Metody analizy instrumentalnej w kryminalistyce - metody spektroskopowe

podstawy fizyki, chemii fizycznej i chemii kwantowej

Godzinowe ekwiwalenty punktów ECTS od cyklu kształcenia 2012/13

Godziny kontaktowe (z udziałem nauczyciela akademickiego)

Wykład – 45

Laboratorium – 30

Konwersatorium – 15

Łączna liczba godzin z udziałem nauczyciela akademickiego – 90

Liczba punktów ECTS z udziałem nauczyciela akademickiego – 3

Godziny niekontaktowe (praca własna studenta)

Przygotowanie się do laboratorium i konwersatorium – 30

Studiowanie literatury – 30

Przygotowanie się do zaliczenia – 30

Przygotowanie się do egzaminu – 30

Łączna liczba godzin nie kontaktowych – 120

Liczba punktów ECTS za godziny nie kontaktowe – 4

Sumaryczna liczba punktów ECTS dla modułu – 7

Godzinowe ekwiwalenty punktów ECTS od cyklu kształcenia 2017/18

Godziny kontaktowe (z udziałem nauczyciela akademickiego)

Wykład – 45

Laboratorium – 30

Konwersatorium – 15

Łączna liczba godzin z udziałem nauczyciela akademickiego – 90

Liczba punktów ECTS z udziałem nauczyciela akademickiego – 3

Godziny niekontaktowe (praca własna studenta)

Przygotowanie się do laboratorium i konwersatorium – 30

Studiowanie literatury – 30

Przygotowanie się do zaliczenia – 30

Przygotowanie się do egzaminu – 30

Łączna liczba godzin nie kontaktowych – 120

Liczba punktów ECTS za godziny nie kontaktowe – 4

Sumaryczna liczba punktów ECTS dla modułu – 7

Sposób weryfikacji efektów kształcenia na studiach pierwszego stopnia zatwierdzonych na podstawie Uchwały Senatu UMCS Nr XXII-39.9/12 z dnia 25 kwietnia 2012 r. tj. od cyklu kształcenia 2012/2013

W1. wykład – egzamin pisemny, laboratorium i konwersatorium – pisemne kolokwia śródsemestralne

W2. wykład – egzamin pisemny, laboratorium i konwersatorium – pisemne kolokwia śródsemestralne

W3. wykład – egzamin pisemny, laboratorium i konwersatorium – pisemne kolokwia śródsemestralne

U1. wykład – egzamin pisemny, laboratorium i konwersatorium – pisemne kolokwia śródsemestralne

U2. wykład – egzamin pisemny, laboratorium i konwersatorium – pisemne kolokwia śródsemestralne

K1. wykład – egzamin pisemny, laboratorium i konwersatorium – pisemne kolokwia śródsemestralne

K2. laboratorium, konwersatorium – bezpośrednia kontrola pracy studentów w grupach

Sposób weryfikacji efektów kształcenia na studiach pierwszego stopnia zatwierdzonych na podstawie Uchwały Senatu UMCS uchwałą Nr XXIV- 8.4/17 18 z dnia 28 czerwca 2017 r. tj. od cyklu kształcenia 2017/2018

W1-W3, U1, U2 - wykład - egzamin pisemny, laboratorium i konwersatorium - pisemne kolokwia śródsemestralne

K1 - laboratorium, konwersatorium - bezpośrednia kontrola pracy studentów

Wykład obejmuje następujące zagadnienia:

Podstawy spektroskopii. Promieniowanie elektromagnetyczne, intensywność. Formy energii molekuł. Kwantyzacja energii. Widmo (powstawanie, podział), techniki rejestracji (CW, FT – podstawy), podstawowa aparatura. Reguły wyboru. Rozmycie pasm. Równowaga termodynamiczna obsadzeń poziomów. Podstawy analizy jakościowej i ilościowej.

Podstawy modelowania struktury cząsteczki. Współrzędne wewnętrzne, wybór. Krzywa i (hiper)powierzchnia energii potencjalnej. Geometria równowagowa cząsteczki. Iteracyjne wyznaczanie geometrii równowagowej cząsteczki w ramach danego przybliżenia kwantowochemicznego – podstawy. Pola siłowe cząsteczki i ich związek ze strukturą.

