Химия твердого тела и химическое материаловедение

 
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ 
 ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ  
ХИМИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ХИМИЯ ТВЕРДОГО ТЕЛА И ХИМИЧЕСКОЕ 
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ 
 
Учебно-методическое пособие по курсу «Химия твердого 
тела и химическое материаловедение»  
 
 
 
 
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
Томск2018 
 
 

РАССМОТРЕНЫ И УТВЕРЖДЕНЫ методической  
комиссией химического факультета 
Протокол № 44 от 16 октября 2017 года 
Председатель комиссии, доцент В.В. Хасанов  
 
 
 
 
 
Учебно-методическое пособие по курсу «Химия твердого тела и 
химическое материаловедение» предназначены для студентов IV курса 
химического факультета по направлению подготовки Химия  
 
 
СОСТАВИТЕЛИ: д-р. тех. наук., профессор  В.В. Козик; д-р. тех. 
наук., профессор Л.П. Борило; канд. хим. наук, доцент С.А. Кузнецова; 
канд. тех. наук, Е.С. Лютова  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
© Томский государственный университет, 2018 

1. Цели освоения дисциплины  
В 
связи 
с 
возрастающими 
потребностями 
современной 
промышленности в новых материалах, рациональных и экологически 
чистых 
технологиях 
их 
получения, 
возрастает 
необходимость 
подготовки специалистов в области химии твердого тела и 
химического материаловедения. Знание теоретических основ и 
физико-химических 
закономерностей 
химии 
твердого 
тела, 
современных методов исследования, аттестации и диагностики 
твердых веществ и материалов позволят специалисту осуществлять 
научно обоснованное прогнозирование и целенаправленный синтез 
материалов, использовать полученные знания в различных областях 
материаловедения. 

Целью курса является освоение специфики химии твердого 
вещества и основ химического материаловедения как раздела 
химической науки. Для реализации поставленной цели необходимо: 
 сформировать у студентов представления о развитии химии 
твердого тела и химического материаловедения; 
 расширить понимание химической связи в твердых веществах, 
фундаментальных законов и принципов химической и физической 
совместимости компонентов составляющих твердое тело, применить 
знания для целенаправленного синтеза веществ в твердом агрегатном 
состоянии; 
 проявлять способность оценивать  факторы, определяющие 
реакционную способность твердого вещества; 
 изучить 
основы 
химического 
материаловедения 
и 
методы 
получения неорганических материалов; 
 выявить целевые свойства неорганических материалов,  на которых 
базируется использование их в  практике. 
 

2. Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата 
Дисциплина 
«Химия 
твердого 
тела 
и 
химическое 
материаловедение» относится к учебному циклу «Профессиональные 
(специальные) дисциплины» по направлению подготовки – «Химия»  
Программа 
данной 
дисциплины 
является 
логическим 
продолжением изучения дисциплин «Неорганическая химии» и 
«Кристаллохимия». В курсе рассматриваются теоретические и 

прикладные аспекты химии твердого вещества в рамках химического 
материаловедения, которые являются основой изучения перехода от 
вещества к материалу.  
 
3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате 
освоения дисциплины: 
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:  
 знать основные понятия химии твердых веществ и основные теории 
описания твердофазного состояния вещества;  
 иметь представление о современном твердофазном состоянии 
вещества, проблемах и методах синтеза неорганических веществ и 
материалов на их основе;  
 владеть 
теоретическими 
основами 
и 
физико-химическими 
закономерностями синтеза твердофазных веществ и материалов, 
современными методами исследования, аттестации и диагностики 
веществ и материалов.  

4. Содержание дисциплины и структура учебных видов деятельности 
4. 1. Структура учебных видов деятельности 

Наименование разделов и тем 
Всего 
(час.) 

Контактная работа (час.) 

Самостоятельная 
работа (час.) 

Лекции 

Семинары 

Лабораторные 
занятия 

Консультации 

Коллоквиумы, 
контрольные 
работы, защита 
ИЗ 

Раздел I. Химия твердого тела 

Основные понятия и предмет изучения. Методология науки о 
твердофазном веществе. Природа твердофазного состояния 
вещества. 
Основные модели твердых веществ  

18 
2 
2 
8 
 

 
2 (ИЗ) 
4 

Кристаллохимические основы твердого вещества. 
Кристаллическое и некристаллическое состояние вещества. 
Энергия кристаллической решетки. Реальные кристаллы. 
Дефекты в твердом теле. Квазихимические реакции 

20 
2 
2 
8 
2 

 
2 (ИЗ) 
4 

Химическая и физическая совместимость твердых веществ. 
Факторы, определяющие реакционную способность твердых 
веществ. 
16 
2 
2 
6 
 
 
2 (ИЗ) 
4 

Наименование разделов и тем 
Всего 
(час.) 

