Кристаллохимия - Томский государственный университет

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
КРИСТАЛЛОХИМИЯ
Рабочая программа
Направление подготовки 020700 Геология
Квалификация выпускника Бакалавр
Форма обучения очная
ТОМСК 2010
Рабочая программа по дисциплине « Кристаллохимия»
составлена на основе
требований Федерального государственного образовательного стандарта высшего
профессионального образования по направлению подготовки 020700 Геология,
квалификация «бакалавр» (приказ Минобрнауки России 22 от 14 января 2010 г.).
Общий объём дисциплины 72 ч. Из них лекции – 26 ч., практические занятия –
10 ч., самостоятельная работа студентов – 36 ч.
Зачет в 5 семестре.
Общая трудоёмкость дисциплины 2 зачётные единицы.
Автор: Князев Георгий Борисович - кандидат геолого-минералогических наук,
доцент кафедры минералогии и геохимии
РЕЦЕНЗЕНТ: Коноваленко Сергей Иванович – кандидат геолого-минералогических наук, доцент кафедры минералогии и геохимии
2
1. Цели освоения дисциплины
Целью курса «Кристаллохимия»
является развитие у студентов
представлений о строении и симметрии кристаллического вещества,
составляющего основу Земной коры.
2. Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата
Дисциплина «Кристаллохимия» является компонентом базовой части
профессионального цикла Б.3. учебного плана подготовки бакалавра по
направлению 02070 Геология.
Для успешного освоения дисциплины обучающиеся должны владеть
элементарными математическими, физическими и химическими знаниями,
получаемыми
в
рамках
школьной программы,
кристаллографии
и
общеобразовательных дисциплин вузовской подготовки.
3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате
освоения дисциплины « Кристаллохимия»
Общекультурные (ОК):

владеть культурой мышления, способен к обобщению, анализу,
восприятию информации, постановке цели и выбору путей ее достижения (ОК-1);

уметь логически верно, аргументировано и ясно строить устную и
письменную речь (ОК-2);

стремится к саморазвитию, повышению своей квалификации и
мастерства (ОК-6);

осознавать социальную значимость своей будущей профессии,
обладать высокой мотивацией к выполнению профессиональной деятельности
(ОК-8);

способен применять навыки работы с компьютером как средством
управления информацией (ОК-13);
Профессиональные (ПК):

иметь представление о современной научной картине мира на
основе знаний основных положений философии, базовых законов и методов
естественных наук (ПК-1);

способен использовать в профессиональной деятельности базовые
знания естественных наук, математики, информатики, геологических наук (ПК-2);

способен самостоятельно осуществлять сбор геологической
информации, использовать в научно-исследовательской деятельности навыки
полевых и лабораторных геологических, геохимических и эколого-геологических
исследований (ПК-7);

способен в составе научно-исследовательского коллектива
участвовать в составлении отчетов, рефератов, библиографий по тематике
научных исследований, в подготовке публикаций (ПК-8);
3

готов применять на практике базовые общеобразовательные знания
теории и методов полевых геологических, геофизических, геохимических,
гидрогеологических, нефтегазоносных и эколого-геологических исследований при
решении научно-производственных задач. (ПК-9);

способен применять на практике методы сбора, обработки, анализа
и обобщения фондовой, полевой и лабораторной геологической, геохимической и
эколого-геологической информации (ПК-10);

