Задачи изучения дисциплины: развитие коммуникативных и социокультурных способностей и качеств; овладение умениями и навыками самосовершенствования. Структура дисциплины
| Вид материала | Документы |
- Задачи изучения дисциплины: развитие коммуникативных и социокультурных способностей, 4513.39kb.
- Задачи дисциплины овладение теоретическими знаниями в области технологии передачи, 122.14kb.
- Общая трудоёмкость изучения дисциплины составляет 9 з е. (324 часа), 1000.46kb.
- «Профконсультирование» Общая трудоемкость изучения дисциплины составляет: Цель дисциплины, 15.44kb.
- Аннотация примерной программы учебной дисциплины Экономика и социология труда Цели, 48.2kb.
- Учебно-методический комплекс дисциплины «Психолого-педагогический практикум» вузовского, 877.91kb.
- Программа дисциплины гсэ. Ф. 02 «Физическая культура» Цели и задачи дисциплины. Целью, 480.86kb.
- Примерная программа дисциплины учебно-исследовательская работа направление подготовки, 183.34kb.
- Задачи дисциплины, 36.83kb.
- Программа учебной дисциплины «Анализ финансовой отчетности банка», 183.77kb.
Простая дистилляция. Разделение смесей веществ методом ректификации. Физико-химические основы процесса. Устройство и принципиальные схемы ректификационных установок. Параметры ректификации. Материальный баланс ректификационных колонн периодического и непрерывного действия. Недостатки периодической ректификации. Расчёт параметров колонны для непрерывной ректификации. Установки для процесса ректификации: тарельчатые и насадочные колонны. Виды тарелок и насадок. Плёночные колонны. Ректификация под вакуумом. Азеотропная и экстрактивная ректификации. Примеры разделения смесей веществ.
Тема 8. Тепломассообменные процессы. Процесс сушки
Классификация влажных материалов. Формы связи влаги с твёрдым веществом. Процесс сушки. Термодинамика и кинетика процесса. Типы сушки: конвективная, контактная, терморадиационная, высокочастотная, сублимационная. Оборудование для осуществления процесса сушки. Виды конвективных сушилок: камерные, тунельные, петлевые, ленточные, барабанные, пневматические, с псевдоожиженным (кипящим) слоем, распылительные. Их достоинства и недостатки.
Тема 9. Процесс кристаллизации
Кристаллизация. Причины и механизм процесса. Термодинамика и кинетика кристаллизации. Вероятностное (статистическое) описание кристаллизации. Кристаллизация в промышленности. Варианты осуществления процесса: массовая, на охлаждаемых поверхностях, направленная, зонная плавка. Методы массовой кристаллизации: изогидрический, изотермический, охлаждение и выпаривание, уменьшение растворимости с помощь добавок. Варианты теплопередачи: через греющую стенку, контактная кристаллизация. Аппаратура периодического и непрерывного действия для осуществления процесса кристаллизации. Особенности аппаратов, их достоинства и недостатки. Направленная кристаллизация. Зонная плавка.
Основные принципы получения монокристаллов. Методы выращивания из пара, из расплава (Чохральского, Вернейля), раствора и твёрдой фазы.
Тема 10. Процесс экстракции
Процесс экстракции. Механизм процесса. Количественное описание экстракции. Коэффициент распределения и разделения. Классификация экстракционных процессов: экстракция нейтральными экстрагентами, катионообменная, анионообменная, бинарная экстракция. Требования к экстрагентам, примеры экстрагентов.
Параметры экстракции. Расчёты основных параметров экстракционных процессов. Материальный баланс однократной экстракции, экстракции с перекрёстным током и с противотоком. Типы экстракторов: смесительно-отстойные, центробежные (Подбильняка), колонные, пульсационные.
Тема 11. Процесс сорбции
Сорбция, физическая сущность и области применения сорбционных процессов. Адсорбция. Модели адсорбции: Генри, Фрейндлиха, Ленгмюра, адсорбции на неоднородных (по энергии) поверхностных центрах, полимолекулярной адсорбции (БЭТ), А.Н. Фрумкина. Типы адсорбентов. Организация процесса адсорбции в химической технологии. Адсорберы периодического и непрерывного действия, их достоинства и недостатки.
Абсорбция и методы ее осуществления. Движущая сила процесса абсорбции. Требования к абсорбентам. Применение процесса абсорбции. Организация процесса абсорбции в химической технологии. Устройство абсорбционных и десорбционных аппаратов. Классификация абсорберов: со сплошным барботажным слоем; с механическим перемешиванием, с псевдоожиженным слоем, распылительные абсорберы (труба Вентури).
МОДУЛЬ 3. Важнейшие химические производства
РАЗДЕЛ 4. Структура и технологические схемы химических производств
Тема 12. Производство серной кислоты
Физические и химические свойства серной кислоты. Предприятия по производству серной кислоты в России. Сырье для производства серной кислоты и методы его подготовки. Стадии производства. Длинная и короткая схема. Обжиг сырья и очистка полученного оксида серы. Контактное окисление SO2. Физико-химические основы процесса и выбор условий. Схема ДКДА. Абсорбция SO3. Переработка отходов производства H2SO4.
Тема 13. Технология азота
Ключевое значение технологии связывания атмосферного азота в производстве продовольствия. Варианты фиксации атмосферного азота. Термодинамическое рассмотрение синтеза аммиака из элементов. Кинетическое описание синтеза аммиака из элементов. Структура современного производства аммиака из природного газа: основные блоки и связи. Гибкое использование гетерогенных катализаторов в многоступенчатой схеме приготовления и очистки азотоводородной смеси. Особенности циркуляционной схемы синтеза аммиака; физико-химические основы выбора оптимальной схемы синтеза аммиака. Оценка потерь эксергии и капитальных затрат на различных стадиях производства аммиака и современные тенденции в его оптимизации. Новые катализаторы для синтеза аммиака. Схемы каталитического обезвреживания отходящих газов. Очистка отходящих газов.
