전기화학, 원자구조, 화학반응속도론, 분자분광학, 화학결합

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전기화학,
원자구조,
화학반응속도론,
분자분광학,
화학결합

본문내용

. 속껍질전자는 대단히 강하게 결합되어 있으므로 속껍질궤도의 이온화 에너지는 분자 전체보다는 각 원자에 고유한 성질이기 때문에 XPS스펙트럼은 화합물이나 합금속에 들어 있는 원소에 고유한 선들을 나타낸다.
예를 들어 둘째 주기원소들의 K껍질 이온화 에너지는 다음과 같다.
Li Be B C N O F
50 110 190 280 400 530 690 (eV)
따라서 XPS에 의해 어떤 화합물에서 이러한 에너지값이 탐지되면 거기에 해당하는 원소가 존재한다는 것을 의미하므로 주로 금속표면분석에 많이 이용되는데 이러한 화학분석방법을 ESCA(electron spectroscop for chemical analsis)라고 한다.
1-8 핵자기공명분광법(nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy)
핵자기공명분광법은 그 원리면에서 분자분광법의 범주에는 속하지 않는다. 그러나 이 분광법은 유기화합물의 구조를 결정하는 데 분자분광법과 함께 대단히 중요한 수단중 하나이므로 그 기초원리와 응용의 예를 간략히 소개 하고자 한다.
어떤 원자핵들은 스핀을 가지고 있다. 원자핵은 전하를 띠고, 스핀운동을 하는 전하는 자기장을 일으키기 때문에 이 원자핵들은 작은 자석처럼 행동한다. 핵스핀양자수가 I이면 핵은 자기장속에서 2I+1개의 배향이 가능하다.
따라서 I=1/2이면 두 가지 배향이 있다. 즉 핵의 스핀이 외부자기장의 방향과 같은 배향이거나 반대방향일 수 있다. 이들 스핀상태들은 양자화되어 있으며, 외부자기장과 같은 배향의 원자핵들은 반대배향의 원자핵들보다 약간 더 낮은 에너지를 갖는다.
라디오 주파수 범위의 전자기파를 가해 주면 낮은 에너지의 핵 스핀상태로부터 높은 에너지의 핵 스핀상태롤 들뜨게 할 수가 있으며 이러한 현상을 핵자기공명이라고 한다.
I=1/2인 핵, 즉 자기장 내에서 두 가지 배향의 스핀을 가진 핵들은
`_{ }^{1 } {H },~^{13 } {C },~^{19 } {F },~및 ~^{31} {P},~
등이며 핵자기공명연구에 가장 큰 관심의 대상이 된다.
`_{ }^{12 } {C },~^{16 } {O },~^{32 } {S }
와 같은 핵의 원자번호와 질량수가 다같이 짝수일 때 이들의 핵스핀이 0이다. 이런 핵들은 스핀상태가 하나밖에 없으므로 라디오 주파수의 전자기파에 의하여 들뜨지 않는다. 즉 핵자기공명을 일으키지 않는다.
핵스핀과 외부 자기상(세기
{ H}_{o }
)의 상호작용결과 스핀 상태의 에너지 E는
{ - mu }_{0 }· { H}_{0 }
로 주어진다. 여기서는
{ mu }_{o }
는 핵자기 모멘트이며, 자기장이 특정 방향(z방향)으로 주어진 경우 스핀상태의 에너지는
{- mu }_{z } {H}_{z }
가 된다.
핵자기 모멘트의 z방향 성분
{ mu }_{z }
는 핵스핀양자수의 z방향 성분을 나타내는 양자수 I와
{ m}_{1 }
는 전자스핀 양자수
s와 { m}_{s }
와 같다.
{ m}_{1 }는 { m}_{s }
가 -s, … +s의 값을 가질 수 있는 것과 마찬가지로 -I, … +I 의 값을 가질 수 있으며, I=1/2인 경우
{ m}_{1 }
는 ±1/2의 두 값을 가질수 있다.
따라서 스핀상태의 에너지 E는 다음과 같이 표시된다.
E= {- mu }_{z } {H }_{z }={- g }_{I } { mu }_{N }{m}_{1 } {H }_{z }
여기서
{ g}_{I }
는, 핵자기 모멘트를 표시할 때 주어지는 상수이다.
즉
{ mu }_{N }= { g}_{I } { eh} over {2 {m }_{p } }
이며 수소 원자핵의 경우
{ g}_{I }
는 5.59이다. I=1/2인 경우 두 가지 핵스핀 상태가 가능하며 이 두 상태 사이의 에너지 차이
DELTA E
는 다음과 같이 주어진다.
DELTA E=E( { m}_{I }=-1/2)-E( { m}_{I }=1/2)= {g }_{I } { mu }_{N } {H }_{z }=h { nu }_{0 }
{ nu }_{0 }
는 주어진 자기장의 세기하에서의 핵자기 공명 주파수이다.
1-9 질량분석법
질량스펙트럼은 분자가 한 에너지상태에서 다른 에너지상태로 전이되는 데 기인하는 것이 아니다. 질량분석계는 분자들로부터 이온을 생성시키고, 이 이온들이 질량 대 전하의 비, 즉 m/e에 따라 분리시켜 생성된 각 이온의 상대적인 양을 결정하는 기기이다.
질량분석계의 구성요소들은 이미 소개되었다. 시료가 분석계의 이온원에 주입되면 높은 에너지의 전자들과 충격된다. 이때 전자 하나가 떨어져 나간 모체 분자의 양이온을 비롯하여 화학결합이 끊어짐으로써 수많은 토막이온이 생긴다. 이 이온들은 질량분석관쪽으로 가속된다. 질량분석관이 자기장에서 이온의 진로가 구부러지는 정도는 m/e에 의하여 결정된다.
검출기의 세기는 여러 가지 m/e에 대응되는 일련의 피크로 기록된다. 이러한 피크의 기록이 질량 스펙트럼이다. 분자 M에서 전자 한 개가 떨어져 나간 모체의 양이온
{ M}^{+ }
가 나타난 피크가 대체로 질량이 가장 큰 피크이다.
동위원소를 포함하는 이온들에 기인하는 작은 피크들이 1또는 2단위만큼 더 큰 질량에서 관찰되기도 한다. 화합물의 정확한 분자량은 이들의 피크로부터 결정된다.
1-10 회 절 법
물질의 구조를 연구하는 데 이용되는 가장 직접적인 방법은 X선의 3차원 회절발역할을 한다. 결정 내에서 각 원자들은 규칙적인 모양으로 배열되어 있고 일정한 간격으로 배열된 여러 종류의 원자면들이 있다.
이 원자면은 일련의 반사면으로 볼 수 있다. X선이 이 면에 입사각도 θ로 주시되면 동일각도로 반사된다. 반사된 X선은 파장
( lambda )
,
theta
및 면간격(d)이 다음의 Bragg식을 만족할 때 회절무늬가 극대로 된다.
2dsin theta =n lambda
(n은 정수)
그 까닭은 이웃하는 결정면(면간격=d)을 거쳐온 X선의 경로차이가 X선파장의 정수(n)배가 되어야만 위상이 같아지기 때문이다
Bragg식에서 알 수 있듯이 X선회절은 X선의 파장이 2d보다 짧은 경우에만 가능하다.

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전기화학,   원자구조,   화학반응속도론,   분자 분광학,   화학결합,   분자 분광학