Kémiai anyagszerkezettan

1. Kémiai anyagszerkezettan Előadó: Kubinyi Miklós tel: 21-37 kubinyi@mail.bme.hu Grofcsik András tel: 14-84 agrofcsik@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)

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

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

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.

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 EA= hA1, hA2… energiakvantumokkal változhat, a B részecskéjé EB= 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. Oxazin 1 N C H 2 5 + C H 2 5 O N N - C H 2 5 ClO C H 4 2 5

24. 2,5 2 1,5 Abszorbancia 1 0,5 0 200 400 600 800 Hullámhossz (nm) 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.: H2S 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 molekulaállapotfüggvénye E a molekula energiája

31. A differenciálegyenletek megoldásai függvények. A Schrödinger-egyenlet megoldásai a 1(), 2(), 3()... állapotfüggvények és a hozzájuk tartozó E1, E2, E3... 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 állapotfüggvény jelentősége II. Elméleti úton számítható a spektrum! 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 (()).

36. 1.3. A kémiai szerkezetvizsgálati módszerek áttekintése

37. Az elektromágneses sugárzás tartományai 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1018 1020 1022 [Hz] rádió-hullámú mikrohullámú infravörös látható ultraibolya röntgen gamma

38. 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1018 1020 1022 [Hz] rádió-hullámú mikrohullámú infravörös látható ultraibolya röntgen gamma OPTIKAI SPEKTROSZKÓPIA (molekulák gerjesztése)

39. 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1018 1020 1022 [Hz] rádió-hullámú mikrohullámú infravörös látható ultraibolya röntgen gamma OPTIKAI SPEKTROSZKÓPIA (molekulák gerjesztése) NMR SPEKTROSZKÓPIA (magok gerjesztése)

40. 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1018 1020 1022 [Hz] rádió-hullámú mikrohullámú infravörös látható ultraibolya röntgen gamma OPTIKAI SPEKTROSZKÓPIA (molekulák gerjesztése) FOTOELEKTRON SPEKTROSZKÓPIA (molekulák ionizálása) NMR SPEKTROSZKÓPIA (magok gerjesztése)

41. 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1018 1020 1022 [Hz] rádió-hullámú mikrohullámú infravörös látható ultraibolya röntgen gamma OPTIKAI SPEKTROSZKÓPIA (molekulák gerjesztése) FOTOELEKTRON SPEKTROSZKÓPIA (molekulák ionizálása) MÖSSBAUER SPEKTROSZKÓPIA (magok gerjesztése) NMR SPEKTROSZKÓPIA (magok gerjesztése)