Kémiai anyagszerkezettan

Méret: px

Mutatás kezdődik a ... oldaltól:

Download "Kémiai anyagszerkezettan"

Lídia Nemes
5 évvel ezelőtt
Látták:

1 Kémiai anyagszerkezettan Előadó: Kubinyi Miklós tel: Grofcsik András tel:

2 Tananyag az intraneten (tavalyi): konyvek/fizkem/kasz/ eload04 jegyzet02

3 Tananyag az intraneten (idei): konyvek/fizkem/kasz/ eload05 jegyzet05

4 Emelt szintű tananyag 2006 tavasz, ~ 5 előadás

5 Fizikai Kémia Fizikai Kémia I. - egyensúlyok (fázisegyensúlyok, kémiai egyensúlyok) Fizikai Kémia II. - változások (reakciókinetika, transzportfolyamatok) Fizikai Kémia III. - szerkezet (molekulák szerkezete, anyagok szerkezete)

7 Tananyag (eload04) I. BEVEZETÉS (Bevez04) II. A KVANTUMMECHANIKA AXIÓMÁI (Axiom04) III. A HIDROGÉNATOM SZERKEZETE (H_atom04) IV. A TÖBBELEKTRONOS ATOMOK ELEKTRONSZERKEZETE (Tobbel04) V. OPTIKAI SPEKTROSZKÓPIA (Optsp04) VI. A MOLEKULÁK FORGÓMOZGÁSA (Forgo04) VII. A MOLEKULÁK REZGŐMOZGÁSA (Rezgo04) VIII. A MOLEKULÁK ELEKTRONSZERKEZETE (Molel04) IX. FOTOELEKTRON-SPEKTROSZKÓPIA (UPSXPS04) X. LÉZEREK, LÉZERSPEKTROSZKÓPIAI MÓDSZEREK (Lezer04) XI. AZ ATOMMAGOK ENERIGIAÁLLAPOTAI (Magszerk04) XII. A MÁGNESES MAGREZONANCIA XII. AZ ELEKTRONSPIN-REZONANCIA (nem tananyag) XIV. TÖMEGSPEKTROSZKÓPIA (Tomegsp04) XV. A RÖNTGENDIFFRAKCIÓ (Rontg04)

8 Bevezetés I. Példák kémiai szerkezetvizsgálati feladatokra

9 Gyógyszer-hatóanyag NH N Cl H Epibatidin Erős fájdalomcsillapító Trópusi béka bőréből izolálták Származékok szintézise: Szerves Kémia Tanszék

10 NH N Cl H Szerkezeti képlet igazolása Királis C-atom konfigurációja Gyógyszerhatás mechanizmus felderítéséhez (az élő szervezettel hogyan lép kölcsönhatásba): térszerkezet (= molekulageometria ), atomi töltések, stb. Kristálymódosulat azonosítása

11 Elektrokémiai szenzor hatóanyaga O O O O O NO 2 O 2 N NHCOOCH 2 CCH 2 OOCHN CH 3 C 12 H 25 O O O O O BME 44 koronaéter Kálium ionnal komplexet képez. Szelektív! Orvosi, biológiai minták káliumtartalmát meghatározó műszerben alkalmazzák (HORIBA)

12 O O O O O NO 2 O 2 N NHCOOCH 2 CCH 2 OOCHN CH 3 C 12 H 25 O O O O O Szerkezeti képlet A koronaéter-gyűrű geometriája K + - BME44 szupramolekuláris komplex szerkezete (koordanatív kötések, töltéseloszlás)

13 Iniciátor PVC polimerizációjához OH CH 3 C H 3 CH 3 O O O CH 3 C H n n+1 C H m m+1 n+m=7 HPPN Hő hatására gyökösen hasad (peroxikötés) Felhasználásával kiváló minőségű PVC állítható elő (BORSODCHEM-ben alkalmazzák)

