Кристаллохимия - Южный федеральный университет

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ
ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
ХИМИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ
УТВЕРЖДАЮ
Декан ______________Цупак Е.Б.
"_____"__________________200__ г.
Рабочая программа дисциплины
«КРИСТАЛЛОХИМИЯ»
специальность
020201 Фундаментальная и прикладная химия
Квалификация выпускника
Химик
Форма обучения
очная
Ростов-на-Дону, 2011
1. Цели освоения дисциплины
Кристаллохимия – один из важнейших разделов химии, изучающая
пространственное расположение и химическую связь атомов в кристаллах, а
также зависимость физических и химических свойств кристаллических
веществ от их строения. Источником экспериментальных данных о строении
кристаллических
структурах
являются
(рентгеноструктурный
анализ,
позволяющие
достоверную
получать
дифракционные
электронография,
методы
нейтронография),
количественную
информации
о
строении как простых химических веществ (металлы и ионные бинарные
соединения), так и сложных биоорганических объектов, таких как белки и
вирусы.
Обработка
материала,
этой
выявление
и
информации,
систематизация
интерпретация
структурного
закономерностей,
присущих
строению кристаллических веществ, установление зависимости физических и
химических
свойств
от
структуры
-
таковы
основные
задачи
кристаллохимии.
Целями освоения дисциплины «Кристаллохимия» являются изучение
студентами фундаментальных понятий и представлений, используемых при
описании структуры химических соединений в кристаллическом состоянии,
знакомство
студентов
рентгеноструктурного
с
основами
анализа,
структурной
основами
обшей
кристаллографии,
и
систематической
кристаллохимии
2.Место дисциплины в структуре ООП
Дисциплина
«Кристаллохимия»
профессиональных
(специальных)
относится
дисциплин
к
к
разделу
базовой
части
(общепрофессиональные дисциплины).
Для усвоения курса «Кристаллохимия» студентам необходимы
знания,
полученные
при
«Неорганическая
химия»,
представления,
введенные
изучении
«Физика».
в
дисциплин
«Общая
Фундаментальные
курсе
химия»,
понятия
«Кристаллохимия»,
и
будут
использоваться в курсах «Физическая химия», «Строение вещества», а
также в тех спецкурсах, в которых необходимо учитывать сведения о
строении кристаллических веществ.
3
Компетенции
обучающегося,
формируемые
в
результате
освоения дисциплины «Кристаллохимия».
В результате освоения дисциплины у студентов частично формируется
следующие общекультурные компетенции: ОК-6, ОК-7, ОК-8, ОК-9, ОК10, ОК-13, ОК-14.
В результате освоения дисциплины у студентов частично формируется
следующие профессиональные компетенции (ПК): ПК-2, ПК-3, ПК-4; ПК7; ПК-11, ПК-12, ПК-13, ПК-16, ПК-17, ПК-23.
В результате освоения дисциплины студенты должны:
Знать теорию строения кристаллов и частично упорядоченных
конденсированных фаз и схему классификации кристаллических структур в
основных классах химических соединений.
Понимать
принципы
применения
дифракционных
методов
исследования кристаллических структур и использования информации,
получаемой этими методами.
Уметь использовать данные по атомному строению кристаллов для
изучения физических и химических свойств кристаллических веществ и
пояснить физические основы такой связи.
Осознанно использовать структурные данные (в том числе банки этих
данных) в химическом исследовании.
