Рабочая программа по дисциплине «М.1.2.2 Химическая физика твердого тела» (стр. 1 )

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего образования

«Саратовский государственный технический университет имени »

Энгельсский технологический институт (филиал)

Кафедра «_______Химические технологии_________________»

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА

по дисциплине

«М.1.2.2 Химическая физика твердого тела»

направления подготовки

18.04.01 «Химическая технология»

Магистерская программа «Технология электрохимических производств»

форма обучения – очная

курс – 1

семестр – 1

зачетных единиц – 4

часов в неделю – 3

всего часов – 144

в том числе:

лекции – 10

коллоквиумы – нет

практические занятия – 8

лабораторные занятия – 36

самостоятельная работа – 90

зачет – нет

экзамен – 1 семестр

РГР – нет

курсовая работа – нет

курсовой проект – нет

Рабочая программа обсуждена на заседании кафедры

«02» сентября 2015 года, протокол № 1

Зав. кафедрой _____________/______________/

Рабочая программа утверждена на заседании УМКН

«28» сентября 2015 года, протокол № 1

Председатель УМКН _______/______________/

Энгельс 2015

1. Цели и задачи освоения дисциплины

Цель преподавания дисциплины состоит в изучении основ физики твердого тела (металлов, сплавов и их соединений: оксидов, гидридов, галогенидов, фосфатов и т. д.) во взаимосвязи с их химическими свойствами, кристаллографической структурой, определяемой влиянием степени дефектности структуры на диффузию электронов и ионов, их подвижность, электронную и ионную проводимость и соответственно на механизм и кинетику образования новой фазы.

Задачами дисциплины являются освоение научной методологии современных представлений химической физики применительно к твердому телу с электронной, ионной и (или) смешанной проводимостью, на границе с которыми протекают электрохимические процессы, и выработка у студентов магистерской подготовки навыков самостоятельной постановки, организации и проведения теоретических и экспериментальных исследований, умения обобщения полученных результатов и использования их при разработке и внедрения новых материалов и процессов в производство.

Теоретическая часть дисциплины излагается в лекционном курсе. Полученные знания закрепляются на практических занятиях. Самостоятельная работа предусматривает работу с учебниками, справочниками, периодическими изданиями и учебными пособиями, подготовку рефератов и докладов на конференциях.

2. Место дисциплины в структуре ООП ВО

Дисциплина «Химическая физика твердого тела» относится к вариативной (обязательной) профессиональной части учебного цикла образовательной программы магистратуры по направлению 18.04.01 «Химическая технология». Изучение дисциплины базируется на знании дисциплин естественнонаучного цикла (химия, физика, математика, кристаллохимия, металловедение, электротехника, информатика) и профессионального цикла (теоретическая электрохимия, электрохимическая технология) образовательной программы по направлению 18.04.01 «Химическая технология».

Знания, полученные студентами при изучении данной дисциплины, развиваются и углубляются в дальнейшем при изучении студентами профильных дисциплин профессионального цикла.

3. Требования к результатам освоения дисциплины

Для освоения дисциплины необходимы знания по дисциплинам учебного плана подготовки магистрантов предшествующих указанной дисциплине: М. 1.1.3 «Теоретические и экспериментальные методы исследования в химии», М.1.2.3 «Дополнительные главы теоретической электрохимии». Изучение дисциплины идет параллельно с освоением таких дисциплин как М.1.2.4 «Методика организации и проведения научных исследований», М.1.3.1.1 «Компьютерные технологии», М.1.3.2.1 «Теоретические основы электрохимического осаждения металлов и сплавов», необходимых для квалифицированного решения вопросов моделирования электрохимических процессов. Успешное освоение дисциплины базируется на знаниях, полученных в период бакалаврской подготовки по высшей математике, информатике, электрохимической технологии, теоретической электрохимии.

В процессе освоения данной дисциплины студент формирует и демонстрирует следующие компетенции при освоении ООП ВО, реализующей Федеральный Государственный образовательный стандарт высшего профессионального образования (ФГОС ВО):

- способность к профессиональному росту, к самостоятельному обучению новым методам исследования, к изменению научного и научно-производственного профиля своей профессиональной деятельности (ОК-5);

- готовностью к поиску, обработке, анализу и систематизации научно-

технической информации по теме исследования, выбору методик и средств решения

задачи (ПК-2).

В результате изучения дисциплины «Химическая физика твердого тела» студент должен демонстрировать следующие результаты образования.

Обучающийся должен:

3.1. Знать: основные уравнения электрохимической термодинамики, кинетики и механизма образования новой фазы на границе электрод/твердый электролит, отражающие влияние объемного и поверхностного заряда в твердой фазе, соотношение электронной и ионной составляющей электропроводности твердых электролитов (ТЭЛ), степени дефектности структуры.

3.2. Уметь:

- изготовить двухэлектродную ячейку с ТЭЛ;

- изготовить электрод сравнения и приспособление, обеспечивающее его подвод в зону реакции на границе электрод/ТЭЛ;

- уметь пользоваться специальным устройством, обеспечивающим плотную сборку системы РЭ/ТЭЛ/ВЭ и протекание в ней электрического тока;

- собрать измерительную и поляризующую цепи с исследуемой твердоэлектролитной электрохимической ячейкой;

- по результатам измерения тока, как функции потенциала, времени, температуры, состава и кристаллохимических особенностей ТЭЛ, или потенциала, как функции тока (количества электричества, времени, температуры, типа проводимости ТЭЛ, его состава и структуры) рассчитать коэффициент диффузии, сопротивление массопереноса, энергию активации проводимости ТЭЛ и стадии переноса заряда, определить лимитирующую стадию электрохимической реакции и сделать заключение о механизме массопереноса и образовании новых фаз.