Spektroskopia oscylacyjna. Jednowymiarowy oscylator harmoniczny (widmo). Anharmoniczność. Drgania normalne i grupowe (podział, przykłady). Podstawy spektroskopii IR i Ramana – typy przejść oscylacyjnych, reguły wyboru, metodyka pomiarów. Aktywność drgań normalnych w spektroskopii IR i Ramana. Drgania grupowe podstawowych klas związków organicznych. Zastosowania spektroskopii oscylacyjnej w analizie jakościowej związków organicznych. Wpływ wiązania wodorowego na widmo oscylacyjne. Efekt indukcyjny i mezomeryczny oraz jego wpływ na częstość drgań wiązań wielokrotnych.

Spektroskopia NMR. Spin jądra. Moment magnetyczny jądra i jego oddziaływanie z polem magnetycznym. Istota jądrowego rezonansu magnetycznego. Ekranowanie jąder – mechanizmy, magnetyczna stała ekranowania, widmo NMR. Przesunięcie chemiczne, wzorce. Sprzężenia spinowo-spinowe, stała sprzężenia. Metodyka pomiarów – wpływ siły pola magnetycznego, krzywa całkowa itd. Spektroskopia 1H NMR: przesunięcia chemiczne, liczba sygnałów na widmie, struktury multipletowe sygnałów. Zastosowania spektroskopii 1H NMR w analizie związków organicznych. Widmo 1H NMR a wiązanie wodorowe, wpływ efektów dynamicznych na widmo 1H NMR. Spektroskopia 13C NMR: podstawy, odsprzęganie protonów, przesunięcia chemiczne, liczba sygnałów na widmie, przykłady widm. Widma off-resonance i DEPT. Dwuwymiarowa (2D) spektroskopia NMR (widma 1H, 1H COSY, 1H, 13C HETCOR, HMQC): podstawy, informacje strukturalne zawarte w widmach 2D.

Spektroskopia elektronowa. Przejścia elektronowe w atomach i cząsteczkach – reguły wyboru. Metodyka pomiarów. Widma elektronowe prostych cząsteczek. Zastosowania spektroskopii elektronowej w analizie związków organicznych: chromofory, auksochromy. Przykłady widm związków z grupami: C=C, C=O, OH, NO2 itp. Luminescencja. Wykorzystanie spektroskopii elektronowej w analizie ilościowej – przykłady.

Spektrometria mas. Fizyczne podstawy metody. Wybrane metody jonizacji badanych substancji (EI, CI, SIMS, FD, FAB, MALDI i inne). Wybrane analizatory (analizator magnetyczny, kwadrupolowy, czasu przelotu, pułapka jonowa). Metodyka pomiarów. Drogi fragmentacji jonów. Widma masowe niektórych grup związków chemicznych. Zastosowanie spektrometrii masowej (wyznaczanie masy cząsteczkowej i wzoru sumarycznego badanego związku).

Widma rotacyjne. Model dwuatomowego rotatora sztywnego: ujęcie klasyczne i kwantowe. Widmo rotacyjne w przybliżeniu rotatora sztywnego, reguły wyboru. Komplikacje widma rotacyjnego. Zastosowania spektroskopii rotacyjnej (wyznaczanie geometrii cząsteczki, wyznaczanie momentu dipolowego).

Widma oscylacyjno-rotacyjne. Gałęzie rotacyjne, reguły wyboru. Zastosowania.

Widma EPR. Istota rezonansu paramagnetycznego w cząsteczkach. Struktura nadsubtelna widm EPR, gęstość spinowa. Typy centrów paramagnetycznych. Zastosowania spektroskopii EPR.

Laboratorium obejmuje następujące zagadnienia:

Podstawy spektroskopii molekularnej – podstawowe stałe fizyczne; pole elektryczne i magnetyczne; promieniowanie elektromagnetyczne; podstawowe jednostki stosowane w spektroskopii i ich przeliczanie; formy energii cząsteczek i ich kwantyzacja; widmo: definicja, powstawanie, podział widm, prawdopodobieństwa przejść spektralnych, reguły wyboru; poszerzenie pasm spektralnych, tło, szum i intensywność integralna.

