Добавить материал и получить бесплатное свидетельство о публикации в СМИ
Эл. №ФС77-60625 от 20.01.2015
Инфоурок / Химия / Другие методич. материалы / Внеклассное мероприятие на тему:"Фемтохимия"

Внеклассное мероприятие на тему:"Фемтохимия"

  • Химия

Поделитесь материалом с коллегами:

МУНИЦИПАЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

Г.УЛЬЯНОВСКА «СРЕДНЯЯ ШКОЛА №22

С УГЛУБЛЕННЫМ ИЗУЧЕНИЕМ ИНОСТРАННЫХ ЯЗЫКОВ

ИМЕНИ ВАСИЛИЯ ТЕЗЕТЕВА»



Внеклассное мероприятие по химии

















Наименование учебного предмета: химия

Уровень общего образования: основная школа

Учитель: Барышева Татьяна Сергеевна








г.Ульяновк 2015



Содержание.


  1. Введение.

  2. История фемтохимии.

  3. Элементарные химические реакции.

  4. Методы анализа динамики реакций.

  5. Эксперименты с фемтосекундным разрешением.

  6. Вывод.

  7. Литература.



Введение.

Фемтохимия – новое направление химии, изучающее процессы, протекающие за времена порядка периода колебаний атомов. Исследования проводятся при помощи ультракоротких лазерных импульсов фемтосекундной длительности (1 фс = 10-15 c). В частности, Фемтохимия занимается изучением переходного состояния химической реакции. Переходное состояние – это область межатомных расстояний, лежащая на пути от реагентов к продуктам, в которой система проходит через такие структуры, которые уже нельзя назвать реагентами, но ещё нельзя считать продуктами. Временная эволюция конфигурации атомов называется динамикой переходного состояния. Так как время пребывания молекулярной системы в переходном состоянии составляет всего порядка 100 фс, то до появления соответствующих инструментов исследователям приходилось восстанавливать его динамку, изучая кинетики реагентов и продуктов.

Фемтохимия возникла около 1990 года. Её основными направлениями являются:

  • изучение динамики внутримолекулярных процессов. Для этого направления принципиальной является возможность создания когерентного колебательно- вращательно волнового пакета. В этом случае, внутри молекулярная динамика ядер- это временная эволюция позволяет детектировать динамику волновых пакетов реальном времени. Существенной чертой такого описания является учет фазовых характеристик движения ядер. Однако известно, что через некоторое время происходит дефазирование, в результате которого динамика ядер становится некогерентной, и регулярное движение ядер становится статическим.

  • изучение кинетики сверхбыстрых химических реакций. Для этого направление основное значение имеют малая длительность фемтосекундного импульса, обеспечивающая высокое временное разрешение при исследовании эволюции концентраций реагентов или продуктов, и его высокая интенсивность, позволяющая осуществить возбуждение молекул до высоких энергий видимых светом за счет многофотонного поглощения.

  • управление внутримолекулярной динамикой и направлением элементарной химической реакции. Это наиболее практически важное значение, но в то же время менее всего развитое направление. Для него существенны все указанные выше особенности фемтосекундных импульсов. Используя такие импульсы, можно переводить реагирующую систему в переходное состояние с определённой начальной волновой функцией. А затем контролировать временную эволюцию этого состояния. Когерентность импульса позволяет создавать начальное состояние системы в виде хорошо определенного когерентного волнового пакета. Изменяя несущую частоту и амплитудно- фазовые характеристики фемтосекундного светового импульса, можно создавать в начальный момент времени различные ядерный волновые пакеты, динамика которых может «следить» за эволюцией переходного состояния, чтобы в нужный момент воздействовать на поверхность потенциальной энергии (ППЭ) системы другим фемтосекундным световым импульсом.

