למה צילומי רנטגן?:

בעת מדידת מרחק, חשוב לבחור יחידת מידה הנמדדת בסולם האובייקט הנמדד. לדוגמה, כדי למדוד את אורך העיפרון, לא היה רוצה להשתמש במקל חצר שיש לו רק דירוגי רגליים. באופן דומה, אם רוצים למדוד את אורך המכונית, זה יהיה לא הולם להשתמש בסרגל 12 אינץ 'עם סימני ס"מ. לכן, על מנת ללמוד קשרים במולקולות, חשוב להשתמש באורך גל של אור התואם את אורך הקשרים האלה. לצילומי רנטגן יש אורכי גל בטווח Å, אשר מתאים באופן מושלם עם מרחקי קשר טיפוסיים (1-3 Å).

תא היחידה:

תארו לעצמכם מנסה לתאר את כל המולקולות על קצה העט. אם מישהו משווה שהוא מורכב מ-6.02 × 10^{23 מולקולות} (או מול אחד), זה נראה כמעט בלתי אפשרי לתאר את העצם הזה ברמה המולקולרית. המורכבות של אובייקט היא פשוטה כאשר הוא קיים כגבישי, שבו התוכן של תא יחידה יכול לשמש לתיאור המבנה כולו. תא היחידה של גביש הוא אמצעי האחסון הנמוך ביותר המכיל יחידה חוזרת של מוצק. היא מוגדרת כ"תיבה" תלת-ממדית עם אורכים a, b ו- c וזוויות α, β ו- γ (איור 1). תא היחידה מאפשר לכימאים לתאר את התוכן של גביש באמצעות שבריר או מספר קטן של אטומים או מולקולות. על ידי חזרה על תא היחידה בחלל, ניתן ליצור ייצוג תלת-ממדי של המוצק.

איור 1. פרמטרי תא יחידה.

התקנה ניסיונית:

לקריסטל יחיד ואבקה XRD יש הגדרות מכשור דומות. עבור XRD בעל גביש יחיד, גביש מותקן ומרוכז בתוך קרן הרנטגן. עבור אבקת XRD, דגימת פוליקריסטלין טחון לאבקה דקה ומורכב על צלחת. המדגם (יחיד או פוליקריסטלין) מוקרן עם צילומי רנטגן וצילומי הרנטגן המפוזרים פוגעים בגלאי. במהלך איסוף הנתונים, המדגם מסובב ביחס למקור הרנטגן והגלאי.

ניסוי חריץ כפול:

זכור שלאור יש תכונות דמויות גל וחלקיקים. כאשר אור מונוכרומטי נכנס לשני חריצים, המאפיין דמוי הגל של האור גורם לאור הנובע באופן כדורי מכל חריץ. כאשר הגלים מתקשרים, הם יכולים להוסיף יחד (אם לגלים יש את אותו אורך גל ושלב) או לבטל זה את זה (אם לגלים יש את אותו אורך גל, אך יש להם שלבים שונים), הנקראים הפרעות קונסטרוקטיביות והרסניות, בהתאמה. תבנית האור המתקבלת עשויה מסדרה של קווים, שבהם אזורי האור מייצגים הפרעה בונה בעוד שהאזורים הכהים הם תוצאה של הפרעה הרסנית.

דפוסי עקיפה אופייניים: גביש יחיד לעומת אבקה:

