بخشی از مقاله
چکیده
تری نیترو تولوئن - TNT - ماده ای است که به عنوان پیشران و مواد منفجره در مواد استفاده می شود. امروزه شناسایی این ماده از نظر مسائل امنیتی، آلودگی محیط زیست و نظامی دارای اهمیت می باشد. در این کار پژوهشی، طیف فروسرخ TNT به طور تجربی اندازه گیری شده است. سپس با استفاده از طریق روش های شیمی کوانتومی ساختار و فرکانس شیوه های ارتعاشی این مولکول محاسبه شده است. سپس با مقایسه داده های تجربی و نظری هرکدام ازپیک های جذبی فروسرخ TNT به شیوه های حرکت ارتعاشی این مولکول نسبت داده
شده است. نتایج این تحقیق در ساخت لیزر های فروسرخ جهت شناسایی این ترکیب می تواند مورد استفاده قرار گیرد.
-1 مقدمه
تری نیتروتولوئن - TNT1 - از بیشترین مواد منفجره مورد استفاده شده در جنگ جهانی اول بوده است. TNT یک جامد بلوری زرد رنگ و بی بو در دمای اتاق است که بطور طبیعی در محیط بوجود نمی آید و حلالیت آن در آب - حدود 130 میلی گرم بر لیتر - mg/L - در 20 درجه سانتیگراد است - و فشار بخار نسبتا کمی دارد .[1] فرمول
مولکول آن C7 H 5 N 3O6 - 2,4,6-Trinitrotoluene - است.
در شکل 1 ساختار مولکولی TNT نشان داده شده است.
این ترکیب با ترکیب تولوئن با مخلوطی از اسید نیتریک واسید سولفریک ساخته شده است. این ماده بسیار منفجره، یک ترکیب تک حلقه نیتروآروماتیک است. سرعت انفجار تی ان تی 7028 متردر ثانیه است. در دمای 354 درجه کلوین ذوب می شود و گرمادادن به TNT بالاتر از 343 درجه کلوین باعث ایجاد تغییرات فیزیکی وشیمیایی در آن می شود .[3] واکنش سمی TNT در انسان ممکن است منجر به هپاتیت سمی و کم خونی آپلاستیک، که منجر به مرگ بسیاری از کارگران نظامی در طی دو جنگ جهانی شده، شود. مشکلات پزشکی جدی شامل گاستریت، درماتیت، سیانوز، کم خونی و سرگیجه بوجود آورد
TNT بعنوان یک ماده منفجره ی نیتروآروماتیک یک نگرانی امنیتی و بهداشتی و زیست محیطی برای جامعه ی جهانی بشمار می رود. مواد منفجره به طور گسترده در صنعت و فعالیت های ارتشی یا تروریستی استفاده می شود. با در نظر داشتن معایب TNT مثل اختلافات قلبی عروقی شدید، اختلال در عملکرد کبد، کم خونی، آب مروارید و سرطان زایی؛ تشخیص و آشکارسازی پسماندهای آن و مبارزه با تروریست از اهمیت فوق العاده ای برخوردار است.
برای تشخیص TNT از روش های مختلفی ازجمله آشکارسازهای زیستی و حالت پشرفته تر، طیف سنج ها جهت تشخیص مواد منفجره می توان استفاده کرد. از جمله آشکارسازهای زیستی می توان به سگ ها، موش ها و زنبور عسل ها آموزش دیده اشاره کرد و حالت پیشرفته تر طیف سنجی جرمی - MS - 2، طیف سنجی تحریک یونی - IMS - 3، کروماتوگرافی گازی - GC - 4 و کروماتوگرافی مایع با عملکرد بالا - HPLC - 5 حساس ترین روش ها برای آشکارسازی مواد منفجره هستند؛ ازاین رو درامنیت فرودگاه ها استفاده می شوند. با وجود دقت و صحت و قابلیت اطمینان آن ها، این روش ها معایب عملی مثل پیچیدگی، هزینه بالا و زمان زیاد جهت نتیجه گیری دارند
-2 روش انجام کار
برای تهیه طیف فروسرخ TNT مقدار کمی از TNT - کمتر از1درصد وزنی - با پودر KBr کاملا مخلوط شد.سپس از آن
قرص تهیه شدو در محدوده 1 450 cm1 4400 cm توسط یک دستگاه طیف سنج فروسرخ Perkin- Elmer Mdel RX-IM طیف جذبی آن اندازه گیری شد.
-3 روش محاسبات
در این پژوهش از روش های شیمی کوانتومی برای تعیین و بهینه سازی ساختار مولکولی TNT و همچنین محاسبه فرکانس شیوه های ارتعاشی آن استفاده شده است .[5] از روش تابعی چگالی برای محاسبه ساختار الکترونی مولکول TNT استفاده شده است. با حل معادلات برای قسمت الکترون میدان پتانسیل لازم برای بدست آوردن فرکانس شیوه های ارتعاشی مولکول TNT و همچنین قدرت نوسانگر هر کدام از این شیوه های ارتعاشی بدست می آید. قدرت نوسانگر معیاری از فعال بودن آن شیوه ارتعاشی در بر هم کنش امواج الکترومغناطیسی است. بنابراین، شیوه های ارتعاشی با قدرت نوسانگر بزرگتر، شدت جذب و نشر بیشتری در ناحیه فروسرخ از خودشان می دهند.
-4 نتایج
طیف جذبی فرو سرخ TNT در شکل2 نشان داده شده است.
شکل: 2 طیف جذبی TNT در ناحیه فروسرخ
مقادیر عددی فرکانس های جذبی در ناحیه فروسرخ به همراه مقادیر محاسبه از روش B3LYP/6-31+G - d,p - در جدول 1 آورده شده است. همانطور دیده می شود مقادیر محاسبه شده از مقادیر تجربی اندکی بزرگ تر است که این موضوع به خطای قطع در محاسبات شیمی کوانتومی و ناهماهنگی در ارتعاشات نسبت داده می شود. برای بدست آوردن رابطه ای بین مقادیر محاسبه شده وتجربی ، مقادیر محاسبه شده بر علیه مقادیر تجربی رسم شده است - نمودار. - 1 همانطور که مشاهده می شود رابطه خطی خوب بین این مقادیر وجود دارد؛ به نحوی که می توان هر فرکانس جذبی در ناحیه فروسرخ را به یک شیوه ارتعاشی مولکولی TNT مرتبط ساخت.
نمودار:1 رسم فرکانس های تجربی بر اساس تئوری بطور مثال دو فرکانس جذبی مهم در ناحیه فروسرخ را می توان مطابق شکل 3 و 4 به شیوه ارتعاشی مولکولی TNT مرتبط سازیم .
شکل: 3 شیوه ارتعاشی مولکول TNT درناحیه فروسرخ - 1391/07 CM 1 -
شکل: 4 شیوه ارتعاشی مولکول TNT درناحیه فروسرخ - 1383/07 CM 1 -
