ЭПР-спектроскопия, электрохимические и комбинированные методы анализа

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

УРАЛЬСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМЕНИ ПЕРВОГО ПРЕЗИДЕНТА РОССИИ Б. Н. ЕЛЬЦИНА

ЭПР-СПЕКТРОСКОПИЯ,
ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ
И КОМБИНИРОВАННЫЕ

МЕТОДЫ АНАЛИЗА

Учебно-методическое пособие

Рекомендовано

методическим советом Уральского федерального университета
в качестве учебно-методического пособия для студентов вуза,

обучающихся по направлениям подготовки

18.03.01, 18.04.01 «Химическая технология», 04.04.01 «Химия»

Екатеринбург

Издательство Уральского университета

2018

УДК  544.6(07) + 543.42(07)
          Э725

В учебно-методическом пособии приводятся теоретические основы электрохимичес
ких методов анализа (хроноамперометрия, хронопотенциометрия, вольтамперометрия, кулонометрия, импедансная спектроскопия) и CW-ЭПР-спектроскопии, а также методы анализа и моделирования ЭПР-спектра. Для закрепления материала предложены пять лабораторных занятий.

Предназначено для студентов, изучающих дисциплины, входящие в модули «Анали
тическая химия и физико-химические методы анализа», «Физико-химические науки».

ЭПР-спектроскопия, электрохимические и комбинированные методы

анализа : учеб.-метод. пособие / [А. Н. Козицина, А. В. Иванова, Ю. А. Глазырина, А. Н. Цмокалюк, А. В. Ивойлова, А. С. Петров ; под общ. ред.
Ю. А. Глазыриной] ; М-во образования и науки Рос. Федерации, Урал. федер. ун-т. – Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 2018. – 60 с.

ISBN 978-5-7996-2426-2

Э725

ISBN 978-5-7996-2426-2

УДК  544.6(07) + 543.42(07)

© Уральский федеральный университет, 2018

А в т о р ы:

А. Н. Козицина, А. В. Иванова, Ю. А. Глазырина,

А. Н. Цмокалюк, А. В. Ивойлова, А. С. Петров

П о д  о б щ е й  р е д а к ц и е й

Ю. А. Глазыриной

Р е ц е н з е н т ы:

кафедра химии Уральского государственного горного университета

(заведующий кафедрой доктор технических наук, профессор А. М. Амдур);

А. Ю. Сунцов, кандидат химических наук, старший научный сотрудник
лаборатории оксидных систем Института химии твердого тела УрО РАН

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение ............................................................................................................. 4

1. Теоретические основы метода ЭПР................................................................... 6

2. Основы работы с программно-аппаратным комплексом «ELEXSYS E500» ........ 15

Лабораторная работа 1. Определение антирадикальной активности
индивидуальных антиоксидантов методом ЭПР-спектроскопии ............................. 21

3. Теоретические основы метода вольтамперометрии ............................................ 24

Лабораторная работа 2. Определение количества электронов,
участвующих в процессе восстановления препарата Триазавирин®,
с помощью электрохимических методов ............................................................. 28

Лабораторная работа 3. Регистрация радикала в препарате Триазавирин®

с использованием ЭХ-анализатора и ЭПР-спектрометра ........................................ 41

Лабораторная работа 4. Регистрация радикального интермедиата
молекулы препарата Триазавирин® методом спиновой ловушки ............................ 47

Лабораторная работа 5. Использование программного модуля EasySpin
для моделирования спектров ЭПР ....................................................................... 50

Библиографические ссылки ................................................................................ 56

Список рекомендуемой литературы ..................................................................... 57

ВВЕДЕНИЕ

Явление электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) заключается

в резонансном поглощении электромагнитного излучения в диапазоне радиочастот веществами, помещенными в постоянное магнитное поле, и обусловлено квантовыми переходами между энергетическими подуровнями, связанными с наличием магнитного момента у электронных систем. Также ЭПР называют электронным спиновым резонансом (ЭСР), магнитным спиновым
резонансом (МСР).

