1.1 Спецкурс факультета Естественных наук Новосибирского Государственного Университета
реализуется в рамках специальности “Кинетика и катализ”. Относится к естественно-научным дисциплинам, к вузовской компоненте.

Оптическая спектроскопия в адсорбции и катализе предназначена для исследований химических процессов, протекающих на поверхности высокодисперсных твердых тел (катализаторов), в том числе, для идентификации центров адсорбции органических и неорганических молекул, расшифровки структуры поверхностных интермедиатов и исследования их реакционной способности.
Кроме этого, методами оптической спектроскопии проводятся исследования электронного состояния катионов переходных металлов в структуре твердых тел и фазового состава аморфных веществ.

Основной целью освоения дисциплины является получения набора знаний, позволяющих проводить квалифицированный анализ научной литературы по теме "гетерогенный катализ", делать выбор методов исследования в собственных научных работах, уметь проводить простейшие работы с применением методов оптической спектроскопии.

Для достижения поставленной цели выделяются следующие задачи курса:

1. Получение базовой информации о методах колебательной спектроскопии (ИКС, КРС), УФ-Вид спектроскопии, в том числе о природе колебательных и электронных спектров, методах регистрации спектров, устройстве оптических приборов.
2. Освоение терминологии, используемой в оптической спектроскопии, в том числе терминов описания свойств поверхности твердого тела (понятие кислотности поверхности, шкалы измерения силы кислотных центров).
3. Систематизация областей применения оптической спектроскопии в адсорбции и катализе.
4. Освоение методов приготовления образцов для изучения ИК спектров адсорбированных молекул.
5. Освоение работы на современном ИК Фурье спектрометре.
6. Ознакомление с методами обработки спектральной информации, в том числе измерения числа и силы кислотных центров на поверхности гетерогенных катализаторов.

По окончании изучения указанной дисциплины студент должен:

• Иметь представление
  • о современных возможностях оптической спектроскопии в гетерогенном катализе,
  • о температурном диапазоне измерений,
  • о возможностях работы в условиях in situ,
  • об особенностях использования разных методов оптической спектроскопии, в том числе спектроскопии комбинационного рассеяния, ИК-Фурье спектроскопии, УФ-Вид спектроскопии и флюориметрии.
  • о методологии применения оптической спектроскопии для изучения механизмов каталитических реакций на поверхности.
• Знать устройство и принципы работы современных оптических спектрометров, шкалы, используемые для представления спектров поглощения и излучения, физические законы, определяющие происхождение колебательных и электронных спектров.
• Уметь
  • приготовить образцы для изучения ИК спектров адсорбированных молекул, УФ-Вид спектров порошков гетерогенных катализаторов.
  • производить математическую обработку полученных спектров для получения количественной информации о свойствах поверхности.

Итоговый контроль.
Для контроля усвоения дисциплины учебным планом предусмотрен дифференцированный зачет.

Текущий контроль.
В течение изучения спецкурса выполняются контрольные работы, задания, задаются вопросы по терминологии, используемой в спецкурсе. Выполнение указанных видов работ является обязательным для всех студентов, а результаты текущего контроля служат основанием выставления оценок в ведомость контрольной недели на факультете.

2.1 Новизна курса.

Данный спецкурс является полностью оригинальным, за рубежом, как правило, подобные спецкурсы входят в планы индивидуальной подготовки отдельных студентов, в России подобные спецкурсы имеются в ограниченном числе ВУЗов, таких как МГУ и СпбГУ, в других ВУЗах отсутствует современная аппаратурная база для их проведения. Данный спецкурс позволяет студентам НГУ, специализирующимся в области гетерогенного катализа, быстро адаптироваться для научных исследований в области гетерогенного катализа.

2.2 Тематический план.

