Nous avons examiné de manière si détaillée la question de la formation de concepts sur les phénomènes chimiques car, comme nous l'avons indiqué ci-dessus, c'est la clé de la formation réussie de concepts sur les substances et les éléments chimiques. Dans une série de concepts chimiques - réaction chimique, substance, élément chimique - chacun des concepts précédents constitue la base de la formation du suivant. Par conséquent, toutes les conditions qui déterminent le succès de la formation de concepts sur les réactions chimiques restent valables dans la formation de concepts sur les substances et les éléments chimiques. Dans le même temps, dans la formation de ces concepts, un certain nombre de circonstances nouvelles acquièrent une grande importance. Nous considérerons d'abord ces circonstances en relation avec la formation de concepts sur les substances, puis sur les éléments chimiques.

Parmi les conditions qui déterminent le succès de la formation de concepts sur les substances, l'une des conditions décisives est la bonne approche pour les étudier. Cette approche ne reste pas inchangée : elle s'élargit et s'approfondit de plus en plus à mesure que les connaissances théoriques et les généralisations sont maîtrisées.

Aux grades VII et VIII, la plupart des substances sont étudiées selon le plan suivant : la composition chimique, les propriétés physiques (état d'agrégation, couleur, odeur, goût, densité, etc.), le rapport de la substance à l'eau, les propriétés chimiques ( relation avec des substances simples, oxydes, bases, acides et sels, à la chaleur, au courant électrique), action physiologique (dans certains cas), similitude des propriétés avec d'autres substances et différences par rapport à celles-ci, utilisation de substances dans l'industrie, l'agriculture, dans la vie quotidienne, l'être dans la nature et les méthodes de réception.

La spécificité des concepts résultants sur les substances dépend principalement des propriétés chimiques (réactions chimiques des substances) étudiées. L'étude des propriétés chimiques des métaux se limite à l'examen de leurs relations avec l'oxygène et les acides ; l'étude des non-métaux - leur relation avec l'oxygène (pour le carbone, le soufre et le phosphore). Les oxydes métalliques sont considérés en relation avec l'hydrogène, le monoxyde de carbone, les acides et les alcalis ; bases - en relation avec les acides, les oxydes d'acide et les sels ; acides - en relation avec les métaux, les oxydes métalliques, les bases et les sels. La sélection de ces seules réactions chimiques pour caractériser les propriétés chimiques des métaux et non-métaux, des oxydes, des bases, des acides et des sels est déterminée par le fait qu'il s'agit de réactions compréhensibles et vitales. L'interprétation de l'essence des réactions chimiques se fait du point de vue de la théorie atomique-moléculaire. Cela détermine la profondeur de leur étude.

Un point important caractérisant la nature chimique des substances est leur production. Cependant, dans les grades VII-VIII, la production de quelques substances est étudiée : l'oxygène, l'hydrogène, le dioxyde de carbone, le monoxyde de carbone - et les méthodes générales de production d'acides, d'alcalis et de sels sont étudiées. Cela a été fait parce que la production de nombreuses substances (par exemple, les acides sulfurique et nitrique, etc.) avec le temps alloué à la chimie dans une école de huit ans et le volume établi de matériel pédagogique est très difficile et inaccessible. La familiarisation avec la production de substances est une tâche pour les classes IX-XI. Dans le cours de chimie scolaire de huit ans, l'accent est mis sur la familiarisation des étudiants avec la composition chimique, les propriétés physiques et chimiques et les utilisations des substances.

Aussi restreint que soit l'éventail des connaissances acquises dans les classes VII-VIII, elles créent toujours la base pour prédire les propriétés des substances. Ainsi, sur la base des connaissances acquises dans les classes VII-VIII, les élèves peuvent prédire :

a) la composition chimique des oxydes métalliques, des bases et des sels (acides chlorhydrique, sulfurique, nitrique), la composition pondérale de ces composés, la teneur pondérale d'un certain élément dans une certaine quantité d'une substance ;

b) les réactions chimiques des oxydes, des acides, des bases et des sels et les rapports pondéraux dans lesquels ces substances réagissent ;

c) la production d'acides, de sels et de bases, sur la base de leur interaction les uns avec les autres, ainsi que la production de sels par interaction d'acides avec des métaux et des oxydes basiques et la production d'oxydes par des méthodes directes et indirectes.

Bien entendu, ces anticipations doivent être confirmées par des données empiriques, obtenues expérimentalement ou rapportées par l'enseignant. Le développement d'une approche créative de l'étude des substances est l'une des tâches importantes de l'enseignement de la chimie. Par conséquent, la prédiction de la composition chimique et des propriétés chimiques des substances devrait trouver sa place à la fois dans l'étude de nouvelles substances et dans la résolution de divers problèmes quantitatifs, par exemple : « Quelle composition qualitative et quantitative le nitrate de calcium doit-il avoir ? », « Quels sont les trois moyens d'obtenir du sulfate de cuivre », « Quelles sont les propriétés chimiques de l'acide phosphorique ? Écrivez les équations de réaction. Calculez les rapports pondéraux dans lesquels les substances interagissent et sont obtenues.

Les propriétés des substances étudiées sont nécessairement comparées entre elles. Trouver des similitudes et des différences dans les propriétés des substances est d'une grande importance pour préparer la maîtrise ultérieure de la loi périodique.

Dans les classes IX-X, en raison de l'élargissement de l'éventail des connaissances sur la base desquelles les substances sont étudiées, l'approche et la méthode de leur étude sont considérablement élargies et approfondies. Les circonstances suivantes jouent ici un rôle énorme : a) familiariser les étudiants avec les concepts de gramme-atome et de gramme-molécule, de volume gramme-moléculaire et développer les calculs stoechiométriques sur cette base ; b) étude des méthodes de production pour l'obtention de substances ; c) familiariser les étudiants avec les groupes naturels d'éléments chimiques, les modèles de changements dans les propriétés des substances simples, ainsi que les formes et propriétés des composés formés par ces éléments.

Avant d'étudier le tableau périodique des éléments chimiques, les élèves peuvent prédire la composition chimique, les méthodes de préparation et les propriétés chimiques de nombreuses substances étudiées en IXe année, sur la base de la connaissance des propriétés chimiques générales des oxydes, des acides, des bases et des sels et des méthodes générales. de leur préparation. Il s'agit d'une approche créative de l'étude des substances. Le renforcement de cette approche est facilité par l'étude des principes scientifiques de la production chimique, ainsi que par la résolution de problèmes quantitatifs et qualitatifs, notamment expérimentaux de divers types et types : obtention et reconnaissance de substances, séparation de mélanges, explication de réactions chimiques, prédiction de la propriétés caractéristiques des substances, etc.

Après avoir étudié le système périodique de D.I. Mendeleïev, puis la théorie de la structure atomique et la théorie ionique, un approfondissement marqué de l'approche créative de l'étude des substances se produit. Désormais, les substances sont étudiées du point de vue de la connexion générale des éléments chimiques, exprimées dans la loi périodique, et leurs propriétés chimiques - du point de vue électron-ionique. Les étudiants peuvent prédire les propriétés de substances simples, ainsi que les formes et les propriétés de leurs composés, comprendre plus en profondeur la nature de la liaison chimique des éléments dans les composés, ainsi que les propriétés chimiques et la préparation des substances.

Dans ces cours, il convient de montrer aux élèves que la nature contradictoire des atomes (ils sont constitués d'un noyau ayant une charge positive et d'électrons portant des charges électriques négatives), ainsi que les changements périodiques dans leur structure, déterminent les particularités des propriétés des substances et leurs transformations

Il semble également possible de montrer la formation brutale de substances d'une qualité nouvelle par l'ajout ou la soustraction d'atomes dans les molécules, ainsi que la présence de tendances opposées dans les réactions chimiques et les substances. En utilisant l'exemple de l'oxygène et de l'ozone, du dioxyde de soufre et de l'anhydride sulfurique, des acides sulfureux et sulfurique, du protoxyde d'azote, de l'oxyde et du dioxyde d'azote et d'autres substances, l'enseignant explique que l'accumulation d'atomes dans les molécules conduit nécessairement à la formation de substances qualitativement nouvelles.

Les acides et les bases, les agents oxydants et les agents réducteurs, les oxydes basiques, acides et amphotères et d'autres substances sont de bons exemples illustrant la présence de tendances opposées dans les substances.

L'observation systématique par les étudiants des changements dans la qualité des substances en relation avec les changements dans le nombre d'atomes dans les molécules, la démonstration constante de tendances opposées dans les substances et leurs propriétés chimiques contribuent à l'accumulation de faits nécessaires à la formation d'une vision du monde dialectique-matérialiste .