4. Структура и содержание дисциплины
3 кредита
108 часов
Зачет
Аудиторные занятия
72 часа
Лекции
Семинарские занятия
36 часов
36 часов
Самостоятельная подготовка
36 часов
График учебного процесса
Семестр
Неделя
семестра
Раздел
Дисциплины
1
1.1
4
1
2
2.1
4
2
3
2.2
4
3
4
2.3
4
4
5
2.4
4
5
6
2.5
4
6
7
2.6
4
7
8
3.1
4
8
9
4.1
4
9
10
4.2
4
10
11
4.3
4
11
12
5.1
4
12
13
5.2
4
13
14
5.3
4
14
15
5.4
4
15
16
5.5
4
16
17
5.6
4
17
18
5.7
4
18
№
п/п
Виды учебной работы,
включая самостоятельную
работу студентов и
трудоемкость (в часах)
Формы текущего
контроля
успеваемости (по
неделям семестра)
Форма промежуточной
аттестации (по
семестрам)
Лекция 2 часа, Семинар № 1 – Опрос
2 часа
Лекция 2 часа, Семинар № 2 – Опрос
2 часа
Лекция 2 часа, Семинар № 3 – Опрос
2 часа
Лекция 2 часа, Семинар № 4 – Опрос
2 часа
Лекция 2 часа, Контрольная Контрольная работа
работа № 1 – 2 часа
Лекция 2 часа, Семинар № 5 – Опрос
2 часа
Лекция 2 часа, Семинар № 6 – Опрос
2 часа
Лекция 2 часа, Семинар № 7 – Опрос
2 часа
Лекция 2 часа, Контрольная Контрольная работа
работа № 2 – 2 часа
Лекция 2 часа, Семинар № 8 – Опрос
2 часа
Лекция 2 часа, Семинар № 9 – Опрос
2 часа
Лекция 2 часа, Семинар № 10 Опрос
– 2 часа
Лекция 2 часа, Семинар № 11 Опрос
– 2 часа
Лекция 2 часа, Контрольная Контрольная работа
работа № 3 – 2 часа
Лекция 2 часа, Семинар № 12 Опрос
– 2 часа
Лекция 2 часа, Семинар № 13 Опрос
– 2 часа
Лекция 2 часа, Семинар № 14 Опрос
– 2 часа
Лекция 2 часа, Семинар № 15 Опрос
– 2 часа
Содержание курса «Кристаллохимия»:
1. ВВЕДЕНИЕ
1.1 Предмет и задачи современной кристаллохимии, ее место в системе
естественных наук. Аморфное и кристаллическое состояние вещества. Монои поликристаллы. Текстуры. Жидкие кристаллы. Кристаллическая решетка,
трансляции. Основные отличительные признаки кристаллического состояния
вещества. Структурный анализ как основной экспериментальный метод
кристаллохимии. - 2 часа.
2. СТРУКТУРНАЯ КРИСТАЛЛОГРАФИЯ
2.1.
операции
Теория симметрии кристаллов. Симметрия в природе. Закрытые
симметрии
аналитическое
и
элементы
представление.
симметрии,
Взаимодействие
их
обозначение
закрытых
и
операций
симметрии. Возможные порядки осей симметрии в кристаллах. Точечные
группы симметрии, их классификация и обозначения (международная
символика и символы Шенфлиса). -2
2.2.
Схема вывода 32-х кристаллографических точечных групп.
Единичные направления, категории и сингонии. Координатные системы
кристаллов. - 2 часа.
2.3.
Стереографические проекции кристаллов. Понятие простой
формы. Общая и частная простая форма. Простые формы низшей, средней и
высшей категории. - 2 часа.
2.4.
Открытые элементы и операции симметрии, их взаимодействие.
Решетки и ячейки Бравэ, правила их выбора. 2
2.5.
Понятие пространственной (Федоровской) группы симметрии.
Примеры пространственных групп. Системы эквивалентных позиций
(правильные системы точек). Общие и частные правильные системы точек,
их характеристики - 2 часа.
2.6.
Кристаллографические координаты, индексы узлов, рядов и
плоскостей кристаллической решетки. Символы граней кристаллических
многогранников. Закон постоянства углов. Элементы теории кристаллизации
и роста кристаллов. Анизотропия скорости роста и физических свойств
кристаллов. Реальные кристаллы и дефекты кристаллических структур. - 2
час.
ОСНОВЫ РЕНТГЕНОСТРУКТУРНОГО АНАЛИЗА
3.
3.1.
