Transcript Magszerk11
11. AZ ATOMMAGOK ENERGIAÁLLAPOTAI 1 11.1. A maghéj modell 2 Maghéj modell 3 Nukleonok spinből származó impulzusmomentuma L(proton) L(neutron) L(elektron) s ( s 1) s 1/ 2 (A proton és a neutron 1/2 spinű részecske, mint az elektron.) 4 Maghéj modell • Az atommag kvantumállapotainak leírására használt modell • Hasonlít a többelektronos atomok szerkezetének tárgyalásánál használt modellre, amelyekből az elektronhéjak adódnak. (Bonyolultabb annál, mivel nukleonból kétféle van.)5 Atommagok kvantumállapotának jellemzése (A maghéj modell szerinti tárgyalás eredménye) A magok állapotát két kvantumszám jellemzi: - I : magspin-kvantumszám - MI : mag mágneses kvantumszám 6 A magkvantumszámok lehetséges értékei I: magspin-kvantumszám attól függ, hogy a mag rendszáma és tömegszáma páros vagy páratlan. rendszám páros páros páratlan páratlan tömegszám páros páratlan páros páratlan I lehetséges értékei csak 0 lehet “félegész” számok (1/2, 3/2, 5/2…) egész számok (1,2,3…) “félegész” számok (1/2, 3/2, 5/2…) MI : mag mágneses kvantumszám : MI = I, I-1, …, -I. 7 Az atommag energiája Mágneses tér távollétében: csak I-től függ, MI szerint degenerált Mágneses térben: a degenerált szintek MI szerint felhasadnak. 8 Atommagok gerjesztése • Mössbauer effektus: I változik, gerjesztés gamma-fotonnal • Mágneses magrezonancia: MI változik (mágneses térben!), gerjesztés rádióhullámú fotonnal 9 Rudolf Ludwig Mössbauer 1929"for his researches concerning the resonance absorption of gamma radiation and his discovery in this connection of the effect which bears his name" 10 "for their development of new methods for nuclear magnetic precision measurements and discoveries in connection therewith" Felix Bloch 1905 - 1983 Edward Mills Purcell 1912 - 1997 11 11.2 A Mössbauer-effektus Az I magspin-kvantumszám megváltozásával járó átmenet. - Nagy energiájú, g-sugárzás tartományába esik - Nagyon keskeny sávú 12 A Mössbauer-effektus technikája Sugárforrás: olyan magot tartalmazó vegyület, amely magot a mintában vizsgálni akarunk Gerjesztett állapot Alapállapot Sugárforrásként szolgáló vegyületben gerjesztett magok radioaktív bomlás során keletkezhetnek. 13 Példa: 57Fe-mag Mössbauer-abszorpciójának vizsgálata Sugárforrás: 57Co izotóp 14 Mössbauer-spektroszkópia • A Mössbauer-effektus felhasználása kémiai szerkezetvizsgálatra. • A periódusos rendszer elemeinek mintegy fele tanulmányozható Mössbauer-spektroszkópiával. • Szükség van eggyel nagyobb rendszámú radioaktív izotópra, amelynek bomlása során a vizsgált atommag keletkezik, mégpedig gerjesztett állapotban. • Néhány gyakran vizsgált mag: 57Fe, 119Sn, 121Sb, 125Te. 15 Kísérleti technika g-sugárforrás hangolása Doppler-eltolódással. A fényforrást a mintához képest mozgatják. v ν' ν1 c n-t szisztematikusan változtatva mérik az abszorpciót. Detektor: g-sugárzás intenzitását mérő detektor: NaI kristály. Egy g-foton a NaI kristályrács számos I--ionjáról elektront szakít le. Az így keletkezett áramot elektronsokszorozóval erősítik. 