Tekst źródłowy strony Blog:NMR część 3

<div class="bookpage">
{{Miaublogheader|data = 9 sierpnia 2022|autor = Gal}}
<<< [[Blog:NMR część 2|NMR część 2]]

==Metan a benzen ==

[[Plik:Metanibenzen.png|mały|Metan i benzen]]

Rozważmy cząsteczki [[Metan|metanu]] i benzenu. Jedna i druga są zbudowane jedynie z węgla i wodoru. Może się wydawać, że będą absorbować identyczne częstotliwości. Jest jednak inaczej - atomy wodoru metanu potrzebują fali o nieco innej energii niż atomy wodoru benzenu. Podobnie, atomy węgla C-13 metanu absorbują inną długość fali niż atomy węgla C-13 propanu.

W dalszej części będziemy jednak rozważać jedynie atomy wodoru. Zdecydowana ich większość to H-1, którego jądra mają spin. W wypadku węgla mamy 98,9% C-12 bez spinu i 1,1% C-13 ze spinem. Możemy badać owo 1,1% C-13, ale jest to nieo bardziej złożone niż w wypadku H-1.

Atomy H w metanie i w benzenie może i są takie same, ale inne jest ich sąsiedztwo, otoczenie. Owo otoczenie wywiera pewien drobny wpływ na pole magnetyczne. Jeśli przystawimy identyczne zewnętrzne pole magnetyczne, to otoczenie odrobinę obniży jego wartość. W cząsteczce benzenu efekt ten będzie nieco silniejszy niż w cząsteczce metanu - dlatego atomy wodoru benzenu absorbują ciut mniejszą długość fali. Efekt ten nazywany jest ekranowaniem.

Różnicę energii między dwoma poziomami energetycznymi wyznacza, ściśle mówiąc, nie po prostu zewnętrzne pole magnetyczne, a zewnętrzne pole magnetyczne minus pewien wpływ oroczenia. To rzeczywiste pole magnetyczne zwiemy efektywnym. W takim samym zewnętrznym polu magnetycznym na takie same atomy może działać odmienne efektywne pole magnetyczne - zależnie od otoczenia.

==Propan==

Przenalizujmy jeszcze cząsteczkę propanu. 

[[Plik:propan.png|mały|Propan]]

Widzimy, że jej atomy wodoru mogą być w jednym z dwóch położeń.

[[Plik:Propan2.png|mały|Propan]]

Jądra atomów oznaczonych kolorem czerwonym są słabiej ekranowane i do zmiany spinu potrzebują nieco większej energii. Te zaznaczone kolorem niebieskim są mocniej ekranowane i do zmiany spinu potrzebują mniejszej energii - a zatem niższej częstotliwości. 


==Urządzenie do NMR i przykłady widm NMR==

Urządzenie do badania substancji za pomocą NMR musi oczywiście zawierać magnes i źródło fal radiowych. Magnes wytwarza stałe zewnętrzne pole magnetyczne, a fale radiowe zmieniają swoją częstotliwość, żeby objąć różne położenia atomów.

Do próbki dodaje się niewielką ilość wzorca, jakim jest tetrametylosilan. Omówimy, jak wcześniej pisałem, jedynie analizę H-1, ale można dodać, że TMS jest również wzorcem w analizie C-13 - zawiera wszak i wodór, i węgiel. TMS ma 12 atomów wodoru tak samo ułożonych, zatem wszystkie te atomy absorbują tę samą częstotliwość. Jej wartość przyjmujemy za zero i umieszczamy po prawej stronie wykresu - będziemy odejmować i szli w lewo. 

Wyobraźmy sobie, że analizujemy metan CH4. Jego atomu wodoru są równocenne i wszystkie absorbują jedną długość fali. Zatem nasza próbka będzie absorbować 2 częstotliwości fali radiowej. Spójrzmy na wykres:

[[Plik:Metan chemical book.gif|mały|NMR H1 metan]]

Takie wykresy nazywamy widmami. Przy zerze powinno znajdować się wskazanie dla wzorca TMS, ale to się czasem pomija. Przy 0,4 widzimy jedno wskazanie. Widzimy zatem, że nasz badany związek - metan - ma tylko jeden rodzaj położenia atomów wodoru. 