עם הקרנת גביש על ידי צילומי רנטגן, הקרינה מפוזרת על אינטראקציה עם צפיפות אלקטרונים בתוך הגביש. בדיוק כמו גלי מים בניסוי החריץ הכפול הקלאסי מפיזיקה, צילומי הרנטגן המפוזרים מתקשרים, וכתוצאה מכך הפרעות קונסטרוקטיביות והרסניות. ב- XRD, תבנית עקיפה מייצגת את צפיפות האלקטרונים עקב אטומים וקשרים בתוך הגביש. תבנית עקיפה טיפוסית של גבישי בודד מוצגת ב- (איור 2). שימו לב שתבנית הה עקיפה מורכבת מנקודות במקום מקווים כמו בניסוי החריץ הכפול. למעשה, "כתמים" אלה הם פרוסות דו-ממדיות של ספירות תלת-ממדיות. קריסטלוגרפים משתמשים בתוכנית מחשב כדי לשלב את הנקודות המתקבלות על מנת לקבוע את הצורה והעוצמה של צילומי הרנטגן המפוזרים. בדגימת אבקה, צילומי הרנטגן מתקשרים עם גבישים זעירים רבים באוריינטציות אקראיות. לכן, במקום לראות כתמים, נצפתה תבנית עקיפה מעגלית(איור 3). עוצמות העיגולים המפוזרים משורטטות כנגד הזוויות שבין הטבעת ציר הקרן (מסומן 2θ) כדי לתת חלקה דו ממדית המכונה תבנית אבקה.

כאן, נאסוף נתוני גביש ואבקה XRD יחיד על Mo₂(ArNC(H)NAr)₄ שבו Ar = p-MeOC₆H₅, אשר היה מסונתז במודול "הכנה ואפיון של תרכובת מתכת-מתכת מרובעת מלוכדת."

איור 2. תבנית עקיפה מקריסטל בודדת.

איור 3. אבקת XRD: תבנית עקיפה מעגלית.

איור 4. מבנה גביש יחיד של Mo₂(ArNC(H)NAr)₄ שבו Ar = p-MeOC₆H₅.

איור 5. תבנית אבקת XRD של Mo₂(ArNC(H)NAr)₄ שבו Ar = p-MeOC₆H₅.

בסרטון זה למדנו על ההבדל בין גביש יחיד ואבקה XRD. אספנו נתוני גביש יחיד ואבקה על Mo₂(ArNC(H)NAr)_4,שם Ar = p-MeOC₆H_5.

XRD בעל גביש יחיד הוא טכניקת אפיון רבת עוצמה שיכולה לספק את המבנה המוחלט של מולקולה. בעוד קביעת מבנה היא הסיבה הנפוצה ביותר כימאים להשתמש XRD, יש מגוון של טכניקות רנטגן מיוחדות, כגון פיזור חריג ו photocrystallography, המספקים מידע נוסף על מולקולה.

פיזור חריג יכול להבחין בין אטומים של משקולות מולקולריות דומות. טכניקה זו היא בעלת ערך מיוחד לאפיון מתחמי מתכת הטרופולינוקלאריים (תרכובות שיש בהן יותר מאטום מתכת אחד עם זהויות שונות). פיזור חריג שימש גם בקריסטלוגרפיה של חלבונים כשיטה המסייעת לפתור את השלב של הקרן המפוזרת, החשובה לקביעת המבנה.

פוטוקריסטלוגרפיה כוללת קריסטל יחיד XRD בשילוב פוטוכימיה. על ידי הקרנת מדגם עם אור במצב מוצק, אנו יכולים לצפות בשינויים מבניים קטנים ולנטר שינויים אלה על ידי XRD. דוגמאות לטכניקה זו כוללות התבוננות באיזומריזציה של מולקולה על ידי אור, כמו גם אפיון של מתווכים תגובתיים.

אבקת XRD היא שיטת אפיון לא הרסנית שניתן להשתמש בה כדי לקבל מידע על הגבישיות של מדגם. בנוסף, זוהי טכניקה שימושית לנתח תערובות של חומרים שונים. כאמור, דפוסי אבקה הם כמו טביעות אצבעות: התבנית המתקבלת של תרכובת תלויה באופן שבו האטומים מסודרים בתוך החומר. לכן, ניתן להשוות תבנית אבקה שנקבעה באופן ניסיוני לאוסף של דפוסי עקיפה ידועים של חומרים במרכז הבינלאומי לנתוני עקיפה. זה לא רק מספק מידע על זהות המוצר מבודד, אלא גם מאפשר למדענים להגיב על מספר התרכובות הקיימות במדגם. בעוד שרוב דפוסי ההפרשה המפורטים במאגר הם במשפחה של מוצקים מורחבים כגון מינרלים וזאוליטים, ניתן למצוא דוגמאות של מולקולות אנאורגניות.