Дифракция рентгеновских лучей кристаллами. Условие Лауэ и
уравнение Вульфа - Брегга. Белое и характеристическое излучение. Способы
регистрации
дифракционных
лучей,
основные
виды
рентгенограмм
кристаллов (метод Лауэ. вращения, колебания, метод Дебая–Шеррера).
Понятие о рентгенофазовом анализе. Основные этапы анализа структуры
кристалла. Классы дифракционной симметрии, систематические погасания
рефлексов. Определение симметрии кристалла, параметров решетки и числа
формульных единиц в ячейке. Оценка точности и надежности расшифровки.
Теоретическая плотность вещества. Электронография и нейтронография, их
особенности в сравнении с рентгенографией. - 2 часа.
4.
4.1.
ОБЩАЯ КРИСТАЛЛОХИМИЯ
Классификация химических связей в кристаллах. Ковалентные,
ионные, металлические и молекулярные кристаллы. Условность деления
химических
связей
взаимодействия,
на
4
типа.
водородная
Специфические
связь.
ван-дер-ваальсовые
Кристаллохимические
радиусы.
Поляризация ионов. Гомо- и гетеродесмические структуры. Понятие
структурного типа, его характеристики. Основные структурные мотивы:
молекулярные
(островные),
цепочечные,
координационные.
Число
формульных
Координационное
число
и
единиц
координационный
слоистые,
в
ячейки
полиэдр.
каркасные,
кристалла.
Собственная
симметрия координационных полиэдров, молекул и сложных ионов.
Способы представления кристаллических структур. - 2 час.
4.2.
Основные структурообразующие факторы. Кристаллохимические
условия устойчивости ионных кристаллов. Принцип плотной упаковки.
Коэффициент упаковки. Упаковки шаров. Плотнейшие шаровые упаковки,
их обозначения, симметрия, типы пустот. Многослойные упаковки.
Описание структур в терминах плотных шаровых упаковок. - 2 часа.
4.3.
Кристаллохимические явления. Изоструктурность. Изоморфизм.
Типы изоморфизма. Твердые растворы замещения, внедрения и вычитания.
Условия образования твердых растворов. Сверхструктуры. Полиморфизм,
политипия. Монотропные и энантиотропные полиморфные переходы.
Механизм полиморфных превращений. Морфотропия. - 2 часа.
5.
5.1.
СИСТЕМАТИЧЕСКАЯ КРИСТАЛЛОХИМИЯ
Простые
вещества.
Типичные
структуры
металлов
Характеристика химических связей в металлах. Основные структурные типы
металлов (Cu, Mg, -Fe). Интерметаллические соединения. - 2 часа.
5.2.
Кристаллохимия простых веществ - неметаллов и соединений с
преимущественно ковалентной связью. Характеристика ковалентной связи.
Факторы, определяющие координацию атомов, изменение структуры и
физических свойств по группам периодической таблицы. Кристаллические
структуры простых веществ: структурные типы алмаза и графита. - 2 часа.
5.3.
Кристаллохимия ионных соединений. Характеристика ионной
связи. Структурные типы, свойственные ионным соединениям (NaCl, CsCl,
CaF2). 2
5.4.
Плотноупакованные мотивы в ионных кристаллах. Характерные
физико-химические свойства ионных кристаллов. -2 часа.
5.5.
Кристаллохимия тройных неорганических соединений. Роль
относительного размера и различия в природе атомов, входящих в состав
тройных
соединений.
кристаллизующиеся
в
Структурный
тип
этом
Сегнетоэлектрические
типе.
перовскита.
Соединения,
свойства.
Структурный тип шпинели. Соединения, кристаллизующиеся в этом типе.
Ферриты. Основные особенности строения силикатов. Классификация
структур силикатов. Изовалентный и гетеровалентный изоморфизм в
силикатах. Зависимость физических свойств силикатов от их строения. - 2
часа.
5.6.
Кристаллохимия молекулярных кристаллов. Характеристика сил
межмолекулярного взаимодействия. Соотношение собственной симметрии
молекулы и ее положения в кристалле. Принцип плотнейшей упаковки в
молекулярных
кристаллах.
межмолекулярные
Построение
контакты.
