Химия поверхности твердых тел

Аннотация рабочей программы

дисциплины “Химия поверхности твердых тел”

 

Дисциплина «Химия поверхности твердых тел» является частью цикла специальных дисциплин по направлению подготовки «Химия», профиль «Химия твердого тела». Дисциплина реализуется на Факультете естественных наук Национального исследовательского университета Новосибирский государственный университет кафедрой Химии твердого тела.

Содержание дисциплины охватывает круг вопросов, связанных с общими положениями науки о поверхности твердых тел и наноразмерных объектах и последними достижениям в данных областях, в том числе, полученными в НИУ НГУ и Институтах Сибирского отделения РАН.

Дисциплина нацелена на формирование общекультурных компетенций ОК-6, ОК-8, ОК-16, ОК-19, ОЛ-21, ОК-28, профессиональных компетенций ПК2, ПК-9, ПК-11, ПК-18, ПК-31, ПК-32, ПК-36 выпускника.

Преподавание дисциплины предусматривает следующие формы организации учебного процесса: лекции, самостоятельная работа студента.

Программой дисциплины предусмотрены следующие виды контроля: текущий контроль в форме контроля посещаемости. Формы рубежного контроля определяются решениями Ученого совета, действующими в течение текущего учебного года.

Общая трудоемкость дисциплины составляет 2,5 зачетные единицы, 50 академических часов плюс экзамен. Программой дисциплины предусмотрены 32 часа лекционных занятий, а также 16 часов самостоятельной работы студентов, 2 часа консультаций.

 


1. Цели освоения дисциплины

Дисциплина «Химия поверхности твердых тел» имеет своей целью формирование у слушателей целостного представления об объектах и методах исследования в области науки о поверхности и наноразмерных объектах. Знакомство слушателей с основами термодинамики и кристаллографии поверхности твердых тел и наноразмерных объектов, а также с процессами, протекающими на поверхности, как-то: адсорбция, гетерогенные реакции, катализ и т.д. Знакомство с современными методами исследования поверхности, такими как: сканирующая зондовая микроскопия, электронная микроскопия, in situ электронная спектроскопия и т.д. Данное знакомство не ограничивается теоретическими основами методов. Проведение экскурсий в соответствующие лаборатории и мастер-классов позволяет слушателям составить целостное представление об экспериментальных возможностях науки о поверхности. Интерактивная часть курса позволяет студентам применить теоретические знания, полученные на лекционных занятиях, и приобрести полезные навыки на практике в ходе анализа задач, представляющих для них интерес, с использованием современного программного обеспечения. Лекционная часть курса также подразумевает презентацию последних мировых достижениями в области науки о поверхности и нанотехнологии.

 

2. Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата

Дисциплина «Химия поверхности твердых тел» является частью цикла специальных дисциплин по направлению подготовки «Химия» и профилю подготовки «Химия твердого тела».

Дисциплина «Химия поверхности твердых тел» опирается на следующие дисциплины данной ООП:

  • Физическая химия;
  • Химическая термодинамика;
  • Химическая кинетика;
  • Квантовая химия;
  • Химия твердого тела;
  • Атомная и молекулярная физика.

Результаты освоения дисциплины «Химия поверхности твердых тел» используются в следующих дисциплинах данной ООП:

  • Институтская практика

3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины «Химия поверхности твердых тел»:

  • общекультурные компетенции: ОК-6, ОК-8, ОК-16, ОК-19, ОЛ-21, ОК-28;
  • профессиональные компетенции: ПК2, ПК-9, ПК-11, ПК-18, ПК-31, ПК-32, ПК-36.

В результате освоения дисциплины обучающийся должен:

- иметь представление об объектах и методах исследования в химии поверхности твердого тела, а также о современном положении дел в данной области знаний;

- знать основные теоретические положения из области термодинамики и кристаллографии поверхности твердых тел и наноразмерных объектов, а также адсорбции, кинетики гетерогенных реакций и основ гетерогенного катализа;

- уметь свободно оперировать базовыми понятиями предложенной области знаний, как-то: уметь расшифровывать принятые в литературе обозначения поверхностных структур, извлекать полезную информацию из данных физических методов исследования поверхности и т.д.;

- обращаться с доступным программным обеспечением и базами данных, представляющими интерес для науки о поверхности.