Контактная работа (час.) 

Самостоятельная 
работа (час.) 

Лекции 

Семинары 

Лабораторные 
занятия 

Консультации 

Коллоквиумы, 
контрольные 
работы, защита 
ИЗ 

 Поверхность твердого тела и ее роль в оценке свойств 
твердых веществ 

Твердофазные реакции 
18 
 
2 
2 
6 
2 
 
2 (КЛК) 
4 

Раздел II. Химическое материаловедение 

Основы химического материаловедения 
6
2
 
 
 
4

Фундаментальные физико-химические принципы создания 
материалов 
6 
2 
2 
 
 
 
2 

Основные методы синтеза материалов 
12
2
2
6 
2 
 

Важнейшие современные материалы: целевые свойства и 
требования, потребности современных областей науки, 
техники и промышленности 
12 
2 
 
4 
 
 
2 
(Реферат) 
4 

 
  108
16
12
38 
6 
10
26

4.2 Содержание дисциплины 
Раздел «Химия твердого тела» 
1. Основные понятия и предмет химии твердого тела. 
Методология науки о твердофазном состоянии вещества. Природа 
твердофазного состояния вещества. Основные модели твердых 
веществ.  
Основные понятия и предмет химии твердых веществ. 
Специфика химии твердого состояния, как раздела химической науки. 
Методология науки о твердофазном веществе. История развития 
химии 
твердых 
веществ. 
Классификация 
твердых 
веществ. 
Химический и физический подход к описанию природы твердофазного 
состояния  вещества. Химическая связь в твердых телах. Электронная 
и остовная подсистемы твердого тела. Основные модели твердых 
веществ. 

2. 
Кристаллохимические 
основы 
твердого 
вещества. 

Кристаллическое и некристаллическое состояние вещества. 
Энергия 
кристаллической 
решетки. 
Реальные 
кристаллы. 

Дефекты в твердом теле. Квазихимические реакции.  

Строение твердых веществ. Кристаллохимические основы 

химии твердых веществ. Кристаллическое состояние вещества. 
Идеальный кристалл. Формы кристаллов. Ионные, металлические, 
ковалентные, молекулярные кристаллы. Свойства кристаллов. Расчет 
энергии кристаллической решетки. Поляризация.  

Реальные кристаллы. Дефекты в твердом теле. Символика 

дефектов, 
причины 
возникновения, 
типы 
дефектов. 
Точечные 

дефекты. 
Расчет 
равновесной 
концентрации 
дефектов 

(термодинамический и квазихимический подход). Квазихимические 
реакции. Влияние дефектов на свойства твердых веществ. Линейные 
дефекты. 
Химические 
соединения, 
твердые 
растворы, 

нестехиометрические соединения (соединения переменного состава), 
механические смеси.  

Некристаллические 
твердые 
вещества: 
аморфные, 

стеклообразные, полимеры, ситаллы. 

3. Факторы, определяющие реакционную способность 

твердых веществ. Поверхность твердого тела. 

Термодинамический и кинетический аспект существования 

стабильного и метастабильного состояния вещества. Реакционная 
способность твердых веществ. Факторы, определяющие реакционную 

способность твердых веществ. Дисперсные, тонкопленочные и 
макроскопические 
твердые 
тела. 
Поверхность 
твердого 
тела. 

Поверхностные явления и процессы. Влияние состояния поверхности 
на свойства веществ. Методы изучения свойств поверхности. 

4. Твердофазные реакции. 
Реакции твердых веществ, классификация и типы. Реакции, 

инициируемые тепловой энергией: термодинамическое описание, 
механизмы таких реакций. Фотохимические реакции, основные 
модели и механизмы. Реакции, инициируемые электрическим полем. 
Методы исследования твердофазных реакций.  
Раздел «Химическое материаловедение» 
1. Основы химического материаловедения.  
Классификационные признаки в химическом материаловедении. 
Физико-химические, 
функциональные, 
целевые 
свойства 
и 
характеристики материалов.  
2. 
Фундаментальные 
физико-химические 
принципы 
создания материалов. Роль фазового состава и фазовых равновесий в 
формировании материала. Физическая и химическая совместимость 
материалов. Физико-химические основы технологии материалов, 
системный анализ в химическом материаловедении. 
3. Основные методы синтеза материалов. 
Методология 
создания 
новых 
материалов 
с 
заданными 
свойствами: классический синтез, направленный  и целенаправленный 
синтез (ЦНС) веществ и материалов (алгоритм ЦНС). Вещество, как 
предшественник 
материала, 
взаимосвязь 
фундаментальных, 
функциональных и целевых свойств. Современные методы синтеза 
материалов: химическая сборка, матричный синтез, эпитаксия, 
общетехнологические методы, золь-гель синтез, микроволновой 
синтез, 
самораспространяющийся 
высокотемпературный 
синтез 
(СВС), 
плазмохимический, 
криохимический, 
механохимический, 
метод взрыва. Особенности синтеза монокристаллических, пленочных, 
порошкообразных материалов, стекла и керамики. 
4. Важнейшие современные материалы: целевые свойства и 
требования, потребности современных областей промышленности. 
Потребности современных областей промышленности. Целевые 
свойства и требования к материалам. Проводники, полупроводники, 
диэлектрики, 
сверхпроводники. 
Функционально-чувствительные 
материалы: 
электреты, 
сегнетоэлектрики, 
пьезоэлектрики,  

