорядочного движения и в) между ними действуют силы взаимодействия – притяжения и отталкивания.
Для исследования макроскопических процессов применяют два качественно различных и взаимно дополняющих друг друга метода: статистический (молекулярно-кинетический) и термодинамический. Первый лежит в основе молекулярной физики, второй – термодинамики.
Молекулярная физика – раздел физики, изучающий строение и свойства вещества исходя из молекулярно-кинетических представлений, основывающихся на том, что все тела состоят из молекул, находящихся в непрерывном хаотическом движении и взаимодействующих между собой по определенным законам. Здесь макроскопические свойства тел рассматриваются как проявление суммарного действия молекул. При этом в теории пользуются статистическими методом, интересуясь не движением отдельных молекул, а лишь такими средними величинами, которые характеризуют движение огромной совокупности частиц. Отсюда другое ее название - статистическая физика.
Термодинамика – раздел физики, изучающий общие свойства макроскопических систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, и процессы перехода между этими состояниями. Термодинамика не рассматривает микропроцессы, которые лежат в основе этих превращений. Этим термодинамический, или феноменологический, метод отличается от статистического.
Молекулярно-кинетическая теория и термодинамика взаимно дополняют друг друга, образуя единое целое, но отличаясь различными методами исследования. Оба метода должны давать одинаковые результаты относительно свойств и состояния вещества в аналогичных условиях и, следовательно, между параметрами вещества, описывающими его состояние в молекулярно-кинетической теории и в термодинамике, должна существовать закономерная взаимосвязь.
Введение
Эксперементальные методы
1 Рентгеноэлектронная спектроскопия
1.2 Ифракрасная спектроскопия
1.3 Дифракционные методы
Теоретические методы
1 Полуэмпирические методы
2 Неэмпирические методы
3 Кванто-механические методы
4 Метод Хюккеля
Заключение
Список использованных источников
ВВЕДЕНИЕ
В современной органической химии большое значение имеют различные физические методы исследования. Их можно разделить на две группы. К первой группе относятся методы, позволяющие получать различные сведения о строении и физических свойствах вещества, не производя в нем никаких химических изменений. Из методов этой группы, пожалуй, наибольшее применение получила спектроскопия в широком диапазоне областей спектра - от не слишком жестких рентгеновских лучей до радиоволн не очень большой длины. Ко второй группе относятся методы, в которых используются физические воздействия, вызывающие химические изменения в молекулах. В последние годы к ранее применявшимся широкоизвестным физическим средствам воздействия на реакционную способность молекулы прибавились и новые. Среди них особое значение имеют воздействия жестких рентгеновских лучей и потоков частиц больших энергий, получаемых в атомных реактора
Целью данной курсовой работы является - узнать о методах исследований строения молекул.
Задача курсовой работы:
выяснить виды методов и изучить их.
1. ЭКСПЕРЕМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ
1.1 Рентгеноэлектронная спектроскопия
Рисуник 1- Схема электронного
спектрометра: 1-источник излучения; 2-образец; 3- анализатор; 4-детектор;
5-экран для защиты от магнитного поля
Рисунок 2- Рентгеноэлектронный
спектр Сls этилтрифторацетата
РЭС позволяет исследовать все элементы, кроме Н, при содержании их в образце ~ 10 -5 г (пределы обнаружения элемента с помощью РЭС 10 -7 -10 -9 г). Относительное содержание элемента может составлять доли процента. Образцы могут быть твердыми, жидкими или газообразными. Величина E св электрона <#"606051.files/image003.gif">
По такой же формуле
рассчитывают и атомный фактор, при этом описывает распределение рассеивающей
плотности внутри атома.
Значения атомного фактора специфичны для каждого вида излучения. Рентгеновские
лучи рассеиваются электронными оболочками атомов. Соответствующий атомный
фактор численно равен числу электронов в атоме, если выражен в названии электронных единицах, т. е. в
относительных единицах амплитуды рассеяния рентгеновского излучения одним
свободном электроне. Рассеяние электронов
определяется электростатическим потенциалом атома. Атомный фактор для электрона связан
соотношением:
исследование молекула спектроскопия
дифракционный квантовый
Рисунок 2- Зависимость абсолютных значений атомных факторов рентгеновских лучей (1), электронов (2) и нейтронов (3) от угла рассеяния
Рисунок 3-
Относительная зависимость усредненных по углу атомных факторов рентгеновских
лучей (сплошная линия), электронов
(штриховая)и нейтронов от атомного номера Z
При точных расчетах
рассматривают отклонения распределения электронной плотности или потенциала атомов
от сферической симметрии и название атомно-температурный фактор, учитывающий
влияние тепловых колебаний атомов на
рассеяние. Для излучения помимо рассеяния на электронных оболочках атомов существует роль может играть резонансное рассеяние на
ядрах. Фактор рассеяния f м зависит от волновых векторов и векторов поляризации падающей и рассеянной волн. Интенсивность I(s) рассеяния
объектом пропорциональна квадрату модуля амплитуды: I(s)~|F(s)| 2 .