 

4. Структура и содержание дисциплины

Общая трудоемкость дисциплины составляет 2,5 зачетные единицы, 50 академических 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

Лабор. работа

Самост. работа

Консультация

Экзамен

1.1

Введение. Общие понятия «науки о поверхности»

8

1

2

1

1.2

Методы приготовления: чистых поверхностей монокристаллов; нанокластеров; адсорбентов

8

2

2

1

1.3

Методы исследования поверхности твердых тел – 1

3

2

1

1.4

Методы исследования поверхности твердых тел – 2

8

4

2

1

1.5

Методы исследования адсорбционных процессов

8

5

2

1

1.6

Кристаллография поверхности твердых тел

8

6

2

1

1.7

Основы термодинамики поверхности и дисперсных систем -  1

8

7

2

1

1.8

Основы термодинамики поверхности и дисперсных систем -  2

8

8

2

1

1.9

Поверхностная диффузия

8

9

2

1

2.1

Элементы теории роста кристаллов

8

10

2

1

2.2

Адсорбция

8

11

2

1

2.3

Кинетика реакций на поверхности твердых тел

8

12

2

1

2.4

Закономерности процесса окисления металлов

8

13

2

1

 

2.5

Закономерности процессов испарения твердых тел

8

14

2

1

2.6

Закономерности процессов растворения твердых тел

8

15

2

1

2.7

Основы гетерогенного катализа

8

16

2

1

8

17

2

8

3

Экзамен

32

 

16

2

 

 

5. Образовательные технологии

Основные образовательные технологии: лекционная система обучения, а также обучение на основе опыта. В дополнение к традиционным лекционным формам студентам предоставляется возможность разобрать научные задачи, находящиеся в рамках тематики курса, и представляющие интерес для слушателей. Слушатели имеют возможность анализа спектроскопических и микроскопических данных, полученных, например, в ходе выполнения дипломной практики, с применением современного программного обеспечения. Использование последнего подразумевает мастер-классы экспертов по данному обеспечению. В распоряжении студентов все пакеты программ, рассматриваемые в ходе проведения курса. Это позволяет слушателям использовать данное обеспечение в ходе самостоятельной работы. В распоряжении слушателей полный доступ к необходимым базам данных, представляющих интерес для науки о поверхности. Кроме того, в рамках курса проводятся экскурсии в лаборатории исследования поверхности Институтов Сибирского отделения РАН и Новосибирского государственного университета, подразумевающее знакомство и общение с ведущими специалистами в данной области знаний.

Удельный вес интерактивных форм обучения определяется составом аудитории и близостью их научных интересов тематике курса, и составляет не менее 30% аудиторных занятий.

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

Рекомендуемый режим работы: лекционные и семинарские занятия – 2 часа в неделю; самостоятельные занятия с обязательной и дополнительной литературой, а также программным обеспечением – 1 час в неделю.

Система промежуточной аттестации: выставление оценок в контрольные недели по итогам проверки, которая проводится в два этапа: 1) письменная самостоятельная работа – ответы на контрольные вопросы и 2) устное собеседование со слушателем на основе вопросов письменной работы, позволяющее выставить окончательную оценку. Кроме того, учет посещаемости лекционных занятий в ходе семестра.

Итоговая оценка выставляется по итогам устного экзамена с использованием экзаменационных билетов. Перед экзаменом проводится консультация.

Перечень примерных контрольных вопросов и заданий для самостоятельной работы.

 