моделей
Коэффициент
молекул.
плотности
Опорные
упаковки.
Распределение молекулярных структур по пространственным группам и
структурным
классам.
Специфические
межмолекулярные
контакты.
Водородная связь. Специфические контакты галоген-галоген, металлкислород, металл-металл и другие. Контакты бензольных циклов. Структуры
нормальных
парафинов,
бензола,
нафталина.
Структуры
с
межмолекулярными водородными связями. - 2 часа.
5.7.
Молекулярное строение и структура жидких кристаллов.
Каламитические
мезофазы
(нематики,
холестерики,
смектики).
Дискотические мезофазы. Лиотропные жидкие кристаллы. Применение
жидких кристаллов. – 2 часа.
Темы семинарских занятий:
1. Закрытые операции и элементы симметрии. Сочетание элементов
симметрии в кристаллах.
2. Точечные группы симметрии. Символы Шенфлиса и международная
символика. Единичные направления, категории и сингонии.
3. Системы эквивалентных позиций в точечных группах. Стерео- и
гномостереографические проекции.
4. Простые формы кристаллических многогранников.
5. Открытые элементы и операции симметрии, их взаимодействие.
6. Решетки и ячейки Бравэ, правила их выбора.
7.Пространственные (Федоровские) группы симметрии.
8. Химические связи в кристаллах. Понятие структурного типа, его
характеристики.
9. Основные структурообразующие факторы кристаллов.
10. Изоморфизм.
11. Полиморфизм. Морфотропия.
12. Основные структурные типы металлов.
13. Кристаллохимия простых веществ - неметаллов и соединений с
преимущественно ковалентной связью.
14. Кристаллохимия ионных соединений.
15. Кристаллохимия молекулярных кристаллов.
Темы контрольных работ:
1. Точечные группы симметрии.
2. Федоровские группы симметрии.
3. Основные структурообразующие факторы кристаллических веществ.
5. Образовательные технологии
При чтении курса «Кристаллохимия» используются используются
традиционные
практические
образовательные
работы)
и
технологии
активные
(лекции,
инновационные
семинары,
образовательные
технологии:
Семинары в диалоговом режиме;
Групповые дискуссии при решении задач;
Мозговой штурм;
Групповые разборы результатов контрольных работ.
Процент активных
инновационных
образовательных
технологий
составляет 30%.
6. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы
студентов. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости,
промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины.
При подготовке к семинарам и контрольным работам студенты
самостоятельно прорабатывают учебный материал по лекциям и учебникам
(основная и дополнительная литература).
Для самостоятельной оценки
уровня подготовка к контрольным работам студентам предлагаются типовые
задачами и тесты.
Например:
1. Дорисовать на проекции элементы симметрии, наличие которых
вытекает из присутствующих:
60o
a
b
c
d
e
2. Определить элементы симметрии плоских молекул: этилен, бензол,
хлорбензол, нафталин.
3. Нарисовать гномостереографическую проекцию куба.
4.
Определить
точечную
группу
симметрии
всех
изомеров
дихлорбензола. Записать символы Шенфлиса.
5. Какова симметрия дифенила в кристалле, где молекула имеет
плоское строение, и в газе, где в результате поворота вокруг ординарной
связи бензольные кольца развернуты на угол 42о.
6. Определить точечную группу симметрии и записать символы
Шенфлиса для молекулы метана при последовательном замещении атомов
водорода на: а) одинаковые заместители; б) на разные заместители.
7. Определить точечную группу симметрии (записать международный
символ и символ Шенфлиса) тетрагонального тетраэдра (грани тетраэдра –
равные равнобедренные треугольники). Нарисовать стереографическую и
гномостереографическую проекции для этого многогранника.
8. Какое минимальное число граней может иметь замкнутый
многогранник симметрии:
а) mmm, b) 6mm, c) 32, d) 3m, e) 6/mmm?
9.В кристаллической структуре, содержащей атомы А и В, атом А
располагается в начале координат. Известен тип решетки и координаты
атомов В. Размножив атомы действием трансляции, изобразите проекции
ячейки.
