Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Геологический факультет

Направление 020700 ГЕОЛОГИЯ

Профиль ГЕОХИМИЯ

ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ

«Физическая и теоретическая кристаллохимия»

Рекомендуется для направления подготовки

020700 «Геология»

профиля Геохимия, магистерская программа Кристаллография) Квалификация (степень) выпускника - магистр Автор:

Академик В.С. Урусов профессор Н.Н.Еремин Москва 2011 1. Цели и задачи дисциплины Целями дисциплины Физическая и теоретическая кристаллохимия являются:

- получение современных знаний об атомарном строении кристаллов, являющегося фундаментом для всестороннего изучения минералов, горных пород и руд, для понимания процессов минералообразования, для направленного синтеза кристаллов с заранее заданными свойствами;

- получение современных представлений о правилах организации кристаллического вещества;

- изучение взаимосвязи кристаллической структуры с физико-химическими свойствами кристаллов.

Задачами дисциплины Физическая и теоретическая кристаллохимия являются:

- изучение принципов современных методов моделирования и предсказания кристаллических структур и их физических свойств на основе знаний, полученных в курсах, кристаллография, кристаллохимия, петрология и геохимия;

- обучение студентов приемам грамотной кристаллохимической интерпретации минералообразующих и геохимических процессов;

2. Место дисциплины в структуре ООП Дисциплина Физическая и теоретическая кристаллохимия находится в блоке профильной подготовки вариативной части ООП (В.Г). Её освоение базируется на курсах Курс базируется на дисциплинах блока профильной подготовки вариативной части (В.Г) бакалавриата «Кристаллография» «Минералогия», «Петрология», «Основы физической геохимии». Курс является логическим продолжением курса «Кристаллохимия», ориентированным на подготовленных студентов, освоивших в полном объеме программу бакалавриата. Курс Физическая и теоретическая кристаллохимия предоставляет возможность профессионального овладения прогрессивными методами исследования, комплексной обработки и интерпретации экспериментального и теоретического материала в области кристаллохимии, рентгеноструктурного анализа, физики и химии твердого тела, квантовой химии.

3. Требования к результатам освоения дисциплины Процесс изучения учебной дисциплины направлен на формирование элементов следующих компетенций:

универсальных, в том числе:

а) общекультурных (социально-личностных):

– способность осознавать свою роль и предназначение в разнообразных профессиональных и жизненных ситуациях; умение использовать нормативные правовые документы в своей деятельности (ОК-1);

– умение переоценивать накопленный опыт, анализировать собственные достижения и перспективы самосовершенствования (ОК-2);

б) общенаучных:

– обладание знаниями о предмете и объектах изучения, методах исследования, современных концепциях, достижениях и ограничениях естественных наук: физики, химии, биологии, наук о земле и человеке, экологии (ОНК-1);

– способность к поиску, критическому анализу, обобщению и систематизации научной информации, к постановке целей исследования (ОНК-2);

– владение методологией научных исследований в профессиональной области (ОНК-5);

в) инструментальных:

– владение терминологией специальности на иностранном языке (ИК-2);

– владение навыками использования программных средств и работы в компьютерных сетях, использования ресурсов Интернет; (ИК-3);

– способность использовать профессиональные базы данных, работать с распределенными базами знаний (ИК-4);

– способность использовать современную вычислительную технику и специализированное программное обеспечение в научно-исследовательской работе (ИКг) системных:

– способность к творчеству, порождению инновационных идей, выдвижению самостоятельных гипотез (СК-1);

– способность к поиску, критическому анализу, обобщению и систематизации научной информации, к постановке целей исследования и выбору оптимальных путей и методов их достижения (СК-2);

– способность к самостоятельному обучению и разработке новых методов исследования, к изменению научного и научно-производственного профиля деятельности;

к инновационной научно-образовательной деятельности (СК-3);

– профессиональных, в том числе:

общепрофессиональных, обязательными для всех профилей подготовки (в соответствии с видами деятельности):

научно-исследовательская деятельность:

– способность самостоятельно осуществлять сбор геологической информации, использовать в научно-исследовательской деятельности навыки полевых и лабораторных исследований (ПК-1);

– способность самостоятельно ставить конкретные задачи научных исследований и решать их с использованием новейшего отечественного и зарубежного опыта (ПК-3);

– готовность в составе научно-исследовательского коллектива участвовать в составлении отчетов, рефератов, библиографий и обзоров по тематике научных исследований, в подготовке докладов и публикаций (ПК-4);

организационно-управленческая деятельность:

– готовность участвовать в организации научных и научно-практических семинаров и конференций (ПК-14);

проектная деятельность:

– способность пользоваться нормативными документами, определяющими качество проведения полевых, лабораторных, вычислительных и интерпретационных геофизических, и эколого-геологических работ (ПК-15);

научно-педагогическая деятельность:

– способность участвовать в руководстве работой школьников в области геологии (ПКпрофильно-специализированных:

– способность использовать профильно-специализированные знания в области геологии, геохимии, петрологии и минералогии для решения научных и практических задач (ПК-21);

– способность использовать профильно-специализированные знания фундаментальных разделов физической химии для освоения теоретических основ геологии, геохимии, петрологии и минералогии (ПК-22);

– способность использовать профильно-специализированные информационные технологии для решения геохимических и петрологических задач (ПК-23).