  1. Перечислить основные этапы приготовления чистой поверхности монокристаллов.
  2. Описать способы создания нанокластеров: «вакуумные методы».
  3. Описать способы создания нанокластеров: «химические методы».
  4. Перечислить критерии, используемые при классификации адсорбентов.
  5. Описать методику формирования углеродного пористого материала «Сибунит» с точки зрения формирования текстуры адсорбента.
  6. Описать методику формирования углеродного пористого материала КВУ (каталитический волокнистый углерод) с точки зрения формирования текстуры адсорбента.
  7. Описать основные этапы формирования текстуры оксидного адсорбента в методе осаждения на примере силикагеля.
  8. На чем основан спектроскопический метод исследования поверхности твердых тел: рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФЭС)?
  9. На чем основан спектроскопический метод исследования поверхности твердых тел: Оже-электронная спектроскопия (ОжеЭС)?
  10. На чем основан спектроскопический метод исследования поверхности твердых тел: инфракрасная спектроскопия (ИКС)?
  11. На чем основан спектроскопический метод исследования поверхности твердых тел: масс-спектрометрия вторичных ионов (МСВИ)?
  12. В чем физическая суть структурного метода исследования поверхности: дифракция медленных электронов (ДМЭ)?
  13. В чем суть текстурного метода исследования поверхности: ртутная порометрия?
  14. На чем основан микроскопический метод исследования поверхности твердых тел: электронная микроскопия (ЭМ)?
  15. На чем основан микроскопический метод исследования поверхности твердых тел: сканирующая туннельная микроскопия (СТМ)?
  16. На чем основан микроскопический метод исследования поверхности твердых тел: атомно-силовая микроскопия (АСМ)?
  17. В чем состоит волюмометрический метод исследования изотермы адсорбции?
  18. В чем состоит гравиметрический метод исследования изотермы адсорбции?
  19. В чем состоит проточный метод исследования изотермы адсорбции?
  20. Что такое «примитивная двумерная ячейка»?
  21. Какие двумерные решетки Браве используются для описания поверхностных кристаллических структур?
  22. В чем состоит суть «модели жестких сфер» в описании кристаллической структуры поверхности металлов?
  23. Что такое «реконструкция» поверхности? Что является «движущей силой» реконструкции? Приведите примеры подобной реконструкции.
  24. Перечислите основные особенности кристаллической структуры поверхности ковалентных кристаллов.
  25. Перечислите основные особенности кристаллической структуры поверхности ионных кристаллов.
  26. Объекты какого размера принято относить к наночастицам?
  27. Что такое «дисперсность»?
  28. В чем состоит суть модели «желе», позволяющей предсказывать стабильность малых кластеров?
  29. Каковы принципиальные отличия электронной структуры нанокластеров от массивных тел?
  30. Каковы особенности кристаллической структуры нанокластеров?
  31. В чем суть метода «слоя конечной толщины» при описании термодинамики поверхности?
  32. В чем суть метода Гиббса при описании термодинамики поверхности?
  33. В чем суть понятия «поверхностные избытки по Гиббсу»?
  34. Как описывается изотерма адсорбции Гиббса?
  35. Что такое поверхностное натяжение? В чем его физический смысл?
  36. Запишите уравнение Вульфа? Какое практическое значение имеет это уравнение?
  37. Как давление насыщенного пара зависит от кривизны поверхности?
  38. Как растворимость зависит от кривизны поверхности?
  39. Как температура плавления зависит от кривизны поверхности?
  40. Что такое «работа адгезии» и «работа когезии»?
  41. Сравните самодиффузию и гетеродиффузию на поверхности твердых тел.
  42. Что такое «коэффициент диффузии»?
  43. Сравните диффузию невзаимодействующих и взаимодействующих частиц.
  44. Перечислите основные виды диффузии на поверхности твердых тел?
  45. Перечислите основные механизмы диффузии нанокластеров по поверхности твердых тел.
  46. Перечислите основные механизмы изменения дисперсности нанесенных нанокластеров на поверхности твердых тел.
  47. Каким соотношением определяется величина контактного угла при соприкосновении капли жидкости с поверхностью твердого тела?
  48. В чем суть классической теории роста кристаллов Косселя – Странского?
  49. Перечислить основные механизмы формирования частиц или пленок «гостя», нанесенного на поверхность «хозяина».
  50. Перечислите основные силы, принимающие участие в адсорбционном процессе.
  51. Сравните хемосорбцию и физадсорбцию.
  52. Как может изменяться экспериментально получаемая величина теплоты адсорбции при изменении степени покрытия поверхности адсорбатом? И почему?
  53. Что такое «термическое уравнение сорбции»?
  54. Приведите схематический вид изотермы, изобары и изостеры адсорбции.
  55. Перечислите основные типы изотерм адсорбции.
  56. Сравните основные типы изотерм адсорбции.
  57. Приведите выражение для изотермы адсорбции Генри.
  58. Приведите выражение для изотермы адсорбции Ленгмюра.
  59. Приведите выражение для изотермы адсорбции БЭТ.
  60. Что такое «капиллярная конденсация»?
  61. Чем обратимая капиллярная конденсация отличается от необратимой капиллярной конденсации?
  62. Перечислите основные стадии гетерогенных реакций.
  63. Приведите кинетическое описание процесса адсорбции?
  64. Приведите кинетическое описание процесса десорбции?
  65. В чем суть «закона действующих поверхностей»?
  66. Выведите выражение для скорости мономолекулярной реакции на поверхности твердого тела.
  67. Выведите выражение для скорости бимолекулярной реакции на поверхности твердого тела.
  68. Сравните с точки зрения кинетики механизм Ленгмюра – Хиншельвуда и механизм Или – Ридила для каталитической гетерогенной реакции.
  69. В чем суть метода Тёмкина при описании кинетики сложных реакций?
  70. Какие модели и приближения используются при описании формальной кинетики топохимических реакций?
  71. Сравните травление металлов и оксидирование металлов с точки зрения кинетики?
  72. Сравните различные случаи испарения твердых тел: равновесие, испарение в вакуум, ячейка Кнудсена.
  73. В чем суть модели «терраса – ступень – излом» в процессе испарения кристаллов?
  74. Сравните особенности растворения твердых тел: молекулярные кристаллы, металлы, полупроводники.
  75. Какова основная особенность поверхности полупроводников с точки зрения зонной теории?
  76. Какие типы гетерогенных катализаторов вам известны?
  77. Что такое «активный центр» гетерогенного катализатора?
  78. Что такое «удельная каталитическая активность»?
  79. В чем суть правила постоянства удельной каталитической активности Г.К. Борескова?
  80. В чем суть принципа геометрического соответствия реагента и катализатора?

