Практическая работа.
Использование спектральных методов в качественном анализе.
Цель: на примере инфракрасной спектроскопии научиться определять органические вещества по ик-спектрам.
Проводить химический анализ можно с помощью качественных реакций, как вы это уже делали на практических работах и еще две работы сделаете. Более современными являются физико-химические методы химического анализа. Их используют и в качественном, и в количественном анализе. Мы будем подробно их рассматривать в конце изучения аналитической химии.
Одним из таких методов является оптический метод.
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Любое химическое вещество взаимодействует с излучением и дает отклик в виде спектра. Для оптических исследований применяют ультрафиолетовое (уф), инфракрасное (ик) излучения, видимый свет и другие виды излучений.
Для проведения спектральных (оптических) анализов используются приборы, которые называют спектрофотометры.
Посмотрите фотографии некоторых спектрофотометров и их описание.
Спектрофотометры
Спектрофотометр – прибор измерения зависимости коэффициента прохождения или отражения электромагнитного излучения оптического диапазона от длины волны.
Спектрофотометр определяется количеством источников (одно – или двухлучевой спектрофотометр) и типом монохроматора – устройством для разложения исходного светового потока от источника с широким спектром, включающим весь рабочий диапазон прибора, на монохроматические составляющие определенной, в пределах точности прибора, длины волны. Например, сканирующий спектрофотометр для разложения исходного сигнала в спектр использует одну или несколько дифракционных решеток.
|
|
По результатам измерений, которые дает спектрофотометр, можно производить количественный или качественный состав проб вещества, анализировать кинетику химических реакций, исследовать процессы при различных заданных температурах, вплоть до температуры жидкого гелия. В фармацевтике спектрофотометр – совершенно необходимый прибор для входного и выходного контроля качества сырья и готовых фармацевтических препаратов, для количественного и качественного анализа на подлинность и определения фальсификаций лекарственных средств. При мониторинге окружающей среды спектрофотометр незаменим при выявлении наличия даже минимальных примесей, а в пищевой промышленности спектрофотометр используют для определения крепости спиртных напитков и спиртового сырья, цветности и цвета вин и пива, раскрытия фальсифицированной водки, вина и табака.
Область использования прибора - спектрофотометр очень широка. Специальный спектрофотометр используются в полиграфии и лакокрасочной промышленности. Военные, например, используют спектрофотометр для определения заметности военной формы в темное время суток, а производители солнцезащитных очков – для измерения ультрафиолета, проходящего через очки.
На сегодняшний день лидером в области производства прибора спектрофотометр является компания Varian. Спектрофотометр марки Cary (торговая марка Varian) может выполнять практически все спектрофотометрические задачи - от рутинного анализа до уникальных специфических анализов.
Показано, как вещество помещают в прибор с помощью пипетки или шприца.
|
|
Спектрофотометр Cary-100 (Varian B.V.)
Двухлучевой спектрофотометр Cary-100 предназначен для работы с образцом сравнения в режиме реального времени.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Делаете рисунки и объяснения к ним и записываете задачу (она уже решена). Рисунки делайте точно и аккуратно.
1. Типичный ИК-спектр, такой, как спектр н-гексана CH3(CH2)4CH3 проявляется в виде серии полос поглощения различной формы и интенсивности. Почти все органические соединения обнаруживают пик или группу пиков близ 3000 см–1. Поглощение в этой области обусловлено валентными колебаниями С–Н. Поглощение в области 1460, 1380 и 725 см–1 обусловлено различными деформационными колебаниями С–Н-связей.
Рис. ИК-спектр н-гексана СН3(СН2)4СН3
2. Для иллюстрации влияния строения молекулы на ИК-спектр сравним спектры н-гексана и гексена-1. Они весьма отличаются один от другого.
Рис. ИК-спектр гексена-1 СН2=СН(CH2)3СН3
В районе валентных колебаний С–Н гексена-1 наблюдается пик при 3095 см–1, тогда как все колебания С–Н гексана проявляются ниже 3000 см–1. Пик поглощения выше 3000 см–1 обусловлен атомами водорода при sp2-гибридизованном атоме углерода. ИК-спектр гексена-1 содержит также полосу поглощения при 1640 см–1, связанную с валентными колебаниями кратной связи С=С. Пики около 1000 и 900 см–1 в спектре гексена-1, отсутствующие в спектре гексана, относятся к деформационным колебаниям атомов водорода при двойной связи С=С.
Кроме валентных колебаний sp2 С–Н-групп известны другие группировки, проявляющиеся при частотах выше 3000 см–1.
|
|
3. Наиболее важная из них это О–Н-группа спиртов. На рисунке представлен ИК-спектр гексанола-2.
Рис. ИК-спектр гексанола-2 СН3(CH2)3СН(ОН)СН3
Спектр содержит широкий сигнал при 3300 см–1, приписываемый валентным колебаниям О–Н-групп спиртов, связанных межмолекулярной водородной связью
4. Карбонильная группа принадлежит к наиболее легко различимым структурным фрагментам молекул, обнаруживаемым методом ИК-cпектроскопии. Валентные колебания двойной связи C=O проявляются интенсивным сигналом в интервале 1800–1650 см–1. Этот пик ярко выражен в спектре гексанона-2, приведенном на рисунке.
Рис. ИК-спектр гексанона-2 СН3(CH2)3С(О)СН3
5. Ароматическое кольцо проявляется в ИК-спектре умеренным пиком валентных колебаний С–Н в районе 3030см–1. Другая характерная особенность – валентные колебания ароматических углерод-углеродных связей наблюдаются обычно при 1600 и 1475 см–1. Наконец, ароматическое кольцо обнаруживает интенсивное поглощение в диапазоне 800–690 см–1, обусловленное деформационными колебаниями С–Н. Все эти особенности ароматического кольца наблюдаются в ИК-спектре толуола.
Рис. ИК-спектр толуола 
СН3
Пример решения задачи
Какому из приведенных ниже соединений принадлежит ИК-спектр, показанный на рисунке? Объясните ваш выбор.
Рис. ИК-спектр неизвестного соединения
Решение. В области 1800–1650 см–1 поглощение отсутствует, поэтому соединение не содержит С=О-группы. Из двух остающихся веществ – фенола и бензилового спирта – выбираем спирт, т. к. в спектре есть полоса С-Н =2950–2850 см–1 группы СН2 (углерод в состоянии sp2-гибридизации).