Workshopin sisältö. Erilaisia tehtäväasetelmia spektroskopian opiskeluun

Samankaltaiset tiedostot
Spektroskopiaa IR, NMR ja MS

Lämpö- eli termokemiaa

Reaktioyhtälö. Sähköisen oppimisen edelläkävijä Empiirinen kaava, molekyylikaava, rakennekaava, viivakaava

5.10 Kemia. Opetuksen tavoitteet

Isomerian lajit. Rakenne- eli konstituutioisomeria. Avaruus- eli stereoisomeria. Ketjuisomeria Funktioisomeria Paikkaisomeria

Käytetään nykyaikaista kvanttimekaanista atomimallia, Bohrin vetyatomi toimii samoin.

Tehtävä 2. Selvitä, ovatko seuraavat kovalenttiset sidokset poolisia vai poolittomia. Jos sidos on poolinen, merkitse osittaisvaraukset näkyviin.

Infrapunaspektroskopiaa - Lisää IR-spektrien tulkintaa

Lukion kemia 3, Reaktiot ja energia. Leena Piiroinen Luento

Kertausta 1.kurssista. KEMIAN MIKROMAAILMA, KE2 Atomin rakenne ja jaksollinen järjestelmä. Hiilen isotoopit

Orgaanisten yhdisteiden rakenne ja ominaisuudet

Ainemäärien suhteista laskujen kautta aineiden määriin

Törmäysteoria. Törmäysteorian mukaan kemiallinen reaktio tapahtuu, jos reagoivat hiukkaset törmäävät toisiinsa

Orgaanista kemiaa. Yhdistetyypit ja nimeäminen

KPL1 Hiili ja sen yhdisteet. KPL2 Hiilivedyt

ORGAANINEN KEMIA. = kemian osa-alue, joka tutkii hiilen yhdisteitä KPL 1. HIILI JA RAAKAÖLJY

Mamk / Tekniikka ja liikenne / Sähkövoimatekniikka / Sarvelainen 2015 T8415SJ ENERGIATEKNIIKKA Laskuharjoitus

Massaspektrometria. magneetti negat. varautuneet kiihdytys ja kohdistus

Lukion kemian OPS 2016

REAKTIOT JA TASAPAINO, KE5 KERTAUSTA

KE Orgaaninen kemia 1

Tehtävä 1. Valitse seuraavista vaihtoehdoista oikea ja merkitse kirjain alla olevaan taulukkoon

Infrapunaspektroskopia

KE4, KPL. 3 muistiinpanot. Keuruun yläkoulu, Joonas Soininen

Bensiiniä voidaan pitää hiilivetynä C8H18, jonka tiheys (NTP) on 0,703 g/ml ja palamislämpö H = kj/mol

SIDOKSET. Palautetaan mieleen millaisia sidoksia kemia tuntee ja miten ne luokitellaan: Heikot sidokset ovat rakenneosasten välisiä sidoksia.

KE2 Kemian mikromaailma

Lukion kemian OPS 2016

Orgaanisissa yhdisteissä on hiiltä

LÄÄKETEHTAAN UUMENISSA

Massaspektrometria. magneetti negat. varautuneet kiihdytys ja kohdistus

5.10 Kemia. Opetuksen tavoitteet

Orgaanisia molekyylejä lukion ensimmäiselle kurssille suunnattu ChemSketch -harjoitus

Kemian perusteet farmasiassa osa II: orgaaniset yhdisteet/tapio Nevalainen Loppukuulustelu b) ketoni

2. Täydennä seuraavat reaktioyhtälöt ja nimeä reaktiotuotteet

2. Alkaanit. Suoraketjuiset alkaanit: etuliite+aani Metaani, etaani... Dekaani (10), undekaani, dodekaani, tridekaani, tetradekaani, pentadekaani..

