• Nem Talált Eredményt

Mérési körülmények

5.1 Protonálódás, deprotonálódás és a fényelnyelési színkép

5.2.2 Mérési körülmények

A kísérleteink során a reakciókörülmények megfelelı megválasztásával arra törekedtünk, hogy az elsıdleges radiolízis termékek hatását egymástól függetlenül vizsgálhassuk. A legmegfelelıbb kémiai módszer esetén sem vagyunk azonban képesek csupán egyetlen részecskét vizsgálni, mivel az egyéb részecskék mennyisége nem hanyagolható el, még ha mennyiségük jelentısen kisebb is.

Reduktív körülmény esetén a hidratált elektron illetve kis pH-nál a hidrogénatom a legnagyobb mennyiségben jelen lévı reaktív köztitermék. Ezt megfelelıen írja le a modell. Megvizsgáltuk azt is, vajon a hidroxilgyök eltávolítására 0,5 mol dm-3 koncentrációban alkalmazott terc-butanol reakciójára alkalmazható-e a modellünk?

A modell szerint a OH mennyisége mintegy 1,2x10-8 másodperc alatt válik elhanyagolhatóvá. Ezzel szemben a H-atom mennyisége számottevıen nem csökken.

Tehát, egyezıen a kísérleti tapasztalattal, a H-atom jelenlétére minden esetben számítani kell.

Oxidatív körülmények esetén az oldathoz adott N2O reagál a hidratált elektronnal és a hidrogén atommal, OH keletkezése közben:

eaq + N2O → O•- + N2 (18.)

O•- + H2O → OH + OH- (19.)

H + N2O → OH + N2 (20.)

A hidratált elektronok teljes mennyiségének eltőnéséhez az impulzust követıen ugyancsak elegendı 5x10-8 másodperc (5.14. ábra.). A hidrogénatom reakciójának sebessége ebben azonban több nagyságrenddel kisebb (M1 melléklet 53-54. egyenlet), mint az eaq-é, így ebben az esetben is kell számolnunk azzal, hogy a rendszer a 10-7 másodpercben jelentıs mennyiségő hidrogénatomot is tartalmaz.

55

0,0 2,0x10-8 4,0x10-8 6,0x10-8 8,0x10-8 1,0x10-7 0,0

1,0x10-6 2,0x10-6 3,0x10-6 4,0x10-6 5,0x10-6 6,0x10-6

eaq *H *OH

Koncentrác, mol dm-3

Idõ, s

5.14. ábra. Víz radiolízis termékeinek koncentrációja az impulzust követıen, c(N2O) = 2,5××××10-2 mol dm-3, D = 10 Gy imp-1.

Ezek alapján a felállított modell, illetve az egyszerősítések nem befolyásolják a kinetikai rendszerek elemzését.

Az irodalomban kevés utalást találtunk a párhuzamos reakciók kölcsönhatására.

Így például kevés adat található a vizes oldatokban a tanulmányozott molekula átalakulási hatékonyságának alakulására olyan körülmények között, amikor a víz radiolízis elsıdleges köztitermékei egymással és az oldott anyaggal is jelentıs sebességgel reagálnak. Az irodalom szerint a kutatók általában úgy jártak és járnak el mind a mai napig, hogy viszonylag nagy 10-3 mol dm-3 koncentrációjú oldatokat tanulmányoztak.

Ilyen koncentrációnál a víz radiolízis köztitermékeinek egymásközti reakciói már elhanyagolhatóak. Nagy moláris fényelnyelési együtthatójú molekulák esetében az optikai detektálású impulzusradiolízis vizsgálatok során azonban a minta fényelnyelése a vizsgált hullámhosszon nem lehet túlzottan nagy, mivel a mérendı jelet a t = 0 idıpillanathoz tartozó abszorbancia értékéhez viszonyítjuk. Ennek megfelelıen túl nagy optikai fényelnyeléső oldatban a jel és zaj aránya meglehetısen rossz.

Szükségessé vált egy olyan összefüggés meghatározása, melynek segítségével híg vizes oldatban a köztitermékek mennyisége egyszerően megadható. Ennek jelentısége különösen akkor nagy, amikor az impulzusradiolízis során alkalmazott impulzus félértékszélessége 10-8 másodpercnél nagyobb, azaz a felépülési reakciók közvetlen megfigyelésére nincsen lehetıség. Az összefüggés meghatározásakor elsıként a csapdázási tényezı hatását vizsgáltam.

Az irodalmi részben említett csapdázási tényezı (ki[Sj]) hatásának vizsgálatakor

Kísérleti eredmények és értékelésük

56 hasonlóan jártam el, mint az érzékenységanalízis során. Állandó S koncentráció mellett, illetve a vizsgálandó vegyület vizsgálni kívánt reakcióin kívül az összes többi folyamat sebességi együtthatóját rögzítve, az S(e), SOH és SH termékek mennyiségére gyakorolt hatását tanulmányoztam. (Elızetesen bármiféle számítás nélkül belátható, hogy csökkentve a tényezı nagyságát, várhatóan csökken a termék mennyisége, végtelen híg oldatban pedig a termékek mennyisége zérushoz tart).

A hidratált elektron és a molekula reakciójában képzıdı negatív töltéső köztitermék számított mennyiségét vizsgálva látható, hogy az általunk alkalmazott 10-4 - 10-5 mol dm-3 koncentráció tartományon belül a sebességi együttható csökkenésével arányosan csökkenés tapasztalható (5.15. ábra.).