Примерный перечень вопросов к экзамену по всему курсу.

 

  1. Общая методика приготовления чистой поверхности монокристаллов.
  2. Способы создания нанокластеров.
  3. Адсорбенты. Базовые классификации.
  4. Методики формирования углеродных пористых материалов.
  5. Метод осаждения для приготовления оксидных адсорбентов.
  6. Методы исследования поверхности: спектроскопия.
  7. Методы исследования поверхности: микроскопия.
  8. Методы исследования поверхности: структурные и текстурные методы.
  9. Методы исследования адсорбции на пористых телах.
  10. Кристаллография поверхности (общие положения).
  11. Кристаллическая структура поверхности металлов.
  12. Особенности кристаллической структуры ковалентных кристаллов.
  13. Особенности кристаллической структуры поверхности ионных кристаллов.
  14. Особенности кристаллического строения нанокластеров.
  15. Особенности электронного строения нанокластеров.
  16. Основные подходы к термодинамике поверхности.
  17. Метод Гиббса. Понятие «поверхностные избытки».
  18. Изотерма адсорбции Гиббса.
  19. Поверхностное натяжение.
  20. Термодинамика поверхности по Гиббсу.
  21. Особенности термодинамики дисперсных систем.
  22. Работа когезии и работа адгезии.
  23. Особенности самодиффузии.
  24. Особенности гетеродиффузии.
  25. Коэффициент диффузии.
  26. Диффузия невзаимодействующих и взаимодействующих частиц.
  27. Частные случаи поверхностной диффузии: направленная, восходящая, аномальная.
  28. Механизмы поверхностной диффузии.
  29. Механизмы диффузии нанокластеров по поверхности твердых тел.
  30. Механизмы изменения дисперсности нанесенных нанокластеров на поверхности твердых тел.
  31. Особенности взаимодействия капли с поверхностью твердого тела.
  32. Рост кристаллов.
  33. Механизмы формирования частиц или пленок «гостя», нанесенного на поверхность «хозяина».
  34. Хемосорбция и физадсорбция.
  35. Термическое уравнение адсорбции: Изотерма, Изобара, Изостера.
  36. Изотермы адсорбции: Генри, Ленгмюра, Фаулера – Гугенгейма, ФХХ, БЭТ.
  37. Капиллярная конденсация: обратимая.
  38. Капиллярная конденсация: необратимая.
  39. Кинетика адсорбции / десорбции.
  40. Закон действующих поверхностей.
  41. Моно- и бимолекулярные реакции на поверхности твердых тел.
  42. Каталитические гетерогенные реакции. Механизм Ленгмюра – Хиншельвуда.
  43. Каталитические гетерогенные реакции. Механизм Или – Ридила.
  44. Кинетика сложных реакций по Тёмкину.
  45. Формальная кинетика топохимических реакций.
  46. Основные кинетические закономерности окисления металлов: травление.
  47. Основные кинетические закономерности окисления металлов: оксидирование.
  48. Испарение твердых тел: равновесие, испарение в вакуум, ячейка Кнудсена.
  49. Морфология поверхности в процессе испарения монокристаллов.
  50. Особенности растворения твердых тел различного строения.
  51. Особенности электронного строения поверхности полупроводников.
  52. Основны гетерогенного катализа.
  53. Современные взгляды на природу каталитической активности.