16 A spektrum jellemzői • Kémiai eltolódás: az abszorpciós frekvencia jellemző az atommagra, de kis mértékben függ az elektronsűrűségtől a mag környezetében, azaz jellemző a molekula szerkezetére. • Kvadrupólus felhasadás: a kvadrupólus az atommagok töltéseloszlását jellemző mennyiség. Ha a magnak van kvadrupólusa (nem gömbszimmetrikus elektromos tér), az I kvantumszámmal jellemezhető energiaszintek felhasadnak. • Mágneses felhasadás: mágneses térben az I kvantumszámmal jellemzett szintek MI-szerint felhasadnak. Megfigyelhető: – a mintát külső mágneses térbe téve – belső mágneses térrel bíró anyagoknál (pl. ferromágneses anyagok) 17 Szerkezetvizsgálati alkalmazások • Fémkomplexek • Korrózió, katalizátorok – az eltérő oxidált állapotban lévő atomok kémiai eltolódása különböző • Mágneses ötvözetek (belső mágneses tér) 18 Fe3(CO)12 - Mössbauer-színképe Tr. Fe 5,0 CO 4,5 -0,3 -0,2 -0,1 0 0,1 0,2 0,3 v mm s-1 19 Katalizátor vizsgálata Fe2[(MoO4)]3 -FeMoO4 átalakulás CH3OH gázban az Fe3+ redukálódik 600 K körül CH3OH/O2 elegyben visszaoxidálódik Az Fe2[(MoO4)]3 a CH3OH CH2O reakció katalizátora A -FeMoO4–ban az Fe2+ ionok kétféle situson 20 Mágneses felhasadás I MI +3/2 +1/2 3/2 1/2 -1/2 -3/2 -1/2 +1/2 Kiválasztási szabály MI = 0,1 Az 57Fe színképben szextett 21 Korrózió a-Fe Fe3O4 (225°C) Simmons et al.: Corrosion 29 (1973) 227. Az Fe3O4 is mágneses, az Fe2+ és Fe3+ ionokhoz külön jelsorozat tartozik. 22 12. MÁGNESES MAGREZONANCIA 23 12. 1. Az atommagok abszorpciója mágneses térben Mössbauer effektus Mágneses tér távollétében: csak I-től függ, MI szerint degenerált Mágneses magrezonancia Mágneses térben: a degenerált szintek MI szerint felhasadnak. 24 A mágneses magrezonancia jelensége Az MI kvantumszám megváltozásával járó átmenet, I nem változik. Mágneses térben észlelhető Az abszorpció rádióhullámú tartományba esik. 25 Az energiaszintek a mágneses térben történő felhasadásának oka (Analógia a H-atommal) Ha I nem 0, a magnak mágneses momentuma van, ez a mágneses momentum kölcsönhatásba lép a mágneses térrel. 26 Az energiaszintek a mágneses térben történő felhasadásának oka Az atommagok spinje, amely a protonok és a neutronok spinjéből származik (azok vektoriálisan összegének tekinthető) Lp1 Lp2 ... Ln1 Ln2 Lmag A spin impulzusmomentum-jellegű mennyiség, a spinnel rendelkező részecskéknek azzal arányos mágneses momentuma van, ez a mágneses momentum kölcsönhatásba lép a mágneses térrel. 27 Magspinből származó impulzusmomentum és mágneses momentum (Az elektron spinjéhez hasonló képletek) Impulzusmomentum abszolút értéke: L mag I(I 1) Impulzusmomentum z irányú vetülete: z mag L MI Mágneses momentum abszolút értéke: gmag : „Lande-faktor” M mag g mag I(I 1)μ mag mmag : atommag Bohr- Mágneses momentum z irányú vetülete: z mag M gmagMIμ mag magnetonja e μ mag 2mmag mmag : mag tömege 28 Mágneses momentummal rendelkező részecske potenciális energiája mágneses térben Klasszikus fizika: B : mágneses indukció V M B Ha a mágneses tér iránya z, V M B z Az atommag esetében a kvantummechanika szerint Mzmag gmagMIμ mag Az atommagnak a spinből származó energiája mágneses térben V M z B EM g M μ B mag mag I mag I mag 29 Az NMR spektroszkópiában legtöbbet vizsgált magok: 1H, 13C 1 H Rendszám Tömegszám I (alapáll.) MI Páratlan Páratlan 1/2 +1/2, -1/2 Rendszám Tömegszám I (alapáll.) MI Páros Páratlan 1/2 +1/2, -1/2 13 C 30 MI = +1/2 szint energiája: 1 E1 gμ n B 2 MI = -1/2 szint energiája: 1 E 2 gμ n B 2 31 MI-szerinti felhasadás függése a mágneses tértől E MI = -1/2 ΔE gμ n B hn B MI = +1/2 32 1H és 13C NMR-spektrumokban észlelhető átmenet MI = +1/2 MI = -1/2 Az átmenet megengedett! ΔE gμ n B hn Az elnyelt foton energiája: ΔE n h gμ n B h 33 Atommagok NMR abszorpciós frekvenciája B 1T mágneses térben mag 1H 11B 13C 19F Természetes gyakoriság (%) I (alapáll.) n (MHz) 99,98 81,17 1,11 100,0 1/2 3/2 1/2 1/2 42,58 13,66 10,70 40,06 34 12.2 Az NMR színképek jellemzői I. A kémiai eltolódás. 