Metodichka_Petkova

Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского

Национальный исследовательский университет

Учебно-научный и инновационный комплекс «Новые многофункциональные материалы и нанотехнологии»

Петьков В.И., Грудзинская Е.Ю.

ИЗОМОРФИЗМ. ТВЕРДЫЕ РАСТВОРЫ

Электронное учебно-методическое пособие

Мероприятие 1.2. Совершенствование образовательных технологий, укрепление материально-технической базы учебного процесса.

Учебная дисциплина: «Избранные главы химии твердого тела».

Специальности, направления: Направление подготовки 020100 «Химия», специальности 020101 «Химия», 240306 «Химическая технология монокристаллов, материалов и изделий электронной техники».

Нижний Новгород

2010

3

Пояснительная записка

Изоморфизм атомов в кристаллах является мощным геохимическим и технологическим фактором, определяющим реальную картину минерального мира Земли и материальную культуру человечества. Изоморфизм широко распространен в природе. Большое число минералов представляет собой изоморфные смеси сложного переменного состава (твердые растворы). С изоморфизмом связано геохимическое поведение редких и рассеянных элементов, их распространение в горных породах и рудах, где они содержатся в виде изоморфных примесей. Изоморфное замещение определяет многие полезные для практики свойства искусственных неорганических, полимерных и композиционных материалов современной техники (полупроводников, ферромагнетиков, пьезо- и сегнетоэлектриков, люминофоров, лазерных материалов и др).

Методическое пособие отражает содержание курса лекций и описание занятий дисциплины «Изоморфизм. Твердые растворы». Дисциплина изучается в течение ряда лет на химическом факультете ННГУ, является спецкурсом для студентов, обучающихся по направлению подготовки 020100 «Химия» и специальностям 020101 «Химия» и 240306 «Химическая технология монокристаллов, материалов и изделий электронной техники».

Цели освоения дисциплины

Целями освоения дисциплины «Изоморфизм. Твердые растворы» являют-

ся:

−изучение одной из основных категорий кристаллохимии – изоморфизма, включая решение задачи количественного предсказания областей смесимости и распада твердых растворов, исходя из поиска минимума энергии взаимодействия атомов;

−выявление связи между химическим составом, атомной структурой и физическими свойствами твердых растворов;

−понимание того, что образование твердых растворов является основой разработки и создания материалов современной техники.

Место дисциплины в структуре основной образовательной программы

Изоморфизм – одна из важнейших категорий кристаллохимии, которая постоянно расширяется и развивается. Кристаллохимия, являясь пограничной наукой на пересечении больших областей классического естествознания, испытывает, с одной стороны, сильное влияние со стороны многих областей химии и физики, минералогии, геохимии, материаловедения, химической технологии, а с другой стороны, вносит современные представления в сопредельные области знания. Кристаллохимия, а вместе с ней и изоморфизм, стоят на прочном фундаменте теории пространственных групп симметрии Е.С. Федорова, все более глубоко проникают в законы внутреннего строения кристаллов и позволяют на

4

основании знания природы смесимости в твердом состоянии осуществить направленный синтез веществ и материалов с заранее заданными свойствами. Эти положения обусловливают актуальность спецкурса «Изоморфизм» для хими- ков-исследователей.

Данная дисциплина (модуль) относится к циклу дисциплин специализации и тесно взаимосвязана с циклом общепрофессиональных дисциплин (кристаллохимией, физической, неорганической, органической, аналитической химией, химической технологией), общих математических и естественнонаучных дисциплин (математикой, информатикой) и дисциплин по выбору студента (материаловедением, физической химией твердого тела) основной образовательной программы.

Актуальность данной разработки связана с выстраиванием занятий спецдисциплины в активных методах. Эффективность применения активных методов в образовательном процессе признана педагогами-практиками высшей школы (В.А. Попков, А.В. Коржуев. Дидактика высшей школы. – М.: Издательский центр «Академия». 2008. – 224с.). Опыт работы на курсах повышения квалификации преподавателей в ННГУ свидетельствует о необходимости внедрения активных методов в вузовский учебный процесс для повышения качества образования, мотивации к обучению у студентов и повышения ответственности студентов за результаты их обучения, повышения эффективности учебного процесса в целом.

