Физико-химическая механика и механохимия

Аннотация рабочей программы

 дисциплины “Физико-химическая механика и механохимия”

Дисциплина «Физико-химическая механика и механохимия» 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 механохимией, особенностями механохимических превращений. Даются основы физико-химической механики, рассматриваются экспериментальные методы в механохимии твердых веществ.

Дисциплина нацелена на формирование общекультурных компетенций ОК-6, ОК-8, ОК-16, ОК-19, ОК-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: промежуточный контроль в форме экзамена. Формы рубежного контроля определяются решениями Ученого совета, действующими в течение текущего учебного года.

Общая трудоемкость дисциплины составляет 2,5 зачетные единицы, 56 академических часов плюс экзамен. Программой дисциплины предусмотрены 36 часов лекционных занятий, 18 часов самостоятельной работы студентов, 2 часа консультаций.

 


1. Цели освоения дисциплины

Курс ставит своей целью усвоение студентами понятий, связанных с механохимией, особенностями механохимических превращений.

Данный курс знакомит студентов с основами физико-химической механики, моделями упругого, вязкого и пластичного твердого тела, измельчением твердых тел, механохимическими реакциями, механической активацией, механохимической модификацией. Рассматриваются коллоидные системы и нанохимия, физические процессы при механической обработке твердых тел, механохимические реакции в неорганических системах, механохимические реакции полимеров, твердое + газ, твердое + жидкость, твердое + твердое, влияние дефектов на протекание твердофазных реакций, экспериментальные методы в механохимии твердых веществ, мельницы, активаторы и другие устройства, предназначенные для механической обработки твердых тел, суспензий, паст, эмульсий.

 

2. Место дисциплины в структуре ООП

Дисциплина «Физико-химическая механика и механохимия» является частью цикла специальных дисциплин по направлению подготовки «химия», профиль «химия твердого тела».

Дисциплина «Физико-химическая механика и механохимия» опирается на следующие дисциплины данной ООП:

  • Неорганическая химия;
  • Физическая химия;
  • Физика;
  • Химическая термодинамика;
  • Химия твердого тела.

Результаты освоения дисциплины «Физико-химическая механика и механохимия» используются в следующих дисциплинах данной ООП:

  • Институтская практика.

3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины «Физико-химическая механика и механохимия»:

  • 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:

  • знать основы физико-химической механики и механохимии, знать теорию в рамках предложенной программы;
  • уметь проводить литературный поиск, анализировать информацию, определять задачи, которые можно решить с помощью методов механической обработки твердых тел, предлагать решения;
  • владеть навыками грамотной интерпретации процессов, происходящих при механическом воздействии.

4. Структура и содержание дисциплины

Общая трудоемкость дисциплины составляет 2,5 зачетные единицы, 56 академических часов плюс экзамен.

№ п/п

Раздел дисциплины

Семестр

Неделя  семестра

Формы текущего контроля успеваемости
(по неделям семестра)

Форма промежуточной аттестации
(по семестрам)

Формы текущего контроля успеваемости
(по неделям семестра)

Форма промежуточной аттестации
(по семестрам)

Лекции

Самост. работа

Консультация

Экзамен

1

Введение. Механохимическая реакция, механическая активация, механохимическая модификация. Особенности механохимических превращений и «парадоксы» механохмических реакций.

Типы дисперсных систем и классификация дисперсных систем по размеру частиц. Коллоидные системы и нанохимия. Предмет и объекты коллоидной химии. Суспензии, эмульсии, пасты.

7

9

1

2

1

2

Уравнение Лапласа и  капиллярные эффекты. Уравнение Томсона (Кельвина), пересыщение и зародышеобразование.

Поверхностная энергия и ее связь с энергией сублимации (уравнение Стефана). Методы термодинамического описания поверхностно слоя. Уравнение адсорбции Гиббса. Понятие о детергентах, пенах, смазках, пленках.

7

9

2

2

1

3

Когезия и адгезия. Смачивание и уравнение Юнга. Уравнение адсорбции Лэнгмюра и уравнение адсорбции Брунауэра, Эммета, Теллера (БЭТ). Определение удельной поверхности твердых тел методом низкотемпературной адсорбции (десорбции) газов.

7

9

3

2

1

4

Двойной электрический слой, правило Фаянса-Панета и правило Кёна. Строение двойного электрического слоя, z – потенциал. Теория Дерягина-Ландау-Фервея-Овербека (ДЛФО) и взаимодействие коллоидных частиц по теории ДЛФО. Устойчивость коллоидных систем и коагуляция. Структурированные коллоидные системы  и тиксотропия.

7

9

4

2

1

5

Физико-химическая механика. Единый подход к описанию механического воздействия на твердые и жидкие тела. Модели упругого, вязкого и пластичного твердого тела. Модель Максвелла и время релаксация механических напряжений. Модель Кельвина и время релаксации деформации твердообразных тел. Модели описания механического поведения жидкостей и твердых тел.

7

9

5

2

1

6

Реологические кривые ньютоновских, неньтоновских, бингамовских, делатантных и псевдопластичеких жидкостей. Особенности их поведения при перемешивании. Выделение тепла при течении жидкостей.

