Verplicht in fase
Optioneel in fase
Eerste semester
Tweede semester
Beide semesters
Niet ingericht
Dit jaar
Volgend jaar
Wisselende jaren
Extern
Voorwaarden
Onderwijstaal
Duur
Identieke opleidingsonderdelenSpectroscopische meettechnieken (B-KUL-G0O48B)
Hofkens Johan (coördinator) | Debroye Elke | Fron Eduard | Hofkens Johan Doelstellingen
De studenten kunnen de begrippen transitiedipool en spectroscopische overgang in verband brengen met en afleiden uit hun kennis van mechanica, computationele chemie elektrostatica en magnetisme. Door gebruik te maken van hun kennis kunnen zij op gedetailleerde wijze voor microgolf-, infrarood, NMR-, EPR- en elektronische spectra de relatie tussen spectroscopische eigenschappen (energie van de overgang, intensiteit, vorm van de spectra) en de onderliggende moleculaire parameters (bindingslengte en -elasticiteit, traagheidsmoment, elektronische en nucleaire energieniveaus) beredeneren en afleiden. Zij kunnen de invloed van veranderingen van deze parameters op de spectra verklaren, inschatten en be-argumenteren. Zij kunnen spectrale gegevens op kwalitatieve en kwantitatieve wijze analyseren en voorspellen. Zij mogen hierbij gebruik maken van een handboek. De inhoud van deze cursus is van belang voor het practicum “Meten en berekenen” van het 3e bachelor en de bachelorproef.
Dit OPO past dus voornamelijk in de algemene doelstellingen een grondige kennis en inzicht te verwerven in de belangrijkste deelfacetten van de chemie (BA1), het verwerven van theoretische basiskennis in karakteriseringsmethoden (BA3), het interpreteren en verwerken van relevante onderzoeksgegevens en het kritisch becommentariëren hiervan (BA10). Dit OPO legt ook nadruk op probleemoplossend werken (BA19).
Begintermen
- kennis van elektrostatica en magnetisme zoals aan bod komt in Algemene Natuurkunde I en II
- kennis van quantumchemie en computationele methoden zoals aan bod komt in Computationele Chemie
- kennnis van thermodynamica zoals aan bod komt in Chemische Thermodynamica
- noties van NMR en infraroodspectra zoals aan bod komt in Moleculaire Architectuur
- noties van analytische chemie zoals aan bod komt in Analytische Basistechnieken
zijn essentieel voor het begrijpen van dit opleidingsonderdeel
Volgtijdelijkheidsvoorwaarden
Je moet voldoen aan een volgtijdelijkheidsvoorwaarde om dit opleidingsonderdeel te mogen opnemen. Volgtijdelijkheid kan STRENG of SOEPEL zijn of een GELIJKTIJDIGHEID inhouden. Ook kan een diplomaNIVEAU als voorwaarde gesteld zijn.
Verklaring:
STRENG: Om dit opleidingsonderdeel op te nemen, moet je geslaagd zijn voor of een tolerantie ingezet hebben voor de opleidingsonderdelen waarvoor dit soort voorwaarde geldt.
SOEPEL: Om dit opleidingsonderdeel op te nemen, moet je de opleidingsonderdelen waarvoor dit soort voorwaarde geldt, gevolgd hebben.
GELIJKTIJDIG: Om dit opleidingsonderdeel op te nemen, moet je ook de opleidingsonderdelen waarvoor dit soort voorwaarde geldt, opnemen of al opgenomen hebben.
NIVEAU: Om dit opleidingsonderdeel op te nemen, moet je ten minste deze graad behaald hebben.
