Лабораторные работы по "Неорганической химии"

Задание:

 

1. Центр гигиены и эпидемиологии во владимирской области

 

2. Дать характеристику метода ядерного магнитного резонанса

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

1. Введение
2. Характеристика метода ядерного магнитного резонанса

            А) Классическое описание условий магнитного резонанса

            Б) Спектрометры ЯМР

3. Описание предприятия
4. Список литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

 

Метод ЯМР, хотя он и называется методом ядерного магнитного резонанса, не имеет никакого отношения к ядерной физике, которая, как известно, изучает процессы превращения ядер, т.е. радиоактивные процессы. При этом магнитная энергия (а явление ЯМР имеет место при помещении исследуемого образца в постоянное магнитное поле) не влияет на термодинамические свойства вещества, т.к. она во много раз (а точнее - на несколько порядков) меньше тепловой энергии, характерной для происходящих в обычных условиях процессов, в том числе и биологических. Основные достоинства метода ЯМР.  
Высокая разрешающая способность - на десять порядков больше, чем у оптической спектроскопии. Возможность вести количественный учет (подсчет) резонирующих ядер. Это открывает возможности для количественного анализа вещества.  
Спектры ЯМР зависят от характера процессов, протекающих в исследуемом веществе. Поэтому эти процессы можно изучать указанным методом. Причем доступной оказывается временная шкала в очень широких пределах - от многих часов до малых долей секунды. Современная радиоэлектронная аппаратура и ЭВМ позволяют получать параметры, характеризующие явление, в удобной для исследователей и потребителей метода ЯМР форме. Данное обстоятельство особенно важно, когда речь идет о практическом использовании экспериментальных данных.

 Главным преимуществом ЯМР, по сравнении с другими видами спектроскопии является возможность преобразования и видоизменения ядерного спинового гамильтониана по воле экспериментатора практически без каких-либо ограничений и подгонки его под специальные требования решаемой задачи. Из-за большой сложности картины не полностью разрешенных линий многие инфракрасные и ультрафиолетовые спектры невозможно расшифровать. Однако в ЯМР преобразование гамильтониана таким образом, чтобы можно было подробно проанализировать спектр, во многих случаях позволяет упростить сложные спектры.  
То, с какой легкостью удается преобразовать ядерный спиновый гамильтониан, обусловлено определенными причинами. Благодаря тому, что ядерные взаимодействия являются слабыми, можно ввести сильные возмущения, достаточные для того, чтобы подавить нежелательные взаимодействия. В оптической спектроскопии соответствующие взаимодействия обладают значительно большей энергией и подобные преобразования фактически невозможны.  
Модификация спинового гамильтониана играет существенную роль во многих приложениях одномерной ЯМР - спектроскопии. В настоящее время широкое распространение получило упрощение спектров или повышение их информативности с помощью спиновой развязки, когерентного усреднения многоимпульсными последовательностями, вращения образцов или частичной ориентации в жидкокристаллических растворителях. Говоря о достоинствах приборов ЯМР, необходимо исходить из реальных возможностей в приобретении и эксплуатации ЯМР-спектрометров. В этой связи необходимо отметить следующее. Операторские обязанности при работе на этих спектрометрах может выполнять любой человек. Но само обслуживание и ремонт требуют высокой квалификации. Проведение экспериментов по ЯМР сводится к следующему. Исследуемый образец помещают в постоянное магнитное поле, которое создается постоянным магнитом или, чаще всего, электромагнитом.  
При этом на образец подается радиочастотное излучение, обычно метрового диапазона. Резонанс детектируется соответствующими радиоэлектронными устройствами, обрабатывается ими и выдается в виде спектрограммы, которая может быть выедена на осциллограф или самописец, в виде ряда цифр и таблиц, получаемых с помощью печатающего устройства. Выходной резонансный сигнал может быть также введен в тот или иной технологический процесс для управления этим процессом или циклом. Обычно, если речь идет об исследовании в стационарных условиях моно мерных соединений на ядрах водорода с молекулярной массой несколько сотен единиц (а таких веществ при исследовании большинство), масса исследуемого образца должна быть от нескольких миллиграммов до ста миллиграммов. Образец обычно растворяют в том или ином растворителе, причем объем раствора 0.7(1 мм3 . При детектировании сигналов ЯМР от других (помимо Н1) ядер масса образца может достигать двух граммов. Если исследуемое вещество - жидкость, то, естественно, готовить раствор в этом случае не обязательно - все зависит от целей эксперимента. С помощью спектрометров работающих в импульсном режиме можно детектировать сигналы ЯМР от любого сколь угодно малого количества вещества. Конечно, в этом случае требуется просто больше времени, чтобы получить достаточно надежные экспериментальные результаты.  
Многие вещества, как известно, не растворяются или растворяются ограниченно. В этом случае сигнал ЯМР можно зарегистрировать от твердой фазы. Требуемая навеска исследуемого образца- до трех граммов. Уместно здесь отметить, что в процессе эксперимента образец не разрушается и может быть использован впоследствии для других целей. Высокая специфичность и оперативность метода ЯМР, отсутствие химического воздействия на образец, возможность непрерывного измерения параметров открывают многообразные пути его применения в промышленности. Внедрению метода ЯМР препятствовали :сложность аппаратуры и ее эксплуатации, высокая стоимость спектрометров, исследовательский характер самого метода.