3.3. Владеть методами и методиками:

- определения электронной и ионной составляющих проводимости ТЭЛ;

- определения механизма переноса заряда в ТЭЛ (вакансионный, междоузельный и т. д.);

- определение энергии активации электрохимической реакции;

- определение коэффициента диффузии, плотности тока обмена, концентрации вакансий при работе ячейки в гальваностатическом, потенциостатическом или потенциодинамическом режимах, а также из результатов импедансных измерений.

4.Распределение трудоёмкости (час) дисциплины по темам и видам занятий

№ Мо- ду- ля	№ Не- де- ли	№ Те- мы	Наименование темы	Часы/ из них в интерактивной форме
всего	Лек-ции	Коллок-виумы	Лабора-торные	Прак-тичес-кие	СРС
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
1	1-10	1	Введение в химическую физику твердого тела. Основные типы разупорядоченности твердых тел.	13 36 25 12 12 12 36	1 2 2 1 1 1 2		12 12 12	2 2 1 1 1 1 2	10 20 10 10 10 10 20
2	Кинетическая теория процессов выделения новой фазы в твердых растворах
3	Транспортные свойства твердых тел, ТЭЛ. Колебательные окислительно-восстановительные реакции в неклассических сверхпроводниках.
4	Механизмы неорганических реакций
5	Диффузия и растворение водорода в металлах.
6	Хемосорбция на поверхности полупроводников
7	Электронные процессы в твердых электролитах
Всего	144	10		36	8	90

5.  Содержание лекционного курса

№ темы	Всего часов	№ лекции	Тема лекции. Вопросы, отрабатываемые на лекции	Учебно-методическое обеспечение
1	2	3	4	5
1	1	1	Введение в химическую физику твердого тела. Возможности и границы науки. Диссипативные структуры. Стохастические процессы. Синергетика. Флуктуации в физических системах. Принцип симметрии и открытие фуллеренов. Сверхпроводники электрического тока. Кавитация. Дробное количество электричества. Наноматериалы и нанотехнологии.	[1,2,4,5]
2	2	2	Кинетическая теория процессов выделения новой фазы в твердых растворах. Механизм развивающих цепных реакций. Образование и рост кластеров. Роль распределения частиц по размерам в кинетике и механизме роста частиц для цепных и последовательных реакций. Модель модифицированной реакции первого порядка с переменной концентрацией выделяющихся частиц. Модель образования зародышей в фиксированных активных центрах. Критический размер зародыша. Переменная константа скорости реакции образования кластера.	[1,5,7]
3	2	3	Транспортные свойства твердых тел, ТЭЛ. Факторы, влияющие на транспортые свойства ТЭЛ (коэффициент самодиффузии К+ и А–). Концентрация добавки и ее влияние на характер взаимодействия дефектов. Эффективные радиусы диффузии. Вакансионная модель максимума электропроводности. Электропроводность оксидных ТЭЛ. Двойной электрический слой на границе электрод – ТЭЛ. Решение уравнения Пуассона-Больцмана и межфазный скачок потенциала. Влияние адсорбции заряженных ионов. Образование вакансий и выход ионов их объема кристалла на поверхность. Соотношение энергии образования катионных и анионных вакансий и их концентраций на поверхности. Механизм заряжения поверхности ионного кристалла и модели д. э.с. в ТЭЛ. Работы выхода К+ и А- на поверхность и энергия образования дефектов Шоттки. Зависимость Сдэс-потенциал. Собственная объемная разупорядоченность. Фазовые диаграммы. Структурная разупорядоченность анионов и катионов. Примесная разупорядоченность. Отклонение от стехиометрического состава и характер электропроводности ионных соединений.	[1,5]
4	1	4	Механизмы неорганических реакций. Влияние расстояния между ионами в кристаллической решетке и разности свободных энергий продуктов реакций и исходных веществ на вероятность переноса электрона. Электронное строение систем металл-водород. Адсорбционные слои и фазы внедрения.	[1,5,8]
5	1	4	Диффузия и растворение водорода в металлах. Роль структурных нарушений, поверхностных процессов и энергетического состояния водорода.	[1,5,8]
6	1	4,5	Хемосорбция на поверхности полупроводников. Объемные и поверхностные свойства. Методы расчета. Хемосорбция на металлах с d-зоной. Кластерная теория хемосорбции. Взаимодействие кластера с окружением.	[1,5,7]
7	2	5	Электронные процессы в твердых электролитах. Электроны и дырки в ионных кристаллах стехиометрического состава. Два механизма движения свободных зарядов. Образование донорных и акцепторных уровней собственными дефектами (вакансии, междоузельные ионы, ионы в чужих узлах решетки). Электронная и дырочная проводимость ионных кристаллов и твердых электролитов.	[4,7]

6. Содержание коллоквиумов