Кристаллохимия. Учебно-методический комплекс

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Тверской государственный университет»
УТВЕРЖДАЮ:
Декан химико-технологического ф-та
_________________ С.С. Рясенский
«___»____________ 2012г.
Учебно-методический комплекс
по дисциплине
КРИСТАЛЛОХИМИЯ (4 курс)
(наименование дисциплины, курс)
Направление 020100.62 Химия
(шифр, название направления подготовки, специальности)
Форма обучения – очная
Обсуждено на заседании кафедры
физической химии
«___»______________ 2012 г.
Протокол № ___
Составитель:
д.х.н., профессор, Смоляков В.М.
_________________________
Зав. кафедрой ____________
д.х.н., профессор Ю.Г. Папулов
Тверь 2012
II. Пояснительная записка
Кристаллохимия – наука о кристаллических структурах. Это важнейший раздел
химии, базирующийся главным образом на данных рентгеноструктурного анализа (РСА),
а также электронографии и нейтронографии.
Содержание дисциплины “Кристаллохимия”:
- предмет и задачи кристаллохимии;
- кристаллические структуры;
- основы рентгеноструктурного анализа;
- группы симметрии и структурные классы;
- общая кристаллохимия (типы химических связей в кристаллах, систематика
кристаллических структур, шаровые упаковки и кладки, кристаллохимические радиусы
атомов, изоморфизм и полиморфизм);
- избранные главы систематической кристаллохимии (простые вещества, бинарные и
тернарные соединения, силикаты, органические вещества); обобщенная кристалло-химия.
1. Цели и задачи дисциплины
Цель дисциплины – познакомить студента с основными представлениями учения о
кристаллах, привить ему навыки определения кристаллических структур.
Задачи дисциплины – обработка структурной информации, получаемой методами
РСА и другими дифракционными методами, систематизация структурного материала,
выявление и интерпретация закономерностей, присущих строению кристаллических
веществ, установление зависимости физических и химических свойств от структуры.
2.Место дисциплины в структуре ООП
Дисциплина "Кристаллохимия" носит фундаментальный характер. Она имеет
основополагающее значение для подготовки
современного специалиста высокой
квалификации и непосредственно связана прежде всего с курсом “Строение вещества” и
со всеми остальными дисциплинами учебного плана специальности 020100 - Химия.
Требования к «входным» знаниям, умениям и готовностям обучающегося,
необходимым при освоении данной дисциплины:
Знать: операции симметрии точечных групп кристаллов и молекул.
Уметь: определить точечную группу объекта (кристалла или молекулы).
Владеть:
навыками
построения
математической
(аддитивной)
модели
изомеров
вершинного замещения базисного кристалла (с известной группой симметрии) на основе
разбиения многоугольных чисел.
Умения и навыки, приобретаемые магистром в процессе освоения данной учебной
дисциплины (требования к уровню подготовки студента). Предполагается, что, изучив
дисциплину, студент (как минимум) сможет:
Знать: что такое кристаллическая структура и каковы ее основные модели;
- основы рентгеноструктурного анализа и сравнить его другими дифрак-ционными
методами (нейтронография, электронография);
- описание кристаллических структур в терминах плотнейших шаровых упако-вок и
кладок;
Уметь: изложить методы топологического анализа электронной плотности;
- охарактеризовать внутренюю симметрию кристалла (трансляция, винтовые оси,
плоскости скользящего отражения), раскрыть пространственные группы симметрии;
- ввести координационное число и координационный многогранник и уметь
определить их в конкретных структурах;.
- охарактеризовать структурные классы кристаллов (простых веществ – металлов и
неметаллов, бинарных соединений и т.д.);
-дать кристаллохимическую
характеристику отдельных
классов
соединений
(силикаты, органические вещества, координационные соединеня и т.д.);
- вывести кристаллографические точечные группы (32 кристаллических класса);
Владеть: стереохимическими и кристаллоструктурными аспектами кристаллохимии;
3. Образовательные технологии
В курсе «Кристаллохимия» предусмотрено применение инновационных технологий
обучения, таких как проведение тренингов, развивающих навыки анализа объектов,
выхода из сложных ситуаций, способности принятия правильных решений при
характеризации объекта.
4. Формы контроля
Оценка уровня сформированности компетенций осуществляется в процессе следующих
форм контроля:
следящего (проводится оценка выполнения магистрами заданий в ходе аудиторных
занятий);
текущего (оценивается работа магистров вне аудиторных занятий);
промежуточного (рейтинговые точки);
итогового (экзамен).
Формы
и
способы
контроля
соответствуют
цели
обучения
и
избранным
образовательным технологиям, методам формирования знаний.