В результате освоения дисциплины обучающийся должен:

Знать: физико-химические основы кристаллохимии на современном уровне, основные законы, определяющие кристаллическую структуру минералов, взаимосвязь кристаллической структуры и физических свойств кристаллов.

Уметь: пользоваться современными базами кристаллохимических данных, давать полное описание кристаллической структуры по ее модели, чертежу либо словесному описанию, высказывать предположения о физических свойствах кристаллического соединения по его структуре.

Владеть: структурной систематикой неорганических кристаллов, методическими структур, как в стандартном, так и в анионо-центрированном представлении.

4. Структура и содержание дисциплины Физическая и теоретическая кристаллохимия Общая трудоемкость дисциплины составляет 5 зачетные единицы или 180 часа, в том числе 52 часа лекций и 128 часов внеаудиторных самостоятельных занятий студентов.

твердом веществе. Связь кристаллохимии с родственными науками. Центральная проблема кристаллохимии – предсказание структуры кристалла для заданного химического состава.

Иерархия методов предсказания и уточнения пробной структуры.

Причины ограниченности числа неорганических соединений и особенно минеральных видов.

Неравномерность распределения минералов и неорганических соединений по классам симметрии и пространственным группам.

Принцип минимальной диссимметризации.

использование полиэдров Полинга-Белова и Вороного-Дирехле, параллелоэдры и сфеноиды Федорова.

Пустоты в плотнейших упаковках и мотивы их заселения. Основные структурные типы на основе координационных полиэдров катионов.

Анионоцентрированные полиэдры и соответствующие структурные типы. Связь между координационными числами катионов и анионов в нормально-валентных структурах.

Вторичные структурные единицы и структуры каркасных силикатов, в частности, цеолитов.

Конструирование островных кремнекислородных радикалов из SiO4-тетраэдров. Принципы топологического конструирования слоистых силикатов из тетраэдрических и октаэдрических сеток.

3. Структурный тип кристаллов и родственные 9 9- 8 60 Собеседование на понятия и концепции кристаллохимии. Изотипизм 12 каждом занятии.

и изоструктурность. Структурный класс.

Изотипизм и пространственные группы симметрии. Структурные деформации и псевдосимметрия. Принцип толерантности и структурные дескрипторы.

Предаставления о структурной гомологии кристаллов. Производные и вырожденные структуры. Упорядочение атомов и сверхструктуры. Основные структурные прототипы (NaCl-MgO-PbS, сфалерит, флюорит и др.) и их гомологические ряды. Понятие о полисоматических сериях минералов и неорганических веществ.

Радиусы ионов и атомов. Принципы их вывода и соотношения между ними. Зависимость величин радиусов от валентности, координационных чисел и спинового состояния переходных элементов.

Современные представления о переменных радиусов ионов.

Структурные сортировочные диаграммы.

Принципы их построения и возможности практического использования.

5. Правила строения ионных кристаллов. Критерий 10 1-4 8 20 Собеседование на Понятия о втором, третьем и четвертом правилах Полинга. Современное понимание общего значения пятого правила Полинга (правила экономичности).

Правила строения ковалентных и существенно ковалентных кристаллов. Правило октета.

Понятие электронных концентраций.

Направленные связи и гибридизация. Правила Грима-Зоммерфельда, правила Пирсона, Партэ и др. для кристаллов с неполновалентными элементами (неподеленными парами электронов).

6. Современное состояние второго правила Полинга. 10 5-9 8 20 Собеседование на кристаллохимического анализа. Качество баланса.

Минералогически вероятные структуры.

Метод валентности связи. Правило сумм валентности связей, контуры связей. Решение систем линейных уравнений для отыскания значений валентности связей. Программа BONDVAL и тестовые задачи.

«Закон» частности координационных чисел (КЧ).

Простые и составные КЧ и соответствующие координационные полиэдры. Автодуальное многообразие Платоновых тел. Автодуальные многообразия F=V (число граней равно числу вершин).