способен использовать профильно-специализированные знания
фундаментальных разделов физики, химии, экологии для освоения теоретических
основ геологии, геофизики, геохимии, экологической геологии (ПК-16).
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
– знать современные представления о симметрии и строении
кристаллического вещества, о пространственной решётке, основных законах
кристаллографии в связи с другими законами естествознания, симметрии
кристаллов на уровне их внешней формы и структуры, элементарные понятия
физики и химии в рамках общеобразовательных курсов вузовской программы;
– уметь определять симметрию кристаллов, анализировать их структуру
в связи с химическим составом и физическими свойствами, предсказывать на
основе структурных данных свойства кристаллов с известным химическим
составом;
– владеть методами исследования структур кристаллов на основе данных
рентгеноструктурного анализа и результатов других физико-химических
исследований.
4
Лекции
3
4
5
6
7
5
5
5
5
5
5
5
Формы промежуточного
контроля
Предмет кристаллохимии
Пространственная решётка
и геометрическая теория
структуры
Общие понятия
кристаллохимии
Факторы, определяющие
структуру кристаллов
Изоморфизм и полиморфизм.
Дефекты кристаллов
Кристаллохимия
минералов
Окончательная аттестация
Всего
Самостоятельная
работа студентов
1
2
Виды учебной
работы, включая
самостоятельную
работу студентов и
трудоемкость (в
часах)
Практические
занятия
Раздел
дисциплины
Семестр
№
п/п
Неделя семестра
4. Структура и содержание дисциплины «Кристаллохимия»
Общая трудоёмкость дисциплины составляет 2 зачётные единицы, 72 часа.
4.1 Структура преподавания дисциплины
2
Устный опрос
2
8
Контрольная
работа
2
2
2
5-7
6
6
8
8-10
6
8
Устный опрос
11-13
6
8
Устный опрос
1
2
2-3
4
4
18
26
10
36
Контрольная
работа
Контрольная
работа
Зачет
72
4.2. Содержание разделов дисциплины
Предмет кристаллохимии. Связь кристаллохимии с другими науками. История
развития представлений о структуре кристаллов. Кристаллохимические аспекты закона
целых чисел в кристаллографии. Теория структуры кристаллов Р.Ж.Гаюи. Зарождение и
развтие геометрической теории структуры кристаллов. О.Бравэ, А.С.Федоров, А.
Шенфлис, П.Грот. Экспериментальная проверка решетчатого строения кристаллов.
М.Лауэ, В.Л.Брэгг.
Пространственная решетка. Группы трансляций (типы пространственных
решеток) Бравэ. Пространственные группы симметрии. Международные обозначения
классов симметрии и пространственных групп симметрии. Правильные системы
точек. Изображение пространственных групп симметрии и правильных систем точек.
Общие понятия кристаллохимии. Структура кристалла и структурный тип.
Число атомов в элементарной ячейке. Теоретическая плотность. Объем
элементарной ячейки и мольный объем кристаллического вещества.
5
Координационные числа и координационные многогранники. Простые структуры
кристаллов (NaCl, CsCl, ZnS, NiAs, Mg, C, CaF и др.) и способы их описания.
Изображение структур кристаллов на проекции. Атомные (плоские) сетки. Межплоскостные расстояния.
Основная формула рентгеноструктурного анализа
(формула Брэгга-Вульфа). Структурные единицы кристалла. Структурный мотив.
Полиэдрическое изображение кристаллических структур. Классификация структур
кристаллов по типу связи, составу, геометрическим особенностям.
Теория плотнейших шаровых упаковок. Описание структур кристаллов
в терминах плотнейшей упаковки.
Факторы, определяющие структуру кристаллов. Свойства атомов. Силы и
энергия взаимодействия атомов в кристалле. Ионная модель кристалла. Энергия
кристаллической решётки Ковалентные, молекулярные и металлические кристаллы.
Размеры структурных единиц. Орбитальные радиусы атомов и ионов. Валентные
состояния атомов. Эффективные радиусы атомов и ионов. Вандерваальсовские
радиусы. Электроотрицательность. Поляризация атомов и ионов. Распределение
электронной плотности. Эффективные заряды атомов в кристалле.
Изоморфизм и полиморфизм в кристаллах
Политипизм. Дефекты
критсалической структуры и их влияние на состав и свойства кристаллов.