Spektroskopia oscylacyjna – cząsteczki dwuatomowe: krzywa energii potencjalnej, równowagowa długość wiązania, granica i energia dysocjacji; cząsteczki wieloatomowe: współrzędne wewnętrzne, (hiper)powierzchnia energii potencjalnej, geometria równowagowa cząsteczki; jednowymiarowy oscylator harmoniczny, ujęcie klasyczne i kwantowe; widmo oscylacyjne cząsteczki w przybliżeniu harmonicznym (stała siłowa, reguły wyboru); anharmoniczność i jej wpływ na widmo oscylacyjne (reguły wyboru); cząsteczki wieloatomowe: oscylacyjne stopnie swobody, drgania normalne i grupowe; podstawy spektroskopii IR: drgania aktywne i nieaktywne w podczerwieni; podstawy spektroskopii Ramana: drgania aktywne i nieaktywne; typy przejść w spektroskopii oscylacyjnej; układy jedno- i dwuwiązkowe, techniki CW i FT; spektrometr IR i Ramana; rejestracja widm oscylacyjnych próbek stałych, ciekłych i gazowych; interpretacja widm IR: podstawowe zakresy na widmie IR, drgania grupowe dla podstawowych klas związków organicznych (nazwy, notacja), tabele korelacyjne, wpływ wiązania wodorowego na widmo IR, drgania rozciągające grupy karbonylowej: wpływ efektu indukcyjnego i mezomerycznego na położenie pasma, określanie charakteru związku chemicznego i, jeśli to możliwe, jego struktury na podstawie widm IR (różnorodne ćwiczenia); interpretacja widm Ramana; komplementarność technik IR i Ramana (różnorodne ćwiczenia).

Spektroskopia NMR – pole magnetyczne; spin jądra: kwantyzacja, liczby kwantowe I oraz MI; moment magnetyczny jądra, współczynnik magnetogiryczny; istota jądrowego rezonansu magnetycznego, częstość Larmora; ekranowanie jąder: mechanizmy ekranowania, stała ekranowania, równocenność chemiczna jąder; przesunięcie chemiczne, wzorce wewnętrzne; widm NMR cząsteczki (informacje odczytywane i ich znaczenie); spektrometr NMR; metodologia pomiarów: wpływ wartości indukcji na widmo, całkowanie sygnały i inne aspekty; sprzężenie spinowo-spinowe, multiplety; spektroskopia 1H NMR: podstawy: zalety i wady, widmo 1H NMR i jego składowe, gęstość elektronowa i inne czynniki wpływające na przesunięcie chemiczne (efekt indukcyjny i mezomeryczny itd.), tabele korelacyjne, liczba sygnałów na widmie NMR, wyznaczanie stałych sprzężenie spinowo-spinowego, równocenność magnetyczna jąder, rząd widma 1H NMR, konwencja Pople’a oznaczeń(np. AX, AB etc.), efekt daszkowy, wpływ efektów dynamicznych na kształt widma 1H NMR, sprzężenie wirtualne, wyznaczanie struktury związku chemicznego na podstawie widma 1H NMR (różnorodne ćwiczenia); spektroskopia 13C NMR: podstawy, odprzęganie protonów (intensywności integralne), liczba sygnałów na widmie 13C NMR vs. symetria cząsteczki, ekranowanie jąder 13C, tabele korelacyjne, wyznaczanie struktury związku chemicznego na podstawie widma 13C NMR (różnorodne ćwiczenia); dwuwymiarowa spektroskopia NMR – rozwiązywanie podstawowych problemów strukturalnych z wykorzystaniem technik 1H,1H COSY, 1H,13C HETCOR, HMQC.

Spektroskopia elektronowa – teoria orbitali molekularnych – powtórka; spektrometry i metodologia; typy przejść elektronowych, reguły wyboru; chromofory (różnorodne ćwiczenia dotyczące intuicyjnego wyznaczania długości fal, które mogą być absorbowane przez różne cząsteczki); fluorescencja i fosforescencja.

Spektrometria mas – techniki jonizacji (EI, CI, FAB, FD, MALDI, SIMS itd.); dwusektorowy spektrometr (analizator) masowy; inne typy analizatorów (kwadrupolowy, pułapka jonowa, analizator czasu przelotu); proces fragmentacji (istota, przykłady, fragmentacja różnych klas związków organicznych, typowe przegrupowania); widmo masowe – typy pików (jonów); względne intensywności pików izotopowych na widmie masowym, wyznaczanie i wykorzystanie; wykorzystanie spektrometrii masowej do określania masy cząsteczkowej związku chemicznego i jego wzoru sumarycznego, regułą azotu; wyznaczanie struktury związku chemicznego na podstawie widma masowego (różnorodne ćwiczenia).

Wyznaczanie struktury związku chemicznego na podstawie kompletu widm IR, NMR i masowego – różnorodne ćwiczenia.