 

 

Классическое  описание условий магнитного резонанса

 

Вращающийся заряд q можно  рассматривать как кольцевой ток, поэтому он ведет себя как магнитный диполь, величина момента равна: (=iS, (2.1) где i-сила эквивалентного тока; S - площадь, охватываемая кольцевым током. В соответствии с понятием силы тока имеем: i=qn, где n=v/2 (r-число оборотов заряда q в секунду; v-линейная скорость; r-радиус окружности, по которой движется заряд. Если перейти к электромагнитным единицам (т.е. разделить заряд на с) и учесть, что S=(r2, то выражение (2.1) можно переписать в следующем виде: (=qvr/2c. (2.2) Вращающаяся частица с массой М обладает угловым моментом (или моментом импульса)L, представляющим собой вектор, направленный вдоль оси вращения и имеющий величину Mvr. Здесь L=[rp]=[rv], в данном случае r(v. И заряд, и масса участвуют в одном и том же вращении (вращательном движении), поэтому вектор магнитного момента коллинеарен вектору углового момента, с которым он связан соотношением равным (q/2Mc)L=(L, (2.3), где (=q/2Mc-гиромагнитное отношение, являющееся индивидуальной характеристикой частицы (ядра).  
Рассматриваемая здесь модель, естественно, не может объяснить ни наличие магнитного момента у нейтральной частицы (например, у нейтрона), ни отрицательных магнитных моментов некоторых ядер. Тем не менее, изучение классического движения магнитного диполя в магнитном поле позволяет получить дополнительные (по сравнению с квантово-механическим рассмотрением) сведения о природе магнитного резонансного поглощения, особенно при рассмотрении нестационарных явлений. Недостатки классической модели указывают на сложность структуры ядра: полный угловой момент ядра получается в результате сложения в различных комбинациях орбитальных и спиновых движений частиц, входящих в состав ядра. Это сложение аналогично связи спиновых и орбитальных моментов электронов в атомах и молекулах. Выражение 2.3 позволяет записать классическое уравнение движения магнитного момента в векторной форме следующим образом:d/dt=([], (2.4), где -напряженность внешнего магнитного поля.  
Если в отсутствии магнитного поля вращать вектор с угловой скоростью , то, в соответствии с законом Ньютона для вращательного движения, выражение для d/dt будет иметь вид:d/dt=[]. (2.5) Из сопоставления выражений 2.4 и 2.5 следует, что действие магнитного поля в точности эквивалентно вращению момента с угловой скоростью =( (2.6), т.е. ?=((, или (=((/2( (2.7), здесь ( [Гц] ,H [Э] (уместно вспомнить, что [ab]=-[ba]). Таким образом, в постоянном магнитном поле вектор магнитного момента будет прецессировать вокруг направления вектора с постоянной угловой скоростью -( независимо от направления вектора , т.е. от угла между осью вращения частицы и направлением поля. Угловой скоростью такой прецессии называют ларморовой частотой, а выражение 2.6 - формулой Лармора.  
Если перейти к системе координат, вращающейся равномерно с угловой скоростью -(, то при отсутствии других магнитных полей вектор магнитного момента в этой системе координат будет оставаться неизменным по величине и направлению. Другими словами, во вращающейся системе координат постоянное магнитное поле как будто отсутствует. Допустим теперь, что кроме поля введено другое, более слабое поле 1, постоянное по величине и равномерно вращающееся в плоскости, перпендикулярной направлению. Если скорость вращения поля 1 не равна частоте ларморовой прецессии, то это поле будет вращаться и в упомянутой выше вращающейся системе координат. Наличие поля приводит к появлению момента сил [1], который стремится повернуть ядерный момент в плоскость, перпендикулярную. Если направление 1 во вращающейся системе координат меняется, то направление соответствующего момента сил будет быстро меняться, и единственным результатом будут слабые периодические возмущения прецессии магнитного момента. Если, однако, само поле 1 вращается с ларморовой частотой, то во вращающейся системе координат оно будет вести себя подобно постоянному полю. Поэтому направление момента сил будет оставаться неизменным, что вызовет сильные колебания направления магнитного момента, т.е. большие изменения угла между и 0. При изменении угловой скорости вращения поля 1 колебания с наибольшей амплитудой возникают при совпадении этой скорости с ларморовой частотой. В этом случае говорят о явлении резонанса. Аналогичное явление резонанса должно наблюдаться, когда направление поля 1 фиксировано, а величина его меняется по синусоидальному закону с частотой, близкой к частоте ларморовой прецессии. Это происходит потому, что такое поле можно представить в виде суперпозиции двух равных полей, вращающихся с равными угловыми скоростями в противоположных направлениях. При этом поле, вращающееся в направлении, противоположном направлению ларморовой прецессии, не будет оказывать влияния на резонанс. На практике для создания магнитного поля, осциллирующего вдоль определенного направления, например, вдоль оси х, по катушке, ось которой перпендикулярна полю 0 и направлена вдоль оси х, пропускают переменный ток. Напряжение с частотой (, приложенное к катушке, создает поле, эквивалентное двум вращающимся в противоположных направлениях полям величиной (Н1cos(t+H1sin(t) и (H1cos (t - H1sin (t). Если (соответствует частоте резонанса, магнитный диполь поглощает энергию поля, создаваемого катушкой, вследствие чего вектор магнитного момента отклоняется в направлении к плоскости ху и во второй (приемной) катушке, расположенной вдоль оси у, наводится э.д.с. Т.о., рассмотренная здесь классическая модель резонанса, объясняя суть явления, указывает и на экспериментальное его проявление, состоящее в непрерывном поглощении электромагнитной энергии поля Н1.