Рефераты и курсовые работы в рамках данного курса не запланированы.

7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины

а) основная литература:

  1. Лифшиц В.Г., Репинский С.М. Процессы на поверхности твердых тел. Владивосток: Дальнаука. 2003. – 704 с.
  2. Пул Ч., Оуэнс Ф., Нанотехнологии. М.: Техносфера. 2005. – 334 с.
  3. Крылов О.В. Гетерогенный катализ: Учебное пособие. В 4-х частях. – Новосибирск: НГУ. 2002.
  4. Фенелонов В.Б. Введение в физическую химию формирования супрамолекулярной структуры адсорбентов и катализаторов. – Новосибирск: Из-во СО РАН. 2002.–414с.
  5. Стронберг А.Г. Физическая химия: Учеб. для хим. спец. Вузов. 5-е издание. – М.: Высш. Шк. 2003. – 527 с.

б) дополнительная литература:

  1. Неволин В.К. Зондовые нанотехнологии в электронике. – М.: Техносфера. 2005. – 152 с.
  2. Миронов В.Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии. -М: Техносфера. 2004. – 144 с.
  3. Круглов А.В., Филатов Д.О. Сканирующая зондовая микроскопия. Спектроскопия и литография. Учебное пособие. Москва-Нижний Новгород-Санкт-Петербург. – 2004. – 159 с.
  4. Бажин Н.М., Иванченко В.А., Пармон В.Н. Термодинамика для химиков: Учебник для вузов. – М.: Химия. 2001. – 408 с.
  5. Блейкмор Дж. Физика твердого тела: пер. с англ. – М.: Мир. 1988. – 608 с.
  6. Ляхов Н.З. Химия твердого тела: Учеб. пособие. НГУ. Новосибирск. 1991. – 148 с.
  7. Карнаухов А.П. Адсорбция. Текстура дисперсных и пористых материалов. Новосибирск: Наука, Сиб. Отд. 1999.
  8. Боресков Г.К. Гетерогенный катализ. – М.: Наука. 1986. – 304 с.
  9. Замараев К.И. Химическая кинетика: курс лекций. Учеб. пособие в 3-х частях. НГУ. Новосибирск. 1994.
  10. Фельдман Л., Майер Д. Основы анализа поверхности и тонких пленок: пер. с англ. – М.: Мир. 1989. – 344 с.
  11. Анализ поверхности методом Оже- и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. Под редакцией Д. Бриггса и М.П. Сиха. – М.: Мир. 1987. – 600 с.
  12. Вест А. Химия твердого тела. Теория и приложения: В 2-х частях. Пер. с англ. – М.: Мир. 1988.

в) программное обеспечение и Интернет-ресурсы:

  1. Нартова А.В. Химия поверхности твердых тел. Материалы лекции. Режим доступа: [http://fen.nsu.ru/posob/htt/surface.pdf]
  2. Нартова А.В., Бурмасов В.С., Квон Р.И. Исследование поверхности твердых тел методами туннельной и атомно-силовой микроскопии. Методическое пособие по выполнению лабораторных работ. Выпуск 6. Режим доступа:

[http://www.phys.nsu.ru/innovation/2008/Met_STM_Nartova.pdf]

  1. Using XPSPEAK Version 4.1. (November 2000). Пакет обработки спектров. Режим доступа:

[http://sun.phy.cuhk.edu.hk/~surface/XPSPEAK/XPSPEAKusersguide.doc]

  1. Quases-Tougaard. Software Packege. Ver. 5.0. Пакет обработки спектроскопической информации. Режим доступа: [www.quases.com]
  2. Scan master (Professional scanning & analysis program for SPM). Пакет программ обработки микроскопического изображения.
  3. Базы данных NIST Database. Режим доступа: [http://srdata.nist.gov/] [http://www.nist.gov/cstl]

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 твердого тела».

Автор:                                                                            Нартова Анна Владимировна

к.х.н., доцент ФЕН НГУ

н.с. ИК СО РАН