Экспериментально можно определить лишь модули |F(s)|, а для построения функции
рассеивающей плотности (r) необходимо знать также фазы (s) для каждого s. Тем
не менее теория дифракционных методов позволяет по измеренным I(s) получить
функцию (r), т. е. определить структуру веществ. При этом лучшие результаты
получают при исследовании кристаллов. Структурный
анализ.
Монокристалл представляет собой строго упорядоченную систему, поэтому
при дифракции образуются лишь дискретные рассеянные пучки, для которых вектор рассеяния равен вектору
обратной решетки.
Для построения функции (х, у, z)по экспериментально определяемым величинам применяют метод проб и ошибок, построение и анализ функции межатомных расстояний, метод изоморфных замещений, прямые методы определения фаз. Обработка экспериментальных данных на ЭВМ позволяет восстанавливать структуру в виде карт распределения рассеивающей плотности. Структуры кристаллов изучают с помощью рентгеновского структурного анализа. Этим методом определено более 100 тысяч структур кристаллов.
Для неорганических кристаллов с применением различных методов уточнения (учет поправок
на поглощение, анизотропию
атомно-температурного фактора и т. д.) удается восстановить функцию с
разрешением до 0.05
Рисунок 4- Проекция ядерной
плотности кристаллической структуры
Это позволяет определять анизотерапию тепловых колебаний атомов, особенности распределения электронов, обусловленные химической связью, и т. д. С помощью рентгеноструктурного анализа удается расшифровывать атомные структуры кристаллов белков, молекулы которых содержат тысячи атомов. Дифракция рентгеновских лучей используется также для изучения дефектов в кристаллах (в рентгеновской топографии), исследования приповерхностных слоев (в рентгеновской спектрометрии), качественного и количественного определения фазового состава поликристаллических материалов. Электронография как метод изучения структуры кристаллов имеет след. особенности: 1) взаимодействие вещества с электронами намного сильнее, чем с рентгеновскими лучами, поэтому дифракция происходит в тонких слоях вещества толщиной 1 -100 нм; 2) f э зависит от атомного ядра слабее, чем f р, что позволяет проще определять положение легких атомов в присутствии тяжелых; Структурная электронография широко применяется для исследования тонкодисперсных объектов, а также для изучения разного рода текстур (глинистые минералы, пленки полупроводников и т. п.). Дифракция электронов низких энергий (10 -300 эВ, 0.1-0.4 нм) - эффективный метод исследования поверхностей кристаллов: расположения атомов, характера их тепловых колебаний и т. д. Электронная микроскопия восстанавливает изображение объекта по дифракционной картине и позволяет изучать структуру кристаллов с разрешением 0.2-0.5 нм. Источниками нейтронов для структурного анализа служат ядерные реакторы на быстрых нейтронах, а также импульсные реакторы. Спектр пучка нейтронов, выходящих из канала реактора, непрерывен вследствие максвелловского распределения нейтронов по скоростям (его максимум при 100°С соответствует длине волны 0.13 нм).
Монохроматизацию пучка осуществляют
разными способами - с помощью кристаллов-монохроматоров и др. Нейтронографию используется, как правило, для уточнения и дополнения
рентгеноструктурных данных. Отсутствие монотонной зависимости f и от
атомного номера позволяет достаточно точно определять
положение легких атомов. Кроме того, изотопы одного в того же элемента могут иметь сильно различающиеся
значения f и (так, f и углеводорода 3.74.10 13
см, у дейтерия 6.67.10 13 см). Это
дает возможность изучать расположение изотопов
и получать дополнит. сведения о структуре путем изотопного замещения.
Исследование магнитного взаимодействия. нейтронов с магнитнами моментами атомов дает
информацию о спинах магнитного атомов. Мёссбауэровское -излучение отличается чрезвычайно малой
шириной линии - 10 8 эВ (тогда как ширина линии характеристических
излучения рентгеновских трубок. 1 эВ). Это обусловливает высокую временную и
пространств. согласованность резонансного ядерного рассеяния, что позволяет, в
частности, изучать магнитное поле и градиент электрического поля на ядрах.
Ограничения метода - слабая мощность мёссбауэровских источников и обязательное
присутствие в исследуемом кристалле ядер, для
которых наблюдается эффект Мёссбауэра. Структурный анализ некристаллическихвеществ.Отдельные молекулы в газах, жидкостях и твердых аморфных телах по-разному ориентированы в
пространстве, поэтому определить фазы рассеянных волн, как правило, невозможно.
В этих случаях интенсивность рассеяния обычно представляют с помощью т. наз.