 

Спектрометры  ЯМР

 

Спектрометр ЯМР должен содержать следующие основные элементы:

1) магнит, создающий поляризующее  ядерную спин - систему магнитное поле 0;

2) передатчик, создающий  зондирующее поле 1;

3) датчик, в котором  под воздействием 0 и 1 в образце  возникает сигнал ЯМР; 

4) приемник, усиливающий  этот сигнал;

5) систему регистрации  (самописец, магнитная запись, осциллоскоп  и т.д.);

6) устройства обработки  информации (интегратор, многоканальный  накопитель спектров);

7) систему стабилизации  резонансных условий; 

8) систему термостатирования  образца; 

9) передатчик, создающий  поле 2 для двойных резонансов;

10) систему программирования регистрации ЯМР: для спин - спектрометра - развертку поля 0 или частоты (0 в заданном интервале с необходимой скоростью, требуемой числом реализаций спектра; для импульсных спектрометров - выбор числа, амплитуды и длительностей зондирующих импульсов, времени отслеживания каждой точки и числа точек интерферрограммы, времени повторения интерферрограммы, числа циклов накопления интерферрограммы;

11) системы коррекции  магнитного поля. Это схематическое  перечисление показывает, что современный  ЯМР-спектрометр - сложная измерительная система.  
По назначению ЯМР - спектрометры делят на приборы высокого и низкого разрешения. Граница здесь условная, и все чаще характеристики ЯМР - спектрометров высокого и низкого разрешения объединяют в одном универсальном приборе. Типичный прибор низкого разрешения должен иметь магнит, обеспечивающий относительное разрешение порядка 10-6 ч-1, возможность регистрации ЯМР многих магнитных ядер в широком интервале температур, сопряжение с системой обработки данных, гониометр для кристаллофизических измерений. Для обеспечения высокой чувствительности применяется модуляционный метод наблюдения сигнала: поле 0 (частота (0) модулируется по синусоидальному закону; частота (m и амплитуда Аm выбираются из соображений оптимизации чувствительности и вносимых такой модуляцией искажений сигнала. Поскольку в кристаллах время спин- решеточной релаксации Т1 может достигать нескольких часов, спектрометр низкого разрешения должен обеспечивать регистрацию ЯМР при исключительно малых уровнях радиочастотного поля 1, чтобы избежать насыщения сигнала. Чувствительность модуляционного метода зависит от отношения Аm/(, причем это отношение для слабых сигналов приходится выбирать сравнимым с единицей. Но тогда возникает сильное модуляционное уширение, которое необходимо учитывать при обработке сигналов. Трудности еще более возрастают, если линия ЯМР имеет широкую и узкую компоненты - при однократной записи невозможно правильно передать отношение интенсивностей этих компонент. В последнее время приобретают все большую популярность импульсные методы регистрации широких линий ЯМР в твердых телах, однако здесь возникают свои трудности. Чтобы одинаковым образом возбудить все переходы в спиновой системе, необходимо применять очень короткие импульсы длительностью tи(1 мкс; это требует мощных источников радиочастотных колебаний. Кроме того, временный отклик спиновой системы для широких линий (Т2~10 мкс) затухает очень быстро; чтобы за несколько микросекунд произвести достаточное число отсчетов, необходим аналого-цифровой преобразователь с быстродействием порядка 0,1 мкс канал.  
Большие трудности возникают из-за звона контура в датчике и перегрузки приемника после мощного импульса. Преимуществом импульсной техники является то, что в одном эксперименте могут быть определены все параметры ядерного магнетизма в образце - моменты, форма линии и времена релаксации. По теореме Фурье, большие частоты соответствуют малым временам. Поэтому создаются импульсные методы для анализа явлений, происходящих через ничтожно малое время после окончания импульса. Они повышают точность определения высших моментов линии ЯМР вплоть до n=14. Для реализации импульсного сужения (высокого разрешения в твердом теле) число импульсных каналов передатчика должно быть не меньше четырех. Мощные импульсы формируются в режиме усиления колебаний, создаваемых точным задающим генератором. Длительность его работы должна быть достаточно велика для реализации требуемой точности настройки частоты и фазы радиочастотного заполнения импульсов. Кроме того, когерентность спектрометра обеспечивает возможность синхронного детектирования по высокой частоте для повышения чувствительности.  