Структура и основные особенности современной технологической схемы производства азотной кислоты. Физико-химические основы и аппаратурное оформление процессов селективного каталитического окисления аммиака, окисления оксидов азота и их абсорбции. Схемы каталитического обезвреживания отходящих газов. Причины низкой эксергетической эффективности производства азотной кислоты.
Производство нитрата аммония. Использование теплоты нейтрализации. Производство карбамида. Физико-химические закономерности протекания процесса синтеза. Особенности реализации в промыленности. Открытая и закрытая схема (рецикл). Организация стриппинг-процесса. Очистка сточных вод.
В результате изучения дисциплины студент должен:
Знать:
- понятие ХТС и её элементов, критерии эффективности (технологические и экономические) и термодинамического совершенства ХТП, сырьевую и энергетические базы современного химического производства;
- типовые процессы химической технологии, принципы их функционирования, общие подходы к созданию перспективных процессов химической технологии;
- физико-химические принципы классических технологических операций, методологию анализа и синтеза технологических систем сложной иерархической структуры, отвечающих современным требованиям эффективности и экологической безопасности, иметь представление об инженерном оформлении химико-технологических процессов.
уметь:
- рассчитывать расходные коэффициенты, материальные и энергетические балансы ХТС;
- определять параметры некоторых массообменных процессов и делать расчеты отдельных аппаратов.
владеть
- теоретическими основами химико-технологических процессов,
- общими представлениями о структуре химико-технологических систем
- знаниями о типовых химико-технологических процессах производства.
Виды учебной работы: лекции, семинарские занятия, самостоятельная работа.
Изучение дисциплины заканчивается зачетом в 8 семестре
Аннотация дисциплины
Физические методы исследования
Общая трудоемкость изучения дисциплины составляет 3 зачетных единиц (108 час).
Цели и задачи дисциплины
Целью изучения дисциплины является: формирование студентами знаний о сути различных физических методов исследования и их применения для изучения строения химических соединений, их реакционной способности, природы химических взаимодействий и превращений.
Задачей изучения дисциплины является:
- формирование представлений о роли физических методов исследования в химии;
- изучение теоретических основ различных физических методов;
- углубленное изучение применения современных физических методов исследования в научных и практических целях;
Структура дисциплины (распределение трудоемкости по отдельным видам аудиторных учебных занятий и самостоятельной работы) отражена в табл. 1.
Таблица 1 – Структура дисциплины
| Вид учебной работы | Всего зачетных единиц (часов) |
| Общая трудоемкость дисциплины | 3 (108) |
| Аудиторные занятия: | 2 (72) |
| лекции | (36) |
| практические занятия (ПЗ) | (36) |
| Самостоятельная работа: | 1 (36) |
| изучение теоретического курса (ТО) | (18) |
| задачи | (10) |
| промежуточный контроль | (8) |
| Вид итогового контроля | зачет |
Основные дидактические единицы (разделы)
Модуль 1. Методы определения дипольных моментов молекул (8 ч.)
Модуль 2. Спектроскопические методы анализа (12 ч.)
Масс - спектроскопия.
Колебательная спектроскопия.
Электронная спектроскопия для химического анализа (ЭСХА).
Модуль 3. Резонансные методы исследования (16 ч.)
Ядерный магнитный резонанс.
Электронный парамагнитный резонанс .
Метод ядерного квадрупольного резонанса .
Метод ядерного гамма-резонанса .
В результате изучения дисциплины студент должен:
знать:
принципиальные основы возможностей и ограничений применения важнейших для химиков физических методов исследования (УФ-, ИК- и КР-
спектроскопия, ЯМР, ЭПР, масс- спектрометрия, дифрактометрия, определение дипольных моментов и др.).
уметь:
осуществлять правильный выбор физических методов исследования веществ, а также умело сочетать их между собой.
владеть:
первыми навыки работы на приборах и интерпретацией экспериментальных данных, в том числе с использованием литературных баз данных.
Виды учебной работы: лекции, практические занятия, самостоятельная работа.
Изучение дисциплины заканчивается зачетом в 7 семестре
Аннотация дисциплины
Коллоидная химия
Общая трудоемкость изучения дисциплины составляет 4 зачетных единиц (144 час).
Цели и задачи дисциплины
Цель изучения дисциплины – получение студентами базовых знаний о поверхностных явлениях и дисперсных системах, которые позволят углубленно изучить сущность многих физико-химических явлений, что даст возможность целенаправленно регулировать многие технологические процессы, в том числе такие, как создание новых материалов с заданными свойствами, совершенствование в экологическом и физико-химическом плане уже существующих технологий; приобретение сведений необходимых для освоения специальных дисциплин, а по окончании обучения в вузе – для грамотной, эффективной работы в сфере профессиональной деятельности.
Задачами изучения дисциплины является формирование компетенций, позволяющих экспериментально работать в различных химических отраслях; использование теоретических представлений коллоидной химии, знаний о составе, строении и свойствах дисперсных систем; применение теоретических представлений о синтезе, структуре, физико-механических, реологических свойствах и областях практического применения коллоидных систем, как важнейшего класса современных материалов, навыки использования программных средств и работы в компьютерных сетях, умение создавать базы данных и использовать ресурсы Интернета; умение работать на серийной аппаратуре, применяемой в аналитических и физико-химических исследованиях.
