ВсОШ 2026, 9–11 классы, №ФХ-4

Спиновая мультивселенная

Одним из законов, определяющих поведение молекул на микроскопическом уровне, является правило сохранения спина: протекание химической реакции возможно только при условии сохранения электронного спина системы – суммы проекций спинов (+½ и −½) отдельных электронов, взятой по модулю. Правило хорошо работает для быстрых процессов, к примеру, связанных с рекомбинацией радикалов или поглощением фотона. Со спином также связано понятие мультиплетности состояния =+. Значению = соответствует синглетное состояние (=), значению – дублетное (=), значению = – триплетное ( =) и т. д. Одна и та же молекула может существовать в различных спиновых состояниях.

Вопрос . Используя фрагменты диаграмм молекулярных орбиталей кислорода (Е – энергия), приведенные ниже, определите мультиплетность каждого из состояний А – В. Изобразите распределение электронов для основного состояния молекулы кислорода (минимум энергии). Все неуказанные на диаграмме электроны спарены.

Войдите, чтобы проверять ответы

Диаграммы молекулярных орбиталей кислорода: состояния А, Б, В и шкалы энергии

Применение правила сохранения спина для реакций можно проиллюстрировать на примере взаимодействия радикалов · и ·. При их встрече образуется контактная радикальная пара · … ·], которая имеет два неспаренных электрона. В зависимости от направления спина этих электронов радикальная пара находится либо в синглетном ( ↑↓), либо в триплетном ( ↑↑) состоянии. Синглетная радикальная пара может превратиться только в синглетный продукт (метанол), а триплетная превращается в триплетный карбен.

Превращения синглетной и триплетной контактной радикальной пары

Реакции, протекающие в соответствии с правилом сохранения спина, называют «разрешенными» по спину.

Вопрос . Для каждой приведенной ниже реакции ( шт) предскажите, может ли она быть разрешенной по спину. Если для частицы не указана мультиплетность – считайте, что она находится в основном состоянии. Кратко поясните.

а) ; б) ; в) ;

г) Реакция г: синглетный карбен

д) Реакция д: триплетный карбен

Войдите, чтобы проверять ответы

Вопрос . Энергия триплетного состояния молекулы кислорода на эВ ниже, чем энергия синглетного. Учитывая только эти два состояния, рассчитайте равновесную долю молекул кислорода, находящихся при комнатной температуре в синглетном состоянии.

Доля синглетного кислорода (не в процентах).

Войдите, чтобы проверять ответы

Указание: при установлении теплового равновесия количество молекул, соответствующих -му состоянию, определяется распределением Больцмана:

где Mi− мультиплетность -го состояния, Ei – его энергия (Дж), kB – постоянная Больцмана, – температура . Один из интересных эффектов, проиллюстрированный на схеме ниже для дибензилкетона (ДБК), связан с превращением радикальных пар в конденсированной среде. При облучении ДБК происходит разрыв С –С связи с образованием триплетной радикальной пары. Образовавшаяс я пара некоторое время находится на близком расстоянии, поскольку окружающие молекулы растворителя, связанные силами межмолекулярного взаимодействия, не дают радикалам выйти в объем. Этого времени может быть достаточно для рекомбинации радикалов или иных быстрых процессов. Данное явление получило название эффект клетки . Превращение триплетной пары в синглетную теоретически запрещено по спину, поэтому является достаточно медленным процессом, в отличие от мгновенной рекомбинации радикалов в синглетном состоянии. Для описания степени превращения радикальной пары по триплетному или синглетному механизму используются вероятности и , лежащие в диапазоне от до . задает вероятность превращения триплетной радикальной пары, образовавшейся непосредственно после поглощения фотона (далее – первичная радикальная пара), в синглетную (см. схему); задает вероятность триплет-синглетного превращения радикальной пары, образовавшейся после отщепления (вторичная радикальная пара). и – эффективные константы скорости превращения первичной и вторичной радикальной пары соответственно. Бензильные радикалы, вышедшие из клетки, ловятся избытком хлорида меди( , подавляющего все иные пути гибели радикалов в объеме.