7

9

6

2

1

7

Развитие деформации во времени для различных механических моделей, описывающих твердые и жидкие тела. Модели Максвелла, Кельвина, Бингама, Бюргера. Кинетика развития деформации. Псевдопластические жидкости и жидкости с памятью. Модели, объясняющие псевдопластическое поведение жидкостей.

7

9

7

2

1

8

Измельчение твердых тел. Кривая s-e для твердых тел. Хрупкое разрушение и критерий разрушения Гриффитса. Дислокационные механизмы разрушения. Вязкое (пластическое) разрушение твердых тел. Вязко-хрупкий переход разрушения.

Закон хрупкого измельчения Кирпичева – Кика. Измельчение с учетом пластической деформации и трения. Агрегация и дезагрегация при измельчении. Равновесие Хюттига.

7

9

8

2

1

9

Эффект Ребиндера и его объяснение. Роль поверхностно-активных веществ в деформации и разрушении твердых тел и диспергировании жидкостей. Самопроизвольное диспергирование. Получение наноразмерных частиц физическими и химическими методами. Влияние дисперсности на температуру плавления.

7

9

9

2

1

10

Физические процессы при механической обработке твердых тел. Упругая и  пластическая деформация. Разрушение (образование поверхности, оборванные связи). Локальное повышение температуры и  давления. Массоперенос между твердыми телами, внедрение примесей, аморфизация. Статическая электризация,  электростатические разряды. Эмиссия электронов, фотонов и компонентов решетки.

7

9

10

2

1

11

Эксперименты, подтверждающие увеличение температуры  при хрупком разрушении, пластической деформации и трении. Эксперименты, подтверждающие локальное повышение давления при механической обработке твердых тел. Эксперименты, позволяющие исследовать влияние  высоких давлений на электронные свойства и структуру твердых тел.

7

9

11

2

1

12

Модель «магма – плазма» Тиссена. Модель “hot spot” Боудена – Тейбора. Численная оценка повышения температуры при соударении твердых тел в приближении модели Герца. Дислокационные механизмы повышения температуры.

7

9

12

2

1

13

Механохимические реакции в неорганических системах на примере механохимических превращений в нитратах, оксалатах, персульфате калия, оксиде цинка и др.

Роль кинетических факторов в механохимических реакциях. Роль электронных процессов в механохимических реакциях и влияние донорно – акцепторных добавок на механохимические превращения (модели Болдырева)

7

9

13

2

1

14

Механохимические реакции полимеров. Влияние упругих напряжений на долговечность полимеров и скорость их деструкции (модель Журкова). Автоионизационный механизм разрыва связи (модель Закревского). Фононный механизм разрыва связи в полимерах при их механической обработке. Механохимические превращения в экструдерах.

7

9

14

2

1

15

Механохимические реакции в ковалентных твердых телах  и теория короткоживущих активных центров ( модель Шёна – Бутягина). Механохимические реакции твердое + газ на примере кварца.  Энергетический выход механохимических реакций. Доза подведенной механической энергии как характеристика мельниц.

7

9

15

2

1

16

Механохимические реакции твердое + жидкость. Карбидизация железа при его механической обработке в жидких органических средах. Ультразвуковой метод инициирования химических реакций. Аналогия механохимических  процессов  и процессов, протекающих при ультразвуковой обработке суспензий.

7

9

16

2

1

17

Предел механического диспергирования твердых тел (на примере металлов). Реакции твердое + твердое на примере медь + серебро, алюминий + углерод и др.

Время жизни возбужденных активных состояний, возникающих при механической обработке твердых тел. Механохимические реакции и механическая активация твердых тел, сходство и различие. Влияние дефектов на протекание твердофазных реакций.

7

9

17

2

1

 

18

Мельницы, активаторы и другие устройства, предназначенные для механической обработки твердых тел, суспензий, паст, эмульсий. Активаторы со свободным и стесненным ударом. Мельницы и активаторы для механической обработки полимеров, минерального сырья. Выбор активатора для проведения механохимических превращений в различных твердых телах.

7

9

18

2

1

 

6

19

2

 

 

 

Экзамен

36

18

2

 

56

5. Образовательные технологии

Занятия проводятся в лекционной форме с элементами интерактивного обучения, обучения на основе опыта. В дополнение к традиционным лекционным формам студентам предоставляется возможность разобрать научные задачи, находящиеся в рамках тематики курса, и представляющие интерес для студентов (по выбору студентов).

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

Рекомендуемый режим работы: лекционные занятия – 2 часа в неделю; самостоятельные занятия с обязательной и дополнительной литературой – 1 час в неделю.

Прмежуточная аттестация по итогам освоения дисциплины проводится в виде экзамена. Вопросы к экзамену отражаю основные темы курса, перечисленные в таблице выше. Перед экзаменом проводится консультация. Программа курса и список литературы доступны на сайте http://fen.nsu.ru/fen.phtml?topic=prg.

