Tisztelt Elnök Úr, Tisztelt Osztály, Kedves Vendégeink!

Amikor egy oldószerben sót oldunk a jelenségek egy széles tárát figyelhetjük meg. Megváltoznak az oldószer tulajdonságai és az oldatot jellemzõ új tulajdonságok is megjelennek. A változás megfigyelhetõ mikroszkopikus molekuláris méretekben – megváltozik az oldószer szerkezete – , fellép a szolvatáció jelensége – az oldott anyag koordinálja és orientálja környezetében az oldószer molekulákat –, és megváltozik az oldószer molekulák dinamikája is. De megfigyelhetõ a változás makroszkopikus szinten a termokémiai, vagy transzporttulajdonságok változásában, a többlettulajdonságok megjelenésében is.

A változás oka tudjuk, az oldott anyag molekuláinak kölcsönhatása az oldószer molekulákkal és tömény oldatok esetében saját molekuláival is. Egy folyadék szerkezetét és dinamikáját két hatás, a molekulák kölcsönhatása és a hõmozgás versengése alakítja ki. Az 1.ábrán e két hatás átlagos energiájának hányadosát tüntettem fel logaritmikus skálán különbözõ molekulapárok esetében, egy kivételével szobahõmérsékleten, közelítõleg a párok kontakt távolságának a függvényében. Minél nagyobb ez a hányados egynél, annál nagyobb lokális rendezõdés várható az adott folyadékban. Az ábra felsõ részében ion–víz kölcsönhatások, lejjebb a hidrogénhidas oldószerek, víz, alkoholok, amidok, végül poláros és apoláris folyadékok molekulapárjainak energiaviszonyai láthatóak. Az ábra alapján megérthetõ, hogy folyadékállapotban a molekulák lokális rendezettségének mértéke széles skálán mozoghat kezdve a molekulák alakja, a taszítóerõk által meghatározott véletlenszerû illeszkedéstõl, egészen az erõs vonzó kölcsönhatások hatására létrejövõ hosszú élettartamú, együttmozgó molekulahalmazokig, asszociátumokig.

Az oldódáskor fellépõ jelenségekkel és azok molekuláris értelmezésével foglalkozó tudományterület az oldatkémia. Ez az a tudományterület, amelynek kérdései az elmúlt több mint negyedszázad alatt foglalkoztattak. Ez alatt az idõ alatt számos oldószer és oldat szerkezetét tanulmányoztuk munkatársaimmal kísérleti úton és modelleztük szerkezetét és dinamikáját elméleti úton. A pályám kezdetétõl fogva izgattak az oldatkémia olyan fundamentális fogalmai, mint a hidrogénhidas oldószerek és elegyek szerkezete, az ionhidraratáció és szolvatáció, az ionok szerkezetépítõ és romboló hatása és a hidrofób hidratáció.

2. ábra

A molekuláris oldatkémia az oldatok szerkezetét, dinamikáját és makroszkopikus tulajdonságait a molekulák kölcsönhatása alapján vezeti le (2.ábra). A kölcsönhatásokat a kvantumkémiai módszerekkel számíthatjuk, kísérleti evidenciákkal a molekulaütköztetési kísérletek szolgálhatnak, mind a szerkezet, mind a dinamika az anyag és sugárzás kölcsönhatásának analízisével tanulmányozható.  

Az oldatok szerkezetérõl a diffrakciós kísérletekbõl nyerhetünk információt, a molekulák mozgásformáiról, korlátozott transzlációs és rotációs szabadsági fokukról, az intermolekuláris kölcsönhatások miatt perturbált rezgéseikrõl, a mozgásformák karakterisztikus idejéirõl a különbözõ spektroszkópiai módszerek, az optikai, az NMR, az ultrahang és dielektromos spektroszkópia szolgáltat kísérleti adatokat. A makroszkopikus tulajdonságokról termokémiai, transzport és elektromos mérésekkel szerezhetünk információt.

A molekuláris szinten a molekulák kölcsönhatási energiái a centrális mennyiségek. A folyadékok szerkezete valószínûségsûrûség függvényekkel, páreloszlás függvényekkel jellemezhetõ; egy páreloszlás függvény, g(r) annak a valószínûségével arányos, hogy egy kiválasztott részecskétõl adott távolságban találunk egy másikat. A molekulák mozgása idõkorrelációs függvényekkel irható le. A kölcsönhatás–szerkezet–dinamika kapcsolatok felderítésének a módszere a modellezés.  