межатомных векторов r jk , которые
соединяют пары различных атомов (j и k) в молекулах: r jk =
r j - r k . Картина рассеяния усредняется по всем
ориентациям:
.1
Полуэмпирические методы
Полуэмпирические методы квантовой химии, методы расчета мол. характеристик или свойств вещества с привлечением экспериментальных данных. По своей сути полуэмпирические методы аналогичны неэмпирическим методам решения уравнения Шрёдингера для многоатомных систем, однако для облегчения расчетов в полуэмпирических методах вводятся дополнит. упрощения. Как правило, эти упрощения связаны с валентным приближением, т. е. основаны на описании лишь валентных электронов, а также с пренебрежением определенными классами молекулярных интегралов в точных уравнениях того неэмпирического метода, в рамках которого проводится полуэмпирический расчет.
Выбор эмпирических параметров основан на обобщении опыта неэмпирических расчетов, учете химических представлений о строении молекул и феноменологических закономерностей. В частности, эти параметры необходимы для аппроксимации влияния внутренних электронов на валентные, для задания эффективных потенциалов, создаваемых электронами остова, и т.п. Использование экспериментальных данных для калибровки эмпирических параметров позволяет устранить ошибки, обусловленные упомянутыми выше упрощениями, однако лишь для тех классов молекул, представители которых служат опорными молекулами, и лишь для тех свойств, по которым параметры определялись.
Наиболее распространены полуэмпирические методы,
основанные на представлениях о мол. орбиталях (см. Молекулярных орбиталей
методы, Орбиталь). В сочетании с ЛКАО-приближением это позволяет выразить
гамильтониан молекулы через интегралы на атомных орбиталях. При построении
полуэмпирических методов в мол. интегралах выделяют произведения орбиталей,
зависящих от координат одного и того же электрона (дифференциальное перекрывание),
и пренебрегают некоторыми классами интегралов. Напр., если нулевыми считаются
все интегралы, содержащие дифференциальное перекрывание cаcb при а. b,
получается т. наз. метод полного пренебрежения дифференциала. перекрыванием
(ППДП, в англ. транскрипции CNDO-complete neglect of differential overlap).
Применяют также частичное или модифицированное частичное пренебрежение
дифференциальное перекрыванием (соотв. ЧПДП или МЧПДП, в английской
транскрипции INDO- intermediate neglect of differential overlap и
MINDO-modified INDO), пренебрежение двухатомным дифференциальное перекрыванием
- ПДДП, или neglect of diatomic differential overlap (NDDO), - модифицирование
пренебрежение двухатомным перекрыванием (МПДП, или modified neglect of diatomic
overlap, MNDO). Как правило, каждый из полуэмпирических методов имеет несколько
вариантов, которые принято указывать в названии метода цифрой или буквой после
косой черты. Напр., методы ППДП/2, МЧПДП/3, МПДП/2 параметризованы для расчетов
равновесной конфигурации ядер молекулы в основном электронном состоянии,
распределения заряда, потенциалов ионизации, энтальпий образования химических
соединений, метод ЧПДП используется для расчета спиновых плотностей. Для
расчета энергий электронного возбуждения применяют спектроскопическую
параметризацию (метод ППДП/С). Распространено также использование в названиях
полуэмпирических методов соответствующих программ для ЭВМ. Напр., один из
расширенных вариантов метода МПДП называют Остинской моделью, как и
соответствующую программу (Austin model, AM). Имеется несколько сотен различных
вариантов полуэмпирических методов, в частности разработаны полуэмпирические
методы, аналогичные конфигурационного взаимодействия методу. При внешних
схожести разных вариантов полуэмпирических методов каждый из них можно
применять для расчета лишь тех свойств, по которым проведена калибровка
эмпирических параметров. В наиб. простых Полуэмпирических расчетах каждая мол.
орбиталь для валентных электронов определяется как решение одноэлектронного
уравнения Шрёдингера с оператором Гамильтона, содержащим модельный потенциал
(псевдопотенциал) для электрона, находящегося в поле ядер и усредненном поле
всех остальных электронов системы. Такой потенциал задают непосредственно с
помощью элементарных функций или основанных на них интегральных операторов. В
сочетании с ЛКАО-приближением подобный подход позволяет для многих сопряженных
и ароматического мол. систем ограничиться анализом p-электронов (см. Хюккеля
метод), для координационной соединений-пользоваться расчетными методами поля
лигандов теории и кристаллического поля теории и т.п. При изучении
макромолекул, напр. белков, или кристаллических образований нередко пользуются
полуэмпирическими методами, в которых электронное строение не анализируется, а
определяется непосредственно поверхность потенциальной энергии. Энергию системы
приближенно считают суммой парных потенциалов взаимодействия атомов, напр.
потенциалов Морса (Морзе) или Леннард-Джонса (см. Меж молекулярные
взаимодействия). Такие полуэмпирические методы позволяют проводить расчет
равновесной геометрии, конформационных эффектов, энергии изомеризации и т.п.