Методика эксперимента часто основана на использовании двух импульсов длительностью несколько десятков фемтосекунд в схеме "возбуждение-зондирование" (pump-probe). Первый импульс переводит молекулы в возбужденное электронное состояние. Через некоторое время с помощью зондирующего импульса фиксируют отклик молекул на действие этих импульсов как функцию от времени задержки между ними. В качестве отклика регистрируют либо фотоиндуцированное поглощение, либо флуоресценцию, либо вынужденное излучение, либо многофотонную ионизацию, либо поворот плоскости поляризации.

Фемтохимия начала с двухатомных молекул и постепенно расширяется в сторону всё более крупных молекул, включая белки и ДНК.

Освоение лазеров раздвинуло горизонты химии и обеспечило прорыв в изучении кинетики элементарных химических взаимодействий (10-14 – 10-13 с). Эти времена гораздо меньше периода колебаний атомов в молекулах (10-13 – 10-11 с). Благодаря такому соотношению времен фемтохимия «видит» саму химическую реакцию – как перемещаются во времени и в пространстве атомы, когда молекулы-реагенты преобразуются в молекулы продуктов. Это крупное достижение современной химии: оно открыло прямые пути исследования механизмов химических реакций, а значит, пути управления реакциями. Успехи, достигнутые при использовании фемтосекундных импульсов, привели к открытию другой науки – фемтобиологии. Особенности фемтосекундных импульсов позволяют: обеспечивать высокое временное разрешение, образовывать когерентные колебательно-вращательные волновые пакеты, легко осуществлять многофотонные процессы поглощения, воздействовать на поверхность потенциальной энергии. Основные направления этой новой области исследований – это изучение детальных микроскопических химических процессов и управление ими на фемтосекундной шкале времени.

Успехи лазерной физики дали в руки исследователей лазеры, генерирующие импульсы света фемтосекундной длительности. Эти импульсы сразу начали использоваться для исследований в различных областях науки и, в первую очередь, в химии. В 1999 году американский ученый A. Zewail получил нобелевскую премию по химии за развитие исследований с применением фемтосекундных импульсов. Появилась новая область исследований, которая получила название фемтохимия. Сегодня эта область знаний уже достаточна структурирована, в результате чего можно говорить о новых направления исследований в фемтохимии. В этом сообщении рассказывается о некоторых направлениях исследований с использованием фемтосекундных импульсов.

Основные экспериментальные возможности, обусловленные особенностями фемтосекундных импульсов:

  1. При длительности импульса τ = 10-14 с и скорости атома v = 105 см/с детектируются изменения расстояний в молекулярной системе на 0.1 Å, что позволяет с хорошей точностью проследить временную эволюцию конфигурации ядер.

  2. По соотношению неопределённостей для спектрально-ограниченного импульса с гауссовой огибающей

τΔv = 0.44,

спектральная ширина импульса на полувысоте амплитуды импульса длительностью τ = 10-14 с равна Δv = 1500 см-1, поэтому импульс может возбуждать сразу несколько колебательных квантовых состояний.

  1. Вследствие когерентности импульса возможно когерентное возбуждение нескольких колебательных или вращательных состояний молекулы с определёнными относительными фазами движения атомов. Такой тип возбуждённых состояний называется когерентным ядерным волновым пакетом.

  2. При энергии 1 мкДж импульса длительностью τ = 10-14 с, пиковая мощность равна P = 100 МВт, поэтому можно легко осуществлять многофотонные процессы поглощения, получая высоковозбужденные молекулярные системы. Под действием таких импульсов на вещество генерируются импульсы света в широком спектральном диапазоне (суперконтинуум), рентгеновского излучения и электронов.

История фемтохимии.

