Kémia az abszolút nullától több ezer fokig
Magyarfalvi Gábor Alkímia ma 2012. február 23.
A kémikusokat az összekapcsolódó atomok viselkedése érdekli, amit a hőmérséklet nagyban befolyásol Mit befolyásol és hogyan?
Milyen hőmérsékleten jönnek a fizikusok?
Érdekes-e a fagyott mozdulatlanság? 2
A hőmérséklet emelése általában gyorsítja a folyamatokat
Elegendően sokszor és megfelelő energiával kell a találkozásnak megtörténnie 3
Magasabb hőmérsékleten a molekulák nagyobb hányada bír a szükséges energiával
A gát metaforája 4
A fehérjeláncok denaturációja meghatározza a hús textúráját és színét A miozin gyorsabban, a mioglobin a többi fehérjével együtt koagulál
A mioglobin az első ismert szerkezetű fehérje
A vastartalmú mioglobin átalakul hemikrómmá és megbarnul http://www.rcsb.org 5
A kollagén denaturálódás után lassan hidrolizál A kollagén tripla hélix szerkezete is denaturálódik
http://www.rcsb.org 6
A kollagénben gazdag húsban idővel sok zselatin keletkezik
A külső nyomás növekedtével a forráspont is megnövekedik, víz esetében akár 20 fokkal is
Magasabb hőmérsékleten gyorsabbak a kémiai folyamatok 7
Az oldatok forráspontja is magasabb a tiszta víz forráspontjánál (fagyáspontjuk pedig alacsonyabb)
Ez az emelkedés viszont nem jelentős (1 mol NaCl 1 liter vízben csak fél fokot hoz) 8
Van olyan kémiai folyamat is, ami a hőmérséklet emelésével lelassul
2NO(g) + O2(g) → 2NO2(g)
2NO(g) ⇌ (NO)2(g) . . . . . . (1) (NO)2 (g) + O2(g) → 2NO2(g) . . . . . . .(2) Az egyensúly melegítés hatására visszaszorul 9
Magasabb hőmérsékleten az erősebb kötések felszakításához is van elegendő energia Ha elég energiát közlünk, előbb-utóbb minden elpárolog
Bizonyos fémek, sók, kerámiák, atomrácsos anyagok nem túl illékonyak
10
A jellemző égéstermékekben a legerősebb kötések lehetőek fel
A. Fridman, Plasma Chemistry, Cambridge University Press, 2008
A hármas kötésű szén-monoxid magasabb hőmérsékletű 11 lángokban keletkezik
Elegendően magas hőmérsékleten már az atomok is ionizálódnak és plazma keletkezik
http://www.nasa.gov/mission_pages/solar-b/solar_017.html 12
Égéssel és lángokkal csak korlátozott hőmérséklettartomány érhető el
CH4 + O2
C2H2 + O2
2 H → H2
Adiabatikus lánghőmérséklet – jól becsülhető számítással is 13
Adiabatikus lánghőmérsékletek
H2 HC≡CH N≡C−C≡N N≡C−C≡C−C≡N
A dinitrogén nagyon stabil termék 14
Tad 2200°C 3500°C 4500°C 5000°C
Egy elpárologtatott minta gőzében keletkező atomok koncentrációja megmérhető
Az egyes atomokra jellemző fényelnyelés alapján egyszerre több elem jelenléte is vizsgálható 15
Ionizált argon plazma hevíti fel az elporlasztott mintát 7000 K környékére A változó elektromos térben mozgó ionok és elektronok hevítik fel a minta atomjait
Az atomok által kibocsátott sugárzás elemezhető
16
Olvadékok és szilárd anyagok tulajdonságait, viselkedését magas hőmérsékleten nehéz mérni
17
W
3410 °C
Ta4HfC5 C SiO2 Ti
4215 °C ~3700 °C * 1713 °C 1650 °C
A wolfram feldolgozás alapvető szabadalmai Budapesten születtek (Millner, Bródy)
WO3 + 3 H2 → W + 3 H2O 18
szinterelés
A CO2 lézerrel hevített kerámiaolvadékot gázáram lebegteti, miközben szerkezetét röntgensugarakkal vizsgálják
Paul F. McMillan Nature Materials 7, 843 - 844 (2008) doi:10.1038/nmat2313 19
A plazma atomjai egy felülethez kapcsolódhatnak A folyamatot metán/hidrogén láng esetében a hidrogénatomok segítik elő
Gyémánt vékonyréteg növesztése CH plazmából
20
A lángokban vagy plazmákban levő atomokat egy felületre leválasztva másképp nehezen hozzáférhető anyagok állnak elő Gyémánt csak egy szűk összetétel-tartományban keletkezik
21
A reaktív anyagok megfigyelhetőek helyben vagy kifagyasztva
A reaktív részecskéket egymástól távol érdemes tartani 22
A mátrixizolációs mérések során nagy hígításban, inert anyagba fagyasztva vizsgálják a molekulákat
A zártkörös He kriosztáttal 8-10 K hőmérséklet könnyen elérhető 23
Az inert gázzal kevert mintát átlátszó ablakra fagyasztva optikai úton vizsgálható lesz
Infravörös elnyelései a minta részecskéinek belső rezgéseit, ezáltal szerkezetét mutatják meg 24
A rendszernek nagy vákuumban kell lennie, hisz különben más is kifagyna
25
26
A mátrixban a befagyott mozgások miatt egyértelműbb spektrumok rögzíthetők Ar mátrix (~1:2000)
Gáz
Folyadékfilm
3500
3000
2500
2000
1500
Hullámszám/cm
A CH3-CH2-CH2-ONO spektruma 27
-1
1000
500
A H-N=C=S és a H-S-C≡N molekulát azonosították a világűrben, de a H-C≡N–S létezéséről még senki nem tudott
A Sagittarius B2 csillagköd spektrumában az első kettőre jellemző sugárzást észlelték 28
A tiadiazolok hevítésre elbomlanak
T. Pasinszki, T. Kárpáti, N.P.C Westwood, J. Phys. Chem. A 105, 6258 (2001) 29
A mátrixba fagyasztott tiadiazol bomlása során valóban HCNS keletkezik Számított
Ar mátrix (fotolízis után – fotolízis előtt)
Kr mátrix (fotolízis után – fotolízis előtt)
Hullámszám/ cm-1 30
T. Pasinszki, M. Krebsz, G. Bazsó, G. Tarczay, Chem. Eur. J., 15, 6100 (2009)
A mátrixot felmelegítve megindul benne a diffúzió és a reakciók
fotolízis után, 8 K
35 K
8K
A
i-propoxi gyök? 4 óra fotolízis után, 8 K
fotolízis előtt, 8 K
~ ν / cm-1 31
E. Mátyus, G. Magyarfalvi, G. Tarczay, J. Phys. Chem. A 111, 832 (2007)
Szuperfolyékony hélium cseppjeiben nagyon alacsony hőmérsékleten szabad forgást észleltek
A COS molekulák fényelnyelését egyenként lehet megfigyelni 32
Az alacsony hőmérséklet – például a csillagközi térben nem teszi lehetetlenné a reakciókat Két atom ütközésekor energiának kell felszabadulnia
Hőmérsékletcsökkenésre gyorsulnak bizonyos reakciók
33
Két gyök reakciójának nincs energiagátja
I R Sims Science 2011;334:1506-1507