Полная схема фотолиза ДБК: клетка, p1, p2, k1, k2 и продукты

Вопрос . Схематически изобразите на графике, как клеточный эффект (доля радикалов, прореагировавших в рамках клетки) будет зависеть от температуры.

Ответ приведите в полном решении в конце задачи.

Вопрос . Для эксперимента использовали мМ водный раствор ДБК объемом мл, фотолиз проводили с помощью лазера с длиной волны нм. Используя приведенные в таблице данные, определите вероятности и . Квантовый выход образования первичной радикальной пары равен % по отношению к числу поглощенных фотонов.

Поглощенная энергия, Дж
(BnCl), мМ
(BnBn), мМ

Вероятность триплет-синглетного превращения первичной радикальной пары (от до ).

Войдите, чтобы проверять ответы

Вероятность триплет-синглетного превращения вторичной радикальной пары (от до ).

Войдите, чтобы проверять ответы

Вопрос . Какие продукты и в каком соотношении можно ожидать при длительном облучении несимметричного кетона метилДБК при низкой и высокой температуре в отсутствие хлорида меди( ? Считайте, что наличие метильной группы не влияет на значение констант скорости реакций.

Ответ приведите в полном решении в конце задачи.

Наличие магнитных ядер (например, может значительно ускорять превращение триплетной радикальной пары в синглетную, что можно использовать для изотопного фракционирования. Так для ДБК, замещенного при карбонильном атоме на изотоп , значение составляет примерно .

Вопрос . Оцените долю при карбонильном атоме углерода в ДБК после превращения ДБК в продукты на %. Считайте, что значение не зависит от изотопа, а исходная смесь на % состоит из и на % из , присутствие изотопов при других атомах углерода не учитывайте.

Доля , %.

Войдите, чтобы проверять ответы

Структура несимметричного метилДБК

Справочная информация:

Энергия кванта света:

Кинетика реакции первого порядка: Постоянная Планка =· Дж·с Скорость света =· м/с Постоянная Авогадро =·

Константа Больцмана =· Дж/К
эВ=· Дж

Полное решение задачи.

Введите решение текстом и/или прикрепите фото или PDF.

Фото или PDF, до 20 МБ на файл, до 10 файлов. Ответ проверят вручную.
Войдите, чтобы проверять ответы
Ответ

Решение

. Для начала необходимо определить суммарный спин каждого из состояний (с учетом проекций), после чего рассчитать мультиплетность по формуле + . Спаренные электроны в расчете можно автоматически не учитывать, поскольку их суммарный вклад в спин равен .

Спины и мультиплетности состояний А, Б и В

Для изображения основного состояния необходимо придерживаться правил минимума энергии – электроны должны лежать как можно ниже на орбиталях , а в спорных ситуациях выбирается состояние с максимальным спином (правило Хунда), имеющее наибольшую обменную энергию. Данным условиям удовлетворяет распределение электронов, изображенное справа.

Распределение электронов в основном состоянии O2

. Общий способ поиска ответа на вопрос «разрешена или запрещена реакция» представлен в условии на примере взаимодействия · и · : необходимо рассмотреть не изолированные спиновые состояния взаимодействующих молекул, а общее состояние в момент взаимодействия – в так называемой контактной радикальной паре. Если в рамках этой пары мы можем согласовать спины реагентов и продуктов, то реакция является разрешенной. +≡[↑↑+↑↓]; +≡[↑↓+↑↓] Все электроны ксенона спарены, то есть он свое состояние не меняет, поэтому мультиплетность кислорода за время протекания реакции тоже не должна поменяться. Реакция запрещена.