№
a
b
c
d
e
Решетка
Кубическая Р
Кубическая I
Кубическая F
Ортогональная F
Триклинная Р
Координаты атома В
½ ½ 0, ½ 0 ½, 0 ½ ½
½ 0 0, 0 ½ 0, 0 0 ½
¼¼¼
00½
¼¼¼
10. Определить тип решетки, примитивный параллелепипед которой
имеет характеристики:
№
Вид основания
параллелепипеда
квадрат
а
б
квадрат
Относительное расположение верхнего и
нижнего основания.
Одна из вершин верхнего основания
проектируется в центр нижнего
основания
Одна из вершин верхнего основания
проектируется на диагональ нижнего
основания
Пример тестового задания для зачета в письменной форме:
1 Какие симметрические операции не входят в группу симметрии
прямоугольного параллелепипеда?
1) Ось третьего порядка
симметрии
2) Ось второго порядка
3) Плоскость
4) Центр симметрии
2 Какие симметрические операции не входят в группу симметрии
тригональной пирамиды?
1) Ось третьего порядка
2) Ось второго порядка
3) Плоскость
симметрии
3 Какие симметрические операции не входят в группу симметрии куба?
1) Ось четвертого порядка
второго порядка
2) Ось третьего порядка
3) Ось
4) Инверсионная ось четвертого порядка
4 Какие симметрические операции не входят в группу симметрии
тетрагонального трапецоэдра?
1) Ось четвертого порядка
2) Ось третьего порядка 3) Ось второго
порядка
5 Какие симметрические операции входят в группу симметрии
молекулы бензола?
1) L6, L2, C, P
2) L6, L3, L2 P
3) L3, L2, C, P 4)L4, L2, C, P
6 Какие симметрические операции входят в группу симметрии
молекулы воды?
1) L6, L2 2) L6, L3
3) L6, P
7
2-го
Ось симметрии
4) L2, P
порябка пересекает перпендекулярную
плоскость симметрии. Какой элемент симметрии образуется?
1) Плоскость симметрии 2) Ось 2-го порядка
3) Центр симметрии
4) Ось 4-го порядка
8 Две плоскости симметрии пересекаются под углом 30 градусов.
Какой элемент симметрии образуется?
1) Ось 2-го порядка
2) Ось 3-го порядка
3) Ось 4-го порядка 4) Ось
6-го порядка
9 Международный символ класса симметрии mm2. Какой сингонии он
соответствует?
1) Триклинная 2) Моноклинная 3) Ромбическая
4) Кубическая
10 Международный символ класса симметрии m. Какой сингонии он
соответствует?
1) Триклинная
2) Моноклинная
3) Ромбическая 4) Кубическая
11 Международный символ класса симметрии 1. Какой сингонии он
соответствует?
1) Триклинная 2) Моноклинная
3) Ромбическая
4) Кубическая
12 Символ Шенфлиса класса симметрии С2h. Какой международный
символ соответствует этому классу?
1) 2/m
2) mmm
3) m
4) 4/mmm
13 Символ Шенфлиса класса симметрии D4h. Какой международный
символ соответствует этому классу?
1) 2/m
2) mmm
3) m
4) 4/mmm
14 На рисунке изображена стереографическая проекция элементов
симметрии. Какому классу она соответствует?
1) 2
2) 222
3) 32
4) 422
15 На рисунке изображена стереографическая проекция элементов
симметрии. Какому классу она соответствует?
1) 2
2) 222
3) 32
4) 422
16 На рисунке изображена стереографическая проекция элементов
симметрии. Какой символ Шенфлиса соответствует этому классу?
1) S6
2) C3h
3) D3h
4) Vd
17 На рисунке изображена стереографическая проекция элементов
симметрии. Какой символ Шенфлиса соответствует этому классу?
1) S6
2) C3h
3) D3h
4) Vd
18 Какая ячейка Бравэ изображена на рисунке?
