KÉMIAI ANYAGSZERKEZETTAN

(Ábragyűjtemény)

2010/2011 tanév

1.BEVEZETÉS

1.1. ábra. A Fraunhofer-vonalak a Nap színképében

Fényforrás Rések

Fotódiódatömb

Minta

holografikus rács Homorú

1.2. ábra. Egyutas UV-látható abszorpciós spektrométer

O N

N N C2H5

C2H5 C2H5

C2H5 +

ClO4-

0 0,5 1 1,5 2 2,5

200 400 600 800

Hullámhossz (nm)

Abszorbancia

1.3. ábra. Oxazin-1 festék UV-látható abszorpciós színképe

mikrohullámú

gamma röntgen

ultraibolya látható rádió-

hullámú

infravörös

10⁶ 10⁸ 10¹⁰ 10¹² 10¹⁴ 10¹⁶ 1010¹⁸¹⁸ 10²⁰ 10²² ν[Hz]

OPTIKAI

SPEKTROSZKÓPIA (molekulák gerjesztése) NMR SPEKTROSZKÓPIA

(magok gerjesztése)

FOTOELEKTRON SPEKTROSZKÓPIA (molekulák ionizálása)

MÖSSBAUER SPEKTROSZKÓPIA (magok gerjesztése)

1.4. ábra. Az elektromágneses sugárzás tartományai

3. A HIDROGÉNATOM SZERKEZETE

x

y z

P ϑr

ϕ

3.1. ábra. A Descartes- és a polárkoordinátarendszer kapcsolata

3.1. táblázat A hidrogénatom komplex hullámfüggvényei

2 2

0 me

a h

e

=

a0

= r ρ

ρ

ψ = π a⁻²e⁻

3 0 100

1 ρ ρ ^ρ υ _ϕ

ψ π a (6 )e sin eⁱ 81

1 2 2 ₃

3 0 311

−

− −

=

2 2

3 0

200 (2 )

2 4

1 ρ ^ρ

ψ = π a⁻ − e^{− ϕ}

ρ υ

ρ π ρ

ψ ₋ = a⁻ (6 − )e⁻ sin e⁻ⁱ 81

1 ₂³ _{2 3}

0 1

31

υ π ρ

ψ ^ρcos

2 4

1 ₂³ ₂

0 210

−

= a− _e (3cos 1)

6 81

1 2 2 3 2

3 0

320 = ⁻ ρ ⁻ υ−

ψ π a e ^ρ

ρ ϕ

υ π ρ

ψ a e sin eⁱ 8

1 ₂³ ₂

0 211

−

= − ρ ^ρ υ υ ^ϕ

ψ π a e sin cos eⁱ 81

1 2 2 ₃

3 0 321

−

= −

ρ ϕ

υ π ρ

ψ ₋ = a⁻ e⁻ sin e⁻ⁱ 8

1 ₂³ ₂

0 1

21

ρ ϕ

υ υ π ρ

ψ ₋ = a⁻ e⁻ sin cos e⁻ⁱ 81

1 2 2 ₃

3 0 1

32

2 3 2

3 0

300 (27 18 2 )

3 81

1 ρ ρ ^ρ

ψ = π a⁻ − + e^{− ϕ}

ρ υ

π ρ

ψ a ^{2 2}e ^{3 2} e²ⁱ

3 0

322 sin

162

1 ^{− −}

= υ

ρ π ρ

ψ (6 ) ^ρcos

81

2 2 2 ₃

3 0 310

−

− −

= a e ^ϕ

ρ υ

π ρ

ψ a ^{2 2}e ^{3 2} e ²ⁱ

3 0 2

32 sin

162

1 ^{− −} ₋

− =

3.2. táblázat A hidrogénatom valós hullámfüggvényei

210 2

200 2

100

1 ψ ,ψ ψ ,ψ ψ

ψ = = =

pz

s s

ϕ υ π ρ

ψ

ψ ψ ^ρ sin cos

2 4

1 2

2 2 3 0 1

21 211 2

−

− = −

= + a e

px

ϕ υ π ρ

ψ

ψ ψ ^ρ sin sin

2 4

1 2

)