Кристаллохимическая систематизация минералов. Структуры самородных
металлов и неметаллов, особенности структур оксидов и галогенидов, кислородных
солей и силикатов.
5. Образовательные технологии
В учебном процессе читаются классические лекции, которые носят
информационный характер и составляют 50% аудиторных занятий. На
практических занятиях и при самостоятельной работе используются активные и
интерактивные формы (исследование и описание моделей кристаллов, обсуждение
отдельных разделов дисциплины). В сочетании с внеаудиторной работой это
способствует формированию и развитию профессиональных навыков
обучающихся.
Для закрепления знаний студентов по практическим разделам курса
«Кристаллохимия» проводятся практические занятия, целью которых является
формирование навыков самостоятельной работы с кристаллами. Для практических
занятий обязательным является знание соответствующих разделов лекционного
курса. При самостоятельной работе студенты закрепляют полученные знания на
практических занятиях с использованием рекомендуемой литературы, либо с
использованием мультимедийного учебника и коллекций моделей кристаллов.
При этом самостоятельная работа выполняется как под контролем преподавателя,
так и индивидуально.
6
6. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов.
Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной
успеваемости, по итогам освоения дисциплины.
6.1. Примерные вопросы для контрольной работы
1.Структура NaCl характеризуется кубической гранецентрированной группой
трансляций с координатами Na( 0.5, 0, 0); Сl( 0,0,0). Опишите эту структуру в
терминах плотнейшей шаровой упаковки. Покажите строение атомной сетки (110).
В кристаллах, каких сингоний разрешены гранецентрированные группы
трансляций. Расшифруйте записи международных символов пространственных
групп симметрии Fmmc и F41/mmc. Какая из них ошибочна и почему?
2. Как классифицируются структуры по составу?
1.Структура меди является классическим примером кубической плотнейшей
упаковки атомов одного сорта, соответствующей F группе трансляций. Если в
этой структуре атомы меди, расположенные на гранях элементарной ячейки
заменить на атомы золота, то получится некоторое интерметаллическое
соединение меди и золота. Запишите формулу этого соединения и определите его
группу трансляций. Изобразите его структуру в проекции на плоскость (001).
2. В структурах кристаллов каких сингоний разрешены объёмоцентрированные группы
трансляций. Запишите соотношения параметров элементарных ячеек этих структур.
3. Факторы, способствующие изоморфизму в кристаллах.
1.Структуру индия можно получить из структуры меди (кубическая
гранецентрированная решётка), если деформировать ёё( немного сжать) по оси z.
Изобразите структуру индия в проекциях на плоскостях (100) и (001), определите
группу трансляций, координационные числа и число атомов в одной элементарной
ячейке.
2. Соотношения параметров элементарной ячейки в структуре кристаллов
ромбической сингонии. Какие группы трансляций разрешены в ромбической
сингонии, изобразите соответствующие решётки Бравэ в проекции на (001).
3.Чем определяются координационные числа в структурах кристаллов?
1. Параметры элементарной ячейки некоторого соединения типа АХ: a=5,6, b=5,6;
с= 4,8. Углы между всеми рёбрами прямые. Группа трансляций
объёмоцентрированная. Координаты атомов: A(000), X(00 ½). Изобразите
элементарную ячейку этой структуры в проекции на плоскость (100). Определите
координационные числа ионов
и охарактеризуйте координационные
многогранники.
2. Расшифруйте записи международных символов пространственных групп
симметрии Pmmm; Cm; P61/mmc.
3.Что понимается под точечными дефектами кристаллической решётки.?
7
1.Опишите в терминах плотнейшей упаковки структуру кубического Na2O. Какая
Вам известна другая подобная структура. Какой группой трансляций она
описывается. Каковы координационные числа натрия и кислорода и какие им
соответствуют координационные многогранники?
