왜 엑스레이?:

거리를 측정할 때 측정되는 개체의 배율에 있는 측정 단위를 선택하는 것이 중요합니다. 예를 들어 연필의 길이를 측정하려면 발 그라데이션만 있는 야드 스틱을 사용하고 싶지 않습니다. 마찬가지로, 자동차의 길이를 측정하려는 경우 cm 마크가있는 12 인치 눈금자를 사용하는 것은 부적절할 것입니다. 따라서 분자에서 결합을 연구하기 위해서는 그 결합의 길이와 일치하는 빛의 파장을 사용하는 것이 중요합니다. X선은 일반적인 본드 거리(1-3 Å)와 완벽하게 일치하는 Å 범위에 파장을 가지고 있습니다.

단위 셀:

펜 끝에 있는 모든 분자를 설명하려고 한다고 상상해 보십시오. 1개의 근사치가 6.02 × 10²³ 분자 (또는 1 두더지)로 구성된다는 것을 근사치하는 경우에, 분자 수준에 그 객체를 설명하는 것은 거의 불가능해 보일 것입니다. 개체의 복잡성은 결정으로서 존재할 때 단순화되며, 여기서 단위 셀의 내용체를 사용하여 전체 구조를 설명할 수 있습니다. 결정의 단위 셀은 고체의 반복 단위를 포함하는 최소 부피이다. 길이 a, b, c, 각도α, β 및γ(그림 1)을가진 3D "상자"로 정의됩니다. 단위 세포는 화학자가 원자 또는 분자의 작은 수 의 분수 또는 소수의 를 사용하여 결정의 내용을 설명 할 수 있습니다. 공간에서 단위 셀을 반복함으로써 솔리드의 3D 표현을 생성할 수 있습니다.

그림 1. 단위 셀 매개 변수.

실험 설정:

단결정 및 분말 XRD는 유사한 계측 설정을 가지고 있습니다. 단결정 XRD의 경우, 결정이 X선 빔 내에 장착되고 중심이 됩니다. 분말 XRD의 경우 다결정 시료가 미세 분말로 분쇄되어 플레이트에 장착됩니다. 시료(단일 또는 다결정)는 엑스레이로 조사되고 확산된 X선은 검출기에 부딪혔다. 데이터 수집 중에 X선 소스 및 검출기에 대해 샘플이 회전됩니다.

이중 슬릿 실험:

빛은 파도와 입자와 같은 특성을 모두 가지고 있음을 기억하십시오. 단색 빛이 두 개의 슬릿에 들어가면 파도와 같은 빛의 특성으로 인해 각 슬릿에서 구형 방식으로 빛이 발산됩니다. 파도가 상호 작용할 때, 그들은 함께 추가 할 수 있습니다 (파도가 동일한 파장과 위상을 가지고 있는 경우) 서로를 취소 (파도가 동일한 파장을 가지고 있지만, 다른 단계가있는 경우), 이는 각각 건설적이고 파괴적인 간섭이라고합니다. 그 결과 라이트 패턴은 일련의 라인으로 만들어지며, 어두운 영역은 파괴적인 간섭의 결과인 동안 조명 영역이 건설적인 간섭을 나타냅니다.

일반적인 회절 패턴: 단일 결정 대 분말:

X 선에 의한 결정의 조사 시, 방사선은 결정 내의 전자 밀도와의 상호 작용에 따라 확산됩니다. 물리학의 고전적인 이중 슬릿 실험에서 물파와 마찬가지로, 확산 된 X 선은 상호 작용하여 건설적이고 파괴적인 간섭을 초래합니다. XRD에서, 회절 패턴은 결정 내의 원자 및 결합으로 인한 전자 밀도를 나타낸다. 단일 결정에 대한 전형적인 회절 패턴이도시된다(도 2). 회절 패턴은 이중 슬릿 실험과 같은 선 대신 반점으로 구성됩니다. 실제로 이러한 "반점"은 3차원 구체의 2D 조각입니다. 결정화 는 분산 된 X 선의 모양과 강도를 결정하기 위해 결과 반점을 통합하기 위해 컴퓨터 프로그램을 사용합니다. 분말 샘플에서 X선은 임의 방향으로 많은 작은 결정과 상호 작용합니다. 따라서 반점을 보는 대신 원형 회절 패턴이 관찰됩니다(도3). 그런 다음 확산 원의 강도는 빔 축(2θ으로 표시)의 링 사이의 각도에 대해 플롯되어 분말 패턴으로 알려진 2차원 플롯을 제공합니다.

여기서, 우리는 모듈 "제곱 금속 - 금속 본딩 화합물의 준비 및 특성화"에서합성된 모₂(ArNC (H)NAr)_4에 단일 결정 및 분말 XRD 데이터를 수집합니다.

그림 2. 단일 결정 회절 패턴.

그림 3. 분말 XRD: 원형 회절 패턴.

그림 4. 모₂(ArNC (H)NAr)_4의 단결정 구조는 Ar = p-MeOC₆H_5.

그림 5. 모₂(ArNC (H)NAr)_4의 분말 XRD 패턴은 Ar = p-MeOC₆H_5.

이 비디오에서는 단결정과 파우더 XRD의 차이점에 대해 배웠습니다. 우리는 Mo₂(ArNC (H)NAr)_4,Ar = p -MeOC₆H_5에대한 단일 결정 및 분말 데이터를 모두 수집했습니다.

단결정 XRD는 분자의 절대 구조를 제공할 수 있는 강력한 특성화 기술이다. 구조 결정은 화학자XRD를 사용하는 가장 일반적인 이유이지만, 분자에 대한 자세한 정보를 제공하는 비정상적인 산란 및 광결정과 같은 다양한 특수 X선 기술이 있습니다.

비정상적인 산란은 유사한 분자량의 원자를 구별할 수 있습니다. 이 기술은 이성핵 금속 복합체(서로 다른 정체성을 가진 하나 이상의 금속 원자가 있는 화합물)의 특성화에 특히 유용합니다. 비정상적인 산란은 또한 구조 결정에 중요한 확산 빔의 위상을 해결하는 데 도움이되는 방법으로 단백질 결정학에 사용되었습니다.

광결정학은 광화학에 결합된 단결정 XRD를 포함합니다. 솔리드 상태에서 빛이 있는 샘플을 조사함으로써 작은 구조적 변화를 관찰하고 XRD에 의한 이러한 변화를 모니터링할 수 있습니다. 이 기술의 예로는 반응성 중간제의 특성화뿐만 아니라 빛에 의한 분자의 이소성화를 관찰하는 것이 포함됩니다.

분말 XRD는 시료의 결정성에 대한 정보를 얻기 위해 사용될 수 있는 비파괴 특성화 방법입니다. 또한, 상이한 재료의 혼합물을 분석하는 것이 유용한 기술이다. 앞서 언급했듯이 분말 패턴은 지문과 같습니다: 화합물의 결과 패턴은 원자가 재료 내에서 배열되는 방식에 따라 달라집니다. 따라서 실험적으로 결정된 분말 패턴은 국제 회절 데이터 센터에서 알려진 회절 패턴의 컬렉션과 비교할 수 있습니다. 이것은 고립 된 제품의 정체성에 대한 정보를 제공 할뿐만 아니라 과학자들이 샘플에 존재하는 화합물의 수에 대해 언급 할 수 있습니다. 데이터베이스에 나열된 회절 패턴의 대부분은 미네랄과 제올라이트와 같은 확장 된 고체의 가족에 있지만 무기 분자의 예는 발견 될 수 있습니다.