1) Кубическая Р
2) Гексагональная Р
3) Тетрагональная Р
4) Тригональная Р
19 Какая ячейка Бравэ изображена на рисунке?
1) Кубическая Р
2) Кубическая I
3) Кубическая F
20 Какой ячейки Бравэ не существует в кристаллах?
1) Кубическая Р
2) Кубическая С
3) Кубическая I
4)
Кубическая F
7.
Учебно-методическое
и
информационное
обеспечение
дисциплины
а) основная литература:
1. Шаскольская М.П. Кристаллография, М., изд. ВШ, 1984. (Разделы 15)
2. Чупрунов Е.В., Хохлов А.Ф., Фаддеев М.А. Кристаллография., М.:
изд-во физ.-мат. лит-ры. 2000. (Разделы 1-5)
3. Бокий Г.Б. Кристаллохимия. М.: Наука. 1971. (Разделы 1-5)
4. Зоркий П.М. Симметрия молекул и кристаллических структур. М.:
МГУ. 1986. (Разделы 2, 4.2)
5. Порай-Кошиц М.А. Основы структурного анализа химических
соединений. М.: Высшая школа. 1982. (Разделы 2, 3)
6. Урусов В.С. Теоретическая кристаллохимия. М.: МГУ. 1987.
(Разделы 4, 5).
7. Китайгородский А.И. Молекулярные кристаллы. М.: Наука. 1971.
(Раздел 5)
8. Вест А. Химия твердого тела. Теория и приложения (в 2-х тт.). М.:
Мир. 1988. (Разделы 1-4)
9. Зоркий П.М. Задачник по кристаллохимии и кристаллографии. Изд.
МГУ 1981.
б) дополнительная литература:
1. Современная кристаллография. Под ред. Б.К. Вайнштейн. Т.1, 2. М.:
Наука. 1979. (Разделы 1-5).
2. Харгиттаи И., Харгиттаи М. Симметрия глазами химика. М.: Мир,
1989. (Раздел 2).
3. Уэллс А. Структурная неорганическая химия (в 3-х тт.). М.: Мир.
1987. (Раздел 2-4)
4. Зоркий П.М. Очерки истории кристаллохимии. Российский
химический журнал. 1996. Т.XL, N3. С.103-120. (Раздел 1)
5.
Зоркий
П.М.,
Зоркая
О.Н.
Ординарная
органическая
кристаллохимия. Интерпретация наиболее вероятных гомомолекулярных
структур. Журнал структурной химии. 1998. Т.39, N1. С.126-153.
в) программное обеспечение и Интернет-ресурсы:
Ю.К.Егоров-Тисменко, Г.П.Литвинская ( Под редакцией В.С.Урусова)
Теория симметрии кристаллов.
Сайт
http://geo.web.ru/db/msg.html?mid=1163834
учебно-методической
поддержки
курса
"Кристаллохимия",
который читается на химическом факультете МГУ им. М.В. Ломоносова.
http://www.chem.msu.su/rus/cryst/cryschem/welcome-cryschem.html
Mineralogy Database http://webmineral.com/
Сайт
фирмы
axs.com/chemical_crystallography0.html
Брукер.
http://www.bruker-
8. Материально-техническое обеспечение дисциплины.
На факультете имеются необходимые аудитории для проведения
лекций и семинарских занятий. Имеется необходимое проекционное
оборудование, используемое при чтении лекций и проведении семинаров, а
также компьютерные рабочие места, подключенные к сети интернет для
самостоятельной работы студентов. Имеются модели кристаллических
многогранников, кристаллических решеток и ячеек Бравэ.
Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с
учетом рекомендаций и ПрООП ВПО по направлению и профилю подготовки
Химия.
Автор
доцент кафедры химии природных и высокомолекулярных
соединений химфака ЮФУ к.х.н. Лесин А.В.
Рецензент:
доцент
кафедры
общей
и
неорганической
химии
химического факультета ЮФУ, кандидат химических наук В.Б. Налбандян.
Программа одобрена на заседании УМК химического факультета ЮФУ
от ___________ года, протокол № ________.