Kémiai anyagszerkezettan Bevezetés

Kémiai anyagszerkezettan Bevezetés

Előadó: Dr. Kubinyi Miklós

tel: 21-37 kubinyi@mail.bme.hu

Tananyag az interneten (tavalyi):

http://www.ch.bme.hu Tananyag az intraneten (idei):

ftp://intranet.ch.bme.hu/oktata

s/fizkem/

Fizikai Kémia

• Fizikai Kémia I. - egyensúlyok (fázisegyensúlyok, kémiai egyensúlyok)

• Fizikai Kémia II. - változások (reakciókinetika, transzportfolyamatok)

• Fizikai Kémia III. - szerkezet (molekulák

szerkezete, anyagok szerkezete)

Bevezetés I.

Példák kémiai

szerkezetvizsgálati feladatokra

Gyógyszer-hatóanyag

N

Cl NH

H

Epibatidin

Erős fájdalomcsillapító

Trópusi béka bőréből izolálták

Származékok szintézise: Szerves Kémia Tanszék

N

Cl NH

H

Szerkezeti képlet igazolása Királis C-atom konfigurációja

Gyógyszerhatás mechanizmius felderítéséhez (az élő szervezettel hogyan lép kölcsönhatásba):

térszerkezet (=

„molekulageometria”), atomi töltések, stb.

Elektrokémiai szenzor hatóanyaga

NO₂ O

O O

O O

O O

O O

O O₂N

HN NHCOOCH₂C CH₂OOC

CH₃ C₁₂H₂₅

„BME 44” koronaéter

Kálium ionnal komplexet képez. Szelektív!

Orvosi, biológiai minták káliumtartalmát meghatározó műszerben alkalmazzák (HORIBA)

NO₂ O

O O

O O

O O

O O

O O₂N

HN NHCOOCH₂C CH₂OOC

CH₃ C₁₂H₂₅

Szerkezeti képlet

A koronaéter-gyűrű geometriája

K⁺- BME44 „szupramolekuláris” komplex szerkezete (koordanatív kötések, töltéseloszlás)

Iniciátor PVC polimerizációjához

C

H₃ O O

OH CH₃

CH₃ O

CH₃

C H_{n n+1} C H_{m m+1}

HPPN

n+m=7

Hő hatására gyökösen hasad (peroxikötés)

Felhasználásával kiváló minőségű PVC állítható elő (BORSODCHEM-ben alkalmazzák)

C

H₃ O O

OH CH₃

CH₃ O

CH₃

C H_{n n+1} C H_{m m+1}

HPPN

n+m=7

Szerkezeti képlet O-O kötés erőssége

Gyök szerkezete és reakciókészsége

Gyökkoncentráció követése a reakció során

Szénhidrogén konverziója Pt-katalizátorral

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

Ir Pd Re Sn

isopar.

arom.

Kiindulási anyag: n-oktán

Termékek i-oktán (motorbenzinben előnyös), aromások (káros) Az ötvöző anyag hatására megváltozik a termékösszetétel

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

Ir Pd Re Sn

isopar.

arom.

Az ötvözet elemi összetétele Felületi összetétel

Felületen megkötődő szénhidrogének kimutatása

Bevezetés II.

Kvantummechanika

A molekuláknak és a többi mikrorészecskének szerkezetét a kvantummechanika írja le.

A kvantummechanika alapvető törvényeit az 1920- as években ismerték fel.

Előzmény: néhány kísérlet, amely a klasszikus

fizikának ellentmondó eredményre vezetett.

Fraunhofer kísérlete

(1815-ben)

A Nap fényét optikai rácson felbontotta.

A folytonos színképben fekete vonalakat észlelt

A nap színképe

Magyarázat:

 a Nap folytonos sugárzást ad

  a Napot és a Földet körülvevő gázburok molekulái csak bizonyos hullámhosszú/frekvenciájú fotonokat (fénykvantumokat) nyelnek el.

   Az A molekula a rá jellemző _A1, _A2...

a B molekula a rá jellemző _B1, _B2...

    Ezért az A molekula energiája E_A= h_A1, h_A2… energiakvantumokkal változhat,

a B molekuláé E_B= h_B1, h_B2… energiakvantumokkal, stb.

