CHÉMIA VYSOKÝCH ENERGIÍ

sylaby šk. r. 2010/2011

(Letný semester, prednášky 2 h/týždenne, 3 kredity)

Katedra jadrovej chémie, Prírodovedecká fakulta, Univerzita Komenského v Bratislave

(lektor: Doc. RNDr. Jozef Kuruc, CSc.)

I. - FOTOCHÉMIA

Úvod do chémie vysokých energií: charakteristiky a zvláštnosti radiačnej chémie, fotochémie, plazmochémie a sonochémie, kvantovo-zväzkové inžinierstvo.

Úvod do fotochémie: Vývoj fotochémie. Podstata fotochemických dejov.

Svetlo a jeho interakcia s hmotou: Svetlo a jeho vlastnosti. Interakcia svetelného žiarenia s hmotou. Fotochemické zákony (Grottgusov-Dreperov zákon, Einsteinov zákon, Kashove zákony, Lambert-Beerov zákon).

Príroda a vlastnosti elektrónovo-excitovaných stavov: Elektrónové prechody, princíp Franka-Condona, singletové a tripletové stavy. Vznik a deaktivácia excitovaných stavov. Fluorescencia a fosforescencia. Jablonskiho diagram. Kvantové výťažky. Sensibilizácia a zhášanie. Stern-Volmerova závislosť. Zabrzdená flourescencia: tripletovo-tripletová anihilácia a termicky aktivovaná zabrzdená fluorescencia. Rezonančná fluorescencia. Exciméry a exciplexy. Hyperplochy.

Experimentálne metódy vo fotochémii: Zdroje svetla. Podmienky na výber svetla. Lampy s výbojom v plyne. Impulzné lampy. Lasery. Získanie monochromatického svetla (monochromátory). Konštrukčné materiály pre fotochemické prístroje. Chemické aktinometre. Aparatúry pre fotochemické reakcie. Kontrola stupňa konverzie.

Fotochemické reakcie: Klasifiká cia fotochemických reakcií. Reakcie excitovaných stavov, adiabacita fotochemických procesov. Vlastnosti excitovaných stavov (geometria excitovaných molekúl, acido-bázicke vlastnosti, dipólovö momenty). Fotodisociácia. Fotoadície (typu p+s, p+p). Fotoizomerizácia a fotoprešmyky (cis-trans fotoizomerizácia, sensibilizovaná fotoizomerizácia, valentné izomerizácie, fototautoméria a prešmyky). Fotosubstitúcie. Fotoindukovaná radikálová substitúcia v alifatickom rade. Fotosubstitúcia aromatických zlúčenín. Radikálová fotosubstitúcia v aromatickom rade. Heterolytická fotosubstitúcia v aromatickom rade (nukleofilná a elektrofilná). Nukleofilná fotosubstitúcia v bočnom reťazci. Fotosubstitúcie v komplexných zlúčeninách kovov. Fotochemické oxidačno-redukčné reakcie. Fotoredukcia (karbonylových zlúčenín a nitrozlúčenín). Fotooxidácia. 

Dvoj- a multikvantová fotochémia

Dvojkvantová fotochémia: fotofyzikálne procesy, dvojkvantov‚ fotoreakcie (2-kvantové fotoionizácia, 2-kvantová fotodisociacia, 2-kvantová heterogénna fotodisociácia, 2-kvantová fotoeliminácia).

Multikvantová (infračervená) fotochémia: Fotofyzikálne procesy multikvantových fotoreakcií. Klasifikácia chemických reakcií indukovaných laserami (sensibilizované, špecifické, monomolekulové rozklady, špecifické reakcie komponenty a reaktantu v zmesi, reakcie aktivovaného molekulového centra - laserová separácia izotopov (AVLIS), špeciálne multikvantové fotoreakcie). 

Luminiscenčné javy (chemoluminiscencia, termoluminiscencia, sonoluminiscencia, bioluminiscencia, lyoluminiscencia, triboluminiscencia, presoluminiscencia, mechanoluminiscencia, elektroluminiscencia, rádioluminiscencia, katódoluminiscencia, röntgenoluminiscencia). Fotoelektrický jav.  

Praktický význam a využitie fotochémie a Fotobiológia  Akumulácia slnečnej energie chemickými spôsobmi. Fotokatalytická oxidácia a štiepenie vody. Fotochemické reakcie v atmosfére, ozónové diery a fotochemicý smog. Fotochrómia. Optické odfarbovače a zjasňovače. Fotoreakcie v polyméroch, fotosubstitúcia a fotodeštrukcia. Fotopolymerizácia. Priemyselné využitie fotochemickej syntézy. Záznam informácie fotochemickými metódami. Nestrieborné procesy registrácie informácie. Využitie fotochemických princípov v jadrovej chémii a analytickej chémii.  
Fotobiológia a Fototerapia:
Fotochemické základy zraku. Základy teórie farebnosti (citlivosť oka, doplnkové farby). Fotosyntéza. Fototerapia.

Fotoelektrónová spektroskopia: UPS a XPS spektroskopia (ionizačný potenciál, schéma experimentu a spojitosť s teóriou, základné javy vo fotoelektrónových spektrách), ESCA. Laserová rezonančná fotolelektrónová spektroskopia molekúl. Princíp a využitie.

