Химия твердого тела - Ивановский государственный химико

Федеральное агентство по образованию Российской Федерации
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального
образования
Ивановский государственный химико-технологический университет
УТВЕРЖДАЮ
проректор ИГХТУ по
учебной работе
_________Светцов В.И.
«____»_________200 г.
Факультет
Кафедра
неорганической химии и технологии
технологии неорганических веществ
РАБОЧАЯ УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА
по дисциплине «Химия твердого тела»
По направлению 240100 Химическая технология и биотехнология
Для специальности 240301 Химическая технология неорганических веществ
Курс
Семестр
Всего часов по дисциплине (трудоемкость):
Аудиторные занятия (час):
Лекции (час):
Экзамен:
Зачет:
Практические (семинарские) занятия (час):
Лабораторные занятия (час):
Самостоятельная работа (час): 0
Иваново 200
3
5
102
57
19
5 семестр
5 семестр
38
45
Рабочая учебная программа составлена на основании требований ГОС высшего
профессионального образования по направлению подготовки бакалавра 240100
«Химическая
технология
и
биотехнология»,
направлению
подготовки
дипломированного специалиста 240301 «Химическая технология неорганических
веществ» проф. А.П.Ильиным.
Рабочая учебная программа утверждена на заседании кафедры технологии
г. № _11___
неорганических веществ «__19___»__апреля____2004
Заведующий кафедрой
А.П. Ильин
Рабочая учебная программа рекомендована секцией специальных дисциплин
научно-методического совета «__25___»___апреля________2004 г.
Председатель секции
Ю.Г.Воробьев
Рабочая учебная программа рассмотрена и утверждена научно-методическим
советом факультета неорганической химии и технологии
«__10___»__июня______2004 г., протокол №__5__
Председатель НМС факультета
Н.Ф.Косенко
2
1. ВВЕДЕНИЕ
Цель
дисциплины:
химия
твердого
тела
является
одной
из
общепрофессиональных дисциплин, изучаемых студентами специальности 240301
Химическая технология неорганических веществ.
Химия твердого тела - это наука о синтезе, строении, свойствах и применении
твердых материалов. Излагаемые в курсе сведения будут необходимы студентам
специальности ХТНВ при изучении ими технологии продуктов основного
неорганического синтеза, солей, минеральных удобрений, соды. Материал,
подлежащий изучению по данной дисциплине, расширяет представление о внешнем и
внутреннем строении кристаллов (твердых тел), показывает взаимосвязь их
физических, физико-химических и химических свойств; рассматривает на примерах
продуктов, связанных с их будущей деятельностью природу химической связи в
твердых телах, реакционную способность поверхности твердых тел.
Изложение этой дисциплины базируется на предварительном изучении
студентами основ неорганической химии, физики, физической химии.
Требования к знаниям и умениям по завершению изучения дисциплины
Студент должен:
иметь представление:
о соотношении порядка и беспорядка в природе, упорядоченности строения объектов; о
взаимосвязи состава структуры, свойств и реакционной способности химических
веществ;
знать и уметь использовать:
основные понятия и законы химии, свойства основных классов химических объектов;
владеть:
методами анализа физико-химических свойств твердых тел и обработки данных
эксперимента;
иметь опыт:
проведения качественного и количественного анализа неорганических веществ,
проведения кинетического исследования и построения кинетических моделей
неорганических реакций по экспериментальным данным.
2. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
Разделы (модули) программы
2.1. Геометрическая кристаллография
Лекционный материал (5 час)
1. Химия твердого тела как самостоятельная дисциплина. Использование
сведений из химии твердого тела для описания свойств, внешнего и внутреннего
строения твердых тел. Способы получения твердых тел
(1 час)
2. Кристаллография. Основные понятия и определения. Симметрия кристаллов.
Элементы симметрии: центр симметрии, плоскости симметрии, оси симметрии.
Определение элементов симметрии. Теоремы сочетания элементов симметрии
(1 час)
3. Категории сингонии и виды симметрии кристаллических многогранников.
3
Формы кристаллов. Простые формы и комбинации. Изучение 4 простых форм.
Стереографические проекции простых форм.