( ₂³ ₂

0 1

21 211 2

−

− = −

−

= −i a e

py

310 3

300

3 ψ ,ψ ψ

ψ = =

pz

s

ϕ υ ρ

π ρ ψ

ψ ψ (6 ) ^ρ sin cos

81 2 2

2 3 2

3 0 1

31 311 3

−

− = − −

= + a e

px

ϕ υ ρ

π ρ ψ

ψ ψ (6 ) ^ρsin sin

81 2 2

2 3 2

3 0 1

31 311 3

−

− = − −

− −

= i a e

py

310 3

300

3 ψ ,ψ ψ

ψ = =

pz

s

ϕ υ υ π ρ

ψ

ψ ψ ^ρsin cos cos

81 2 2

2 3 2 3 0 1

32 321 3

− −

− =

= − a e

dxz

ϕ υ υ π ρ

ψ

ψ ψ ^ρsin cos sin

81 2 2

2 3 2 3 0 1

32 321 3

− −

− =

− −

= i a e

dyz

ϕ υ π ρ

ψ

ψ ψ ^ρsin cos2

2 81

1 2

3 2 2 2 3 0 2

32 322 3 _{2 2}

−

− = −

= +

− a e

y

dx

320

3 _{2 2} ψ

ψ =

z−r

d

0 5 10 0 10 0 5 10

R₂₀

R₁₀ R₂₁

ρ ρ ρ

3.2. ábra. A hidrogénatom R_nlradiális hullámfüggvényei

1s 2p_x 2p_y 2pz

3d_X²_{- y}²

3dz²

3dyz 3dxz 3dxy

z

y x

3.3. ábra. A hidrogénatom anguláris hullámfüggvényei

3.4. ábra. A hidrogénatom energiaszintjei

3.5. ábra. A hidrogénatom megengedett átmenetei

3.6. ábra. Az l=3−hoz tartozó pályaimpulzusmomentum térbeli kvantáltsága

3.7. ábra. Stern-Gerlach-kísérlet

4. A TÖBBELEKTRONOS ATOMOK SZERKEZETE 4.1. táblázat. A héliumatom elektronállapotai

Konfiguráció n

l

l 2

1

l

l

L S J Állapot

1s

1 0 0

+1/2

+1/2 0 0 0 1

S

2 0

0

+1/2

+1/2 0 0 0 2

S

1s

2s

2 0 0

+1/2

+1/2 0 1 1 2

S

2 0

1

+1/2

+1/2 1 0 1 2

P

2 0

1

+1/2

+1/2 1 1 2 2

P

2 0 1

+1/2

+1/2 1 1 1 2

P

1s

2p

2 0 1

+1/2

+1/2 1 1 0 2

P

1S 24.58

eV

20.55 19.77

0

1P ¹D ¹F ³S ³P ³D ³F

2 S³ 2 P¹

2 P³ 2 S¹

1 S¹

(Parahélium) (Ortohélium)

4.1. ábra. A héliumatom energiaszint-diagramja

+

+ +

-

-

λ λ λ₀, , , _{1 2} ...

üreges katód

kerámia szigetelés

gyûrû anód kvarc üveg

üveg

4.2. ábra. Katódüreglámpa emissziós méréshez

4.3. ábra. Katódüreglámpa abszorpciós méréshez

4.4. ábra. Neonnal töltött katódüreglámpa elnyelési színképe

oldat hordozó gáz plazma gáz

hűtő gáz

rézcső idukciós tekercs

nagy cseppek

B^→ ICP T =8000 K

h e

ICP T=5000 K

c

T=10000 K

4.5. ábra. Indukciósan csatolt plazma égő (ICP-égő)

5. OPTIKAI SPEKTROSZKÓPIA

0 0,5 1 1,5

200 400 600 800

Hullám ho ss z (nm)

Ab sz o rb an c ia

λ = 499 nm A = 0,7439 λ = 305 nm

A = 0,2241 λ = 259 nm A = 0,5634

O N

N C2H5 C2H5

NH

5.1. ábra. Níluskék-A festék UV-látható abszorpciós színképe

0 0,5 1 1,5

200 400 600 800

Hullám ho ss z (nm)

A b sz o rba nc ia

λ = 499 nm A = 0,7438

Δλ = 82 nm

λ = 534 nm A = 0,3719 λ = 452 nm

A = 0,3719

5.2. ábra Félértékszélesség meghatározása

C

E _C

_{( z )} σ

(xz) σ

(yz)

