Методы кристаллоструктурных исследований

Аннотация рабочей программы

дисциплины «Методы кристаллоструктурных исследований»

 

Дисциплина «Методы кристаллоструктурных исследований» 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 дифракционными методами исследования кристаллических структур, включает в себя рассмотрение как монокристальных методов, так и порошковых.

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, практические занятия в компьютерном классе и на дифрактометах разных типов, задания, выполняемые с использованием компьютеров, самостоятельная работа студента..

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

Общая трудоемкость дисциплины составляет 4 зачетные единицы, 118 академических часов плюс экзамен. Программой дисциплины предусмотрены Программой дисциплины предусмотрены 34 часа лекционных и 34 часа практических занятий, а также 34 часа самостоятельной работы студентов, 2 часа консультаций. Остальное время – контроль в форме приема заданий и зачета.

 


1. Цели освоения дисциплины

Курс ставит своей целью получение студентами знаний о дифракционных методах исследования кристаллических структур, овладение навыками обработки данных, полученных с дифрактометров, с использованием современного компьтерного программного обеспечения, овладение навыками работы со структурными базами данных.

Студенты знакомятся с основными методами кристаллоструктурного анализа, обучаются работе с дифрактометрами, со специализированным компьютерным программным обеспечением по работе со структурами, обучаются работе со структурными базами данных CSD, ICSD, PDF и др. Даются общий обзор методов структурного анализа – возможности и ограничения, информация о кристаллических структурах в литературе и базах данных, основные методы исследования структуры монокристаллов, исследование кристаллических структур в условиях высоких давлений, метод порошка и основные области применения метода порошка, определение кристаллической структуры по порошковым дифракционным данным.

 

2. Место дисциплины в структуре ООП

Дисциплина «Методы кристаллоструктурных исследований» является частью цикла специальных дисциплин по направлению подготовки «химия», профиль «химия твердого тела».

Дисциплина «Методы кристаллоструктурных исследований» опирается на следующие дисциплины данной ООП:

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

Результаты освоения дисциплины «Кинетика гетерогенных процессов» используются в следующих дисциплинах данной ООП:

  • Институтская практика.

3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины «Методы кристаллоструктурных исследований»:

  • 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 теорию кристаллоструктурного анализа в рамках представленной программы, структурные базы данных и форматы представления кристаллических структур в них;
  • уметь проводить поиск в структурных базах данных, выполнять практические задания с использованием современного компьютерного программного обеспечения;
  • владеть навыками проведения дифракционного эксперимента, навыками обработки данных, полученных с дифрактометров.

4. Структура и содержание дисциплины

Общая трудоемкость дисциплины составляет 4 зачетные единицы, 118 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

Прием заданий

Зачет

1.1

История развития методов структурного анализа. Основные принципы рентгено-дифракционных методов.

7

1

2

0

1

1.2

Общий обзор методов структурного анализа. Возможности и ограничения.

7

2

2

0

1

1.3

Информация о кристаллических структурах в литературе и базах данных. Основные форматы представления структурных данных. Информация o кристаллической структуре, содержащаяся в International Tables of Crystallography.

7

3

2

0

1

1.4

Практическая работа с базами кристаллоструктурных данных. (I)

7

4

0

2

1

1.5

Практическая работа с базами кристаллоструктурных данных. (II)

7

5

0

2

1

1.6

Практическая работа с базами кристаллоструктурных данных. (III)

7

6

0

2

1

2

Прием 1-го задания, см. п. 6

2.1

Основные методы исследования структуры монокристаллов. Разные представления одной и той же пространственной группы симметрии. Матрицы перехода от одного представления к другому.

7

7

2

1

2.2

Основные методы исследования структуры монокристаллов. Подготовка исследуемого образца; аппаратура.

7

8

0

2

1

2.3

Основные методы исследования структуры монокристаллов. Последовательность этапов сбора данных при монокристальном рентгеноструктурном исследовании. Основные этапы расшифровки и уточнения кристаллической структуры при помощи монокристальной рентгеновской дифракции.

7

9

2

0

1

2.4

Основные методы исследования структуры монокристаллов. Обработка данных дифракционного эксперимента в специализированных программах.

7

10

0

2

1

 

2.5

Основные методы исследования структуры монокристаллов. Источники возможных ошибок, проявления возможных ошибок. Критерии, характеризующие качество расшифровки и уточнения структуры.

7

11

2

1

2.6

Основные методы исследования структуры монокристаллов. Практические приемы расшифровки и уточнения кристаллических структур.

7

12

0

2

1

2

Прием 2-го задания, см. п. 6

3.1

Проблемы расшифровки кристаллических структур двойников, признаки наличия двойника, расшифровка.

