Φασματοσκοπίας UV/ορατού Φασματοσκοπίας υπερύθρου Φασματοσκοπίας άπω υπερύθρου / μικροκυμάτων Φασματοσκοπίας φθορισμού Φασματοσκοπίας NMR

Transcript

1 Φασματοσκοπία Ερμηνεία & εφαρμογές : Φασματοσκοπίας UV/ορατού Φασματοσκοπίας υπερύθρου Φασματοσκοπίας άπω υπερύθρου / μικροκυμάτων Φασματοσκοπίας φθορισμού Φασματοσκοπίας NMR Ποια φαινόμενα παράγουν τα διάφορα είδη Η/Μ ακτινοβολίας; Με ποιους μηχανισμούς η υλη εκπέμπει η απορροφά τα διάφορα είδη Η/Μ ακτινοβολίας; Τι καθορίζει το χρώμα των αντικειμένων; Ποιες πληροφορίες μας δίνουν τα διάφορα είδη φασματοσκοπίας;

2 Φάσματα ορατού / υπεριώδους Απορρόφησης: το υλικό απορροφά μέρος διερχόμενης ακτινοβολίας Εκπομπής: το υλικό παράγει την ακτινοβολία Γραμμικό φάσμα απορρόφησης Γραμμικό φάσμα εκπομπής

3 Ερμηνεία γραμμικού φάσματος εκπομπής υδρογόνου Ενεργειακές στάθμες Ε = -13,6/n 2 ev (1eV = 1,6 x J) Οι φασματικές γραμμές παράγονται από τις παρακάτω αποδιεγέρσεις: Βλ. Phet: discharge-lamps ορατό UV Φωτόνια: ενέργεια ΔΕ = hf=hc/λ E 5 -E 2 E 4 -E 2 E 3 -E 2 Φάσμα εκπομπής UV / ορατού

4 Ενεργειακές στάθμες νατρίου φασματικές γραμμές (πιο περίπλοκες, το μοντέλο Bohr δεν μπορεί να τις εξηγήσει) Η θερμότητα της φλόγας διεγείρει τα ηλεκτρόνια ατόμων νατρίου και η αποδιέγερση τους παράγει φασματικές γραμμές. Η ανάμειξη των χρωμάτων αυτών των γραμμών δίνει το κίτρινο χρώμα της φλόγας

5 Φάσματα απορρόφησης ορατού /UV Οφείλονται σε διεγέρσεις ηλεκτρονίων σθένους, που απορροφούν φωτόνια αέριο υγρό, στερεό Εξήγηση ενεργειακών ζωνών Βλ. Phet: bound states (many wells) στάθμη ζώνη στάθμη ζώνη γραμμές μπάντες

6 Βλ. κεφάλαιο 19 βιβλίου Newman Δονητικές στάθμες Φθορισμός (Ακτινοβολία πέφτει σε υλικό και διεγείρει τα άτομα. Τα άτομα εκπέμπουν ταυτόχρονα ακτινοβολία με μεγαλύτερο λ) Φωσφορισμός (εκπέμπει αργότερα με μεγαλύτερο λ) Ορυκτά που φθορίζουν Βιοφωταύγεια από μέδουσες

7 Φασματοσκοπία φθορισμού (βασίζεται στην ύπαρξη χρωμοφόρων ομάδων μέσα στο μόριο) Ανιχνεύουμε την ακτινοβολία φθορισμού που εκπέμπει το δείγμα κάθετα προς την προσπίπτουσα. Μας δίνει χρήσιμες πληροφορίες για διαμόρφωση και αλληλεπιδράσεις μορίων όπως π.χ η πρόσδεση μορίων Φασματόμετρο φθορισμού

8 Τύποι χημικών δεσμών: oμοιοπολικοί πολικοί Βλ Phet: Διπλά πηγάδια και ομοιοπολικοί δεσμοί ιοντικοί υδρογόνου van der waals Περισσότερα στο μάθημα Χημείας

9 Φασματοσκοπία υπερύθρου Όλα τα φάσματα υπερύθρου είναι απορρόφησης Κατάλληλη για ταυτοποίηση ουσιών (συγκεκριμένοι χημικοί δεσμοί απορροφούν σε συγκεκριμένες συχνότητες).

10 Φασματοσκοπία υπερύθρου (βασίζεται στην διέγερση δονητικών καταστάσεων στα μόρια). Περιγράφεται κβαντομηχανικα με τις ενεργειακές στάθμες αρμονικού ταλαντωτή. Επειδή τα υπέρυθρα φωτόνια απορροφούνται και διεγείρουν δονήσεις μορίων, σαν συνέπεια θερμαίνουν το υλικό. Ε n =(n+1/2)hf Βλ Phet «Δεσμευμένες κβαντικές καταστάσεις» Αρμονικος ταλαντωτης