( SOEPEL(G0N13B) OF SOEPEL( X0D86A ) ) EN
( SOEPEL(G0O37B) OF SOEPEL( X0C66C ) ) EN
( SOEPEL(G0O29B) OF SOEPEL( G00D8A ) OF SOEPEL( X0D07B ) ) EN
( SOEPEL(G0O31B) OF SOEPEL( X0D03C ) OF SOEPEL( X0E53B ) ) EN
( SOEPEL(G0O27A) OF SOEPEL( X0D00A ) ) EN
GELIJKTIJDIG(G0O40B)
Bovenstaande codes van opleidingsonderdelen stemmen overeen met onderstaande omschrijvingen van die opleidingsonderdelen:
G0N13B : Algemene natuurkunde II
X0D86A : Algemene natuurkunde: elektromagnetisme, golven en optica
G0O37B : Moleculaire architectuur
X0C66C : Moleculaire architectuur
G0O29B : Metalen en katalyse (Niet meer aangeboden dit academiejaar)
G00D8A : Anorganische Chemie
X0D07B : Anorganische Chemie
G0O31B : Chemische thermodynamica
X0D03C : Thermodynamica
X0E53B : Thermodynamica
G0O27A : Analytische basistechnieken
X0D00A : Analytische basistechnieken
G0O40B : Kwantum- en computationele chemie
Identieke opleidingsonderdelen
Dit opleidingsonderdeel is identiek aan de volgende opleidingsonderdelen:
X0D87A : Spectroscopische technieken
Plaats in het onderwijsaanbod
Onderwijsleeractiviteiten
4 sp. Spectroscopische meettechnieken (B-KUL-G0O48a)
Inhoud
1) Inleidend Hoofdstuk
- Vertrekkend van de beginselen van storingsrekenen uit de cursus computationele chemie wordt op sterk vereenvoudigde wijze aangetoond hoe een periodisch elektrisch en magnetisch veld overgang tussen toestanden kan teweegbrengen.
- Deeltje in een doos (1dimensioneel en 3-dimensionele balkvormige doos): bepalen van golffuncties, energiën, transitiedipolen
- Elektrisch en magnetisch transitiedipool
- Elementaire selectieregels (spin, u-g)
- Absorptie, geïnduceerde emissie, spontane emissie, Einsteincoëfficiënt
- Verband tussen molaire extinctiecoëfficiënt (uit inleiding analytische chemie) en Einsteincoëfficiënt
- Excitoninteractie
2) Magnetische resonantiespectroscopie in Fourier- en tijdsdomein
(elementaire basis gezien in Moleculaire Archtitectuur)
- Draai-impuls en magnetisch moment van een enkele kern en magnetisatie van een ensemble van kernen
- Selectieregels
- Invoeren van begrippen Larmorfrequentie, Rabifrequentie, precessie,
- Invoeren van de begrippen bandbreedte van (gepulste) excitatie, Free Induction Decay, relatie met spectrum in frequentiedomein voor NMR-spectroscopie
- Fenomenologische behandeling van longitudinale en transversale relaxatie, Blochvergelijkingen
- Onderscheid tussen homogene en inhomogene lijnbreedte
- Chemische shift en spin-spinkoppeling
- Oorsprong en gedetailleerde afleiding van verschillende types 1ste orde spectra en korte bespreking van 2de orde spectra
3) Rotatiespectroscopie:
- Starre rotator di-atomische moleculen: energieniveaus
- Rotatiespectra: selectieregels, energie en intensiteit van de lijnen
- Niet starre rotator
- Starre rotator poly-atomisch: energieniveaus en selectieregels
- Rotatiespectra
4) Vibratiespectroscopie
- De harmonische oscillator: klassiek en kwantummechanisch
- Infraroodspectra van di-atomische moleculen: energie van de lijnen en selectieregels
- De anharmonische oscillator: energiën en selectieregel, Morsepotentiaal
- Deuteriumisotoopeffect
- Poly-atomaire moleculen: normale modes en elementaire selectieregels
- Lineair dichroïsme
- Vibratierotatiespectra (di-atomische en lineaire moleculen)
5) Ramanspectroscopie
- Ramanvibratiespectroscopie: principe (klassiek)
- Polariseerbaarheidsellipsoïde