Химические реакции могут проходить с различными скоростями: чем сильнее нагреты вещества, тем быстрее они провзаимодействуют. Простую зависимость скорости реакции от температуры вывел в конце XX века шведский химик Сванте Аррениус. Однако при очень сильном нагреве реакции проходят столь быстро, что о процессах на молекулярном уровне можно было судить только по косвенным признакам и теоретическим расчетам. Молекула успевает распасться на компоненты, или наоборот: отдельные атомы могут собраться в молекулу за ничтожно малый промежуток времени - 100-200 фемтосекунд (1 фс=10-15 сек). Динамика таких сверхбыстрых явлений долго оставалась одной из фундаментальных проблем современной химии.

В конце 80-х годов сотрудник Калифорнийского технологического института Ахмед Зивэйл начал цикл работ по исследованию сверхбыстрых реакций, инициируемых лазерным импульсом фемтосекундной длительности. Первым стал эксперимент по изучению распада молекулы цианида йода: ICN→ I + CN, происходящего за 200 фемтосекунд. При изучении диссоциации йодистого натрия NaI →Na + I лазерный импульс сжимал ионную пару Na+I- до расстояния 0,28 нанометра (10-9 м) между атомами, создавая соединение [NaI]*. Предполагалось, что его атомы скрепляет ковалентная связь, при которой оба атома охватывает общее электронное "облако". Однако выяснилось, что свойства соединения меняются из-за быстрых колебаний атомов. Когда расстояние между атомами возрастает до 1-1,5 нм, они превращаются в ионы, а при сближении действительно возникает ковалентная связь. В средней же точке колебательного цикла, на расстоянии около 0,69 нм, возникает очень высокая вероятность, что молекула вернется в свое основное состояние или распадется на атомы йода и натрия. Затем последовали многочисленные эксперименты по изучению органических соединений, позволившие обнаружить не известные ранее стадии реакций синтеза и распада сложных молекул.

Увидеть их позволила виртуозная техника исследований. Мощный лазерный импульс вызывает какие-то изменения в состоянии молекул. Возвращаясь в исходное состояние, они испускают излучение, по спектру которого можно судить о протекающих процессах. При этом необходимо регистрировать импульсы излучения длительностью 10-10 - 10-14 секунды.hello_html_571d57b1.png

Ахмед Зевейл родился 26 февраля 1946 г. в Египте, учился в Александрийском университете, а после его окончания переехал в США. Здесь в 1974 г. Зевейл защитил кандидатскую диссертацию в Пенсильванском университете, с 1976 г. – в Калифорнийском технологическом институте, с 1982 г. – профессор Калтеха. В Египте Зевейла почитают как национального героя, в 1998 году выпущены почтовые марки с его изображением.

За работы в области фемтохимии А. Зивэйл получил Нобелевскую премию по химии 1999 г.: «за исследования химических реакций в реальном масштабе времени с помощью фемтосекундной спектроскопии». Главный результат работ состоит в том, что появилась возможность наблюдать за протеканием элементарных химических реакций "в реальном масштабе времени" и тем самым

создан новый раздел химии – фемтохимия, который изучает химические процессы в фемтосекундном временном диапазоне (10-15 – 10-12 секунды). Изучением элементарных реакций занимается специальный раздел химии – химическая динамика. Основная задача химической динамики – определить структуру переходного состояния и проследить динамику его образования и распада в реальном времени.Конечно, его вклад в мировую науку трудно переоценить. Столетиями химики пользовались терминами вроде "активация" или "переходное состояние", не видя, что же в действительности эти явления собой представляют. Теперь такая возможность у химиков появилась.

Следует заметить, однако, что первые работы в области фемтосекундных процессов начались в нашей стране, и значительно раньше (см. "Наука и жизнь" № 9, 1995 г.). В 70-х годах была открыта и детально исследована реакция распада многоатомных молекул под действием мощного инфракрасного лазерного импульса. Частота излучения подбиралась так, что импульс вызывал резонансные колебания атомов в молекуле, приводящие к ее разрыву. Позднее эти работы, проведенные под руководством доктора физико-математических наук В. Летохова, легли в основу принципиально нового метода разделения изотопов. Сегодня технология лазерного разделения успешно разрабатывается во многих странах.