7

13

2

0

1

3.2

Практические приемы расшифровки и уточнения кристаллических структур двойников.

7

14

0

2

1

3.3

Исследование кристаллических структур в условиях высоких давлений.

7

15

2

0

1

3.4

Основы обработки данных при исследовании в условиях высоких давлений.

7

16

0

2

1

3.5

Учет поглощения излучения исследуемым образцом. Уточнение разупорядоченных структур.

7

17

2

0

1

3.6

Некоторые практические приемы расшифровки и уточнения разупорядоченных структур.

7

18

0

2

1

2

Прием 3-го задания, см. п. 6

7

19

2

Зачет

 

 

 

 

 

 

4.1

Метод порошка. Основные области применения метода порошка. Формирование дифракционной картины в методе порошка.

Дифрактометры с фокусировкой по Брэггу-Брентано.

8

1

2

0

1

 

 

4.2

Экспериментальные методы получения порошковых рентгенограмм.

8

2

0

2

1

 

 

4.3

Точность определения межплоскостных расстояний в методе порошка. Основные факторы, влияющие на положение дифракционных пиков. Основные факторы, влияющие на интенсивность дифракционных пиков.

Основные причины несоответствия межплоскостных расстояний и интенсивностей дифракционных пиков данным PDF при проведении качественного фазового анализа.

8

3

2

0

1

 

 

4.4

Практическая работа с базами данных PDF.

8

4

0

2

1

 

 

4.5

Рентгенофазовый анализ поликристаллических материалов. Базы данных. Технология поиска и принципы идентификации кристаллических фаз.

8

5

2

0

1

 

 

 

4.6

Практическая работа с базами данных PDF, рентгенофазовый анализ.

8

6

0

2

1

 

 

Прием 1-го задания, см. п. 6

5.1

Методики количественного фазового анализа. Определение и уточнение параметров решетки по порошковым дифракционным данным. Метод наименьших квадратов.

8

7

2

0

1

 

 

5.2

Обработка экспериментальных дифрактограмм, количественный анализ.

8

8

0

2

1

 

 

 

5.3

Определение кристаллической структуры по порошковым дифракционным данным. Методы уточнения кристаллических структур. База данных ICSD. Метод Ритвельда. Построение профиля теоретической рентгенограммы. Профильные параметры. Структурные параметры модели.

8

9

2

0

1

 

 

 

5.4

Практическая работа с базами данных ICSD. Построение профиля теоретической рентгенограммы.

8

10

0

2

1

 

 

 

5.5

Влияние различного рода нарушений кристаллической структуры на порошковую дифракционную картину. Методы определения размеров областей когерентного рассеяния, величины микродеформаций, плотности дефектов упаковки.

8

11

2

0

1

 

 

 

5.6

Обработка экспериментальных дифрактограмм, определение областей когерентного рассеяния.

8

12

0

2

1

 

 

Прием 2-го задания, см. п. 6

6.1

Высокотемпературная и низкотемпературная рентгенография. Возможности и основные области применения.

Текстурный анализ. Основные типы текстур. Принцип метода. Области применения.

8

13

2

0

1

 

 

 

6.2

Обработка экспериментальных дифрактограмм, уточнение кристаллических структур.

8

14

0

2

1

 

 

 

6.3

Принцип метода радиального распределения атомов. Информация, получаемая методом радиального распределения. Области применения.

8

15

2

0

1

 

 

 

6.4

Обработка экспериментальных дифрактограмм, уточнение кристаллических структур.

8

16

0

2

1

 

 

Прием 3-го задания, см. п. 6

8

17

 

2

Консультация

 

Экзамен

34

34

34

12

4

 

5. Образовательные технологии

Занятия проводятся в лекционной форме и в форме лабораторных работ с использованием информационных технологий. Часть заданий предполагает работу в команде. Часть заданий выполняется в режиме индивидуального обучения. Задания для студентов составляются на основе реальных недавно решенных научных задач.

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

Рекомендуемый режим работы: лекционные занятия и лабораторные работы – 2 часа в неделю;  самостоятельные занятия с обязательной и дополнительной литературой, самостоятельная работа по обработке данных дифракционного эксперимента – 1 час в неделю. Курс идет два семестра.

Текущий контроль проводится в виде приема заданий, в каждом семестре предусмотрено выполнение трех заданий. Прмежуточная аттестация по итогам освоения дисциплины проводится в виде зачета после первого семестра и экзамена после второго семестра. Перед экзаменом проводится консультация.

