1. Введение. Основные цели и задачи физической химии твердого тела.

Физическая химия твердого тела – это наука, о синтезе, структуре, свойствах и применении твердых тел.

Химия твердого тела неразрывно связанных с современной технологией, которая охватывает разнообразные проблемы от синтеза, идентификации и структурных аспектов до свойств и применения твердофазных материалов.

Твердое тело – это агрегатное состояние вещества отличающееся стабильностью формы и характером теплового движения атомов. Атомы совершают малые колебания вокруг положения равновесия.

Разнообразие и сложность образуемых структурных типов являются центральным вопросом химии твердого тела. Это подразумевает не только описание и классификацию кристаллических структур на основе знания пространственных групп, но и изучение факторов, ответственных за возникновение той или иной структуры.

Структура и свойства молекулярных соединений, напротив, определяются структурой и свойствами индивидуальных молекул, а то, что многие из этих соединений твердые при комнатной температуре, можно рассматривать не как главный, а как сопутствующий факт при их изучении. Итак, объектами химии твердого тела являются преимущественно немолекулярные соединения.

При изучении твердых тел следует обратить внимание на такой дополнительный важный структурный аспект, как дефектообразование. Дефекты того или иного вида присущи без исключения твердым телам и часто оказывают огромное влияние на многие свойства материалов, как например на электрическую проводимость, механическую прочность и реакционную способность. С дефектообразованием теснейшим образом связанно существование твердых растворов, характеризующихся переменным составом твердой фазы (иногда в значительном интервале) при сохранении типа кристаллической решетки. Меняя состав в пределах твердого раствора, удается модифицировать и в практических целях многие свойства материалов.

Выбор способа получения того или иного твердого вещества в сильнейшей степени влияет на его свойства. Препаративные методы, используемые в химии твердого тела весьма разнообразны. Они включают в себя реакции в твердом состоянии, транспортные реакции, реакции осаждения и электрохимические методы.

Применяя различные методы, одни и те же вещества можно получить в различных формах – в виде монокристаллов, порошков, поликристаллических компактных образцов и.т.д.

Методы изучения твердого тела – экспериментальные и теоретические.

Методы анализа и изучения твердых тел, а также методики физических экспериментов, применяемых для этих целей, как правило отличаются от традиционных, используемых в “нетвердотельной” химии. При этом главенствующая роль отводится дифракционным методам (в первую очередь – рентгеновской дифракции) и электронной микроскопии, тогда как спектроскопические методы имеют намного более скромное значение. Сказанное не следует понимать как утверждение, что спектроскопические методы в химии твердого тела вообще не применяются. Напротив, эти методы могут быть чрезвычайно полезны при решении некоторых специальных задач, хотя они и не обладают достаточной эффективностью при идентификации твердофазных соединений или установления их структуры.

Принципиально в химии твердого тела можно выделить две основные задачи, решаемые при помощи рентгеновской дифракции. Во-первых – это установление структур кристаллических соединений; практически все известные структуры обязаны своей расшифровкой методу рентгеновской дифракции на монокристаллах. Исключение составляют лишь структуры установленные методами электронной и нейтронной дифракции, а также структуры установленные рентгеновским методом, но на порошковых образцах. Во-вторых, так как каждое порошкообразное кристаллическое вещество дает характерную для него картину рентгеновских отражений (рентгенограмму), то ее используют подобно отпечатку пальцев при идентификации фаз. Однако возможности рентгенографии не сводятся только к рентгенофазовому анализу. С помощью этого метода можно изучать полиморфизм, образование твердых растворов, проводить точное определение параметров элементарных ячеек, определять размер частиц и изучать фазовые диаграммы. Метод рентгеновской дифракции необычен в том отношении, что этот метод фазового анализа, тогда как другие аналитические методы, включая различные виды спектроскопии – это методы элементного анализа.

Сведения об условиях, необходимых для получения того или иного химического соединения, его термодинамической устойчивости и способности к химическим взаимодействиям с другими веществами отражены в фазовых диаграммах соответствующих систем. Поэтому необходимо, исследователю, работающему в области химии твердого тела, достаточно четко понимать язык фазовых диаграмм.

Необходимым атрибутом в изучении химии твердого тела является правильное представление о взаимодействиях, и прочности связи в твердых телах. Однако количественные расчеты, например, затруднены тем, что в большинстве неорганических соединений химическую связь нельзя считать чисто ионной ил чисто ковалентной, а правильнее рассматривать как сочетание этих двух вкладов; в так называемых ионных соединениях связи обладают известной долей ковалентности, т.е. внешние электронные оболочки анионов поляризованы в сторону положительно заряженных катионов, а в ковалентных соединениях химические связи вследствие различия электроотрицательностей связываемых атомов оказываются полярными.

Выяснение взаимосвязи структуры и свойств твердофазных материалов – в этом состоит фундаментальная задача химии твердого тела, причем исследователь должен оперировать с широким набором свойств, а также учитывать возможные практические применения данного материала. При этом следует рассматривать как минимум три уровня структурной организации: а) структуру идеальных кристаллов, б) дефектную структуру реальных кристаллов, включая структуру поверхностных слоев и в) микроструктуру или текстуру, поликристаллических твердых тел. В некоторых случаях отдельные свойства полностью определяются лишь одним из структурных аспектов. Гораздо чаще, однако, свойства твердофазных материалов оказываются одновременно связанными с различными уровнями структуры. Изучение взаимосвязей между структурой и свойствами твердых тел –чрезвычайно плодотворное научное направление, обладающее огромными возможностями в разработке материалов с необычным сочетанием свойств.

Структура, объем и содержание разделов дисциплины.

Порядок изучения материала.

Связь с другими дисциплинами учебного плана и ее роль в подготовке кадровых специалистов по специальности 251000.

Формы контроля самостоятельной работы.