KÉMIAI ANYAGSZERKEZETTAN

(Ábragyűjtemény)

2002/2003 tanév

1.BEVEZETÉS

1.1. ábra. A Fraunhofer-vonalak a Nap színképében

F é n y f o r r á s R é s e k

F o t ó d i ó d a t ö m b

M i n t a

h o l o g r a f i k u s r á c s H o m o r ú

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 [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

 r



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





   a^2e^

3 0 100

1   ^  _

  a (6 )e sin eⁱ 81

1 2 2 ₃

3 0 311

 





2 2

3 0

200 (2 )

2 4

1  ^

   a^  e^{ }

 



 

 _  a^ (6  )e^ sin e^i 81

1 ₂³ _{2 3}

0 1

31



 

 ^ cos

2 4

1 ₂³ ₂

0 210



 a _e (3cos 1)

6 81

1 ₂³ _{2 3 2}

0

320  ^  ^ 

  a e ^

 



 

 a e sin eⁱ 8

1 ₂³ ₂

0 211



   ^   ^

  a e sin cos eⁱ 81

1 2 2 ₃

3 0 321



 

 



 

 _  a^ e^ sin e^i 8

1 ₂³ ₂

0 1

21

 





 

 _  a^ e^ sin cos e^i 81

1 ₂³ _{2 3}

0 1

32

2 3 2

3 0

300 (27 18 2 )

3 81

1 ^



 

  a^   e^{ }





 

 a ^{2 2}e ^{3 2} e²ⁱ

3 0

322 sin

162

1 ^{ }







 

 (6 ) ^cos

81

2 2 2 ₃

3 0 310

 



 a e ^

 

 

 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  ,  , 

   

pz

s s





 



  ^sin cos

2 4

1 2

2 2 3 0 1

21 211 2



  

  a e

px





 



  ^sin sin

2 4

1 2

)

( ₂³ ₂

1 0 21 2 211



  



 i a e

py

310 3

300

3  , 

  

pz

s







 



  (6 ) ^sin cos

81 2 2

2 3 2

3 0 1

31 311 3



   

  a e

px







 



  (6 ) ^sin sin

81 2 2

2 3 2

3 0 1

31 311 3



   

 

 i a e

py

310 3

300

3  , 

  

pz

s







 



  ^sin cos cos

81 2 2

2 3 2 3 0 1

32 321 3



  

  a e

dxz







 



  ^sin cos sin

81 2 2

2 3 2 3 0 1

32 321 3



  

 

 i a e

dyz





 



  ^sin cos2

2 81

1 2

3 2 2 2 3 2 0

32 3 _{2 2} 322



  

 

 a e

y

dx

320

3 _{2 2} 

 

zr

d

0 5 1 0 0 1 0 0 5 1 0

R _{2 0}

R

  

3.2. ábra. A hidrogénatom Rnradiális hullámfüggvényei

1s 2px 2p_y 2pz

3dX²- y² 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 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

1

2

1

s 2

s

L S J Állapot

1s

1 0

0

+1/2

+1/2 0 0 0 1

S

1s

2s

2 0

0

+1/2

+1/2 0 0 0 2

S

2 0

0

+1/2

+1/2 0 1 1 2

S

1s

2p

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

2 0

1

+1/2

+1/2 1 1 0 2

P

1S 2 4 . 5 8

e V

2 0 . 5 5 1 9 . 7 7

0

1P ¹D ¹F ³S ³P ³D ³F

2 S³ 2 P¹

2 P³ 2 S¹

1 S¹

( P a r a h é li u m ) ( O r t o h é l i u m )

4.1. ábra. A héliumatom energiaszint-diagramja

+

+ +

-

-

  ₀, , , . . ._{1 2}

ü r e g e s k a t ó d

k e r á m i a s z i g e t e l é s

g y û r û a n ó d ü v e g

k v a r c ü v e g

4.2. ábra. Katódüreglámpa emissziós méréshez

4.3. ábra. Katódüreglámpa abszorpciós méréshez

4.4. ábra. Neonnal töltött katódüreglámpa elnyelési színképe

o l d a t h o r d o z ó g á z p l a z m a g á z

h ű t ő g á z

r é z c s ő i d u k c i ó s t e k e r c s

n a g y c s e p p e k

B^ I C P T = 8 0 0 0 K

h e

I C P T = 5 0 0 0 K

c

T = 1 0 0 0 0 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)