3.10 Kemia. Opetuksen tavoitteet

MITÄ SIDOKSILLE TAPAHTUU KEMIALLISESSA REAKTIOSSA

Näiden aihekokonaisuuksien opetussuunnitelmat ovat luvussa 8.

sulfonihappoihin fenoleihin aldehydeihin amiineihin

Bentseeni on vaikeasti reagoiva yhdiste. Bentseeni on avaruusrakenteeltaan tasomainen. Bentseenin

MarvinSketch lukion kemian opetuksen onni vai onnettomuus

MOOLIMASSA. Vedyllä on yksi atomi, joten Vedyn moolimassa M(H) = 1* g/mol = g/mol. ATOMIMASSAT TAULUKKO

Kemian koe, Ke3 Reaktiot ja energia RATKAISUT Perjantai VASTAA YHTEENSÄ KUUTEEN TEHTÄVÄÄN

Reaktiosarjat

Lukion kemiakilpailu

c) Tasapainota seuraava happamassa liuoksessa tapahtuva hapetus-pelkistysreaktio:

d) Klooria valmistetaan hapettamalla vetykloridia kaliumpermanganaatilla. (Syntyy Mn 2+ -ioneja)

Seoksen pitoisuuslaskuja

Kemia s10 Ratkaisut. b) Kloorin hapetusluvun muutos: +VII I, Hapen hapetusluvun muutos: II 0. c) n(liclo 4 ) = =

EPIONEN Kemia EPIONEN Kemia 2015

Lukion kemian OPS 2016

Kemia 1. Mooli 1, Ihmisen ja elinympäristön kemia, Otava (2009) MAOL-taulukot, Otava

luku 1.notebook Luku 1 Mooli, ainemäärä ja konsentraatio

TVT:n käyttö kemian opetuksessa

5.10 KEMIA OPETUKSEN TAVOITTEET

Taulukko Käyttötarkoitus Huomioita, miksi? Kreikkalaisten numeeriset etuliitteet

TERVEYDEN BIOTIETEIDEN Henkilötunnus: - KOULUTUSOHJELMA Sukunimi: Etunimet: Nimikirjoitus: KEMIA. Kemian kuulustelu klo 12.

Kemia. Kemia Tutkii luontoa, sen rakenteita. Tutkii ainetta, sen koostumusta. sekä reaktioita. Eli kuinka aine muuttuu toiseksi aineeksi.

Kemia 3 op. Kirjallisuus: MaoL:n taulukot: kemian sivut. Kurssin sisältö

Kemia 1. Mooli 1, Ihmisen ja elinympäristön kemia, Otava (2009) MAOL taulukot, Otava

REAKTIOT JA ENERGIA, KE3. Kaasut

Infrapunaspektroskopia

Biodiesel Tuotantomenetelmien kemiaa

Kertaus. Tehtävä: Kumpi reagoi kiivaammin kaliumin kanssa, fluori vai kloori? Perustele.

Väittämä Oikein Väärin. 1 Pelkistin ottaa vastaan elektroneja. x. 2 Tyydyttynyt yhdiste sisältää kaksoissidoksen. x

Kemian tehtävien vastaukset ja selitykset Lääketieteen ilmainen harjoituskoe, kevät 2017

Liittymis- eli additioreaktio Määritelmä, liittymisreaktio:

Digiaineistojen, ohjelmistojen ja yhteisöllisen median pedagoginen hyödyntäminen kemiassa

Vesi. Pintajännityksen Veden suuremman tiheyden nesteenä kuin kiinteänä aineena Korkean kiehumispisteen

KEMIA HYVÄN VASTAUKSEN PIIRTEET

TVT:n käyttö lukion kemian opetuksessa

Taulukko Käyttötarkoitus Huomioita, miksi? Kreikkalaisten numeeriset etuliitteet

TVT:n käyttö kemian opetuksessa

Joensuun yliopisto Kemian valintakoe/

Nimi sosiaaliturvatunnus. Vastaa lyhyesti, selkeällä käsialalla. Vain vastausruudun sisällä olevat tekstit, kuvat jne huomioidaan

Erilaisia entalpian muutoksia

Kaikki ympärillämme oleva aine koostuu alkuaineista.

