Химия твердого тела

Аннотация рабочей программы

дисциплины “Химия твердого тела”

 

Дисциплина «Химия твердого тела» является частью цикла ОПД по направлению подготовки «Химия». Дисциплина реализуется на Факультете естественных наук Национального исследовательского университета Новосибирский государственный университет кафедрой химии твердого тела ФЕН НГУ.

Содержание дисциплины охватывает круг вопросов, связанных с химией твердого тела: синтез и описание твердых тел, симметрия кристаллических структур, основные понятия кристаллографии и кристаллохимии, представления об экспериментальных методах изучения кристаллических структур, прежде всего это дифракция рентгеновских лучей, нейтронов и электронов, электронная структура твердых тел, связь между физическими свойствами и структурой твердых тел, дефекты в твердых телах, влияние дефектов на физические свойства и реакционную способность, методы контроля реакционной способности твердых тел, термодинамика и кинетика твердофазных реакций.

Дисциплина нацелена на формирование общекультурных компетенций ОК-2, ОК-8, ОК-14, ОК-17, ОК-27, профессиональных компетенций ПК-2, ПК-9, ПК-11, ПК-16, ПК-29, ПК-32, ПК-36 выпускника.

Преподавание дисциплины предусматривает следующие формы организации учебного процесса: лекции, практические занятия, задания, контрольные работы, самостоятельная работа студента.

Программой дисциплины предусмотрены следующие виды контроля: текущий контроль успеваемости в форме приема заданий, контрольных работ, промежуточный контроль в форме зачета и экзамена. Формы рубежного контроля определяются решениями Ученого совета, действующими в течение текущего учебного года.

Общая трудоемкость дисциплины составляет 5,5 зачетных единицы, 166 академических часов плюс экзамен. Программой дисциплины предусмотрены 54 часа на поток лекционных и 54 часа на подгруппу практических занятий, 2 часа консультаций, а также 36 часов самостоятельной работы студентов. Остальное время – контроль в форме приема заданий, контрольных работ, зачета и экзамена.

 


1. Цели освоения дисциплины

Основной целью освоения дисциплины является получение студентами знаний по теоретическим основам химии твердого тела, по экспериментальным методам изучения твердого состояния, овладение навыками решения практических задач в данной области науки.

Данный курс знакомит студентов с основными понятиями химии твердого тела: синтез и описание твердых тел, симметрия кристаллических структур, основные понятия кристаллографии и кристаллохимии, представления об экспериментальных методах изучения кристаллических структур, прежде всего это дифракция рентгеновских лучей, нейтронов и электронов, электронная структура твердых тел, связь между физическими свойствами и структурой твердых тел, дефекты в твердых телах, влияние дефектов на физические свойства и реакционную способность, методы контроля реакционной способности твердых тел, термодинамика и кинетика твердофазных реакций.

Для достижения поставленной цели выделяются задачи курса: ознакомление студентов с теоретическими основами и современным состоянием раздела науки «химия твердого тела»; ознакомление с экспериментальными методами изучения твердого состояния; обучение работе с литературными источниками; обучение студентов пользоваться полученными знаниями при решении практических задач в области химии твердого тела.

 

2. Место дисциплины в структуре ООП

Дисциплина «Химия твердого тела» является частью цикла ОПД по направлению подготовки «химия».

Дисциплина «Химия твердого тела» опирается на следующие дисциплины данной ООП:

  • Физическая химия;
  • Неорганическая химия;
  • Органическая химия;
  • Физика;
  • Математика.

Результаты освоения дисциплины «Химия твердого тела» используются в следующих дисциплинах данной ООП:

  • Общая химическая технология;
  • Супрамолекулярная химия;
  • специальные дисциплины по специализации “химия твердого тела”;

3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины «Химия твердого тела»:

  • общекультурные компетенции: ОК-2, ОК-8, ОК-14, ОК-17, ОК-27;
  • профессиональные компетенции: ПК-2, ПК-9, ПК-11, ПК-16, ПК-29, ПК-32, ПК-36.

В результате освоения дисциплины обучающийся должен:

  • знать основные понятия химии твердого тела, теорию в рамках представленной программы;
  • уметь проводить литературный поиск, анализировать химическую информацию, выделяя основные проблемы из области химии твердого тела, предлагать пути их решения;
  • владеть навыками решения практических задач химии твердого тела из разделов: описание симметрии кристаллических структур, рентгенография, дефекты в твердых телах.

4. Структура и содержание дисциплины

Общая трудоемкость дисциплины составляет 5,5 зачетных единиц, 166 часов плюс экзамен.

№ п/п

Раздел дисциплины

Семестр

Неделя  семестра

Виды учебной работы, включая самостоятельную работу студентов и
трудоемкость

 (в часах)

Формы текущего контроля успеваемости
(по неделям семестра)

Форма промежуточной аттестации
(по семестрам)

Лекция

Семинары

Самост. работа

Задание, контр. работа

Зачет

Консультация

Экзамен

 

1.1

Введение. Химия твердого тела как раздел химической науки. Описание симметрии кристаллических структур. Часть1. Закрытые операции симметрии. Точечные группы симметриир. Сочетание операций симметрии. Трансляционная симетрия, решетки Бравэ. Элементарная ячейка. Кристаллические системы (сингонии).

