Si-C結合を切るのに必要な光の波長は？

質問

Si-C結合が、波長240-1000nmの可視光で切断されるのか知るために、
・Si-Cの結合エネルギーが301kJ/molであること、
・上記の波長が1.25-5eVに相当すること
を調べました。
この二者を比較すれば切断されるかどうかが判断できると思うのですが、
前者はmolあたりのエネルギーであるため、直接これらを比較しても意味がないと思いました。

たぶん、ここまでの過程でどこか間違っているのだと思うのですが、
ご指摘頂ければ助かります。
理系の方には初歩的な質問かもしれませんが、
ご教授お願い致します。

回答No.4

hikaru_mac · ベストアンサー

続投申し訳有りません．hikaru_macです．

詳しく検討してみました．
jfcussonさんも調べていらっしゃいますが，まず，光の波長とエネルギーの関係は二つの重要な関係式から求まります．
一つは光の振動数とエネルギーで
一つは振動数と波長の関係式です．

光の振動数とエネルギーの関係は
E=hν　です．
Eはエネルギー[J]
hはプランク定数でh=6.626*10^-34[J s]
ν(にゅー，ギリシャ文字)は振動数で[s^-1]です．
振動数と波長の関係は
c=ν×λ (v=f×λの方がよく見るが，同じ意味)
です．
cは光速(光の速さ)でc=2.99792456[m/s]くらいです．
λ(ラムダ，ギリシャ文字)は光の波長です．単位は[m]です．

それからcalもJもエネルギーの単位ですが，
この換算は
4.18 [J] = 1 [cal]です．
これは今回は使いませんが，物理と化学の境目ではよく使います．

さらに，kJ/molを1molあたりではなく結合一本あたりにするには
アボガドロ定数(N)で割れば良いです．N=6.02*10^23です．
1molとはN個の事ですから，単純に割るだけで良いです．

以上を統合すると
結合エネルギーをQ[kJ/mol]とするとこれ１本あたりの結合エネルギーはまず
Q × 1000 ÷ (6.02 × 10^23)　[J]
です．
また
E = h × ν
と
c = ν × λ
より，
λ = h × c / E
となります．
波長λの光はEのエネルギーを持ちますので，
一本の結合のエネルギーQ × 1000 ÷ (6.02 × 10^23)　[J]を切るには
λ = h × c / { Q × 1000 ÷ (6.02 × 10^23) } [m]
のエネルギーが必要という事になります．
光の波長は普通mではなくてnmで表現しますので
λ = h × c / { Q × 1000 ÷ (6.02 × 10^23) } / 10^9 [nm]
となります．
各値を代入して計算しますと
λ = 1.20 × 10^5 / Q [nm] 　(= 120000 / Q )
となります．
今回はQ=301 [kJ/mol]ですので
λ = 398 [nm]
です．

しかし重要な問題が一つ残っています．
jfcussonさんは活性化エネルギー(遷移エネルギーとも言うかもしれない)をご存知でしょうか．
Si-C(結合状態)とSi + C (結合が切れた状態) のエネルギーの差と同じ大きさのエネルギーを与えても，反応は進みません．
それは，活性化エネルギーを超える為のエネルギーが必要であるからです．
しかしもしかすると今回の場合は，(Si-C)状態から(Si + C)状態へ遷移する際に，活性化エネルギーと自由エネルギー差は同じ程度と言えるのかもしれません．

お礼

何度も回答ありがとうございます。
（レスがついたらメールで連絡が来ると思っていたのですが、メールがなくて見ていませんでした）
聞けばなるほどと思うことなのですが、
しばらく理系脳を使っていなかったもので‥‥。
結合一本あたり、でそろえて比較するのですね。

レスがついていないものと思って必死で本を読み漁って、
なんとか同様の結論には達したのですが、
そのあとの活性化エネルギーの議論も非常に重要な気がします。
この点については、全く考えていませんでした！
そこで思ったのですが、私も１つ重要なことを書き忘れていたようです。
それは、Si-C結合を含む有機薄膜の測定時に、
そのサンプルを120℃まで加熱しているということです。
この加熱によってそれぞれの結合あたりに加えられるエネルギーを加味すると、
もしかしたら活性化エネルギーの山を越えているのかもしれません。
あるいはhikaru_macさんがおっしゃるように、
そもそも活性化エネルギーと自由エネルギーが同程度（という意味でしょうか？違っていたらすみません）なのかもしれません。

いずれにせよ、加熱と活性化エネルギーまで考慮した上で、
結合が切れる可能性があるのか議論しなければなりませんね。
いろいろとご教授ありがとうございました。
大変参考になりました。

回答No.3

hikaru_mac

ごめんなさい．早とちりで文章を読み間違えてしまいました．
no.2の回答は誤りです．

しかしSi-Cの結合は可視光（波長400-700nm）では切断されないと思います．
eVとJの変換式はネット上のどこかに有ると思います．
J/molは１molあたりですがno.1さんがおっしゃっているように，アボガドロ数で割れば結合１本あたりのエネルギーになると思います．

回答No.2

hikaru_mac

びっくりしました！
同じ研究分野なのでしょうか？
Si-C結合を切るのに必要な光の波長は350nm以下程度と考えられています．
しかしその波長域は可視光では有りません．
紫外線です．
可視光では結合は切れません．

蛇足ですが僕は結合を切らずにそのあとの反応が進むような経路があるかどうかの研究をしています．．．．．

お礼

レスが遅れてしまい、申し訳ございません。
私はいま、エリプソメーターを用いてSi-C結合を含む有機薄膜の膜厚測定などを行っています。
エリプソは可視光をプローバとして用いる手法だ、というのを大前提に考えていたのですが、
そうですよね、論点になっている波長域は紫外域ですよね。

研究分野は少し違うみたいですが、同じような物質を
対象とした研究のようにも感じます。
またご縁がありましたら、そのときはよろしくです。
ありがとうございました。

回答No.1

c80s3xxx

1mol あたりがわかっているならば 1分子あたりに換算できるでしょう．
1eV は 1C の電荷が 1V の電位差を横切るときに獲得するエネルギーのことですから，これも J にでも cal にでも好きなように換算すればよいのです．