Нередко парные потенциалы дополняют определенными для отдельных фрагментов
молекулы многочастичными поправками. Полуэмпирические методы такого типа, как
правило, относят к молекулярной механике. В более широком смысле к
полуэмпирическим методам относятся любые методы, в которых определенные
решением обратных задач параметры мол. системы используются для предсказаний
новых экспериментальных данных, построения корреляционных соотношений. В этом
смысле полуэмпирическими методами являются методы оценки реакционной
способности, эффективных зарядов на атомах и т. п. Сочетание полуэмпирического
расчета электронного строения с корреляц. соотношениями позволяет оценивать
биологическую активность различных веществ, скорости химических реакций,
параметры технологических процессов. К полуэмпирическим методам относятся и
некоторые аддитивные схемы, напр. применяемые в химической термодинамике методы
оценки энергии образования как суммы вкладов отдельных фрагментов молекулы.
Интенсивное развитие полуэмпирических методов и неэмпирических методов
квантовой химии делает их важными средствами современные исследования
механизмов хим. превращений, динамики элементарного акта хим. реакции,
моделирования биохимических и технологических процессов. При правильном
использовании (с учетом принципов построения и способов калибровки параметров)
полуэмпирические методы позволяют получить надежную информацию о строении и
свойствах молекул, их превращениях.
2.2Неэмпирические
методы
Принципиально иное направление расчетной квантовой химии, сыгравшее огромную роль в современном развитии химии в целом, состоит в полном или частичном отказе от вычисления одноэлектронных (3.18) и двухэлектронных (3.19)-(3.20) интегралов, фигурирующих в методе ХФ. Вместо точного оператора Фока используется приближенный, элементы которого получают эмпирическим путем. Параметры оператора Фока подбирают для каждого атома (иногда с учетом конкретного окружения) или для пар атомов: они либо являются фиксированными, либо зависят от расстояния между атомами. При этом часто (но не обязательно - см. ниже) предполагается, что многоэлектронная волновая функция является однодетерминантной, базис - минимальным, а атомные орбитали Х; - симметричными ортогональными комбинациями ОСТ Хг Такие комбинации легко получить, аппроксимируя исходные АО функциями Слейтера "Xj (2.41) с помощью преобразования Полуэмпирические методы работают гораздо быстрее, чем неэмпирические. Они применимы к большим (часто - к очень большим, например, биологическим) системам и для некоторых классов соединений дают более точные результаты. Однако следует понимать, что это достигается за счет специально подобранных параметров, справедливых лишь в пределах узкого класса соединений. При переносе на другие соединения те же методы могут дать абсолютно неверные результаты. Кроме того, параметры часто подбираются таким образом, чтобы воспроизводить только определенные молекулярные свойства, поэтому придавать физический смысл отдельным параметрам, используемым в схеме расчета, не следует. Перечислим основные приближения, используемые в полуэмпирических методах.
Рассматриваются только валентные электроны. Считают, что электроны, относящиеся к атомным остовам, лишь экранируют ядра. Поэтому влияние этих электронов учитывают, рассматривая взаимодействие валентных электронов с атомными остовами, а не с ядрами, и вводя энергию отталкивания остовов вместо энергии межъядерного отталкивания. Поляризацией остовов пренебрегают.
В МО учитывают только АО с главным квантовым числом, соответствующим высшим заселенным электронами орбиталям изолированных атомов (минимальный базис). Предполагают, что базисные функции образуют набор ортанормированных атомных орбиталей- ОСТ, ортогонализованных по Лёвдину.
Для двухэлектронных кулоновских и обменных интегралов вводят приближение нулевого дифференциального перекрывания (НДП) .
Молекулярной структуре в пределах структурной области может соответствовать набор модификаций молекулы, сохраняющих одинаковую систему валентных химических связей при разной пространствеиной организации ядер. В этом случае глубокий минимум ППЭ дополнительно имеет несколько неглубоких (эквивалентных или неэквивалентных по энергии) минимумов, разделенных небольшими потенциальными барьерами. Различные пространствеиные формы молекулы, преобразующиеся друг в друга в пределах данной структурной области путем непрерывного изменения координат атомов и функциональных групп без разрыва или образования химических связей, составляют множество конформаций молекулы. Набор конформаций, энергии которых меньше намнизшего барьера, примыкающего к данной структурной области ППЭ, называется конформационным изомером, или конформером. Конформеры, соответствующие локальным минимумам ППЭ, называются устойчивыми или стабильными. Таким образом, молекулярную структуру можно определить как совокупность конформаций молекулы в определенной структурной области Часто встречающимся в молекулах типом конформационного перехода является вращение отдельных групп атомов относительно связей: говорят, что имеет место внутреннее вращение, а различные конформеры называют вращательными изомерами, или ротамерами. При вращении меняется и электронная энергия, причем ее значение в процессе такого движения может проходить через максимум; в этом случае говорят о барьере внутреннего вращения. Последние во многом обусловлены способностью этих молекул легко адаптировать структуру при взаимодействии с разными системами. Каждому энергетическому минимуму ППЭ соответствует пара энантиомеров с одинаковой энергией - правый (R) и левый (S). Эти пары имеют энергии, отличающиеся всего на 3.8 ккал/моль, однако они разделены барьером высотой 25.9 ккалjмоль и, следовательно, весьма устойчивы при отсутствии внешних воздействий. Результаты квантово-химических расчетов энергий барьеров внутреннего вращения для некоторых молекул и соответствующие экспериментальные значения. Теоретические и экспериментальные величины барьеров вращения для связей С-С, С-Р, C-S отличаются всего на 0.1 ккал/моль; для связей С-0, C-N, C-Si, несмотря на использование базисного набора с включением поляризационных функций (см. ниже), разница заметно выше. 1"ем не менее, можно констатировать удовлетворительную точность расчета энергий барьеров внутреннего вращения методом ХФ.