Элементарные химические реакции.

В основе всех химических реакций лежат элементарные превращения, которые заключаются в разрыве старых или образовании новых химических связей. Во всех элементарных реакциях между реагентами и продуктами существует некое промежуточное образование - так называемое переходное состояние или переходный (активированный) комплекс, в котором некоторые связи ослаблены (а некоторые могут быть усилены) по сравнению с реагентами.

 

http://www.chem.msu.su/rus/events/nobel99/Fig1.gif

Рис. 1. Элементарная реакция щелочного гидролиза метилбромида

Изучением элементарных реакций занимается специальный раздел химии – химическая динамика. Основная задача химической динамики - определить структуру переходного состояния и проследить динамику его образования и распада в реальном масштабе времени. Это все равно, что снять химическую реакцию на пленку. Каждый "кадр" - это определенная конфигурация ядер. Некоторые из этих кадров могут быть наиболее интересны, т.к. содержат информацию о наиболее активных конфигурациях ядер, т.е. о переходном комплексе. Вместе с тем, для полного описания химической реакции важна вся пленка, т.е. весь процесс перехода от реагентов к продуктам.

Основная проблема в изучении элементарных химические реакций состоит в том, что они невероятно быстры. Реакции происходят главным образом за счет колебаний ядер: для того, чтобы разорвать химическую связь, ее нужно сначала "раскачать", т.е. возбудить определенное колебание. Ядра в молекуле двигаются очень быстро: так, за одну секунду в молекуле иода I2 происходит около 1013(т.е. десять тысяч миллиардов) колебаний ядер около положения равновесия. Самые быстрые из элементарных реакций, для которых достаточно одного колебания, могут происходить за время 10–14с. Существуют и более медленные реакции, в которых сначала возбуждается одно колебание, затем возбуждение постепенно передается другому колебанию и наконец разрывается связь. Такие элементарные реакции могут продолжаться довольно "долго": ~10–11с.

Для измерения столь малых промежутков времени используют специальную единицу - фемтосекунду (фс): 1 фс = 10–15 с. В этом масштабе время протекания элементарных реакций составляет 10 - 104 фс. Реакции в нижней части этого диапазона считают быстрыми, в верхней - "медленными".

Так, например, реакция фотодиссоциации

ICN + hn rarrow.gif (63 bytes)I + CN

происходит за 200 фс, фотодиссоциация циклобутана

C4H8 + hn rarrow.gif (63 bytes)2CH2=CH2

длится около 700 фс, бимолекулярная реакция

H + CO2 rarrow.gif (63 bytes)OH + CO

длится 1000 фс, а диссоциация тетрафтордииодэтана на тетрафторэтилен и два атома иода

C2F4I2 + hn rarrow.gif (63 bytes)C2F4 + 2I

имеет два временных масштаба: первый атом иода отщепляется быстро, за 200 фс, а второй – за время, в 100 раз большее. Все эти результаты получены Зевейлом.

Для изучения столь быстрых процессов необходимо иметь измерительное устройство с соответствующим временным разрешением. В самом деле, что нужно для того, чтобы сфотографировать быстро движущийся объект? Нужно, чтобы время экспозиции было настолько малым, чтобы объект казался неподвижным, иначе изображение будет размазанным, причем тем сильнее, чем больше время экспозиции (вспомните фотографии ночной Москвы, на которых фары движущихся машины оставляют следы в виде сплошных ярких линий). То же самое справедливо для химической реакции: время измерения положения ядер должно быть настолько малым, чтобы их движение было практически замороженным.

Методы анализа динамики элементарных реакций.

Возможность осуществлять эксперименты фемтосекундной длительности появилась только в конце 1980-х годов, когда был изобретен способ временного сжатия лазерных световых импульсов до 6 фс (рекорд на конец 1998 г. составляет 4 фс). А до этого времени структуру переходных состояний и динамику элементарных реакций определяли с помощью косвенных методов.