A teraz zobaczmy wykres dla propanu:

[[Plik:Propan chemical book.png|mały|NMR H1 propan]]

W propanie mamy dwa położenia atomów wodoru i faktycznie, widzimy dwa piki na wykresie. Są one trochę rozmazane, ale nie ma co się tym przejmować. Pod koniec artykułu zresztą wyjaśnimy czemu tak jest.

==Skala==

Pozostaje pytanie, co oznaczają liczby na skali. Długość fali, która jest absorbowana przez TMS odpowiada 0. Jednostką jest zmiana częstotliwości fali o jedną milionową. Przy jedynce mamy 999 999 / 1 000 000 długości fali absorbowanej przez TMS. Przy dwójce mamy 999 998 / 1 000 000 itd. Dlaczego nie możemy mierzyć po prostu w hercach? Wtedy miara długości fali zależałaby od siły magnesu. Przy magnesie dwa razy silniejszym, częstotliwość byłaby dwa razy wyższa. Od pola magnetycznego zależą bezwzględne wartości częstotliwości fali, ale nie ich stosunki. Gdy TMS wymaga częstotliwości fali dwa razy większej, to tak samo metan wymaga częstotliwości dwa razy większej. By móc stosować te same dane dla różnych urządzeń z różnymi magnesami, lepiej zastosować względną miarę.

TMS jest wzorcem dlatego, że absorbuje stosunkowo dużą częstotliwość fali. Niemal zawsze będzie on na prawym końcu wykresu. Istnieją jednak pewne nieliczne substancje, w których są atomy wodoru wymagające większej częstotliwości niż u TMS. 

== Kształt piku ==

Czasem pik jest bardzo ostry, niekiedy jest bardziej powyginany. W rzeczywistości mniej ostre piki składają się z kilku szczytów położonych w takich samych odstępach, tak że szczyty środkowe są najwyższe, a początkowe i końcowe - najniższe. Wyjaśnienie tego efektu jest najbardziej złożoną kwestią w serii tekstów o NMR, ale spróbujmy. Spójrzmy na nieco bardziej wyraźny wykres dla propanu:

[[Plik:NMR propan.png|mały|NMR H1 propan]]

W dwóch różnych cząsteczkach propanu odpowiadające sobie jądra H1 mają takie samo położenie w cząsteczce. Zdaje się zatem, że wpływ otoczenia na pole magnetyczne jest taki sam. Pojawia się jednak jeszcze jeden czynnik. Pole magnetyczne działając na dane jądro zależy nieco od zwrotu spinu pobliskich jąder. Spójrzmy na obrazek:

[[Plik:Propan rozszczepienie.png|mały]]

Zastanówmy się nad jądrem czerwonego atomu H. I w górnej, i w dolnej cząsteczce ów atom ma takie samo położenie - wiąże się z środkowym atomem węgla propanu. Ale istotny jest też zwrot spinu jąder oznaczonych na niebiesko (są to jądra wodoru). Dla górnej cząsteczki, wszystkie te jądra mają taki sam spin. Dla dolnej, jest pół na pół. Atomy oznaczone kolorem czarnym nie są tu istotne.

Opcja, że wszystkie wywierające wpływ jądra mają taki sam zwrot, jest bardzo mało prawdopodobna - w naszym wypadku, 1/2^6 = 1/64 dla każdej z dwóch skrajnych opcji. Najbardziej prawdopodobne, że całość rozłoży się pół na pół, 3 jądra w jedną stronę, 3 w drugą. Z trójkąta Pascala można wyczytać, że taka sytuacja odpowiada 20/64 przypadkom. Pola pod kolejnymi szczytami piku mają do siebie taki sam stosunek, jak kolejne liczby w trójkącie Pascala.

== Zobacz też ==
* [[Blog:NMR część 1|NMR część 1]]
* [[Blog:NMR część 2|NMR część 2]]

</div>



[[Kategoria:Miaublog]][[Kategoria:Przyroda]]
[[Kategoria:Nauka]]
[[Kategoria:Wpisy użytkownika Gal]]