(1 час)
4. Законы геометрической кристаллографии. Закон постоянства углов, закон
целых чисел. Теоремы к выбору кристаллографических осей. Установка кристаллов.
Точные методы определения символов граней
(1 час)
5. Символы классов симметрии. Международные символы. Символы
Шенфлиса. Формы реальных кристаллов. Усложненные формы и типы срастаний
кристаллов
(2 час)
Лабораторные работы (10 час)
1. Изучение простых форм
2. Определение элементов симметрии на моделях
3. Комбинации простых форм
4. Определение кристаллографических символов граней
Самостоятельная работа: (13 час)
ФОРМЫ ОТЧЕТНОСТИ
Коллоквиум - 1
Срок сдачи: 5 неделя
Контрольные работы - 2
Срок сдачи: 2,4 неделя
Расчетные работы - 1
Срок сдачи: 5 неделя
ЛИТЕРАТУРА
Основная:
№1, с.237-268; №4, с.4-52; №5, с.7-45
Дополнительная:
№3, с.30-92
2.2. Кристаллохимия
Лекционный материал (7 час)
1. Понятие о кристаллической структуре и пространственной решетке.
Симметрия структур кристаллов. Решетки Бравэ. Закрытые и открытые элементы
симметрии
(1 час)
2. Понятие пространственной группы симметрии. Элементы симметрии
бесконечных фигур: плоскости скользящего отражения и винтовые оси. Описание
кристаллохимических ячеек. Определение числа атомов в элементарной ячейке.
Понятие структурной единицы. Координационное число и координационный
многогранник. Символы узлов кристаллохимических ячеек. Понятие базиса решетки.
(1 час)
3. Описание основных структурных типов кристаллических решеток.
Структуры типа А1, АХ, А2Х, АХ2, шпинели и др. Типы химической связи в кристаллах.
Гомодесмические и гетеродесмические структуры. Классификация кристаллических
структур по типу химической связи и характеру межъядерных расстояний.
4
(1 час)
4. Атомные и ионные радиусы. Устойчивость кристаллических структур.
Энергия кристаллической решетки. Взаимосвязь относительных размеров катионов и
анионов. Плотнейшие упаковки в структурах. Многослойные упаковки.
(1 час)
5. Дефекты
кристаллических
структур.
Типы
дефектов
в
структурах.
Стехиометрические дефекты. Точечные дефекты. Дефекты Шоттки и Френкеля.
Понятие и типы центров окраски минералов.
(1 час)
6. Нестехиометрия. Типы нестехиометрии кристаллов. Кластеры - агрегаты
дефектов. Антиструктурные дефекты. Протяженные (литейные дефекты). Краевые и
винтовые дислокации.
(1 часа)
7. Изоморфизм и полиморфизм. Твердые растворы замещения и внедрения.
Изоморфные замещения в структуре природных апатитов. Изоструктурный
изоморфизм. Полиморфизм. Полиморфные превращения диоксида кремния, нитрата
аммония, оксида алюминия.
(1 час)
Лабораторные занятия (10 час):
1. Описание кристаллических ячеек Бравэ.
2. Изучение кристаллических решеток соединений типа А, АВ
3. Определение стехиометрической формулы по кристаллохимической ячейке,
построенной из 2-4 элементов
4. Определение в кристаллохимических ячейках пустот и степени их заполнения
Самостоятельная работа (13 час)
ФОРМЫ ОТЧЕТНОСТИ
Коллоквиум - 1
Срок сдачи: 10 неделя
Контрольные работы - 2
Срок сдачи: 7,9 неделя
Расчетные работы - 1
Срок сдачи: 10 неделя
ЛИТЕРАТУРА
Основная:
№1, с.268-333; №3, с. 97-177; №4, с. 53-82; №5, с.45-105
Дополнительная:
№2, с.158-230; №3, с. 220-243
2.3. Применение физико-химических методов для исследования структуры
твердых тел
Лекционный материал (7 час)
1. Химическое строение твердых веществ. Понятие остова твердого тела.
Основные пути получения активных твердых тел. Химия кластеров. Основы
классификации и строение
(1 час)
5
2. Химия поверхности твердых тел. Поверхностные центры. Бренстодовские и
Льюисовские кислотные центры. Твердые кислоты и основания. Кислотно-основные
свойства поверхности оксидов алюминия и кальция. Сверхкислоты и сверхоснования.