II. PLAZMOCHÉMIA

Základné pojmy o plazme: Kinetika‚ zvláštnosti plazmochemických procesov. Mechanizmy plazmochemických reakcií: Rotačná excitácia molekúl. Vibračná excitácia molekúl. Elektrónová excitácia molekúl. Disociácia elektrónovo-excitovaných molekúl. Disociatívny záchyt elektrónov molekulami. Stupňovitá disociácia molekúl excitovaných elektrónovým úderom (disociácia zo základného elektrónového stavu, disociácia z elektrónovoexcitovaných stavov). Rekombinácia ťažkých nenabitých častíc so vznikom molekúl. Disociatívna rekombinácia molekulových úderov s elektrónmi. Rozklad uhľovodíkov v nerovnovážnej plazme.

Diagnostika nízkotepelnej plazmy: Bezkontaktné (spektrálne) metódy. Zistenie tvaru distribúcie energie v plazme. Teplota voľných elektrónov plazmy.

Plazmochemické technológie: Generátory nízkotepelnej plazmy. Plazmochemické reaktory. Reaktor pre plynnú fázu. Modelovanie plazmochemického reaktora. Reaktory pre heterofázové procesy. Konštrukcie plazmochemických reaktorov. "Otužovanie" produktov plazmochemických procesov. Chemicky indukovaná plazma, CIP-MS.

III. SONOCHÉMIA

Fyzikálne aspekty pôsobenia ultrazvukových vĺn: Všeobecné princípy (zvukom indukované vibrácie, zoslabenie zvuku v kvapalnom prostredí, vznik kavitačných bublín, parametre efektívnej kavitácie, dynamika kavitačných bublín). Relaxačné javy. Kinetika sonochemických procesov. Sonoluminiscencia. Polyméry (degradácia polymérov, polymerizácie).

Syntetické aspekty sonochémie: (4 typy reakcií: reakcie na povrchoch kovov, reakcie na povrchoch práškov alebo iných zvláštnych foriem hmoty, emulzné reakcie, homogénne reakcie). Syntetické aplikácie ultrazvuku. Organokovové zlúčeniny. Reakcie výmeny ligandov. Reaktívne kovové prášky a katalýza. Ultrazvuk v organickej syntéze (reakcie karbonylových zlúčenín, reakcie C-C násobných väzieb, kopulačné‚ reakcie, dehalogenácie, substitúcie, kondenzácie, hydrolýza, oxidácie, izotopové značenie). Fotosonifikácia - vplyv ultrazvuku na priebeh fotochemických reakcií.

IV. Radiačná chémia

(I. ročník magisterské štúdium, zimný semester)
Predmet Radiačná chémia, ako súčasť vedných disciplín nazvaných Chémia vysokých energií, sa na Katedre jadrovej chémie Prírodovedeckej fakulty Univerzity Komenského prednáša samostatne, čo je podmienené historickým vývojom katedry.

Odporučená literatúra:

1.     Lapčík Ľ., Pelikán P. Čeppan M. Fotochemické procesy. Alfa, Bratislava, 1989.

2.     Sýkora J., Šíma J. Fotochémia kordinačných zlúčenín. Veda, Bratislava, 1986.

3.   Sýkora J., Šíma J. Photochemistry of Coordination Compound. Elsevier-Veda, Amsterdam-Oxford-New York-London - Bratislava, 1990. In: Coordination Chemistry Reviews, Lever A. B. P. (Editor), Vol. 107 (1990). ISBN 80-224-0087-4.

4.   Balzani V., Scandola F. Supramolecular Photochemistry. Ellis Horwood, 1991. ISBN 0-13-877531-1

5.  Hoorspool W. M., Song P.-S. CRC Handbook of Organic Photochemistry and Photobiology. CRC Press, Boca Raton, 19995. ISBN 0-8493-8634-9.

6.  Šima J., Čeppan M., Jančovičová V., Prousek J., Velič D. Fotochémia. Pricípy a aplikácie. Bratislava, Vydavateľstvo STU, 2011.

6.     Bugaenko L.T., Kuz'min M.G., Polak L.S. Chimija vysokich energij. Chimija, Moskva, 1988. (CH-UK 2130); Bugaenko L.T., Kuzmin M.G. a Polak L.S., High-Energy Chemistry, Ellis Horwood, New York - London - Toronto - Sydney - Tokyo - Singapore, 1992. ISBN-10: 0133886468.

7.     Chen F.F., Chang J.P.: Lecture notes on principles of plasma processing. Springer, 2003. ISBN 978-0306474972. 208 p.

8.     Toma Š, Kaliská V. Využitie ultrazvuku v organickej syntéze. Chem. Listy, 79, 578-600 (1985).

9.     Mason T., Lorimer J.P. Sonochemistry: Theory, Applications and Uses of Ultrasound in Chemistry. Ellis Horwood, Chichester, 1988. (UK 31D 341)

10.  Mason T. Practical Sonochemistry: User's Guide to Applications in Chemistry and Chemical Engineering. Ellis Horwood, New York, 1991.

11. Manahan, Stanley E. Environmental Chemistry, 9th edition, CRC Press, Taylor & Francis Group, Boca Raton, 2010. ISBN 978-1-4200-5920-5.

  domov