Урок "Фізичні методи дослідження речовин (ЯМР, ІЧ-, УФ-спектроскопія)

10 клас

Тема. Фізичні методи аналізу речовин (ЯМР, ІЧ-, УФ-спектроскопія).

Мета уроку:

• сформувати уявлення в учнів про фізичні методи аналізу речовин на прикладі ЯМР, ІЧ-, УФ-спектроскопії, розкрити сутність спектроскопічних методів дослідження, показати взаємозв’язок між будовою речовини та явищами, що супроводжують поглинання речовиною електромагнітного випромінювання;
• розвивати увагу, вміння аналізувати й робити висновки, логічне й критичне мислення;
• виховувати в учнях засобами уроку впевненість у своїх силах, прагнення до самовдосконалення та саморозвитку, активну життєву позицію.

Тип уроку: комбінований.

Форми роботи: розповідь учителя, перегляд навчального відео за QR-кодом, виконання вправ.

Обладнання: зображення різноманітних спектрів, смартфони зі сканером QR- кодів, проектор, картки для рефлексії «фішбоун».

Базові поняття і терміни: ядерний магнітний резонанс, спектроскопія, спектр.

Хід уроку

І. Організація класу

Вітання учителя з класом, перевірка відсутніх, оголошення теми уроку.

ІІ. Мотивація навчальної діяльності

Дорогі друзі, ми живемо в часи, коли наука досягла небачених розмахів і можливостей! Пригадайте історії, що розповідають нам про титанічну роботу вчених стосовно відкриття хімічних елементів, біологічно-активних сполук, тощо. Знаменитий лауреат двох Нобелівських премій Марія Кюрі разом з асистентами переробила тони руди для відкриття Радію! Тепер ми оперуємо інструментами, які дозволяють нам використовувати дуже малі кількості речовини для аналізу, а інколи використання речовини взагалі не потрібне, і ми можемо доводити існування органічних молекул у відкритому космосі. Наприклад, яку масу даної сполуки вам необхідно мати для встановлення її структурної формули?

Даний алкалоїд кофеїн, що міститься у зернах кавового дерева (лат. Coffea) та листях чаю, для встановлення його структури, необхідний нам у кількості менше 2 мг. Сьогодні ми познайомимось з такими сучасними методами аналізу сполук і явищами, що лежать в їх основі.

ІІІ. Актуалізація опорних знань

• Перевірка домашнього завдання;
• Фронтальне опитування:

а) Які способи виявлення речовин вам відомі?

б) Що називають «якісним аналізом», «якісною реакцією»?

в) Які якісні реакції на неорганічні аніони/катіони ви знаєте?

г) Які якісні реакції на органічні сполуки вам відомі?

IV. Вивчення нового матеріалу

1. Спектроскопія ядерного магнітного резонансу (ЯМР)

Уявімо, що нам вдалось на короткий термін «вимкнути» магнітне поле Землі. Усі компаси вийдуть з ладу, а їх стрілки будуть орієнтовані у довільному напрямку. Якщо ми знову «увімкнемо» магнітне поле, то стрілки зорієнтуються на північ і займуть свій нижчий енергетичний стан. Для того щоб змусити стрілку показувати «південь», нам буде необхідно прикласти енергію, а коли її не буде, стрілка знову ж займе звичний для себе нижчий енергетичний стан і змінить положення. Деякі атомні ядра ведуть себе подібно стрілкам компаса. Якщо помістити їх у магнітне поле, то виникає різниця в енергетичних станах. Справа у тому, що енергетичні рівні наявні і в атомних ядрах, не лише у електронів. Тобто, ядра деяких хімічних елементів можуть знаходитись на нижчому та вищому енергетичних рівнях. Однак деякі ядра атомів взагалі не взаємодіють з магнітним полем (у них відсутній магнітний момент, спін), і тому не досліджуються методом ЯМР (наприклад, Карбон-12). Звідси ми робимо перший висновок: ЯМР-спектроскопія використовується для дослідження лише тих молекул, де наявні атоми з магнітним моментом ядер.