7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины

а) основная литература:

  1. Щукин Е.Д., Перцев А.В., Амелина Е.А.. Коллоидная химия. М., Высшая школа. 2004.
  2. Шрамм Г.. Основы практической реологии и реометрии. М., Колосс, 2003.
  3. Сергеев Г.Б. Нанохимия. М., Университет, 2007.
  4. Ломовский О.И., Болдырев В.В.. Механохимия в решении экологических задач. Новосибирск, 2006.

б) дополнительная литература:

  1. Фридрихсберг Д.А. Курс коллоидной химии. Л., Химия, 1974.
  2. Воюцкий С.С. Курс коллоидной химия. М., Высшая школа, 1978.
  3. Круглицкий Н.Н. Основы физико-химической механики. Т. 1 – 3. Киев., Вища школа, 1975.
  4. Адамсон А. Физическая химия поверхностей. М., Мир, 1979.
  5. Фукс Г.И. Вязкость и пластичность нефтепродуктов. М. – Л., Гостоптехиздат. 1951., гл. I – IV.
  6. Каргин В.А., Слонимский Г.Л. Краткие очерки по физико-химии полимеров. М., Химия. 1967.
  7. Петров Ю.И. Кластеры и малые частицы. М., Наука. 1986.
  8. Ферри Дж. Вязкоупругие свойства полимеров. М., Инлит. 1963.
  9. Хайнике Г. Трибохимия. М., Мир, 1987.
  10. Аввакумов Е.Г. Механические методы активации химических процессов. Новосибирск, Наука. 1984.
  11. Барамбойм Н.К. Механохимия высокомолекулярных соединений. М., Химия, 1978.
  12. Ходаков Г. С. Физика измельчения. М., Наука, 1972.
  13. Регель В. Р., Слуцкер А.И., Томашевский Э.Е. Кинетическая природа прочности твердых тел. М., Наука, 1974.
  14. Боуден Ф.П., Тейбор Д. Трение и смазка твердых тел. М., Машиностроение,  1968.
  15. Болдырев В.В. Экспериментальные методы в механохимии твердых неорганических веществ. Новосибирск, Наука, 1983.
  16. Болдырев В.В. Реакционная способность твердых веществ. Новосибирск., Наука. 1997.
  17. Болдырев В.В. О кинетических факторах, определяющих специфику механохимических процессов в неорганических системах // Кинетика и катализ. – 1972. – Т. 13, вып. 6. – С. 1411 – 1421.
  18. Болдырев В.В., Аввакумов Е.Г. Механохимия неорганических веществ. // Успехи химии. – 1971. – Т. XL. Вып. 10. – С. 1835 – 1856.
  19. Бутягин П.Ю. Разупорядочение структуры и механохимические реакции в твердых телах. // Успехи химии. – 1984. – Т. LIII, вып. 11. – С. 1769 – 1789.
  20. Зархин Л.С. и др. Механодеструкция полимеров. Метод молекулярной динамики. // Успехи химии. – 1989. Т. LVII, вып. 4 С. 644 – 662.
  21. Стрелецкий А.Н. и др. Кинетика механохимического синтеза карбида алюминия // Коллоидный журнал. – 2006. – Т. 68, № 4, С 513 – 524.
  22. Дубинская А.М. Превращение органических веществ под действием механических напряжений. // Успехи химии. – 1999. Т. – 68, вып. 8. – С. 708 – 724.
  23. Butyagin P.Yu., Pavlychev I.K. Energy yields of mechanochemical reaction. // Reactivity of solids. – 1986. – V. – 1. C. 361 – 372.
  24. Закревский В.А., Пахотин В.А. Автоионизационный механизм разрыва химических связей в макромолекулах. // Высокомолекулярные соединения. – 1981. – Т. 23. – № 3. С. 658 – 662.
  25. Радциг В.А., Политов А.А. Парамагнитные центры в продуктах механической обработки персульфата калия // Кинетика и катализ. 1985. – Т . XXVI, вып. 1. С. 42 – 50.
  26. Gerasimov K.B., Boldyrev V.V. On mechanism of new phase formation during mechanical alloying of Ag – Cu, Al – Ge, Fe – Sn. // Material Research Bulletin. – 1996. – V. 32, No 10. – P. 1297 – 1305.
  27. Yong-Soon Kwon, JI-Soon Kim, Dong-Wook Choi, K.B. Gerasimov, S.S. Avramchuk. Mechanically driven decomposition of intermetallics. // J. Mater. Science. – 2003. – V. 39. P. 5233 – 5216.
  28. Suryanarayana C. Mechanical alloying and milling. // Progress in Materials Science. -  2001. V. – 46. – P 1 – 184.
  29. Прут Э.В., Зеленецкий А.Н. Химическая модификация и смешение полимеров в экструдере-реакторе. // Успехи химии. – 2001. – Т. 70. – С. 72 – 87.

в) программное обеспечение и Интернет-ресурсы:

  1. Программа курса и список литературы доступны на сайте http://fen.nsu.ru/fen.phtml?topic=prg.

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:                                                                            Политов Анатолий Александрович

к.х.н., доцент ФЕН НГУ

с.н.с. ИХТТМ СО РАН