- Selectieregels voor Ramanvibratiespectroscopie
- Ramanrotatiespectroscopie (principe en selectieregels)
- Raman vibratie-rotatiespectra bij hoge en lage resolutie
- Resonantie-ramanspectroscopie en CARS
6) Atoomspectroscopie
- Waterstofatoom zonder spinorbitaalkoppeling
- Waterstofatoom met spinorbitaalkoppeling
- Waterstofachtige atomen en ionen (alkali-atomen) zonder en met spinorbitaalkoppeling
- Helium en heliumachtige atomen en ionen (aardalkali-atomen) zonder en met spin-orbitaalkoppeling
- Normaal en abnormaal Zeemanneffect
7) Elektronische spectroscopie van moleculen
7.1 Principes
- Born-Oppenheimer- en Franck-Condonbenadering, Franck-Condonintegraal
- Allure van lage resolutie absorptie- en fluorescentiespectra
- Hoog- en laagfrequente vibraties, invloed van solvent
7.2 Hoge resolutie absorptiespectra: elektronische-vibratie-rotatiespectra,
7.3 Welke elektronische overgangen zijn mogelijk
- Diatomische moleculen: aangeslagen toestanden en selectieregels
- Poly-atomische moleculen: singuletten en tripletten
7.4 Spectroscopie van pi-systemen
- Lineaire systemen (klassieke MO methoden (Hückel) en deeltje in de doos)
- Polymethines versus polyenen
- Cyclische systemen (klassieke MO methoden (Hückel) en deeltje in de doos)
- Plattnomenclatuur
8) ESR Spectroscopie
- Beginselen van ESR-spectroscopie (g-factor, isotrope hyperfijninteractie)
- ESR-spectra van radicalen in oplossing
- ESR-spectra van radicalen in vaste toestand (anisotropie van de hyperfijninteractie)
- Invloed van spin-orbitaalkoppeling op de g-factor
9) Circulair dichroïsme
- Definities en eenheden van optische rotatie en circulair dichroïsme
- Verband tussen moleculaire structuur en optische rotatie of circulair dichroïsme
- Rotatiesterkte
- Fysische basis voor geïsoleerde chromoforen
- Circulair dichroïsme en excitoninteractie
Studiemateriaal
Cursustekst op Toledo en verkrijgbaar (zwart-wit) via Scientia. Slides op Toledo. Handboek Fundamentals of Molecular Spectroscopy, N. Banwell (Mc Graw Hill Book Company). Verder studiemateriaal: Physical Chemistry van Atkins, Excited states and Photochemistry of Organic Molecules van M. Klessinger en J. Michl (VCH) voor pi-systemen en circulair dichroïsme.
Toelichting onderwijstaal
Nederlands
Toelichting werkvorm
Hoorcollege
2 sp. Spectroscopische meettechnieken: oefeningen (B-KUL-G0O49a)
Inhoud
1) Inleidend hoofdstuk
- Verband tussen molaire extinctiecoëfficiënt en absorbantie. Berekening van transitiedipolen, Einsteincoëfficiënten, oscillatorsterkte
- Berekening van energieniveaus, golffuncties en transitiedipolen voor een deeltje in een doos (1-dimensioneel en 3-dimensioneel)
- Berekening van excitoninteractie
2) NMR
- Berekening van Larmor- en Rabifrequenties, internucleair dipole-dipole interacties
- Berekening van allure en intensiteit van NMR-signalen
- Analyse en berekening van 1ste orde spectra
- Berekening van magnetisatie
- Berekeningen in verband met Bloch vergelijkingen
3 Rotatiespectroscopie:
- Starre rotator di-atomisch en lineair: berekenen van energieniveaus, positie en intensiteit van lijnen
- Niet-starre rotator: berekenen van energieniveaus en positie van lijnen
- Starre rotator poly-atomisch: berekenen van energieniveaus, positie en intensiteit van lijnen
- Bepalen gereduceerde massa en bindingslengte uit spectra van starre rotator
- Bepalen gereduceerde massa, krachtconstante en bindingslengte uit spectra van niet-starre rotator
