Экзамен по кристаллохимии

1. Предмет и задачи кристаллохимии.

Кристаллохимия —
наука о кристаллических структурах и
их связи с природой вещества. Кристаллохимия
изучает пространственное расположение
и химическую связь атомов в кристаллах,
а также зависимость физических и
химических свойств кристаллических
веществ от их строения. Будучи разделом
химии, кристаллохимия тесно связана с
кристаллографией.
Источником экспериментальных данных
о кристаллических структурах являются
главным образом рентгеноструктурный
анализ, структурная
электронография
и нейтронография,
с помощью которых определяют абсолютные
величины межатомных расстояний и углы
между линиями химических связей
(валентные углы). Кристаллохимия
располагает обширным материалом о
кристаллических структурах десятков
тысяч химических веществ, включая такие
сложные объекты, как белки
и вирусы.
Подсостоянию на 1 января 2009 года
установлена кристаллическая структура
примерно 425 тысяч соединений, из них
около 200 тысяч (42 %) составляют
органические
соединения (остальные —
неорганические).

Основные
задачи кристаллохимии: систематика
кристаллических структур и описание
наблюдающихся в них типов химической
связи; интерпретация кристаллических
структур (выяснение причин, определяющих
строение того или иного кристаллического
вещества) и их предсказание; изучение
связи физических и химических свойств
кристаллов с их структурой и характером
химической связи.

Кристаллохимия
появилась вместе с рентгеновским
методом определения
структур кристаллов. Идея метода была
предложена Лауэ,
в честь которого дифракционная картина
пучка с непрерывным спектром называется
лауэграммой.
Первые расшифровки структур были сделаны
отцом и сыном Брэггами.
В дальнейшем они сделали выдающийся
вклад в развитие науки о кристаллических
структурах, за что удостоились Нобелевской
премии. Как самостоятельная
наука кристаллохимия оформилась в 20-х
годах 20-го века.

Большой
вклад в науку о кристаллических структурах
внёс Полинг,
советские ученые Белов,
Урусов,
Стручков
и многие другие.

3.Сущность
РСА. Характеристика используемого
рентгеновского излучения.

Рентгеноструктурный
анализ это метод исследования строения
тел, использующий явление дифракции
рентгеновских лучей, метод исследования
структуры вещества по распределению в
пространстве и интенсивностям рассеянного
на анализируемом объекте рентгеновского
излучения. Дифракционная картина зависит
от длины волны используемых рентгеновских
лучей и строения объекта. Для исследования
атомной структуры применяют излучение
с длиной волны 1Å,
т.е. порядка размеров атома.

Методами
рентгеноструктурного анализа изучают
металлы, сплавы, минералы, неорганические
и органические соединения, полимеры,
аморфные материалы, жидкости и газы,
молекулы белков, нуклеиновых кислот и
т.д. Рентгеноструктурный анализ является
основным методом определения структуры
кристаллов. При исследовании кристаллов
он даёт наибольшую информацию. Это
обусловлено тем, что кристаллы обладают
строгой периодичностью строения и
представляют собой созданною самой
природой дифракционную решётку для
рентгеновских лучей. Однако он доставляет
ценные сведения и при исследовании тел
с менее упорядоченной структурой, таких,
как жидкости, аморфные тела, жидкие
кристаллы, полимеры и другие. На основе
многочисленных уже расшифрованных
атомных структур может быть решена и
обратная задача: по рентгенограмме
поликристаллического вещества, например
легированной стали, сплава, руды, лунного
грунта, может быть установлен
кристаллический состав этого вещества,
то есть выполнен фазовый анализ.

В
ходе рентгеноструктурного анализа
исследуемый образец помещают на пути
рентгеновских лучей и регистрируют
дифракционную картину, возникающую в
результате взаимодействия лучей с
веществом. На следующем этапе исследования
анализируют дифракционную картину и
расчётным путём устанавливают взаимное
расположение частиц в пространстве,
вызвавшее появление данной картины.

Рентгеноструктурный
анализ кристаллических веществ
распадается на два этапа.

1. Определение
   размеров элементарной ячейки кристалла,
   числа частиц (атомов, молекул) в
   элементарной ячейке и симметрии
   расположения частиц (так называемой
   пространственной группы). Эти данные
   получают путём анализа геометрии
   расположения дифракционных максимумов.

2. Расчёт
   электронной плотности внутри элементарной
   ячейки и определение координат атомов,
   которые отождествляются с положением
   максимумов электронной плотности. Эти
   данные получают анализом интенсивности
   дифракционных максимумов.

