РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

«УТВЕРЖДАЮ»:

Проректор по учебной работе

_______________________ //

_________ _____________ 2011 г

ХИМИЯ ТВЕРДОГО ТЕЛА

Учебно-методический комплекс. Рабочая программа

для студентов направления 020100.62 «Химия».

Профили подготовки «Физическая химия», Неорганическая химия и химия координационных соединений» очной формы обучения.

«ПОДГОТОВЛЕНО К ИЗДАНИЮ»:

Автор работы ______________//

«____»___________2011 г.

Рассмотрено на заседании кафедры неорганической и физической химии «____»___________ 2011 года. Протокол № _____.

Соответствует требованиям к содержанию, структуре и оформлению.

«РЕКОМЕНДОВАНО К ЭЛЕКТРОННОМУ ИЗДАНИЮ»:

Объем 17 стр.

Зав. кафедрой ____________________//

«____»___________ 2011 г.

Рассмотрено на заседании УМК ИМЕНИТ .«___» _____________ 2011 г. Протокол № __.

Соответствует ФГОС ВПО и учебному плану образовательной программы.

«СОГЛАСОВАНО»:

Председатель УМК _________________/ /

«____»_____________2011 г.

«СОГЛАСОВАНО»:

Зав. методическим отделом УМУ_____________/ А/

«____»_____________2011 г.

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Химическое отделение ИМЕНИТ

Кафедра неорганической и физической химии

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

ХИМИЯ ТВЕРДОГО ТЕЛА

Учебно-методический комплекс. Рабочая программа

для студентов направления 020100.62 «Химия».

Профили подготовки «Физическая химия», Неорганическая химия и химия координационных соединений» очной формы обучения.

Тюменский государственный университет

2011

Бурханова твердого тела. Учебно-методический комплекс. Рабочая программа для студентов направления 020100.62 «Химия», профили подготовки «Физическая химия», «Неорганическая химия и химия координационных соединений», форма обучения очная. Тюмень, 2011, 17 стр.

Рабочая программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом рекомендаций и ПрООП ВПО по направлению и профилю подготовки.

Рабочая программа дисциплины «Химия твердого тела» опубликована на сайте ТюмГУ: http://www. ***** [электронный ресурс] / Режим доступа: http://www. *****, свободный.

Рекомендовано к изданию кафедрой неорганической и физической химии. Утверждено проректором по учебной работе Тюменского государственного университета.

ОТВЕТСТВЕННЫЙ РЕДАКТОР: заведующий кафедрой неорганической и физической химии

© Тюменский государственный университет, 2011.

© , 2011.

1.  Пояснительная записка:

1.1  Цели и задачи дисциплины

Химия твердого тела – это наука о синтезе, строении, свойствах и применении твердых тел.

Целью обучения является формирование у студентов представления о строении твердых тел, химической связи в твердых телах, взаимосвязи их физических и химических свойств, фазовые превращениях в твердых телах.

Задачи обучения: формирование у студентов

·  представления о фазовых равновесиях и структурных превращениях в твердых телах;

·  представления о связи свойств твердого тела с его строением;

·  умения работать с учебной, научной и справочной литературой по химии.

1.2. Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата

«Химия твердого тела» является дисциплиной по выбору профессионального цикла для направления 020100.62 «Химия ». Дисциплина осваивается в 7 семестре. Содержание курса базируется на знаниях, приобретённых при изучении курса физической химии, неорганической химии и физики.

Материал, излагаемый в курсе «Химия твердого тела», может быть полезен при выполнении практикумов по физико-химическому анализу, а также при выполнении научно-исследовательской работы.

