Программа модуля-дисциплины Термодинамика и строение конденсированных тел (стр. 2 )

Принципиальной чертой данного курса является его интегративный характер. Курс рассчитан на 2-х уровневую систему преподавания: основы предмета изучаются на 4-м курсе; углубленное освоение, особенно положений, требующих знаний по всем предметам базового образования, выносится в магистратуру. Теоретическое освоение курса сопровождается выполнением индивидуального научно-исследовательского задания в спецпрактикуме "Синтез и свойства".

Курс «Термодинамика и строение конденсированных тел» является одной из первых специальных дисциплин, поэтому особенно важна его роль в формировании профессиональной компетенции ПК-1: «понимает сущность и социальную значимость профессии, основных перспектив и проблем, определяющих конкретную область деятельности» и ПК-2: «владеет основами теории фундаментальных разделов химии (прежде всего неорганической и физической)».

Основное формирование профессиональной компетенции ПК-3: «обладает способностью применять основные законы химии при обсуждении полученных результатов, в том числе с привлечением информационных баз данных» происходит на практических занятиях, где студенты учатся прогнозировать свойства простых оксидов с заданным типом дефектности на основе общих теоретических положений и закономерностей общей и неорганической химии, и знаний, которые они получают на лекциях и в ходе самостоятельной работы с учебниками, интернет-ресурсами, химическими базами данных.

В ходе лекционного курса, который также знакомит с основными методами изучения транспортных свойств твердых тел, происходит формирование профессиональных компетенций ПК-4 «владеет навыками химического эксперимента, основными синтетическими и аналитическими методами получения и исследования химических веществ и реакций» и ПК-8 «владеет методами регистрации и обработки результатов химически экспериментов».

Требования к результатам освоения модуля-дисциплины.

В результате освоения модуля-дисциплины студент должен

Знать:

- теоретические основы общей и неорганической химии (состав, строение и химические свойства основных простых веществ и химических соединений, связь строения вещества и протекания химических процессов); в том числе закономерности изменения физико-химических свойств твердых тел в группах и периодах;

- способы поиска профессиональной информации, реферирования и аннотирования научных текстов; в том числе поиска информации о современном состоянии и путях развития химии твердого тела, о ее роли в получении неорганических веществ с заданными свойствами;

- способы исследования неорганических веществ; в том числе в учебных и научных лабораториях.

Уметь:

- описывать свойства веществ на основе закономерностей, вытекающих из периодического закона и Периодической системы элементов; в том числе уметь прогнозировать типы разупорядочения, предлагать способы задания дефектности и делать прогноз транспортных свойств фазы, в итоге устанавливать главную взаимосвязь «состав-структура-дефектность-свойство»;

- использовать теоретические знания по физике при объяснении результатов химических экспериментов; в том числе уметь объяснять зависимости транспортных свойств при вариации температуры, парциального давления летучего компонента и уровня допирования;

- использовать законы термодинамики и кинетики для описания свойств материалов и процессов; в том числе дефектного кристалла;

- корректно интерпретировать результаты эксперимента; в том числе электрические и диффузионные характеристики оксидов при вариации Т и рО2;

– вести поиск научной информации в области неорганической химии и химии координационных соединений, проводить ее систематизацию.

Владеть:

- навыками описания свойств веществ на основе закономерностей, вытекающих из периодического закона и Периодической системы элементов; в том числе навыками анализа физических и химических свойств вещества исходя из структуры и дефектности вещества;

- основами химической термодинамики, теории растворов и фазовых равновесий, элементами статистической термодинамики; в том числе навыками описания равновесий дефектного кристалла на примере простого оксида;

- физическими принципами описания химических веществ и явлений; в том числе принципами описания неорганических материалов, применяющихся в современных технологиях, принципами описания химических явлений;

- навыками изучения и анализа научной информации в области неорганической химии; в том числе химии конденсированного состояния.

