Органикалық қосылыстардың құрылысын анықтайтын қазіргі физика химиялық әдістер

Барлық аспаптардың өздеріне қажет міндеттерді орындау үшін ортақ тораптар болады: үлгіні енгізу жүйесі (жіберу жүйесі), иондық көз, бөлгіш құрылғы (масс-талдағыш), детектор (иондарды қабылдағыш), вакуумды сорғыш (вакуумды жүйе), басқару жүйесі және мәліметтерді өңдеу. 

Масс-спектрометрия ғылым мен техниканың әр түрлі салаларында кеңінен қолданылады: химия мен мұнай химиясында, биологияда, физикада, геологияда, медицинада, лак, бояу өнеркәсібінде, жартылай өткізгіштер өндірісінде, аса таза заттар үшін, ядролық техникада, ауыл шаруашылығында, мал дәрігерлігінде, тамақ өнеркәсібінде, жоғары молекулалық қосылыстарда, полимер өндірісінде және т.б. салада анализдеудің жедел орындалатын әдісі ретінде қолданылады. Әдістің негізгі принципі сезімтал ағын зерттеуші құрылғыларға негізделген. Қазіргі кезде масс-спектрлердің мынадай индекстері бар: изотопты құрамды зерттеу үшін – МИ, химиялық құрамды анықтап, зерттеу үшін – МХ, заттың кеңістіктегі изомерлік және құрылымдылығын анықтау үшін –МС. 
Органикалық қосылыстарды анализдеуде масс-спектрометрия молекулалық және атомдық массаны дәл өлшеуге, зерттелетін заттың элементтік құрамын есептеуге, химиялық және кеңістіктегі құрылымын айқындауға, изотоптың құрамын анықтауға, сандық және сапалық анализ жүргізуге мүмкіндік береді. Масс – спектрометрмен анықталатын иондардың біртіндеп ыдырауы, әрбір органикалық қосылыстағы ыдырау жүйесінің жиынтығы мен маңызды сипаттамасы болып саналады. 

Масс спектрометрінің жұмыс істеу принципі: 1. Иондалу Атом электрондармен соғылысып, оң зарядты ион алуға тырысады. Айта кететіндей, Масс - спектрометр тек қана оң зарядты иондармен жұмыс істейді. 2. Жетілу Барлық иондардың кинетикалық энергиясы теңестіріледі. 3. Ауытқу Магнит әсерінен иондар ауытқиды. Салмағы аз және заряды көп иондар, тез және көп дистанцияға ауытқиды. 4. Анықтау Ион сәулелері арнайы құрылғыдан өтіп, электронды түрде анықталады.

Изотопты масс-спектроскопия химиялық элементтердің табиғи және жасанды үлгілерінің изотопты құрамын зерттейді. Бұл геологиядағы, ғарыш химиясындағы, гидрогеологиядағы, биохимиядағы, фамокологиядағы, геохимиядағы, медицинадағы, ауылшаруашылығындағы, ядролық химия мен физикадағы күрделі мәселелерді зерттеп, шешу үшін қажет. 

ЯМР құбылысын алғаш рет 1946 жылы американдық физиктер Ф.Блох пен Е Персел байқаған.

ЯМР-дің химия ғылымы үшін маңыздылығы – оның молекула құрылысының ерекшеліктеріне және ондағы электрон тығыздығының таралуына тәуелді болуымен байланысты. Ядролар бірдей болғанмен ол өзінің химиялық қоршауына байланысты әр түрлі резонанстық жиілік береді. Бұл құбылыс химиялық ығысу деп аталады. Химиялық ығысу бойынша молекуладағы әр түрлі атомдық топты анықтауға, ал спектр интенсивтілігінің таралуы бойынша эквивалентті емес ядро санын анықтауға болады. 

ЯМР-спектрометры   жоғары айырымды спектрлерді алуды қамтамассыз етеді. Спектрометр, жиіліктерді сандық генерациялау, сигналдарды басқару және тіркеу, тестілеудің автоматты үдерістері сияқты жоғары автоматтандырылған үрдістермен жабдықталған. Құрал бір және көп өлшемді спектрлерді, көп ядролы корреляцияларды құрауға, химиялық реакциялардың кинетикасын зерттейтін техникалық сипаттамаларға сай. 