1.3. Компетенции выпускника ООП бакалавриата, формируемые в результате освоения данной дисциплины

В соответствии с ФГОС ВПО данная дисциплина направлена на формирование следующих компетенций:

- общекультурных:

ОК-6 – использование основных законов естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применение методов математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования;

ОК-9 – владение основными методами, способами и средствами получения, хранения, переработки информации, имение навыков работы с компьютером, как средством управления информацией;

- профессиональных:

ПК-1 – понимание сущности и социальной значимости профессии, основных перспектив и проблем, определяющих конкретную область деятельности;

ПК-2 – владение основами теории фундаментальных разделов химии (прежде всего неорганической, аналитической, органической, физической, химии высокомолекулярных соединений, химии биологических объектов, химической технологии);

ПК-3 – способность применять основные законы химии при обсуждении полученных результатов, в том числе с привлечением информационных баз данных;

ПК-4 – владение навыками химического эксперимента, основными синтетическими и аналитическими методами получения и исследования химических веществ и реакций;

ПК-6 – владение навыками работы на современной учебно-научной аппаратуре при проведении химических экспериментов;

ПК-7 – наличие опыта работы на серийной аппаратуре, применяемой в аналитических и физико-химических исследованиях;

ПК-8 – владение методами регистрации и обработки результатов химических экспериментов.

В области воспитания личности целью подготовки является формирование социально-личностных качеств студентов: целеустремленности, организованности, коммуникативности.

В результате освоения дисциплины студент должен:

- знать о взаимосвязи состава, структуры, свойств и реакционной способности химических веществ, методы исследования твердых тел.

- уметь пользоваться научной и справочной литературой по химии твердого тела.

- владеть основными понятиями и теоретическими представлениями о твердых телах.

2. Структура и трудоемкость дисциплины

Основной материал курса излагается в цикле лекций - 36 часов. Методы решения конкретных задач изучаются в ходе практических занятий 36 - часов.

Для текущего контроля предусмотрены текущие контрольные работы по каждой теме на практических занятиях и коллоквиумы.

Итоговый контроль осуществляется посредством:

- рейтинг-листа, суммирующего показатели по всем видам текущего контроля;

- семестрового зачёта (письменного или устного). Общая трудоёмкость дисциплины составляет 4 зачётные единицы, 144 часа.

3. Тематический план

Таблица 1

Тематический план

№

Тема

Недели семестра

Виды учебной ра­боты и самостоятельная работа, час.

Итого часов по теме

из них в интерактив­ной форме, час.

Итого кол-во баллов

лекции

семинарские (практ.) занятия

самостоятельная работа

Модуль 1

1

Основные понятия и определения химии твердого тела.

1

2

2

2

6

1

0-4

2

Типы химических связей в твердых телах.

2, 3

4

5

10

19

3

0-12

3

Зонная структура твердых тел.

4-6

6

5

6

17

4

0-9

Всего

12

12

18

42

8

0-25

Модуль 2

1

Равновесные дефекты в кристаллах.

7-10

8

7

8

23

5

0-12

2

Неравновесные дефекты.

11, 12

4

5

16

25

3

0-22

Всего

12

12

24

48

8

0-34

Модуль 3

1

Фазовые диаграммы.

13-15

5

8

16

29

4

0-20

2

Фазовые превращения.

15-18

7

4

14

25

4

0-18

Всего

12

12

30

54

8

0-38

Итого ( часов, баллов)

36

36

72

144

–

0-100

из них часов в интерактивной форме

12

12

–

–

24

Таблица 2

Виды и формы оценочных средств в период текущего контроля

Тема

Устный опрос

Письменные работы

Итого

кол-во

баллов

коллоквиумы

ответы на семинаре

тест

контрольные

работы

Модуль 1

1. Основные понятия и определения химии твердого тела.

-

0-4

-

-

0-4

2. Типы химических связей в твердых телах.

-

0-4

-

0-8

0-12

3. Зонная структура твердых тел.

0-5

0-4

-

-

0-9

Всего

0-5

0-12

0-8

0-25

Модуль 2

1. Равновесные дефекты в кристаллах.

-

0-4

0-8

0-12

2. Неравновесные дефекты.

0-10

0-4

0-8

0-22

Всего

0-10

0-8

0-8

0-8

0-34

Модуль 3

1. Фазовые диаграммы.