Электронный парамагнитный резонанс как метод исследования был раз
работан Е. К. Завойским с сотрудниками С. А. Альтшулером и Б. М. Козыревым в 1944 г. в Казани. Созданию метода предшествовали открытие спина
электрона, эффекта Зеемана, а также длительная работа, направленная на поиск возможности использования полей радиочастотного диапазона для исследования веществ.

Метод электронного парамагнитного резонанса применяется для иссле
дования парамагнитных центров и их окружения в веществе, с его помощью
можно определять концентрацию и идентифицировать парамагнитные частицы в любом агрегатном состоянии. Он позволяет детектировать свободные радикалы в количестве до 10–10 моля [1].

Применение метода ЭПР помогает исследовать:
– атомы или молекулы с нечетным числом электронов (например, ато
мы водорода, азота, молекулы NO);

– свободные радикалы в газовой, жидкой и твердой фазах;
– ионы с частично заполненными электронными оболочками (напри
мер, ионы переходных элементов);

– точечные дефекты и примесные атомы в твердых телах;
– системы в триплетном состоянии;
– радиационные дефекты в кристаллах полупроводников и диэлектриков;
– электроны проводимости в металлах и полупроводниках и т. д.
В химии методикой ЭПР исследуют электронное распределение и струк
туру парамагнитных комплексов, участвующих в химических и электрохимических реакциях, методика используется также для определения структур
молекул в возбужденных триплетных состояниях и изучения кинетики реакций, идущих с образованием радикалов.

В биологии ЭПР применяют при исследовании:
– радикалов, возникших в результате повреждающего воздействия иони
зирующего излучения на биологические объекты;

– парамагнитных частиц, образовавшихся при фотохимическом окисле
нии хлорофилла;

– ионов переходных металлов (Fe, Co, Ni, Сu, Mn), входящих в состав био
логически важных молекул и комплексов.

Исследования ЭПР проводят с жидкими и твердыми образцами, реже –

с газообразными. При работе с жидкими образцами целесообразнее использовать неполярные органические растворители, так как увеличение диэлектрической проницаемости приводит к ухудшению аналитического сигнала.
Для твердых образцов наиболее перспективно использование монокристаллов, однако из-за трудности их получения чаще работают с замороженными
растворами (стеклами) или поликристаллическими порошками. Для снижения
спин-спинового взаимодействия часто используют совместную кристаллизацию парамагнитного вещества с диамагнитными веществами, образующими с ним изоморфные кристаллы.

Ограничением метода ЭПР является малое число объектов исследова
ния, поскольку большинство ионов металлов и органических веществ диамагнитно. К тому же линии парамагнитных ионов широки вследствие вклада
орбитальной составляющей в магнитный момент. Часто их трудно использовать для чувствительных аналитических определений. Избежать этих недостатков позволяет использование комплексообразования диамагнитных ионов
с органическими лигандами, являющимися стабильными свободными радикалами (спин-меченые реагенты). В этом случае концентрацию диамагнитного
иона определяют по парамагнетизму органической части компонентов соединения. Использование спин-меченых реагентов делает метод ЭПР универсальным, метод становится пригодным для определения ионов в любой степени окисления, как парамагнитных, так и диамагнитных. Кроме того, спектры ЭПР с реагентом-радикалом характеризуются более узкими линиями,
что существенно повышает чувствительность определения металлов.

Применение ЭПР для исследования комплексообразования парамагнит
ных ионов открывает большие возможности для решения многих вопросов
химии координационных соединений: о способе координации лиганда, содержащего несколько донорских атомов; о числе и эквивалентности донорских атомов, входящих в состав внутренней координационной сферы (по числу линий расщепления спектра СТВ (сверхтонкое взаимодействие); о различиях в составе комплексных соединений в твердом и жидком состояниях
(по характеру спектров ЭПР при варьировании температуры).