В вышедших в 2009–2010 годах Федеральных государственных образовательных стандартах (ФГОС) третьего поколения сформулированы образовательные цели обучения, фиксирующие переход от «знаниевого», гностического подхода к деятельностному подходу. Реализация компетентностного подхода, заявленного во ФГОС, означает перенос акцента с целей формирования прочных систематизированных знаний к целям формирования способностей к активной профессиональной деятельности. Знания становятся не основной и единственной целью образования, а средством развития профессиональных и общекультурных компетенций студентов.

Изменение целей образования приводит к кардинальному изменению организации учебного процесса, что отражено в разделе «Требования к условиям осуществления образовательных программ» ФГОС. Для повышения эффективности формирования и развития общекультурных и профессиональных компетенций предлагается 30% аудиторных занятий в рамках образовательной программы проводить в активных и интерактивных методах.

Проведение занятий в активных методах меняет всю систему отношений в учебном процессе: «преподаватель – студент», «студент – учебный материал», «студент – другие студенты». Студент нацелен на конструктивный диалог с преподавателем и студентами, способность высказывать и отстаивать свою точку зрения, самодиагностику и самооценку, открытость новой информации, всесторонний анализ и осмысление информации, выявление особенностей, остающихся недоступными при беглом восприятии информации. Такой характер работы позволяет развивать и формировать

общекультурные компетенции:

5

логически верно, аргументировано и ясно строить устную и письменную речь;

использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применять методы математического анализа и моделирования, теоретического экспериментального исследования;

уметь работать с компьютером на уровне пользователя и применять навыки работы с компьютером в области познавательной и профессиональной деятельности, обладать способностью работать с информацией в глобальных компьютерных сетях;

уметь работать в коллективе, сотрудничать с коллегами, адаптироваться к различным рабочим ситуациям;

критически оценивать накопленный опыт и анализировать свои возможно-

сти.

профессиональные компетенции:

понимать сущность, основные перспективы и проблемы, определяющие область деятельности с тематикой спецдисциплины;

владеть основами теории фундаментальных разделов химии (прежде всего неорганической, аналитической, органической, физической химии, химической технологии);

способностью применять основные законы химии при обсуждении полученных результатов, в том числе с привлечением информационных баз данных; владеть навыками химического эксперимента, основными синтетическими аналитическими методами получения исследования химических веществ (твер-

дых растворов) и реакций; иметь опыт работы на серийной аппаратуре, применяемой в аналитических

и физико-химических исследованиях; владеть методами регистрации и обработки результатов химических экс-

периментов.

Активная самостоятельная работа студентов над учебным материалом, как в аудитории, так и вне аудитории при изучении спецдисциплины «Изоморфизм. Твердые растворы» организуется на основе выстраивания занятий в технологии развития критического мышления. Занятия разрабатывались с использованием различных приемов и стратегий технологии с учетом особенностей изучаемого материала и преследуемых целей. Ведение портфолио на протяжении всего курса способствует формированию профессиональной рефлексии, критическирефлексивного стиля мышления; создает условия для организации самостоятельной работы студента.

При том же объеме содержательной части спецдисциплины изменяются методы обучения – от репродуктивных к частично-поисковым и проблемнопоисковым; меняется форма организации занятий – чтение лекции заменяется самостоятельным освоением и обсуждением учебного материала, групповая работа сочетается с индивидуальной и фронтальной формами.

Спецкурс рассчитан на 58 часов, 22 часа − аудиторная работа, 36 часов отведено на самостоятельную работу студентов.

6

Осуществляется текущий и итоговый контроль усвоения курса. Текущий контроль осуществляется по итогам презентаций групповых проектов на каждом занятии, проводится промежуточная контрольная работа. Итоговый контроль заключается в презентации портфолио и сдаче экзамена.

В результате освоения дисциплины обучающийся должен:

Знать:

− классификацию и физико-химические основы изоморфизма, кристаллохимическую трактовку классических правил изоморфизма

Уметь:

–анализировать информацию о строении твердого тела, позволяющую корректно интерпретировать экспериментальные данные по областям существования твердых растворов, определять или оценивать в модельных фазах (твердых растворах) симметрию и геометрические характеристики полиэдров в структуре, расстояния катион – катион, катион – анион с целью введения в них путем изоили гетеровалентного замещения новых химических элементов с разными размерами и степенями окисления;

–прогнозировать и оценивать возможные свойства с учетом особенностей строения с целью получения материалов с улучшенными свойствами;

–аргументировано доказывать свою позицию при проведении направленного дизайна новых твердых растворов и соединений на основе кристаллохимических данных.