Подобные расчеты энергий барьеров внутреннего
вращения для простых молекул помимо спектроскопических приложений важны как
критерий качества того или иного расчетного метода. Большого внимания
заслуживает внутреннее вращение в сложных молекулярных системах, например, в
полипептидах и белках, где этот эффект обусловливает мноmе биологически важные
функции этих соединений. Вычисление поверхностей потенциальной энергии для
таких объектов представляет собой сложную задачу как в теоретическом, так и в
практическом плане. Распространенным видом конформационного перехода является
инверсия, такая, какая имеет место в пирамидальных молекулах типа АХ3 (А= N,
Si, Р, As, Sb; Х =Н, Li, F и др.). В этих молекулах атом А может занимать
позиции как выше, так и ниже плоскости, образованной тремя атомами Х. Например,
в молекуле аммиака NH3 метод ХФ дает величину энергетического барьера, равную
23,4 ккал/моль; это неплохо согласуется с экспериментальным значением барьера
инверсии - 24.3 ккал/моль. Если барьеры между минимумами ППЭ сопоставимы с
тепловой энергией молекулы, это приводит к эффекту структурной нежесткости
молекулы; конформационные переходы в таких молекулах происходят постоянно. Для
решения уравнений ХФ применяется метод самосогласованного поля. В процессе
решения оптимизируются только орбитали, занятые электронами, следовательно,
энергии лишь этих орбиталей находят физически обоснованно. Однако метод. ХФ
дает и характеристики свободных орбиталей: такие молекулярные спин-орбитали
называются виртуальными. К сожалению, они описывают возбужденные энергетические
уровни молекулы с погрешностью около 100%, и применять их для трактовки
спектроскопических данных следует с осторожностью - для этого существуют другие
методы. Также как и для атомов, метод ХФ для молекул имеет различные версии, в
зависимости от того, является ли однодетерминантная волновая функция
собственной функцией оператора квадрата полного спина системы S2 или нет. Если
волновая функция построена из пространствеиных орбиталей, занятых парой электронов
с противоположными спинами (молекулы с замкнутыми оболочками), это условие
выполняется, а метод называется ограниченным методом Хартри-Фока (ОХФ). Если
требование быть собственной функцией оператора на волновую функцию не
накладывается, то каждая молекулярная спин-орбиталь отвечает определенному
спиновому состоянию (а или 13), то есть электроны с противоположными спинами
занимают разные спин-орбитали. Такой метод обычно применяется для молекул с
открытыми оболочками и называется неограниченным методом ХФ (НХФ), или методом
разных орбиталей для разных спинов. Иногда низколежащие энергетические
состояния описывают орбиталями, дважды занятыми электронами, а валентные
состояния описывают однократно занятыми молекулярными спин-орбиталями; этот
метод назьmается ограниченным методом Хартри-Фока для открытых оболочек (ОХФ-
00). Как и в атомах волновая функция молекул с открытыми оболочками не
соответствует чистому спиновому состоянию, и могут возникать решения, у которых
симметрия волновой функции по спину понижена. Они называются НХФ-нестабильными
решениями.
2.3 Квантово-механические методы
Успехи теоретической химии, развитие квантовой механики создали возможность приближенных количественных расчетов молекул. Известно два важнейших метода расчета: метод электронных пар, называемый также методом валентных связей, и метод молекулярных орбит. Первый из этих методов, разработанный Гейтлером и Лондоном для молекулы водорода, приобрел широкое распространение в 30-х годах нынешнего столетия. В последние годы все большее значение приобретает метод молекулярных орбит (Гунд, Э. Хюккель, Мулликен,Герц-берг, Ленард-Джонс).
В этом приближенном методе расчета состояние молекулы описывается так называемой волновой функцией ψ, которая составляется по определенному правилу из ряда слагаемых:
Сумма этих слагаемых должна учитывать все возможные комбинации, возникающие в результате попарного связывания атомов углерода за счет π-электронов.
