Физические методы исследования вещества. Задания для самостоятельной работы студентов. Часть 1. Спектроскопия ЯМР и ЭПР. Учебное пособие

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Московский педагогический государственный университет»

С. Б. Хребтова, А. Т. Телешев, Н. Г. Ярышев

ФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЕЩЕСТВА

Задания для самостоятельной работы студентов

Часть 1 Спектроскопия ЯМР и ЭПР

МПГУ Москва • 2015

ВВЕДЕНИЕ

Курс «Физические методы исследования вещества» представляет собой одну из ключевых дисциплин в подготовке как современного химика-исследователя, так и преподавателя химии средней и высшей школы. Знание основ этих методов, умение получать и интерпретировать результаты эксперимента, анализировать учебную и научную литературу в этой области – все это должно стать результатом изучения данного учебного курса.

Проверочные задания представленной первой части пособия относятся к двум разделам курса – «Спектроскопия ядерного магнитного резонанса» и «Спектроскопия электронного парамагнитного резонанса». В заданиях имеются вопросы по истории создания методов, их физическим основам, возможностям применения в органической и неорганической химии.

Учебное пособие предназначено, прежде всего, для организации самостоятельной работы студентов, обучающихся по направлению подготовки «Химия», по специальности «Фундаментальная и прикладная химия», по магистерской программе «Химическая экспертиза пищевых продуктов».

Задания составлены в тестовой форме и практически не содержат вопросов, ответом на которые могла бы служить прямая цитата из учебного текста. Ответ на каждый вопрос теста потребует от студента тщательной проработки текстов лекций и рекомендуемых учебных пособий.

Представленные в пособии задания могут быть полезны и преподавателям в качестве основы для составления собственного банка конт- рольно-измерительных материалов.

Авторы глубоко признательны кандидату физико-математических наук, ведущему научному сотруднику кафедры органической химии МПГУ Л. К. Васяниной за ценные рекомендации и замечания.

4

ТЕМА 1. СПЕКТРОСКОПИЯ ЯДЕРНОГО МАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА

ТЕСТ 1

А1. Спиновое квантовое число 1/2 не характеризует…

а) электрон; б) протон;

в) ядро дейтерия 2D; г) ядро углерода 13С.

А2. Число возможных состояний в магнитном поле для ядра со спиновым квантовым числом 3 составляет…

а) 3; б) 5; в) 7; г) 9.

А3. Не являются магнитными ядра…

а) дейтерия 2D;

б) азота 15N;

в) азота 14N;

г) серы 32S.

А4. Магнитный момент ядра прямо пропорционален…

а) механическому импульсу ядра; б) числу протонов в ядре;

в) напряженности приложенного магнитного поля; г) спиновому квантовому числу.

А5. Частота поглощения данного ядра окажется прямо пропорциональной…

а) числу протонов в ядре; б) суммарному числу нуклонов в ядре;

в) напряженности приложенного магнитного поля; г) постоянной Планка.

А6. Резонансное поглощение радиоизлучения протонами вещества было впервые зафиксировано для…

а) воды; б) парафина; в) спирта;

г) фторбензола.

5

С. Б. ХРЕБТОВА, А. Т. ТЕЛЕШЕВ, Н. Г. ЯРЫШЕВ. ФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЕЩЕСТВА

А7. В отличие от ядерного магнитного резонанса, ядерный квадрупольный резонанс…

а) не связан с поглощением веществом радиоволн; б) не требует внешнего магнитного поля для «расщепления

уровней»; в) может возникать при резонансном поглощении ультразвука;

г) представляет собой метод изучения структуры кристаллов.

А8. Неоднородное магнитное поле используется…

а) в спектроскопии электронного парамагнитного резонанса; б) в спектроскопии ядерного магнитного резонанса; в) в магнитно-резонансной томографии;

г) неоднородное магнитное поле не пригодно для исследований как методом ЭПР, так и методом ЯМР.

