Вопросы к экзамену по ХТТ (2012/2013 учебный год)

Вопросы к экзамену по ХТТ (2012/2013 учебный год)

I. Перечень вопросов, ответы на которые необходимы для получения положительной оценки. Оценка "хорошо" предполагает уверенные ответы на данные вопросы. Претендовать на дополнительные вопросы для получения оценки "отлично" могут только уже сдавшие задачу и успешно ответившие на данные вопросы.

1.  Закрытые и открытые операции симметрии. Основные виды. Матрицы преобразования координат. Графические и буквенно-цифровые обозначения. Сочетание операций симметрии друг с другом.

2.  Пространственные группы симметрии. Определение. Распределение по кристаллическим системам. Обозначения. Информация в Международных таблицах. Кристаллографический класс. Определение. Примеры.

3.  Трансляционная симметрия. Группа трансляций. Решетка Бравэ. Элементарная ячейка. Число формульных единиц в ячейке. Правильные системы точек. Частные и общие позиции. Симметрия позиции. Кратность позиции.

4.  Основные понятия, используемые при описании симметрии кристаллов: Пространственная группа симметрии, кристаллографический класс, решетка Бравэ, группа Бравэ, кристаллическая система.

5.  Основные структурные типы. Полиморфизм и политипизм.

6.  Плотные упаковки в молекулярных, моноатомных, бинарных кристаллах. Структуры шпинелей и перовскитов.

7.  Описание структур в координационных полиэдрах. Структуры силикатов.

8.  Дифракция рентгеновского излучения кристаллами. Условия Лауэ. Уравнение Вульфа-Брэггов. Структурная амплитуда. Условия погасания. Дифракционные методы исследования структуры кристаллов. Основные варианты дифракционных методов. Виды излучения, используемого для дифракционного изучения структуры кристаллов.

9.  Метод порошка. Основные принципы. Уравнение Вульфа-Брэггов. Факторы, определяющие интенсивность рефлексов на дифрактограмме. Фактор повторяемости рефлексов. Информация о структуре, которую дает метод порошка.

10.  Индексы Миллера. Индицирование порошковых дифрактограмм (на примере кубической системы). Расчет параметров элементарной ячейки по рентгенографическим данным.

11.  Точечные дефекты в кристаллах. Основные виды. Беспорядок по Френкелю и Шоттки. Обозначения дефектов по Крегеру и Винку. Равновесная концентрация тепловых точечных дефектов.

12.  Точечные дефекты, обусловленные нестехиометрией кристаллов. Квазихимические равновесия. Обозначения дефектов по Крегеру и Винку. Влияние внешней атмосферы на концентрацию точечных дефектов.

13.  Точечные дефекты, обусловленные присутствием примесных атомов. Влияние примеси на концентрацию точечных дефектов в кристаллах, склонных к нестехиометрии.

14.  Электронное строение металлов, диэлектриков, собственных и примесных полупроводников (общее понятие об энергетических зонах, о собственных и примесных уровнях). Связь электронных свойств окислов с их нестехиометрией. Основные виды нестехиометрии в оксидах металлов.

15.  Диффузия в твердых телах. Основные механизмы диффузии. Выражения для коэффициента диффузии в кристаллах. Энергия активации диффузии. Диффузия в поле механических напряжений – эффект Горского.

16.  Ионная проводимость в кристаллах. Влияние примесных атомов на ионную проводимость. Изотерма Коха-Вагнера. Параметры, которые можно получить из температурной зависимости ионной проводимости.

17.  Дислокации. Определение. Контур и вектор Бюргерса. Краевые и винтовые дислокации. Энергия дислокации.

18.  Дислокации. Основные виды движения дислокаций. Влияние дислокаций на механические свойства твердых тел.

II. Перечень вопросов, которые будут предложены тем, кто претендует на оценку «5». Надо уметь дать развернутый и глубокий ответ, показав знание лекционного материала, в ряде случаев - способность применять для ответа весь материал курса в целом.

1.  Основные факторы, определяющие структуры кристаллов. Влияние характера химической связи на структуру кристалла. Основные принципы описания кристаллических структур – ионных кристаллов, металлических кристаллов, ковалентных кристаллов, молекулярных кристаллов.

2.  Закономерности изменения структур кристаллов элементов - в пределах одной группы таблицы Менделеева, при движении по периоду, при повышении давления, при повышении температуры.

3.  Закономерности изменения кристаллических структур соединений при повышении давления.

4.  Влияние на кристаллические структуры возможности образовывать водородные связи. Геометрические критерии образования водородной связи. Примеры структур, в которых доминируют водородные связи. Влияние на кристаллические структуры ван-дер-Ваальсовых взаимодействий. Примеры структур, в которых эти взаимодействия доминируют.

5.  Закономерности формирования плотноупакованных структур элементов, неорганических соединений, молекулярных кристаллов. Связь возможности формирования плотнейших упаковок с пространственной симметрией.