Экспериментальные косвенные измерения основаны на следующей идее: пусть известно состояние молекул или атомов ДО реакции и известно также их состояние ПОСЛЕ реакции; сравнивая одно с другим, иногда можно сделать выводы о времени жизни и структуре переходного состояния. Например, если создать пучок молекул CH3I, ориентированных в одном направлении, и подействовать на них поляризованным лазерным излучением, то связь C- I разрывается и происходит реакция мономолекулярного распада:

CH3I + hn rarrow.gif (63 bytes)[CH3---I] rarrow.gif (63 bytes)CH3 + I.

(квадратные скобки обозначают переходное состояние). Если молекула распадается быстро (по сравнению с вращением молекулы), то все атомы иода после реакции будут двигаться в одном направлении, поскольку за время реакции исходная молекула не успеет повернуться. Если же распад молекулы происходит медленно, то благодаря вращению атомы иода будут разлетаться во всех направлениях. Это похоже на стрельбу из автомата с вращающейся платформы. Если очередь короткая, то все пули ("атомы иода") полетят почти в одном направлении, а если длинная – то получится стрельба "веером". Оказывается, что все атомы иода, образующиеся в этой реакции, двигаются примерно в одном направлении. Это означает, что распад возбужденной молекулы происходит намного быстрее, чем ее вращение, т.е. время жизни переходного состояния не превышает 1000 фс.

Для оценки информативности такого рода экспериментов удобно привести спортивную аналогию. Например, мы хотим получить информацию о футбольном матче. Нам сказали, кто играл, когда и какой счет. "Кто играл" – это аналог исходных веществ, "конечный счет" – аналог продуктов реакции. По счету можно очень примерно предположить, кто лучше играл, т.е. сделать некоторые выводы о течении реакции. Однако, такой информации совершенно недостаточно для того, чтобы подробно представлять ход матча (т.е., реакции). Желательно знать, как проходила игра в решающие моменты, кто забивал голы и, самое главное, на каких минутах (это – аналог информации о переходном состоянии). В переводе на язык химической динамики, это означает, что нужно получить информацию об изменениях в положении ядер в каждый момент времени, а для этого в эксперименты надо ввести временное разрешение, которое в случае элементарных реакций имеет порядок фемтосекунд.

Это удалось сделать Зевейлу и его сотрудникам, которые разработали методы временного анализа элементарных реакций с помощью последовательности лазерных импульсов фемтосекундной длительности.

Эксперименты с фемтосекундным разрешением.

В простейшей схеме фемтосекундного эксперимента на реагенты, приготовленные в виде молекулярных пучков, действуют два световых импульса: первый импульс (возбуждающий) инициирует элементарную реакцию, а второй (зондирующий) импульс, который стартует с некоторой задержкой относительно первого, считывает информацию о строении переходного комплекса в момент воздействия на него. Второй импульс как бы "фотографирует" переходный комплекс с очень короткой экспозицией. Используя различные времена задержки между двумя импульсами, можно получить подробную "покадровую" информацию о протекании химической реакции (с точностью до нескольких фс).

Поясним эту схему на примере реакции фотодиссоциации иодциана:

ICN + hn rarrow.gif (63 bytes)[I--- CN]* rarrow.gif (63 bytes)I + CN.

http://www.chem.msu.su/rus/events/nobel99/Fig2.gif

Рис. 2. а) Диаграмма потенциальной энергии для молекулы ICN. R - расстояние между атомом I и центром масс фрагмента CN. V0(R) - основное электронное состояние, V1(R) и V2(R) - возбужденные состояния. lambda.lc.gif (58 bytes)1 - длина волны возбуждающего лазерного импульса. Зондирующий импульс с длиной волны  lambda.lc.gif (58 bytes)2* возбуждает ("фотографирует") только переходное состояние [I---CN]*, в котором межъядерное расстояние равно R*. Зондирующий импульс с длиной волны lambda.lc.gif (58 bytes)2infty.gif (58 bytes) возбуждает только продукты реакции. б) Зависимость экспериментального сигнала от времени при разных длинах волн зондирующего импульса. Рисунок взят из статьи: R.B.Bernstein, A.H.Zewail. J. Chem. Phys. 1989. V. 90. P. 829