-

0-4

0-8

0-8

0-20

2. Фазовые превращения.

0-10

0-4

0-4

0-18

Всего

0-10

0-8

0-12

0-8

0-38

Итого

0-31

0-14

0-26

0-29

0-100

Таблица 3

Планирование самостоятельной работы студентов

№

Модули и темы

Виды СРС

Неделя семестра

Объем часов

Кол-во баллов

обязательные

дополнительные

Модуль 1

1.1

Основные понятия и определения химии твердого тела.

Работа с учебной литературой и лекционным материалом. Подготовка к теоретическому опросу.

1

2

0-4

1.2

Типы химических связей в твердых телах.

Работа с учебной лите­ратурой и лекционным материалом. Подготовка к теоретическому опросу.

Подготовка к контрольной работе

2, 3

10

0-12

1.3

Зонная структура твердых тел.

Работа с учебной лите­ратурой и лекционным материалом. Подготовка к теоретическому опросу.

Подготовка к коллоквиуму

4-6

6

0-9

Всего по модулю 1:

18

0-25

Модуль 2

2.1

Равновесные дефекты в кристаллах.

Подготовка к теоретическому опросу. Работа с учебной литературой и лекционным материалом.

Подготовка к контрольной работе

7-10

8

0-12

2.2

Неравновесные дефекты.

Работа с учебной лите­ратурой и лекционным материалом. Подготовка к теоретическому опросу.

Подготовка к к коллоквиуму и тестированию

11, 12

16

0-22

Всего по модулю 2:

24

0-34

Модуль 3

3.1

Фазовые диаграммы.

Работа с учебной литературой и лекционным материалом. Подготовка к теоретическому опросу. Выполнение индивидуальных домашних. заданий.

Подготовка к контрольной работе

13-15

16

0-20

3.2

Фазовые превращения.

Подготовка к теоретическому опросу. Работа с учебной литературой и лекционным материалом.

Подготовка к к коллоквиуму и тестированию.

15-18

14

0-18

Всего по модулю 3:

30

0-38

ИТОГО:

72

0-100

4. Разделы дисциплины и междисциплинарные связи с обеспечиваемыми (последующими) дисциплинами

№ п/п

Наименование обеспечиваемых (последующих) дисциплин

Темы дисциплины необходимые для изучения обеспечиваемых (последующих) дисциплин

1

2

3

4

5

6

7

 

1.

Практикум по физико-химическому анализу

+

+

+

+

+

+

+

 

2.

Научно - исследовательская работа

+

+

+

+

+

+

+

 

5. Содержание дисциплины

Модуль 1

Тема 1. Основные понятия и определения химии твердого тела.

Цели и задачи курса. Твердое состояние вещества. Кристаллы. Зависимость свойств кристаллических тел от типа кристаллической решетки. Энергия кристаллической решетки. Кристаллические решетки твердых веществ. Типы Бравэ. Структуры с кубической и гексагональной плотнейшими упаковками. Материалы, обладающие структурой с плотнейшей упаковкой: металлы, сплавы, ионные и ковалентные соединения, молекулярные, структуры.

Тема 2. Типы химических связей в твердых телах.

Металлическая связь. Доля ковалентной составляющей связи в металлах. Химическая связь в твердых неорганических веществах. Интерметаллические соединения, природа химической связи в них. Типы химического взаимодействия в металлических системах без образования соединений. Образование соединений в металлических системах: соединения Курнакова, фазы Лавеса, фазы внедрения, соединения Юм-Розери, их свойства и применение.

Тема 3. Зонная структура твердых тел.

Зонная теория кристаллов. Энергия Ферми. Проводники и изоляторы. Зонная структура металлов, диэлектриков, полупроводников. Собственные и примесные полупроводники. Зонная структура твердых тел типа AIIBVI, AIBVII.

Модуль 2

Тема 1. Равновесные дефекты в кристаллах.

