Строение вещества (Открытое образование)

Курс Строение вещества: от атомов и молекул до материалов и наночастиц
Санкт-Петербургский государственный университет

31 декабря 2019 — 29 февраля 2020

12 недель — длительность курса
от 4 до 5 часов в неделю понадобится для освоения
2 зачётных единицы

О курсе Строение вещества: от атомов и молекул до материалов и наночастиц

Курс «Строение вещества: от атомов и молекул до материалов и наночастиц» закладывает понимание фундаментальных основ строения атомов и молекул, химической связи, межмолекулярных взаимодействий. В курсе систематически раскрывается взаимосвязь между электронным строением атомов и молекул, Периодическим законом Д.И. Менделеева и свойствами веществ и материалов в различных агрегатных состояниях, рассматриваются современные достижения в создании различных функциональных материалов с заданными свойствами, основы цифровой экономики в области химических наук.

Курс сопровождается оригинальным демонстрационным экспериментом. Он предназначен бакалаврам естественно-научного профиля, учителям химии средней и высшей школы, будет полезен школьникам старших классов, и всем, интересующимся химией и желающим углубить свои знания о строении вещества и создании функциональных материалов. Курс не требует предварительной специальной подготовки, достаточно знаний по физике и химии, полученных в средней школе.

Требования

Для успешного освоения курса обучающиеся должны владеть основами химии и физики в объеме средней школы

Программа курса

Модуль 1.
Модели и модельные представления в химии. Развитие представлений о строении вещества от античности до начала 20 века. Химический элемент. Атомно-молекулярная теория. Эквивалент. Основные законы АМТ.

Модуль 2.
Строение атома. Опыты Крукса. Открытие электрона. Фотоэффект. Рентгеновское излучение. Радиоактивность. Изотопы. Закон Мозли. Опыты Резерфорда. Теория Бора. Квантовые числа.

Модуль 3.
Корпускулярно-волновой дуализм. Гипотеза Де-Бройля. Квантово-механическое описание атома. Радиальная и угловая часть волновой функции. Атомные орбитали. Основные характеристики атома.

Модуль 4.
Типы химической связи. Ионная связь. Энергия кристаллической решетки. Ковалентная связь. Метод молекулярных орбиталей для частицы H2+.

Модуль 5.
Метод валентных связей для молекулы водорода. Двухатомные гомо- и гетероядерные молекулы элементов второго периода (методы МО и ВС). Геометрия молекул. Теория ОЭПВО.

Модуль 6.
Гибридизация АО. Многоатомные молекулы в методе МО и ВС. Донорно-акцепторная связь. Электрондефицитные и электронизбыточные молекулы. Теория гипервалентных связей.

Модуль 7.
Комплексные соединения. Соединения со связью металл-металл. Кластеры. Металлическая связь. Зонная теория. Металлы, металлоиды, полупроводники, диэлектрики. Интерметаллиды. Свойства и применение металлов и сплавов.

Модуль 8.
Межмолекулярное взаимодействие. Ориентационное, индукционное, дисперсионное взаимодействие. Водородная связь. Диводородная связь. Структура жидкостей. Особые свойства воды. Металлофильные взаимодействия. Галогенная и пниктогенная связь. Агрегатные состояния вещества. Твердое тело, жидкость, газ, плазма. Плазмотрон.

Модуль 9.
Типы кристаллических решеток. Инженерия кристаллов. Стекла и ситаллы. Ионные жидкости и их применение.

Модуль 10.
Нестехиометрические соединения. Магнитные свойства твердых тел.

Модуль 11.
Инженерия материалов. Композитные материалы. Металл-органические каркасные соединения. Подходы цифровой экономики в области химических наук.

Модуль 12.
Наноструктуры и наноматериалы. Подготовка к финальному тестированию.

Результаты обучения по курсу Строение вещества

По завершении этого курса обучающиеся/слушатели будут…

Уметь:

предсказывать пространственную форму и характеристики молекул
предсказывать свойства вещества исходя из его состава и строения

Знать:

основные положения и законы атомно-молекулярной теории
базовые принципы теории строения атома
теоретические основы теории строения молекул
связь физических и химических свойств молекул с их строением в основном и возбужденным состояниях
теоретические основы межмолекулярных взаимодействий
магнитные свойства веществ и материалов
принципы создания материалов с заданными свойствами
основы цифровой экономики в области химических наук

Владеть:

описанием электронного строения атомов
описанием строения молекул и веществ
навыками описания свойств веществ на основе их элементного состава и электронного строения

Формируемые компетенции

ПКА-1 Знает основные этапы и закономерности развития химической науки, имеет представления о системе фундаментальных химических понятий и методологических аспектов химии, форм и методов научного познания;

ПКА-2 Понимает взаимосвязь естественных наук, способен осваивать междисциплинарные научные направления;

ПКА-3 Владеет теоретическими основами неорганической и координационной химии, методами синтеза, выделения и характеризации неорганических веществ и комплексных соединений. Знает основы радиохимии, проблемы ядерной энергетики и радиоэкологии, имеет практические навыки работы с радиоактивными изотопами

УКБ-1 Способен осуществлять систематизированные поиск, сбор, структурирование, критический анализ и синтез необходимой информации, применять системный подход для решения поставленных задач.

УКБ-7 Способен управлять своим временем, выстраивать и реализовывать траекторию саморазвития на основе принципов образования в течение всей жизни.

УКБ-10 Способен понимать сущность и значение информации в развитии общества, использовать основные методы получения и работы с информацией с учетом современных технологий цифровой экономики и информационной безопасности.

Направления подготовки

03.03.01 Прикладные математика и физика
03.03.02 Физика
03.03.03 Радиофизика
04.03.01 Химия
04.03.02 Химия, физика и механика материалов
05.03.01 Геология
05.03.02 География
05.03.03 Картография и геоинформатика
05.03.04 Гидрометеорология
05.03.05 Прикладная гидрометеорология
05.03.06 Экология и природопользование
06.03.01 Биология
06.03.02 Почвоведение
12.03.01 Приборостроение
12.03.02 Оптотехника
12.03.03 Фотоника и оптоинформатика
12.03.04 Биотехнические системы и технологии
12.03.05 Лазерная техника и лазерные технологии
13.03.01 Теплоэнергетика и теплотехника
13.03.02 Электроэнергетика и электротехника
13.03.03 Энергетическое машиностроение
14.03.01 Ядерная энергетика и теплофизика
14.03.02 Ядерные физика и технологии
18.03.01 Химическая технология
18.03.02 Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии
21.03.01 Нефтегазовое дело
21.03.02 Землеустройство и кадастры
28.03.01 Нанотехнологии и микросистемная техника
28.03.02 Наноинженерия
28.03.03 Наноматериалы
28.04.01 Нанотехнологии и микросистемная техника