En 11e année, lors de l'étude de la chimie organique, l'approche de l'étude des substances est de plus en plus élargie et approfondie. La familiarité avec la théorie structurale ouvre la possibilité d'étudier la structure de la matière et la familiarité avec les composés organiques - non seulement la relation des substances étudiées avec les composés inorganiques, mais également avec les composés organiques. Il devient possible de déterminer la structure des substances sur la base de leurs propriétés chimiques, de prédire les propriétés chimiques sur la base de la structure des substances et de retracer leurs relations génétiques sur la base de la connaissance des propriétés chimiques et de la structure.

Ainsi, progressivement, de plus en plus de nouvelles connaissances font partie de la méthode créative de maîtrise de la science chimique.

Ce qui a été dit ci-dessus à propos de l'expansion et de l'approfondissement progressifs de l'approche de l'étude des substances peut être présenté sous la forme d'un tableau (tableau 11).

Il n'est pas difficile de découvrir qu'ici, en termes et jugements chimiques, une approche dialectico-matérialiste de l'étude de la matière s'exprime et est appliquée dans la plus grande mesure possible : un examen spécifique de la substance, une familiarisation avec ses éléments constitutifs et les connexions de ces parties entre elles, l'étude des principales connexions et relations essentielles et naturelles de cette substance avec d'autres substances et avec des facteurs physiques (propriétés chimiques), la familiarisation avec la transition d'une substance en substances qualitativement nouvelles lors de réactions chimiques, la prise en compte de méthodes d'obtention et d'utilisation pratique d'une substance, montrant la nature historique de la connaissance chimique, son expansion et son approfondissement progressifs, expliquant le rôle de la pratique en tant que déterminant de la connaissance de l'homme et critère de vérité.

Tableau 11

Un changement progressif dans l’approche de l’étude des substances

1. Propriétés physiques (état physique, couleur, odeur, goût, densité, poids moléculaire, etc.)		Le même et, en plus, le poids d'un gramme-atome, d'un gramme-molécule, d'un volume gramme-moléculaire	Le même et, en plus, le poids de 1 litre d'essence dans des conditions normales
2. Composition chimique. Les premières tentatives de prouver expérimentalement la composition chimique ; prédiction de la composition de certaines substances (par exemple, oxydes métalliques, sels, bases) ; basé sur la valence des éléments et des résidus (aqueux et acides)	De même et, en plus, la prédiction de la composition des oxydes, bases et sels, basée sur la valence des éléments et résidus (aqueux et acides). Expansion des preuves expérimentales de la composition des substances, en s'appuyant sur leurs réactions caractéristiques individuelles	La même chose et, en plus, la prédiction des formes de composés en fonction de la position de l'élément dans le tableau périodique. Explication de la nature de la liaison chimique des éléments dans un composé basée sur la structure des atomes et les propriétés des éléments	La même chose et, en plus, l'étude de la structure des substances et sa prédiction basée sur la valence des éléments et les propriétés chimiques des substances
3. Propriétés chimiques : attitude envers l'eau, l'oxygène, l'hydrogène, le charbon, les métaux, les oxydes métalliques, les bases, les acides, la chaleur et le courant électrique ; explication de ces propriétés du point de vue de la théorie atomique-moléculaire ; premières tentatives de prédire les propriétés chimiques des métaux, des acides et d'autres substances	La même attitude, et en plus, envers les sels et les oxydes d'acide est une expansion de la prédiction des propriétés chimiques des substances, basée sur la connaissance des propriétés chimiques générales des bases, des acides et des sels ; retracer les connexions génétiques de substances inorganiques	La même chose et, en plus, la prédiction des propriétés des substances simples et des composés chimiques d'éléments en fonction de leur position dans le tableau périodique, l'explication des propriétés chimiques des substances du point de vue électron-ion ; changements dans les propriétés des substances dus à l'addition et à la soustraction d'atomes dans les molécules ; le caractère contradictoire des propriétés des substances en raison du caractère contradictoire de la structure de leurs éléments constitutifs ; modification des propriétés des substances sous l'influence de l'environnement	Les mêmes et, en plus, la relation des substances avec les composés organiques, l'explication des propriétés chimiques des substances du point de vue de la théorie structurale et la prédiction des propriétés des substances en fonction de leur structure ; retracer les relations génétiques des substances organiques
4. Action physiologique
5. Similitudes d'une substance donnée avec d'autres substances et en quoi elle diffère de ces substances. D Attribuer des substances à des classes d'élèves connues			La même chose et, en plus, l'isomérie et l'homologie
6. Trouver des substances dans la nature et une explication réalisable des formes d'occurrence basée sur les propriétés chimiques des substances
7. Utilisation de substances dans l'industrie, l'agriculture et la vie quotidienne. Leur importance économique nationale.
8. Préparation de substances, explication des réactions pour la production de substances du point de vue de la théorie atomique-moléculaire ; prévoir les méthodes d'obtention de certaines substances (par exemple, les oxydes et les sels)	Les mêmes et, en outre, prévoyant des méthodes d'obtention d'oxydes, d'acides, de bases et de sels individuels sur la base de la connaissance des méthodes générales d'obtention de ceux-ci ; retracer les connexions génétiques de substances inorganiques	De même et, en plus, la production de certaines substances en production ; prévoir des méthodes d'obtention d'analogues et de leurs composés basées sur la connaissance des méthodes d'obtention de substances simples et complexes d'un des éléments d'un groupe naturel donné du tableau périodique, ainsi que des propriétés chimiques de cet élément ; explication des réactions pour la production de substances d'un point de vue électron-ion	De même et, en outre, prévoir des moyens d'obtenir des substances organiques en fonction de leurs propriétés générales et de leurs relations génétiques ; retracer les relations génétiques des substances organiques
9. Histoire de la découverte et de la recherche de substances ; le rôle de la pratique industrielle en la matière ; priorité des scientifiques russes dans la découverte et la recherche de substances

Déjà en 7e année, lors de l'étude de l'oxygène, les élèves devraient être initiés à l'approche chimique de l'étude des substances, montrant que cette approche est aussi un plan d'étude. Il est utile de l’écrire dans un cahier et de l’accrocher sous forme de tableau dans votre bureau.

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Section 4.

Méthodes et moyens techniques de recherche médico-légale sur la structure et d'autres propriétés des substances et des matériaux

Il semble approprié d'envisager simultanément des méthodes permettant de réaliser une analyse de phase de substances et d'étudier leur structure, car la composition et la structure des phases sont interconnectées et certaines méthodes pour leur étude coïncident. Au KIWMI, la structure et la composition des phases sont principalement étudiées en métallographie et radiographie.

Riz. 29. Système de méthodes pour étudier la composition des phases des substances et des matériaux

4.1.

MÉTHODES D'ÉTUDE DE LA COMPOSITION EN PHASE DE SUBSTANCES ET DE MATÉRIAUX EN CRIMINOLOGIE

Méthodes d'étude de la composition des phases des substances et des matériaux sont conçus pour établir le contenu qualitatif et quantitatif de phases ayant des compositions chimiques identiques et différentes (Fig. 29).

Analyse métallographique

La branche de la science des matériaux qui étudie les changements dans la macro et la microstructure des métaux et alliages dus aux changements dans leur composition chimique et leurs conditions de traitement est appelée métallographie. La description de l'analyse métallographique a été donnée ci-dessus (dans la section 3.1. « Méthodes et moyens techniques de morphoanalyse médico-légale des substances et matériaux »).

L'étude des coupes métallographiques permet de déterminer la structure du métal et d'observer différentes phases dans le champ de vision du microscope, qui peuvent être peintes de différentes couleurs. Cela vous permet de connaître des circonstances aussi importantes que les caractéristiques de la technologie de traitement du produit (forgeage, traitement thermique, etc.), la température de chauffage de l'échantillon et le moment de l'incident, par exemple lors d'un incendie, etc. Par exemple, par analyse métallographique, il est possible de déterminer dans quelle atmosphère, pauvre ou riche en oxygène, la fusion des fils s'est produite au moment du court-circuit. À son tour, l'établissement de cette circonstance est important pour décider si le court-circuit était la cause de l'incendie ou s'il en était la conséquence.

L'analyse métallographique permet d'estimer le contenu quantitatif des inclusions dans une lame mince et est très claire. Cependant, cette méthode de recherche est destructrice et sa précision est inférieure à l’analyse de phase aux rayons X.

Analyse de phase par diffraction des rayons X

L'analyse de phase aux rayons X est une méthode permettant de déterminer la composition des phases de substances cristallines solides et de certaines substances amorphes. Chaque substance cristalline a une géométrie strictement individuelle du réseau cristallin, caractérisée par un ensemble de distances interplanaires. Lorsque les rayons X traversent un cristal, un effet de diffraction se produit. Le diagramme de diffraction est réalisé soit photographiquement dans des caméras spéciales sur film radiographique, soit à l'aide de diffractomètres à rayons X utilisant des systèmes d'enregistrement électroniques.

Pour résoudre la question de la phase présente dans un échantillon, il n’est pas nécessaire de déterminer sa structure cristalline. Il suffit de calculer le diagramme de diffraction (diagramme des rayons X) et de comparer la série résultante de distances interplanaires et d'intensités relatives des lignes avec celles données dans les fichiers de données radiologiques, dont le plus complet est le déterminant de phase américain constamment mis à jour - le dossier du Comité mixte sur les normes de diffraction des poudres (JCPDS).

