Робоча програма дисципліни Фізичні методи дослідження (стор.
| З-за великого обсягу цей матеріал розміщено на декількох сторінках: 1 2 3 4 |
Роль та місце фізико-хімічних методів у дослідженні речовин. Пряме та зворотне завдання методів. Загальна характеристика методів. Чутливість і роздільна здатність методу. Характеристичний час методу. Класифікація фізичних методів: спектральні, дифракційні, електричні та магнітні. Шкала електромагнітних хвиль та коротка характеристика основних спектральних методів у різних діапазонах.
2. Методи визначення електричних дипольних моментів молекул
Діелектрична проникність та електрична поляризація діелектрика. Основні види поляризації діелектрика: електронна, атомна, орієнтаційна. Зв'язок орієнтаційна поляризації з діелектричною проникністю та дипольним моментом молекул. Рівняння Дебая, його застосування та обмеження. Ефект Штарка.
Визначення дипольного моменту в газах (перший метод Дебая) та розчинах (другий метод Дебая, метод Гедестранду). Застосування даних для визначення симетрії та конформації молекул, енергетика внутрішнього обертання та комплексоутворення. Метод молекулярних пучків.
Розрахунковий апарат способу дипольних моментів. Векторна адиттивна схема розрахунку дипольних моментів. Зв'язкові моменти. Групові моменти Фрагментарний підхід до розрахунків дипольного моменту. Квантово-механічний розрахунок дипольного моменту.
3. Методи коливальної спектроскопії. Інфрачервоні (ІЧ) спектри та комбінаційне розсіювання світла (КР)
Квантовомеханічний підхід до опису коливальних спектрів. Рівні енергії, їх класифікація, фундаментальні,обертонні та складові частоти. Інтенсивність смуг коливальних спектрів. Правила відбору та інтенсивність в ІЧ поглинанні та в спектрах КР. Класична задача про коливання багатоатомних молекул. Частоти та форми нормальних коливань молекул. Вибір моделі. Природні координати. Коефіцієнти кінематичної взаємодії. Постійні силові. Облік симетрії молекули. Симетрія нормальних вагань, координати симетрії. Аналіз нормальних коливань молекули за експериментальними даними. Зіставлення ІЧ та КР спектрів та висновки про симетрію молекули. Характеристичність нормальних вагань. Концепція обмеження групових частот. Визначення силових полів молекули та проблема їх неоднозначності. Використання ізотопічних різновидів молекул. Кореляція силових постійних з іншими параметрами та властивостями молекул.
Застосування методів коливальної спектроскопії для якісного та кількісного аналізів та інші застосування хімії. Специфіка коливальних спектрів. Дослідження динамічної ізомерії, рівноваги, кінетики реакцій.
Техніка та методики ІЧ спектроскопії та спектроскопії КР, переваги лазерних джерел збудження.
4. Методи електронної спектроскопії. Спектроскопія у видимій та ультрафіолетовій (УФ) областях
Загальна характеристика властивостей електронних станів. Коливальні та електронні енергетичні рівні двоатомної молекули. Ймовірності переходів між електронно-коливально-обертальним та станами. Принцип Франка Кондона. Характеристики електронних станів багатоатомних молекул: енергія, хвильові функції, мультиплетність, життя. Симетрія та номенклатура електронних станів.
Класифікація та віднесення електронних переходів. Правила відбору та порушення заборони. Специфіка електронних спектрівпоглинання різних класів сполук.
Електронні діапазони комплексів перехідних металів. Теорія кристалічного поля. Спектрохімічний ряд. Можливості ЕСП у визначенні параметра поглинання ∆. Правило відбору та інтенсивність ЕСП для координаційних з'єднань. Діаграми Оргела для «Oh» та «Td» комплексів. Спін-орбітальна взаємодія. Ефект Яна-Теллера
Застосування електронних спектрів поглинання у якісному, структурному та кількісному аналізах. Техніка спектроскопії у видимій та УФ областях.
Люмінесценція (флуоресценція та фосфоресценція). Фотофізичні процеси у молекулі. Основні характеристики люмінесценції (спектри поглинання та спектри збудження, часи життя збуджених станів, квантовий та енергетичний вихід люмінесценції). Закономірності люмінесценції (закон Стокса-Ломмеля, правило Левшина, закон Вавілова). Гасіння люмінесценції. Практичне використання кількісного люмінесцентного аналізу.
5. Резонансні методи
5.1. Метод ядерного магнітного резонансу
Фізичні засади ядерного магнітного резонансу. Зняття виродження спінових станів у постійному магнітному полі. Умови ядерного магнітного резонансу. Заселеність рівнів енергії, насичення, релаксаційні процеси та ширина сигналу.