люминофоры, светочувствительные материалы, газочувствительные 
материалы, катализаторы, материалы для медицины. Композиционные 
и конструкционные материалы: стекло, ситаллы, керамика, тонкие 
пленки, 
дисперсные 
порошки, 
наноразмерные 
материалы. 
Современные методы исследования, аттестации и диагностики 
материалов.  
 
4.3. Перечень лабораторных работ 
1. 
Приготовление 
и 
изучение 
кинетики 
формирования 
пленкообразующего раствора. 
2. 
Спектрофотометрическое определение размера частиц в 
пленкообразующем растворе. 
3. 
Получение оксидных пленок золь-гель методом (spin-coating и 
dip-coating) на твердотельных подложках.  
4. 
Определение 
толщины, 
исследование 
оптических 
 
и 
электрофизических свойств оксидных пленок.  
 
4.4. Темы семинарских занятий 
1. Основные понятия и предмет химии твердого вещества. 
2. Реальные 
кристаллы. 
Дефекты 
в 
твердом 
теле. 
Квазихимические реакции. 
3. Твердофазное взаимодействие. 
4. Фундаментальные физико-химические принципы создания 
материалов. 
 
4.5. Перечень и содержание коллоквиума (КЛК) и 
индивидуальных заданий (ИЗ) 
 

№ 
Тема 
КЛК, ИЗ 
Содержание 

1 

Химия 
твердого 
вещества 
(КЛК) 

Основные свойства и структура ионных 
кристаллов: 
энергия 
кристаллической 
решетки, 
поляризуемость, 
кислотноосновные свойства и другие. Периодические 
закономерности 
в 
изменении 
свойств. 
Реальные кристаллы. Химический индивид. 
Дефекты в твердом теле 

2 
Твердофазны
е вещества  
(ИЗ № 1-3)  

Природа твердофазного состояния вещества, 
строение твердых веществ (ИЗ № 1) 
Кристаллическое 
и 
некристаллическое 
состояние вещества, реальные кристаллы 
(ИЗ № 2)  
Реакционная способность твердых веществ, 
поверхность твердого тела (ИЗ № 3) 

 
5. Образовательные технологии 
Наряду 
с 
классическими 
технологиями 
обучения 
(лекции, 
семинары, лабораторные работы и самостоятельная подготовка 
студентов) преподаватели практических занятий и лекторы применяют 
методы, включающие: 
 лекции 
с 
применением 
мультимедийных 
(презентации, 
интерактивная доска и 
демонстрация анимационных роликов, 
иллюстрирующих, например, механизмы образования химической 
связи) средств, облегчающих понимание темы. Лекции читаются с 
применением метода «Опережающее обучение» и игровых форм; 
 справочные данные и некоторые тестовые задания для лекционного 
материала, семинарских занятий, лабораторных работ доступны через 
сеть Интернет, режим доступа к которым сообщается преподавателем;  
 собеседование с преподавателем, реализуемое через семинары, 
позволяет, 
кроме 
функции 
контроля, 
развивать 
навыки 
профессиональной речи студента; 
 презентация реферата на заседании группы позволяет развивать 
ораторские способности и привычку к аудитории; студенты учатся 
критически оценивать работы друг друга, взаимно рецензировать их и 
высказывать замечания и соображения по сути предмета обсуждения; 
  защита реферата может быть в виде дискуссии, где у учащихся 
формируются составляющие коммуникативной компетенции; 
 самоконтроль, 
реализуемый 
посредством 
компьютерного 
тестирования, позволяет обучающимся самостоятельно оценивать 
собственный уровень знаний, наличие пробелов и вовремя их 
устранять, не дожидаясь контрольных процедур, осуществляемых по 
расписанию (контрольные работы и др.); 
 на семинарах и лабораторных занятиях применяется мозговой 
штурм, дискуссии, обучение в сотрудничестве, компьютерное 
моделирование и т.п. При этом у студента формируется умение