Точечные дефекты. Вакансии: термические, структурные, стехиометрические. Междоузельные атомы. Механизм образования вакансий и междоузельных атомов по Френкелю, по Шоттки. Нейтральные и заряженные дефекты. Электронейтральность. Комплексы точечных дефектов: дивакансия, комплекс атома замещения с вакансией, F-центры. Разупорядоченность в стехиометрических кристаллах химических соединений. Энергетические уровни точечных дефектов. Разупорядоченность в нестехиометрических кристаллах химических соединений: недостаток металла, избыток металла. Односторонние, двусторонние фазы. Термодинамика точечных дефектов.

Тема 2. Неравновесные дефекты.

Линейные дефекты. Дислокация: краевые, винтовые. Энергия дислокаций. Взаимодействие дислокаций с точечными дефектами. Атмосферы Котрелла и Снука. Методы наблюдения дислокаций: электронной микроскопии, химического травления, декоррирования. Двумерные дефекты. Дефекты упаковки: вычитания, внедрения. Зерна, субзеренные границы.

Модуль 3

Тема 1. Фазовые диаграммы.

Система. Фаза. Система гомогенная и гетерогенная. Компонент. Правило фаз Гиббса. Изображение состава 2-х компонентной системы. Фигуративная точка. Коннода. Типы диаграмм состояния: с расслоением, с неограниченными твердыми растворами, с эвтектикой, с ограниченными твердыми растворами (эвтектический и перитектический типы), с конгруэнтно и инконгруэнтно плавящимся соединением. Твердые растворы. Условия образования. Типы твердых растворов: замещения, внедрения, вычитания. Соединения постоянного и переменного состава. Дальтониды и бертоллиды.

Тема 2. Фазовые превращения.

Фазовые переходы I и II рода. Классификация твердофазных превращений. Механизмы превращений бездиффузного типа: нормальное, мартенситное, массивное. Превращения диффузионного типа: непрерывные, ячеистые. Кинетика фазового превращения. Однофазные превращения. Упорядочение. Кинетика процесса упорядочения. Полиморфные превращения. Механизм превращения, влияние примесей на температуру полиморфного превращения. Двухфазные превращения: расслоение твердого раствора, старение сплавов, эвтектоидный распад.

6. Темы семинарских занятий

1.  Кристаллические решетки твердых веществ.

2.  Химическая связь в твердых телах.

3.  Образование соединений в металлических системах.

4.  Зонная теория кристаллов.

5.  Собственные и примесные полупроводники.

6.  Точечные дефекты.

7.  Неравновесные дефекты.

8.  Фазовые равновесия и фазовые диаграммы.

9.  Типы диаграмм состояния.

10.  Твердые растворы.

11.  Дальтониды и бертоллиды.

12.  9. Фазовые превращения в твердом состоянии.

13.  Упорядочение.

14.  Полиморфные превращения и распад пересыщенных растворов.

7. Темы лабораторных работ

Учебным планом ООП не предусмотрены.

8. Примерная тематика курсовых работ

Учебным планом ООП не предусмотрена.

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

В качестве домашнего задания, для самостоятельной подготовки к коллоквиумам, контрольным работам студенты получают контрольные вопросы, которые помогают им ориентироваться в учебном материале, и, используя учебную и методическую литературу, а также материал лекций, выполнять индивидуальные задания.

9.1. Вопросы для самоконтроля

1.  Опишите типы химических связей в кристаллах.

2.  В чем различие между металлами, полупроводниками, диэлектриками?

3.  Постройте фазовую диаграмму бинарной системы эвтектического типа с ограниченной растворимостью на основе исходных компонентов. Каким образом можно экспериментально определить предельные составы твердых растворов, эвтектическую температуру.

4.  Какие элементы можно вводить в кремний, чтобы он стал полупроводником p-типа? Ответ поясните схемой структуры энергетических зон кремния с шириной запрещенной зоны 1,1 эВ.

5.  Приведите классификацию дефектов кристаллического строения.

6.  Охарактеризуйте образование дефектов по механизмам Шоттки и Френкеля.

7.  Охарактеризуйте линейные дефекты.