Структура дисциплины (распределение трудоемкости по отдельным видам аудиторных учебных занятий и самостоятельной работы)
| Вид учебной работы | Всего зачетных единиц (часов) |
| Общая трудоемкость дисциплины | 4 (144) |
| Аудиторные занятия: | 2,5 (90) |
| лекции | 1 (36) |
| практические занятия (ПЗ) | 0,5 (18) |
| лабораторные работы (ЛР) | 1 (36) |
| Самостоятельная работа: | 1,5 (54) |
| изучение теоретического курса (ТО) | 0,5 (18) |
| задачи | 0,5 (18) |
| другие виды самостоятельной работы: оформление и подготовка к защите лабораторных работ | 0,5 (18) |
| Вид итогового контроля | зачет |
Основные дидактические единицы (разделы)
Модуль 1. Поверхностные явления
Раздел 1. Введение
Тема 1. Основные понятия
Основные понятия коллоидной химии, объекты и цели изучения. Коллоидные частицы и коллоидные системы; коллоидное (дисперсное) состояние вещества. Количественное определение дисперсности: дисперсность и удельная поверхность, кривизна поверхности частиц дисперсной фазы. Роль поверхностных явлений в процессах, протекающих в дисперсных системах.
Тема 2. Классификация дисперсных систем
Различные типы классификации дисперсных систем: по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды, по размерам частиц, по концентрации и т.д. Лиофильные и лиофобные дисперсные системы.
Тема 3. Современное состояние коллоидной химии
Взаимосвязь коллоидной химии с другими химическими дисциплинами: с физикой, биологией, геологией, медициной. Основные этапы развития коллоидной химии. Главные новые направления и объекты (наносистемы, микроэмульсии, биоколлоиды, тонкие пленки и др.), изучаемые коллоидной химией.
Раздел 2. Термодинамика поверхностных явлений
Тема 1. Поверхностные силы
Поверхность раздела фаз. Свободная поверхностная энергия. Поверхностное натяжение, силовая и энергетическая трактовки. Понятие о поверхности разрыва и разделяющей поверхности. Обобщенное уравнение первого и второго законов термодинамики для поверхности раздела фаз.
Изменение поверхностного натяжения жидкости на границе с собственным паром в зависимости от температуры, критическая температура по Менделееву.
Тема 2 Поверхность раздела между двумя конденсированными фазами
Поверхность раздела между двумя конденсированными фазами. Правило Антонова; условия его применения.
Раздел 3. Капиллярные явления
Тема 1. Капиллярное давление
Капиллярное давление. Закон Лапласа.
Зависимость давления пара от кривизны поверхности жидкости. Закон Томсона. Капиллярная конденсация. Изотермическая перегонка вещества.
Зависимость растворимости от кривизны поверхности дисперсных частиц (закон Гиббса - Оствальда - Фрейндлиха). Равновесная форма кристаллов (закон Гиббса - Кюри - Вульфа).
Тема 2. Смачивание
Смачивание. Краевой угол. Закон Юнга (силовой и энергетический выводы). Соотношение между работами когезии и адгезии при смачивании. Капиллярное поднятие жидкости, уравнение Жюрена, капиллярная постоянная жидкости. Избирательное смачивание, как метод характеристики поверхностей твердых тел (лиофильных и лиофобных). Полное смачивание (термодинамическое условие).
Основные методы измерения поверхностного натяжения жидкостей и поверхностной энергии твердых тел.
Раздел 4. Адсорбция на поверхности раздела фаз
Тема 1. Термодинамика процесса адсорбции
Адсорбция как самопроизвольное концентрирование на поверхности раздела фаз веществ, снижающих межфазное натяжение. Поверхностно-активные и -инактивные вещества (примеры). Относительность понятия "поверхностная активность" (зависимость от природы контактирующих фаз). Поверхностно-активные металлы.
Термодинамика процесса адсорбции. Уравнение адсорбции Гиббса.
Зависимость поверхностного натяжения от концентрации ПАВ. Уравнение Шишковского. Поверхностная активность, ее изменение в гомологических рядах ПАВ. Термодинамическое обоснование правила Траубе - Дюкло. Методы оценки поверхностной активности органических ПАВ. Работа адсорбции. Динамический характер адсорбционного равновесия на поверхности раздела раствор ПАВ - газ. Уравнение Лэнгмюра, его связь с уравнениями Гиббса, Шишковского и Фрумкина.
Теория полимолекулярной адсорбции БЭТ.
Адсорбция ПАВ на поверхности раздела несмешивающихся жидкостей.
Тема 2. Органические поверхностно-активные вещества (ПАВ)
Органические поверхностно-активные вещества (ПАВ). Классификация ПАВ по молекулярному строению (анионо- и катионоактивные, неионогенные, амфолитные); области применения ПАВ. Высокомолекулярные ПАВ (примеры, отличия от низкомолекулярных ПАВ). Проблема биоразлагаемости ПАВ. Классификация ПАВ по механизму их действия (смачиватели, диспергаторы, стабилизаторы, моющие вещества). Понятие о гидрофильно-липофильном балансе (ГЛБ) молекул ПАВ.
Строение монослоев растворимых ПАВ. Двухмерное состояние вещества в поверхностном слое, ориентация молекул в разреженных и в насыщенных слоях. Уравнение состояния монослоя ПАВ. Расчет размеров молекул ПАВ.
Тема 3. Адсорбция ПАВ из растворов на поверхности твердых тел.
Правило уравнивания полярностей Ребиндера. Модифицирующее действие ПАВ: гидрофилизация и гидрофобизация твердой поверхности. Управление смачиванием в процессах флотации. Влияние адсорбционных слоев ПАВ на смазочное действие и на граничное трение.
Раздел 5. Электроповерхностные явления в дисперсных системах
Тема 1. Двойной электрический слой
Двойной электрический слой (ДЭС). Причины образования ДЭС. Термодинамическое равновесие поверхности раздела фаз с учетом электрической энергии.
Модели строения ДЭС (теории Гельмгольца, Гуи - Чепмена, Штерна, Грэма). Изменение потенциала в зависимости от расстояния от поверхности для сильно и слабо заряженных поверхностей; влияние концентрации и заряда ионов электролита.