1.  ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ  ОСНОВЫ  МЕТОДА  ЭПР

Магнитные моменты атомов и молекул определяют магнитные свойства

веществ. В свою очередь, магнитные моменты электронов и нуклонов (протонов и нейтронов) формируют магнетизм атомов и молекул. Магнитный
момент атомного ядра меньше магнитного момента электрона, вот почему
вклад в магнитные свойства веществ с большим приближением определяется магнитными моментами электронов. Магнитный момент электрона
в атоме связан с орбитальным механическим моментом в соответствии с гиромагнитным отношением. Дополнительно к механическому моменту электрону присущ спин, собственный механический момент.

В квантовой теории проекция орбитального момента импульса на задан
ную ось (z) и его квадрат могут принимать лишь дискретные значения:

lz = mlh,
(1)

где ml = –l , … , l,

     l2 = l(l + 1)h2,
(2)

где ml и l – магнитное и орбитальное квантовые числа; h = 1,05  10–34 Дж  с –
постоянная Планка.

Орбитальному движению электрона соответствует магнитный момент,

проекцию которого можно выразить через гиромагнитное отношение:

z = ml = –ml,
(3)

где  – гиромагнитное отношение электрона;  – магнетон Бора: = eh/(2me) =
= 9,274  10–24 Дж/Тл.

Как уже отмечалось, электрон обладает собственным механическим мо
ментом – спином. Соответственно со спиновым движением связан собственный магнитный момент электрона. Проекции спина и спинового магнитного
момента:

 Sz = msh,
(4)

где ms = –s, ..., s,

S

z   = –mS,
(5)

где s – спиновое квантовое число электрона, s = 1/2.

Следует отметить, что для спинового момента гиромагнитное отноше
ние больше в два раза, чем для орбитального.

Если атом содержит несколько электронов, то орбитальные и спиновые

моменты электронов, составляющих атом, складываются: L = li, S = Si;

такое взаимодействие характерно для большинства элементов. Тогда магнитные свойства частицы будут определяться значениями квантовых чисел L и S,
характеризующих суммарные орбитальные и спиновые моменты движения
электронов атома.

Полный механический момент частицы J = L + S складывается из ее спи
нового и орбитального моментов, аналогично формируется и полный магнитный дипольный момент. Величина полного магнитного дипольного момента будет отличаться от спинового или орбитального значений. Поэтому
вводится g-фактор свободного атома или иона, вычисляемый согласно формуле Ланде, который оценивает вклад орбитальной и спиновой составляющей магнитных моментов в полный магнитный момент.

Для неспаренного электрона в молекулярном радикале вклад орбитально
го момента незначителен, поскольку орбитали фиксированы в системе молекулярных связей сильными электростатическими взаимодействиями и вырождение по энергии между ними полностью снято.

Для определенности далее будем рассматривать частицы с чисто спи
новым магнитным моментом (J = S, L = 0). При включении внешнего магнитного поля B0 появляется выделенное направление, так что энергия Е магнитного диполя в магнитном поле выражается через скалярное произведение магнитного диполя на проекцию магнитного момента на эту ось:

         E = –(, B0) = gB0mJ .
(6)

Согласно квантово-механическим правилам отбора возможны перехо
ды, при которых значение магнитного квантового числа изменяется на величину mJ = ±1, тогда имеют место энергетические переходы электронов:

E = hv = gB0.
(7)

Магнитный резонанс можно истолковать с классических позиций. Соглас
но классическим представлениям заряженная частица, имеющая собственный механический момент (спин), при движении создает магнитное поле,
т. е. характеризуется собственным магнитным моментом ; E = hv = gB0.

При помещении заряженной частицы в постоянное магнитное поле B0

ее магнитный момент взаимодействует с полем с энергией взаимодействия
Е = –(B, ). В результате такого взаимодействия частица получает вращательный момент, вызывая прецессию вектора вокруг B0 под неизменным углом 
с частотой v0. Такая прецессия создает переменный магнитный момент, вращающийся с частотой v0 перпендикулярно направлению поля B0. Если в той
же плоскости в том же направлении вращается переменное магнитное поле B1
с частотой v1, то это поле взаимодействует с магнитным моментом. Взаимодействие тем больше, чем частота v1 ближе к v0. При v1 = v0 наступает резонанс, сопровождающийся перекачкой (поглощением) энергии переменного
магнитного поля B1 в исходную систему.