Спектрометры высокого разрешения по способу нахождения условий резонанса разделяются на стационарные и импульсные спектрометры. В стационарных спектрометрах резонанс находится изменением (разверткой) одного из параметров (( или 0) при фиксировании другого. В импульсных спектрометрах при постоянном внешнем поле 0 образец облучают коротким высокочастотным импульсом длительностью ( с частотой (, т.е. спектром частот, основная мощность которого находится в полосе ((1((. В этой полосе возбуждаются все соответствующие переходы ЯМР, дающие отклик-сигнал спада свободной индукции. Фурье- преобразование этого сигнала дает обычный спектр ЯМР.  
Достаточно быстрое вращение образца позволяет эффективно избавиться от влияния градиентов магнитного поля 0. Данное обстоятельство в связи с непрерывным ростом используемых значений 0 ведет к тому, что достигаемое относительное разрешение, измеряемое как отношение (Н/0, где (Н - наблюдаемая неоднородность магнитного поля, находится в интервале 10-9 - 10-10. Линии, измеряющиеся десятыми и сотыми долями герца, ширина которых определяется длительностью времени релаксации в жидкости (10 - 20 с), приводят к существенной трудности. Следовательно, на однократную реализацию спектра может потребоваться несколько часов. Это предъявляет очень высокие требования к системе стабилизации резонансных условий, которая обычно осуществляется с помощью ЯМР (по дополнительному образцу - внешняя стабилизация либо по одной из линий исследуемого образца - внутренняя стабилизация). Наиболее удачные результаты получаются при сочетании внутренней и внешней стабилизации.

 

 

 

 

 

 

Описание предприятия

 

Название: Центр гигиены и эпидемиологии

 

Основные задачи:

 

1. осуществление государственного надзора и контроля за исполнением требований законодательства Российской Федерации в области обеспечения санитарно-эпидемиологического благополучия населения и в сфере защиты прав потребителей;
2. предупреждение вредного воздействия на человека факторов среды обитания;
3. профилактика инфекционных и массовых неинфекционных заболеваний (отравлений) населения.

 

Основные функции:

 

1. осуществляет государственный надзор и контроль за исполнением обязательных требований законодательства Российской Федерации в области обеспечения санитарно-эпидемиологического благополучия населения и защиты прав потребителей
2. на основании результатов санитарно-эпидемиологических экспертиз, расследований, обследований, исследований, испытаний и токсикологических, гигиенических и иных видов оценок выдает санитарно-эпидемиологические заключения
3. организует и проводит социально-гигиенический мониторинг 
4. организует и проводит мероприятия по санитарной охране территории Владимирской области от заноса и распространения инфекционных заболеваний, представляющих опасность для населения, а также от ввоза на территорию Российской Федерации и реализации на территории Российской Федерации товаров, химических, биологических и радиоактивных веществ, отходов и иных грузов, представляющих опасность для человека;
5. Производится контроль за продажей пищевой продукции, экспертиза и анализ водоемов, почв, проверка на радиоактивность, проверка жилых зданий. Осуществляет иные функции

 

Используемые оборудование: γ-спектрометр, α-спектрометр, β-спектрометр, хроматограф. В центре используется современное аналитическое оборудование на сумму 450 тыс. руб.

 

 

 

Чем занимаются: экспертиза документации, питания, окружающей среды. Выполняют заказы от частных лиц, занимаются перевозкой опасных грузов, работают вместе с МЧС России.

Входят: отделы с лабораториями (гигиены и питания, труда). Ведется  работа с подростками (экспертиза школ, колледжей, вузов)

 

 

 

Список литературы

 

1. В.П. Васильев, Аналитическая химия ( часть 2), 1989 г.
2. Ю.А.Золотова, Основы аналитической химии, 2000
3. Сеть интернет