8.2: Експериментальні зонди динаміки реакцій
- Page ID
- 18929
Спектроскопічні методи
Щоб стежити за швидкістю будь-якої хімічної реакції, потрібно мати засоби контролю концентрацій реагентів або молекул продукту в міру розвитку часу. У більшості сучасних експериментів, які стосуються динаміки реакції, використовується певна форма спектроскопічного або альтернативного фізичного зонда (наприклад, електрохімічний підпис або мас-спектрометричне виявлення іонів продукту) для контролю цих концентрацій як функції часу. Звичайно, у всіх подібних вимірах потрібно знати, як інтенсивність виявленого сигналу відноситься до концентрації молекул, що викликають сигнал. Наприклад, у багатьох експериментах по поглинанню, як показано на малюнку 8.4, світло пропускається через зразок товщини\(L\) і вимірюється інтенсивність світлового променя за відсутності зразка\(I_0\) і з присутнім\(I\) зразком.
Закон Беера-Ламберта:
\[\log(I_0/I) = \varepsilon[A]L\]
то дозволяє визначити концентрацію [А] поглинаючих молекул, враховуючи довжину шляху,\(L\) по якому відбувається поглинання, і з огляду на коефіцієнт\(\varepsilon\) екстинкції поглинаючих молекул.
Ці коефіцієнти екстинкції, які відносяться до елементів електричної дипольної матриці, як обговорюється в главі 6, зазвичай визначаються емпіричним шляхом шляхом підготовки відомої концентрації поглинаючих молекул і вимірювання\(I_0/I\) співвідношення, яке ця концентрація виробляє в клітинці довжини\(L\). Для молекул та іонів, які є надзвичайно реактивними, такий калібрувальний підхід до визначення\(\varepsilon\) часто нездійсненний, оскільки неможливо підготувати зразок із відомою концентрацією, яка залишається постійною у часі досить довго для проведення експерименту. У таких випадках часто доводиться вдаватися до використання теоретичних виразів, наведених у главі 6 (і обговорюються в більшості підручників з молекулярної спектроскопії) для обчислення з\(\varepsilon\) точки зору хвильових функцій поглинаючих видів. У будь-якому випадку потрібно знати, як сила сигналу відноситься до концентрацій виду, якщо хочеться контролювати хімічну реакцію або швидкість передачі енергії.
Оскільки сучасні експериментальні методи здатні виявляти молекули, зокрема, електронний та вібраційно-обертальний стани, стало звичним використовувати такі інструменти для вивчення динаміки хімічних реакцій на рівні стану-стан і стежити за процесами передачі енергії, які явно вимагають такого стану- конкретні дані. У таких експериментах прагнуть дізнатися швидкість, з якою реагенти в певному стані\(\Phi_i\) реагують на отримання продуктів в якомусь конкретному стані\(\Phi_f\). Один з найпоширеніших способів моніторингу таких показників, специфічних для стану, - це так званий експеримент насос-зонд, в якому
i. короткочасний світловий імпульс використовується для збудження молекул реагентів до певного заданого початкового стану\(\Phi_i\). Зазвичай використовується перебудовуваний лазер, оскільки його вузький розкид частот дозволяє накачувати конкретні стани. Час, в який цей лазер накачки таким чином готує збуджені молекули реагенту в стані\(\Phi_i\) визначає\(t = 0\).
II. Після часу затримки тривалістю t використовується друге джерело світла для зондування молекул продукту, які утворилися в різних кінцевих станах,\(\Phi_f\). Часто частота цього джерела зонда сканується, щоб можна було досліджувати популяції багатьох таких кінцевих станів.
Концентрації молекул реагентів і продуктів у початковому і кінцевому станах\(\Phi_i\) і\(\Phi_f\) визначаються співвідношенням Беера-Ламберта, припускаючи, що відомі коефіцієнти вимирання\(\varepsilon_i\) і\(\varepsilon_f\) для цих видів і станів поглинання. У першому випадку коефіцієнт екстинкції\(\varepsilon_i\) відноситься до поглинання фотонів насоса для приготування молекул реагентів у заданому початковому стані. В останньому\(\varepsilon_f\) мається на увазі поглинання молекул продукту, які створюються в стані\(\Phi_f\). Проведення серії таких вимірювань поглинання кінцевого стану в різні терміни затримки t дозволяє визначити концентрацію цих станів як функцію часу.