2. Расшифруйте записи международных символов пространственных групп
симметрии Immm; Cm; P4/mmc; Im3m.
3.Что понимается под политипами?
1. Структуру некоторого металла можно представить как четырёхслойную
плотнейшую упаковку ABCBABCB. В какой сингонии кристаллизуется этот
металл? Сколько его атомов содержится в одной элементарной ячейке?
2. Расшифруйте записи международных символов пространственных групп
симметрии I432; Cm; P4/mm; Сm3m. Какая из записей неверна и почему?
3. Что понимается под соединениями переменного состава? Каковы могут быть
причины изменчивости состава соединений? Как это отражается при записи
формул?
1.Некоторое соединение меди и кислорода кристаллизуется в кубической
сингонии.(объёмоцентрированная группа трансляций) с координатами атомов
меди (000); O2- (1/4,1/4,3/4; ( ¾,3/4,1/4). Изобразите структуру в проекции на
плоскость (100), определите координационные числа.
Запишите формулу
соединения и рассчитайте число атомов (формульных единиц)
в одной
элементарной ячейке.
2. Расшифруйте записи международных символов пространственных групп
симметрии: Cmm2; P432; Immm.
3. Причины полиморфизма в кристаллах и типы полиморфизма.
1.Некоторое соединение магния и кремния имеет параметры элементарной ячейки
в ангстремах: а=6,4; b= 6,4; c= 5,2; углы между рёбрами элементарной ячейки
прямые. Группа трансляций примитивная. Координаты атомов: Mg (000); (1/2, ½,
½); Si (1/4,1/4,1/2);(3/4,1/4,0);(3/4,3/4,1/2);(1/4,3/4,0). Изобразите элементарную
ячейку структуры в проекции на плоскости (100) и (001). Подсчитайте
координационные числа и оцените координационные многогранники.
Подсчитайте число атомов в одной элементарной ячейке.
2. Как меняются свойства кристаллов при изоморфизме?
3. Гомодесмические и гетеродесмические структуры.
1.Некоторое соединение серебра и серы кристаллизуется в кубической
сингонии.(объёмоцентрированная группа трансляций) с координатами атомов
серебра (000); серы (1/4,1/4,3/4; ( ¾,3/4,1/4). Изобразите структуру в проекции на
плоскость (100), определите координационные числа.
Запишите формулу
соединения и рассчитайте число атомов (формульных единиц)
в одной
элементарной ячейке.
8
2. Расшифруйте записи международных символов пространственных групп
симметрии: Pmm2; I432;Cmmm.
3. Что понимается под твёрдыми растворами. Какие бывают твёрдые растворы.
Чем они отличаются друг от друга?.
1. Параметры элементарной ячейки некоторого соединения типа АХ: a=5,6, b=5,6;
с= 4,8. Углы между всеми рёбрами прямые. Группа трансляций
объёмоцентрированная. Координаты атомов: A(000), X(00 ½). Изобразите
элементарную ячейку этой структуры в проекции на плоскость (100). Определите
координационные числа ионов
и охарактеризуйте координационные
многогранники.
2. Расшифруйте записи международных символов пространственных групп
симметрии Pm3m; C2; P61/mmc.
3.Что такое дислокации? Чем отличаются краевые и винтовые дислокации?
1.Структура MnS характеризуется кубической гранецентрированной группой
трансляций с координатами Mg( 0.5, 0.5, 0); S( 0,0,0). Опишите эту структуру в
терминах плотнейшей шаровой упаковки. Покажите строение атомной сетки (110).
2.В кристаллах каких сингоний разрешены гранецентрированные группы
трансляций. Расшифруйте записи международных символов пространственных
групп симметрии Cmmc и C41/mmc. Какая из них ошибочна и почему?
3. Как классифицируются структуры по геометрическим особенностям ?
6.2. Примерный перечень вопросов на зачете
1. Пространственная решётка.
2. Группы трансляций (типы пространственных решёток) Бравэ.
3. Винтовые оси симметрии и плоскости скользящего отражения в структурах
кристаллов.
4. Понятие о пространственных группах симметрии
5. Правильные системы точек
6. Атомные плоские сетки, их символы, межплоскостные расстояния
7. Выбор осей координат для описания пространственных решёток и структур
кристаллов.
8. Изображение кристаллических структур.
9. Координаты атомов и правильных систем точек
10. Международные обозначения точечных и пространственных групп
