ЭПР - метод анализа. Сущность, применение

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Омский государственный аграрный университет имени П.А. Столыпина»

Кафедра агрохимии и почвоведения

Факультет агрохимии, почвоведения, экологии, природообустройства и Водопользования

ОП по направлению 35.03.03 Агрохимия и агропочвоведение

Реферат

по дисциплине «Химия»

ЭПР - метод анализа. Сущность, применение

Выполнил:

студентка 101 группы

Трифонова А.А.

Проверил:

канд. биол. наук, доцент

Ловинецкая С.Б.

Омск - 2020 г.

Оглавление

Введение

1. Основные положения, сущность, принцип работы ЭПР

2. Применение и значение метода ЭПР

2.1 Применение ЭПР

2.1.1 Применение метода ЭПР в агрохимических исследованиях

2.2 Значение метода ЭПР

Заключение

Список литературы

Введение

энергия парамагнитный химический электрон

К концу Великой Отечественной Войны в Казанском университете физик-экспериментатор Е.К Завойский в исследовании парамагнитных явлений на высоких частотах в перпендикулярных постоянных и переменных магнитных полях обнаружил интенсивное поглощение высокочастотной энергии парамагнитных солей в рамках строгой напряженности магнитного поля к частоте волны. Данное физическое явление стало научным открытием, известное под названием Электронного Парамагнитного Резонанса (ЭПР).

Первоначально метод ЭПР широко применялся в области физики для решения частных задач. К концу 1950-х данный метод найден в исследованиях асимметрических решеток ионов кристаллов в электронных структурах. В связи с важностью выяснения структуры и химических свойств участвующих в сложных химических реакциях частиц ЭПР как метод был массово использован в ряде химических задач уже в начале 1960-х. Это связано, прежде всего, с осознанием учеными присутствия во множестве гетерогенных и органических катализаторах, а также ферментах, парамагнитных ионов металлов переходных групп, являющимися активными центрами множества минеральных и органических процессов; К тому же, исследование огромного числа сложных фотохимических, радиационно-химических и биохимических процессов в газовой и жидкой фазах привело к представлению о большой распространенности в химии свободно-радикальных и цепных механизмов. Результаты исследований преимущественно быстрых процессов, а именно установление концентрации вещества и строение свободных радикалов в них, основывалось лишь на косвенных данных. Данный метод способствовал решению обеих задач, имея общее название: роль неспаренных электронов в ряде химических процессов на новом экспериментальном уровне.

Целью данного реферата служит систематизация полученных знаний Электронного Парамагнитного Резонанса как метода анализа.

Задачами реферата являются:

1. Подача определения, сущности работы метода (каким явлением осуществляется, при каких условиях проходит данный метод, какими характеристиками обладает).

2. Применение ЭПР в исследовательской сфере и его значение.

1. Основные положения, сущность, принцип работы ЭПР

ЭПР (Электронный Парамагнитный Резонанс) - это спектроскопический метод регистрации частиц, содержащих неспаренные электроны. Метод ЭПР основан на известном эффекте Зеемана, заключающемся в введении парамагнитной частицы, характеризующейся квантовым числом S, в постоянное магнитное поле, где ее основной энергетический уровень расщепится на 2S + 1 подуровней, отделенными друг от друга интервалами энергии ДE, равными

ДE = вHgE

где в - магнетон Бора (= , H -напряженность внешнего магнитного поля, g ("g-фактор") - фактор спектроскопического расщепления, определяющее положение линии резонансного поглощения в спектре ЭПР. Для свободного электрона, т.е. для электрона, не обладающего орбитальным движением, g-фактор = 2,002319.

Рассмотрим наиболее простой и распространенный случай, когда парамагнитный центр представлен одним неспаренным электроном. В магнитном поле H магнитный момент электрона ориентируется либо по полю, либо против поля. Другими словами, возникнут два Зеемановских уровня с магнитными квантовыми числами S = и с расщеплением вHg между ними.

