WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 18 |
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 ИЗОМОРФИЗМ. ТВЕРДЫЕ РАСТВОРЫ. Петьков В.И., Грудзинская Е.Ю.

Электронное учебно-методическое пособие. – Нижний Новгород: Нижегородский госуниверситет, 2010. – 144 с.

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

Учебно-методическое пособие отражает содержание курса лекций и описание занятий дисциплины «Изоморфизм. Твердые растворы».

Все занятия спецдисциплины выстроены в активных методах, что позволяет создавать условия для углубленного и осознанного обучения, формировать и развивать общекультурные и профессиональные компетенции будущего специалиста.

Электронное учебно-методическое пособие предназначено для студентов ННГУ, обучающихся по направлению подготовки 020100 «Химия» и специальностям 020101 «Химия» и 240306 «Химическая технология монокристаллов, материалов и изделий электронной техники», изучающих курс «Избранные главы химии твердого тела».

Пособие может быть использовано также преподавателями вузов в качестве примера при разработке занятий в активных формах обучения.

2 Содержание Пояснительная записка……………………………………………………… 4 Занятие 1. Сущность изоморфизма. История открытия и изучения… Лекция 1……………………………………………………………………… Материалы по портфолио………………………………………………… Занятие 2. Кристаллохимический (рентгеноструктурный) период изучения изоморфизма. Типы твердых растворов замещения. Эмпирические правила изоморфизма………………………………………….

Лекция 2……………………………………………………………………… Лекция 3……………………………………………………………………… Занятие 3. Экспериментальные методы изучения твердых растворов Лекция 4……………………………………………………………………… Занятие 4. Физико-химические и кристаллохимические основы яв- ления изоморфизма……………………………………………………… Лекция 5……………………………………………………………………. Занятие 5. Кристаллохимическая сущность явления изоморфизма. Факторы изоморфной взаимозаместимости атомов в кристаллах…… Лекция 6……………………………………………………………………… Лекция 7………………………………………………………………… Занятие 6. Основы количественной теории твердых растворов заме- щения.................................................................................................................

Лекция 8…………………………………………………………………… Занятие 7. Методы определения функций смешения……………… Лекция 9…………………………………………………………………… Лекция 10………………………………………………………………… Занятие 8. Феноменологическая теория твердых растворов. Классические (эмпирические) правила изоморфизма с точки зрения энергетической теории……………………………………………………… Лекция 11…………………………………………………………………… Занятие 9. Презентация и оценка портфолио…………………………… Занятие 10. Проведение экзамена…………………………………………. Вопросы к экзамену………………………………………………………… Список литературы………………………………………………………… 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» являются:

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

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 возможности.

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 (твердых растворов) и реакций;

иметь опыт работы на серийной аппаратуре, применяемой в аналитических и физико-химических исследованиях;

владеть методами регистрации и обработки результатов химических экспериментов.

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.

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 изо- или 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 изучения.

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.

Тема 3. Типы твердых растворов замещения.

Твердые растворы, образующиеся при кристаллохимически различных изоморфных замещениях: нормальные замещения (изовалентные, гетеровалентные), усложненные замещения (с добавлением, вычитанием, заменой положения). Качественная термодинамическая трактовка влияния факторов, определяющих образование твердого раствора. Эмпирические правила изоморфизма (Ретгерса, Вегарда, Гольдшмидта, Юм-Розери, размерные критерии Соболева и Поваренных, полярности, диагоналей Гольдшмидта – Ферсмана, кристаллохимической компенсации, индифферентности Макарова).

Тема 4. Экспериментальные методы изучения твердых растворов.

Возможности дифракционных методов исследования. Измерения плотности. Изменение температур фазовых переходов в твердых растворах. Взаимосвязь различных методов и возможности их использования при получении информации о физических параметрах твердых растворов и их свойствах.

Тема 5. Физико-химические и кристаллохимические основы явления изоморфизма.

Физико-химическая сущность изоморфизма как макроскопического явления. Типы физико-химического взаимодействия веществ. Роль диаграмм состояния в исследовании изоморфизма. Кристаллохимическая сущность изоморфизма как микроскопического явления. Критерий однородности кристалла, содержащего изоморфные примеси. Особенности смешения компонентов при образовании кристаллического твердого раствора. Типы кристаллического строения фаз переменного состава (фазы замещения без изменения и с изменением симметрии кристаллической структуры, фазы с переменным числом атомов в элементарной ячейке без изменения и с изменением кристаллической структуры). Структурный переход порядок – беспорядок в кристаллах твердых растворов.

Тема 6. Факторы изоморфной взаимозаместимости атомов в кристаллах твердых растворов.

Главный критерий изоморфизма – взаимная химическая индифферентность атомов. Соотношение размеров взаимозамещающихся атомов. Сходство природы межатомной связи. Второстепенные факторы изоморфизма: сходство кристаллических структур компонентов, сходство валентностей компонентов.

Тема 7. Основы количественной теории твердых растворов замещения.

Термодинамические трактовка явления изоморфизма. Основные понятия и закономерности термодинамики твердых растворов. Термодинамические модели твердых растворов. Методы экспериментального определения термодинамических функций смешения твердых растворов: калориметрический, на основе данных по равновесиям фаз переменного состава (из кривых распада твер 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.

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 18 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.