8.  Охарактеризуйте комплексы точечных дефектов: дивакансия, комплекс атома замещения с вакансией, F-центры.

9.  Неограниченными могут быть:

1)  твердые растворы внедрения,

2)  твердые растворы замещения,

3)  твердые растворы вычитания.

10.  Определяющим фактором устойчивости фаз Лавеса является:

1)  электронная концентрация,

2)  электрохимический фактор,

3)  тенденция к максимальному заполнению пространства.

11.  Вектор Бюргерса перпендикулярен направлению сдвига и параллелен линии дислокации для:

1)  краевых дислокаций,

2)  винтовых дислокаций,

3)  краевых и винтовых дислокаций.

12.  Термодинамически неравновесными дефектами являются:

1)  вакансии,

2)  дислокации,

3)межузельные атомы.

9.2. Вопросы к зачету

1.  Предмет и задачи химии твердого тела.

2.  Элементарные ячейки четырнадцати пространственных решеток Браве.

3.  Геометрическая модель кристалла. Координационное число. Плотность упаковки.

4.  Основные типы связей в твердых телах.

5.  Химическая связь в твердых телах. Энергия связи.

6.  Зонная теория твердого тела. Зона проводимости и валентная зона. Запрещенная зона.

7.  Классификация твердых тел по электропроводности.

8.  Полупроводниковые материалы. Собственные и примесные.

9.  Акцепторные и донорные примеси в полупроводниках.

10.  Диэлектрики.

11.  Классификация дефектов по их размерности.

12.  Тепловые точечные дефекты.

13.  Заряженные и незаряженные дефекты. Центры окраски (F, М, R - центры).

14.  Основные типы взаимодействия точечных дефектов.

15.  Виды дислокаций. Источники дислокации.

16.  Методы наблюдения дефектов решетки.

17.  Твердые растворы внедрения, вычитания и замещения.

18.  Факторы, влияющие на реакционную способность твердых тел: примеси, структурные дефекты, облучение.

10. Образовательные технологии

В соответствии с требованиями ФГОС при реализации различных видов учебной работы в процессе изучения дисциплины «Теоретические основы защиты металлов» используются следующие активные и интерактивные формы проведения занятий:

·  лекции;

·  практические занятия;

·  дополнительные консультации.

Кроме того используются дополнительные формы обучения по отдельным темам:

·  текущая проверка знаний; взаимный контроль студентов по разработанным ими тестам;

·  отработка пройденного материала на практических задачах; форма, при которой малые (3-4 человека) группы получают различные практические задания на одну тему;

·  обмен знаниями между студентами в малых группах («каруселька»).

11. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины (модуля)

11.1. Основная литература:

1.  Химия твердого тела. Теория и приложение, ч. 1. М.: Мир. 1988, 558 с.

2.  Химия твердого тела. Теория и приложение, ч. 2. M.: Мир, 1988, 336 с.

3.  Химия твердого тела. M.: Мир, 1971, 223 с.

4.  , Хохлов твердого тела. М.: Высшая школа, 1985, 384 с.

5.  , Гузей . М.: Изд-во Моск. ун-та, 1986, 264 с.

11.2. Дополнительная литература

1.  Чеботин химия твердого тела. M.: Химия, 1988, 320 с.

2.  Урусов кристаллохимия. М.: Изд-во МГУ. 1987, 275 с.

3.  Третьяков реакции. М.: Химия, 1978, 360 с.

4.  Твердое тело под высоким давлением. Ред. В. Пол и Д. Варшауэр.-М.: Мир, 1966; 524 с.

5.  Блейкмор Дж. Физика твердого тела. М.: Мир, 1988.

6.  Алесковский твердых веществ. - М.: Высш. шк., 19с.

7.  Зайцев химия. Состояние вещества и химические реакции: Учебн. пособие для вузов. М.: Химия, 1990, 352с.

12. Технические средства и материально-техническое обеспечение дисциплины

Лекционная аудитория с мультимедийным оборудованием, и аудитория для проведения практических работ.