Для того чтобы облегчить расчет волновой функции ψ, отдельные слагаемые (C1ψ1, C2ψ2 и т. д.) условно изображаются графически в виде соответствующих валентных схем, которые используются как вспомогательные средства при математическом расчете. Например, когда указанным способом рассчитывают молекулу бензола и принимают во внимание только π-элек-троны, то таких слагаемых получается пять. Этим слагаемым соответствуют следующие валентные схемы:
Часто приведенные валентные схемы изображают с учетом σ-связей, например для бензола
Такие валентные схемы называют «невозмущенными структурами» или «предельными структурами»
Функции ψ1, ψ2, ψ3 и т. д. различных предельных структур входят в волновую функцию ψ с тем большими коэффициентами (с тем большим весом), чем меньше энергия, рассчитанная для соответствующей структуры. Электронное состояние, соответствующее волновой функции ψ, наиболее устойчиво сравнительно с электронными состояниями, изображаемыми функциями ψ1, ψ2, ψ3 и т. д.; энергия же состояния, изображаемого функцией ψ (реальной молекулы), естественно, является наименьшей сравнительно с энергиями предельных структур.
При расчете молекулы бензола по методу электронных пар учитываются пять предельных структур (I-V). Две из них тождественны классической структурной формуле Кекуле и три-формуле Дьюара. Так как энергия электронных состояний, соответствующих предельным структурам III, IV и V, выше, чем для структур I и II, то вклад структур III, IV и V в смешанную волновую функцию молекулы бензола ψменьше, чем вклад структур I и II. Поэтому в первом приближении для изображения распределения электронной плотности в молекуле бензола достаточно двух эквивалентных структур Кекуле.
Предельные структуры не соответствуют каким-либо реальным электронным состояниям в невозбужденных молекулах, однако не исключено, что они могут осуществляться в возбужденном состоянии или в момент реакции.
Вышеизложенная качественная сторона теории резонанса совпадает с концепцией мезомерии, несколько ранее развитой Инголдом и независимо от него Арндтом.
Согласно этой концепции, истинное состояние молекулы является промежуточным («мезомерным») между состояниями, изображенными двумя или несколькими «предельными структурами», которые можно написать для данной молекулы, пользуясь правилами валентности.
Кроме этого основного положения теории мезомерии, к ее аппарату относятся хорошо разработанные представления об электронных смещениях, в обосновании, интерпретации и опытной проверке которых важная роль принадлежит Инголду. Согласно Инголду, механизмы электронных смещений (электронных эффектов) различны в зависимости от того, осуществляется ли взаимное влияние атомов через цепь простых или сопряженных двойных связей. В первом случае это - индукционный эффект I (или также статический индукционный эффект Is), во втором случае - мезомерный эффект М (статический эффект сопряжения).
В реагирующей молекуле электронное облако может поляризоваться по индукционному механизму; такое электронное смещение называется индуктомерным эффектом Id. В молекулах с сопряженными двойными связями (и в ароматических молекулах) поляризуемость электронного облака в момент реакции обусловлена электромерным эффектом E (динамический эффект сопряжения).
Теория резонанса не вызывает никаких принципиальных возражений, пока речь идет о способах изображения молекул, но она имеет и большие претензии. Аналогично тому, как в методе электронных, пар волновая функция описывается линейной комбинацией других волновых функций ψ1, ψ2, ψ3 и т. д., теория резонанса предлагает описывать истинную волновую функцию ψмолекулы в виде линейной комбинации волновых функций предельных структур.
Однако математика не дает критериев для выбора тех или иных «резонансных структур»: ведь в методе электронных пар волновую функцию можно представить не только как линейную комбинацию волновых функций ψ1, ψ2, ψ3 и т. д., но и как линейную комбинацию любых других функций, подобранных с определенными коэффициентами. Выбор же предельных структур может быть сделан только на основе химических соображений и аналогий, т. е. здесь концепция резонанса по существу не дает ничего нового по сравнению с концепцией мезомерии.
При описании распределения электронной плотности в молекулах с помощью предельных структур необходимо постоянно иметь в виду, что отдельно взятые предельные структуры не соответствуют какому-либо реальному физическому состоянию и что никакого физического явления «электронного резонанса» не существует.
Из литературы известны многочисленные случаи, когда сторонники концепции резонанса приписывали резонансу смысл физического явления и считали, что за определенные свойства веществ ответственны те или иные отдельные предельные структуры. Возможность возникновения таких ошибочных представлений заложена во многих пунктах концепции резонанса. Так, когда говорят о «различных вкладах предельных структур» в реальное состояние молекулы, легко может возникнуть представление о реальном существовании этих соотношений. Реальная молекула в концепции резонанса считается «резонансным гибридом»; этот термин может навести на мысль о якобы реальном взаимодействии предельных структур, подобно гибридизации атомных орбит.