35 Etil-benzol 1H NMR színképe 36 Etil-benzol 1H NMR színképe 37 A kémiai eltolódás A kémiai eltolódás fogalma: az atomra jellemző abszorpciós (emissziós, ionizációs) frekvencia kismértékben függ az atom környezetétől a molekulában. Megfigyelhető: • XPS (atomtörzsek ionizációs energiáját mérjük) • Mössbauer-effektus (atommag energiájának változása g-foton elnyeléssel) • Mágneses magrezonancia (mágneses térben felhasadt magenergianívók közötti átmenet rádióhullámú sugárzás elnyelésével) 38 Kémiai eltolódás az NMRspektrumban Mágneses tér hatására rendeződik az elektronok mozgása a magok körül, emiatt megváltozik a lokális mágneses tér. Blok B(1 σ) σ : árnyékolási tényező σ pozitív: diamágneses árnyékolás σ negatív : paramágneses árnyékolás A kémiai eltolódás miatt megváltozott abszorpciós frekvencia: n, gμ n B (1 σ) h 39 Az NMR-spektrumban a kémiai eltolódással módosult abszorpciós frekvencia megadása: n , n 0 δ n0 δ : kémiai eltolódás (a jelenség neve is kémiai eltolódás!) n0 megválasztása: elvi lehetőség: izolált atommag n-je konvencionális megoldás: egy kiválasztott vegyület atomjának n-je Leggyakoribb referenciavegyület: CH3 CH3 Si CH3 TMS CH3 TMS előnye: az 1H és 13C spektrumban is egyetlen abszorpciós sáv 40 van. d előnye a n-vel szemben: független a mágneses térerőtől. Példa: Hány NMR jel van az etanol 1H spektrumában? Hány NMR jel van az aceton 1H spektrumában? A funkciós csoportokra jellemző, hogy mekkora a bennük levő 1H, 13C, stb. magok kémiai eltolódása. 41 1H kémiai eltolódások 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 -1 -2 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 -1 -2 Fém-CH3 Si(CH3)4 terc C-H C-H -CO-CH3 Ar-CH3 C-CH2-C C-CH2-O-Ar C-CH2-N C-CH2-COC-CH2-OAr-CH2-C Ar-CH2-N Ar-CH2-O=CHArH -CO-NH-C -COOH R-CHO R-OH 42 13C kémiai eltolódások 200 150 100 50 0 200 150 100 50 0 Si(CH3)4 -CH2X CH3-C CH3-N C-C -CH2-O-CH2-N CH3-OCH-N C-N CH-OC-O- -C C= CAr -C N -COOR -COOH R-CHO -CO- 43 12.3. Az NMR színképek jellemzői II. A spin-spin csatolás. Spin-spin csatolás: egy molekulán belüli NMR-aktív atommagok mágneses momentumai kölcsönhatásba lépnek egymással, emiatt megváltozik az összes egymással kölcsönhatásban lévő mag energiája. A spektrumban ez a sávok felhasadásában nyilvánul meg. 44 Példa: 13C spektrumban 1:2:1 relatív intenzitású komponensek 13C és a két 1H mag közötti kölcsönhatás miatt. 45 A CH2-csoport 13C-mag energiája a spin-spin kölcsönhatás figyelembevételével. H2 E g M μ B J CH M CI (MH1 M I I ) C C I C n JCH : C-H csatolási állandó 1 2 Gerjesztés során: M CI M CI 1 2 CH H1 H2 C C C E -g M μ B J (MI M I ) -g M I μ n B ΔECH C C I C n MIH1 +1/2 +1/2 -1/2 -1/2 MIH2 +1/2 -1/2 +1/2 -1/2 ECH + JCH 0 0 - JCH 46 A csatolási állandó függ • milyen atomok között alakul ki (pl.1H-1H, 1H13C, 1H-19F, 13C-13C csatolás) • az atomok közötti távolság • milyen kémiai kötés(ek) van(nak) köztük Nem függ a mágneses térerőtől. 47 A csatolási állandó megadása: JCH/h, JHH/h, JCC/h, stb. [Hz] 48 Kémiailag ekvivalens magok: - kémiai eltolódásuk megegyezik Pl.: -CH3 3 protonja, - CH2 2 protonja. Mágnesesen ekvivalens magok - olyan kémiailag ekvivalens magok, amelyek egy másik kémiailag ekvivalens csoport egyes tagjaival azonos spin-spin kölcsönhatásban vesznek részt. 49 Példa kémiailag ekvivalens magokra H1 X H1 H2 C1 C2 Y H1' H2' H2 Y X H1' H2' 50 NMR-spektrum értékelése Kémiai eltolódások és alapján Spin-spin csatolások I. rendű spektrum: d-k közötti különbségek sokkal nagyobbak, mint a spin-spin csatolás okozta felhasadás. Ezek értékelése viszonylag egyszerű. 