На основі цього виділяють такі найбільш поширені різновиди ЯМР-спектроскопії:

• Спектроскопія протонного магнітного резонансу (ПМР) або ЯМР ¹Н (найбільш поширена!);
• Спектроскопія на ядрах ¹³С, або ЯМР ¹³С;
• Спектроскопія на ядрах ¹⁹F, або ЯМР  ¹⁹F;
• Спектроскопія на ядрах ³¹Р, або ЯМР  ³¹Р;
• Спектри Н,Н-COSY (двовимірна спектроскопія).

Явище ядерного магнітного резонансу (ЯМР) полягає у поглинанні магнітними ядрами речовини, уміщеної у сильне зовнішнє магнітне поле, електромагнітного випромінювання у вигляді коротких радіочастотних імпульсів (тривалість 2-20 мкс).

Наскільки сильним є магнітне поле при ЯМР-аналізі? (напруженість магнітного поля Землі близько 2∙10 ^-5 Тл (тесла), а магніт, що використовується у спектрометрах ЯМР, створює магнітне поле напруженістю від 2 до 10 Тл, що у 10⁵ сильніше магнітного поля Землі)

Більш детально про явище ядерного магнітного резонансу, будову ЯМР-спектрографа, технологію зняття спектрів, та багато іншого, ви можете дізнатись, просканувавши даний QR-код та переглянувши відео.

Найчастіше застосовують спектроскопію на ядрах ¹Н у зв’язку з тим, що дані ядра є найбільш чутливими і є практично в усіх органічних молекулах. Процес зняття спектрів можна легко оптимізувати, а самі спектри досить просто обробляються багатьма поширеними програмами, такими як ADVASP, MESTREC, NUTS, тощо.

Серед основних параметрів ЯМР-спектроскопії є:

1. Хімічний зсув – різниця між положенням сигналів у спектрі й сигналом еталона, яким у спектроскопії ПМР виступає тетраметилсилан (ТМС) і має значення хімічного зсуву 0. Позначається хімічний зсув «δ». Може бути вираженим в одиницях частоти Герцах (Гц) або мільйонних долях (м.д.) (англомовна абревіатура – p.p.m., parts per million).
2. Константа спін-спінової взаємодії (КССВ) – відстань (в Гц) між компонентами, на які розщеплюється сигнал ЯМР під впливом розташованих поруч протонів. Позначається «J».
3. Інтегральна інтенсивність – площа піків, що характеризує кількість еквівалентних атомів Гідрогену в молекулі. (Чим вищим є пік, тим більше «однакових» атомів Гідрогену в молекулі досліджуваної речовини).

Кількість компонентів, на які розщеплюється сигнал у ЯМР спектрі розраховується за формулою:

N₁ = N₂ + 1

де N₁ – кількість компонентів сигналу на спектрі, N₂ – кількість протонів у сусідній групі. В залежності від кількості компонентів, сигнали у спектрі називають: синглет (1 компонент), дублет (2 компоненти), триплет (3 компоненти), квартет (4 компоненти), квінтет (5 компонентів), тощо. Однак, форму сигналу, що має 4 або більше компонентів прийнято називати мультиплетом.

Завдання: учні аналізують 2 ПМР спектри і називають форми сигналів, позначених цифрами.

Відповіді: 1- синглет (відповідає ТМС), 2 – триплет, 3 – синглет, 4 – квартет (мультиплет).

Відповіді: 1- триплет, 2 – квартет (мультиплет), 3 – синглет.

Явище ядерного магнітного резонансу використовується не лише у хімії та фізиці, а й знайшло застосування у медицині під назвою магнітно-резонансна томографія (Magnetic Resonance Imaging, MRI). Дещо інша назва у зв’язку з тим, що пацієнти можуть тривожитись через слово «ядерний».

2. Інфрачервона спектроскопія (ІЧ-спектроскопія)

Інфрачервона область електромагнітного випромінювання була відкрита у 1800 р. астрономом Гершелем, а у 1905 р. американський фізик Кобленц опублікував каталог багатьох ІЧ-спектрів органічних та неорганічних сполук.

Що ж відбувається з речовиною при дії інфрачервоного випромінювання? Уявімо пружинку, прикріплену одним кінцем до нерухомого предмета, наприклад, штатива. Закріпивши з іншого кільця невеликий вантаж, розтягнемо пружину і відпустимо її. Вантаж і сама пружина почнуть коливатись, поки не настане стан спокою. Дещо схожа ситуація відбувається із хімічними зв’язками у досліджуваній молекулі (ми розуміємо, що стан спокою є дуже відносним і є повним при температурі абсолютного нуля!) Ми фіксуємо коливання, які бувають валентними та деформаційними, у вигляді смуг на спектрі. Саме тому інфрачервона спектроскопія іноді називається коливальною.