Konwersatorium obejmuje następujące zagadnienia:

Podstawy spektroskopii molekularnej – przeliczanie jednostek energii; wykorzystanie prawa Lamberta-Beera; wyznaczanie stosunku obsadzeń poziomów; wyznaczanie energii oddziaływania, momentu dipolowego itd.

Spektroskopia oscylacyjna – wyznaczanie stałych siłowych i częstości drgań; wyznaczanie podstawowych wielkości charakteryzujących cząsteczkę z krzywej energii potencjalnej

Spektroskopia NMR – proste obliczenia tyczące się pola magnetycznego i momentu magnetycznego; wyznaczanie energii oddziaływania momentu magnetycznego z polem magnetycznym; określanie zakresu częstości rezonansowych jąder; wyznaczanie namagnesowania próbki; określanie rzędu widma NMR itd.

Spektrometria masowa – wyznaczanie stosunków intensywności pasma molekularnego i pasm izotopowych; określanie rozdzielczości spektrometru masowego koniecznego dla osiągnięcia założonego celu analitycznego.

Spektroskopia rotacyjna i oscylacyjno-rotacyjna – wyznaczanie parametrów geometrycznych małych cząsteczek na podstawie widm rotacyjnych; wyznaczanie podstawowych wielkości charakteryzujących cząsteczkę na podstawie widma oscylacyjno-rotacyjnego.

Atkins P. W., Chemia fizyczna, PWN, Warszawa 2001.

Borowski P., Wybrane zagadnienia spektroskopii molekularnej, Wydawnictwo UMCS, Lublin 2005.

Kęcki Z., Podstawy spektroskopii molekularnej, PWN, Warszawa 1998.

Metody spektroskopowe i ich zastosowanie do identyfikacji związków organicznych, (red. Zieliński W., Rajca A.), WNT, Warszawa 2000.

Sadlej J., Spektroskopia molekularna, WNT, Warszawa 2002.

Silverstein R. M., Webster F. X., Kiemle D. J., Spektroskopowe metody identyfikacji związków organicznych, PWN, Warszawa 2007.

Udostępnione materiały wykładowe.

Powyższa literatura jest dostępna w bibliotece wydziałowej.

Na podstawie Uchwały Senatu UMCS Nr XXII-39.9/12 z dnia 25 kwietnia 2012 r. tj. od cyklu kształcenia 2012/2013

WIEDZA

W1. Zna i rozumie podstawy teoretyczne i praktyczne metod spektroskopowych – K_W04

W2. Posiada wiedzę na temat oddziaływania promieniowania z materią – K_W09

W3. Zna podstawowe aspekty budowy i działania aparatury naukowej z zakresu spektroskopii molekularnej – K_W13

UMIEJĘTNOŚCI

U1. Potrafi wykazać korelację pomiędzy budową związku chemicznego, a jego właściwościami spektroskopowymi – K_U04

U2. Potrafi w sposób zwięzły i logiczny przedstawić podstawowe fakty w zakresie spektroskopii molekularnej – K_U31

KOMPETENCJE SPOŁECZNE

K1. Zna ograniczenia własnej wiedzy z zakresu spektroskopii i rozumie konieczność dalszego kształcenia – K_K01

K2. Potrafi pracować i rozwiązywać problemy spektroskopowe zespołowo – K_K02

Na podstawie Uchwały Senatu UMCS uchwałą Nr XXIV-8.4/17 z dnia 28 czerwca 2017 r. tj. od cyklu kształcenia 2017/2018

WIEDZA

W1. Zna i rozumie wybrane pojęcia z zakresu spektroskopii, dysponuje rozszerzoną wiedzą w zakresie spektroskopii pozwalającą na posługiwanie się właściwą terminologią i nomenklaturą oraz opisem zjawisk typowych dla danej specjalności - K_W05

W2. Zna i rozumie zasady podstawowych technik i narzędzi badawczych, właściwych dla spektroskopii - K_W07

W3. Zna i rozumie podstawy budowy i działania aparatury naukowej typowej dla spektroskopii - K_W08

UMIEJĘTNOŚCI

U1. Potrafi wykorzystywać zdobytą wiedzę do rozwiązywania różnych problemów typowych dla spektroskopii - K_U01

U2. Potrafi powiązać wiedzę z podstawowych przedmiotów chemicznych z wiedzą przedmiotów charakterystycznych dla spektroskopii - K_U04

KOMPETENCJE SPOŁECZNE

K1. Jest gotów do uznania znaczenia wiedzy w rozwiązywaniu problemów poznawczych i praktycznych - K_K03