Образец вопросов для подготовки к зачету:

  1. Пояснить значение величин и обозначений, входящих в следующие типы файлов, представляющих кристаллические структуры: *.cif; *.ins, *.res, *.cel
  2. Используя представления структуры в этих форматах и какую-либо из имеющихся в компьютерном классе программ (PowderCell, WebLabViewerLite, Mercury), создать картинки – фрагменты кристаллических структур, найти межатомные расстояния, валентные и торсионные углы, водородные связи.
  3. Пояснить информацию o кристаллической структуре, содержащуюся в International Tables of Crystallography (V.1). Выписать координаты всех атомов в элементарной ячейке, пользуясь таблицами и структурными данными о независимой части (asymmetric unit).
  4. Записать матрицу перехода от группы P21/n к группе P21/a, преобразовать параметры ячейки и координаты атомов.
  5. Пояснить, используя программу управления STOE, принцип и последовательность этапов сбора данных при монокристальном рентгеноструктурном исследовании.
  6. Провести расшифровку и уточнение кристаллической структуры при помощи программ SHELXS и SHELXL (исходные данные предоставляет преподаватель).
  7. Пояснить, каким образом и в каких случаях необходимо учитывать поглощение рентгеновского излучения исследуемым образцом. Пояснить, как это делается с использованием компьютерных программ при сборе и обработке данных в монокристальном рентгеноструктурном эксперименте.

Образец вопросов для подготовки к экзамену:

  1. История развития методов структурного анализа.
  2. Общий обзор методов структурного анализа – возможности и ограничения.
  3. Информация о кристаллических структурах в литературе и базах данных.
  4. Основные методы исследования структуры монокристаллов: извлекаемая информация.
  5. Основные методы исследования структуры монокристаллов: подготовка исследуемого образца; аппаратура
  6. Основные методы исследования структуры монокристаллов: ход стандартного исследования.
  7. Основные методы исследования структуры монокристаллов: источники возможных ошибок.
  8. Проблемы расшифровки кристаллических структур двойников: признаки наличия двойника, приемы расшифровки.
  9. Исследование кристаллических структур в условиях высоких давлений.
  10. Учет поглощения излучения исследуемым образцом.
  11. Основные области применения метода порошка.
  12. Формирование дифракционной картины в методе порошка. Экспериментальные методы получения порошковых рентгенограмм.
  13. Дифрактометры с фокусировкой по Брэггу-Брентано.
  14. Точность определения межплоскостных расстояний в методе порошка. Основные факторы, влияющие на положение дифракционных пиков.
  15. Основные факторы, влияющие на интенсивность дифракционных пиков.
  16. Рентгенофазовый анализ поликристаллических материалов. Базы данных. Технология поиска и принципы идентификации кристаллических фаз.
  17. Основные причины несоответствия межплоскостных расстояний и интенсивностей дифракционных пиков данным PDF при проведении качественного фазового анализа
  18. Методики количественного фазового анализа.
  19. Определение и уточнение параметров решетки по порошковым дифракционным данным. Метод наименьших квадратов.
  20. Определение кристаллической структуры по порошковым дифракционным данным. Методы уточнения кристаллических структур. База данных ICSD.
  21. Метод Ритвельда. Построение профиля теоретической рентгенограммы. Профильные параметры. Структурные параметры модели.
  22. Влияние различного рода нарушений кристаллической структуры на порошковую дифракционную картину.
  23. Методы определения размеров областей когерентного рассеяния, величины микродеформаций, плотности дефектов упаковки.
  24. Высокотемпературная и низкотемпературная рентгенография. Возможности и основные области применения.
  25. Принцип метода радиального распределения атомов. Информация, получаемая методом радиального распределения. Области применения.
  26. Текстурный анализ. Основные типы текстур. Принцип метода. Области применения.

7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины

а) основная литература:

  1. Третьяков Ю.Д. Введение в химию твердофазных материалов. М., изд-во МГУ, 2006.

б) дополнительная литература:

  1. Дельмон Б., Кинетика гетерогенных реакции. М., Мир, 1972.
  2. Барре П., Кинетика гетерогенных процессов. М., Мир, 1976.
  3. Будников П.П., Гинстлинг А.М. Реакции в смесях твердых веществ. М.: Стройиздат, 1971.
  4. Третьяков Ю.Д. Твердофазные реакции. М.: Химия, 1978.
  5. Розовский А.Я., Кинетика топохимических реакций, М., 1974.
  6. Ляхов Н.З. Кинетика твёрдофазных реакций, вып. 1, Топохимическая кинетика, Новосибирск, НГУ, 1982.

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».

Авторы:                                                                         Болдырева Елена Владимировна,

д.х.н., профессор ФЕН НГУ

гл.н.с. ИХТТМ СО РАН;

Цыбуля Сергей Васильевич,

д.ф.-м.н., доцент ФЕН НГУ,

зав. лаб. ИК СО РАН