11 Παλαιό θέμα εξετάσεων Ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία με φάσμα που φαίνεται στο σχήμα 1 περνά μέσα από δείγμα ουσίας που αποτελείται από διατομικά μόρια. Το φάσμα ακτινοβολίας που εξέρχεται, φαίνεται στο σχήμα 2. Η καμπύλες εκφράζουν ένταση ακτινοβολίας Ι σε συνάρτηση με τη συχνότητα f. α) Το φάσμα (2) είναι : A) φάσμα απορρόφησης υπεριώδους Β) φάσμα απορρόφησης υπερύθρου Γ) φάσμα εκπομπής ορατού Δ) φάσμα εκπομπής μικροκυμάτων β) Οι γραμμές στο φάσμα οφείλονται σε : Α) διεγέρσεις ηλεκτρονίων σε ανώτερες στάθμες ενέργειας Β) αποδιεγέρσεις ηλεκτρονίων σε κατώτερες στάθμες ενέργειας Γ) διεγέρσεις δονητικών καταστάσεων μορίων σε ανώτερες στάθμες ενέργειας Δ) αποδιεγέρσεις δονητικών καταστάσεων μορίων σε κατώτερες στάθμες ενέργειας γ) Για ποιο λόγο οι γραμμές ισαπέχουν μεταξύ τους; Που οφείλονται; Κάνετε ένα διάγραμμα ενεργειακών σταθμών και εξηγείστε. δ) Υπολογίστε (κατά προσέγγιση) την απόσταση ΔΕ των ενεργειακών σταθμών (σε ev).

12 Θέμα εξετάσεων Ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία με φάσμα που φαίνεται στο σχήμα (1) περνά μέσα από δείγμα αερίου υδρογόνου. Το φάσμα ακτινοβολίας που εξέρχεται, φαίνεται στο σχήμα (2). Η καμπύλες εκφράζουν ένταση ακτινοβολίας Ι σε συνάρτηση με το μήκος κύματος λ. α) Το φάσμα 2 είναι : A) φάσμα απορρόφησης ορατού Β) φάσμα απορρόφησης υπερύθρου Γ) φάσμα εκπομπής υπεριώδους Δ) φάσμα εκπομπής μικροκυμάτων β) Οι γραμμές στο φάσμα οφείλονται σε : Α) διεγέρσεις ηλεκτρονίων σε ανώτερες στάθμες ενέργειας Β) αποδιεγέρσεις ηλεκτρονίων σε κατώτερες στάθμες ενέργειας Γ) διεγέρσεις δονητικών καταστάσεων μορίων σε ανώτερες στάθμες ενέργειας Δ) αποδιεγέρσεις δονητικών καταστάσεων μορίων σε κατώτερες στάθμες ενέργειας γ) Κάνετε ένα διάγραμμα ενεργειακών σταθμών και εξηγείστε πως παράγονται οι συγκεκριμένες 3 φασματικές γραμμές. δ) Τι χρώμα θα έχει η ορατή ακτινοβολία που εξέρχεται από το δείγμα;

13 Φασματοσκοπία άπω υπερύθρου / μικροκυμάτων Οφείλεται στις περιστροφικές ενεργειακές στάθμες μορίων. Ε=L 2 /2I πολύ μικρό λ μεγάλο (περιοχή μικροκυμάτων) Βλ. Phet: Microwaves

14 Φασματοσκοπία βιομορίων (πρωτεϊνών, νουκλεϊκών οξεων) Ενέργεια Ε = Ε ηλεκτρον + Ε δονητ + Ε περιστρ Ηλεκτρονικές διεγέρσεις Δονητικές διεγέρσεις Περιστροφικές διεγέρσεις Όλες συμβάλλουν στην τελική μορφή του φάσματος

15 Παλαιό θέμα εξετάσεων Τα παρακάτω φάσματα εκφράζουν την ένταση ακτινοβολίας που περνά μέσα από το αντίστοιχο υλικό, σε συνάρτηση με το μήκος κύματος α) Ποιο είναι το χρώμα του φωτός που περνά μέσα από ένα λεπτό φύλλο υλικού για κάθε περίπτωση; (λευκό, μαύρο η κόκκινο;) Α Β C. D. β) Ποιο υλικό είναι κατάλληλο για προστασία από τον ήλιο (αντηλιακό); Εξηγείστε γιατί. γ) Περιγράψτε τις πιθανές ενεργειακές μεταβάσεις που είναι υπεύθυνες για την απορρόφηση στο φάσμα που επιλέξατε στην ερώτηση (β).