Тема 2. Строение мицеллы гидрофобного золя
Строение мицеллы гидрофобного золя. Влияние концентрации и природы электролита на величину и знак заряда коллоидных частиц. Основы ионного обмена. Лиотропные ряды.
Тема 2. Электрокинетические явления
Электрокинетические явления: электрофорез, электроосмос, потенциалы течения и оседания; теория Гельмгольца - Смолуховского. Электрокинетический потенциал; граница скольжения. Методы определения электрокинетического потенциала.
Модуль 2. КОЛЛОИДНЫЕ (ДИСПЕРСНЫЕ) СИСТЕМЫ
Раздел 6. Лиофобные системы
Тема 1. Методы получения дисперсных систем
Диспергационные методы получения дисперсных систем (золей, эмульсий, пен, аэрозолей). Роль ПАВ в процессах получения дисперсных систем. Связь работы диспергирования с поверхностной энергией твердых тел. Использование эффекта Ребиндера для уменьшения работы диспергирования. Процессы диспергирования в природе и технике.
Конденсационные способы получения дисперсных систем. Образование золей в процессе химических реакций
Тема 2. Термодинамика образования коллоидных частиц
Термодинамика гомогенного и гетерогенного образования коллоидных частиц при фазовых переходах 1-го рода (теория Гиббса - Фольмера). Работа образования зародышей новой фазы. Образование частиц дисперсной фазы в процессах кристаллизации из растворов, конденсации пересыщенного пара, кипения. Методы регулирования размеров частиц в дисперсных системах. Основные методы очистки золей (диализ и ультрафильтрация).
Тема 3. Коллоидно - химические свойства высокомолекулярных соединений и их растворов (молекулярные коллоиды)
Строение и свойства ВМС, Взаимодействие ВМС с растворителем (ограниченный и неограниченный процесс набухания). Растворы ВМС. Адсорбция ВМС
Раздел 7. Лиофильные дисперсные системы
Тема 1. Термодинамика образования лиофильных систем
Термодинамика образования лиофильных коллоидных систем; критерий самопроизвольного диспергирования (критерий Ребиндера-Щукина).
Тема 2. Мицеллообразование в растворах ПАВ
Мицеллообразование в растворах ПАВ. Критическая концентрация мицеллообразования (ККМ), основные методы определения ККМ. Эмпирические закономерности изменения ККМ и минимального значения поверхностного натяжения на границе раздела раствор ПАВ - воздух в гомологических рядах ПАВ. Строение прямых и обратных мицелл при различных концентрациях ПАВ.
Тема 3. Солюбилизация
Солюбилизация (коллоидное растворение органических веществ в прямых мицеллах). Относительная солюбилизация, зависимость от температуры и концентрации. Солюбилизация в неводных средах.
Раздел 8. Эмульсии, пены, аэрозоли
Тема 1. Эмульсии и пены
Классификация эмульсий, определение степени дисперсности. Эмульгаторы, принципы выбора ПАВ для стабилизации прямых и обратных эмульсий. Эмульсионные пленки; их строение и факторы, влияющие на устойчивость эмульсионных пленок. Обращение фаз в эмульсиях. Твердые эмульгаторы. Методы разрушения эмульсий. Практическое применение эмульсий. Строение пен и их классификация. Кратность пен. Пенообразователи, эффективность их влияния и связь с гидрофильно-липофильным балансом используемых ПАВ. Влияние электролитов на пенообразующую способность ПАВ. Пенные пленки, строение, факторы устойчивости. Черные пленки. Практическое применение пен (примеры).
Тема 2. Аэрозоли
Классификация аэрозолей по агрегатному состоянию частиц дисперсной фазы. Методы получения и измерения размеров аэрозольных частиц. Молекулярно-кинетические свойства аэрозолей (высоко- и грубодисперсных).Электрические свойства аэрозолей, причины возникновения заряда на поверхности частиц. Агрегативная устойчивость аэрозолей. Способы и особенности разрушения аэрозолей. Практическое использование аэрозолей (примеры).
Модуль 3. Устойчивость дисперсных систем
Раздел 9. Седиментационная устойчивость
Тема 1. Молекулярно-кинетические свойства и оптические свойства дисперсных систем
Молекулярно-кинетические свойства дисперсных систем. Диффузия в коллоидных системах. Закон Эйнштейна. Рассеяние света малыми частицами (по Рэлею). Оптические свойства дисперсных систем при увеличении размера частиц.
Тема 2. Седиментационно-диффузионное равновесие.
Седиментационно-диффузионное равновесие Метод Перрена определения числа Авогадро.
Тема 3. Методы дисперсионного анализа
Седиментационный анализ полидисперсных систем. Константа седиментации. Дифференциальная кривая распределения частиц по размерам; интегральная кривая; построение их из данных по кинетике накопления осадка. Нефелометрия. Ультрамикроскопия.
Раздел 10. Агрегативная устойчивость
Тема 1. Теория устойчивости гидрофобных золей
Теория устойчивости гидрофобных золей (теория ДЛФО). Термодинамика тонких пленок. Расклинивающее давление по Дерягину. Молекулярная составляющая расклинивающего давления. Учет молекулярной природы контактирующих фаз, для тонких пленок и сферических частиц. Электростатическая составляющая расклинивающего давления. Зависимость энергии взаимодействия частиц дисперсной фазы от расстояния между ними.
Тема 2. Факторы, влияющие на агрегативную устойчивость
Основные факторы, влияющие на агрегативную устойчивость дисперсных систем. Эффетивная упругость тонких пленок. Эффект Марангони - Гиббса; причины возникновения.
Раздел 11. Коагуляция золей электролитами
Тема 1. Электролитная коагуляция
Порог коагуляции; зависимость критической концентрации электролита от размера и заряда коагулирующего иона (правило Шульце - Гарди).