При реєстрації ІЧ-спектрів зазвичай використовують характеристику частоти, що носить назву хвильове число (см^-1). Вимірювання ІЧ-спектрів зазвичай проводять у діапазоні 500-4000 см^-1. При розгортанні таких спектрів більш високі хвильові числа знаходяться у лівій частині шкали.

Інфрачервоні спектри – це спектри поглинання. Зразок опромінюють ІЧ-випромінюванням, частота якого вимірюється у певних діапазонах. При поглинанні зразком характерних довжин хвиль інтенсивність випромінювання, що падає на приймач, зменшується, що і реєструється у вигляді спектра. ІЧ-спектроскопія використовується для детектування у молекулі речовини функціональних груп, або інших груп атомів, а коливання великих частин молекули не відіграють ніякої ролі! Існують спеціальні таблиці, які дозволяють за даними хвильового числа шукати валентні та деформаційні коливання тих чи інших груп атомів.

(А тепер пропоную вашій увазі переглянути та порівняти приклади спектрів вторинного та первинного амінів. Зверніть увагу, що групи атомів і смуги, що їм відповідають, виділені зеленим кольором. Чим схожі і чим відмінні дані спектри?)

Окрім аналізу в хімії, інфрачервона спектроскопія знайшла застосування при дослідженні пам’яток культури, таких як статуї, пігменти у полотнах живописців, у криміналістиці, медицині.

3. Ультрафіолетова спектроскопія (УФ-спектроскопія)

Ультрафіолетова спектроскопія – різновид спектроскопії, що займається дослідженням речовин внаслідок їх взаємодії з ультрафіолетовим випромінюванням (від 400 до 10 нм). Ґрунтується на електронних переходах та їх детектуванням. УФ-спектр є графічною залежністю інтенсивності поглинання (пропускання чи оптичної густини) від довжини хвилі або частоти випромінювання:

 УФ-спектр фулерену С₆₀ у розчині толуену

Для дослідження необхідно всього лише 0,1 мг речовини! Даний вид спектроскопії, окрім традиційних лабораторних способів аналізу органічних та неорганічних сполук, використовується також у позаатмосферній астрофізиці при дослідженні туманностей, Сонця та інших зірок.

Прошу звернути вашу увагу на те, що зазвичай для точного і повного аналізу сполук використовується не один фізичний метод аналізу, а в комплексі.

V. Узагальнення і систематизація

а) Встановіть відповідність між видом спектроскопії та тими явищами, що вона відображає.

б) Які різновиди ЯМР-спектроскопії вам знайомі?

в) Для чого використовують різні види спектроскопії?

г) Скільки сигналів і якої форми ми матимемо у ПМР-спектрі метану CH₄? Відповідь поясніть. (один синглет, адже усі атоми Гідрогену еквівалентні)

д) Якої форми сигнали ми зможемо спостерігати у ПМР-спектрі пропанової кислоти СН₃СН₂СООН? (один синглет, один квартет, один триплет).

VI. Рефлексія

Учням пропонується виконати рефлексивну вправу «фішбоун» («риб’ячий кістяк»)

Школярам роздаються картки із зображенням кістяка риби. Голова риби – це тема або основна проблема, що розглядалася на уроці. Верхні кістки – основні поняття теми, причини виникнення тієї чи іншої проблеми. Нижні кісточки – сутність понять, тверджень, фактів які розкривають причину тієї чи іншої проблеми. Хвіст – висновки за темою.

VII. Домашнє завдання

А) Подумайте і скажіть які форми сигналів будуть наявні у ПМР-спектрі молекули етану С₂Н₆? Чим від даний спектр відрізнятиметься від спектру метану СН₄?

Б) Що відбувається з молекулами речовини при дії на них інфрачервоного та ультрафіолетового випромінювання? Які можливості дає ІЧ- та УФ-спектроскопія?

В) У чому відмінність між хімічними та фізичними методами аналізу сполук?

Г) Завдання для допитливих: знайдіть інформацію про мас-спектрометрію та її роль у дослідженні речовин.