Неудачен также термин «стабилизация за счет резонанса», так как стабилизация молекулы не может быть обусловлена несуществующим резонансом, а представляет собой физическое явление делокализации электронной плотности, характерное для сопряженных систем. Целесообразно поэтому это явление называть стабилизацией за счет сопряжения. Энергия сопряжения (энергия делокализации, или энергия мезомерии) может быть определена экспериментальным путем, независимо от «энергии резонанса», вытекающей из квантово-механических расчетов. Это - разность между энергией, вычисленной для гипотетической молекулы с формулой, соответствующей одной из предельных структур, и энергией, найденной экспериментально для реальной молекулы.
С указанными выше оговорками способ описания
распределения электронной плотности в молекулах с помощью нескольких предельных
структур несомненно может быть использован наряду с двумя другими также весьма
распространенными способами.
2.4
Метод Хюккеля
Хюккеля метод, квантовохимический метод приближенного расчета энергетических уровней и мол. орбиталей ненасыщенных орг. соединений. Основан на предположении, согласно которому движение электрона вблизи атомного ядра в молекуле не зависит от состояний или числа др. электронов. Это позволяет максимально упростить задачу определения мол. орбиталей (МО) в представлении линейной комбинацией атомных орбиталей. Метод предложен Э. Хюккелем в 1931 для расчета электронного строения углеводородов с сопряженными связями. Считается, что атомы углерода сопряженной системы лежат в одной плоскости, относительно которой высшие занятые и низшие виртуальные (свободные) МО (граничные мол. орбитали) антисимметричны, т. е. являются орбиталями, образованными атомными 2рz-орбиталями (АО) соответствующих атомов С. Влиянием остальных атомов, напр. Н, или мол. фрагментов с насыщенными связями пренебрегают. Предполагается, что каждый из М атомов углерода сопряженной системы вносит в систему один электрон и описывается одной атомной 2рz-орбиталью(k = 1, 2, ..., М). Простая модель электронного строения молекулы, даваемая Хюккеля методом, позволяет понять многие хим. явления. Например неполярность альтернантных углеводородов обусловлена тем, что эффективные заряды на всех атомах углерода равны нулю. Напротив, неальтернантная конденсированная система 5- и 7-членного циклов (азулен) имеет дипольный момент ок. 1Д (3.3 x 10 -30 Кл x м). В нечетных альтернантных углеводородах основное энергетическое. состояние отвечает электронной системе, в которой есть хотя бы одна однократно занятая орбиталь. Можно показать, что энергия этой орбитали та же, что и в свободном атоме, в связи с чем она наз. несвязывающей МО. Удаление или добавление электрона изменяет заселенность лишь несвязывающей орбитали, что влечет появление заряда на некоторых атомах, который пропорционален квадрату соответствующего коэффициент в разложении несвязывающей МО по АО. Для определения такой МО применяют простое правило: сумма коэффициент Ck для всех атомов, соседних с любым данным, должна быть равна нулю. Кроме того, значения коэффициент должны отвечать дополнит. условию нормировки: Это приводит к характерному чередованию (альтернированию) зарядов на атомах в мол. ионах альтернантных углеводородов. В частности, указанное правило объясняет выделение по хим. свойствам орто- и пара-положений в бензольном ядре по сравнению с мета-положением. Закономерности, установленные в рамках простого Хюккеля метода, искажаются при более полном учете всех взаимодействие в молекуле. Однако обычно влияние множества разнородных дополнит, факторов (например электронов остова, заместителей, межэлектронного отталкивания и т. п.) качественно не меняет орбитальную картину электронного распределения. Поэтому Хюккеля метод часто используют для моделирования сложных механизмов реакций с участием орг. соединений. При введении в молекулу гетероатомов (N, О, S, ...) существенными становятся параметры матрицы H, принимаемые для гетероатома и для атомов углерода. В отличие от случая полиенов, разные типы атомов или связей описываются разными параметрами или и их соотношение существенно влияет на вид МО; качество предсказаний, получаемых в рамках простого Хюккеля метода, как правило, в итоге ухудшается. Простой по своей идее, наглядный и не требующий сложных вычислений Хюккеля метод является одним из наиболее распространенных средств создания квантовохимической модели электронного строения сложных мол. систем. Наиб. эффективно его применение в тех случаях, когда свойства молекулы определяются в основные топологические структурой хим. связей, в частности симметрией молекулы. Попытки построить улучшенные варианты Хюккеля метода в рамках простых молекулярных орбиталей методов имеют мало смысла, т. к. приводят к методикам расчета, сравнимым по сложности с более точными методами квантовой химии.