Хімічний зсув та спин-спинове розщеплення у спектрах ЯМР. Константа екранування ядра. Відносне хімічне зрушення, його визначення та використання в хімії. Спін-спінова взаємодія ядер, його природа, число компонентів мультиплетів, розподіл інтенсивності, правило сум. Аналіз спектрів ЯМР першого ладу. Застосування спектрів ЯМР у хімії. Техніка та методика експерименту. Структурний аналіз. Хімічна поляризація ядер. Блок схема спектрометра ЯМР, типи спектрометрів. Характерзразків.
5.2. Метод електронного парамагнітного резонансу
Принципи спектроскопії електронного парамагнітного (спінового) резонансу. Умови ЕПР. g-фактор та його значення. Надтонке розщеплення сигналу ЕПР при взаємодії з одним та кількома ядрами. Число компонентів мультиплету, розподіл інтенсивності. Константа СТС. Тонке розщеплення. Ширина ліній. Додаток методу ЕПР у хімії. Вивчення механізмів хімічних реакцій Хімічна поляризація електронів. Визначення вільних радикалів та інших парамагнітних центрів. Використання спінових міток. Блок-схема спектрометра ЕПР, особливості експерименту, гідності та обмеження методу.
5.Освітні технології
Під час вивчення курсу передбачається реалізація наступних видів навчальних занять:
1. Лекції, практичні заняття.
2. Семінар у діалоговому режимі з використанням інтерактивних електронних підручників та навчальних посібників
3. Груповий аналіз результатів контрольних робіт
4. Групові дискусії – за результатами курсових та науково-дослідних робіт
5. Демонстрація тематичних та науково-популярних фільмів
6. Мозковий штурм
Питома вага занять, проведених в інтерактивних формах, становить щонайменше 40%.
6.Навчально-методичне забезпечення самостійної роботи студентів. Оціночні засоби для поточного контролю успішності, проміжної атестації за підсумками освоєння дисципліни.
При вивченні цієї дисципліни самостійна робота студентів включає:
А.Підготовка до практичних занять відповідно до наведених нижче зразкових питань:
1.Методи визначення електричних дипольних моментівмолекул
Розрахунки дипольних моментів за даними для першого та другого методів Дебая та з використанням векторної схеми в рамках концепції групових моментів.
2. Методи коливальної спектроскопії
Класичний розгляд коливань найпростіших багатоатомних молекул. Запровадження природних координат, облік симетрії. Використання концепції групових частот у структурному аналізі.
3. Методи електронної спектроскопії
Класифікація та віднесення електронних переходів та відповідних смуг в УФ та видимих спектрах. Використання електронних спектрів. Застосування методів ІЧ та УФ спектроскопії в аналізі, дослідженні рівноваг та кінетики реакцій
Визначення структури молекули з хімічних зрушень і спін-спінових розщеплень у спектрах ЯМР. Структура спектрів ЕПР.
Методичні рекомендації щодо підготовки до практичних занять
1. Яка роль фізичних методів у хімії?
2. Дайте визначення прямої та зворотної задачі фізичного методу.
3. Назвіть найважливіші характеристики спектроскопічних методів дослідження.
4. Розкрийте суть дифракційних методів дослідження. Області застосування.
5. Як можна визначити характеристичний час методу?
6. Які молекули мають власний дипольний момент?
7. Опишіть поведінку діелектрика у статичному електричному полі?
8. Що таке поляризованість речовини? Які види поляризуемості можна запровадити для молекул?
9. Чи може розглядатися величина орієнтаційної поляризованості як молекулярна характеристика?
10. Напишіть рівняння Клаузіуса – Моссотті. Поясніть фізичний зміст величин, що входять до цього рівняння. Для яких речовин воно можебути застосовним?
11. Напишіть рівняння Лорентця – Лоренца. Поясніть фізичний зміст величин, що входять до цього рівняння.
12. Напишіть рівняння Дебая і поясніть фізичний зміст величин, що входять до нього.
13. У чому перший метод Дебая визначення дипольних моментів молекул?
14. У чому полягає другий метод Дебая визначення дипольних моментів молекул? Чи залежить значення дипольного моменту молекули від виду розчинника?
15. Що таке обертони та складові частоти? Чим зумовлена їхня поява в ІЧ спектрах?
16. Від яких чинників залежить величина силової постійної? Чому для потрійних зв'язків вона найбільша?
17. Що таке характеристична частота? За яким принципом частоти поділяють на характеристичні та нехарактеристичні?
18. Яке коливання називають валентним, а яке деформаційним? Чому цей поділ умовний?
19. Як виходячи з ІЧ спектрів можна зробити висновок про спосіб координації в комплексних сполуках?
20. Перерахуйте основні сфери застосування ІЧ спектроскопії, наведіть приклади.