A b sz o rb an c ia

 = 499 nm A = 0,7439

 = 305 nm A = 0,2241

 = 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 rb an c ia

 = 499 nm A = 0,7438

 = 82 nm

 = 534 nm A = 0,3719

 = 452 nm A = 0,3719

5.2. ábra Félértékszélesség meghatározása

C

E _C

_{( z )} 

(xz) 

(yz)

A

+1 +1 +1 +1 T

, 

, 

, 

A

+1 +1 -1 -1 R

, 

B

+1 -1 +1 -1 T

,R

, 

B

+1 -1 -1 +1 T

,R

, 

5.1. táblázat. A C2v csoport karaktertáblázata

C

C 1 O 1

O 2 C 6

C 3 C 2 C 5

C 2 C 3

C

O F

H 2

H 1

H 6

H 3 C 1

C 4 H 4H 3

H 2 H 3 H 1

H 2 H 1

H 4

H 2

H 5 H 1 z

z x

z y

x y

x x

- y - z

- y ( a )

( c )

( b )

( d )

OO O

O

H H

H

H H H

CC 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

± 1 0

0

± 2

± 1 0

± 1 0

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 0 _{0 0}

1 _{1 1} 2_{1 2} 2_{2 1} 3 _{1 3} 3 _{2 2} 3 _{3 1}

1_{0 1} 1_{1 0} 2_{0 2} 2 _{1 1} 2_{2 0} 3_{0 3} 3_{1 2} 3_{2 1} 3_{3 0}

J K JK - 1 K + 1 K J

K a p p a ( ) 

( a ) ( b )

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

6.7. ábra. A mikrohullámú spektrométer vázlata

C O

N

N

H

H

H

H

Izotópok H2N-CO-NH2

H2N-CO-NHD H2 15N-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

7.7. ábra. Fourier-transzformációs infravörös spektrométer I R f é n y f o r r á s

Á l l ó t ü k ö r

M o z g a t h a t ó t ü k ö r F é n y o s z t ó

M i n t a I R d e t e k t o r H e - N e l é z e r

V I S d e t e k t o r

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



2b1



3b2 -9,64 eV

1b1 -12,06 eV

4a1 -14,84 eV

3a1

2b1

2a1

 -17,22 eV

-21,98 eV -36,39 eV

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



1b1



4a1



3a1

2b1

2a1

 -17,22 eV

-21,98 eV -36,39 eV

1b2



1a1



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

E [ 1 0 0 0 c m ]^{- 1}

5 7 . 2 5 5 . 5 3 2 . 8 2 5 . 2

0 ¹A ₁

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* n*

* n* *

*

*

*

*

*

 











8.7. ábra. A formaldehid elektronátmenetei

8.8. ábra. A benzol elektronszínképe (etanolos oldat)

8.9. ábra. A benzol elektronszínképe (gőz)

F é n y f o r r á s R é s

F é n y o s z t ó

M i n t a R e f e r e n c i a

D e t e k t o r o k O p t i k a i r á c s

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

V R

V R

S ₀ S ₁

T ₁ T ₂ S ₂

s z i n g u l e t t a b s z o r b c ió

I S C

I C f l u o r e s z c e n c ia

t r i p le t t a b s z o r b c i ó

f o s z f o r e s z c e n c i a I C

V R : I S C : I C : S :T :

r e z g é s i r e l a x á c i ó

S p i n v á l t ó á t m e n e t ( I n t e r S y s t e m C r o s s i n g ) b e l s ő k o n v e r z i ó ( I n t e r n a l C o n v e r s i o n ) s z i n g u l e t t

t r ip l e t t

v = 0 v = n

s u g á r z á s n é l k ü l i á t m e n e t s u g á r z á s o s á t m e n e t 8.11. ábra. Jablonski-diagram

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

D e t e k t o r

O p t i k a i r á c s E M I S S Z I Ó S M O N O K R O M Á T O R

G E R J E S Z T É S I M O N O K R O M Á T O R

F é n y f o r r á s O p t i k a i r á c s

M i n t a

8.13. ábra Spektrofluoriméter

a fény terjedési iránya: a vékonyodó nyíl iránya,

: 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