Молекула сначала находится в основном электронном состоянии с потенциальной энергией V0(R), где R - расстояние между атомом иода и центром масс фрагмента CN. Первый световой импульс с длиной волны  lambda.lc.gif (58 bytes)1 возбуждает молекулу и переводит ее в электронное состояние с потенциальной энергией V1(R). В этом состоянии молекула неустойчива и начинает распадаться на части: I и CN, которые удаляются друг от друга. Зондирующий импульс с длиной волны   lambda.lc.gif (58 bytes)2* может перевести фрагмент CN в возбужденное состояние CN* (с потенциальной энергией V2(R)), которое самопроизвольно излучает свет (флуоресцирует). Интенсивность флуоресценции CN* и есть экспериментально измеряемый сигнал.

Самое главное заключается в том, за время действия световых импульсов ядра практически заморожены и межъядерное расстояние не изменяется; при этом импульс  lambda.lc.gif (58 bytes)2* с большой вероятностью возбуждает фрагмент CN только в тот момент, когда расстояние R таково, что разность энергий V2(R) – V1(R) равна частоте, соответствующей длине волны  lambda.lc.gif (58 bytes)2*:

V2(R*) – V1(R*) = hc lambda.lc.gif (58 bytes)2*,

где h - постоянная Планка, c - скорость света. Это - одно из проявлений принципа Франка-Кондона для электронных переходов в молекуле. Таким образом, максимум сигнала при длине волны зондирующего импульса  lambda.lc.gif (58 bytes)2* показывает, в какой момент времени длина переходного комплекса равна R*. Если зондирующий импульс имеет длину волны  lambda.lc.gif (58 bytes)2infty.gif (58 bytes), которая соответствует разности между предельными (асимптотическими) значения потенциалов V1 и V2:

 lambda.lc.gif (58 bytes)2 * = hc / [V2(infty.gif (58 bytes) ) – V1(infty.gif (58 bytes) )],

то такой импульс может возбудить молекулу CN только после окончания реакции распада, т.е. он зондирует только продукт реакции и таким образом фиксирует момент окончания реакции. Изменение длины волны зондирующего импульса от lambda.lc.gif (58 bytes)2* до lambda.lc.gif (58 bytes)2 infty.gif (58 bytes)позволяет просканировать аналогичным образом всю шкалу изменения R от R* до R rarrow.gif (63 bytes)infty.gif (58 bytes)и найти зависимость R(t) в процессе реакции, т.е. определить динамику реакции распада.

Этот эксперимент вошел в историю науки как первое исследование химической реакции в реальном масштабе времени с фемтосекундным разрешением. Он был описан в статье "Фемтосекундное зондирование переходных состояний химических реакций в реальном времени", которая была опубликована в 1987 г. в американском журнале "Journal of Chemical Physics" [1] и стала первой в большой серии работ, принесших Зевейлу Нобелевскую премию. Интересно, что рецензент этой статьи, по-видимому, имел хорошее научное чутье; он написал в своем отзыве: "Похоже, что авторы попали на чрезвычайно захватывающий путь... Статья может стать классической. Ее необходимо опубликовать со всей возможной быстротой." [2].