A

+1 +1 +1 +1 T

,α

,α

,α

A

+1 +1 -1 -1 R

,α

B

+1 -1 +1 -1 T

,R

,α

B

+1 -1 -1 +1 T

,R

,α

5.1. táblázat. A C2v csoport karaktertáblázata

C

C1 O1

O2 C6

C3 C2 C5

C2 C3

C

O F

H2

H1

H6

H3 C1

C4 H4H3

H2 H3 H1

H2 H1

H4

H2

H5 H1 z

z x

z

y

x y

x x

-y -z

-y (a)

(c)

(b)

(d)

O

O O

O

H H

H

H H H

C

C C

C

x

z

y

- + +

-

(a)

(b) (c)

5.3. ábra. Molekulák térszerkezete (a) formaldehid

(b) metilfluorid (c) allén

(d) hidrokinon (anti-konformer)

5.4. ábra. A formaldehid két molekulapályája

6. A MOLEKULÁK FORGÓMOZGÁSA

6.1. ábra. A tehetetlenségi nyomaték számítása

C

H N

(a)

a c

c

c b

b

b

b

b b

c a

a a

H

H

H

H H

H

(b)

(c)

(g) (h)

(f)

(d)

(e)

C I

C H

a

a

a a

cc S

F

N N

C C

H H H

H H H

H O

H H H

C C

F F F

F F

b b

C O C C

C

6.2. ábra. Molekulák fő tehetetlenségi tengelyei

6.3. ábra. A CO molekula forgási színképe

0

±1

±2

±10

0

±2

±1 0

±10

0

J=0, J=1, J=2, J=0, J=1, J=2,

(a) (b)

6.4. ábra. Nyújtott (a) és lapított (b) szimmetrikus pörgettyű forgási energiaszintjei.

6.5. ábra. A J=7->J=8 átmenet K-szerinti felhasadása az SiH3NCS forgási színképében.

0.0

-1.0 +1.0

0 0 1 1 0 2 1 2 0 3 2 3 1 0

1 0 0 1 2

2 0 1 2 3

3

0 0₀₀

1₁₁ 2₁₂ 2₂₁ 3₁₃ 3₂₂ 3₃₁

1₀₁ 1₁₀ 2₀₂ 2₁₁ 2₂₀ 3₀₃ 3₁₂ 3₂₁ 3₃₀

J K J_{K-1 K+1} K J

Kappa ( ) κ

(a) (b)

6.6. ábra. Aszimmetrikus pörgettyű forgási energiaszintjei (a) nyújtott pörgettyű, (b) lapított pörgettyű, κ szimmetriaparaméter.

6.7. ábra. A mikrohullámú spektrométer vázlata

C O

N

N

H

H

H

H

Izotópok H₂N-CO-NH₂ H2N-CO-NHD H2 15

N-CO- ¹⁵NH2

H₂N-C ¹⁸O-NH₂

Kötéstávolság (Å) Kötésszög (°) Diéderes szög C-O 1,2211 O-C-N1 122,64 _{⋅ ⋅} C-N1 1,3779 N1-C-N2 114,71 _{⋅ ⋅} N1-H1 0,9978 C-N1-H1 119,21 _{⋅ ⋅} N1-H2 1,0212 C-N1-H2 112,78

H1-N1-H2 118,61

6.8. ábra. Karbamid molekulageometrájának meghatározása mikrohullámú spektrumból

7. MOLEKULÁK REZGŐMOZGÁSA

7.1. ábra. Kétatomos oszcillátor potenciálgörbéje, energiaszintjei és hullámfüggvényei.