III. Учебная программа
ВВЕДЕНИЕ
Предмет и задачи кристаллохимии. Кристаллическая структура и способы ее
моделирования. Тепловое движение атомов. Электронная плотность (топологический
анализ). Базы структурных данных.
Стереохимический и кристаллоструктурный аспекты кристаллохимии. Использо-вание
рентгеноструктурных и кристаллохимических данных в химии, молекулярной биологии.
Обобщенная кристаллохимия.
ОСНОВЫ РЕНТГЕНОСТРУКТУРНОГО АНАЛИЗА
Дифракция
рентгеновских
лучей.
Уравнение
Лауэ.
Методы
получения
дифракционной картины. Автоматические дифрактометры. Уравнеиие Брэгга -Вульфа.
Индексы узловых сеток. Межплоскостные расстояния. Интенсивность дифракционного
луча. Структурная амплитуда. Формула электронной плотности.
Сравнение
дифракционных
методов
изучения
кристаллической
структуры
(рентгенография, нейтронография, электронография).
ГРУППЫ СИММЕТРИИ И СТРУКТУРНЫЕ КЛАССЫ
Симметрийные операции и элементы симметрии. Поворотные и инверсионные оси.
Международная номенклатура (символы Германа - Могена) и симметрийные обозначения
Шенфлиса. Точечные группы. Обычные и стереографические проекции. Симметрия
молекул. Структурные классы и симметрийные свойства молекул. Полярность и
хиральность молекул. Энаниомеры. Многогранники. Изоэдры и их комбинации. Изогоны.
Трансляция. Параллелепипеды повторяемости. Кристаллическая рещетка и ее
симметрия.
Элементарная
ячейка.
Кристаллографические
точечные
группы
(кристаллические классы).
Зависимость физических свойств кристаллов от их симметрии. Свойства как тензоры
2-го ранга (электропроводность, диэлектрическая проницаемость, тепловое расширение и
др. Пиро- и пьезоэлектрические свойства.
Винтовые оси. Плоскости скользящего отражения. Решетки Бравэ.
Пространственные группы симметрии (принцип их вывода). Структурные классы
атомных и молекулярных кристаллов.
ОБЩАЯ КРИСТАЛЛОХИМИЯ
Типы химических связей в кристаллах. Гомо- и гетеродесмические структуры.
Координационные,
островные,
цепочечные,
слоистые,
каркасные
структуры.
Координационное число (КЧ) и координационный многогранник (КМ) или полиэдр.
Собственная симметрия КМ. Структурные типы.
Описание структур в терминах плотнейших шаровых упаковок (ПШУ) и плотнеших
шаровых кладок (ПШК).
Термодинамика кристаллов. Расчет термодинамических функций.
Кристаллохимические
радиусы атомов.
Металлические и
ионные
радиусы.
Ковалентные и ван-де-ваальсовы радиусы.
Кристаллохимические явления. Изоструктурность. Изоморфизм. Полиморфизм.,
политипия. Морфотропия.
СИСТЕМАТИЧЕСКАЯ КРИСТАЛЛОХИМИЯ
Простые вещества. Типичные и аномальные структуры металлов. Особенности
координации переходных и непереходных металлов. Кристал-лические структуры
неметаллов. Бинарные и тернарные соединения.
Структурные типы перовскита и шпинели.
Строение силикатов. Классификация структур силикатов.
Кристаллические структуры координационных соединений. Структуры соединений
с полидентатными лигандами (комплексонаты, комплексы краун-эфиров).
Общая характеристика молекулярных кристаллов. Особенности органических
кристаллов.
Специфические
Гетеромолекулярные
межмолекулярные
кристаллы.
контакты.
Кристаллогидраты.
Водородная
Клатраты.
связь.
Молекулярные
комплексы.
Межмолекулярное взаимодействие (МВ) в атом-атомном представлении (расчет энергии
МВ для органических кристаллов).
ОБОБЩЕННАЯ КРИСТАЛЛОХИМИЯ
Конденсированные фазы с разной степенью упорядоченности. Дальний и ближний
порядок. Кристаллы и квазикристаллы. Мезофазы.
Строение жидких кристаллов. Нематики, холестерики, смектики.
Жидкокристаллические полимеры.
IV. Рабочая учебная программа
Наименование разделов и тем
Всего
Введение
Основы рентгеноструктурного анализа
Группы симметрии и структурные классы
Общая кристаллохимия
Систематическая кристаллохимия
Обобщенная кристаллохимия
Итого
11
11
29
23
18
18
110
Аудиторные
занятия
Лекции Практические
работы
2
2
4
16
4
10
2
6
4
4
18
36
Самостоятельная
работа
9
9
9
9
10
10
56
V. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной
аттестации но итогам освоения дисциплины и учебно-методическое обеспечение
самостоятельной работы студентов
Требования к рейтинг-контролю
Блок I (30 баллов)
Стереохимический и кристаллоструктурный аспекты кристаллохимии. Симметрия
молекулярных систем. Геометрия молекул, химическое и стереохимическое строение
молекул. Элементы и операции симметрии ядерной конфигурации молекулы. Точечные
группы симметрии.