Коагуляция сильно и слабо заряженных золей (концентрационная и нейтрализационная коагуляция). Флокуляция, гетерокоагуляция, адагуляция (определения, примеры).
Тема 2. Кинетика коагуляции
Кинетика коагуляции. Теория быстрой коагуляции (Смолуховский); основные положения теории медленной коагуляции. Обратимость процесса коагуляции. Пептизация.
Раздел 12. Основы физико-химической механики
Способы описания механических свойсвт. Структурообразование в дисперсных системах. Реологические свойства дисперсных систем. Эффект ребиндера. Приложения эффекта ребиндера.
Раздел 13. Общее заключение
Физико-химические методы регулирования структурно-механических свойств дисперсных систем на различных стадиях их формирования как основная задача коллоидной химии. Коллоидно-химические основы охраны природы.
В результате изучения дисциплины студенты должны
знать:
Перспективы развития коллоидной химии как теоретической базы синтетической химии, химической технологии и технологии создания новых материалов (в частности наноматериалов).
Основные законы коллоидной химии.
Физико-химические методы регулирования структурно-механических свойств дисперсных систем на различных стадиях их формирования
Суть физико-химических явлений дисперсных систем, что даст возможность целенаправленно регулировать многие технологические процессы, в том числе такие, как создание новых материалов с заданными свойствами
Коллоидно-химические основы охраны природы
уметь:
Применять основные законы коллоидной химии для обсуждения полученных результатов, в том числе с привлечением информационных баз данных.
Проводить физико-химический анализ поверхностных явлений и процессов, протекающих в дисперсных системах.
Использовать методы регистрации и обработки результатов физико-химических экспериментов применительно к коллоидным системам.
Проводить оценку возможных рисков, включая экологические, на основании знания закономерностей, управляющих поведением анализируемых дисперсных систем.
Работать с установками и приборами, применяемыми в аналитических и физико-химических исследованиях.
владеть практическими навыками:
Проведения химического эксперимента, использования физико-химических методов исследования поверхностных явлений и процессов, протекающих в дисперсных системах.
Работы на современной учебно-научной аппаратуре при проведении экспериментов.
Оценки основных процессов, протекающих в коллоидных системах с использованием известных физико-химических моделей.
Виды учебной работы: лекции, практические занятия, лабораторные работы, самостоятельная работа.
Изучение дисциплины заканчивается зачетом в 8 семестре
Аннотация дисциплины
Квантовая химия
Общая трудоемкость изучения дисциплины составляет 4 зачетных единиц (144 час).
Цели и задачи дисциплины
Цель изучения дисциплины - получение студентами базовых сведений по квантовой химии, необходимых для освоения специальных дисциплин, а по окончании обучения в вузе – для грамотной, эффективной работы в сфере профессиональной деятельности.
Задачами изучения дисциплины является: формирование компетенций, позволяющих экспериментально работать в различных химических отраслях; знаний о современная квантовой химии как теоретическом фундаменте химической науки.
Структура дисциплины (распределение трудоемкости по отдельным видам аудиторных учебных занятий и самостоятельной работы)
| Вид учебной работы | Всего зачетных единиц (часов) |
| Общая трудоемкость дисциплины | 4 (144) |
| Аудиторные занятия: | 2 (72) |
| Лекции | 1 (36) |
| практические занятия (ПЗ) | 1 (36) |
| Самостоятельная работа: | 2 (72) |
| изучение теоретического курса (ТО) | 0.5 (18) |
| расчетно-графические задания (РГЗ) | 1 (36) |
| Задачи | 0.25 (9) |
| промежуточный контроль | 0.25 (9) |
| Вид итогового контроля | зачет |
Основные дидактические единицы (разделы)
Модуль 1 . Введение и математический аппарат квантовой химии
- Предмет вычислительной теоретической химии. Современная квантовая химия как теоретический фундамент химической науки. Качественные теории строения и реакционной способности. Методы моделирования структуры материалов и супермолекул, неэмпирические, полуэмпирические и молекулярно-механические методы. Расчет физических свойств молекул и материалов. Компьютерные программы моделирования структуры и свойств. Предмет курса, основные объекты и разделы.
- Начала квантовой теории. Атом Бора. Гипотеза де Бройля. Квантовые состояния. Волновые функции. Наблюдаемые. Интерпретация Борна. Постулаты квантовой теории. Уравнение Шредингера. Примеры решения уравнения Шредингера: прямоугольная потенциальная яма, гармонический осциллятор.
- Теория момента импульса. Переход к сферической системе координат. Присоединенные полиномы Лежандра. Собственные функции оператора Lz. Коммутационные соотношения для компонент момента импульса. Правила сложения. Атом водорода.
- Многоэлектронные атомы. Приближение независимых электронов. Определители Слэйтера. Энергия определителя Слэйтера. Полные орбитальные и спиновые квантовые числа. Метод самосогласованного поля. Метод Хартри-Фока. Канонические и неканонические орбитали. Сродство к электрону и потенциал ионизации. Орбитальные энергии и полная энергия. Теорема Купманса.
Модуль 2 Методики расчета молекулярных систем
- Молекулярные системы. Разделение электронного и ядерного движений. Адиабатическое приближение. Электронные, колебательные и вращательные состояния молекул. Представление молекулярных орбиталей (МО) как линейной комбинации атомных (ЛКАО). Разрыхляющие и связывающие молекулярные орбитали. Метод Рутана ССП МО ЛКАО. Представление о неэмпирических и полуэмпирических методах. Классификация методов. Сходимость к самосогласованному полю. Процедура энергетического сдвига вакантных состояний.
- Типы базисов атомных орбиталей. Приближенные аналитические функции атомных орбиталей Слэйтера и Гаусса. Контрактированные базисные наборы. Базисные наборы Попла и базисные наборы Хузинаги-Даннинга. Базисные наборы атомных натуральных орбиталей. Анализ орбитальных заселенностей. Засиленности Малликена и Левдина. Локализованные орбитали.