Рис. 1. Расщепление энергетических уровней в магнитном поле

[Источник: https://mipt.ru/dmcp/student/files/fizmetody/practicum/pdf_vers/lab07.pdf]

Если на электрон, помещенный в постоянное магнитное поле воздействовать электромагнитным излучением СВЧ (сверхвысокочастотного) диапазона с магнитным полем, перпендикулярной плоскости постоянного поля, то между двумя уровнями вызываются резонансные переходы, при которых электрон меняет свой спин (рис. 1). Если количество электронов нижнего уровня больше, то происходит поглощение энергии нижнем уровнем.

Отношение заселенностей уровня к уровню , связанных общим переходом при воздействии магнитного поля по закону Больцмана, равны:

Условием появления резонансного поглощения является совпадение энергии магнитного излучения В постоянной частоты излучения и разности энергетических уровней, имеющих общий переход.

Основной задачей опыта при наблюдении явления ЭПР является точная регистрация поглощаемой электромагнитной энергии.

Основными параметрами спектра ЭПР являются:

Интенсивность спектра парамагнитного центра I₀; (рис. 2)

Форма (Гауссова и Лоренцева) и ширина резонансной линии ДВ_max (рис. 2);

g-фактор;

Константы тонкой и сверхтонкой структуры (возникают вследствие

взаимодействия магнитного момента неспаренного электрона с магнитными моментами ядер, которые охватываются орбиталью электрона) (рис. 3) [Источник: https://labrador-expert.ru/epr/]

Рис. 2. Линия ЭПР поглощения и ее первая производная: 1 - гауссова форма; 2 - лоренцева форма. [Источник: https://researchpark.spbu.ru/itkn-metods-rus-2/1123-cmr-epr-rus]

Рис. 3. Сверхтонкая структура спектра ЭПР. [Источник: https://kpfu.ru/docs/F17342246/16_petuhov_epr.pdf]

2. Применение и значение метода ЭПР

2.1 Применение ЭПР

Метод ЭПР является одним из довольно широко применяемых методов структурных и кинетических исследований в естественно-научных (биохимических и геологических) и точных науках, но с физической точки зрения метод применим только к образцам с системами, обладающими одним или несколькими неспаренными электронами. Это:

Атомы или молекулы с нечетным числом электронов (например атомы H, O, NO и др.);

Свободные радикалы в газовой, жидкой и твердой фазах;

Ионы с не полностью незаполненными электронными оболочками (например, ионы переходных элементов);

Мельчайшие нарушения структурной решетки и наличие атомных примесей в твердых веществах;

Системы, находящиеся в состоянии с 2-мя неспаренными однонаправленными электронами (триплет);

Радиационные дефекты в кристаллах полупроводников и диэлектриков;

Центры окраски (например, F-центры в щелочно-галоидных кристаллах);

Вырождение энергии - в квантовой механике означает, что величина энергии имеет одинаковое значение для различных состояний. [Источник: https://kpfu.ru/docs/F17342246/16_petuhov_epr.pdf]

Широкое применение метода ЭПР обуславливается рядом качеств:

1. Масса образца исследования варьируется от нескольких микрограмм до 500 миллиграмм, при этом во время исследования образец не разрушается и готов для дальнейшего использования. (Условием проведения ЭПР является отсутствие у образца электропроводимости.)

2. Метод проводится без вмешательства посторонних химических веществ, отличается быстротой проведения анализа и его точностью. [Источник: https://researchpark.spbu.ru/itkn-metods-rus-2/1123-cmr-epr-rus]

2.1.1 Применение метода ЭПР в агрохимических исследованиях

ЭПР нашел применение в агрохимических исследованиях почвенных образцов в методе «спиновой метки» и последующей регистрации их совместно сигнала ЭПР за счёт универсальности обнаружения им неспаренных электронов в молекуле. Особенность молекулы спиновой метки в данном методе состоит в том, что она включает некоторую функциональную группу, которая может активно взаимодействовать с почвенными компонентами, определяя пространственную локализацию меченой молекулы в сложной почвенной системе и играющую роль звена, по которому осуществляется ковалентная связь меченой молекулы с почвенным компонентом. Таким образом, метод ЭПР позволяет проследить динамику взаимодействия меченой молекулы с компонентами среды, позволяет выявить характер текущего процесса и обосновать роль использованных образцов в практике сельского хозяйства. [Источник https://www.elibrary.ru/item.asp?id=36420860].

