Kémiai anyagszerkezettan Grofcsik András tel: 14-84 Előadó: Kubinyi Miklós tel: 21-37 Kállay Mihály tel: 30-64.

Az előadások a következő témára: "Kémiai anyagszerkezettan Grofcsik András tel: 14-84 Előadó: Kubinyi Miklós tel: 21-37 Kállay Mihály tel: 30-64."— Előadás másolata:

1 Kémiai anyagszerkezettan Grofcsik András tel: 14-84 agrofcsik@mail.bme.hu Előadó: Kubinyi Miklós tel: 21-37 kubinyi@mail.bme.hu Kállay Mihály tel: 30-64 kallay@mail.bme.hu

2 Tananyag az intraneten (tavalyi): http://oktatas.ch.bme.hu/oktatas/ konyvek/fizkem/kasz/  eload05  jegyzet05

3 Tananyag az intraneten (idei): http://oktatas.ch.bme.hu/oktatas/ konyvek/fizkem/kasz/  eload06  jegyzet06

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

5

6 Tananyag (eload06) I. BEVEZETÉS (Bevez06) II. A KVANTUMMECHANIKA AXIÓMÁI (Axiom06) III. A HIDROGÉNATOM SZERKEZETE (H_atom06) IV. A TÖBBELEKTRONOS ATOMOK ELEKTRONSZERKEZETE (Tobbel06) V. OPTIKAI SPEKTROSZKÓPIA (Optsp06) VI. A MOLEKULÁK FORGÓMOZGÁSA (Forgo06) VII. A MOLEKULÁK REZGŐMOZGÁSA (Rezgo06) VIII. A MOLEKULÁK ELEKTRONSZERKEZETE (Molel06) IX. FOTOELEKTRON-SPEKTROSZKÓPIA (UPSXPS06) X. LÉZEREK, LÉZERSPEKTROSZKÓPIAI MÓDSZEREK (Lezer06) XI. AZ ATOMMAGOK ENERIGIAÁLLAPOTAI (Magszerk06) XII. A MÁGNESES MAGREZONANCIA XII. AZ ELEKTRONSPIN-REZONANCIA (nem tananyag) XIV. TÖMEGSPEKTROSZKÓPIA (Tomeg06) XV. A RÖNTGENDIFFRAKCIÓ (Rontg06)

7 Bevezetés I. Példák kémiai szerkezetvizsgálati feladatokra

8 Gyógyszer-hatóanyag Epibatidin Erős fájdalomcsillapító Trópusi béka bőréből izolálták Származékok szintézise: Szerves Kémia Tanszék

9 Szerkezeti képlet igazolása Királis C-atom konfigurációja Gyógyszerhatás mechanizmus felderítéséhez (az élő szervezettel hogyan lép kölcsönhatásba): térszerkezet (= „molekulageometria”), atomi töltések, stb. Kristálymódosulat azonosítása

10 Elektrokémiai szenzor hatóanyaga „BME 44” koronaéter Kálium ionnal komplexet képez. Szelektív! Orvosi, biológiai minták káliumtartalmát meghatározó műszerben alkalmazzák (HORIBA)

11 Szerkezeti képlet A koronaéter-gyűrű geometriája K + - BME44 „szupramolekuláris” komplex szerkezete (koordanatív kötések, töltéseloszlás)

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

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

14 Szénhidrogén konverziója Pt-katalizátorral Kiindulási anyag: n-oktán Termékek i-oktán (motorbenzinben előnyös), aromások (káros) Az ötvöző anyag hatására megváltozik a termékösszetétel

15 Az ötvözet elemi összetétele Felületi összetétel Felületen megkötődő szénhidrogének kimutatása

16 1.1. Bevezetés a spektroszkópiába

17 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.

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

19

20 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 A1, A2... a B részecske a rá jellemző B1, B2...     Ezért az A részecske energiája  E A = h  A1, h  A2 … energiakvantumokkal változhat, a B részecskéjé  E B = h  B1, h  B2 … energiakvantumokkal, stb.

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

22 EGYSUGARAS UV-LÁTHATÓ ABSZORPCIÓS SPEKTROMÉTER

23 O N N N C 2 H 5 C 2 H 5 C 2 H 5 C 2 H 5 + ClO 4 - Oxazin 1

24 Oxazin 1 UV-látható abszorpciós spektruma

25 1.2. Bevezetés a kvantummechanikába

26 Erwin Schrödinger: Quantisierung als Eigenwertproblem (1926)

27 A Schrödinger-egyenlet A kvantummechanika legfontosabb összefüggése! (Röviden: )

28 Differenciálegyenlet a molekulát alkotó atommagok és elektronok helykoordinátái szerinti differenciálhányadosokat tartalmaz ezen koordináták közös jelölése: 

29 Pl.: H 2 S molekula esetében  (magok) (elektronok)

30 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.  (  ) a molekula állapotfüggvénye E a molekula energiája

31 A differenciálegyenletek megoldásai függvények. A Schrödinger-egyenlet megoldásai a  1 (  ),  2 (  ),  3 (  )... állapotfüggvények és a hozzájuk tartozó E 1, E 2, E 3... energia-sajátértékek

32 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

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

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

35 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!

36 1.3. A kémiai szerkezetvizsgálati módszerek áttekintése

37 Az elektromágneses sugárzás tartományai mikrohullámú gamma röntgen ultraibolya látható rádió- hullámú infravörös 10 6 10 8 10 1 0 10 1 2 10 1 4 10 16 10 18 10 2 0 10 2 2 [Hz]

38 mikrohullámú gamma röntgen ultraibolya látható rádió- hullámú infravörös 10 6 10 8 10 1 0 10 1 2 10 1 4 10 16 10 18 10 2 0 10 2 2 [Hz] OPTIKAI SPEKTROSZKÓPIA (molekulák gerjesztése)

39 mikrohullámú gamma röntgen ultraibolya látható rádió- hullámú infravörös 10 6 10 8 10 1 0 10 1 2 10 1 4 10 16 10 18 10 2 0 10 2 2 [Hz] OPTIKAI SPEKTROSZKÓPIA (molekulák gerjesztése) NMR SPEKTROSZKÓPIA (magok gerjesztése)

40 mikrohullámú gamma röntgen ultraibolya látható rádió- hullámú infravörös 10 6 10 8 10 1 0 10 1 2 10 1 4 10 16 10 18 10 2 0 10 2 2 [Hz] OPTIKAI SPEKTROSZKÓPIA (molekulák gerjesztése) NMR SPEKTROSZKÓPIA (magok gerjesztése) FOTOELEKTRON SPEKTROSZKÓPIA (molekulák ionizálása)

41 mikrohullámú gamma röntgen ultraibolya látható rádió- hullámú infravörös 10 6 10 8 10 1 0 10 1 2 10 1 4 10 16 10 18 10 2 0 10 2 2 [Hz] OPTIKAI SPEKTROSZKÓPIA (molekulák gerjesztése) NMR SPEKTROSZKÓPIA (magok gerjesztése) FOTOELEKTRON SPEKTROSZKÓPIA (molekulák ionizálása) MÖSSBAUER SPEKTROSZKÓPIA (magok gerjesztése)

42

43