≡[↑↓] +≡[↑↓+↑↑] В молекуле все электроны спарены (синглетное состояние). В основном состоянии атома кислорода два электрона на орбитали не спарены и имеют одинаковые проекции (по правилу Хунда) – триплетное состояние; наличие азота на триплетное состояние не влияет. Реакция запрещена. · ≡[↑+ ↓]; ≡[↑↓] У этана все электроны спарены; если мы возьмем спины метильных радикалов с противоположными проекциями, то они так же будут давать синглетное состояние. Реакция разрешена.

В продукте все электроны спарены, состояние синглетное. В обоих реагентах все электроны так же спарены, поэтому состояние тоже синглетное. Реакция разрешена и идет именно с синглетным карбеном.

Разрешённая реакция синглетного карбена

В продукте все электроны спарены, состояние синглетное. Реагент состоит из комбинации синглетного и триплетного реагента [↑↓+↑↑], которые не могут дать синглетного состояния. Реакция запрещена.

Запрещённая по спину реакция триплетного карбена

. Доля синглетного кислорода по определению рассчитывается как отношение количества атомов синглетного кислорода к количеству всех молекул кислорода (синглетных и триплетных NT):

. При высокой температуре молекулы растворителя являются достаточно подвижными, поэтому «клетка» быстро разрушается, то есть образующиеся радикалы будут быстро расходится в разные стороны, «расталкивая» молекулы растворителя. Клеточный эффект при этом будет стремит ься к нулю. При очень низкой температуре, наоборот, растворитель (матрица) будет находиться в твердом состоянии и тепловой энергии будет недостаточно, чтобы «разрушить» клетку, поэтому радикалы будут по большей степени превращаться в рамках клетки. То есть, клеточный эффект при низких температурах будет стремиться к единице. Падение клеточного эффекта при увеличении температуры в первом приближении можно считать монотонным. Теоретическая кривая, являющаяся ответом на данный вопрос, приведена на картинке ниже сплошной черной линией, нанесенные точки – результаты экспериментов в разных условиях.

Клеточный эффект в зависимости от температуры: теоретическая кривая и экспериментальные точки

. Поглощенная энергия, а точнее количество поглощенных фотонов, позволяет оценить количество первичных триплетных радикальных пар, которые получаются при облучении. Далее они может превратиться по трем параллельным путям – вернуться в ДБК, потерять и димеризоваться (до BnBn) либо потерять и выйти из клетки, окисляясь до BnCl. Можно считать все синглетные и триплетные радикальные пары достаточно реакционноспособными, а значит к ним можно применить квазистационарное приближение. Тогда на любом этапе реакц ии соотношение продуктов будет просто равно соотношению соответствующих констант скорости, поскольку все ключевые реакции являются мономолекулярными.

Первая развилка радикальных превращений

Первая развилка:

Вторая развилка радикальных превращений

Вторая развилка:

Это предположение необходимо проверить. Вторая часть проверяется напрямую с помощью данных в таблице при разном количестве поглощенных фотонов:

(BnCl), мМ
(BnBn), мМ
Отношение BnCl:BnBn

Отношение сходится, значит, предположение (по крайней мере, для превращения вторичной триплетной радикальной пары) верное. Усреднение отношения дает , и тогда:

Для проверки первой развилки необходимо найти количество образующихся первичных триплетных радикальных пар. Зная энергию одного фотона

и суммарное количество поглощенной энергии, можно найти количество молей образующихся триплетных радикальных пар с учетом квантового выхода:

Разделив на объем раствора ( л) и переведя концентрацию в мМ, запишем в таблицу:

Поглощенная энергия, Дж
(BnCO↑↑Bn), мМ
(BnBn+BnCl), мМ

Предположение о параллельных путях для первой развилки также хорошо работает. Полученное отношение, в свою очередь, можно связать с :