YLEINEN KEMIA. Alkuaineiden esiintyminen maailmassa. Alkuaineet. Alkuaineet koostuvat atomeista. Atomin rakenne. Copyright Isto Jokinen

Veden ja glukoosin mallinnus

TKK, TTY, LTY, OY, TY, VY, ÅA / Insinööriosastot Valintakuulustelujen kemian koe

Nimi: Orgaaninen kemia. orgaanista.wordpress.com. 9. luokan kurssi

Erilaisia entalpian muutoksia

Kemia. Opetuksen tavoitteet

Kondensaatio ja hydrolyysi

Johdantoa. Kemia on elektronien liikkumista/siirtymistä. Miksi?

Puhdasaine Seos Aineen olomuodot

Atomi. Aineen perusyksikkö

Rauman normaalikoulun opetussuunnitelma 2016 Kemia vuosiluokat 7-9

Sukunimi: Etunimi: Henkilötunnus:

KE1 Ihmisen ja elinympäristön kemia

KEMIA. Kemia on tiede joka tutkii aineen koostumuksia, ominaisuuksia ja muuttumista.

Ilmiö 7-9 Kemia OPS 2016

Fysiikan, kemian ja matematiikan kilpailu lukiolaisille

Kuva 1: Yhdisteet A-F viivakaavoin, tehtävän kannalta on relevanttia lisätä näkyviin vedyt ja hiilet. Piiroteknisistä syistä tätä ei ole tehty

1-12 R1-R3. 21, 22 T4 Tutkielman palautus kurssin lopussa (Työ 2 ja Työ 3), (R4-R6) Sopii myös itsenäiseen opiskeluun Työ 4 R7 - R8

Johdatusta FT-IR spektroskopiaan (Fourier Transform Infrared) Timo Tuomi Eila Hämäläinen. LUMA-koulutus

Helsingin yliopiston kemian valintakoe. Keskiviikkona klo Vastausselvitykset: Tehtävät:

Kemiallinen reaktio

Transkriptio:

SPEKTROSKOPIA Ari Myllyviita Kemian ja matematiikan lehtori, oppikirjailija Helsingin yliopiston Viikin normaalikoulu Vieraileva tutkija Johannesburgin yliopisto, Etelä-Afrikka

Workshopin sisältö Aineistolähteet Spektroskopian perusteet SDBS-spektrikirjasto MarvinSketch ohjelma tuottamat spektrit (MS, HNMR, CNMR) Molview.org sivuston tuottama spektri (IR) Erilaisia tehtäväasetelmia spektroskopian opiskeluun Mallintamisen näkökulma (Spektrikartan tuottaminen) Kokeellisuuden näkökulma (analyysi, laskentaa, päättelyä, empiirisen ja molekyylikaavan sekä rakennekaavan tuottaminen) Tutkivan oppimisen näkökulma (Aspirin)

ORBITAALI 2 - SPEKTROSKOPIA (LOPS 2015) https://peda.net

Opetussuunnitelma 2015 Tavoitteet Kurssin tavoitteena on, että opiskelija osaa käyttää ja soveltaa orgaanisiin yhdisteisiin ja ainemäärään liittyviä käsitteitä jokapäiväisen elämän, ympäristön, yhteiskunnan ja teknologian ilmiöissä osaa tutkia kokeellisesti ja erilaisia malleja käyttäen orgaanisiin yhdisteisiin, ainemäärään ja pitoisuuteen liittyviä ilmiöitä ymmärtää, kuinka kemiallinen tieto rakentuu kokeellisen toiminnan ja siihen kytkeytyvän mallintamisen kautta osaa käyttää tieto- ja viestintäteknologiaa mallintamisen välineenä. Keskeiset sisällöt kemian merkitys hyvinvoinnin ja terveyden kannalta orgaanisten yhdisteiden, kuten hiilivetyjen, happi- ja typpiyhdisteiden, rakenteiden mallintaminen ja kuvaaminen erilaisilla malleilla avaruusrakenne ja isomeria orgaanisten yhdisteiden ominaisuuksien selittäminen rakenteen avulla ainemäärä ja pitoisuus työvälineiden ja reagenssien käyttö sekä liuosten valmistus aineen rakenteen analyysimenetelmät, kuten spektroskopia