Заключение
В настоящее время создана «целая отрасль науки - квантовая химия, занимающаяся приложением квантово-механических методов к химическим проблемам. Однако было бы принципиально ошибочным думать, что все вопросы строения и реакционной способность органических соединений могут быть сведены к задачам квантовой механики. Квантовая механика изучает законы движения электронов и ядер, т. е. законы низшей формы движения, сравнительно с той, которую изучает химия (движение атомов и молекул), а высшая форма движения никогда не может быть сведена к низшей. Даже для весьма простых молекул такие вопросы, как реакционная способность веществ, механизм и кинетика их превращений, не могут быть изучены только методами квантовой механики. Основой изучения химической формы движения материи являются химические методы исследования, и ведущая роль в развитии химии принадлежит теории химического строения.
метаболизм витамин энергия
При изучении метаболизма прослеживают все превращения вещества от той формы, в какой оно поступает в организм, до конечных продуктов, выводимых из организма. Методы.
- - Использование интактных животных или органов. Животному вводят изучаемое соединение, а затем в его моче и экскрементах определяют возможные продукты превращений (метаболиты) этого вещества. Более определенную информацию можно получить, исследуя метаболизм определенного органа, например печени или мозга. В этих случаях вещество вводят в соответствующий кровеносный сосуд, а метаболиты определяют в крови, оттекающей от данного органа.
- - Использование клеток. Даже клетки представляют собой очень сложно организованные системы. В них имеется ядро, а в окружающей его цитоплазме находятся более мелкие тельца, т.н. органеллы, различных размеров и консистенции. С помощью соответствующей методики ткань можно «гомогенизировать», а затем подвергнуть дифференциальному центрифугированию (разделению) и получить препараты, содержащие только митохондрии, только микросомы или прозрачную жидкость - цитоплазму. Эти препараты можно по отдельности инкубировать с тем соединением, метаболизм которого изучается, и таким путем установить, какие именно субклеточные структуры участвуют в его последовательных превращениях.
- - Использование радиоактивных изотопов. Для изучения метаболизма какого-либо вещества необходимы: 1) соответствующие аналитические методы для определения этого вещества и его метаболитов; 2) методы, позволяющие отличать добавленное вещество от того же вещества, уже присутствующего в данном биологическом препарате. Эти требования служили главным препятствием при изучении метаболизма до тех пор, пока не были открыты радиоактивные изотопы элементов и в первую очередь радиоактивный углерод 14 C. С появлением соединений, «меченных» 14 C, а также приборов для измерения слабой радиоактивности эти трудности были преодолены. Если к биологическому препарату, например к суспензии митохондрий, добавляют меченную 14 C жирную кислоту, то никаких специальных анализов для определения продуктов ее превращений не требуется; чтобы оценить скорость ее использования, достаточно просто измерять радиоактивность последовательно получаемых митохондриальных фракций. Эта же методика позволяет легко отличать молекулы радиоактивной жирной кислоты, введенной экспериментатором, от молекул жирной кислоты, уже присутствовавших в митохондриях к началу эксперимента.
- - Хроматография и электрофорез. Также необходимы методы, позволяющие разделять смеси, состоящие из малых количеств органических веществ. Важнейший из них - хроматография. В ее основе лежит феномен адсорбции. Разделение компонентов смеси проводят при этом либо на бумаге, либо путем адсорбции на сорбенте, которым заполняют колонки (длинные стеклянные трубки), с последующей постепенной элюцией (вымыванием) каждого из компонентов.
- - Изотопные методы.
- 1. Радиоактивный йод. Его используют для оценки функции щитовидной железы, визуализации узлов и опухолей в щитовидной железе, визуализации метастазов рака щитовидной железы. Кроме того, радиоактивный йод применяют для лечения тиреотоксикоза и рака щитовидной железы.
- 2. 99m Tc-пертехнетат ( 99m TcO 4 -) захватывается щитовидной железой, но не включается в состав тиреоглобулина. Поэтому с помощью 99m Tc-пертехнетата удается получить хорошее изображение щитовидной железы даже у больных, получающих тиреоидные гормоны. Поскольку 99m Tc-пертехнетат не является субстратом синтеза тиреоидных гормонов, сцинтиграммы, полученные с применением этого изотопа и с 131 I-холестерин (6-бета-метил-[ 131 I]-норхолестерин) используют для выявления гиперплазии и опухолей коры надпочечников при синдроме Кушинга и первичном гиперальдостеронизме. Для выявления альдостером сцинтиграфию с 131 I-холестерином сочетают с супрессией гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковой системы дексаметазоном. Усиленное накопление изотопа в одном надпочечнике на фоне супрессии указывает на альдостерому, тогда как симметричное накопление изотопа свидетельствует скорее о двусторонней гиперплазии коры надпочечников.
- 3. Мета- 131 I-бензилгуанидин или мета- 123 I-бензилгуанидин применяют для визуализации надпочечниковых и вненадпочечниковых феохромоцитом, опухолей, происходящих из нервного гребня (параганглиом), карциноидов и медуллярного рака щитовидной железы и его метастазов.
- 4. Другие виды сцинтиграфии. Сцинтиграфию костей с успехом применяют при болезни Педжета для локализации поражений и оценки тяжести заболевания.