Программа модуля-дисциплины Физические методы исследования (стр. 2 )

Требования к результатам освоения модуля-дисциплины В результате освоения модуля-дисциплины студент должен

Знать:

- теоретические основы фундаментальных разделов химии, а именно  состав, строение и свойства неорганических, органических веществ, особенности свойств и структуры высокомолекулярных соединений, основные вопросы теории химического строения веществ, молекул, виды химических и межмолекулярных связей, представления о симметрии;

- законы фундаментальных разделов физики, в том числе, взаимодействие атомов и молекул с электрическим и магнитным полями, процессы ионизации атомов и молекул, основы теории колебаний и резонансных явлений, законы  дифракции и интерференции взаимодействие электромагнитного излучения или потока частиц с веществом;

- теоретические основы и принципы работы современных физических методов исследований, а именно дифракционных, электрических, ионизационных методов, методов оптической спектроскопии и методов магнитного резонанса;

- основные способы регистрации эксперимента, а именно принципиальные схемы и инструментальные особенности масс-спектрометров, рефрактометров, диэлькометров, газового электронографа, ИК-, КР-, УФ-, ЯМР - и ЭПР-спектрометров; методики приготовления образцов.

Уметь:

- применять полученные знания по математическим дисциплинам для анализа основных задач, типичных для естественнонаучных дисциплин, а именно вычислять результат действия оператора на множество при решении прямой и обратной задач физического метода, решать дифференциальные уравнения при расчете термодинамических параметров, расчете частот, форм колебаний и силовых постоянных двухатомных молекул;

- использовать законы термодинамики и кинетики для описания свойств материалов и процессов, а именно объяснять закономерности фрагментации молекул при ионизации, рассчитывать значения потенциалов ионизации, определять последовательность и кратность химических связей, структурную и конформационную изомерию, рассчитывать  константы равновесия и термодинамические параметры химических реакций и процессов;

- проводить синтез химических веществ и исследование их характеристик, а именно применять на практике различные физические методы исследования для идентификации веществ, установления их химического строения и структуры, определения конфигурации и конформации молекул, изучения механизма  и термодинамики химических процессов, межмолекулярного взаимодействии, природы донорно-акцепторных комплексов, проведения количественного анализа, расчета структурных параметров молекул;

- выполнять регистрацию и обработку результатов эксперимента, т. е. обрабатывать, расшифровывать масс-спектры, электронограммы, электронные, колебательные и вращательные спектры, спектров ЯМР и ЭПР; использовать электронные базы данных, спектральные библиотеки, корреляционные таблицы, каталоги спектров.

Владеть (технологиями, методами, способами, приемами):

- приемами решения математических задач, типичных для естественнонаучных дисциплин, а именно решать прямую и обратную задачи масс-спектрометрии, рефрактометрии, диэлькометрии, оптической спектроскопии и  радиоспектроскопии;

- навыками регистрации и обработки эксперимента, конкретно методами расчета длин связей и валентных углов молекул, методами определения спектральных параметров УФ, ИК, КР и ЯМР спектров;

- физическими принципами описания химических веществ и явлений, а именно выводами теории диэлектриков при объяснении поляризации молекул, закономерностями разрыва химических связей при идентификации масс-спектров, закономерностями взаимного влияния атомов и групп атомов в молекуле на электронные, колебательные и спектры ЯМР;

- приемами и методами основных физических, химических и физико-химических методов анализа, а именно рефрактометрическим, диэлькометрическим и спектроскопическими методами анализа  строения и структуры молекул, структурно-групповым анализом веществ по УФ, ИК и ЯМР спектрам;

- навыками различных способов регистрации эксперимента в масс-спектрометрии, рефрактометрии, УФ-, ИК-, КР-, ЯМР - и ЭПР - спектроскопии;

- опытом работы на серийной аппаратуре, применяемой для масс-спектрометрических, рефрактометрических, спектроскопических измерений.

Краткое дидактическое описание модуля-дисциплины

В процессе освоения курса студенты выполняют лабораторные работы, в которых знакомяться со всеми этапами экспериментального изучения химических веществ спектроскопическими методами, а также решают задачи по соответствующим темам. С целью повышения мотивации овладения дисциплиной используется балльно-рейтинговая система оценки результатов обучения.