La présence de certaines raies dans le diagramme de diffraction des rayons X caractérise la composition qualitative des phases de l'échantillon. Un mélange de plusieurs composés chimiques individuels produit un diagramme de diffraction des rayons X, qui est une superposition d'effets de diffraction caractérisant les phases individuelles. Lors de la comparaison des distances interplanaires d'échantillons et d'étalons, il est souvent nécessaire d'analyser de très grandes quantités d'informations. Le traitement des données est donc effectué sur un PC à l'aide de systèmes automatisés et de bases de données.

L'analyse de phase aux rayons X est utilisée pour étudier des objets KIWMI tels que les métaux et alliages, les médicaments, les substances d'origine terrestre, le papier, les parfums et cosmétiques, les peintures et revêtements, etc.

Analyse calorimétrique

La calorimétrie est un groupe de méthodes permettant de mesurer les effets thermiques (quantité de chaleur) accompagnant divers processus physiques, chimiques et biologiques. La calorimétrie comprend la mesure de la capacité thermique, de la chaleur des transitions de phase, des effets thermiques de la magnétisation, de l'électrification, de la dissolution et des réactions chimiques (par exemple, combustion). Les instruments utilisés en calométrie sont appelés calorimètres.

Les méthodes de thermographie sont utilisées par exemple dans l’étude des polymères. Ils permettent de déterminer les types de polymères, la composition de leurs mélanges et copolymères, les marques de certains polymères, la présence et la composition d'additifs spéciaux, pigments et charges, les caractéristiques déterminées par la technologie de synthèse et de transformation des polymères en produits, ainsi que les conditions d'exploitation de cette dernière. Cependant, la combinaison des méthodes d’analyse thermographiques et chromatographiques en phase gazeuse est plus efficace.

Méthodes d'analyse thermique

Les méthodes d'analyse thermique sont des méthodes d'étude des processus physiques, chimiques et chimiques basées sur l'enregistrement des effets thermiques accompagnés de conditions de programmation de température. La configuration des méthodes d'analyse thermique comprend généralement un four, des porte-échantillons, des thermocouples qui mesurent la température dans le four et des échantillons. Lorsqu'un échantillon est chauffé ou refroidi, les changements de température de l'objet au fil du temps sont enregistrés. En cas de transformations de phase, un plateau ou un pli apparaît sur la courbe de chauffage (refroidissement).

L'analyse thermogravimétrique (ATG) est basée sur l'enregistrement des changements de masse d'un échantillon en fonction de la température dans des conditions de changements programmés de la température de l'environnement.

En analyse thermique différentielle (ATD), l'évolution de la différence de température entre l'échantillon étudié et un échantillon de comparaison, qui ne subit aucune transformation dans une plage de température donnée, est enregistrée au fil du temps. Les effets enregistrés par DTA peuvent être provoqués par la fusion, la sublimation, l'évaporation, l'ébullition, des modifications du réseau cristallin et des transformations chimiques.

4.2. MÉTHODES D'ÉTUDE DE LA STRUCTURE DES SUBSTANCES ET DES MATÉRIAUX EN CRIMINOLOGIE

Selon l'origine, la technologie de production ou les conditions d'exploitation, les mêmes substances ou matériaux peuvent avoir des structures différentes. Par exemple, le durcissement ou le revenu de l'acier ne modifie pas sa composition, mais modifie sa structure, ce qui entraîne une modification de ses propriétés mécaniques (dureté, élasticité, etc.).

Comme déjà indiqué, les analyses métallographiques et spectrales aux rayons X sont le plus souvent utilisées pour étudier la structure cristalline des substances et des matériaux. La description de l'analyse métallographique est donnée ci-dessus, nous nous concentrerons donc sur l'analyse par diffraction des rayons X.

La base physique de la méthode est la nature spécifique de l'interaction du rayonnement X avec des substances ayant une structure ordonnée. Les effets thermiques et mécaniques sur les matériaux et produits fabriqués à partir de ceux-ci (notamment les métaux et alliages) conduisent à l'apparition de macrocontraintes résiduelles, qui, à leur tour, provoquent une déformation du réseau cristallin. Cette déformation est enregistrée lors des études de diffraction des rayons X sous la forme de déplacements de raies dans les diagrammes de diffraction et les diagrammes de diffraction des rayons X. Lors du recuit des métaux et des alliages, il se produit une libération de contraintes résiduelles, une recristallisation et une croissance des grains, ce qui entraîne une modification de l'emplacement, de la forme et de la largeur des raies de rayons X. De plus, le chauffage du métal entraîne la formation de tartre à la surface du produit, dont la présence est enregistrée sur le diagramme de diffraction des rayons X sous la forme de l'apparition de raies supplémentaires.

Il existe différentes méthodes pour étudier le métabolisme du corps et des organes individuels. L'une des méthodes les plus anciennes est expériences d'équilibre , qui consiste à étudier la quantité de substances organiques entrantes et la quantité de produits finaux formés.

Pour étudier le métabolisme dans des organes individuels, la méthode est utilisée organes isolés . Organes capables de maintenir leur activité vitale pendant un certain temps et d'utiliser les nutriments qui passent par le sang pour leurs activités.

Étudier le métabolisme dans des organes individuels - méthode d'angéostomie. Développé par Londres. Des tubes spéciaux sont placés sur les vaisseaux sanguins, qui permettent au sang de circuler vers n'importe quel organe. Le processus métabolique est jugé par les modifications de la composition chimique du sang.

Actuellement largement utilisé méthode de l'atome étiqueté – basé sur l’utilisation de composés dont les molécules comprennent des atomes d’isotopes lourds et radioactifs de bioéléments. Lorsque des composés marqués avec de tels isotopes sont introduits dans l’organisme, des méthodes d’analyse radiométrique sont utilisées pour retracer le devenir des éléments ou des composés dans l’organisme et leur participation aux processus métaboliques.

Question 59 Métabolisme des protéines. Leur classification (deux types) et leurs caractéristiques. Importance pour le corps. Valeur biologique des protéines. Bilan azoté. Le rôle du foie dans le métabolisme des protéines. Caractéristiques du métabolisme des protéines chez les ruminants. Régulation du métabolisme des protéines

Métabolisme des protéines FONCTIONS DES PROTÉINES

Fonction plastique les protéines sont d’assurer la croissance et le développement de l’organisme grâce à des processus de biosynthèse.

Activité enzymatique les protéines régulent la vitesse des réactions biochimiques.

Fonction protectrice des protéines consiste en la formation de protéines immunitaires - des anticorps. Les protéines sont capables de lier les toxines et les poisons et assurent également la coagulation du sang (hémostase).

Fonction de transport implique le transfert d’oxygène et de dioxyde de carbone par les protéines des globules rouges hémoglobine, ainsi que dans la liaison et le transfert de certains ions (fer, cuivre, hydrogène), de médicaments et de toxines.

Rôle énergétique les protéines sont dues à leur capacité à libérer de l’énergie lors de l’oxydation.

Le métabolisme des protéines passe par quatre étapes principales :

Dégradation des protéines dans le tractus gastro-intestinal et absorption sous forme d'acides aminés ;

Le maillon central du métabolisme est la synthèse des propres protéines de l’organisme à partir des acides aminés et la dégradation des protéines dans les cellules ;

Transformations intermédiaires des acides aminés dans les cellules ;

Formation et excrétion des produits finaux du métabolisme des protéines.

Bilan azoté

Un indicateur indirect de l'activité du métabolisme des protéines est ce qu'on appelle bilan azoté- la différence entre la quantité d'azote provenant des aliments et la quantité d'azote excrétée par l'organisme sous forme de métabolites finaux.

Bilan azoté- quantité d'azote apportée équivaut à quantité excrétée (notée chez un animal adulte en bonne santé dans des conditions normales d'alimentation et de logement)

Bilan azoté positif dépasse Souligné.

Bilan azoté négatif- une condition dans laquelle la quantité d'azote fournie moins attribué.

Le calcul du bilan azoté est basé sur le fait que les protéines contiennent environ 16 % d'azote, c'est-à-dire que chaque 16 g d'azote correspond à 100 g de protéines (100:16 = 6,25).

Minimum de protéines

La plus petite quantité de protéines introduite avec les aliments, qui aide à maintenir l'équilibre azoté.

Petits bovins, porcs – 1 g/kg de poids vif

Chevaux – 0,7-0,8 (1,2-1,42)

Vaches – 0,6-0,7 (1)

Humain – 1,5-1,7 (optimum protéique).

Quelle que soit la spécificité de l'espèce, toutes les diverses structures protéiques ne contiennent que 20 acides aminés . Pour un métabolisme normal, non seulement la quantité de protéines reçue est importante, mais aussi sa composition qualitative, à savoir le rapport remplaçable Et acides aminés essentiels.