Другой знаменитый эксперимент был проведен спустя год. В нем изучалась динамика разрыва связи в молекуле NaI [3]:

NaI rarrow.gif (63 bytes)Na + I

Возбуждающий импульс, действуя на молекулу, находящуюся в основном, ионном состоянии Na+I-, переводит ее в возбужденное ковалентное состояние NaI:

http://www.chem.msu.su/rus/events/nobel99/Fig3.jpg

Рис. 3. Потенциальные кривые ионного и ковалентного электронных состояний молекулы NaI. При прохождении точки пересечения слева направо возбужденная молекула может либо перейти в ионное состояние и остаться на верхней кривой, либо перейти в ковалентное состояние на нижнюю кривую и распасться на атомы. Вероятность распада при каждом прохождении составляет около 20%

В возбужденной молекуле ядра Na и I начинают двигаться относительно друг друга (рис. 3). Когда расстояние становится равным примерно 6,9 А, они достигают точки пересечения потенциальных кривых ионного и ковалентного состояний. После этого у молекулы две возможности: остаться в неустойчивом ковалентном состоянии и распасться на нейтральные атомы Na и I или перейти в устойчивое (связанное) ионное состояние, котором будут продолжаться колебания ядер. При каждом прохождении точки пересечения потенциалов часть молекул распадается на атомы, а часть продолжает колебания.

Если второй, зондирующий импульс возбуждает свободные атомы натрия, то экспериментальный сигнал будет иметь ступенчатую форму: при каждом прохождении точки пересечения он будет возрастать за счет распада молекул и появления новых атомов натрия (рис. 4а). Если же зондирующий импульс возбуждает активированный комплекс, т.е. колеблющуюся молекулу, то экспериментальный сигнал будет иметь вид всплесков, каждый из которых соответствует определенной конфигурации возбуждаемого комплекса (рис. 4б). Уменьшение интенсивности сигналов переходного комплекса позволяет оценить вероятность распада активированного комплекса при прохождении точки пересечения, которая составляет около 20%. Кроме того, расстояние между пиками показывает период колебаний и распадов активированного комплекса, который равен около 1,25 пc (1 пикосекунда = 1000 фс. Наконец, можно оценить время жизни активированного комплекса, который существует примерно в течение 10 колебаний. Таким образом, меняя время задержки между импульсами и длину волны зондирующего импульса, можно в реальном времени наблюдать переходы между ионным и ковалентными состояниями молекулы NaI и образование атомов натрия при диссоциации молекулы.

http://www.chem.msu.su/rus/events/nobel99/Fig4.gif

Рис. 4. Экспериментальные сигналы, отражающие динамику распада молекулы NaI. а) Сигнал, полученный при возбуждении продукта реакции - свободного атома натрия. Ступенчатое увеличение интенсивности сигнала отражает накопление атомов натрия при периодической диссоциации. б) Сигнал, полученный при возбуждении активированного комплекса. Уменьшение интенсивности сигнала отражает понижение концентрации возбужденных молекул NaI за счет периодического распада. Рисунок взят из статьи [3]

Эти работы привели к настоящему взрыву исследований динамики химических реакций. Для иллюстрации возможностей фемтосекундной импульсной спектроскопии в исследовании химической динамики перечислим некоторые основные типы таких реакций:

  • реакции фотодиссоциации (HgI2, CH3I, NaI)

  • бимолекулярные реакции (Br + I2 rarrow.gif (63 bytes)BrI + I)

  • реакции изомеризации (цис-C6H5CH=CHC6H5 rarrow.gif (63 bytes)транс-C6H5CH=CHC6H5)

  • реакции элиминирования (CF2ICF2I rarrow.gif (63 bytes)C2F4 + I2)

  • реакции Дильса-Альдера

  • реакции с переносом заряда

  • реакции внутримолекулярного и межмолекулярного переноса протона (кислотно-основные реакции)

  • реакции таутомеризации

Во всех этих случаях удалось полностью описать динамику образования и распада переходного комплекса в реальном масштабе времени.

Современные достижения фемтохимии подробно изложены в обзорных монографиях [4–6].





























Вывод.