Теоремы дисторсии координационных полиэдров.

Геометрический и аналитический выводы теоремы дисторсии. Экспериментальная проверка теорем дисторсии.

7. Конструирование вероятных кристаллических 10 10- 12 28 Собеседование на модификаций кремнезема. Конструирование вероятных кристаллических структур из октаэдров Mn+O6 : случаи M2+O, M23+O3, M4+O2, M6+O3.

Конструирование вероятных кристаллических структур из полиэдрических кластеров (тетраэдры и октаэдры). Применение правил минимальной дисторсии при сравнении топологических моделей структур. Теорема Шубникова и правила заселения точечных конфигураций.

Шубниковские кристаллохимические формулы.

Методы уточнения топологических моделей.

Методы DLS, VLS, DVLS. Связь свойств кристаллов с характеристиками химических связей. Основы уточнения кристаллических структур и свойств кристаллов методами минимизации энергии межатомного взаимодействия.

Промежуточная аттестация (по итогам 2 семестров) 10 Экзамен 5. Рекомендуемые образовательные технологии При освоении дисциплины Физическая и теоретическая кристаллохимия активно используется образовательная технология педагогических мастерских - преподаватель создаёт атмосферу открытости, доброжелательности, сотворчества в общении, равен ученику в поиске знания, не торопится давать ответы на поставленные вопросы. В курсе предусматривается широкое использование активных и интерактивных форм проведения занятий. По результатам внеаудиторной работы (работа с литературными источниками, ресурсами Интернет, базами данных, моделями кристаллических структур) студенты готовят решение индивидуальных задач по основным разделам дисциплины. Предусмотрены индивидуальные рефераты, наиболее удачные из которых используются в качестве справочного материала на официальной странице курса.

При чтении лекций используются интерактивные лекции-визуализации с выделением в визуальной форме основных понятий теоретической и физической кристаллохимии.

6. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины.

Предусмотрено 2 коллоквиума по завершенным темам:

Коллоквиум №1 –по теме: «Конструирование топологических моделей кристаллов» В суммарную оценку за коллоквиум также входит написание персонального реферата.

Коллоквиум №2 – по теме «Метод валентности связи и Теоремы дисторсии координационных полиэдров» В суммарную оценку входит написание персонального реферата; также оцениваются персональные навыки работы в программе BONDVAL.

Зачет - после 9-го семестра.

Экзамен - после 10-го семестра.

Контрольные вопросы для промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины (при проведении экзамена):

1. Принципы выделения кристаллохимии как науки об атомном строении кристаллов из наук о твердом веществе.

2. Связь кристаллохимии с родственными науками.

3. Центральная проблема кристаллохимии – предсказание структуры кристалла для заданного химического состава.

4. Иерархия методов предсказания и уточнения пробной структуры.

5. Причины ограниченности числа неорганических соединений и особенно минеральных видов. Неравномерность распределения минералов и неорганических соединений по классам симметрии и пространственным группам.

6. Принцип минимальной диссимметризации.

7. Конструирование топологических моделей кристаллов. Принципы плотнейшей упаковки, табулирование структурных типов неорганических веществ и их производных, использование полиэдров Полинга-Белова и Вороного-Дирехле, параллелоэдры и сфеноиды Федорова.

8. Пустоты в плотнейших упаковках и мотивы их заселения. Основные структурные типы на основе координационных полиэдров катионов.

9. Анионоцентрированные полиэдры и соответствующие структурные типы.

10. Связь между координационными числами катионов и анионов в нормально-валентных структурах.

11. Вторичные структурные единицы и структуры каркасных силикатов, в частности, цеолитов.

12. Конструирование островных кремнекислородных радикалов из SiO4-тетраэдров.

13. Принципы топологического конструирования слоистых силикатов из тетраэдрических и октаэдрических сеток.

14. Структурный тип кристаллов и родственные понятия и концепции кристаллохимии.

Изотипизм и изоструктурность. Структурный класс.

15. Изотипизм и пространственные группы симметрии.

16. Структурные деформации и псевдосимметрия.

17. Принцип толерантности и структурные дескрипторы.

18. Предаставления о структурной гомологии кристаллов.

19. Производные и вырожденные структуры.

20. Упорядочение атомов и сверхструктуры.

21. Основные структурные прототипы (NaCl-MgO-PbS, сфалерит, флюорит и др.) и их гомологические ряды.

22. Понятие о полисоматических сериях минералов и неорганических веществ 23. Радиусы ионов и атомов. Принципы их вывода и соотношения между ними.

Зависимость величин радиусов от валентности, координационных чисел и спинового состояния переходных элементов.

24. Современные представления о переменных радиусов ионов.