TUTKIMUSMENETELMÄT JA EMPIIRISTEN KAAVOJEN MÄÄRITTÄMINEN IR-spektroskopia NMR-spektroskopia MS-spektrometria

Spektroskopian perusteet (engl) http://www.rsc.org/learn-chemistry/collections/spectroscopy/

Spektrien katseleminen

Spektrikirjasto http://sdbs.db.aist.go.jp Haku nimellä (engl), molekyylipainolla tai eri alkuaineiden atomien lukumäärän mukaan

Molview.org

IR-SPEKTROSKOPIA JA SPEKTRIEN TULKINTA

Yhdisteiden kaavojen määrittäminen spektrometrisesti Massaspektrometria IR-spektroskopia

Työ 1 Spektrikartan laadinta Tunnista yhdisteelle (yhdisteryhmälle) tyypilliset spektriviivat (piikit). Aineisto alla. Laadi oma spektritulkintamalli - graafinen esitys spektripohjasta, johon on piirretty esim. funktionaalisten ryhmien tai molekyylien rakenneosien tyypilliset spektripiikkinen paikat. https://peda.net/p/myllyv iita/spektroskopia/data

IR-spektroskopiaa

Spektrien tulkintaa (MAOL-taulukko, v2013, s. 148) Orgaanisten sidosten venytysvärähtelyjen tyypillisiä alueita IRspektroskopiassa. Sidos Yhdistetyyppi Aaltoluku cm -1 C-I C-F Halogeenialkaani 490-800, 1000 1 400 C-O Alkoholi, esteri, eetteri 1050 1410 C=C Alkeeni 1610 1680 C=O Aldehydi, ketoni, karboksyylihappo, esteri 1700 1750 C O Alkyyni 2100 2260 O-H Karboksyylihappo 2500 3300 C-H Alkaani, alkeeni, aromaattinen 2850 3100 C-H Alkyyni 3300 O-H Alkoholi, fenoli 3200 3600 Venytysvärähtelyjen lisäksi erilaiset taivutusvärähtelyt aiheuttavat absorptiomaksimeja alle 1500 cm -1 :n alueella. (Aaltoluku ilmaisee, kuinka monta aallonpituutta mahtuu yhden senttimetrin matkalle.)

YHDISTEEN KAAVOJEN JA RAKENTEEN MÄÄRITTÄMINEN Työ 2

Empiirinen, molekyyli- ja rakennekaavat empiirinen kaava molekyylikaava rakennekaava etaani CH 3 C 2 H 6 eteeni CH 2 C 2 H 4 etyyni CH C 2 H 2 empiirinen kaava molekyylikaava rakennekaava heksaani C 3 H 7 C 6 H 14 1-buteeni CH 2 C 4 H 8 1-oktyyni C 4 H 7 C 8 H 14

Empiirisen kaavan määrittäminen Polttoanalyysi etenee seuraavasti: Tutkittava yhdiste laitetaan korkeaa lämpötilaa kestävään upokkaaseen ja upokas laitetaan uuniin. Uuniin johdetaan happivirta. Tutkittava orgaaninen yhdiste reagoi hapen kanssa. Täydellisen palamisreaktion reaktiotuotteena saadaan vettä ja hiilidioksidia. Palamisen ensimmäisessä vaiheessa vesi absorboidaan (imetään) reaktiotuotteista erilleen. Toisessa vaiheessa kerätään reaktiossa syntynyt hiilidioksidi. Ylimääräinen happi kulkee koko analyysiketjun läpi.