1. Общее знакомство с методами оптической спектроскопии в адсорбции и катализе
   - область энергий электромагнитного излучения, подпадающих под методы оптической спектроскопии,
   - выделение колебательной спектроскопии, (ИКС и КР), УФ-вид спектроскопии и флюориметрии,
   - краткая история использования методов оптической спектроскопии в адсорбции и катализе,
   - современное использование методов оптической спектроскопии в гетерогенном катализе.
2. Природа колебательных спектров и УФ-Вид спектров
   - понятие колебательных переходов, выделение энергетических уровней, соответствующих колебаниям молекул,
   - понятие электронных переходов, отвечающих УФ-Вид диапазону электромагнитного излучения,
   - колебания двухатомных молекул, гармоническое приближение, потенциал Морзе,
   - колебания многоатомных молекул, связь числа колебаний с симметрией молекул и числом атомов,
   - интенсивность поглощения, правила отбора, симметрия колебаний,
   - характеристические полосы поглощения,
   - понятие хромофорной группы,
   - связь структуры соединений с их ИК и УФ спектрами,
   - простейшие методы анализа спектров.
3. Устройство современных спектрометров
   - двухлучевые спектрометры, источники излучения, монохроматоры, приемники излучения,
   - Фурье спектрометры, интерферометры, принципы обработки информации,
   - устройство КР спектрометров, лазерные источники излучения,
   - флуориметры.
4. Характеризация поверхности гетерогенных катализаторов с помощью ИКС адсорбированных молекул.
   - фунциональные группы на поверхности катализаторов,
   - метод спектральных зондов, используемые зонды,
   - понятие силы кислотных центров, основных центров,
   - разделение на Льюисовские и Бренстедовские центры,
   - шкала сродства к протону (РА) для измерения силы бренстедовских кислотных центров,
   - понятие жестких и мягких кислот и оснований,
   - теплота адсорбции как мера силы льюисовских центров,
   - методы измерения силы центров,
   - проведение эксперимента по низкотемпературной адсорбции СО на поверхности оксидного катализатора.
5. Использование ИКС при изучении механизмов каталитических реакций.
   - методология применения ИКС для изучения механизмов каталитических реакций,
   - примеры эффективного использования метода,
   - изучение механизмов реакций в условиях in situ.
6. Количественные измерения в спектроскопии адсорбированных молекул.
   - закон Бугера-Ламберта-Бера для измерения поверхностных концентраций,
   - измерение числа центров, понятие стехиометрии взаимодействия центров и молекул зондов.
7. Применение УФ-Вид спектроскопии в гетерогенном катализе.
   - теория кристаллического поля и поля лигандов, специфика d-елементов,
   - спектры органических молекул, хромофорные группы, влияние строения органических молекул.
8. Использование пакета HiperChem для анализа колебаний газовых молекул
   - расчет ИК спектров простейших органических молекул,
   - анализ формы колебания путем визуализации колебаний молекул.
9. Приготовление образцов для изучения спектров адсорбированных молекул
   - приготовление таблеток из порошков катализаторов с толщиной порядка 0.1 мм и размерами 1х3 см.
10. Регистрация спектров диффузного отражения образцов гетерогенных катализаторов.
    - регистрация ИК спектра порошка катализатора на Фурье спектрометре с приставкой диффузного отражения.
    - регистрация УФ-Вид спектра порошка катализатора на двухлучевом спектрометре с приставкой диффузного отражения.
11. Количественная обработка спектральной информации в программном пакете ORIGIN
    - подготовка спектра для работы с программой, перевод стандарта спектрометра в DAT файл,
    - построение спектра, -корректировка базовой линии, -разложение суммарного контура на индивидуальные компоненты.
    - измерение концентрации кислотных центров.
12. Прием задач в рамках дифф.зачета.
    - самостоятельный расчет колебательного спектра простой органической молекулы,
    - прием результата расчета поверхностных концентраций адсорбированного СО.

3.1 Темы рефератов не предусмотрены

3.2 Образцы вопросов для подготовки к зачету.

• Принципы работы и устройство двухлучевого спектрометра.
  
• Принципы работы и устройство Фурье спектрометров.
  
• Устройство интерферометра Майкельсона.
  
• Природа и происхождение ИК спектров.
  
• Природа и происхождение УФ-Вид спектров.
  
• Закон Бугера Ламберта-Бера,
  
• Применение ИКС для изучения механизма реакций,
  
• Применение УФ-Вид спектроскопии для изучения состояния переходных металлов в катализаторах,
  
• Понятие силы кислотного центра.
  
• Измерение концентрации центров на поверхности.
  
• Характеристичность ИК спектров.
  
• Метод молекулярных зондов

1. Паукштис Е.А. “Применение ИК спектроскопии в гетерогенном кислотно-основном катализе. - Новосибирск, Наука 1992.
2. Давыдов А.А. “ИК спектроскопия адсорбированных молекул на окислительных катализаторах”. - Новосибирск, Наука, 1982.
3. Литтл Л. “ИК спектры адсорбированных молекул”. - М.: Мир, 1967.
4. Киселев А.В., Лыгин В.И. “ИК спектры поверхностных соединений и адсорбированных молекул” - М.: Наука, 1973.