Il existe 10 acides aminés essentiels pour les animaux monogastriques, les oiseaux et les humains : disine, tryptophane, histidine, phénylalanine, leucine, isoleucine, méthionine, valine, thréonine, arginine.

Valeur biologique des protéines

Les ruminants et certaines autres espèces animales ont leurs propres caractéristiques dans le métabolisme des protéines : la microflore du proventricule est capable de synthétiser tous les acides aminés essentiels et peut donc survivre grâce à des aliments dépourvus d'acides aminés essentiels.

Les protéines qui ne contiennent pas au moins un acide aminé essentiel ou si elles sont contenues en quantités insuffisantes sont appelées défectueux (protéines végétales).

Métabolisme des acides aminés

Le principal site du métabolisme des acides aminés est le foie :

désamination – élimination du groupe amino (sous forme d'ammoniac) avec formation d'acides gras, d'hydroxyacides, d'acides céto ;

transamination – transfert de groupes aminés des acides aminés aux acides céto avec formation d'un autre acide aminé et acide céto sans formation intermédiaire d'ammoniac ;

décarboxylation – élimination du groupe carboxyle sous forme de dioxyde de carbone avec formation d’amines biogènes.

Régulation du métabolisme des protéines

Glucocorticoïdes- accélère la dégradation des protéines et des acides aminés, entraînant une libération accrue d'azote de l'organisme.

Mécanisme d'action STG consiste à accélérer l’utilisation des acides aminés par les cellules. En conséquence, avec l'acromégalie et le gigantisme hypophysaire, un bilan azoté positif est observé, et avec l'hypophysectomie et le nanisme hypophysaire, un bilan négatif est observé.

Thyroxine: avec l'hyperfonctionnement de la glande thyroïde, le métabolisme des protéines augmente

L'hypofonction s'accompagne d'un ralentissement du métabolisme, la croissance et le développement de l'organisme s'arrêtent.

Dans le foie non seulement la synthèse des protéines se produit, mais les produits de leur pourriture sont également désinfectés. Dans les reins une désamination des produits du métabolisme azoté se produit.

L'étude des substances est une question plutôt complexe et intéressante. Après tout, on ne les trouve presque jamais dans la nature sous leur forme pure. Le plus souvent, il s'agit de mélanges de composition complexe, dans lesquels la séparation des composants nécessite certains efforts, compétences et équipements.

Après séparation, il est tout aussi important de déterminer correctement si une substance appartient à une classe particulière, c'est-à-dire de l'identifier. Déterminer les points d'ébullition et de fusion, calculer le poids moléculaire, tester la radioactivité, etc., en général, recherche. A cet effet, diverses méthodes sont utilisées, notamment des méthodes d'analyse physico-chimiques. Ils sont très divers et nécessitent généralement l’utilisation d’équipements spéciaux. Ils seront discutés plus loin.

Méthodes d'analyse physico-chimiques : concept général

Quelles sont ces méthodes d’identification des composés ? Ce sont des méthodes basées sur la dépendance directe de toutes les propriétés physiques d'une substance sur sa composition chimique structurelle. Ces indicateurs étant strictement individuels pour chaque composé, les méthodes de recherche physico-chimiques sont extrêmement efficaces et donnent des résultats à 100 % pour déterminer la composition et les autres indicateurs.

Ainsi, les propriétés suivantes d'une substance peuvent être prises comme base :

• capacité d'absorption de la lumière;
• conductivité thermique;
• conductivité électrique;
• température d'ébullition;
• la fusion et d'autres paramètres.

Les méthodes de recherche physicochimiques présentent une différence significative par rapport aux méthodes purement chimiques d'identification des substances. Grâce à leur travail, aucune réaction ne se produit, c'est-à-dire la transformation d'une substance, réversible ou irréversible. En règle générale, les composés restent intacts tant en masse qu’en composition.

Caractéristiques de ces méthodes de recherche

Ces méthodes de détermination des substances présentent plusieurs caractéristiques principales.

1. L'échantillon de recherche n'a pas besoin d'être nettoyé des impuretés avant la procédure, car l'équipement ne l'exige pas.
2. Les méthodes d'analyse physicochimiques ont un degré élevé de sensibilité, ainsi qu'une sélectivité accrue. Par conséquent, une très petite quantité de l’échantillon testé est nécessaire pour l’analyse, ce qui rend ces méthodes très pratiques et efficaces. Même s'il est nécessaire de déterminer un élément contenu dans la masse humide totale en quantités négligeables, cela ne constitue pas un obstacle pour les méthodes indiquées.
3. L'analyse ne prend que quelques minutes, une autre caractéristique est donc sa courte durée, ou son expressivité.
4. Les méthodes de recherche envisagées ne nécessitent pas l'utilisation d'indicateurs coûteux.

Évidemment, les avantages et les caractéristiques sont suffisants pour rendre les méthodes de recherche physico-chimiques universelles et demandées dans presque toutes les études, quel que soit le domaine d'activité.

Classification

Plusieurs caractéristiques peuvent être identifiées sur la base desquelles les méthodes considérées sont classées. Cependant, nous présenterons le système le plus général qui regroupe et couvre toutes les principales méthodes de recherche directement liées aux méthodes physico-chimiques.

1. Méthodes de recherche électrochimique. Sur la base du paramètre mesuré, ils sont divisés en :

• potentiométrie;
• voltammétrie;
• polarographie;
• oscillométrie;
• conductométrie;
• électrogravimétrie;
• coulométrie;
• ampérométrie;
• dielcométrie;
• conductométrie haute fréquence.

2. Spectral. Inclure:

• optique;
• Spectroscopie photoélectronique par rayons X;
• résonance électromagnétique et magnétique nucléaire.

3. Thermique. Divisée en:

• thermique;
• thermogravimétrie;
• calorimétrie;
• enthalpimétrie;
• délatométrie.

4. Les méthodes chromatographiques, qui sont :

• gaz;
• sédimentaire;
• gel pénétrant;
• échange;
• liquide.

Il est également possible de diviser les méthodes d'analyse physico-chimiques en deux grands groupes. Les premiers sont ceux qui entraînent une destruction, c'est-à-dire la destruction totale ou partielle d'une substance ou d'un élément. La seconde est non destructive, préservant l’intégrité de l’échantillon testé.

Application pratique de ces méthodes

Les domaines d'utilisation des méthodes de travail considérées sont assez divers, mais tous, bien entendu, se rapportent d'une manière ou d'une autre à la science ou à la technologie. En général, nous pouvons donner plusieurs exemples de base, à partir desquels il deviendra clair pourquoi de telles méthodes sont exactement nécessaires.

1. Contrôle du flux de processus technologiques complexes en production. Dans ces cas, des équipements sont nécessaires pour le contrôle et le suivi sans contact de tous les maillons structurels de la chaîne de travail. Ces mêmes instruments enregistreront les problèmes et les dysfonctionnements et fourniront un rapport quantitatif et qualitatif précis sur les mesures correctives et préventives.
2. Réaliser des travaux pratiques de chimie en vue de déterminer qualitativement et quantitativement le rendement du produit de réaction.
3. Examen d'un échantillon d'une substance pour déterminer sa composition élémentaire exacte.
4. Détermination de la quantité et de la qualité des impuretés dans la masse totale de l'échantillon.
5. Analyse précise des participants intermédiaires, principaux et secondaires à la réaction.
6. Un rapport détaillé sur la structure d’une substance et les propriétés qu’elle présente.
7. Découverte de nouveaux éléments et obtention de données caractérisant leurs propriétés.
8. Confirmation pratique des données théoriques obtenues empiriquement.
9. Travaux analytiques avec des substances de haute pureté utilisées dans divers domaines technologiques.
10. Titrage de solutions sans utilisation d'indicateurs, ce qui donne un résultat plus précis et un contrôle tout à fait simple, grâce au fonctionnement de l'appareil. Autrement dit, l’influence du facteur humain est réduite à zéro.
11. Des méthodes physico-chimiques de base d'analyse permettent d'étudier la composition de :

• minéraux;
• minéral;
• les silicates ;
• météorites et corps étrangers ;
• métaux et non-métaux ;
• alliages;
• substances organiques et inorganiques;
• monocristaux;
• éléments rares et oligo-éléments.

Domaines d'utilisation des méthodes

• Pouvoir nucléaire;
• la physique;
• chimie;
• radioélectronique;
• technologie laser;
• recherche spatiale et autres.

La classification des méthodes d'analyse physico-chimiques ne fait que confirmer à quel point elles sont complètes, précises et universelles pour leur utilisation en recherche.

Méthodes électrochimiques

La base de ces méthodes réside dans les réactions dans des solutions aqueuses et sur des électrodes sous l'influence du courant électrique, c'est-à-dire, en termes simples, l'électrolyse. En conséquence, le type d’énergie utilisé dans ces méthodes d’analyse est le flux d’électrons.