- Метод функционала плотности. Теорема Хохенберга-Кона. Приближение локального функционала плотности. Метод Xα. VWN-параметризация. Обобщенное градиентное приближение. Гибридные функционалы. Преимущества и недостатки метода функционала плотности. Программные реализации метода функционала плотности.
- Неэмпирические методы учета электронных корреляций. (Пост-хартри-фоковские схемы). Эффекты электронной корреляции. Слейтеровские детерминанты возбужденных состояний. Конфигурационное взаимодействие. Вычисление матричных элементов. Многоконфигурационное самосогласованное поле. Самосогласованное поле полного активного пространства. Теория возмущений Моллера-Плессета. Сопряженные уравнения кластерного оператора генерации возбужденных состояний.
- Теоретическое моделирование профиля реакций. Теория переходного состояния. Равновесные конфигурации молекул и седловые точки. Расчет составляющих энергии Гиббса. Анализ поверхности потенциальной энергии. Методы оптимизации геометрии. Поиск по методу Ньютона-Рафсона. Расчет и диагонализация гессиана. Оптимизация структуры переходных состояний. Путь реакции и координата реакции. Сканирование поверхности потенциальной энергии.
- Зонная теория. Периодические граничные условия. Разложение волновых функций по плоским волнам. Зонная картина электронного строения. Функции Блоха. Функции Ванье. Проводники и изоляторы. Нарушения симметрии. Электронная структура вблизи поверхности. Особенности расчетов полубесконечных кристаллов.
В результате изучения дисциплины студенты должны
знать:
основные приближения квантовой химии и принципы методов, используемых при расчетах электронной структуры, строения и реакционной способности химических соединений.
уметь:
пользоваться современными представлениями квантовой химии для объяснения специфики поведения химических соединений и современным программным обеспечением расчетных методов квантовой химии.
владеть
технологией использования расчетных результатов квантовой механики в статистической термодинамике, теории элементарного акта химических превращений, молекулярной спектроскопии и других разделах современной химии.
Виды учебной работы: лекции, практические занятия, самостоятельная работа.
Изучение дисциплины заканчивается зачетом в 7 семестре
Аннотация дисциплины
Строение вещества
Общая трудоемкость изучения дисциплины составляет 4 зачетных единиц (144 час).
Цели и задачи дисциплины
Цель изучения дисциплины – получение студентами базовых сведений по строению вещества, основные положения классической теории химического строения, молекулярные модели различного уровня в современной теории химического строения, необходимых для освоения специальных дисциплин.
Задачами изучения дисциплины является: формирование компетенций, которые помогут раскрыть роль строения веществ при описании микро- и макроскопических объектов систем, рассмотреть основные методы экспериментального и теоретического описания строения молекул и веществ; дадут возможность студентам эффективно применять в профессиональной деятельности полученные знания, умения и навыки.
Структура дисциплины (распределение трудоемкости по отдельным видам аудиторных учебных занятий и самостоятельной работы)
| Вид учебной работы | Всего зачетных единиц (часов) |
| Общая трудоемкость дисциплины | 4 (144) |
| Аудиторные занятия: | 2 (72) |
| Лекции | 1 (36) |
| практические занятия (ПЗ) | 1 (36) |
| Самостоятельная работа: | 2 (72) |
| изучение теоретического курса (ТО) | 0.5 (18) |
| Реферат | 0.5 (18) |
| Задачи | 0.25 (9) |
| промежуточный контроль | 0.5 (18) |
| Вид итогового контроля | зачет |
Основные дидактические единицы (разделы)
Модуль 1 . Строение молекул
- Введение в теорию строения вещества. Содержание понятий “строение вещества” и “структура вещества”. Различные аспекты термина “строение молекул”: топологический, геометрический, электронный и др. Упорядоченные и неупорядоченные структуры конденсированных фаз. Общий обзор методов экспериментального и теоретического изучения строения молекул и строения веществ.
- Основы классической теории химического строения. Основные положения классической теории химического строения. Молекулярные модели различного уровня в современной теории химического строения. Структурная формула и граф молекулы. Величины, определяющие геометрическую конфигурацию молекулы: межъядерные расстояния, валентные углы, двугранные и торсионные углы. Внутреннее вращение. Конформации молекул.
- Физические основы учения о строении молекул. Механическая модель молекулы. Потенциалы парных взаимодействий. Метод молекулярной механики при анализе строения молекул. Общие принципы квантово-механического описания молекулярных систем. Стационарное уравнение Шрёдингера для свободной молекулы. Адиабатическое приближение. Квантовые состояния молекулы (электронные, колебательные, вращательные). Потенциальные поверхности электронных состояний молекул. Их общая структура и различные типы. Равновесные конфигурации молекул. Структурная изомерия. Оптические изомеры. Колебания молекул. Среднеквадратичные смещения атомов (амплитуды колебаний). Нормальные колебания, частоты нормальных колебаний и частоты основных колебательных переходов. Колебания с большой амплитудой. Вращение молекул как целого. Различные типы молекулярных волчков. Электронное строение молекул. Молекулярные орбитали. Интерпретация строения молекул на основе орбитальных моделей.
- Симметрия молекулярных систем. Элементы и операции симметрии ядерной конфигурации молекулы. Точечные группы симметрии. Понятие о представлениях групп и характерах представлений. Общие свойства симметрии волновых функций и потенциальных поверхностей молекул. Классификация квантовых состояний молекул по симметрии. Симметрия атомных и молекулярных орбиталей. Влияние симметрии равновесной конфигурации ядер на свойства молекул и их динамическое поведение (дипольный момент и моменты инерции, форма нормальных колебаний, вырождение состояний, сохранение орбитальной симметрии при химических реакциях и т.п.). Орбитальные корреляционные диаграммы.