14 OH CH 3 C H 3 CH 3 O O O CH 3 C H n n+1 C H m m+1 n+m=7 HPPN Szerkezeti képlet O-O kötés erőssége Gyök szerkezete és reakciókészsége Gyökkoncentráció követése a reakció során

15 Szénhidrogén konverziója Pt-katalizátorral Ir Pd Re Sn isopar. arom. Kiindulási anyag: n-oktán Termékek i-oktán (motorbenzinben előnyös), aromások (káros) Az ötvöző anyag hatására megváltozik a termékösszetétel

16 Ir Pd Re Sn isopar. arom. Az ötvözet elemi összetétele Felületi összetétel Felületen megkötődő szénhidrogének kimutatása

17 1.1. Bevezetés a spektroszkópiába

18 A molekuláknak és a többi mikrorészecskének szerkezetét a kvantummechanika írja le. A kvantummechanika alapvető törvényeit az as években ismerték fel. Előzmény: néhány kísérlet, amely a klasszikus fizikának ellentmondó eredményre vezetett.

19 Joseph Fraunhofer kísérlete 1815 A Nap fényét optikai rácson felbontotta. A folytonos színképben fekete vonalakat észlelt.

20 A nap színképe

21 Magyarázat: a Nap folytonos sugárzást ad a Napot és a Földet körülvevő gázburok részecskéi csak bizonyos hullámhosszú/frekvenciájú fotonokat (fénykvantumokat) nyelnek el. Az A részecske a rá jellemző ν A1, ν A2... a B részecske a rá jellemző ν B1, ν B2... Ezért az A részecske energiája E A = h ν A1, h ν A2 energiakvantumokkal változhat, a B részecskéjé E B = h ν B1, h ν B2 energiakvantumokkal, stb.

22 A mikrorészecskék fizikai sajátságai közül egyesek - köztük az energiájuk - csak bizonyos meghatározott - kvantált - értékeket vehetnek fel. Erre utal a kvantummechanika elnevezés.

23 EGYSUGARAS UV-LÁTHATÓ ABSZORPCIÓS SPEKTROMÉTER Minta Homorú holografikus rács Rések Fényforrás Fotódiódatömb

24 Oxazin 1 N C2H5 N O + N C2H5 C2H5 C2H5 - ClO4

25 Oxazin 1 UV-látható abszorpciós spektruma 2,5 Abszorbancia 2 1,5 1 0, Hullámhossz (nm)

26 1.2. Bevezetés a kvantummechanikába

27 Erwin Schrödinger: Quantisierung als Eigenwertproblem (1926)

28 A Schrödinger-egyenlet A kvantummechanika legfontosabb összefüggése! ( τ ) = Ψ( τ ) ĤΨ E (Röviden: ĤΨ = EΨ )

29 ( τ ) = Ψ( τ ) ĤΨ E Differenciálegyenlet a molekulát alkotó atommagok és elektronok helykoordinátái szerinti differenciálhányadosokat tartalmaz ezen koordináták közös jelölése: τ

30 ( τ ) = Ψ( τ ) ĤΨ E Pl.: H 2 S molekula esetében τ τ x S x, ys, zs ; xh1, yh1, zh1; xh 2, yh 2, zh 2; e1, ye 1, ze 1;... xe 16, ye 16, ze 16 (magok) (elektronok)

31 ( τ ) = Ψ( τ ) ĤΨ E Ĥ Hamilton-operátor Az operátor függvényen végzett műveletet jelöl ki. A Hamilton-operátor több tagból áll, amelyek közül egyesek a magok és az elektronok térkoordinátái szerinti parciális deriválást tartalmaznak. Ψ(τ) a molekula állapotfüggvénye E a molekula energiája

32 ( τ ) = Ψ( τ ) ĤΨ E A differenciálegyenletek megoldásai függvények. A Schrödinger-egyenlet megoldásai a Ψ 1 (τ), Ψ 2 (τ), Ψ 3 (τ)... állapotfüggvények és a hozzájuk tartozó E 1, E 2, E 3... energia-sajátértékek