Краткое дидактическое описание модуля-дисциплины

Занятия по дисциплине «Термодинамика и строение конденсированных тел» проводятся в виде лекций и практических занятий. Часть материала по каждой теме дисциплины студенты изучают самостоятельно. В ходе изучения дисциплины студенты выполняют три домашних контрольных работы по описанию строения, дефектности и прогнозированию транспортных свойств оксидов в широких интервалах активности кислорода и температуры. В учебном процессе используется проблемный подход, направленный на повышение качества подготовки бакалавров, усиление роли самостоятельной работы, оптимизации контроля учебных достижений студентов и обеспечивает непосредственное участие студентов в обсуждении нового материала. Проблемный подход активизирует учебно-познавательную деятельность студентов, что приводит к развитию логического профессионального мышления и формированию исследовательских навыков, необходимых для будущей успешной профессиональной деятельности.

Основные составляющие проблемного подхода при обучении студентов.

Творческие домашние задания.

При составлении индивидуальных домашних заданий перед студентами формулируется проблемная ситуация, которую необходимо решить, имея некоторый набор знаний о структуре и типе химической связи. Студент должен, опираясь на знания, полученные на лекционных и семинарских занятиях, а также добытые самостоятельно из литературных источников, предложить адекватную модель разупорядочения, и сделать прогноз транспортных свойств. Таким образом, это позволяет сформировать одно из важнейших умений для химиков –способность выстраивать причинно-следственную связь между строением вещества и вытекающими из него физическими и химическими свойствами. В рамках данного курса основное внимание уделяется описанию свойств простых оксидов. В последующих спецкурсах магистратуры эти знания будут углублены и распространены на сложные оксиды.

Проблемные задания контрольных работ.

Контрольные работы составлены таким образом, что студент не решает типовые задания, а перед ним ставится определенная проблема, например, предложить способы задания типа разупорядочения, которые позволяют получить требуемое функциональное свойство, сравнить свойства нескольких веществ с определенной структурой и дефектностью, выявить общие свойства и различия, их причины.

Форма текущего контроля: 3 теста.

Форма промежуточного контроля: 3 контрольные работы.

В конце семестра проводится итоговый тест, включающий задания по всем разделам дисциплины.

Трудоемкость модуля-дисциплины – 3 з. е.