- Электрические и магнитные свойства. Постоянные внешние электрическое и магнитное поля. Дипольный момент и поляризуемость молекул, магнитный момент и магнитная восприимчивость молекул. Эффекты Штарка и Зеемана. Магнитно-резонансные (ЭПР и ЯМР) методы исследования строения молекул. Оптические спектры молекул. Вероятности переходов и правила отбора при переходах между различными квантовыми состояниями молекул. Связь спектров молекул с их строением. Определение структурных характеристик молекул из спектроскопических данных.
Модуль 2 Строение конденсированных фаз.
- Межмолекулярные взаимодействия. Основные составляющие межмолекулярных взаимодействий. Влияние межмолекулярных взаимодействий на свойства веществ. Молекулярные комплексы (-комплексы и др.). Кластеры атомов и молекул. Ван-дер-ваальсовы молекулы. Водородная связь.
- Структурная классификация конденсированных фаз. Идеальные кристаллы. Кристаллы с неполной упорядоченностью. Доменные структуры. Жидкие кристаллы и другие мезофазы. Аморфные вещества. Жидкости. Особенности строения полимерных фаз.
- Строение кристаллов. Кристаллическая решетка и кристаллическая структура. Реальные кристаллы. Типы дефектов в реальных кристаллах. Симметрия кристаллов. Кристаллографические точечные группы симметрии, типы решеток, понятие о пространственных группах симметрии кристаллов. Атомные, ионные, молекулярные и другие типы кристаллов. Цепочечные, слоистые и каркасные структуры. Динамика кристаллической решетки. Фононный спектр. Строение твердых растворов. Упорядоченные твердые растворы.
- Зонная теория. Периодические граничные условия. Разложение волновых функций по плоским волнам. Зонная картина электронного строения. Функции Блоха. Функции Ванье. Проводники и изоляторы. Нарушения симметрии. Электронная структура вблизи поверхности. Особенности расчетов полубесконечных кристаллов.
- Поверхность конденсированных фаз. Особенности строения поверхности кристаллов и жидкостей. Структура границы раздела конденсированных фаз. Молекулы и кластеры на поверхности. Структура адсорбционных слоев.
В результате изучения дисциплины студенты должны
знать:
базовые принципы теории строения молекул, лежащие в основе современной теории связи физических и химических свойств молекул с их строением в основном и возбужденным состояниях. Представлять общую картину строения вещества в различных агрегатных состояниях и знать особенности строения поверхности конденсированных фаз.
уметь:
пользоваться современными представлениями химии для объяснения состава и строения химических соединений и применять знания о строении веществ для прогнозирования их свойств.
владеть:
навыками решения задач с применением знаний о принципах строения молекул.
Виды учебной работы: лекции, практические занятия, самостоятельная работа.
Изучение дисциплины заканчивается зачетом в 8 семестре
Аннотация дисциплины
Кристаллохимия
Является дисциплиной по выбору студента. Общая трудоемкость изучения дисциплины составляет 4 зачетных единиц (144 час).
Цели и задачи дисциплины
Целью изучения дисциплины является: получение студентами фундаментальных понятий, представлений и физико-химических моделей, используемых при описании структуры химических соединений в кристаллическом состоянии, что даст возможность использовать полученные знания по атомному строению кристаллов для изучения физических и химических свойств кристаллических веществ.
Задачей изучения дисциплины является: формирование у студентов знаний об основных особенностях кристаллической структуры химических соединений и их взаимосвязи с физико-химическими характеристиками, ознакомление студентов с современными методами структурного анализа.
Структура дисциплины:
аудиторные занятия: 2 з.е. (72 ч.)
лекции 1 з.е. (36 ч)
практические занятия 1 з.е. (36 ч)
самостоятельная работа: 2 з.е. (72 ч.)
изучение теоретического курса 0,5 з.е. (18 ч.)
задачи 0,5 з.е. (18 ч.)
Основные дидактические единицы (разделы):
Модуль 1. Введение. Симметрия кристаллов (14 ч.)
Предмет и задачи кристаллохимии. Рентгеноструктурный анализ – основной экспериментальный метод кристаллохимии. Основные аспекты кристаллохимии: стереохимический, кристаллоструктурный, характеристика химических связей, зависимость свойств кристаллов от их строения. Многообразие кристаллических структур. Кристаллохимия как часть химии и кристаллографии.
Закрытые операции и элементы симметрии. Теоремы о сочетаниях закрытых элементов симметрии. Кристаллографические точечные группы симметрии. Международные символы и символы Шенфлиса. Единичные и полярные направления. Стереографические проекции кристаллов. Трансляции. Кристаллографические системы координат. Сингонии. Элементарная ячейка. Кристаллическая решетка. Решетки Бравэ. Открытые операции и элементы симметрии.
Пространственные группы симметрии. Общие и частные правильные системы точек. Сайт- симметрия. Узловые ряды и узловые сетки. Межплоскостные расстояния. Миллеровские индексы. Число формульных единиц и рентгеновская плотность. Координационное число и координационный полиэдр. Собственная симметрия координационных полиэдров, молекул и сложных ионов. Структурные типы. Изоточечность, изоструктурность, изотипность.
Полиэдрический метод изображения структур. Представление о теории плотнейших шаровых упаковок. Простейшие структурные типы и соотношения между ними. Описание структур в терминах шаровых упаковок и кладок. Семейства кристаллических структур. Островные, цепочечные, слоистые и каркасные структуры. Структуры с неоднородными фрагментами.
Структуры со статистической и неполной упорядоченностью. Кристаллоструктурные характеристики атомов и химических связей. Общая теория межатомных взаимодействий.