7.2. ábra. A HCl-gáz rezgési-forgási spektruma

v=0 v=1 v=2 v=3

d_e d

V(d)

≈

O

C

H H

O

C

H H

O

C

H H

O

C

H H

O

C

H H

O

C

H H

Q₁(a₁)

Q₆ (b₂) Q₅ (b₂)

Q₄ (b₁)

Q₃ (a₁) Q₂ (a₁)

z

x y

+ +

+ -

7.3. ábra. A formaldehid molekula normálrezgései

7.4. ábra. A metángáz infravörös színképének részlete

7.5. ábra. Az ammóniagáz infravörös színképe

7.6. ábra. Kristályos acetanilid infravörös színképe KBr pasztillában

IR fényforrás

Álló tükör

Mozgatható tükör Fényosztó

Minta IR detektor He-Ne lézer

VIS detektor

7.7. ábra. Fourier-transzformációs infravörös spektrométer

7.8a. ábra. Acetongőzről készült interferogram

7.8b. ábra. A Fourier-transzformációval kapott spektrum

7.8c. ábra. A spektrum a háttérrel történő osztás után

8. MOLEKULÁK ELEKTRONSZERKEZETE

8.1. ábra Molekulapályák előállítása atompályákból

8.2. ábra. A nitrogénmolekula molekulapályaenergia-diagramja

8.3. ábra. A formaldehid molekulapályaenergia-diagramja

Molekulapályák IE [eV]

5a1 • +17,11 eV

2b1 • +7,67 eV

3b2 -9,64 eV

1b1 -12,06 eV

4a1 -14,84 eV

3a1

2b1

2a1

M

1b2 -302,73 eV

1a1 -552,74 eV

8.4a. ábra. A formaldehid betöltött molekulapályái

0 eV

Molekulapályák IE [eV]

5a1 +17,11 eV

2b1 +7,67 eV

3b2 • -9,64 eV

1b1 • -12,06 eV

4a1 • -14,84 eV

3a1

2b1

2a1

M

1b2 • -302,73 eV

1a1 • -552,74 eV

8.4b. ábra. A formaldehid betöltetlen molekulapályái

LUMO

HOMO

8.5. ábra. Az oxazin-1 kation két molekulapályája

0 eV

8.6. ábra. Elektronátmenetek és jelöléseik

ΔE [1000 cm ]^-1 57.2 55.5 32.8 25.2

0 ¹A₁

A (b b )

3

2 2 1

A (b b )

1

2 2 1

B (b b )

1

1 1 1

B (b a )

1

2 2 1

B (b a )

1

1 1 1

n→π* n→π*

ππ→* n→σ* π→σ*

*

*

*

*

*

↑↓

↓

↑

↑

↑

↑

8.7. ábra. A formaldehid elektronátmenetei

8.8. ábra. A benzol elektronszínképe (etanolos oldat)

8.9. ábra. A benzol elektronszínképe (gőz)

Fényforrás Rés

Fényosztó

Minta Referencia

Detektorok Optikai rács

8. 10. ábra. Kétutas UV-látható abszorpciós spektrométer

VR

VR

S₀ S₁

T₁ T₂ S₂

szingulett abszorbció

ISC

IC fluoreszcencia

triplett abszorbció

foszforeszcencia IC

VR:

ISC:

IC:

S:

T:

rezgési relaxáció

Spinváltó átmenet (Inter System Crossing) belső konverzió (Internal Conversion) szingulett

triplett

v=0 v=n

sugárzásnélküli átmenet sugárzásos átmenet 8.11. ábra. Jablonski-diagram

8.12. ábra. Rodamin-B festék abszorpciós és emissziós színképe

Detektor

Optikai rács EMISSZIÓS MONOKROMÁTOR

GERJESZTÉSI MONOKROMÁTOR

Fényforrás Optikai rács

Minta

8.13. ábra Spektrofluoriméter

a fény terjedési iránya: a vékonyodó nyíl iránya, σ: a polarizáció síkja.

8.14. ábra. Lineárisan polarizált fény

8.15. ábra. Jobbra és balra cirkulárisan polarizált fény

8.16. ábra. (R)- és (S)-fenil-etil-amin CD-spektruma

8.17. A fenolmolekula geometriája

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

0 40 80 120 160

B: Phenol-d₀, measured

Relative absorption intensities (arbitrary units)

Wavenumber, cm^-1

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

0 40 80 120 160

A: Phenol-d₀, calculated

8.18. ábra. A fenolmolekula számított és mért rezgési színképe

8.19. ábra. Formaldehid és p-benzokinon pálcikamodellje

8.20. ábra. Formaldehid és p-benzokinon elektronfelhője

8.21. ábra. Atomi töltések anilin molekulában és anilinium kationban