51 Etil-benzol 1H NMR színképe 52 Etil-benzol 1H NMR színképe 53 A spin-spin csatolás szabályai az 1H spektrumban • Az azonos szénatomon lévő protonok nem hasítják fel egymás jelét, ha mágnesesen ekvivalensek. • A szomszédos szénatomokon lévő protonok közötti spin-spin csatolás jól látható felhasadást okoz. • A távolabbi szénatomokon lévő protonok közötti spinspin csatolás az alifás láncok mentén kicsi, csak különösen nagy felbontású spektrumokban észlelhető. Konjugált C-C kötések mentén a távolabbi protonok között is észlelhető spin-spin csatolás alakul ki. 54 Etil-benzol 1H NMR-spektruma Felhasadások a CH3-csoport jelében (a CH2 csoport okozza) MIH1 +1/2 +1/2 -1/2 -1/2 MIH2 +1/2 -1/2 +1/2 -1/2 EHH JHH 0 0 - JHH 55 Etil-benzol 1H NMR-spektruma Felhasadások a CH2-csoport jelében (a CH3 csoport okozza) MIH1 +1/2 +1/2 +1/2 -1/2 +1/2 -1/2 -1/2 -1/2 MIH2 +1/2 +1/2 -1/2 +1/2 -1/2 +1/2 -1/2 -1/2 MIH3 +1/2 -1/2 +1/2 +1/2 -1/2 -1/2 +1/2 -1/2 EHH +3/2 JHH +1/2 JHH +1/2 JHH +1/2 JHH -1/2 JHH -1/2 JHH -1/2 JHH -3/2 JHH 56 Az NMR-spektrumból tehát meghatározható a vizsgált anyag molekuláinak szerkezeti képlete. 57 A spin-spin kölcsönhatás a 13C spektrumban A 13C atomok jelét a hozzájuk kapcsolódó protonok hasítják fel. CH-csoport 1:1 dublett CH2-csoport 1:2:1 triplett CH3-csoport 1:3:3:1 kvartett 58 Az 1,3-butándiol normál ill. off-resonance technikával készült 13C NMR-színképe 59 12.4. NMR-spektroszkópia Általában oldatmintát vizsgálnak. Oldószerek: CDCl3, aceton-D6 (az oldószer 1H abszorpciója nem zavar) Az oldathoz TMS-t adnak. 60 Az NMR-spektrumban a jel gyenge 1H B 1T t = 25oC 1 N(MI ) 2 0,999993 1 N(MI ) 2 Ok: kicsi a E (különbség az alap és a gerjesztett állapot között). Az abszorpciós és stimulált emisszió valószínűsége csaknem megegyezik. A gerjesztés során tovább közelít az arány az 1-hez. Relaxációs folyamatok: magok sugárzásmentesen leadják gerjesztési energiájukat. 61 Az NMR-spektrumban a jel gyenge 1H B 1T t = 25oC 1 N(MI ) 2 0,999993 1 N(MI ) 2 Ok: kicsi a E (különbség az alap és a gerjesztett állapot között). Az abszorpciós és stimulált emisszió valószínűsége csaknem megegyezik. A gerjesztés során tovább közelít az arány az 1-hez. Relaxációs folyamatok: magok sugárzásmentesen leadják gerjesztési energiájukat. 62 Az NMR-spektrométer felépítése 63 Korszerű NMR-berendezés • erős mágnes: sok az I.-rendű spektrum részlet • impulzus üzemű készülék (FT-NMR) 64 FT-NMR berendezés gerjesztő impulzussorozata és az impulzussorozat Fourier-transzformáltja 65 A) Az etil-benzol deuteroacetonos oldatáról felvett FIDgörbe b) A Fourier-transzformációval kapott 13C-NMR-spektrum 66 FT-NMR-készülék működése (animáció található a lenti címen) http://www.varianinc.com/cgi-bin/nav?corp/businesses/nmr/ 67 Szilárd fázisú NMR Sávkiszélesedés! Okai: Kémiai eltolódás anizotrópiája (CAS) 1 3cos Θ Δδ ~ 3 rAB 2 Dipoláris kiszélesedés (hosszú távú spin-spin kölcsönh.) γAγB M γL 1 3cos2Θ Δδ ~ rAB giromágneses tényező 68 γAγB Δδ ~ 1 3cos2Θ rAB B0 B rAB A 69 Megoldás: a minta pörgetése „bűvös szöggel” A bűvös szög: 54° 44’ 70 Szilárd NMR: EPDM gumi 1H spektruma NMR Process Systems LLC, internet 71 Szilárd NMR: EPDM gumi 13C spektruma NMR Process Systems LLC, internet 72 A kém. eltolódás anizotrópiája különböző MAS sebességeknél fast spinning slow spinning Prof. Rachel Martin, internet 250 200 150 100 50 d C (ppm) 73 NMR képalkotás 74 NMR képalkotás 75 76 77