Семинар 2. Физико-химические методы анализа. Атомная спектроскопия. Масс-спектрометрия. Ямр и эпр.

Эти методы называют также инструментальными. Они позволяют определить состав исследуемых образцов, а также определить структуру веществ, не прибегая к химическим реакциям. Важнейшими преимуществами этих методов являются быстрота, высокая чувствительность, избирательность, возможность непрерывного контроля и автоматизации измерений. Эти преимущества в полной мере реализуются при решении проблем экологии, мониторинга окружающей среды.

Ни один из методов не является универсальным, поэтому для правильного выбора метода необходимо знать возможности методов, а также учитывать характер исследуемого объекта, наличие примесей, требуемую точность и избирательность. Во многих случаях необходимо предварительное концентрирование вещества в образцах.

2.1. Обзор спектроскопических методов

К спектроскопическим методам анализа относят физические методы, основанные на взаимодействии электромагнитного излучения (ЭМИ) с веществом. Воздействие ЭМИ на вещество приводит к переходам частиц между различными энергетическими уровнями. ЭМИ обладает двоякой природой - волновой и корпускулярной, и явления отражения и рассеяния удобно описывать в рамках волновой теории, а поглощение - корпускулярной. Волны характеризуются частотой  (в Гц) или длиной волны в см), которые связаны между собой соотношением:

. =c/,

где с - скорость света (равная 3 10⁸ м/с). Часто используют величину 1/называемую волновым числом Можно также характеризовать волны энергией испускаемого или поглощаемого кванта Е= h измеряемой в Дж или эВ.

ЭМИ может воздействовать на ядра, электроны или целые молекулы, вызывая переходы между соответствующими энергетическими уровнями. В таблице дан обзор диапазонов частот ЭМИ, соответствующих различным методам анализа.

Диапазон	м	 (Гц)	(см^-1)	Энергия квантов (eV)	Процесс
Радиочастотный (ЯМР, ЭПР)	10^1- 10^-1	^^	^	10^-4-10^-6	Переходы ядерных или электронных спинов в постоянном магнитном поле
Микроволновой	10^-1-10^-3	10^10	1	10^-4	Изменение вращательных состояний молекулы
Оптический ИК ближний средний дальний	1000 10^4 10^5	3 10^14 3 10^13 3 10^12	10^4 10^3 10^2	1.3 0.13 0.013	Изменение колебательных состояний молекулы
Оптический видимый	(4-7) 10^-7	^	^	2.6	Переходы валентных электронов
Оптический УФ	10^-8	^	^	13	Переходы валентных электронов
Рентгеновский	10^-8 - 10^-10	3 10^18	10^8	10^4	Переходы внутренних электронов
Гамма-излучение	10^-10 - 10^-13	3 10^20	10^10	1.3 10^6	Ядерные реакции

Под спектром подразумевается функция распределения фотонов по энергиям, то-есть зависимость числа квантов, обладающих энергией ЕdE, от энергии Е. Графически электромагнитный спектр изображается в виде кривой, на оси абсцисс отложена величина, характеризующая энергию квантов, на оси ординат - интенсивность излучения или оптическая плотность.

Физико-химические методы анализа используют в основном оптический и радиочастотный диапазоны ЭМИ. Рассмотрим основные спектроскопические методы, применяемые для анализа.