523 كيم

وصف مقرر: طرق فيزيائية في الكيمياء غير العضوية

رمز المقرر: (523 كيم / 523 CHEM)
المستوى: ماجستير (Master of Science)
عدد الوحدات الدراسية: 2 ساعات معتمدة (نظري)

1. مقدمة ووصف المقرر (Course Description)

يهدف هذا المقرر المتقدم إلى تزويد طَلَبة الدراسات العليا بالفهم العميق والمبادئ الفيزيائية والنظرية لأهم التقنيات الطيفية والفيزيائية المستخدمة لتوصيف المركبات الكيميائية غير العضوية، ومعقدات العناصر الانتقالية، والمواد النانوية. يركز المقرر على ربط النظرية بالتطبيق العملي من خلال تدريب الطالب على كيفية قراءة وتفسير الأطياف المختلفة (Spectra Interpretation) لفك لغز البنية الهندسية (3D Structure)، ومعرفة الحالة الإلكترونية والمغناطيسية، وتحديد حالات الأكسدة والترابط للمركبات الكيميائية الجديدة.

2. أهداف المقرر (Course Objectives)

بعد استكمال هذا المقرر، سيكون الطالب قادراً على:

استيعاب المبادئ الفيزيائية وميكانيكية عمل الأجهزة الطيفية المختلفة وكيفية تفاعلها مع الإلكترونات أو الأنوية.
استخدام الأطياف الإلكترونية (UV-Vis) لتحديد حالات الأكسدة، ومعاملات الانفصام الكريستالي (Δo)، وتقدير الصفة التساهمية (Nephelauxetic Effect).
تطبيق مطيافية الاهتزاز (IR/Raman) للتمييز بين أنماط التناسق المختلفة لليجاندات (مثل الكربونيل الطرفي والجسري).
تحليل أطياف الرنين المغناطيسي النووي (NMR) للأنوية غير العضوية المختلفة وتفسير ثوابت الاقتران وظاهرة التوابع (Satellites).
استخدام رنين مغزل الإلكترون (EPR/ESR) لتوصيف المعقدات البارامغناطيسية وتحديد التماثل الجزيئي والانقسام فوق الدقيق.
فهم وتطبيق مطيافية موسباور (Mössbauer) لمركبات الحديد والقصدير وتحديد حالات الأكسدة والسبين بدقة.
استنباط الهيكل البنائي الثلاثي الأبعاد النهائي بواسطة حيود الأشعة السينية للبلورة الواحدة (SC-XRD).

3. محتوى المقرر الأسبوعي (Course Outline)

الأسبوع 1-3: الأطياف الإلكترونية لمعقدات العناصر الانتقالية (Electronic Spectroscopy)

مبادئ الامتصاص والانتقالات الإلكترونية، وقانون بير-لامبرت.
حالات الإثارة، الرموز الطيفية (Term Symbols)، الحالات الدقيقة (Microstates)، وقواعد الاختيار (Spin & Laporte rules).
مخططات الطاقة، حسابات طاقة الانفصام للمدارات، ومعاملات راكاح (Racah parameters).

الأسبوع 3-5: مطيافية الاهتزاز والدوران (Vibrational & Rotational Spectroscopy)

المبادئ النظرية لمطيافية الأشعة تحت الحمراء (IR) ورامان (Raman).
قواعد الاختيار وقانون الاستبعاد المتبادل للجزيئات المتماثلة مركزياً.
دراسة تطبيقية: أطياف الكربونيل الفلزي (M-CO)، التمييز بين الليجاندات الطرفية والجسرية، وتأثير الترابط الخلفي (π-backbonding).
مقدمة في طيف الدوران (Microwave) وشروطه للغازات القطبية.

الأسبوع 6-8 الرنين المغناطيسي النووي غير العضوية (Inorganic NMR Spectroscopy)

المبادئ الفيزيائية، الإزاحة الكيميائية (δ)، وظاهرة الحجب الإلكتروني (Shielding).
اقتران المغازل النووية وتفسير ثوابت الاقتران (J-coupling).
دراسة الأنوية غير البروتونية النشطة كيميائياً (مثل: ¹³C, ¹⁹F, ³¹P, ¹⁹⁵Pt).
ميكانيكية تكون توابع البلاتين (Platinum Satellites) وتأثير المواد البارامغناطيسية على طيف الـ NMR.

الأسبوع 9-10: رنين مغزل الإلكترون (EPR / ESR Spectroscopy)

آلية عمل الجهاز، وتفاعل زيمان الإلكتروني (Electron Zeeman Effect).
دراسة المعقدات البارامغناطيسية (الإلكترونات المنفردة، S ≠ 0).
معامل الانحراف (g-value) والـ g-anisotropy وعلاقتها بالتناظر المحوري أو المعيني للمركب.
الانقسام فوق الدقيق (Hyperfine Splitting) الناتج عن التفاعل مع الأنوية المغناطيسية.

الأسبوع 11-12: مطيافية موسباور (Mössbauer Spectroscopy)

ظاهرة الانبعاث والامتصاص المرن لأشعة غاما دون ارتداد (The Mössbauer Effect) في الحالة الصلبة.
تكنيك حركة المصدر الميكانيكية وتأثير دوپلر (Doppler Shift).
ميكانيكية الإزاحة المتماثلة (Isomer Shift) وعلاقتها بكثافة إلكترونات المدار s.
الانفصام رباعي الأقطاب (Quadrupole Splitting) وعلاقته بعدم التماثل الكهرومغناطيسي المحيط بنواة ⁵⁷Fe.

الأسبوع 12-13: حيود الأشعة السينية والتحليل البنائي المتكامل (XRD & Integrated Analysis)

مبادئ حيود الأشعة السينية وقانون براغ (nλ = 2d sin θ).
الفرق بين حيود البلورة الواحدة (SC-XRD) للتحديد البنائي الجديد، وحيود المسحوق (PXRD) لطباعة البصمة والنقاء.
خريطة الكثافة الإلكترونية وحساب أطوال وزوايا الروابط بدقة.
دراسات حالة متكاملة (Case Studies): كيف يكمل كل جهاز الآخر لحل لغز معقد كيميائي مجهول بالكامل (ربط بيانات XRD, Mössbauer, EPR, NMR, IR).

4. استراتيجيات التدريس والتعلم (Teaching Methodologies)

محاضرات نظرية تعتمد على العروض التقديمية والسبورة التفاعلية لشرح الميكانيكيات الفيزيائية.
حلقات نقاشية (Seminars) يقوم فيها الطلاب بعرض أوراق بحثية حديثة منشورة وتحليل أطيافها.
جلسات حل مشكلات (Problem-Solving Sessions) لتدريب الطلاب عملياً على حل وتفسير الأطياف المعقدة.

5. المراجع المقترحة (Recommended Textbooks)

Inorganic Chemistry – Shriver, Atkins, Weller, Overton, Rourke & Armstrong (الفصول الخاصة بالتوصيف الطيفي).
Physical Methods for Chemists – Russell S. Drago (المرجع الكلاسيكي الأعمق لميكانيكيات الأجهزة).
Structural Methods in Molecular Inorganic Chemistry – D. W. H. Rankin, N. W. Mitzel, D. A. Wann.

د. خالد بن عبدالله الرشيدي