Трудоемкость модуля-дисциплины 4 з. е.

РАЗДЕЛ 3. СОДЕРЖАНИЕ МОДУЛЯ-ДИСЦИПЛИНЫ

3.1. Разделы и темы модуля-дисциплины, их содержание*

№ п/п	Наименование разделов и тем дисциплины	Содержание тем в дидактических единицах**
1	Раздел Ι. Введение
Тема 1 .Общая характеристика физических методов исследования	Общая характеристика дифракционных и спектроскопических методов. Краткая сравнительная характеристика нейтронографии, рентгенографии и электронографии. Формулировка прямой и обратной задач метода исследования. Характеристическое время метода исследования.
2	Раздел ΙΙ. Методы масс-спектрометрии и рефрактометрии
Тема 1. Принципы масс-спектрометрии. Способы ионизации молекул.	Поведение ионов в магнитном поле. Устройство масс-спектрометров. Типы ионов, проявляющихся в масс-спектрах. Виды ионизации в масс-спектрометрии: ионизация электронами, фотоионизация, химическая ионизация, ионизация полем.
Тема 2. Методы детектирования и анализа масс ионов. Применение данных масс-спектрометрии в химии.	Статические и динамические масс-спектрометры. Квадрупольные, время-пролетные анализаторы, ионно-циклотронный резонанс. Комбинированные и тандемные масс-спектрометрические методы. Расчет термодинамических характеристик веществ и химических процессов с помощью метода масс-спектрометрии.
Тема 3. Основы рефрактометрии	Показатель преломления вещества. Молярная рефракция. Уравнение Лоренца-Лоренца. Экзальтация молярной рефракции. Эмпирическая схема расчета величины молярной рефракции с использованием таблиц Эйзенлора и Фогеля. Принципиальная схема рефрактометра. Возможности и ограничения метода.
3	Раздел  III. Методы определения электрических дипольных моментов молекул
Тема 1. Основные положения теории диэлектриков.	Поляризация молекул диэлектрика. Причины возникновения постоянного электрического дипольного момента молекул. Атомная, электронная и молекулярная поляризуемости молекул. Ориентационная поляризация и ее связь с диэлектрической проницаемостью и дипольным моментом молекулы.  Уравнения Клаузиуса-Моссотти, Дебая.
Тема 2.Экспериментальные методы определения электрического дипольного момента молекул	Определение дипольного момента молекул в газах (первый метод Дебая). Определение дипольного момента молекул в растворах (второй метод Дебая). Условия измерений. Применение данных для определения симметрии и конформации молекул.
Тема 3. Методы расчета электрического дипольного момента молекул.	Векторная аддитивная схема расчета дипольных моментов молекул на основе данных о величинах связевых и групповых моментов. Возможности метода и его ограничения.
4	Раздел IV. Методы определения геометрии молекул
Тема 1. Газовая электронография	Уравнение потока электронов для плоских и сферических волн. Рассеяние электронов на сферическом потенциале. Преобразование Фурье в газовой электронографии. Кривая радиального распределения. Условия получения электронограмм. Принципиальная схема газового электронографа. Методы расшифровки электронограмм (метод Фурье и метод проб и ошибок).
Тема 2. Микроволновая спектроскопия	Описание вращения двухатомной молекулы в приближении жесткого ротатора. Расчет момента инерции, момента количества движения и кинетической энергии вращения молекулы. Вращение линейной молекулы, молекул типа сферического, симметричного и асимметричного волчков. Системы вращательных уровней энергии. Схема радиоспектрометра. Условия получения микроволнового спектра полярных молекул. Типы спектров. Правила отбора. Эффект Штарка для линейных молекул и молекул типа симметричного и асимметричного волчков.
Тема 3. Применение данных микроволновой спектроскопии в химии	Определение дипольного момента молекул из микроволновых спектров в основном и возбужденном колебательном состоянии. Определение геометрических параметров молекул из микроволновых спектров. Метод изотопического замещения. Возможности метода и его ограничения.
5	Раздел V. Методы колебательной ИК и КР спектроскопии