. Ответ на этот пункт напрямую связан с пунктом – при низкой температуре в пределе можно считать, что все реакции протекают в «клетке», в то время как при высокой температуре все радикалы быстро выходят в раствор и перемешиваются. При длительном облучении можно считать, что все молекулы метил -ДБК превратились в продукты. При низкой температуре образовавшиеся в рамках клетки Bn·(А) и (-)Bn рекомбинируют, давая несимметричный продукт AB и только его. При высокой температуре в растворе возникают равные концентрации частиц А и В, при этом возможны как симметричные, так и несимметричные продукты. Поскольку наличие метильной группы не влияет на константу скорости взаимодействия радикалов, будет образовываться просто статистическая смесь с соотношением AA∶AB∶=∶∶. Откуда взялась ? С точки зрения статистики возможны набора взаимодействующих частиц ( AA, AB, BA, с одинаковыми константами скорости образования, пары AB и BA приводят к одному и тому же продукту.
Структуры продуктов AA, AB и BB

. Изотопное обогащение происходит на стадии разложения триплетной радикальной пары [BnCO↑ ↑Bn], дальнейшие превращения необратимы. Схематически процесс превращения радикальной пары в продукты можно описать следующей схемой:

Разложение ДБК с разными изотопами протекает неравномерно, поэтому необходим учет интегральных уравнений распада, которые по схеме описываются кинетикой реакции -ого порядка. Зависимость относительно содержания изотопов от времени:

Конверсия % будет соответствовать следующему моменту времени:

Приближенное решение дает величину примерно равной

. Поскольку функция монотонно падает с уменьшением , подобрать не составляет большой проблемы даже без прямой подстановки уравнения в калькулятор. Соотношение изотопов в этот момент времени составит

Доля атомов в таком случае получается %. Для более точного расчета необходимо учитывать, что атомы находятся в том числе в альфа-положении по отношению к карбонильной группе и также могут влиять на скорость превращения триплетной радикальной пары в синглетную.

1

Определение мультиплетности ( значения) – балла. Названия мультиплетов приводить не обязательно. Изображение распределения для основного состояния – балла

2
2

Вывод для реакции ( штук) – балл. Неточное объяснение с правильным ответом – балла. Отсутствие объяснения – баллов

5
3

Расчет доли синглетных молекул – балла

3
4

Правильное поведение графика при высоких и низких температурах – по балла. Общий вид графика (поведение в центре, оформление) – балл

2
5

Применение подхода для параллельных реакций одинакового порядка – балла. Расчет – балла. Расчет – балла

6
6

Состав продуктов при низкой температуре – балла. Состав продуктов при высокой температуре – балла (при соотношении :: ставится балл)

4
7

Расчет доли – балла

3
Максимум: 25

Похожие задачи

ВсОШ 2025, 9–11 классы, №ХиЖ-1

Биосинтез рапамицина Рапамицин – иммунодепрессант, применяемый для искусственного угнетения иммунитета при трансплантации органов. В организме человека рапамицин ингибирует работу особого фермента семейства протеинкиназ – мишени рапамицина млекопитающих (mammalian target of rapamycin, mTOR) – в резу

ВсОШ 2024, 9–11 классы, №Н-9

«– Будь осторожен! – А когда я был неосторожен за эти долгие годы? – Да, пожалуй, не был. Тем обиднее оступиться в конце пути.» Дж. Р. Р. Толкин, «Две крепости» Металл X малореакционноспособен, растворяется при нагревании в смеси плавиковой и азотной кислот (р-ция 1). Препаративным методом получения

ВсОШ 2026, 9–11 классы, №ХиЖ-2

mathrm{In} solano veritas «У того картошка не родится, кто пахать ленится» Народная пословица Картофель является одной из важнейших сельскохозяйственных культур в мире. История распространения картофеля в России связана с именем Петра mathrm{I}, который способствовал его внедрению в сельское хозяйст

ВсОШ 2026, 9–11 классы, №ХиЖ-1

«Виновники язвы» Одним из факторов развития язвы желудка является повышенная кислотность желудочного содержимого. В 1940 -х годах врачи заметили значительное увеличение язвенных поражений желудка при применении препарата mathrm{Y}. Синтез mathrm{Y} был разработан в 1897 г. Ф. Хоффманом из предшестве