(1 часа)
3. Основные представления о росте кристаллов. Теории роста кристаллов.
Образование минералов и горных пород в земной коре. Краткие сведения о методах
выращивания кристаллов. Выращивание из паров, растворов, расплавов. Основные
закономерности твердофазных реакций. Химическая сборка. Реакции внедрения и
ионного обмена как методы получения новых соединений на основе существующих
структур.
(2 час)
4. Рентгенометрия кристаллов. Формула Вульфа-Брегга. Возможности и
сущность рентгеновских методов анализа. Рентгеноструктурный анализ. Расшифровка
рентгенограмм.
(1 час)
5. Термические методы анализа. Термогравеметрический анализ. Устройство
дериватографа. Изучение полиморфных превращений и механизмов разложения
неорганических соединений. Основы инфракрасной спектроскопии. Спектроскопия
ядерного магнитного резонанса
(1 час)
6. Влияние вида симметрии на физико-химические свойства. Твердых тел.
Элементы физико-химической механики. О связи между энергией решетки, удельной
поверхностной энергией, твердостью и прочностью ионных кристаллов. Понятие и
определение твердости и спайности минералов. Вид симметрии и оптическая
активность кристаллов. Оптические свойства кристаллов. Окраска, блеск минералов.
(1 час)
Лабораторные работы (18 час)
1. Стехиометрические расчеты по данным термогравиметрического анализа.
2. Термодинамические расчеты на основе данных дифференциально-термического
анализа.
3. Кинетические расчеты на основе данных дериватографического анализа.
4. Расшифровка рентгенограмм пиликристаллов.
5. Качественный фазовый рентгеноструктурный анализ.
6. Индициирование рентгенограмм поликристаллов.
7. Расчет теоретической рентгенограммы.
Самостоятельная работа (19 час)
ФОРМЫ ОТЧЕТНОСТИ
Коллоквиум - 1
Контрольные работы - 2
Срок сдачи: 17 неделя
Срок сдачи: 16,17 недели
ЛИТЕРАТУРА
Основная:
№1, с. 268-323; №2, с. 3-256; №3, с. 180-291; №4, с.82-198.
Дополнительная:
№1, с.161-282; №3, с. 183-195.
6
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА ПО ДИСЦИПЛИНЕ
Основная:
1. Вест А.Химия твердого тела. Теория и приложение: В 2-х Ч./Пер.с англ.. М.: Мир,
1988, т.1, 558 с.; т.2, 336 с.
2. Алесковский В.В. Химия твердых веществ: Учебн. пособие для вузов. М.: Высшая
школа, 1973.-256 с.
3. Шаскольская М.П. Кристаллография: Учебное пособие для втузов. 2-е изд.,
перераб.и дополн. М.: Высшая школа, 1984.-376 с.
4. Ильин А.П., Смирнов Н.Н., Широков Ю.Г. Химия твердого тела. Сборник
лабораторных работ //Иваново, 2002, 198 с.
5. Торопов Н.А., Булак Л.Н. Кристаллография и минералогия: Учебник для химикотехнологических специальностей вузов. 3-е изд., перераб.и дополн. Л.: Изд.лит.по
строит., 1972.-502 с.
Дополнительная:
1. Хенней Н. Химия твердого тела /Пер.с англ. М.: Мир, 1974.-382 с.: ил.
2. Зайцев О.С. Общая химия. Состояние вещества и химические реакции:
Учебн.пособие для вузов. Химия,1990.-352 с.: ил.
3. Попов Г.М., Шафрановский И.И. Кристаллография. 5-е изд. Учебник для студентов
геологических специальностей вузов. М.: Высшая школа, 1972.-352 с.
4. Порай-Кошиц М.А. Основы структурного анализа химических соединений: Учебное
пособие. 2-е изд., перераб.и доп. М.: Высшая школа, 1989.-192 с.: ил.
5. Давыдов А.А. ИК-спектроскопия в химии поверхности окислов. Новосибирск:
Наука, 1984.-242 с.: ил.
7