Ces méthodes ont leur propre classification des méthodes d'analyse physico-chimiques. Ce groupe comprend les espèces suivantes.

1. Analyse gravimétrique électrique. Sur la base des résultats de l'électrolyse, une masse de substances est retirée des électrodes, qui sont ensuite pesées et analysées. C'est ainsi que sont obtenues les données sur la masse des composés. L'une des variétés de ce travail est la méthode d'électrolyse interne.
2. Polarographie. Il est basé sur la mesure de l’intensité du courant. C'est cet indicateur qui sera directement proportionnel à la concentration des ions souhaités dans la solution. Le titrage ampérométrique des solutions est une variante de la méthode polarographique considérée.
3. La coulométrie est basée sur la loi de Faraday. La quantité d'électricité dépensée pour le processus est mesurée, à partir de laquelle ils procèdent ensuite au calcul des ions dans la solution.
4. Potentiométrie - basée sur la mesure des potentiels d'électrode des participants au processus.

Tous les procédés considérés sont des méthodes physiques et chimiques d'analyse quantitative de substances. À l'aide de méthodes de recherche électrochimiques, les mélanges sont séparés en leurs composants et la quantité de cuivre, de plomb, de nickel et d'autres métaux est déterminée.

Spectral

Il est basé sur les processus du rayonnement électromagnétique. Il existe également une classification des méthodes utilisées.

1. Photométrie de flamme. Pour ce faire, la substance d'essai est pulvérisée sur une flamme nue. De nombreux cations métalliques donnent une certaine couleur, leur identification est donc possible de cette manière. Il s'agit principalement de substances telles que : les métaux alcalins et alcalino-terreux, le cuivre, le gallium, le thallium, l'indium, le manganèse, le plomb et même le phosphore.
2. Spectroscopie d'absorption. Comprend deux types : spectrophotométrie et colorimétrie. La base est la détermination du spectre absorbé par la substance. Il agit à la fois sur les parties visibles et chaudes (infrarouges) du rayonnement.
3. Turbidimétrie.
4. Néphélométrie.
5. Analyse luminescente.
6. Réfractométrie et polarométrie.

Évidemment, toutes les méthodes considérées dans ce groupe sont des méthodes d'analyse qualitative d'une substance.

Analyse des émissions

Cela provoque l’émission ou l’absorption d’ondes électromagnétiques. Sur la base de cet indicateur, on peut juger de la composition qualitative de la substance, c'est-à-dire quels éléments spécifiques sont inclus dans la composition de l'échantillon de recherche.

Chromatographique

Les études physicochimiques sont souvent réalisées dans des environnements différents. Dans ce cas, les méthodes chromatographiques deviennent très pratiques et efficaces. Ils sont divisés dans les types suivants.

1. Liquide adsorbant. Elle repose sur les différentes capacités d’adsorption des composants.
2. Chromatographie des gaz. Également basé sur la capacité d'adsorption, uniquement pour les gaz et les substances à l'état de vapeur. Il est utilisé dans la production en masse de composés dans des états d'agrégation similaires, lorsque le produit sort dans un mélange qui doit être séparé.
3. Chromatographie de partage.
4. Rédox.
5. Échange d'ion.
6. Papier.
7. Fine couche.
8. Sédimentaire.
9. Adsorption-complexion.

Thermique

La recherche physicochimique implique également l'utilisation de méthodes basées sur la chaleur de formation ou de décomposition des substances. Ces méthodes ont également leur propre classification.

1. Les analyses thermiques.
2. Thermogravimétrie.
3. Calorimétrie.
4. Enthalpométrie.
5. Dilatométrie.

Toutes ces méthodes permettent de déterminer la quantité de chaleur, les propriétés mécaniques et l'enthalpie des substances. Sur la base de ces indicateurs, la composition des composés est déterminée quantitativement.

Méthodes de chimie analytique

Cette section de la chimie a ses propres caractéristiques, car la tâche principale des analystes est la détermination qualitative de la composition d'une substance, son identification et sa comptabilité quantitative. À cet égard, les méthodes d'analyse analytique sont divisées en :

• chimique;
• biologique;
• physico-chimique.

Puisque nous nous intéressons à ces dernières, nous examinerons lesquelles d'entre elles sont utilisées pour déterminer les substances.

Les principaux types de méthodes physico-chimiques en chimie analytique

1. Spectroscopique - tous les mêmes que ceux évoqués ci-dessus.
2. Spectre de masse - basé sur l'action des champs électriques et magnétiques sur les radicaux libres, les particules ou les ions. Les assistants de laboratoire d'analyse physicochimique fournissent l'effet combiné des champs de force désignés, et les particules sont séparées en flux d'ions séparés en fonction du rapport charge/masse.
3. Méthodes radioactives.
4. Électrochimique.
5. Biochimique.
6. Thermique.

Que pouvons-nous apprendre sur les substances et les molécules issues de telles méthodes de traitement ? Premièrement, la composition isotopique. Et aussi : les produits de réaction, la teneur de certaines particules dans des substances particulièrement pures, les masses des composés recherchés et d'autres éléments utiles aux scientifiques.

Ainsi, les méthodes de chimie analytique sont des moyens importants pour obtenir des informations sur les ions, les particules, les composés, les substances et leur analyse.

Méthodes expérimentales pour étudier la structure des cristaux La détermination de la structure des substances et des matériaux, c'est-à-dire la détermination de l'emplacement dans l'espace de leurs unités structurelles constitutives (molécules, ions, atomes), est réalisée à l'aide de diverses méthodes. Des informations quantitatives sur la structure des composés à l'état cristallin sont fournies par des méthodes de diffraction : - analyse structurale des rayons X, - diffraction électronique, - diffraction neutronique. Ils reposent sur l'étude de la distribution angulaire de l'intensité du rayonnement diffusé par la substance étudiée - rayons X, flux d'électrons ou de neutrons. . 1

Les méthodes de diffraction reposent sur le phénomène de diffraction (diffusion cohérente) des rayons X, des électrons et des neutrons sur le réseau cristallin des solides. Le processus d'absorption de l'énergie du rayonnement incident et de libération de cette énergie lors de l'émission d'une onde de même longueur est appelé diffusion cohérente. Les ondes traversant une substance cristalline subissent une diffraction, puisqu'un réseau cristallin avec des distances interatomiques moyennes de l'ordre de 10 à 10 m est pour elles un réseau de diffraction. La longueur d'onde du rayonnement incident doit être comparable à ces distances interatomiques. 2

Actuellement, à la suite d'études structurelles systématiques, des documents assez complets ont été accumulés sur la détermination de la structure d'une grande variété de substances. Ces données permettent d'établir un certain nombre de relations entre : - la composition chimique d'un solide, - la nature des forces d'interaction interatomique dans celui-ci, - la disposition spatiale de ces atomes, - les propriétés physiques. Les régularités de la structure des cristaux, établies par analyse structurale, s'avèrent souvent si générales qu'elles peuvent être utilisées dans l'analyse de substances qui n'ont pas encore été étudiées. Dans de nombreux cas, cela permet de construire des modèles de structure, ce qui facilite la tâche de recherche structurelle et la réduit à vérifier l'exactitude d'un modèle particulier. 3

Dans toutes les méthodes de diffraction, un faisceau monochromatique est dirigé vers l'objet étudié et le diagramme de diffusion est analysé. Le rayonnement diffusé est enregistré photographiquement ou à l'aide de compteurs. Sur la base du diagramme de diffraction, il est en principe possible de reconstruire la structure atomique d’une substance. Si le diagramme de diffraction sur le film est un ensemble de points, alors le solide est à l’état de monocristal. S'il s'agit d'un ensemble d'anneaux concentriques (sur un film plat) - un polycristal. S'il y a des anneaux (halos) flous (diffus), alors le corps est dans un état amorphe. À partir de la distribution et de l’intensité des maxima de diffraction, il est possible de calculer les positions des atomes, c’est-à-dire de déterminer la structure. 4

La théorie qui décrit la relation entre le motif de diffusion élastique et la disposition spatiale des centres de diffusion est la même pour tous les rayonnements X, flux d'électrons ou de neutrons. Cependant, étant donné que l'interaction de différents types de rayonnement avec la matière a une nature physique différente, le type et les caractéristiques spécifiques du diagramme de diffraction sont déterminés par différentes caractéristiques des atomes. Ainsi, différentes méthodes de diffraction fournissent des informations complémentaires. 5

Fondements de la théorie de la diffraction. Une onde monochromatique plane de longueur d'onde λ et de vecteur d'onde k 0, où | k0| = 2π/ λ, peut être considéré comme un faisceau de particules d'impulsion p, où |p| = h/λ ; h est la constante de Planck. L'amplitude F d'une onde (de vecteur d'onde k), diffusée par un ensemble de n atomes, est déterminée par l'équation : où vecteur s = (k - k 0)/ 2π, s = 2 sinθ/λ, 2θ est le l'angle de diffusion, fj(s) est le facteur atomique, ou facteur de diffusion atomique, c'est-à-dire une fonction qui détermine l'amplitude de diffusion du jème atome (ou ion) isolé ; r j est son rayon vecteur. 6