А9. В спектре ЯМР по шкале τ химический сдвиг сигнала составил 8,34 м. д. По шкале δ химический сдвиг этого сигнала составит…

а) –8,34 м. д.; б) –1,66 м. д.; в) 1,66 м. д.;

г) нельзя сказать: число зависит от рабочей частоты прибора, которая в задаче не указана.

А10. Химический сдвиг по шкале δ 2,50 м. д. может быть приписан сигналам, наблюдаемым на частотах…

а) 250 Гц в более слабом поле относительно частоты сигнала тетраметилсилана на приборе с маркировкой «250 МГц»;

б) 500 Гц в более сильном поле относительно частоты сигнала тетраметилсилана на приборе с маркировкой «200 МГц»;

в) 200 Гц в более слабом поле относительно частоты сигнала тетраметилсилана на приборе с маркировкой «80 МГц»;

г) 2 ∙ 108 Гц в более слабом поле относительно частоты сигнала тетраметилсилана на приборе с маркировкой «80 МГц».

В2. При интегрировании спектра протонного резонанса смеси ацетона, метиленхлорида и хлороформа были получены следующие высоты ступенек на интегральной кривой: 10 мм, 18 мм и 36 мм для сигналов при 7,27 м. д., 5,30 м. д. и 2,17 м. д., соответственно. Содержание этих веществ, следовательно, должно составить, соответствен-

но, _____, ______ и ______ мольных процентов.

6

ТЕМА 1. СПЕКТРОСКОПИЯ ЯДЕРНОГО МАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА

ТЕСТ 2

А1. Спиновое квантовое число 1 характеризует…

а) ядро азота 14N; б) протон;

в) ядро фтора 19F;

г) ядро дейтерия 2D.

А2. Число возможных состояний в магнитном поле для ядра со спиновым квантовым числом 5/2 составляет…

а) 6; б) 7; в) 10; г) 11.

А3. Магнитными являются следующие ядра…

а) углерода 12С; б) углерода 13С; в) углерода 14С; г) азота 15N.

А4. Магнитно-неэквивалентные ядра 1H имеются в молекуле…

а) хлорметана; б) бромхлорметана;

в) 1,1-дихлорциклопропана; г) 1,1-дихлорэтилена.

А5. Частота поглощения данного ядра не изменяется пропорционально…

а) числу протонов в ядре; б) частоте источника радиоизлучения;

в) напряженности приложенного магнитного поля; г) постоянной Планка.

А6. Феликс Блох и Эдвард Перселл…

а) считаются создателями спектроскопии ядерного магнитного резонанса;

б) считаются создателями метода магнитно-резонансной томографии;

в) впервые показали факт поглощения протонами радиоизлучения; г) считаются создателями нового метода точных ядерных магнит-

ных измерений.

7

С. Б. ХРЕБТОВА, А. Т. ТЕЛЕШЕВ, Н. Г. ЯРЫШЕВ. ФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЕЩЕСТВА

А7. «Циркуляция» электронов кратных связей, образующая в молекуле «конусы анизотропии», не приводит к дополнительному экранированию протонов…

а) этилена; б) ацетилена; в) ацетона; г) бензола.

А8. Однородное магнитное поле используется…

а) в спектроскопии ядерного магнитного резонанса; б) в спектроскопии электронного парамагнитного резонанса; в) магнитно-резонансной томографии;

г) однородное магнитное поле не пригодно для такого рода исследований.

А9. В спектре ЯМР по шкале τ химический сдвиг сигнала составил 11,87 м. д. По шкале δ химический сдвиг этого сигнала составит…

а) +1,87 м. д.; б) –11,87 м. д.; в) –0,13 м. д.; г) –1,87 м. д.

А10. Диастереотопных ядер не содержат молекулы…

а) глюкозы; б) 1,1-дихлорэтена;

в) метилциклопропана; г) толуола.

В1. Импульс длительностью 0,001 с может задать «неопределенность по частоте» _____________ Гц.

В2. При интегрировании спектра протонного резонанса смеси толуола, бензола и метиленхлорида были получены следующие высоты ступенек на интегральной кривой: 74 мм, 27 мм и 32 мм для сигналов при 7,20–7,30 м. д., 4,85 м. д. и 2,32 м. д., соответственно. Содержание этих веществ составляет, соответственно, ______, ______ и ______

мольных процентов.

