Файл: Болдырев, А. И. Физическая и коллоидная химия учеб. пособие.pdf

В электронном микроскопе вместо света на объектив направляется пучок электронов, длина волны которого в 50—100 тысяч раз меньше длины волны све­ та. Роль оптической системы здесь играют электрические или магнитные поля. Разрешающая способность электронного микроскопа в 50—100 раз больше тако­ вой светового микроскопа. В электронный ми­

пушка и конденсорная линза. Источником электронов является вольфрамовая нить, на­ каленная до 2400° С;

микроскопе

- 328 -

дов между собой. Непосредственное наблюдение расположения органически* коллоидов и бактерий на поверхности минералов стало доступно только при та­ ком увеличении, какое может дать электронный микроскоп.

§ 98. Рентгенографический метод

Рентгенографические исследования в последние годы получили широкое распространение в почвоведении. Определение содержания высокодисперсных минералов в почвах или в каких-либо других объектах методом рентгенографии основано на явлении дифракции рентгеновских лучей от плоскостей кристаллов и интерференции. Лучи, отраженные от исследуемого объекта, попадают на фото­

бумагу, где образуют симметрично рас­

каждый из которых можно назвать эле­ ментарной ячейкой. В пространствен­ ной решетке можно выделить узловые прямые и узловые плоскости, кото­

рые находятся друг от друга на определенном расстоянии d, которое является

характерным для каждой системы плоскостей данного кристалла.

Длины волн рентгеновских лучей имеют тот же порядок, что и расстояние между атомами или ионами в кристаллах (10~8сж). Именно благодаря этому при дифракции рентгеновских лучей от граней кристалла и получается рентгенограм­ ма, которая дает возможность, в частности, определить расстояние между узловы­ ми плоскостями, а также между частицами в кристалле. Каждая линия на рентге­ нограмме соответствует отражению рентгеновских лучей от определенных узло­ вые плоскостей.^При расшифровке рентгенограмм сначала делают точные про­ меры расстояний между симметрично расположенными линиями (дугами). Зная эти величины, можно сравнительно легко рассчитать межплоскостные расстоя­ ния в кристаллах, являющиеся характерными для каждого минерала.

где п — целое число или порядок отражения от разных параллельно располо­ женных плоскостей в кристалле, X — длина волны падающего на объект рентге­

* Расположение частиц в пространстве может быть иным и более сложным,

чем у хлорида натрия. В таком случае усложняется геометрическая форма самих кристаллов.

— 330 —

Инфракрасный спектр любого химического соединения — одна из наиболее важных его характеристик и может использоваться для идентификации вещества. При сравнении двух соединений идентичность их инфракрасных спектров указы ­ вает (за очень редким исключением) на идентичность самих соединений. Инфра­ красные спектры любых веществ дают ценные сведения об их внутренней струк­ туре. Для расшифровки ИК-спектра нужно найти соответствие между положением полос поглощения и наличием отдельных структурных элементов в молекуле, а уж е затем по ИК-спектру определить присутствие тех или иных атомных групп и их взаимное расположение.

У

АХzмаятниковое АХ3-симметричное АХ3-асимметричное

Рис. 123. Валентные колебания молекул типа АХг и АХз

Метод инфракрасной спектроскопии в последние годы стал особенно широ­ ко применяться в органической и неорганической химии, биохимии, биологии, почвоведении, минералогии и во многих других областях науки и народного хо­ зяйства.

Что же собой представляет инфракрасный спектр любого химического соеди­ нения? Известно, что все молекулы состоят из атомов, соединенных между собой химическими связями. Атомы в молекуле находятся в постоянном колебательном движении. В простейшем случае, когда молекула вещества состоит только из двух атомов А и Б , происходит единственный вид колебаний — периодическое растяжение и сжатие по линии связи А — Б . Движение химически связанных ато­ мов в молекуле можно сравнить с непрерывным колебанием систем шаров, кото­ рые связаны между собой пружинами. Оба вида колебательного движения хорошо описываются математически при помощи закона Гука. Колебательная частота в случае двухатомной молекулы определяется уравнением:

( V I I I .3)

— 332 —

тАтъ

(V III ,4)

тА+тБ ’

где т А и т Б — массы отдельных атомов А и Б.

Аналогичным образом могут рассматриваться валентные колебания и в бо­ лее сложных молекулах, хотя здесь становятся возможными и другие виды коле­ баний, в частности деформационные колебания. При валентных колебаниях из­ меняются в основном длины связей, углы между ними остаются приближенно не­ изменными. В случае деформационных колебаний изменяются главным образом углы между связями. Валентные колебания молекул типа A X j и АХд схематич­ но представлены на рис. 123, где стрелки показывают направление периодическо­ го смещения атомов, а знаки плюс и минус соответствуют периодическим смеще­ ниям перед плоскостью или за плоскостью бумаги.

Инфракрасное излучение принято характеризовать волновым числом v, ко­ торое выражается в обратных сантиметрах (с м '" 1) и называется обычно частотой,

104 V“ X -

Таким образом, частота v представляет собой величину, равную числу длин волн, выраженных в микронах, уложенных на расстоянии 1 см. Например, интервал от 2,5 до 40,0 мк соответствует интервалу от 4000 до 250 см~1.

Как видно из уравнений (V III, 3) и (V III, 4), частоты колебаний зависят не только от самой природы отдельных связей, но и от всей молекулы и ее окруж е­ ния. В случае системы шариков, связанных пружинками, происходит совершенно аналогичное явление — на колебание одной пружинки оказывает влияние вся система в целом. Если по такой системе произвести удар, амплитуды колебаний шариков возрастут. Аналогичное явление происходит и в молекуле вещества при воздействии на нее электромагнитных волн (инфракрасных лучей): амплиту­ ды колебаний отдельных связей и вместе с ними колебаний электрических зарядов будут увеличиваться.

Полной аналогии между системой шаров на пружинах и молекулой какоголибо химического вещества быть не может: колебательные энергетические уров­ ни молекулы изменяются скачкообразно. В системе же шаров на пружинах ам­ плитуды колебаний изменяются непрерывно. Следовательно, молекула погло­ щает только те частоты инфракрасного излучения, энергия которых точно соот­ ветствует разностям между двумя уровнями энергии связи, т. е. амплитуды ко­ лебаний возрастают скачкообразно.

Таким образом, при взаимодействии молекулы какого-либо вещества с элект­ ромагнитным полем (инфракрасным излучением) может произойти передача энер­ гии от поля молекуле, в результате чего молекула перейдет из одного квантового состояния в другое (возбужденное). Приобретенная молекулой величина энергии Е связана с частотой поглощенного излучения v простым соотношением:

АЕ =hv, ( V I I I ,5)

где h — постоянная Планка (Л = 1,623 • 10 -27 эрг-сек).

При возвращении молекулы в исходное состояние она испускает такой же квант энергии АЕ частоты v. Итак, если исследуемое вещество облучать инфра­ красным светом с непрерывно меняющейся частотой, определенные участки спект­ ра излучения будут поглощаться молекулой, в результате чего луч, проходящий через вещество, в области поглощения будет ослабляться. Регистрируя интен­ сивность прошедшего через данное вещество инфракрасного излучения в зависи­ мости от длин волн или от волновых чисел, можно получить кривую, на которой

—333 —