Владеть:

–алгоритмами использования кристаллохимических данных для моделирования состава, строения и улучшения свойств новых фаз (твердых растворов).

Программа дисциплины «Изоморфизм. Твердые растворы»

Содержание программы:

Тема 1. Изоморфизм. Сущность понятия. История открытия и изуче-

ния.

Основные понятия и определения: изоморфизм, твердые растворы, изовалентные и гетеровалентные замещения, совершенный и ограниченный изоморфизм, полиморфизм, изодиморфизм, изотипия. Истоки основных идей (18 век – 1920 г.г.). Правило Ретгерса. Диаграммы состояния как экспериментальная основа для проверки критерия взаимозаместимости при образовании кристаллов изоморфных смесей.

Тема 2. Кристаллографический (рентгеноструктурный) период изучения изоморфизма (1920 г. – настоящее время).

Системы кристаллохимических радиусов. Краткие сведения о важнейших обобщениях в области кристаллохимии изоморфизма, сделанных В.М. Гольдшмидтом и А.Е. Ферсманом. Морфотропия. Правило Вегарда. Структурные критерии различия химического соединения и твердого раствора.

7

дых растворов, по минеральным равновесиям). Методы теоретического расчета функций смешения изоморфных смесей. Теория Вазашерны – Хови. Феноменологическая теория твердых растворов. Классические (эмпирические) правила изоморфизма с точки зрения энергетической теории. Правило содействия (ассистирования). Правило депрессии (подавления) изоморфизма. О роли изоморфизма в природных и искусственных процессах кристаллообразования.

Тема 8. Презентация портфолио.

Знакомство и анализ портфолио сокурсников, презентация лучших портфолио.

Тематический расчет часов

Информационные источники по курсу

а) Основная литература:

1. Урусов B.C. Теоретическая кристаллохимия. М.: Изд-во МГУ, 1987. 275

с.

2.Вест А. Химия твердого тела. Теория и приложения: Ч. 1. М.: Мир, 1988.

3.Урусов В.С. Теория изоморфной смесимости. М.: «Наука», 1977. 251 с.

4.Перчук Л.Л., Рябчиков И.Д. Фазовое соответствие в минеральных системах.

М.: «Недра», 1976. 287 с.

б) Дополнительная литература:

9

1.Макаров Е.С. Изоморфизм атомов в кристаллах. М.: «Атомиздат», 1973.

288с.

2.Ферсман А. Е. Избранные труды. Изд-во АН СССР, 1955–1959 (См. т.т.

3и 5).

3.Урусов В.С. Энергетическая кристаллохимия. М.: «Наука». 1975. 333 с.

4.Урусов В.С., Еремин Н.Н. Кристаллохимия. Краткий курс: Учебник. М.: Издво Московского ун-та, 2010. 256 с.

5.Китайгородский А.И. Смешанные кристаллы. М.: Наука, 1983. 277 с.

6.Вайнштейн Б.К., Фридкин Б.М., Инденбом В.Л. Современная кристаллография. Под ред. Вайнштейна Б.К. Т. 2. Структура кристаллов. М.; Наука, 1979.

359с.

7.Древинг В.П., Калашников Я.А. Правило фаз. М.: Изд-во Московского ун-та, 1964. 455 с.

8.Франк-Каменецкий В.А. Природа структурных примесей и включений в минералах. Л., 1964.

9.Котельников А.Р., Улин И.В., Ковальский А.М., Некрасов А.Н., Котельникова З.А., Орлова А.И., Петьков В.И. Получение и изучение строения сложных ортофосфатов циркония и щелочных элементов. 4. Образование и термодинамические характеристики твердых растворов в высокотемпературных водносолевых системах // Радиохимия. 2000. Т. 42. № 4. С. 325-330.

10.Асабина Е.А., Петьков В.И., Котельников А.Р., Ковальский А.М. Синтез и изучение твердых растворов (Na,K)Ti2(PO4)3 в гидротермальных условиях // Журнал неорганической химии. 2006. Т. 51. № 7. С. 1066-1071.

11.Сушкова Т.П., Семенова Г.В., Стрыгина Е.В. Термодинамическая оценка стабильности твердых растворов на основе халькогенидов свинца // Вестник ВГУ. Серия: Химия. Биология. Фармация. 2004. № 1. С. 94-100.

10