4 Vibratiespectroscopie
- Bepalen energieniveaus, voor harmonische oscillator
- Bepalen toename van bindingslengte voor harmonische oscillator uit recursierelaties
- Bepalen gereduceerde massa en krachtconstante uit spectra van harmonische oscillator:
- Bepalen energieniveaus, voor anharmonische oscillator
- Bepalen gereduceerde massa, anharmoniciteitsparameter, bindingsenergie en krachtconstante uit spectra van anharmonische oscillator:
- Analyse van vibratierotatiespectra
5 Ramanspectroscopie
- Analyse van Ramanvibratiespectra: bepalen gereduceerde massa en krachtconstante uit spectra
- Analyse van Ramanrotatiespectra: bepalen gereduceerde massa en bindingslengte uit spectra
- Analyse van Ramanvibratierotatiespectra: bepalen gereduceerde massa, bindingslengte en krachtconstante uit spectra (hoge en lage resolutie)
6. Atoomspectroscopie
- Bepalen van type aangeslagen toestand, toepassen van selectieregels
- Berekenen van opsplitsing van energieniveaus door normaal en abnormaal Zeemanneffect
7. Elektronische molecule spectroscopie
- Analyse van vibronische spectra: bepalen gereduceerde massa, krachtconstante, anharmoniciteitsparameter en bindingsenergie voor elektronische grond- en aangeslagen toestand uit spectra
-Analyse van elektronische-vibratie-rotatiespectra: bepalen gereduceerde massa, bindingslengte, krachtconstante, anharmoniciteitsparameter en bindingsenergie voor elektronische grond- en aangeslagen toestand uit spectra
- Bepalen van type aangeslagen toestand van di-atomische moleculen, toepassen van selectieregels
- Bepalen van energieniveaus, golffuncties en transitiedipolen van lineaire geconjugeerde moleculen met Hückelbenadering en met “deeltje in een doos” benadering
- Bepalen van energieniveaus, golffuncties en transitiedipolen van cyclische geconjugeerde moleculen met Hückelbenadering en met “deeltje in een doos” benadering
8. ESR Spectroscopie
- Berekeningen in verband met g-factor en hyperfijninteractie
- Bepalen van spindichtheid uit EPR -spectra en uit Hückel moleculaire orbitalen
- ESR spectra van radicalen voorspellen en analyseren
9. Circulair dichroïsme
- Berekening van soortelijke en molaire molaire rotatie en ellipticiteit uit experimentele data, voorspellen van experimentele data
- Berekening of van rotatiesterkte in geïsoleerde chromoforen en aggregaten
Studiemateriaal
Oefeningen worden ter beschikking gesteld op Toledo.
Toelichting onderwijstaal
Nederlands
Toelichting werkvorm
Tijdens de oefenzittingen worden oefeningen samen opgelost nadat de studenten de tijd gekegen hebben zelf tot een oplossing te komen. Eventueel kan gevraagd worden tegen volgende zitting 1 of meer oefeningen voor te bereiden
Evaluatieactiviteiten
Evaluatie: Spectroscopische meettechnieken (B-KUL-G2O48b)
Toelichting
De vragen kunnen zowel van kwalitatieve aard zijn als het oplossen van numerieke problemen of meer abstracte berekeningen inhouden
Gedurende het semester stelt de docent de studenten examenvragen van het vorige academiejaar ter beschikking en is de docent bereid met hen de mogelijke antwoorden te bespreken/ mails hierover te beantwoorden.
De studenten wordt sterk aangeraden de vragen stapsgewijs op te lossen en (voor numerieke vragen) het berekend resultaat stap per stap te geven.
De resultaten bekomen op de verschillende vragen worden opgeteld om tot een totaalkwotatie te komen.