33 Az állapotfüggvény jelentősége I. A molekula λ-ik állapotát jellemző Ψ λ (τ) állapotfüggvény megadja, hogy a tér egyes pontjaiban mekkora az elektronok és a különféle atommagok tartózkodási valószínűsége. Ebből leszármaztatható - a magok elhelyezkedését jellemző kötéstávolságok, kötésszögek (molekulageometria) - az atomok parciális töltései (reakciókészséghez fontos) - kémiai kötések erőssége

34 Az állapotfüggvény jelentősége II. Elméleti úton számítható a spektrum!

35 Elnyelési (abszorpciós spektrum): a fényelnyelés intenzitása a fény frekvenciájának függvényében. Kibocsátási (emissziós) spektrum: a fénykibocsátás intenzitása a fény frekvenciájának függvényében.

36 Az állapotfüggvény jelentősége II. Elméleti úton számítható a spektrum! Az elnyelési frekvenciákat a kiindulási állapot (κ ) és a végállapot (λ) energiájának különbsége határozza meg: E λ -E κ = hν κλ A spektrumvonal intenzitása arányos a két állapot (λ és κ) közötti sugárzásos átmenet valószínűségével, amely kiszámítható, ha ismerjük a molekula állapotfüggvényét kiindulási állapotban (Ψ λ (τ)) és a végállapotban (Ψ κ (τ)).

37 1.3. A kémiai szerkezetvizsgálati módszerek áttekintése

38 Az elektromágneses sugárzás tartományai ν[hz] rádióhullámú mikrohullámú infravörös látható ultraibolya röntgen gamma

39 ν[hz] rádióhullámú mikrohullámú infravörös látható ultraibolya röntgen OPTIKAI SPEKTROSZKÓPIA (molekulák gerjesztése) gamma

40 rádióhullámú mikrohullámú infravörös látható ultraibolya röntgen gamma ν[hz] OPTIKAI SPEKTROSZKÓPIA (molekulák gerjesztése) NMR SPEKTROSZKÓPIA (magok gerjesztése)

41 rádióhullámú mikrohullámú infravörös látható ultraibolya röntgen gamma ν[hz] OPTIKAI SPEKTROSZKÓPIA (molekulák gerjesztése) FOTOELEKTRON SPEKTROSZKÓPIA (molekulák ionizálása) NMR SPEKTROSZKÓPIA (magok gerjesztése)

42 rádióhullámú mikrohullámú infravörös látható ultraibolya röntgen gamma ν[hz] OPTIKAI SPEKTROSZKÓPIA (molekulák gerjesztése) MÖSSBAUER SPEKTROSZKÓPIA (magok gerjesztése) FOTOELEKTRON SPEKTROSZKÓPIA (molekulák ionizálása) NMR SPEKTROSZKÓPIA (magok gerjesztése)

43 Kémiai Kémiai szerkezetvizsgálati szerkezetvizsgálati módszerek módszerek Számításos Számításos kémia kémia Kísérletek Kísérletek Kvantumkémiai Kvantumkémiai számítás számítás Molekulamodellezés Molekulamodellezés Fotonnal Fotonnal Elektronnal Elektronnal Neutronnal Neutronnal abszorpció abszorpció rugalmas rugalmas szórás szórás rugalmas rugalmas szórás szórás emisszió emisszió ionizáció ionizáció rugalmatlan rugalmatlan szórás szórás rugalmas rugalmas szórás szórás ionizáció ionizáció

Hasonló dokumentumok

Műszeres analitika II. (TKBE0532)

Műszeres analitika II. (TKBE0532) 4. előadás Spektroszkópia alapjai Dr. Andrási Melinda Debreceni Egyetem Természettudományi és Technológiai Kar Szervetlen és Analitikai Kémiai Tanszék A fény elektromágneses