2.2 Значение метода ЭПР

На основании физического явления поведения электрона и дальнейшего отображения на спектре структурных линий метод ЭПР позволяет выявить полную характеристику, как самого электрона парамагнитного центра, так и характеристику кристаллической решетки, ее аморфных и точечных включений, а также взаимодействие внутренних компонентов на атомно-молекулярном уровне. Даётся полная информация об ионе: координация; симметрия; валентность иона и гибридизация электронов; расположение и характеристика химических связей; качественное и количественное расположение в решетке, следовательно, метод позволяет определить концентрацию парамагнитных центров в областях кристалла с разной структурой. Характеристика иона, в свою очередь, способствует определению характеристик самого кристалла: её электронной плотности, кристаллического поля и, в итоге, общей диагностике материала (образца). [Источник: https://ru.wikipedia.org/wiki/Электронный_парамагнитный_резонанс]

Заключение

Из приведённых выше знаний об изучаемом методе можно сделать следующие выводы: метод ЭПР обладает возможностями для обнаружения и исследования строения парамагнитных частиц из ряда свободных радикалов и активных комплексов, а также для установления электронного строения парамагнитных ионов в соединениях различной структуры и формы. При этом, в отличие от всех других методов исследования, ЭПР позволяет не только обнаружить, измерить концентрации, идентифицировать свободные радикалы и их устройство, но и дает возможность решить ранее не доступные прямому эксперименту вопросы, такие как вопрос о степени и характере расположения неспаренного электрона в парамагнитной частице, о силе его взаимодействия с различными ядрами в молекуле и с другими неспаренными электронами в системе.

Список литературы

1. Электронный парамагнитный резонанс в биологии. - В кн. Лабораторная Работа №7/Московский физико-технический институт, М. [2005], с. 2-3 [Электронный ресурс] URL: https://mipt.ru/dmcp/student/files/fizmetody/practicum/pdf_vers/lab07.pdf.

2. Петухов В.Ю., Хабибуллина Н.Р. - Исследование тонких пленок методом ЭПР // Учебно-методическое пособие для студентов физического факультета. - Казань, 2009.- с. 4,5,7. [Электронный ресурс] URL: https://kpfu.ru/docs/F17342246/16_petuhov_epr.pdf.

3.Основы ЭПР-метода/ Статья // [Электронный ресурс] URL: https://labrador-expert.ru/epr/.

4. Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) // Санкт-Петербургский государственный университет// Статья /[Электронный ресурс] URL: https://researchpark.spbu.ru/itkn-metods-rus-2/1123-cmr-epr-rus.

5. Александровна О.Н. - Метод ЭПР-спектроскопии с использованием спиновых меток в исследовании взаимодействия органических ксенобиотиков с почвой//Глава в кн. Новые методы и результаты исследований ландшафтов в Европе, центральной Азии и Сибири//Уральский Федеральный Университет. - Екатеринбург, 2018 г.- с 190-194. [Электронный ресурс] URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=36420860.

Акт проверки на наличие заимствований

В соответствии с «Регламентом проведения проверки письменных работ обучающихся ФГБОУ ВО Омский ГАУ на наличие заимствований в системе «Антиплагиат» была проведена проверка текста КР

Реферат подготовлен по итогам обучения по дисциплине 35.03.03 -Химия на Кафедре Агрохимии и агропочведения в 2020 году.

В соответствии с проведенным анализом объем оригинальности текста в ВКР/проекте/работе составляет 76,56%.

Заключение:

Распечатка результатов проверки в виде отчета прилагается.

Согласовано:

Научный руководитель С.Б. Ловинецкая

Подпись ___________

С результатами проверки ознакомлен:

Трифонова Алена Александровна

Подпись обучающегося __________

Размещено на Allbest.ru