A hatvanas években folyadékdiffrakciós vizsgálatok csak néhány kutatócsoportban, az Egyesült Államokban, Olaszországban, Angliában, Hollandiában és Ukrajnában folytak. Számos metodikai kérdés megoldása állt elõttünk a munkánk kezdetén. A folyadék röntgendiffrakciós kísérleti technika Lengyel Sándorral és Hajdú Ferenccel történt meghonosítása után atomok, ionok koherens és Compton-szórási függvényeit kellett kiszámítanunk, kísérleti korrekciós függvényeket kellett kidolgoznunk, pontosítani kellett a folyadékok szerkezetét jellemzõ páreloszlás függvények és a röntgendiffrakciós kísérleti szórásfüggvények kapcsolatát megadó elméletet is. Az utóbbi feladatok valamivel késõbb megismétlõdtek a folyadék elektrondiffrakció esetében is, amelynek kísérleti megoldását intézetünkben Kálmán Erika és munkatársai valósították meg a világon egyedülállóan 1973–1975 közötti években.

3. ábra

A 3.ábrán az anyag és sugárzás kölcsönhatásakor fellépõ jelenségeket láthatjuk. Ha k₀ hullámvektorú és w₀ energiájú monokromatikus sugárzással bombázzuk az anyagot, akkor a kölcsönhatás következtében rugalmas és rugalmatlan folyamatok is lejátszódnak. Fellép az abszorpció és szórás jelensége is. A jelenségeket a folyadék molekuláinak energiaállapotai és molekuláinak tér- és idõfüggõ páreloszlás függvényei határozzák meg. A G(r,t) u.n. van Hoff korrelációs függvény statisztikus rendszerek esetében olyan centrális jelentõségû, mint a kvantumrendszerek esetében a hullámfüggvény. A rugalmas szórás a szerkezet jellemzõitõl függ, a rugalmatlan szórást vagy abszorpciót a rendszer dinamikája határozza meg. Mind a diffrakciós jelenségeket, mind a spektroszkópia jelenségeket a G(r,t) korrelációs függvény Fourier-transzformáltja, a rendszer dinamikus formfaktora határozza meg.

A különbözõ sugárzásokat megkülönbözteti terjedési sebességük és energiacseréjük is az anyag molekuláival (4.ábra). A röntgenfotonok és elektronok egy 0.3 nm-es tartományon a molekulák vibrációs karakterisztikus idejénél nagyságrendekkel rövidebb idõ alatt haladnak át és energiájuk jóval nagyobb a rendszer energiaátmeneteinél. Ezért ezek a sugárzások a vizsgált rendszert merev, statikus állapotban észlelik, ellentétben a neutronsugárzással, amely a rendszer távolság- és energiaspektrumát is méri. Ezen alapszik a korszerû neutronspektroszkópia, amellyel ma már a molekulák vibrációs rezgései is tanulmányozhatók kondenzált fázisban.

A fentiek alapján a röntgen- és elektronszórás a folyadékok szerkezetére jellemzõ statikus strukturfaktort méri, és a korábban említett páreloszlás függvények meghatározására alkalmas. Természetesen ha a rendszer több komponensû, mint molekuláris oldószerek és oldatok esetében, akkor a strukturfaktor a különbözõ párkölcsönhatások súlyozott összegét méri, amelyben a súlyokat az atomi szóráscentrumok szórási amplitúdóinak szorzatai képezik. Meg kell jegyezni, hogy az összeg felbontása általában nehézséget jelent a folyadékdiffrakciós adatok interpretálásában.

A modellezés megszokott volt pályám elején is. A modelleket számosságuk mellett az jellemezte, hogy a jelenségeknek csak egy szûk körét írták le. Léteztek kölcsönhatáhatási modellek, szerkezeti modellek, a molekulák mozgás állapotát folyadékfázisban leíró dinamikus modellek. Ezek a modellek egymástól elkülönültek, nem képeztek egységes egészet, a jelenségeknek csak egy szûk körét tudták magyarázni.

Ebben az idõben uralkodó volt az az elképzelés, amely azt a tételt, hogy a folyadékok szerkezetét rövidtávú rendedezettség és hosszú távú rendezetlenség jellemzi, úgy értelmezte, hogy a folyadékok molekulái 10–100 molekula-átmérõjû kissé relaxált rácsszerkezettel rendelkezõ rendezett halmazokba, klaszterokba szervezõdnek. A hosszú távú rendezetlenséget a halmazok felületén elhelyezkedõ és a halmazok közötti monomer molekulák jelenlétével magyarázták. A folyadékok diffrakciós gyûrûinek diffúz jellege magyarázható volt a szerkezet mikrokristályos jellegével.

Következô rész
Vissza a tartalomjegyzékhez