Uuden molekyylin analyysin vaiheet 1. Esim. polttoanalyysillä määritetään empiirinen kaava saamme eri alkuaineinen keskinäisen suhteen selvillä 2. Haetaan moolimassan antavaa tietoa, massaspektriä, kaasuyhtälön kautta (paineen, tilavuuden ja ainemäärän keskinäinen riippuvuus), tms. 3. Haetaan rakenteeseen liittyvää informaatiota, IRspektriä, tunnistusreaktioita, tms. 4. Mallinnetaan 3D-ohjelmalla (huomioi mahdolliset isomeriat)

OPETTAJALLE: MITEN VALMISTELEN SPEKTROSKOPIAA HYÖDYNTÄVÄN TYÖN

Molekyylin rakennekaavan määrittämistehtävä Millaista molekyyliä haluat opiskelijoiden käsittelevän? Voi olla ajankohtainen / henkilökohtainen / tietyntyyppinen (helppo, alkoholi, flavonoidi tms.) yhdiste, kts. 1. Molekyylin rakentaminen MarvinSketch ohjelmalla Saamme rakennekaavan piirrettynä (lopputulos) Ohjelma antaa alkuaineiden prosentuaalisen koostumuksen (lähtötiedot) Ohjelma antaa myös auttavan massaspektrin (MS-spektri) 2. Laaditaan tehtävänanto, esim. Aine sisältää hiiltä C (81.07%), vetyä H (4.54%), ja happea O (14.40%), määritä aineen rakennekaava. Aineen massaspektri on ohessa. Haetaan spektrit esim. SDBS-spektrikirjastosta, myös MarvinSketch ohjelma ja Molview.org ohjelma antavat spektrejä. 3. Hae spektri osoitteesta http://sdbs.db.aist.go.jp (SDBSspektrikirjasto), mikä mahdollistaa moolimassan määrittämisen molekyylille 4. Hyödynnetään lisätieto esim. funktionaalisen ryhmän tai ryhmien olemassaolosta

1. Molekyylin rakentaminen MarvinSketchohjelmalla, lähtötietojen keruu (2-fenyylikromoni tai 2-fenyyli-1-bentsopyraani-4-oni)

2. Tehtävänanto Aine sisältää hiiltä C (81.07%), vetyä H (4.54%), ja happea O (14.40%), määritä aineen rakennekaava. Aineen massaspektri on ohessa. massaspektri

Laskut suhdekaavan määrittäminen (laskeminen) n=m/m, oletetaan massaksi 100 g C: 81,07g / 12,01 g/mol = 6,7502 mol H: 4,54g / 1,008 g/mol = 4,5039 mol O: 14,40g / 16,00 g/mol = 0,9000 mol C: 6,7502 / 0,900 --> 7,500 --> 15 H: 4,5039 / 0,900 --> 5,004 --> 10 O: 0,9000 / 0,900 --> 1,000 --> 2 C : H : O = 15:10:2 eli suhdekaava on C 15 H 10 O 2

Massaspektrit MarvinSketch: Molview: SDBS:

Aine sisältää hiiltä C (81.07%), vetyä H (4.54%), ja happea O (14.40%), määritä aineen rakennekaava. Aineen massaspektri on ohessa. 2. Tehtävänanto

3. Molekyylikaavan määrittäminen Molekyylikaavan määrittäminen vaatii empiirisen kaavan (suhdekaavan) ja moolimassan tuntemisen Massaspektri antaa moolimassan. Tehtävässä moolimassa on 222 g/mol eli empiirinen kaava on sama kuin molekyylikaava.

Funktionaalisen ryhmän tunnistaminen (tässä tapauksessa) IR-spektri osoittaa selkeästi karbonyyliryhmän olemassaolon, tähän voisi viitata antamalla IR-spektrin (vaihtoehto 1), Yhdisteellä on UV-spektri, joka viittaa kromoforien (väriä tuottava osa) olemassa oloon aromaattinen, pitkät delokalisoituneet ketjut Hiiliatomien lukumäärä suhteessa vetyatomien määrään aromaattinen (tai kaksois- ja kolmoissidoksia) Lähtöaineena on jonkinlainen 1,3-diaryylidiketoni (kuva alla, reaktion lähtöaine) ja todetaan että molekyylien sisäisen reaktion jälkeen IRspektri osoittaa, että reaktiotuotteella ei ole hydroksyyliryhmää ja karbonyyliryhmiä ei ole kuin yksi ja delokalisoitunut tila leviää pitemmälle molekyyliin