5

1

4

2

2

1.2

Описание симметрии кристаллических структур. Часть2. Открытые операции симметрии. Пространственные группы симметрии. Кристаллографические классы. Правильные системы точек. Частные и общие позиции. Симметрия и кратность позиции. Информация в Международных таблицах.

5

2

2

4

2

1.3

Влияние характера химической связи на структуру кристалла. Основные структурные типы. Полиморфизм и политипизм. Плотнейшие и плотные упаковки в моноатомных, молекулярных, бинарных кристаллах. Описание структур в координационных полиэдрах. Структуры силикатов. Поверхность кристаллов, равновесная форма кристаллов.

5

3

4

2

2

2.1

Дифракционные методы исследования структуры кристаллов. Основные варианты дифракционных методов. Виды излучения, используемого для дифракционного изучения структуры. Обратная решетка, индексы Миллера. Условия Лауэ. Уравнение Вульфа-Брэггов.

5

4

2

4

2

4

Прием задания 1, см. п. 6

2.2

Структурная амплитуда. Условия погасания. Метод порошка, основные принципы. Факторы, определяющие интенсивность рефлексов. Индицирование порошковых дифрактограмми и расчет параметров элементарной ячейки. Влияние на дифракционную картину размера частиц, образования сверхструктур, наноструктур, микронапряжений.

5

5

4

2

2

2

Контрольная работа 1, см. п. 6

2.3

Предсказание кристаллических структур.

Некристаллические твердые тела: несоразмерные структуры, квазикристаллы, аморфные твердые тела. Жидкие кристаллы.

5

6

2

4

2

3.1

Точечные дефекты в кристаллах, основные виды. Беспорядок по Френкелю и Шоттки. Равновесная концентрация тепловых точечных дефектов. Точечные дефекты, обусловленные присутствием примесных атомов. Квазихимические равновесия.

5

7

4

2

2

3.2

Точечные дефекты, обусловленные нестехиометрией кристаллов. Влияние внешней атмосферы на концентрацию точечных дефектов. Основные виды нестехиометрии в оксидах металлов.

5

8

2

4

2

3.3

Электронное строение металлов и диэлектриков, собственных и примесных полупроводников. Связь электронных свойств окислов с их нестехиометрией

5

9

4

2

2

3.4

.Диффузия в твердых телах. Основные механизмы диффузии. Диффузия в поле механических напряжений, эффект Горского. Диффузия и химические реакции с участием твердых тел.

5

10

2

4

2

4

Прием задания 2, см. п. 6

3.5

Ионная проводимость в кристаллах. Влияние примесных атомов на ионную проводимость. Изотерма Коха-Вагнера. Ионная проводимость суперионников.

5

11

4

2

2

2

Контрольная работа 2, см. п. 6

3.6

Протяженные дефекты, основные виды. Дислокации, контур и вектор Бюргерса. Краевые и винтовые дислокации, основные виды движения.

5

12

2

4

2

4.1

Реакционная способность твердых веществ, роль идеальной структуры, дефектов, диффузии, механических напряжений. Обратная связь. Управление реакционной способностью твердых веществ.

5

13

4

2

2

4.2

Пространственное развитие реакций в твердых телах. Факторы, влияющие на него и способы управления. Топохимические и топотаксиальные реакции. Метод предшественника. Влияние предыстории твердого образца на его реакционную способность.

5

14

2

4

2

4.3

Размерные эффекты в химии твердого тела. Нанокристаллы, классификация, особенности строения, условия формирования. Сверхструктуры, модулированные структуры. Паракристаллы. Методы исследования наноматериалов. Методы синтеза нанокристаллических порошков.

5

15

4

2

2

4.4

Термоаналитические методы в химии твердого тела. Термогравиметрия, термомеханический анализ, дифференциальная сканирующая калориметрия для решения задач химии твердого тела. Электрохимия твердого тела.

5

16

2

4

2

4

Прием задания 3, см. п. 6

4.5

Механохимия, особенности механохимических превращений. Три основных направления механохимии. Типы механического воздействия, типы мельниц. Механизмы механохимических реакций.

5

17

4

2

2

2

Контрольная работа 3, см. п. 6

4.6

Влияние давления на структуры твердых тел. Металло-органические каркасные структуры – принципы дизайна, применения. Применение химии твердого тела в фармации и материаловедении.

5

18

2

4

2

5

2

 

 

Зачет

5

 

 

 

 

 

2

 

 

5

 

 

 

 

 

 

 

Экзамен

Итого часов (на 6 подгрупп)

54

54

36

18

2

2

 

 

5. Образовательные технологии

Занятия проводятся в традиционной лекционно-семинарской системе обучения. Часть лекций читаются приглашенными профессорами, крупными специалистами в области химии твердого тела из зарубежных университетов и иститутов СО РАН. Кроме того студенты выполняют три самостоятельных задания в семестре, часть заданий предполагает работу в команде, часть заданий выполняется в режиме индивидуального обучения.

6. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины

На протяжении всего курса запланирована самостоятельная работа студентов: работа с литературой, выполнение трех заданий. Проводятся три контрольные работы. Оценка, полученная за контрольную работу, учитывается при выставлении зачета. В конце курса ставится зачет по результатам работы на семинарах, проводится экзамен. Примеры заданий, даваемых студентам для самостоятельной работы, контрольных работ, приведены в рукописи УМК Е.В. Болдыревой “Введение в химию твердого тела”, в учебно-методическом пособии Павлова С.В., Болдыревой Е.В. “Типовые задачи по химии твердого тела. Рентгенография”. Экзаменационные вопросы и материалы лекций в виде презентаций представлены на сайте ФЕН НГУ: http://fen.nsu.ru/fen.phtml?topic=meth.

7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины

а) основная литература:

  1. Ярославцев А.Б. Химия твердого тела. М., Изд-во Научный мир, 2009.
  2. Чупрунов Е.В., Хохлов А.Ф., Фадеев М.А. Основы кристаллографии. М., Физматлит, 2006.
  3. Жуковский В. М. Краткая история химии твердого тела // Информационный вестник Уральского отделения РАН, 2006, № 1, с. 30-35, № 2, с. 39-42.
  4. Болдырев В.В. Химия твердого тела, вчера и сегодня // Журнал Российского химического общества им. Менделеева, т. 44, 2000, с. 14-24.
  5. Бутягин П.Ю. Химическая физика твердого тела. М., изд-во МГУ, 2006.
  6. Третьяков Ю.Д. Введение в химию твердофазных материалов. М., изд-во МГУ, 2006.
  7. Сергеев Г.Б. Нанохимия. М., изд-во МГУ, 2003.
  8. Уваров Н.Ф., Болдырев В.В. Размерные эффекты в химии твердого тела // Успехи химии, т. 70, 2001, с. 307.
  9. Бокштейн Б.С., Ярославцев А.Б. Диффузия атомов и ионов в твердых телах. М., изд-во МИСиС, 2005.
  10. Уваров Н.Ф. Композиционные твердые электролиты. Новосибирск, изд-во СО РАН, 2008.
  11. Пущаровский Д.Ю. Рентгенография минералов. М.: ЗАО «Геоинформмарк», 2000.
  12. Бернштейн Дж. Полиморфизм молекулярных кристаллов / Пер. с англ.; под ред. М.Ю. Антипина, Т.В. Тимофеевой. М.: Наука, 2007.

б) дополнительная литература:

  1. Болдырева Е.В. Описание симметрии кристаллических структур. Новосибирск: Изд-во Новосиб. ун-та, 1993.
  2. Вест А. Химия твердого тела и ее приложения. В 2-х томах. М.: Мир, 1988.
  3. Ляхов Н.З. Химия твердого тела. Новосибирск: Изд-во Новосиб. ун-та, 1991.
  4. Ашкрофт Н., Мермин Н. Физика твердого тела. М.: Мир, 1973.
  5. Бокий Г.Б. Кристаллохимия. М.: Наука, 1971.
  6. Павлов С.В., Болдырева Е.В. Типовые задачи по химии твердого тела. Рентгенография. Новосибирск: Изд-во Новосиб. ун-та, 1998.
  7. Лидьярд А. Ионная проводимость кристаллов.М.: Иностр. лит., 1962.
  8. Нанотехнологии в ближайшем десятилетии. Прогноз, направления исследований. Сборник./ Под ред. Рока М., Уильямса Р.С., Аливисатоса П.М., Изд-во Мир, 2002.
  9. Новиков И.И., Розин К.М. Кристаллография и дефекты в кристаллической решетке. М.: Наука, 1990.
  10. Порай-Кошиц М.А. Основы структурного анализа химических соединений. М.: Высш. шк., 1989.
  11. Современная кристаллография / Под ред. Б.К. Вайнштейна. М.: Наука, 1979.
  12. Третьяков Ю.Д. Твердофазные реакции. М.: Химия, 1978.
  13. Парсонидж Н., Стейвли Л. Беспорядок в кристаллах. М.: Мир, 1982.
  14. Китайгородский А.И. Молекулярные кристаллы. М.: Наука, 1971.

в) программное обеспечение и Интернет-ресурсы:

  1. Сайт Кембриджского банка данных ССDC http://www.ccdc.cam.ac.uk/.
  2. Кристаллографический сервер Бильбао http://www.cryst.ehu.es/.

8. Материально-техническое обеспечение дисциплины

  • Ноутбук, медиа-проектор, экран.
  • Программное обеспечение для демонстрации слайд-презентаций.

Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом рекомендаций и ПрООП ВПО по направлению «Химия» и профилю подготовки «Химия».

Автор:                                                                            Болдырева Елена Владимировна

д.х.н., профессор ФЕН НГУ

гл.н.с. ИХТТМ СО РАН