16 ΠΥΡΗΝΙΚΗ ΦΥΣΙΚΗ Η ΔΟΜΗ ΤΟΥ ΠΥΡΗΝΑ Φασματοσκοπία NMR Η ΡΑΔΙΕΝΕΡΓΕΙΑ Η ΒΙΟΛΟΓΙΚΗ ΔΡΑΣΗ ΤΩΝ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΩΝ

17

18 Όλοι οι πυρήνες αποτελούνται αποκλειστικά από νετρόνια (Ν) και πρωτόνια (Ζ) ο συνολικός αριθμός των οποίων ορίζει την ατομική μάζα ή μαζικό αριθμό (Α): Α = Ζ + Ν Π.χ το ουράνιο Τα στοιχεία συμβολίζονται ως: 238 U 92 A Z X έχει 92 πρωτόνια και 146 νετρόνια, δηλ. μαζικό αριθμό Α = 238 Τα πρωτόνια και τα νετρόνια ως αποκλειστικά στοιχεία του πυρήνα (nucleus) αποδίδονται με το κοινό όνομα ΝΟΥΚΛΕΟΝΙΑ

19 Φασματοσκοπία NMR (Πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού) (Κεφ 18 σελ Newman) Οι πυρήνες των ατόμων συμπεριφέρονται σαν μαγνήτες μαγνητικής ροπής μ επειδή έχουν περιστρεφόμενο ηλεκτρικό φορτίο. Αν τους βάλουμε σε μαγνητικό πεδίο Β, αυτοί παίρνουν συγκεκριμένους προσανατολισμούς θ, ενέργειας E = -μβcosθ = μ Ζ Β Οι πυρήνες εκπέμπουν η απορροφούν Η/Μ ακτινοβολία ενέργειας ΔΕ = μ Ζ Β-(-μ Ζ Β) = 2μ Ζ Β = hf θ Επειδή τα spin των νουκλεονιων προστίθενται για να βρούμε το συνολικό spin του πυρήνα, μόνο πυρήνες με περιττό Α=Ζ+Ν έχουν μη-μηδενικη μαγνητικη ροπή και δίνουν σήμα NMR (μηδενική 1 H, 13 C, 15 N) Βλ Phet: Simplified MRI

20 Φασματόμετρο NMR Χρησιμοποιείται από τους χημικούς για την ταυτοποίηση και προσδιορισμό δομής χημικών ενώσεων Περιέχει ισχυρό ηλεκτρομαγνήτη που παράγει μαγνητικό πεδίο Απαιτείται εξαιρετικά χαμηλή θερμοκρασία για την λειτουργία

21 Φάσμα NMR Το δείγμα διεγείρεται από ΗΜ ακτινοβολία και αποδιεγείρεται εκπέμποντας ακτινοβολία που παράγει κορυφές στο φάσμα, με συχνότητα f=δε/h Χημική μετατόπιση Αντί για συχνότητα f, στον οριζόντιο άξονα του φάσματος χρησιμοποιούμε την χημική μετατόπιση δ=(f-f αναφ )/f εξωτ 10 6 Εκφράζεται σε ppm (μέρη ανά εκατομμύριο) Με τι έχουν σχέση η θέση, ισχύς, και πολλαπλότητα κορυφών; Α) Η θέση (δηλαδή η δ) καθορίζεται από την f=δε/h= 2μ Ζ Β/h αρα εξαρτάται από το είδος του ατόμου (H, C, N κλπ) και την ισχύ Β του μαγνητικού πεδίου. Β) Η ισχύς (ύψος) κορυφής εξαρτάται από την αναλογίες των ατόμων στο μόριο. Άσκηση: Εξηγείστε την ισχύ των κορυφών στο φάσμα αιθανόλης

22 Γ) Η πολλαπλότητα κορυφών εξηγείται με την αλληλεπίδραση spin-spin μεταξύ γειτονικών πυρήνων. Συνεπώς η πολλαπλότητα κορυφών μας δίνει πολύτιμες πληροφορίες για τις αποστάσεις των ατόμων στο μόριο που μας επιτρέπουν να προσδιορίσουμε την δομή του μορίου Παράδειγμα :Ακεταλδευδη CH 3 -CHO Άσκηση: Ερμηνεύστε το φάσμα

23 Παλαιό θέμα εξετάσεων α) Συμπληρώστε τα κενά: Το 3 H είναι ένα.... του υδρογόνου με Ζ =.., Α =. και Ν =.. β) Ποιοι από τους ακόλουθους πυρήνες δίνουν σήμα NMR ; 1 H, 3 H, 12 C, 13 C, 14 C, 15 N, 16 O γ) Αν υποθέσουμε ότι ένας πυρήνας που εχει τοποθετηθεί σε ομογενές μαγνητικό πεδίο έχει δυο ενεργειακά επίπεδα Ε 1 και Ε 2 που προκύπτουν από το ότι η πυρηνική ιδιοστροφορμή του έχει κατεύθυνση είτε προς τα πάνω ειτε προς τα κάτω, η συχνότητα συντονισμού του (που αντιστοιχεί σε μια κορυφή στο φάσμα NMR) είναι : A) E 1 /h, B) E 2 /h, Γ) E 1 E 2 /h, Δ) (E 1 -E 2) /h δ) Τι θα συμβεί στην απόσταση δυο κορυφών στο φάσμα NMR, αν αυξηθεί το μαγνητικό πεδίο; A) θα αυξηθεί Β) θα μειωθεί Γ) θα παραμείνει η ίδια Δ) δεν μπορούμε να ξέρουμε ε) Με βάση το (δ), τι πλεονέκτημα έχουν φασματόμετρα NMR που μπορούν να παράγουν ισχυρό μαγνητικό πεδίο;