Структура и симметрия кристаллов. Классы симметрии кристаллов. Трансляция.
Пространственные решетки. Изоэдры. Элементы симметрии пространственных решеток.
Плоскости скользящего отражения. Винтовые оси. Пространственные группы.
Описание
и
систематика
кристаллических
структур.
Стехиометрическая
классификация структур. Координационные числа и координационные многогранники
(полиэдры).
Блок II (30 баллов)
Кристаллохимические радиусы атомов. Шаровые упаковки. . Типы структур
химических элементов. Структуры соединений типа AB, AB2 и AB3 . Химические связи в
кристаллах (ионная, ковалентная, металлическая, водородная). Зависимость между типом
химической связи и физическим свойством кристаллов. Межмолекулярные водородные
связи.
Энергия кристаллической структуры. Реальный кристалл. Твердые растворы.
Антисимметрия, цветная симметрия. Сверхсимметрия.
По каждому блоку проводится контрольное тестирование, результаты которого
оцениваются из расчета 30 баллов.
Кроме того по дисциплине практикуются рефераты (30 баллов).
Всего по данной дисциплине – 100 баллов.
Темы практических занятий.
1. Понятие
динамические,
кристаллической
дискретные
структуры.
и
Основные
континуальные).
модели
(статические
Стереохимический
и
и
кристаллоструктурный аспекты кристаллохимии
2. Симметрия молекул и внешней формы кристаллов. Кристаллографические
точечные группы (32 кристаллических класса). Сингонии (распределение классов)
3. Внутренняя симметрия кристалла. Трансляция. Параллелепипеды повторяемости.
Кристаллическая решетка. Элементарная ячейка. Винтовые оси. Плоскости скользящего
отражения. Решетки Бравэ. Пространственные группы
4. Типы химических связей в кристаллах. Ионные, атомные, молекулярные
кристаллы. Металлы
5. Структурные
типы
простых
веществ
(металлы
и
неметаллы)
и
ряда
неорганических соединений: NaCl, CsCl, ZnS (сфалерит), ZnS (вюртцит), NiS, BN, CaF2
(флюорит), TiO2 (рутил), Cu2O (куприт), FeS2 (пирит)
6. Кристаллохимия силикатов
7. Молекулярные кристаллы (органические соединения)
8. Структура координационных соединений
9. Жидкие кристаллы
10.
Энергия кристаллической решетки.
Вопросы к зачету.
1. Кристаллическая структура и способы ее моделирования.
2. Одномерный ряд, трансляция, период идентичности. Двумерная решетка.
3. Базы структурных данных. Использование рентгеноструктурных и кристаллохимических данных в химии, молекулярной биологии.
4. Стереохимический и кристаллоструктурный аспекты кристаллохимии.
5. Основы рентгеноструктурного анализа. Сравнение дифракционных методов
изуче-ния кристаллической структуры (рентгенография, нейтронография, электронография).
6. Симметрия внешней формы кристаллов. Кристаллографические точечные
группы
(кристаллические классы). Сингонии.
7. Внутренняя симметрия кристалла. Кристаллическая решетка. Элементарная
ячейка. Трансляция. Винтовые оси. Плоскости скользящего отражения.
8. Решетки Бравэ. Пространственные группы.
9. Типы химических связей в кристаллах.
10. Плотнейшие шаровые упаковки и кладки.
11. Кристаллохимические радиусы. Металлические и ионные радиусы. Ковалентные
и ван-де-ваальсовы радиусы.
12. Координационное число и координационный многогранник
13. Структурные типы простых веществ и бинарных соединений.
14. Структурный тип перовскита.
15. Структурный тип шпинели.
16. Кристаллохимия силикатов.
17. Кристаллическая структура координационных соединений.
18. Молекулярные кристаллы (органические соединения).
19. Межмолекулярное взаимодействие в атом-атомном представлении (органические
кристаллы).
20. Жидкокристаллическое состояние.
Вопросы для самостоятельной работы.
1.
Одномерный ряд. Период идентичности.
2.
Трансляция. Двумерная решетка. Виды параллелограммов.
3.
Ретикулярная плотность.
4.
Пространственная решетка. Параллелепипед повторяемости.
5.
Кристаллографические системы. Сингонии.
6.
Элементарная ячейка. Типы решеток.
7.
Символы узлов, рядов и плоскостей.
8.
Кристаллографические проекции.
9.
Простые формы кристаллов
10. Плотнейшая упаковка шаров.
11. Энергия решетки. Уравнение Борна.