Тема 1. Теоретические основы  инфракрасной спектроскопии	Классическое и квантовомеханическое представление колебательных спектров. Гармонический и ангармонический осциллятор. Уровни энергии, правила отбора. Фундаментальные (основные), обертонные и составные  частоты.
Тема 2. Колебания многоатомных молекул	Нормальные колебания молекул. Естественные внутренние координаты. Симметрия молекул. Валентные и деформационные колебания. Изотопные эффекты. Метод комбинационного рассеяния (КР) света.
Тема 3. Приборы и экспериментальная техника	Сканирующие и ИК Фурье-спектрометры. Метод нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО). Элементы НПВО и многократного НПВО (МНПВО). Возможности метода НПВО. Техника и методика спектроскопии КР.
Тема 4. Анализ и интерпретация колебательных спектров	Характеристические частоты. Закон Бугера-Ламберта-Бера. Основные характеристики полос поглощения. Расчет интегральных интенсивностей. Структурно-групповой анализ органических, неорганических и высокомолекулярных соединений.
Тема 5. Возможности колебательной спектроскопии в химии	Идентификация химических соединений. Строение и структура. Конфигурация и конформация. Количественный анализ. Кинетика и механизм химических реакций. Межмолекулярные и ион-молекулярные взаимодействия. Комплексы с водородными связями. Энтальпия образования Н-связей. Стереорегулярность и кристалличность.
6	Раздел VI. Электронная спектроскопия в УФ и видимой области
Тема 1.Основы теории электронных спектров молекул	Электронные спектры двухатомных молекул. Характеристика свойств электронных состояний. Принцип Франка-Кондона. Классификация электронных переходов, их относительное положение. Критерии отнесения полос в спектре к различным электронным переходам. Переходы с переносом заряда (КПЗ и ВПЗ).
Тема 2.Применение электронной спектроскопии в химии, техника эксперимента	Структурно-спектральные корреляции органических, неорганических и комплексных соединений. Хромофоры и ауксохромы Сопряженные системы, пространственные эффекты, кето-енольное равновесие. Аналитические применения. Качественный и количественный анализ. Внутри - и межмолекулярные Н-связи. Техника и методика электронной спектроскопии.
7	Раздел VII.  Методы магнитного резонанса
Тема 1. Физические принципы метода ядерного магнитного резонанса	Магнитные свойства ядер. Ядерный  магнитный момент  и угловой момент количества движения и их проекции. Гиромагнитное отношение. Ядра в магнитном поле. Условие ЯМР. Уравнение Лармора. Уровни энергии ядер, частоты переходов, правила отбора.
Тема 2. Релаксационные процессы	ЯМР ансамбля ядер. Закон Больцмана. Насыщение сигнала. Спин-решеточная и спин-спиновая релаксация. Времен релаксации и ширины спектральных линий ЯМР.
Тема 3. Химический сдвиг и спин-спиновое взаимодействие	Экранирование ядер электронами (диамагнитное и парамагнитное). Магнитно-анизотропные группы и конусы анизотропии. Химический сдвига сигнала.  Спин-спиновое взаимодействие (ССВ). Прямое и непрямое, гетероядерное и гомоядерное ССВ. Обозначение ядерных систем. Спектры ЯМР первого и второго порядка. Мультиплетность спектров ЯМР. Константа спин-спинового взаимодействия.
Тема 4. Применение данных ЯМР спектроскопии в химии, техника эксперимента.	Химическое строение, стереохимическая конфигурация и конформация, физико-химические процессы, донорно-акцепторные комплексы. Динамический ЯМР. Стационарные и импульсные фурье спектрометры. Двумерная спектроскопия ЯМР. Двойной резонанс.
Тема5. Теоретические основы, техника и возможности метода электронного парамагнитного резонанса (ЭПР).	Условие  ЭПР. g-фактор Ланде. Положение резонансного сигнала. Электрон-ядерное взаимодействие.  Сверхтонкая структура спектра ЭПР. Интенсивность, ширина и форма линии. Парамагнитные образцы. Структурные и кинетические исследования. Метод спиновых меток и спиновых ловушек. Методы двойного резонанса.

3.2. Соотношение разделов/тем модуля-дисциплины и проектируемых результатов