Цей вид експерименту з лазерним насосом-зондом використовується не тільки для зондування конкретних електронних станів або вібрації/обертання реагентів і продуктів, але і коли реакція швидка (тобто, завершена за 10 -4 с або менше). У цих випадках використовується не високочастотна роздільна здатність лазера, а його швидка реакція часу. Оскільки лазерні імпульси досить короткої тривалості можуть генеруватися, ці інструменти добре підходять для таких швидких досліджень хімічних реакцій. Реакції можуть бути в газовій фазі (наприклад, швидкорадикальні реакції в атмосфері або при вибухах) або в розчині (наприклад, фотоіндуковані реакції переносу електронів в біологічних системах).
Променеві методи
Інший підхід до зондування динаміки хімічних реакцій полягає у використанні пучка молекул реагентів А, який стикається з іншими реагентами B, які також можуть бути в пучку або в колбі в рівновазі при деякій температурі Т. Такі експерименти з перехрещеним променем і променем-лампочкою проілюстровані на малюнку 8.5.
Практично завжди ці променеві та колбові зразки містять молекули, радикали або іони в газовій фазі, тому ці методи найбільш поширені в дослідженнях газової фазової динаміки.
Переваги експериментів з перехрещеним балочним типом полягають в тому, що:
- можна управляти швидкостями, а отже і енергіями зіткнення обох реагентів,
- можна досліджувати вихід продукту в залежності від кута,\(\theta\) через який продукти розкидані,
- можна промацувати швидкість продуктів і,
- за допомогою спектроскопічних методів можна визначити частку продуктів, що утворюються в різних внутрішніх (електронних/коливальних/обертальних) станах.
Такі вимірювання дозволяють отримати дуже детальну інформацію про те, як коефіцієнт швидкості реакції залежить від енергії зіткнення (кінетичної) і де осаджується загальна енергія, наявна для продуктів (тобто в енергію поступального продукту або внутрішню енергію продукту). Кутовий розподіл молекул продукту також може дати інформацію про характер процесу реакції. Наприклад, якщо зіткнення A + B утворює довгоживучий (тобто на обертальних часових шкалах) комплекс зіткнення, молекули продукту C відображають дуже ізотропний кутовий розподіл. На відміну від цього, реакції, які протікають більш імпульсивно, показують кутові розподіли продукту, які або сильно розкидані назад, або сильно розкидані вперед, а не ізотропні.
У експериментах з променевою лампочкою не вдається отримати стільки детальної інформації, оскільки одна з молекул реагенту B не обмежена рухатися з відомою фіксованою швидкістю в заданому напрямку, коли відбуваються\(A + B \rightarrow C\) зіткнення. Натомість молекули B стикаються з молекулами А в різних орієнтаціях і з розподілом енергій зіткнення, діапазон яких залежить від розподілу Максвелла-Больцмана кінетичних енергій молекул В в колбі. Перевага експериментів з променем-лампочкою полягає в тому, що можна досягти набагато більшої щільності зіткнення, ніж в експериментах з перехрещеним променем, оскільки щільність молекул B всередині колби може бути набагато вищою, ніж щільності, досяжні в пучку молекул В.
Є випадки, коли експерименти з променем-лампочкою можуть бути використані для визначення того, як швидкість реакції залежить від енергії зіткнення, навіть якщо молекули в колбі мають розподіл кінетичних енергій. Тобто, якщо види в пучку мають набагато вищі кінетичні енергії, ніж більшість молекул В, то енергія зіткнення A + B в першу чергу визначається енергією пучка. Прикладом такої ситуації є так звані експерименти з пучком з керованим іоном, в яких пучок іонів, що мають чітко задану кінетичну енергію Е, впливає на молекули в колбі, що має температуру,\(T\) для якої\(kT \ll E\). Малюнок 8.6 ілюструє дані, які можна витягти з такого експерименту.