Құрылғының мүмкіндікері және техникалық сипаттамалары:

· көп компонентті жуйелерді және дара қосылыстарды сандық және сапалық талдау;

· заттың нақты химиялық құрылымын анықтау;

· химиялық қосылыстардың тазалығын анықтау және ұқсастығын дәлелдеу;

· молекулалардың үш өлшемді стереохомиялық құрылымын анықтау;

· динамикалық үрдістерді зерттеу (химиялық алмасу);

Қазіргі кездегі сандық және сапалық анализді электрохимиялық зерттеу әдістерінсіз қарау мүмкін емес. Зерттеудің электрохимиялық әдістері не жоғары сезімталдық, жоғары дәлдік, шапшаңдық, толық автоматтанғандық және компьютерленгентік тән. Электрохимиялық ұяшықтарда қолданылатын электрохимиялық эффектлер мен процестер көптеген параметрлерге, атап айтқанда ерітінді, балқыма, қоспа құрамы мен табиғатына, қолданылатын электродтар түрі мен құрылысына, радиоэлектродтық зерттеу аспабына, ұяшық құрылысына тәуелді. Электрохимиялық әдіс көмегімен кез келген агрегаттық күйдегі бейорганикалық және органикалық қосылыстарға сандық және сапалық анализ жасауға болады. Зерттелетін ортадағы электрохимиялық процестер фазааралық жанасу шекарасында немесе соның көлемінде жүреді, олар құрылымның, валенттік күйдің, химиялық құрамның, концентрацияның және басқа да параметрлердің өзгерісімен байланысты болады. Электрохимиялық анализдеу әдістері потенциометрия, кондуктометрия, вольтамперометрия, полярография, кулонометрия т.б. әдістерден тұрады. Потенциометрия әдісіне электр қозғаушы күш (ЭҚК) немесе қайтымды электролитті тізбектегі рН немесе рХ электродтарға тиісті потенциалдарды өлшеуге неізделген әр түрлі физико-химиялық шамаларды, иондардың немесе молекулалардың концентрациясын анықтау жатады. 
Потенциометрлік титрлеу әдісі бойынша анализдің физико-химиялық параметрлері шешіледі, яғни ертіндідегі бір немесе бірнеше заттың концентрациясы, әлсіз негіздер мен қышқылдың диссоцияциясындағы тұрақтылық, комплексті қосылыс тұрақтысы, ерігіштік көбейтіндісі, қалыпты тотығу-тотықсыздану потенциалы анықталады. Потенциометрлік титрлеу әдістері реакция түріне байланысты: тұнбалау, комплексті қосылыс түзу, тотығу-тотықсыздану, бейтараптау әдісі болып бөлінеді. 

Хроматографиялық әдістің негізін салушы – орыс ботанигі М.С.Цвет. ол 1903 жылы күрделі зат қоспасын бөліп алудың хроматография (гректің «хроматос» – түс деген сөзі) деп аталатын жаңа әдісін ұсынды. Бұл әдіспен хлорофилл өсімдігінің біртекті деп есептелініп келген жасыл пигментін бірнеше түсті өнімдерге жіктеді. 

Хроматографиялық әдіс- зерттеудің физико-химиялық әдісіне жатады. Әдіс – қолдану қарапайымдылығы, тиімділігі, жоғары сезімталдығы мен талғамдылығы, дәлдігі, жылдамдылығы секілді өзіне тән қасиеттерімен ерекшеленеді. 

Кез келген хроматографиялық жүйеде бірі – қозғалыссыз, екіншісі – қозғалмалы, ығыспайтын екі фаза арасында заттардың қайтымды алмасуы жүреді. Қозғалмалы фаза қозғалмайтын фазаның беткі қабатымен жанасқанда қоспадағы құрамдас бөліктер осы екі фазалар арасында таралу коэффициенті бойынша өздерінің физико-химиялық қасиеттеріне сәйкес таралады. Динамикалық жүйеде динамикалық тепе-теңдік орнайды, яғни молекулалардың біраз уақыты қозғалыссыз фазада, біраз уақыты қозғалмалы фазада өтеді де, бәрі бірге қозғалмайтын фаза бойымен орын ауыстырады. Қозғалмайтын фазамен күштірек әрекеттесетін құрамдас бөліктер, оның өн бойымен баяу жылжиды да, бөліну процесі басталады.  
Құрамдас бөліктер толық бөлінуі үшін қозғалмайтын фаза мынадай талаптарға жауап беруі шарт: қозғалмалы фазадағы затты өзіне физикалық және химиялық тұрғыдан сорбциялауы, бөлінетін затты ерітуі, беткі қабаты кеуекті, ұстап қалу дәрежесі жоғары және бір құрамдас бөлікті болуы керек.Егер қозғалмайтын фаза сұйық күйде болып, ал зерттелетін зат оны ерітуге бейім болса, онда зат қозғалмалы және қозғалмайтын фазалар арасына таралады. Мұндай хроматографиялық жүйе таралымдық деп аталады. Егер қозғалмайтын фаза заттарды адсорбциялауға бейім болса, онда оны адсорбциялық хроматография деп атайды. Қозғалмайтын фазаның орналасу ретіне қарай бағаналы және жұқа қабатты хроматография болып бөлінеді. Біріншісінде белгілі бір биіктігі және ішкі диаметрі бар элюент шыны бағанаға қозғалмайцтын фаза салынады. Ал жұқа қабатты хроматографияда (ЖҚХ) қозғалмайтын фаза астар сияқты, тегіс қатты дене бетіне біртекті орналастырылады. Бөлінетін қоспа ерітіндісі бағанаға үздіксіз жеткізіліп тұрса, бұндай әдісті фронтальды деп атайды. Тамшылы-шаймалық әдісте үлгіні шаймалап алған ерітінді қозғалмалы фаза ағымына енгізіледі. Бағана бойымен жылжу кезінде қоспа құрылымы белгілі бір сақиналы аймақтарға бөлінеді. Оларды не толық күйінде немесе жеке күйінде бағананың шүмегін ашып-жабу арқылы бөліп алады. Ал ығыстырушылық әдісте үлгіні енгізіп, активтілігі нашар шаймамен алдын ала бөліп алынғаннан кейін, шайма құрамына дұрыс сорбцияланатын құрылымды немесе қозғалмайтын фазамен салыстырғанда талданатын, қоспа құрамындағы барлық құрылымдар үшін әсерлі затты қосады. 