РАЗДЕЛ 3. СОДЕРЖАНИЕ МОДУЛЯ-ДИСЦИПЛИНЫ

3.1. Разделы и темы модуля-дисциплины, их содержание*

№ п/п	Наименование разделов и тем дисциплины	Содержание тем в дидактических единицах**
1	Раздел I. Введение
Тема 1. Предмет физико-химии конденсированного состояния.	Предмет физико-химии конденсированного состояния. История развития представлений о природе твердых тел жидкостей. Уральская школа высокотемпературной физической химии расплавов и твердых тел. Основные современные проблемы конденсированного состояния. Прикладные аспекты курса.
2	Раздел II. Химическая связь и ее свойства.
Тема 1. Типы связи в конденсированных средах.	Типы связи в конденсированных средах. Ковалентная, ионная, металлическая, донорно-акцепторная, ван-дер-ваальсова связь. Соотношение энергий.
Тема 2. Энергетические характеристики атомов и ионов.	Энергетические характеристики атомов и ионов. Соотношение энергий связи электронов, атомов и молекул. Потенциал ионизации. Эффективные заряды атомов, представления Слейтера. Сродство к электрону. Различие энергетических характеристик атомов и ионов в свободном и связанном (молекула, кристалл, стекло) состоянии. Понятие электроотрицательности, его физический смысл и эволюция. Орбитальная электроотрицательность. Электроотрицательность по Малликену. Термохимическая электроотрицательность по Полингу. Поляризуемость атомов и ионов. Энергия фазовых переходов. Соотношение между энергиями атомизации, разрыва молекул на атомы и энергиями фазовых переходов (сублимация, испарение, плавление, модификационные переходы), его смысл. Методы расчета и оценки энергии связей. Степень ионности связей, ее оценка по Полингу, Филлипсу, Брауну-Шэннону. Особенности металлической связи как ненаправленной ковалентной. Элементы зонной теории конденсированных тел.
Тема 3. Геометрические характеристики атомов и ионов в твердых телах	Геометрические характеристики атомов и ионов в твердых телах. Орбитальный радиус, металлический радиус, ковалентный радиус, ван-дер-ваальсов радиус; их физическая суть. Радиус иона, причины неопределенности понятия и размерных характеристик. Системы радиусов ионов. Эффект Фаянса: стабилизация анионов в кристаллическом поле.
Тема 4. Полиэдрическое описание строения и структуры простых и сложных соединений.	Полиэдрическое описание строения и структуры простых и сложных соединений. Правила Полинга для ионных и ковалентных структур, их современное обоснование. Расчет силы связи (связевой валентности, валентного усилия связи, порядка и кратности связи). Расчет числа атомов металлов, связанных с одним электроотрицательным атомом. Уточнение структур, расчет длин связей, оценка степени ковалентности. Двоякая структурообразующая функция металлов. Изо-, мезо-, и гетеродесмические структуры по Эвансу. Примеры.
	Тема 5. Энергия связи атомов в конденсированных средах.	Энергия связи атомов в конденсированных средах. Оценка величин энергии по Бацанову, Резницкому, Зилковскому-Джембе. Энергетика координационных полиэдров; подход Резницкого.
3	Раздел III . Твердое состояние. Квазихимический подход к описанию дефектных кристаллов
Тема 1. Реальные кристаллы и стекла, их электронная структура.	Реальные кристаллы и стекла, их электронная структура. Энергетический спектр тела конечных размеров. Поверхностные состояния Тамма и Шокли. Поверхностные состояния, связанные с хемосорбцией. Двойной электрический слой. Внутренняя поверхность твердых тел. Монокристаллы, поликристаллы, керамика. Типы границ и поверхностей в реальном твердом теле. Поверхностная энергия твердого тела. Примеси. Поверхностные химические соединения. Контакт твердых тел. Фактор дисперсности. Предел измельчения. Влияние дисперсности на физические свойства и реакционную способность.
Тема 2. Статистико-термодинамическая модель реального кристалла. Идеальный кристалл. Дефекты кристаллической структуры	Статистико-термодинамическая модель реального кристалла. Идеальный кристалл. Дефекты кристаллической структуры. Равновесные и неравновесные дефекты. Точечные дефекты, электронное разупорядочение кристалла. Типы разупорядочения: Шоттки, Френкеля, анти-Френкеля. Химическая термодинамика кристалла с дефектами. Зависимость концентрации дефектов от температуры. Химические потенциалы атомов, ионов и дефектов. Квазихимические реакции. Правила записи. Представления об ионизации дефектов. Центры окраски. Эффективные заряды. Энергия образования дефектов.
Тема 3. Термическое равновесие дефектов. Аппроксимация по Броуэру.	Термическое равновесие дефектов. Аппроксимация по Броуэру.
Тема 4. Равновесие "кристалл-газ". Диаграммы Крегера-Винка.	Равновесие "кристалл-газ". Диаграммы Крегера-Винка; ионное и электронное разупорядочение.
Тема 5. Примесное разупорядочение кристаллов	Примесное разупорядочение кристаллов. Механизмы введения примесей. Акцепторное и донорное допирование.
	Тема 6. Фазы переменного состава.	Фазы переменного состава. Дальтониды и бертоллиды. Закон постоянства состава. Отклонения от стехиометрии; трактовка в квазихимической модели. Особенности сложных соединений. Представления Алесковского. Химический смысл дефектных моделей и фаз переменного состава. Модели упорядочения и взаимодействия дефектов. Ассимиляции дефектов. Протяженные дефекты типа Уодсли. Представления о микрогетерогенности реальных кристаллов. Работы Ария. Взаимопрорастание структур. Непрерывно адаптированные структуры.

3.2. Соотношение разделов/тем модуля-дисциплины и проектируемых результатов