Molview-kuvat

Aine sisältää hiiltä C (81.07%), vetyä H (4.54%), ja happea O (14.40%), määritä aineen rakennekaava. Aineen massaspektri on ohessa. IR-spektri osoittaa, että yhdisteellä on yksi karbonyyliryhmä ja yksi eetteriryhmä (fenolinen). Lähtöaine on yhdiste, jonka rakennekaava on viereinen.... 2. Tehtävänanto

IR-spektri C=O Hiilirunkoja Aromaattisia ym. C-O eetteri

ASPIRIINITYÖ Työ 3

Lääkepaketti on vanhentunut? Vaikuttava aine voi olla muuttunut? Miten tunnistamme sen? Aspiriinin synteesi (valmistusreaktio) on luokiteltavissa esteröitymisreaktioksi. Salisyylihappo reagoi asetaattianhydridin kanssa (etikkahappojohdannainen) muuttaen kemiallisen reaktiossa salisyylihapon hydroksyyliryhmän esteriryhmäksi (R-OH R-OCOCH 3 ). Prosessi tuottaa sekä aspiriinia ja etikkahappoa, joka on huomioitava sivutuote reaktiossa. Pientä määrää rikkihappoa (tai toisinaan fosforihappoa) käytetään katalyyttinä (miksi?). Kun aspiriinia saadaan suuria pitoisuuksia, sillä on taipumus hajota hydrolyysin kautta runsaan veden läsnä ollessa salisyyli- ja etikkahapoksi. Lääkkeen vanheneminen voi olla kytköksissä sen altistumiseen ilman kosteuden kanssa. Miten voit varmistaa spektroskopian avulla, että sinulla on alkuperäistä aspiriinia eikä lähtöainetta salisyylihappoa?

Hapon piikki (lisä OH-ryhmä) Siirtymä! Siirtymä!

NMR-SPEKTRIEN VERTAILUJA

1-butanoli ja 2-butanoli CNMR 1-butanoli 2-butanoli

NMR-SPEKTRITULKINTAA Tätä ei workshopissa ehditty käsitellä

NMR-spektriesimerkkejä Tripletin tripletti Kvartetin tripletti

Spektrien tulkintaa (MAOL-taulukko, v2013, s. 148) Tyypillisiä kemiallisia siirtymiä 1H NMR-spektrissä suhteessa tetrametyylisilaaniin (TMS). H-ytimen ympäristö Selite Kemiallinen siirtymä ppm R-CH 3 Primäärinen 0 4 R 2 CH 2 tai R 3 CH Sekundäärinen tai tertiäärinen 1,5 4,5 ROH Alkoholi 0,5 8 RNH 2 Amiini 1 6 C C-H Alkyyni 2,5 3 XC-H Alkyylihalidi (X=Br, Cl, I, F) 2,5-4,5 C=C-H Alkeeni 4 8 Ar-H Aromaattinen yhdiste 6 10 RCHO Aldehydi 8 10 RCOOH Karboksyylihappo 9-13

Pentaani 2-Pentanoli 3-Pentanoli OH-ryhmä, 2,7 ppm CHOH-ryhmä, 3,5-3,8 ppm CH 3 -ryhmä, 0,9 ppm CH 2 -ryhmä, 1,2-1,6 ppm

Pentaanihappo CH 2 -ryhmä, 1,5-2,3 ppm CH 3 -ryhmä, 0,9 ppm

Mikä ero molekyyleissä?

Kvartetin tripletti 2-pentanoli Tripletin dupletti dupletti tripletti

2-pentanolin tarkempi tulkinta Line spectrum Kvartetin tripletti 1.kvartetti / 2.kvartetti / 3.kvartetti