Газ хроматографиясы талданатын қоспаның әр түрлі құрамдас бөлігін бөліп, анықтауда жиі қолданылатын кең тараған әдіс. Қоспа құрамындағы бөлікке қойылатын басты талаптың бірі – олардың газ күйіне ауысу кезіндегі температура әсеріне төзімділігі. Газ хроматографиясында қозғалғыш фаза ретінде гелий, сутегі сияқты тасымалдаушылар пайдаланылады. Сорбентке байланысты хроматография газ адсорбциясына және газ-сұйықтыққа бөлінеді. 

Газ-сұйық хроматографиясында (ГСХ) қатты төсеніш бетіне жұқа қабатпен жабылған, қозғалмайтын сұйықтық пайдаланылады. Мұндай талапқа сәйкес болатын сұйықтықтардың көптеген түрі белгілі. Талданатын құрамдас бөлік бұл сұйықтықта ешбір өзгеріссіз еруі керек, онсыз бөлінуге жұмсалатын уақыт жетпей қалады. Қозғалмайтын сұйық фаза материалдарының басым көпшілігі балауыз, каучук немесе шыны сияқты масса болып келеді де, ГСХ бағаналарының да температурасы кезінде сұйытылады. 

Газ хроматографиясын қозғалатын фаза ретінде гелий, сутек сияқты тасымалдауышты пайдаланады. Сорбентке байланысты хроматография газ адсорбциясына және газ-сұйықтыққа бөлінеді. Газды адсорбциялайтын хроматографияда (ГАХ) қозғалмайтын фазаның қызметін қатты адсорбент атқарады, ал газ-сұйық хроматографиясында алынған әйтеуір бір қатты төсеніш бетіне жұқа қабатпен жабылған, қозғалмайтын сұйықты пайдаланады. Газ-сұйықтық хроматографиясы бөлініп тарату хроматографияға жатады және ол талдаулық химияда жиірек қолданылады. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Қорытынды:

     Қазіргі  кездегі химияның дамуы физика  мен оның әдістерінің қолданылуымен  қатар жүреді және осы екі  ғылымның шекаралас салаларының  дамуына негіз береді. Зерттеудің  физикалық және физико-химиялық  әдістері қазіргі заман  химияның  негізгі жұмыс құралы болғандықтан, көптеген заттарды зерттеу, аспапты  әдістерге негізделіп, химиялық  процесті бақылайтын құралдар  саны көбейді. 

Кез келген затты зерттеудегі алғашқы мақсат – оның қасиетін анықтау болып табылады, ал заттың қасиетін оның негізгі компоненті мен қоспа құрамы, олардың таралуын анықтайды. Сондықтан затты зерттеудегі әдістер ішінен заттың сандық және сапалық құрамын анықтайтын топ – зерттеудің физико-химиялық әдістері бөлініп шығады.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пайдаланылған әдебиеттер:

 

 Патсаев Ә.Қ. , Жайлау С.Ж. «Органикалық химия негіздері», Шымкент, 2005ж.

2. Патсаев Ә.Қ. , Алиханова Х.Б. , Ахметова А.А. «Органикалық химия пәнінен зертханалық тәжірибелік сабақтарына арналған оқу-әдістемелік құралы», Шымкент, 2012ж.
3. Патсаев Ә.Қ. , Шыназбекова Ш.С. «Аналитикалық химия», Шымкент, 2007ж.
4. Құлажанов Қ.С.Аналитикалық химия: II томдық оқулық . II - том. Оқулық. Алматы:«ЭВЕРО» баспаханасы, 2005. - 464 б. ISBN 9965-680-95-7
5. Өтелбаев Б.Т. «Химия III». Шымкент, 2000ж