Lényeges megjegyezni, hogy a diffúzió szabályozott reakciók sebességének határához tartozó [S-]/[eaq

-] érték hidratált elektron esetében a legnagyobb koncentrációt alkalmazva sem éri el a 100%-os értéket. Ez nem meglepı, mivel, mint látható volt korábban, tiszta vízben a hidratált elektron fıként az R1, R2 és R3 (M1 melléklet) reakciókban alakul át, melyek sebessége diffúzió szabályozott. Ezekkel a folyamatokkal verseng az S molekula átalakulása. További fontos feltételezés, hogy amennyiben a sebességi együttható értéke a 109-108 mol dm-3 s-1 tartományba esik, a tényezı értéke akár 0,5-nél is kisebb lehet! Ez azért fontos, mivel ebben a tartományban mérve, a kapott adatok már nem csak a vizsgálni kívánt folyamatról szolgáltatnak információt.

6,0 5,5

5,0 4,5

4,0 0,00

0,25 0,50 0,75 1,00

6,0 5,5

5,0 4,5

4,0 [S- ]/[e- aq]

lg(kH[S]) lg(ke[S])

5.15. ábra. S- termék mennyisége és a keletkezı hidratált elektron mennyisége hányadosának változása a csapdázási tényezı logaritmusának függvényében, 0,5 mol dm-3 koncentrációban terc-butanolt tartalmazó

oldatban, D = 10 Gy imp-1 t = 10-7 másodperc.

57 A H-atom reakciója sebességének hatása nem jelentıs, nem befolyásolja számottevıen a keletkezı S- köztitermékek mennyiségét, eltérı kH[S] értékeknél megfigyelve a csökkenést, azonos trend fedezhetı fel. A ke sebességi együtthatójának változása természetesen befolyásolja a mintegy 10%-ban jelenlévı hidrogén atom és az S molekula reakciójában képzıdı SH termék mennyiségét.

4,0 4,4

4,8 5,2

5,6 6,0 0,00

0,25 0,50 0,75 1,00

4,0 4,4

4,8 5,2

5,6 6,0

[SH]/[H]

lg(kH[S]) lg(ke[S])

5.16. ábra. SH termék mennyisége és a keletkezı hidrogénatom mennyisége hányadosának változása a csapdázási tényezı logaritmusának függvényében, 0,5 mol dm-3 koncentrációban terc-butanolt tartalmazó

oldatban, D = 10 Gy imp-1 t = 10-7 másodperc.

Ez a hatás azonban egyedül nagyobb kH esetén jelentıs, ahol ke két nagyságrendő csökkenése mintegy 15%-os SH mennyiség növekedést okoz. A hozam növekedését a két reakció versengése, valamint a hidratált elektronok egymásközti (R1) reakciója sebességének növekedése okozza. Az SH termékek mennyisége ebben a koncentráció tartományban nem éri el a kiindulási H koncentrációt, mivel a versengı folyamatok (R12-R19) hatása jelentıs.

A reduktív körülmények között ismertetett tendenciák fedezhetık fel oxidatív körülmények között is. A hidrogénatom és az S molekula reakciója sebességének csökkenésével megnı a H-atom hidratált elektronná alakulásának sebessége (R19), valamint a hidroxilgyökké alakulás sebessége (R54). Az esetlegesen keletkezı hidratált elektronok pedig nagyon gyorsan OH gyökké alakulnak át (R53). Ennek következtében az SOH köztitermék koncentrációja meghaladhatja az [OH]t=0 koncentrációt.

Kísérleti eredmények és értékelésük

5.17. ábra. SOH termék mennyisége és a keletkezı hidroxilgyök mennyisége hányadosának változása a csapdázási tényezı logaritmusának függvényében, 2,5××××10-2 mol dm-3 N2O-t tartalmazó oldatban, D = 10 Gy imp-1

t = 10-7 másodperc.

A keletkezı termékek mennyisége az elızı ábrák alapján becsülhetı. Az is látható, hogy a termékek mennyiségét elsısorban a legnagyobb mennyiségben jelenlévı, elsıdleges víz radiolízis termékek folyamatainak sebessége határozza meg. Ennek megfelelıen az átalakulás hatékonyságának becsléséhez a H-atom reakciójának sebessége rögzíthetı. Az így kapott, most már csak egyetlen független változót tartalmazó

5.18. ábra. S- termék mennyisége és a keletkezı hidratált elektron mennyisége hányadosának változása a csapdázási tényezı logaritmusának függvényében, eltérı kH esetében, 0,5 mol dm-3 koncentrációban

terc-butanolt tartalmazó oldatban, D = 10 Gy imp-1 t = 10-7 másodperc.

59 Az átalakulás hatékonysága a következı alakú egyenlettel közelíthetı:

[ ] ( [ ] ) ( [ ] )

( ) x n

n n x

S X k S

X b k S

= +

(e8.)

ahol, x víz radiolízis köztitermék mennyisége 10-7 másodpercben, S(x) köztitermék (pl.

SOH) mennyisége 10-5 másodpercben, n és b állandó.

Egyszerően belátható, hogy abban az esetben, ha a k[S] szorzat értéke nagyon kicsi, akkor nem keletkezik termék, míg ha nagyon nagy érték, akkor a tényezı értéke [S(X)]/[X]=1.

b n

eaq- 22349,3 ± 93,4 0,87359 ± 0,00238

OH 27220,4 ± 266,2 0,96645 ± 0,00709

Az illesztett modell alapján a sebességi együttható irodalmi adatok alapján történı megbecslésével a keletkezı elsıdleges köztitermékek mennyisége meghatározható. Ez különösen azért fontos, mert az eredményeink alapján sok esetben nem igaz az a gyakran alkalmazott feltételezés, miszerint a köztitermékek mennyisége a víz radiolízis termékeinek mennyiségével azonos.