8

ТЕМА 1. СПЕКТРОСКОПИЯ ЯДЕРНОГО МАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА

ТЕСТ 3

А1. Сигнал от магнитного ядра, которое взаимодействует с двумя отличающимися от него ядрами, может оказаться…

а) дублетом; б) дублетом или триплетом;

в) триплетом или квадруплетом; г) триплетом или дублетом дублетов.

А2. Сигнал от данного магнитного ядра, которое взаимодействует с другим магнитным ядром, может состоять…

а) из двух линий равной интенсивности; б) из трех линий равной интенсивности;

в) из трех линий с соотношением интенсивностей 1 : 2 : 1; г) из четырех линий с соотношением интенсивностей 1 : 3 : 3 : 1.

А3. Сигнал от ядра углерода 13С дейтерохлороформа…

а) является триплетным; б) состоит из трех линий равной интенсивности; в) является квадруплетом;

г) проявляется синглетом или дублетом в зависимости от значения индукции магнитного поля.

А4. При регистрации спектра ЯМР на приборе с рабочей частотой 200 МГц разница двух частот поглощения составила 7,2 Гц. При записи спектра того же вещества на приборе с рабочей частотой 400 МГц разница в частотах поглощения может…

а) остаться той же; б) уменьшиться вдвое; в) увеличиться вдвое;

г) увеличиться и составить 7,2 × 400 = 2880 Гц.

А5. Константа ядерного спин-спинового взаимодействия не зависит от…

а) температуры образца при регистрации спектра; б) рабочей частоты прибора; в) выбранного растворителя;

г) природы взаимодействующих ядер.

9

С. Б. ХРЕБТОВА, А. Т. ТЕЛЕШЕВ, Н. Г. ЯРЫШЕВ. ФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЕЩЕСТВА

А6. В спектре ЯМР при рабочей частоте 60 МГц зафиксированы частоты поглощения, Гц: 38,5; 28,0; 20.5; 10,0. Верными будут утверждения:

а) это АХ-спектр, JAX = 10,5 Гц;

б) это АB-спектр, JAB = 18,0 Гц;

в) это АВ-спектр, JAВ = 10,5 Гц;

г) это АВ-спектр, JAВ = 7,5 Гц.

А7. Вицинальная константа спин-спинового взаимодействия данных ядер…

а) не зависит от природы других ядер молекулы; б) зависит от торсионного угла между соответствующими связями;

в) заведомо меньше любой геминальной константы ядерного спинспинового взаимодействия;

г) заведомо больше любой «дальней» константы ядерного спинспинового взаимодействия.

А8. Из четырех спектров ЯМР 1Н, зарегистрированных для изомерныхвеществсоставаC4H8O2, этилацетатусоответствуетспектр

(δ, м. д.):

а) 4,11 q (2H), 2,04 s (3H), 1,24 t (3H); б) 3,67 s (3H), 2,33 q (2H), 1,14 t (3H); в) 4,02 s (2H), 3,43 s (3H), 2,14 s (3H);

г) 11,78 s (1H), 2,35 t (2H), 1,64 m (2H), 0,98 t (3H).

А9. Ядерный эффект Оверхаузера используют для…

а) точного измерения констант спин-спинового взаимодействия; б) точного измерения интенсивностей сигналов; в) точного измерения химических сдвигов; г) конформационного анализа изучаемых молекул.

А10. Спектр ЯМР в принципе может быть зарегистрирован в…

а) постоянном магнитном поле и постоянной частоте подаваемого излучения;

б) изменениинапряженностимагнитногополяиодновременномизменении частоты подаваемого излучения;

в) постоянном магнитном поле и изменении частоты подаваемого излучения;

г) изменении напряженности магнитного поля при постоянной частоте подаваемого излучения.

В1. Индукция магнитного поля ЯМР-спектрометра с маркировкой «900 МГц» составляет21,1 Тл. Резонансядер13Сприиспользованииэтого

10