На малюнку 8.6 проілюструється поперечний переріз\(\sigma\) (пов'язане з константою бімолекулярної швидкості\(k\) шляхом\(\sigma v = k\), де v - відносна швидкість зіткнення) для отримання\(Na^+\) іонів при зіткненні пучка\(Na^+\) (урацилових) комплексів, що мають енергію Е (горизонтальна вісь), стикається з колбою що містять атоми Xe при кімнатній температурі. У цьому випадку реакція являє собою просто викликаний зіткненням процес дисоціації (CID), при якому комплекс піддається одномолекулярному розкладанню після отримання внутрішньої енергії при зіткненнях з атомами Xe:
\[Na^+({\rm uracil}) \rightarrow Na^+ + \rm uracil.\]
Першочерговими знаннями, отриманими в цьому експерименті з CID, є порогова енергія\(E^*\); тобто мінімальна енергія зіткнення, необхідна для ефекту дисоціації\(Na^+({\rm uracil})\) комплексу. Цей вид даних виявився одним з найбільш корисних відомостей про енергії дисоціації зв'язків найрізноманітніших видів. Крім того, величина поперечного перерізу реакції\(\sigma\) як функція енергії зіткнення є цінним продуктом таких експериментів. Такі експерименти з променем-лампочкою CID пропонують один з найпотужніших і широко використовуваних засобів визначення таких енергій розриву зв'язків та констант швидкості реакції.
Інші методи
Звичайно, не всі хімічні реакції відбуваються настільки швидко, що вони вимагають використання швидких лазерів для дотримання концентрацій реагуючих видів або методів насос-зонда для генерації та зондування цих молекул. Для більш повільних хімічних реакцій можна використовувати інші методи контролю відповідних концентрацій. Ці методи включають електрохімію (де окислювально-відновний потенціал є сигнатурою виду) та спектроскопія ЯМР (де хімічні зрушення функціональних груп є сигнатурами), обидва інструментальні терміни відгуку яких занадто повільні для зондування швидких реакцій.
Крім того, коли досліджувані реакції не приступають до завершення, а існують в рівновазі зі зворотною реакцією, можна використовувати альтернативні підходи. Приклад, розглянутий у главі 5, є одним з таких випадків. Коротко розглянемо його тут і знову розглянемо реакцію ферменту Е і субстрату S на утворення ферментно-субстратного комплексу ES:
\[E + S \rightleftharpoons ES.\]
У експериментах типу збурень рівноважні концентрації виду «зміщуються» на невелику величину\(\delta\) шляхом застосування збурень, так що
\[[ES] = [ES]_{\rm eq} -\delta\]
\[[E] = [E]_{\rm eq} +\delta\]
\[[S] = [S]_{\rm eq} +\delta.\]
Згодом наступний закон норми регулюватиме еволюцію часу зміни концентрації d:
\[-\dfrac{d\delta}{dt} = - k_r ([ES]_{\rm eq} -\delta) + k_f ([E]_{\rm eq} +\delta) ([S]_{\rm eq} +\delta).\]
Припускаючи, що\(\delta\) це дуже мало (так що термін за участю\(\delta^2\) може бути знехтований) і використовуючи той факт, що пряма і зворотна ставки балансують при рівновазі, це рівняння для еволюції часу\(\delta\) може бути зведено до:
\[-\dfrac{d\delta}{dt} = (k_r + k_f [S]_{\rm eq} + k_f[E]_{\rm eq}) \delta.\]
Отже, відхилення концентрації від рівноваги повернуться до рівноваги експоненціально з ефективним коефіцієнтом швидкості, який дорівнює сумі доходів:
\[k_{\rm eff} = k_r + k_f [S]_{\rm eq} + k_f[E]_{\rm eq}.\]
Отже, дотримуючись концентрацій реагентів або продуктів, коли вони повертаються до рівноважних значень, можна витягти коефіцієнт ефективної швидкості\(k_{\rm eff}\). Роблячи це при різних початкових рівноважних концентраціях (е, г.,\([S]_{\rm eq}\) і\([E]_{\rm eq}\)), і бачачи, як\(k_{\rm eff}\) змінюється, можна потім визначити як пряму, так і зворотну константи швидкості.