Une expression similaire peut être écrite si l'on suppose qu'un objet de volume V a une densité de diffusion continue ρ(r) : le facteur atomique f(s) est également calculé en utilisant la même formule ; dans ce cas, ρ(r) décrit la distribution de la densité de diffusion à l'intérieur de l'atome. Les valeurs du facteur atomique sont spécifiques à chaque type de rayonnement. Le rayonnement X se produit lorsque les rayons cathodiques (un flux d'électrons se déplaçant de l'anode à la cathode) interagissent avec la substance anodique. 7

Les rayons X sont diffusés par les couches électroniques des atomes. Le facteur atomique fр à θ = 0 est numériquement égal au nombre d'électrons Z dans l'atome si fр est exprimé en unités dites électroniques, c'est-à-dire en unités relatives de l'amplitude de diffusion des rayons X par un électron libre. À mesure que l’angle de diffusion augmente, le facteur atomique fр diminue. La diffusion électronique est déterminée par le potentiel électrostatique de l'atome φ(r) (r est la distance du centre de l'atome). Le facteur atomique des électrons fе est lié à la relation fр : où e est la charge de l'électron, m est sa masse. 8

Les valeurs absolues de fe (~10 -8 cm) sont nettement supérieures à fр (~10 -11 cm), c'est-à-dire que l'atome diffuse les électrons plus fortement que les rayons X ; fe diminue avec l’augmentation de sinθ/λ, plus fortement que fр, mais la dépendance de fe à l’égard de Z est plus faible. L'intensité de la diffraction électronique est environ 106 fois supérieure à celle des rayons X. Les neutrons sont diffusés par les noyaux atomiques (facteur fn), ainsi qu'en raison de l'interaction des moments magnétiques des neutrons avec les moments magnétiques non nuls des atomes (facteur fnm). Le rayon d'action des forces nucléaires est très petit (~10 -6 nm), donc les valeurs de fn sont pratiquement indépendantes de θ. De plus, les facteurs fн ne dépendent pas de manière monotone du numéro atomique Z et, contrairement à fр et fe, peuvent prendre des valeurs négatives. En valeur absolue fn ~10 -12 cm.9

L'intensité de la diffraction des neutrons est environ 100 fois inférieure à celle du rayonnement X. L'avantage de la méthode est qu'elle révèle la différence entre des atomes ayant des numéros atomiques proches, ce qui est difficile à faire avec les méthodes de diffraction des rayons X et de diffraction électronique. L'intensité I(s) de diffusion par un cristal est proportionnelle au carré du module d'amplitude : I(s)~|F(s)|2. Seuls les modules |F(s)| peuvent être déterminés expérimentalement, et pour construire la fonction de densité de diffusion ρ(r) il faut également connaître les phases φ(s) pour chaque s. Néanmoins, la théorie des méthodes de diffraction permet d'obtenir la fonction ρ(r) à partir du(des) I mesuré(s), c'est-à-dire de déterminer la structure des substances. Dans ce cas, les meilleurs résultats sont obtenus lors de l'étude des cristaux 10

Analyse structurale aux rayons X de monocristaux et de poudres L'analyse structurale aux rayons X (DRX) est basée sur la diffraction des rayons X traversant un monocristal et apparaissant lors de l'interaction avec un échantillon de rayonnement X d'une longueur d'onde d'environ 0,1. n.m. On utilise généralement un rayonnement X caractéristique, dont la source est généralement un tube à rayons X. L'analyse structurelle implique généralement l'obtention de données expérimentales et leur traitement mathématique. L'instrument de diffraction des rayons X est un diffractomètre qui comprend une source de rayonnement, un goniomètre, un détecteur et un dispositif de mesure et de contrôle. onze

Le goniomètre permet d'installer (avec une précision d'environ 13 secondes d'arc) l'échantillon étudié et le détecteur dans la position requise pour obtenir le diagramme de diffraction. Les détecteurs sont des compteurs à scintillation, proportionnels ou à semi-conducteurs. L'appareil de mesure enregistre (en continu ou point par point) l'intensité du goniomètre à diffraction des rayons X. maxima (réflexions, réflexions) en fonction de l'angle de diffraction - l'angle entre les faisceaux incident et diffracté 12

Grâce à la DRX, des échantillons polycristallins et des monocristaux de métaux, alliages, minéraux, cristaux liquides, polymères, biopolymères et divers composés organiques et inorganiques de faible poids moléculaire sont étudiés. Dans un corps réel vers lequel le rayonnement X est dirigé, il existe un grand nombre d'atomes et chacun d'eux devient une source d'ondes dispersées. L'énergie du rayonnement est diffusée dans différentes directions avec différentes intensités. Le type de diagramme de diffusion dépend du type d’atomes, des distances qui les séparent, de la fréquence du rayonnement incident et d’un certain nombre d’autres facteurs. Le scientifique russe Wulf et le père et le fils anglais Bregga ont donné une interprétation simple de l'interférence des rayons X dans les cristaux, en l'expliquant par la réflexion des réseaux atomiques. 13

Un réseau cristallin tridimensionnel peut être considéré comme un ensemble infini d’ensembles de plans atomiques parallèles avec une distance interplanaire d. Laissez un faisceau parallèle de rayons monochromatiques de longueur d’onde l tomber sur le cristal selon un angle rasant q. . Les rayons sont réfléchis depuis une famille de plans parallèles à la surface avec une distance interplanaire d sous le même angle q. Les rayons réfléchis parallèles I et II interfèrent, c'est-à-dire qu'ils se renforcent et s'affaiblissent mutuellement. 14

Si leur différence de marche entre les rayons réfléchis parallèles I et II Δ=(AB+BC)-AD est égal à un nombre entier n de longueurs d'onde l, alors un maximum d'interférence est observé. La condition d’apparition d’un tel maximum peut s’écrire 2 dhklsinθ= n λ. Cette relation est appelée loi de Wulff-Bragg. Cette relation est une conséquence de la périodicité du réseau spatial et n'est pas liée à la disposition des atomes dans une cellule ou sur les sites du réseau. 15

Conditions de Laue Ce sont les conditions dans lesquelles des maxima d'interférence apparaissent lorsque le rayonnement est diffusé sur les sites du réseau cristallin. Sélectionnons une rangée de nœuds dans le cristal dans la direction de l'axe des x avec une distance entre les nœuds a. Si un faisceau de rayons monochromatiques parallèles de longueur d'onde λ est dirigé vers une telle rangée sous un angle arbitraire φ 0, alors le maximum d'interférence ne sera observé que dans les directions pour lesquelles toutes les réflexions des nœuds se renforcent mutuellement. Ce sera le cas si la différence de trajet entre le faisceau incident et le faisceau diffusé par n'importe quel nœud de la série Δ=AC-BD est égale à un nombre entier de longueurs d'onde : 16

Pour trois directions non coplanaires, les conditions de Laue ont la forme où ψ0 et χ0 sont les angles d'incidence des rayons X sur les rangées nodales situées respectivement le long des directions, et k et l sont les indices d'interférence correspondants. L'équation d'interférence de Laue et la loi de Wulff-Bragg 17 sont équivalentes.

Ainsi, dans chaque cristal, il est possible de distinguer un ensemble de plans périodiquement situés, formés par des atomes du réseau cristallin disposés dans le bon ordre. Les rayons X pénètrent dans le cristal et sont réfléchis depuis chaque plan de cet assemblage. En conséquence, de nombreux faisceaux cohérents de rayons X apparaissent, entre lesquels il existe une différence de trajet. Les faisceaux interfèrent les uns avec les autres de la même manière que les ondes lumineuses sur un réseau de diffraction classique interfèrent lorsqu'elles traversent des fentes. Lorsque les conditions de Laue et Wulf-Bragg sont remplies, chaque ensemble de plans périodiquement localisés donne son propre système de points - maxima. L'emplacement des taches sur le film photographique est entièrement déterminé par la distance entre les plans d. 18

Les rayons X d'une longueur d'onde λ incidents sous un angle arbitraire q sur un monocristal ne seront généralement pas réfléchis. Pour que les conditions de Laue ou la loi de Wulf-Bragg soient satisfaites, il est nécessaire de sélectionner soit les longueurs d'onde, soit les angles d'incidence. A partir de cette sélection, trois méthodes principales d'obtention d'un diagramme de diffraction ont été développées : - la méthode de Laue, - la méthode de rotation des monocristaux, - la méthode des poudres (Debye - Scherrer). 19

Méthode Laue Un faisceau non monochromatique de rayons X (électrons ou neutrons) est dirigé vers un monocristal fixe. Le cristal « sélectionne » les longueurs d'onde pour lesquelles la condition de Wulff-Bragg est satisfaite. Les rayons diffusés produisent des réflexions ponctuelles sur le film, chacune ayant sa propre longueur d'onde issue du spectre polychromatique. Chaque point du Lauegram correspond à un plan de réseau spécifique. La symétrie dans la disposition à 20 points reflète la symétrie du cristal.