A mikrorészecskék fizikai sajátságai közül egyesek - köztük az energiájuk - csak bizonyos meghatározott - kvantált - értékeket vehetnek fel.

Erre utal a kvantummechanika elnevezés.

A Schrödinger-egyenlet

A kvantummechanika legfontosabb összefüggése!





 E H ˆ

    ^{    E }   ^

H ˆ

(Röviden: )

    ^{    E }   ^

H ˆ

Differenciálegyenlet

a molekulát alkotó atommagok és elektronok

helykoordinátái szerinti differenciálhányadosokat tartalmaz

ezen koordináták közös jelölése: 

; ,

,

; ,

,

; ,

,

S

y z x y z x y z

 x



16 16

16 1

1

1

,

,

;...

,

,

e

y z x y z

x

Pl.: H

S molekula esetében 

(magok) (elektronok)

    ^{    E }   ^

H ˆ

Hamilton-operátor

    ^{   E }   ^

Hˆ 

  ^τ

Hˆ

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.

()

    ^{   E }   ^

Hˆ 

A differenciálegyenletek megoldásai függvények.

A Schrödinger-egyenlet megoldásai

a



(), 

(), 

()...

E

, E

, E

...

Az állapotfüggvény jelentősége I.

A molekula -ik állapotát jellemző _() 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

Az állapotfüggvény jelentősége II.

Elméleti úton számítható a spektrum!

Elnyelési (abszorpciós spektrum): a fényelnyelés intenzitása a fény frekvenciájának függvényében.

Kibocsátási (emissziós) spektrum: a fénykibocsátás

intenzitása a fény frekvenciájának függvényében.

Az elnyelési frekvenciákat a kiindulási állapot ( ) és a végállapot () energiájának különbsége

határozza meg:

E_ - E_ = h_{ }

A spektrumvonal intenzitása arányos a két állapot (

és ) közötti sugárzásos átmenet valószínűségével, amely kiszámítható, ha ismerjük a molekula

állapotfüggvényét kiindulási állapotban (_()) és a végállapotban (_()).

Az állapotfüggvény jelentősége II.

Elméleti úton számítható a spektrum!

Bevezetés II.

A kémiai szerkezetvizsgálati

módszerek áttekintése

Az elektromágneses sugárzás tartományai

mikrohullámú

gamma röntgen

ultraibolya látható rádió-

hullámú

infravörös

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

mikrohullámú

gamma röntgen

ultraibolya látható rádió-

hullámú

infravörös

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

OPTIKAI

SPEKTROSZKÓPIA (molekulák gerjesztése)

mikrohullámú

gamma röntgen

ultraibolya látható rádió-

hullámú

infravörös

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

OPTIKAI

SPEKTROSZKÓPIA (molekulák gerjesztése) NMR SPEKTROSZKÓPIA

(magok gerjesztése)

mikrohullámú

gamma röntgen

ultraibolya látható rádió-

hullámú

infravörös

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

OPTIKAI

SPEKTROSZKÓPIA (molekulák gerjesztése) NMR SPEKTROSZKÓPIA

(magok gerjesztése) FOTOELEKTRON

SPEKTROSZKÓPIA

mikrohullámú

gamma röntgen

ultraibolya látható rádió-

hullámú

infravörös

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

OPTIKAI

SPEKTROSZKÓPIA (molekulák gerjesztése) NMR SPEKTROSZKÓPIA

(magok gerjesztése) FOTOELEKTRON

SPEKTROSZKÓPIA (molekulák ionizálása)

MÖSSBAUER SPEKTROSZKÓPIA (magok gerjesztése)

K v a n t u m k é m i a i s z á m í t á s

M o l e k u l a - m o d e l l e z é s S z á m í t á s o s k é m i a

a b s z o r p c i ó

e m i s s z i ó

r u g a l m a t l a n s z ó r á s r u g a l m a s

s z ó r á s F é n n y e l

r u g a l m a s s z ó r á s i o n i z á c i ó E l e k t r o n n a l

r u g a l m a s s z ó r á s N e u t r o n n a l K í s é r l e t e k

K é m i a i s z e r k e z e t v i z s g á l a t i m ó d s z e r e k