25. Структурные сортировочные диаграммы. Принципы их построения и возможности практического использования.

26. Правила строения ионных кристаллов. Критерий Магнуса-Гольдшмидта и его ограничения.

27. Понятия о втором, третьем и четвертом правилах Полинга. Современное понимание общего значения пятого правила Полинга (правила экономичности).

28. Правила строения ковалентных и существенно ковалентных кристаллов. Правило октета. Понятие электронных концентраций. Направленные связи и гибридизация.

29. Правила Грима-Зоммерфельда, правила Пирсона, Партэ и др. для кристаллов с неполновалентными элементами (неподеленными парами электронов).

30. Современное состояние второго правила Полинга. Локальный баланс валентностей в варианте Полинга и его современная форма.

31. Современное состояние второго правила Полинга. Значение отклонений от локального баланса для кристаллохимического анализа. Качество баланса. Минералогически вероятные структуры.

32. Метод валентности связи. Правило сумм валентности связей, контуры связей. Решение систем линейных уравнений для отыскания значений валентности связей.

33. Программа BONDVAL и тестовые задачи.

34. «Закон» частности координационных чисел (КЧ). Простые и составные КЧ и соответствующие координационные полиэдры.

35. Автодуальное многообразие Платоновых тел. Автодуальные многообразия F=V (число граней равно числу вершин).

36. Теоремы дисторсии координационных полиэдров. Геометрический и аналитический выводы теоремы дисторсии. Экспериментальная проверка теорем дисторсии.

37. Конструирование вероятных кристаллических структур из тетраэдров Tn+O4 на примере модификаций кремнезема.

38. Конструирование вероятных кристаллических структур из октаэдров Mn+O6 : случаи M2+O, M23+O3, M4+O2, M6+O3.

39. Конструирование вероятных кристаллических структур из полиэдрических кластеров (тетраэдры и октаэдры).

40. Применение правил минимальной дисторсии при сравнении топологических моделей структур.

41. Теорема Шубникова и правила заселения точечных конфигураций. Шубниковские кристаллохимические формулы.

42. Методы уточнения топологических моделей. Методы DLS, VLS, DVLS.

43. Связь свойств кристаллов с характеристиками химических связей.

44. Основы уточнения кристаллических структур и свойств кристаллов методами минимизации энергии межатомного взаимодействия.

7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины а) основная литература:

1) Урусов В.С. Теоретическая кристаллохимия. М., МГУ, 2) Урусов В.С., Еремин Н.Н. «Кристаллохимия. Краткий курс» М., Изд-во МГУ, 2010, стр.

3) Бокий Г.Б. Кристаллохимия. М., Наука, 1973.

б) дополнительная литература:

1) Белов Н.В. Очерки по структурной минералогии. М., Недра, 1976.

2) Ворошилов Ю.В. Павлишин В.И. «Основы кристаллографии и кристаллохимии.

Рентгенография кристаллов» Киев, КНТ, 2011. 568 стр.

3) Урусов В.С. Еремин Н.Н. Атомистическое моделирование кристаллических структур минералов их дефектов и твердых растворов. М, ГЕОС, 2011.

4) Урусов В.С., Дубровинский Л.С. Конструирование вероятных кристаллических структур минералов. МГУ, 1990 г.

в) программное обеспечение и Интернет-ресурсы:

http://cryst.geol.msu.ru/courses/theorcrchem/ - официальная страница курса;

http://database.iem.ac.ru/mincryst/ - база данных кристаллических структур МИНКРИСТ;

http://www.shapesoftware.com/ - программное обеспечение для визуализации кристаллов и кристаллических структур;

http://rruff.geo.arizona.edu/AMS/amcsd.php - база данных кристаллических структур American Mineralogist.

8. Материально-техническое обеспечение дисциплины Для проведения занятий: интерактивных лекций-визуализаций, презентаций рефератов на семинарах – используется LCD проектор.

Для самостоятельной работы студентов используется компьютерный класс с выходом в Интернет, коллекция кристаллических структур кафедры кристаллографии и кристаллохимии, доступная через учебный кабинет кафедры, доступ с базам данным по кристаллохимии и структурным данным, программное обеспечение для решения задач кристаллохимических задач, библиотека геологического факультета МГУ.

Для интерактивной самоподготовки используется компьютер с выходом в Интернет 9. Краткое содержание дисциплины (аннотация) Принципы выделения кристаллохимии как науки об атомном строении кристаллов из наук о твердом веществе. Связь кристаллохимии с родственными науками. Центральная проблема кристаллохимии – предсказание структуры кристалла для заданного химического состава. Иерархия методов предсказания и уточнения пробной структуры.