21

Méthode de rotation du monocristal Le cristal tourne autour d'un axe perpendiculaire à la direction du faisceau monochromatique incident de rayons X ou de neutrons. Un film est placé autour dans une cassette cylindrique. Lorsque le cristal tourne, différents plans atomiques occupent des positions dans lesquelles les rayons réfléchis par eux interfèrent. 22

Les plans parallèles à l'axe de rotation donneront un diagramme de diffraction sous forme de points situés le long d'une ligne droite passant par le centre du film et appelée ligne de couche zéro du premier type. Les plans orientés obliquement par rapport à l'axe de rotation donneront des réflexions qui forment des lignes de couches situées au-dessus et en dessous de la ligne zéro. A partir de la distance entre les lignes de couches du premier type, nous pouvons calculer la distance la plus courte entre les atomes situés le long de la direction cristallographique parallèle à l'axe de rotation du cristal. Contrairement à la méthode de Laue, qui sert à déterminer les éléments de symétrie des cristaux, la méthode de rotation permet de déterminer la structure du cristal, c'est-à-dire d'établir la forme et les périodes de la maille unitaire, et dans certains cas, de trouver les coordonnées de tous les atomes de base. 23

Méthode des poudres (Debye - Scherrer) Etude des matériaux poudres (polycristallins) en rayonnement monochromatique. Le nombre de grains (cristallites) d'orientation totalement arbitraire est assez important. Nous pouvons supposer qu’ils ont toutes les orientations possibles et que toutes les orientations sont également probables. Les rayons incidents sont réfléchis par les cristallites qui, par rapport à la direction du faisceau incident, sont orientées de telle manière que la condition de Wulff soit satisfaite. Bragg. Il existe deux manières d'enregistrer un diagramme de diffraction : sur film photographique (méthode photo) et à l'aide d'un compteur (méthode diffractométrique). 24

Dans la méthode photo, le motif de diffraction sur le film ressemble à une série de cercles concentriques. Le diffractomètre enregistre le motif sous la forme d'une alternance de la courbe de fond et des maxima d'interférence. Ces dernières se produisent à certains angles de la position du compteur 2q. À partir de l'angle de diffusion q mesuré, les distances interplanaires peuvent être calculées pour tout maximum de diffraction. 25 Fe 3 O 4 a – rayons X ; b – les neutrons.

Les échantillons polycristallins sont obtenus à la suite du frittage d'une substance cristalline broyée en poudre. L'échantillon ainsi réalisé est placé sur l'axe de l'appareil photo, sur les parois latérales duquel est placé un film photographique. Lorsqu’un échantillon polycristallin est irradié avec un rayonnement X monochromatique, des cônes directionnels apparaissent en raison de l’orientation aléatoire des plans cristallins de ses différents composants. Le diagramme de diffraction (Debyegram) a l’apparence d’anneaux ou de rayures. Son analyse permet de déterminer les principaux éléments de la structure cristalline. 26

L'ensemble dhkl s'appelle un passeport cristal. Les informations sur les distances interplanaires des différents cristaux sont présentées sous forme de bases de données : JCPD, MINCRYST. Connaissant expérimentalement pour un échantillon donné les valeurs des distances interplanaires dhkl et les valeurs des intensités de réflexion relatives Irel, il est possible dans de nombreux cas d'établir le type de substance ou sa phase. Après avoir obtenu le diagramme de diffraction, une hypothèse est faite sur le type de structure cristalline, les indices des réflexions obtenues sont déterminés, les dimensions de la cellule unitaire sont déterminées, si la composition chimique et la densité du matériau sont connues, le nombre de les atomes dans la cellule unitaire sont calculés. Sur la base de l’intensité intégrale des raies de diffraction, l’emplacement des atomes dans une cellule unitaire peut être déterminé. 27

Dans le cas d'échantillons polycristallins, la structure est établie par essais et erreurs : des détails jusqu'alors inconnus sont ajoutés à un cadre précédemment connu ou supposé de la structure atomique (par exemple, contenant uniquement des atomes « lourds ») et les intensités des maxima sont calculées, qui sont ensuite comparées aux valeurs obtenues expérimentalement. Grâce à la DRX, des échantillons polycristallins et des monocristaux de métaux, alliages, minéraux, cristaux liquides, polymères, biopolymères et divers composés organiques et inorganiques de faible poids moléculaire sont étudiés. 28

Lors de l'étude d'un monocristal (le plus souvent sous la forme d'une boule d'un diamètre de 0,1 à 0,3 mm), la première étape de la détermination de la structure est l'indexation, c'est-à-dire l'établissement des indices (h k l) de toutes les réflexions observées dans le diagramme de diffraction. d'un cristal donné. Le processus d'indexation est basé sur le fait que les valeurs des distances interplanaires dhkl sont liées aux valeurs des périodes (a, b, c) et des angles (α, β, γ) de la cellule unitaire par bien -relations définies (formes quadratiques). Après indexation, les périodes de la maille unitaire sont déterminées. Sur la base de l'absence régulière de certaines réflexions, le groupe spatial de symétrie du cristal est jugé. . 29

L'indication du diagramme de diffraction et la détermination des périodes du réseau cristallin sont les premières étapes de l'établissement de la structure atomique des cristaux, c'est-à-dire la recherche de la disposition relative des atomes dans une cellule unitaire. La détermination de la structure atomique est basée sur une analyse des intensités. des maxima de diffraction. L'intensité de réflexion I(h k l) est proportionnelle au carré du module de l'amplitude structurelle F(h k l), dont la valeur est déterminée par les coordonnées des atomes dans la cellule cristalline. Les valeurs absolues des amplitudes structurelles F(h k l) sont calculées à partir de l'intensité de réflexion. L'analyse des amplitudes structurelles permet de déterminer un réseau Bravais de type 30.

Les intensités des rayons de diffraction I(h k l) sont liées aux coordonnées des atomes xj, yj, zj dans la maille unitaire par les relations : où F(h k l) sont les coefficients de Fourier, qui en analyse aux rayons X sont appelés structurels amplitudes, K est le coefficient de proportionnalité, φ(h k l) est la phase initiale du faisceau de diffraction, fj est le facteur de diffusion atomique du jème atome ; h, k, l - nombres entiers caractérisant l'emplacement des faces et les plans atomiques correspondants dans le cristal (indices de rayons de diffraction) ; N est le nombre total d'atomes dans la maille élémentaire ; je = √-1. 31

La valeur |F(h k l)| peut être directement calculé à partir de I(h k l), mais la valeur de φ(h k l) reste inconnue (problème des phases initiales). Les phases des amplitudes structurelles (c'est-à-dire le déphasage de l'onde réfléchie par rapport à l'onde incidente) dans le cas général ne peuvent pas être déterminées directement à partir de l'expérience. Il existe des méthodes pour résoudre le problème des phases initiales : - La méthode de Patterson, utilisée pour déchiffrer les structures de composés contenant, avec la lumière (H, C, N, O), des atomes de métaux lourds dont les coordonnées sont tout d'abord déterminées . Les coordonnées des atomes légers dans une cellule unitaire sont déterminées en calculant la distribution de la densité électronique ρ(x, y, z). 32

La fonction de densité électronique est représentée par une série de Fourier ρ(x, y, z) : où h, k, l sont les indices du plan réfléchissant, Fhkl = |Fhkl|exp est l'amplitude structurelle correspondante du rayonnement diffusé, φhkl est sa phase. La densité électronique est la densité de probabilité de la distribution des électrons dans un atome, une molécule ou un cristal. Pour construire la fonction ρ(x, y, z), des quantités |Fhkl| déterminées expérimentalement sont utilisées. Le traitement des données expérimentales permet de reconstruire la structure sous forme de cartes de distribution de densité de diffusion. Les positions des maxima de la fonction ρ(x, y, z) sont identifiées avec les positions des atomes, et la forme des maxima est utilisée pour juger les 33 vibrations thermiques des atomes.