Межатомное расстояние и прочность связи. Валентное усилие связи. Основные типы кристаллохимических радиусов атомов (ионные, ковалентные, металлические, орбитальные, ван-дер-ваальсовы). Систематика кристаллических структур по типу связи. Гомо- и гетеродесмические структуры. Разбиение пространства. Разбиение Вороного-Дирихле.
Важнейшие характеристики полиэдров Вороного-Дирихле. Влияние природы и валентного состояния атомов на характеристики полиэдров Вороного-Дирихле. Принцип плотнейшего заполнения пространства. Принцип равномерности.
Модуль 2. Основы рентгеноструктурного анализа (8 ч.)
Дифракция рентгеновских лучей. Уравнение Брэгга-Вульфа. Основные методы рентгенографии. Основы рентгенофазового анализа. Основные этапы анализа структуры кристалла. Представление о методах определения координат атомов. Структурные амплитуды.
Распределение электронной плотности. Фактор расходимости. Современные источники кристаллоструктурной информации: Важнейшие компьютерные базы кристаллоструктурных данных. Возможности компьютерных методов поиска и анализа кристаллоструктурной информации.
Модуль 3. Описание и систематика кристаллических структур (14 ч.)
Структуры простых веществ. Координация атомов. Правило Юм-Розери. Изменение характера структуры по группам периодической таблицы. Типы изоморфизма. Твердые растворы. Предел изоморфной заместимости и морфотропия. Изоморфизм с заполнением пространства. Типы полиморфизма. Политипия. Термодинамика полиморфных превращений.
Механизм полиморфных превращений.
Структуры бинарных соединений. Интерметаллиды. Сплавы. Фазы Лавеса. Фазы Юм- Розери. Структуры соединений металлов с неметаллами (АХ). Структуры, описываемые в терминах шаровых упаковок и кладок. Ажурные структуры. Факторы, определяющие выбор структурного типа. Роль типа химической связи. Особенности координации переходных и непереходных металлов. Кластеры.
Важнейшие структурные типы тернарных соединений. Правило Полинга о валентных усилиях связей. Структурный тип перовскита. Сегнето- и антисегнетоэлектрические свойства веществ с искаженной структурой перовскита. Строение высокотемпературных проводников.
Структурный тип шпинели. Нормальные и обращенные шпинели. Ферриты и их техническое значение. Связь строения и магнитных свойств соединений, кристаллизующихся по типу шпинели.
Островные структуры солей кислородсодержащих кислот. Структуры фосфатов и силикатов. Классификация структур силикатов. Зависимость физических свойств силикатов от их строения. Изовалентный и гетеровалентный изоморфизм в силикатах. Природные и синтетические цеолиты, их структура и применение.
Строение координационных соединений. Особенности строения σ- и π-комплексов. Типы координации полидентатно-мостиковых лигандов. Обозначения типов координации.
Кристаллохимические формулы комплексов. Основные черты строения комплексонатов.
Основные факторы, влияющие на структуру кристаллов.
Органическая кристаллохимия Стереохимия органических молекул. Соотношение собственной симметрии молекулы и симметрии позиции. Теория плотной упаковки молекул.
Молекулярное координационное число. Упаковка по принципу “выступ к впадине”.
Специфические межмолекулярные контакты. Межмолекулярные водородные связи. Клатраты.
Структуры полимеров и биополимеров. Белки и полинуклеотиды.
Строение реальных кристаллов. Важнейшие типы дефектов. Точечные дефекты. Дислокации. Мозаичность. Структура поверхности и твердых пленок. Влияние дефектов кристаллов на их свойства. Доменные структуры. Квазикристаллы и несоразмерные структуры.
Ротационно-кристаллическое состояние. Особенности структуры твердых электролитов.
В результате изучения дисциплины студент должен:
знать:
- фундаментальные понятия, терминологию и символику кристаллохимии;
- систематику кристаллических структур важнейших классов простых и сложных неорганических и органических соединений;
- суть основных методов кристаллохимического анализа.
уметь:
- решать задачи по кристаллохимии;
- осуществлять поиск необходимой кристаллоструктурной информации;
- использовать первичную кристаллоструктурную информацию для определения основных особенностей строения кристаллических веществ.
владеть:
- знаниями о важнейших теоретических моделях, используемых в кристаллохимии для описания пространственного строения кристаллов и выявления зависимостей между их составом и строением
- навыками использования структурных данных (в том числе банки этих данных) в химическом исследовании.
Виды учебной работы: лекции, практические занятия.
Изучение дисциплины заканчивается зачетом в 7 семестре
Аннотация дисциплины
Термохимия
Общая трудоемкость изучения дисциплины составляет 2 зачетных единиц (72 час).
Цели и задачи дисциплины
Целью изучения дисциплины является: получение студентами углубленных знаний по тепловым эффектам физико-химических процессов и энергии химической связи, улучшить навыки простейших термохимических расчетов с использованием справочных данных.термодинамическом подходе описания взаимодействия веществ и их фазовых превращениях, что даст возможность целенаправленно регулировать многие технологические процессы, в том числе такие, как создание новых материалов с заданными свойствами.
Задачами курса являются:
- формирование представлений о роли термохимии в физической химии;
- изучение теоретических основ термохимии;
- изучение практических аспектов термохимии;
- закрепление полученных теоретических представлений в примерах и задачах по данному курсу.
Структура дисциплины (распределение трудоемкости по отдельным видам аудиторных учебных занятий и самостоятельной работы
| Вид учебной работы | Всего зачетных единиц (часов) |
| Общая трудоемкость дисциплины | 2 (72) |
| Аудиторные занятия: | 1 (36) |
| лекции | (36) |
| Самостоятельная работа: | 1 (36) |
| изучение теоретического курса (ТО) | (18) |
| реферат | (18) |
| Вид итогового контроля | зачет |
Основные дидактические единицы (разделы):
Модуль 1. Теоретические аспекты термохимии
Раздел 1. Введение.
Тема 1. Предмет и задачи курса