симметрии кристаллов.
11. Экспериментальная проверка строения кристаллов по типу
пространственной решётки.
12. Основная формула рентгеноструктурного анализа
13. Структура кристаллов и структурный тип
9
14. Классификация кристаллических структур по типу связи, составу,
геометрическим особенностям.
15. Число структурных единиц в одной элементарной ячейке структуры
кристалла. Теоретическая плотность.
16. Структурные единицы кристалла. Структурный мотив
17. Полиэдрическое изображение кристаллических структур
18. Координационные числа и координационные многогранники.
19. Примеры плотноупакованных структур металлов
20. Приведите пример структур соединений типа AX.
21. Основные положения теории плотнейшей шаровой упаковки
22. Описание структур кристаллов типа AX2
23. Описание структур кристаллов типа AX в терминах теории плотнейшей
упаковки
24. Силы взаимодействия атомов в кристаллах
25. Понятие об энергии кристаллической решётки
26. Простейшие способы расчёта энергии ионных кристаллов
27. Кристаллы с ковалентным типом связи
28. Ионная модель кристаллов
29. Особенности структуры металлов
30. Размеры структурных единиц
31. Понятие об атомных и ионных радиусах
32. Зависимость ионных радиусов от координационных чисел
33. Факторы определяющие структуру ионных кристаллов
34. Основные структурные типы силикатов
35. Изоморфизм и условия его проявления
36. Твёрдые растворы замещения и внедрения
37. Полиморфизм и полиморфные модификации
38. Условия полиморфизма
39. Политипизм
40. Точечные дефекты в структурах кристаллов
41. Дислокации и их влияние на свойства и особенности роста кристаллов
7. Учебно-методическое и информационное обеспечение
дисциплины «Кристаллохимия»
а) основная литература
Булах А.Г. Общая минералогия, - СПб: Изд-во СПб ун-та, 2002. - 353 с.
Егоров-Тисменко Ю.К. Кристаллография и кристаллохимия.- М.: КДУ, 2005. - 459 с.
Князев Г.Б. Введение в кристаллографию. Учебное пособие. - Томск:: Изд-во ТГУ, 2000. - 178 с.
Чупрунов Е.В., Хохлов А.Ф., Фадеев И.А. Основы кристаллографии. Учебник. - М.:
Физматгиз, 2006. - 499 с.
10
б) дополнительная литература
Баррет Ч.С, Массальский Т.Б. Структура металлов. Т.1. - М.: Металлургия,
1984. - 415 c.
Белов Н.В Очерки по структурной минералогии. М.: Недра, 1976. - 418 c.
Бокий Г.Б. Кристаллохимия.- М.: Наука, 1971. - 486 c.
Брэгг У., Кларингбул Г. Кристаллическая структура минералов. - М.: Мир, 1967. 390 с.
Верма А. Кришна П. Полиморфизм и политипизм в кристаллах. М.: Мир, 1969. 392 c.
Григорьев Д.П. Основы конституции минералов. - М.: Недра,1966. - 52 с.
Егоров-Тисменко Ю.К., Литвинская Г.П., Загальская Ю.Г. Кристаллография. - М.:
Изд-во МГУ, 1992. - 288 с.
Загальская Ю.Г,.Литвинская Г.П. Геометрическая микрокристаллография. М.: Изд-во МГУ, 1976. - 236 с.
Загальская Ю.Г., Литвинская Г.П., Егоров-Тисменко Ю.К. Геометрическая
кристаллография. - М.: Изд-во МГУ, 1986. - 216 с.
Зуев В.В. Конституция и свойства минералов. - Л.: Наука, 1990. - 279 с.
Мейер К. Физико-химическая кристаллография. - М.: Металлургия, 1972. - 480 с.
Нардов В.В. Практическое руководство по геометрической кристаллографии. - Л.:
Изд-во ЛГУ, 1974. - 142 с.
Пенкаля Т. С. Очерки кристаллохимии. - Л.: Химия,1974. - 496 с.
Поваренных А.С. Кристаллохимическая классификация минеральных видов.
Киев: Наукова думка, 1969. - 548 с.
Попов Г.М.,Шафрановский И.И. Кристаллография. - М.: Высшая школа, 1972.
- 254 с.
Сабо Н. Неорганическая кристаллохимия. Будапешт: Изд-во АН Венгрии, 1969.
- 503 с.
Урусов В.С. Теоретическая кристаллохимия. – М.: Изд-во Московского ун-та,
1987. - 324 c.
Файф У. Введение в геохимию твердого тела. - М.: Мир, 1967. - 230с.
8. Материально-техническое обеспечение дисциплины
Обучение по дисциплине «Кристаллохимия» осуществляется на базе:
- лекционной аудитории № 154 (1-го учебного корпуса ТГУ), оснащенной
оснащенной ПК и мультимедиа-проектором;
- для самостоятельной работы используются информационные возможности
библиотеки Томского государственного университета, а также сети Интернет.
11