Après avoir déterminé la nature générale de la structure cristalline, elle est affinée en rapprochant successivement les valeurs des amplitudes structurelles théoriquement calculées de celles déterminées expérimentalement. On précise ainsi notamment les coordonnées des atomes (xj, yj, zj) et les constantes de leurs vibrations thermiques. Le critère pour la détermination correcte de la structure est le facteur de divergence R. R = 0,05 : 0,04 la structure est déterminée avec une bonne précision, R ≤ 0,02 - précision. 34

La structure atomique est représentée comme un ensemble de coordonnées atomiques et de paramètres de leurs vibrations thermiques. A partir de ces données, les distances interatomiques et les angles de valence peuvent être calculés avec une erreur de 10 -3 - 10 -4 nm et 0,2 -2°, respectivement. Cela permet d'établir plus précisément la composition chimique du cristal, le type de substitutions isomorphes possibles (la fiabilité et la précision dépendent dans ce cas du numéro atomique de l'élément), la nature des vibrations thermiques des atomes, etc. 35

Grâce au traitement précis des données expérimentales, il est possible d'étudier la répartition de la densité électronique entre les atomes. Pour ce faire, construisez une fonction de densité électronique de déformation qui décrit la redistribution des électrons dans les atomes lors de la formation d'une liaison chimique entre eux. L'analyse de la fonction de densité électronique de déformation permet d'établir le degré de transfert de charge, la covalence des liaisons, la disposition spatiale des paires libres d'électrons, etc. 36

La méthode d'analyse par diffraction des rayons X (DRX) permet d'établir : - des modèles stéréochimiques et cristallochimiques de la structure de composés chimiques de différentes classes, - des corrélations entre les caractéristiques structurelles d'une substance et ses propriétés physicochimiques, - d'obtenir des données initiales pour développement approfondi de la théorie des liaisons chimiques et de l'étude des réactions chimiques, - analyser les vibrations thermiques des atomes dans les cristaux, - étudier la répartition de la densité électronique dans les cristaux. 37

Électronographie Des études sur la structure atomique des cristaux peuvent également être réalisées à l'aide de méthodes basées sur la diffraction électronique. La diffraction électronique en tant que méthode d'étude de la structure des cristaux présente les caractéristiques suivantes : 1) l'interaction d'une substance avec les électrons est beaucoup plus forte qu'avec les rayons X, de sorte que la diffraction se produit en couches minces de 1 à 100 nm d'épaisseur ; 2) fе dépend du numéro atomique inférieur à fр, ce qui permet de déterminer plus facilement la position des atomes légers en présence d'atomes lourds ; 3) en raison du fait que la longueur d'onde des électrons rapides couramment utilisés avec une énergie de 50 à 300 kOe. B est d'environ 5,10 -3 nm, l'interprétation géométrique des diagrammes de diffraction électronique est beaucoup plus simple. 38

La diffraction électronique structurelle est largement utilisée pour étudier des objets finement dispersés, ainsi que pour étudier divers types de textures (minéraux argileux, films semi-conducteurs, etc.). La diffraction électronique à basse énergie (10 -300 e.V, λ 0,10,4 nm) est une méthode efficace pour étudier les surfaces cristallines : la disposition des atomes, la nature de leurs vibrations thermiques, etc. La méthode principale est la méthode de transmission, qui utilise diffraction électronique hautes énergies (50 -300 ke. V, ce qui correspond à une longueur d'onde d'environ 5 -10 -3 nm). 39

La diffraction électronique est réalisée dans des dispositifs spéciaux de diffraction électronique dans lesquels un vide de 105 -10 -6 Pa est maintenu, avec un temps d'exposition d'environ 1 s, ou dans des microscopes électroniques à transmission. Les échantillons destinés à la recherche sont préparés sous forme de films minces d'une épaisseur de 10 à 50 nm, par dépôt d'une substance cristalline à partir de solutions ou de suspensions, ou par obtention de films par pulvérisation sous vide. Les échantillons sont en mosaïque monocristalline, texturée ou polycristalline. Un diagramme de diffraction - un diagramme de diffraction électronique - résulte du passage d'un faisceau initial monochromatique d'électrons à travers un échantillon et est un ensemble de points de diffraction ordonnés - réflexions, qui sont déterminées par la disposition des atomes dans l'objet étudié. . 40

Les réflexions sont caractérisées par les distances interplanaires d hkl dans le cristal et l'intensité I hkl, où h, k et l sont des indices de Miller. La cellule unitaire du cristal est déterminée par l’ampleur et l’emplacement des réflexions. Grâce aux données sur l'intensité des réflexions, il est possible de déterminer la structure atomique du cristal. Les méthodes de calcul de la structure atomique sont proches de celles utilisées en analyse structurale aux rayons X. Les calculs, généralement effectués sur ordinateur, permettent d'établir les coordonnées des atomes, les distances entre eux, etc. L'électrographie permet : - de réaliser l'analyse de phase d'une substance, - d'étudier les transitions de phase dans des échantillons et d'établir des relations géométriques entre les phases émergentes, 41 - pour étudier le polymorphisme.

La diffraction électronique a été utilisée pour étudier les structures de cristaux ioniques, d'hydrates de cristaux, d'oxydes, de carbures et de nitrures de métaux, de composés semi-conducteurs, de substances organiques, de polymères, de protéines, de divers minéraux (en particulier les silicates en couches), etc. Lors de l'étude d'échantillons massifs , la diffraction électronique par réflexion est utilisée lorsqu'un incident fait que le faisceau semble glisser sur la surface de l'échantillon, pénétrant jusqu'à une profondeur de 5 à 50 nm. Le diagramme de diffraction reflète dans ce cas la structure de la surface. Vous pourrez ainsi étudier les phénomènes d'adsorption, d'épitaxie, les processus d'oxydation, etc. 42

Si un cristal a une structure atomique proche de l'idéal et que la diffraction par transmission ou réflexion se produit à une profondeur d'environ 50 nm ou plus, alors un diagramme de diffraction est obtenu, sur la base duquel des conclusions peuvent être tirées sur la perfection de la structure. Lors de l'utilisation d'électrons de faible énergie (10 300 e.V), la pénétration atteint une profondeur de seulement 1 à 2 couches atomiques. Sur la base de l'intensité des faisceaux réfléchis, la structure du réseau atomique de surface des cristaux peut être déterminée. Cette méthode a établi la différence dans la structure de surface des cristaux de Ge, Si et Ga. As, Mo, Au et autres sur la structure interne, c'est-à-dire la présence d'une superstructure superficielle. Ainsi, par exemple, pour Si sur la face (111), une structure est formée, notée 7 x 7, c'est-à-dire que la période du réseau de surface dans ce cas dépasse de 7 fois la période de la structure atomique interne. 43

Microscopie électronique La diffraction électronique est souvent combinée à la microscopie électronique à haute résolution, qui permet une imagerie directe du réseau atomique d'un cristal. L'image de l'objet est reconstruite à partir du diagramme de diffraction et permet d'étudier la structure des cristaux avec une résolution de 0,2 à 0,5 nm. La microscopie électronique est un ensemble de méthodes de sondes électroniques permettant d'étudier la microstructure des solides, leur composition locale et les microchamps (électriques, magnétiques, etc.). Pour ce faire, on utilise des microscopes électroniques, des instruments qui utilisent un faisceau d'électrons pour obtenir des images agrandies. 44

Il existe deux directions principales de la microscopie électronique : la transmission (transmission) et la trame (balayage). Ils fournissent des informations qualitativement différentes sur l'objet d'étude et sont souvent utilisés ensemble. Dans les microscopes électroniques, un faisceau d'électrons est un faisceau dirigé d'électrons accélérés, utilisé pour éclairer des échantillons ou y exciter un rayonnement secondaire (par exemple, des rayons X). Une tension accélératrice est créée entre les électrodes du canon à électrons, qui détermine l'énergie cinétique du faisceau d'électrons. La plus petite distance entre deux éléments de microstructure visibles séparément dans une image est appelée résolution. Cela dépend des caractéristiques des microscopes électroniques, du mode de fonctionnement et des propriétés des échantillons. 45

La microscopie à transmission est mise en œuvre à l'aide de microscopes électroniques à transmission (transmission), dans lesquels un objet en couche mince est éclairé par un faisceau d'électrons accélérés d'une énergie de 50 à 200 kOe. B. Les électrons, déviés par les atomes de l'objet sous de petits angles et le traversant avec de faibles pertes d'énergie, pénètrent dans un système de lentilles magnétiques, qui forment une image en champ clair de la structure interne sur un écran luminescent (et sur un film photographique ). 46

Une image en fond clair est une image agrandie d'une microstructure formée par des électrons traversant un objet avec de faibles pertes d'énergie. La structure est représentée sur l’écran du tube cathodique sous forme de lignes et de points sombres sur un fond clair. Dans ce cas, il est possible d'atteindre une résolution de l'ordre de 0,1 nm (soit une augmentation allant jusqu'à 1,5 x 106 fois). La microscopie à transmission fournit également des diagrammes de diffraction (électronogrammes), qui permettent de juger de la structure cristalline des objets et de mesurer avec précision les paramètres des réseaux cristallins. Combinée à des observations directes de réseaux cristallins au microscope électronique à transmission à haute résolution, cette méthode est l’un des principaux moyens d’étudier la structure ultrafine des solides.

En diffraction au microscope électronique, d'autres méthodes spéciales sont utilisées, telles que la méthode du faisceau convergent et la nanodiffraction en faisceau mince. Dans le premier cas, des diagrammes de diffraction sont obtenus, à partir desquels la symétrie (groupe spatial) du cristal étudié peut être déterminée. La deuxième méthode permet d'étudier les plus petits cristaux (plusieurs nm). Microscope électronique à balayage 48