Достигнутый в сжатии лазерных импульсов предел 4 фс означает, что в исследовании химических процессов достигнут нижний временной предел. Дальше укорачивать импульсы бессмысленно, т.к. даже самые быстрые элементарные реакции длятся не меньше, чем 10 фс. Поэтому дальнейшее развитие метода фемтосекундной спектроскопии будет происходить не вглубь, в вширь, путем расширения круга изучаемых объектов.

Созданный Зевейлом метод исследования сверхбыстрых процессов может быть использован не только для анализа реакций в газовой фазе и в молекулярных пучках, но и для изучения процессов в растворах и на межфазных границах. Выяснение механизмов перераспределения энергии в сложных молекулах позволит предсказывать реакционную способность молекул и создавать новые синтетические методы. Анализ динамики реакций на поверхности может прояснить многое в механизмах действия гетерогенных катализаторов. Применение фемтосекундных импульсов в биохимии поможет выявить тонкие детали механизмов действия биологически активных молекул.

Другой важный аспект изучения сверхбыстрых процессов связан с возможностью управления этими процессами. После того, как были достигнуты первые успехи в изучении динамики реакций в реальном времени, встал вопрос о том, как можно пускать химическую реакцию по заранее запланированному пути и с заданной скоростью. Первые же расчеты показали, что применяя сложные последовательности лазерных импульсов, частота которых зависит от времени, можно концентрировать элементарное возбуждение в любой части молекулы. В некоторых простых случаях удалось экспериментально осуществить селективный разрыв химической связи. Это означает, что в химической динамике появилось новое направление – химия отдельных связей.

Прежде чем техника селективного разрыва или образования отдельных связей найдет применение в практическом химическом синтезе, пройдет еще много времени. Но можно надеяться, что лазерное управление химической динамикой когда-нибудь станет общедоступной синтетической техникой, с помощью которой можно будет "вытворять химические чудеса", недоступные обычным препаративным методам. И химики, пользуясь своей самой быстрой в мире фемтосекундной камерой, смогут снимать неординарные "химические фильмы".





Литература.

1. M.Dantus, M.J.Rosker, A.H.Zewail. J. Chem. Phys., 1987, v. 87, p. 2395.

2. A.H.Zewail. J. Phys. Chem., 1993, v. 97, p. 12427.

3. T.S.Rose, M.J.Rosker, A.H.Zewail. J. Chem. Phys., 1988, v. 88, p. 6672.

4. Femtosecond Chemistry, J. Manz and L. Woste, editors. VCH, Weinheim, 1995.

5. Femtochemistry: Ultrafast Chemical and Physical Processes in Molecular Systems, M. Chergui, editor. World Scientific, Singapore, 1996.

6. Femtochemistry and Femtobiology, V. Sundstrom, editor. World Scientific, Singapore, 1997.

7. http://www.chem.msu.su/rus/events/nobel99/welcome.html

8. http://ru.wikipedia.org/wiki/Фемтосекундный_лазер


9. НАУКА И ЖИЗНЬ / Архив журнала «НАУКА И ЖИЗНЬ» / Ваше свободное время / Люди науки

2, 2000 год

10. http://www.gazeta.ru/2006/03/06/oa_191147.shtml

11. www.abitu.ru/start2003/closed/viewwork.html?work=445


12. Соросовский образовательный журнал, том 7 №8, 2001. С.25- 29


13. Природа : Естественно- научный журнал РАН . – М. : Наука, 08/2005 . – N8 . – С.3-10: схем., граф. – Библиогр.: С.10 .


14. www.ihed.ras.ru/norman/theory/reactions.php



21


Автор
Дата добавления 11.10.2015
Раздел Химия
Подраздел Другие методич. материалы
Просмотров183
Номер материала ДВ-052240
Получить свидетельство о публикации
Похожие материалы

Включите уведомления прямо сейчас и мы сразу сообщим Вам о важных новостях. Не волнуйтесь, мы будем отправлять только самое главное.
Специальное предложение
Вверх