6.  Использование анализа кристаллической структуры для изучения химической связи.

7.  Понятие структурообразующего фрагмента. Примеры структурообразующих фрагментов в структурах неорганических и органических соединений. Основные структурные типы кристаллов бинарных соединений и факторы, определяющие их кристаллическую структуру. Основные принципы строения кристаллов силикатов. Связь структуры со стехиометрической формулой, структуры со свойствами, примеры.

8. Кристаллические структуры металлов при нормальном и при высоком давлении.

9. Кристаллические структуры органических спиртов, кислот и аминокислот при нормальном и высоком давлении. Структуры газовых гидратов. Как устроены, за счет каких взаимодействий образуются, в каких условиях, как изменяются при изменении внешних условий.

10. Причины образования кристаллических структур, не соответствующих минимуму свободной энергии, и их сохранения в течение длительного времени. Значение таких структур для химии твердого тела и материаловедения.

11. Аллотропы и полиморфные модификации. Политипизм. Способы получения различных полиморфных модификаций одного и того же соединения. Их практическое значение. Как экспериментально различить полиморфные модификации? Причины, по которым полиморфные модификации одного и того же соединения могут различаться своими физическими и химическими свойствами. Привести примеры. Управление внешней формой кристаллов: как это делать, почему это возможно? Почему кристаллы не круглые? Зачем может быть необходимо изменять форму кристалла? Примеры влияния формы кристалла на его поведение в химических реакциях.

12. Влияние кристаллической структуры на химические реакции - причины, примеры.

13. Информация о кристаллических структурах, которую дают разные банки структурных данных. Как можно использовать Кембриджский банк структурных данных для исследования: а) факторов, определяющих структуры органических кристаллов, б) параметров водородных связей, в) химической связи в молекулах и межмолекулярных взаимодействий.

14. Апериодические кристаллы. Определение. Основные виды. Способы описания апериодических структур. Соразмерно и несоразмерно модулированные структуры. Причины возникновения модуляций структуры. Проявления модуляций в дифракционных картинах. Примеры апериодических кристаллов.

15. Координационные полиэдры, полиэдры Бернала, полиэдры Вороного-Дирихле: что это такое и для чего используется. Привести примеры.

16. Основные принципы строения структур шпинелей. Способы влияния на распределение катионов в структуре шпинели и связь этого распределения с физическими и химическими свойствами.

17. Структура перовскита и структуры, которые можно получить как ее "производные". Применения перовскитов.

18. "Дорентгеновская" эпоха исследования кристаллических структур: какие методы использовали для изучения строения кристаллов, какие основные понятия были уже введены, какие закономерности установлены? С какой целью ставился "эксперимент Лауэ" и какое значение, как оказалось, он имел для химии? Какую роль в применении дифракции для решения химических задач сыграли отец и сын Брэгги?

19. Основные виды излучения, используемые для дифракционных исследований. Требования к образцам, возможности, преимущества и ограничения применения каждого из видов. Основные виды дифракционных экспериментов. Требования к образцам, возможности, преимущества и ограничения применения каждого из методов. Информация, которую может дать каждый из методов.

20. Значение дифракционных экспериментов для химии и материаловедения. Рентгеноструктурный и рентгенофазовый анализ как аналитические методы. Примеры. Критерии качества расшифровки и уточнения структуры. Признаки возможных ошибок. Примеры.

21. Топохимические и топотаксиальные реакции. Метод предшественника. Получение метастабильных форм. Влияние размера частиц на возможность осуществления топотаксиальной реакции.

22. Положительная и отрицательная связь при реакциях с участием твердых веществ. Причины возникновения. Влияние на полноту протекания реакции, кинетику и пространственное развитие, состояние продукта реакции. Примеры.

23. Какие факторы следует учитывать при изучении реакции твердое + твердое? Почему реакции твердое + твердое всегда экзотермичны? Каковы особенности реакций твердое + твердое в системах, где твердые тела – органические молекулярные кристаллы?

24. Управление реакционной способностью твердых веществ. Какие существуют способы ускорения или, наоборот, предотвращения твердофазных химических реакций? Как управлять пространственным развитием твердофазных реакций? Влияние предыстории твердого образца (способ получения, условия и продолжительность хранения, предварительные воздействия и т. д.) на его реакционную способность. Возможные процессы, инициируемые механическим воздействием на твердые тела и влияющие на химические реакции или полиморфные превращения. Примеры.

25. Роль разных видов дефектов в протекании реакций с участием твердых веществ. Примеры.

26. Роль диффузии в протекании реакций с участием твердых веществ. Примеры.

27. Роль механических напряжений в протекании реакций с участием твердых веществ. Примеры.

28. Ионная проводимость суперионников и "классических" ионных кристаллов. Сходство и отличия. Области применения суперионных материалов.

29. Применения химии твердого тела в фармации и материаловедении.

III. Помимо вопросов будет предложена задача, подобная тем, что решались на семинарах и контрольных.