12. Энантиоморфизм. Анизотропия кристаллов.
13. Доказать отсутствие в кристаллах осей 5-го порядка и порядков выше шестого.
14. Координационное число и координационный многогранник.
15. Решетчатое строение графита.
16. Структура льда. Водородная связь.
17. Точечные группы симметрии решёток низших сингоний.
18. Точечные группы симметрии решёток средних сингоний.
19. Решётки высших сингоний и их точечные группы симметрии.
20. Открытые элементы симметрии и их сочетания с трасляциями.
21. Закрытые операции и элементы симметрии кристаллов.
22. Энергия решетки и цикл Борна-Габера.
23. Изоморфизм и полиморфизм.
24. Правильные многогранники.
25. Структуры простых веществ.
26. Структуры бинарных соединений.
27. Химические связи в кристаллах.
28. Энергия решетки. Уравнение Капустинского.
29. Что такое кристалл?
30. Чем определяется характер двумерной решетки?
31. Чем определяется элементарная ячейка и ее форма?
32. От чего зависит спайность кристалла?
33. Перечислить
примитивные
элементарные
ячейки,
соответствующие
кристаллографическим системам?
34. Энантиоморфизм.
VI. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины (модуля)
а) основная литература:
1. Егоров-Тисменко Ю.К. Кристаллография и кристаллохимия. М.: КДУ, 2005. 592 с.
2. Смоляков В.М. Стереохимический и кристаллоструктурный аспекты в химии.
Материалы межвуз. научно-методич. конф. по проблемам образования в вузе. «Качество
образования: современные подходы к содержанию и организации учебного процесса». В 2
ч. II. /Под ред. В.П. Гаврикова, Т.С. Савочкиной и др. Тверь: ТвГУ, 2005. Ч. 2. С. 76 -94.
3. Папулов Ю.Г., Виноградова М.Г. Математика и химия: Монография. Тверь: ТвГУ,
2007. 200 с.
4. Папулов
ЮГ,
Левин
В.П.,
Виноградова
М.Г.
Строение
вещества
в
естественнонаучной картине мира. Молекулярные аспекты: Учеб. пособие (с грифом
УМО университетов РФ по химии). 2-е изд. Тверь: ТвГУ, 2005. 208 с.
5. Папулов Ю.Г, Левин В.П., Виноградова М.Г. Строение вещества в естественнонаучной картине мира. 3-е изд. Тверь: ТвГУ, 2006. Ч. I - 84 с. Ч. II - 84 с. Ч. III - 84 с.
б) дополнительная литература:
6. Бакстон Ш., Робертс С. Введение в стереохимию органических соединений: от
метана до макромолекул: Пер. с англ. М.: Мир, 2005. 311 с.
7. Папулов Ю.Г. Строение молекул: Учеб. пособие (с грифом УМО университетов
РФ): Тверь: ТвГУ, 2008. 232 с.
8. Папулов Ю.Г., Папулова Д.Р. Строение молекул и физические свойства:
Монография. Тверь: ТвГУ, 2010. 280 с.
4. Бердетт Дж. Химическая связь. М.: Мир: БИНОМ. Лаб. знаний, 2008. 245 с.
5. Грибов Л.А. Элементы квантовой теории строения и свойств молекул.
Долгопрудный: Интеллект, 2010. 310 с.
в) программное обеспечение и Интернет-ресурсы
1. MS-Excel
2. Microsoft Office Word
3. Программные комплексы:
GAUSSIAN
(эффективны
быстродействующие
программы
GAUSSIAN-70,
GAUSSIAN-76, GAUSSIAN-80, GAUSSIAN-85,… GAUSSIAN-98, GAUSSIAN-03,… ,
разрабатываемые и поддерживаемые на коммерческой основе фирмой Gaussian Inc;
http://www.gaussian);
GAMESS (General Atomic and Molecular Electronic Structure System);
есть US GAMESS (США), UK GAMESS (Англия), PC GAMESS (МГУ); первая и
последняя программы бесплатны;
HyperChem от фирмы HyperCube Inc (http://www.hypercom). Обладает удобным
графическим
интерфейсом,
позволяющим
создавать
и
редактировать
модели
молекулярных структур (от простых до самых сложных). Имеются Student HyperChem
(для начинающих) и HyperChem Professional Release;
MOPAC и др.
4. Мультимедиа: Химия и компьютерное моделирование.
5. http://www.xumuk.ru/
6. http://ximozal.ucoz.ru/photo/1
7. http://www.ast-centre.ru
6. http://www.xumuk.ru/
VII. Материально-техническое обеспечение дисциплины (модуля)
1. Модели, рисунки.
2. Раздаточный материал по наиболее важным темам курса.
3. Демонстрационный материал на слайдах по темам дисциплины.