Рентге́новское
излуче́ние
— электромагнитные
волны,
энергия фотонов
которых лежит на шкале
электромагнитных волн
между ультрафиолетовым
излучением и гамма-излучением,
что соответствует длинам волн от 10⁻²
до 10³Å
(от 10⁻¹²
до 10⁻⁷м).^[1]

Энергетические
диапазоны рентгеновского излучения и
гамма-излучения перекрываются в широкой
области энергий. Оба типа излучения
являются электромагнитным
излучением
и при одинаковой энергии фотонов —
эквивалентны. Терминологическое различие
лежит в способе возникновения —
рентгеновские лучи испускаются при
участии электронов
(либо в атомах,
либо свободных) в то время как
гамма-излучение испускается в процессах
девозбужденияатомных
ядер.
Фотоны рентгеновского излучения имеют
энергию от 100 эВ
до 250 кэВ,
что соответствует излучению с частотой
от 3×10¹⁶ Гц
до 6×10¹⁹
Гц и длиной
волны
0,005 — 10 нм(общепризнанного
определения нижней границы диапазона
рентгеновских лучей в шкале длин волн
не существует).

Схематическое
изображение рентгеновской трубки. X —
рентгеновские лучи, K — катод,
А — анод
(иногда называемый антикатодом), С —
теплоотвод, U_h
— напряжение
накала катода, U_a
— ускоряющее напряжение, W_in
— впуск водяного охлаждения, W_out
— выпуск водяного охлаждения.

Рентгеновские
лучи возникают при сильном ускорении
заряженных частиц (тормозное
излучение), либо при высокоэнергетических
переходах в электронных
оболочках атомов или молекул.
Оба эффекта используются в рентгеновских
трубках. Основными конструктивными
элементами таких трубок являются
металлические катод
и анод
(ранее называвшийся также антикатодом).
В рентгеновских трубках электроны,
испущенные катодом,
ускоряются под действием разности
электрических потенциалов между анодом
и катодом (при этом рентгеновские лучи
не испускаются, так как ускорение слишком
мало) и ударяются об анод, где происходит
их резкое торможение. При этом за счёт
тормозного
излучения происходит генерация
излучения рентгеновского диапазона, и
одновременно выбиваются электроны из
внутренних электронных
оболочек атомов анода. Пустые места
в оболочках занимаются другими электронами
атома. При этом испускается рентгеновское
излучение с характерным для материала
анода спектром энергий (характеристическое
излучение, частоты определяются
законом
Мозли:

где
Z
— атомный
номер элемента анода, A
и B
— константы для определённого значения
главного квантового числа n
электронной оболочки). В настоящее время
аноды изготавливаются главным образом
из керамики,
причём та их часть, куда ударяют электроны,
— из молибдена
или меди.

В
процессе ускорения-торможения лишь
около 1%
кинетической энергии электрона идёт
на рентгеновское излучение, 99% энергии
превращается в тепло.

Ускорители
частиц

Рентгеновское
излучение можно получать также и на
ускорителях
заряженных частиц. Так называемое
синхротронное
излучение возникает при отклонении
пучка частиц в магнитном
поле, в результате чего они испытывают
ускорение в направлении, перпендикулярном
их движению. Синхротронное
излучение имеет сплошной спектр
с верхней границей. Присоответствующим
образом выбранных параметрах (величина
магнитного поля и энергия частиц) в
спектре синхротронного излучения можно
получить и рентгеновские лучи.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

Предложите, как улучшить StudyLib

(Для жалоб на нарушения авторских прав, используйте

другую форму
)

Проверка знаний студентов и прием экзаменов по методу профессора Зоркого.

Легендарная история о нетривиальных методах проверки полноты знаний студентов и приема экзамена, разработанных профессором Химфака Зорким.

Профессор Зоркий – еще одна легендарная личность Московского Государственного Университета имени М.В. Ломоносова.

Это всемирно известный ученый, работает на Химфаке МГУ, преподает студентам курсы кристаллохимии и истории химии. Любимец студентов. Как и многие другие великие ученые, профессор Зоркий — человек немного со странностями. Скажем так: подобно философам древности, сам он лично словно посвящен в глубинные тайны симметрии и асимметрии Бытия, и пытается жить в нашем мире с глубочайшей ответственностью за вопрос об однозначности либо неоднозначности вопроса о симметричности всего, короче говоря, совершает непонятные для других «асимметричные» поступки.

Про Зоркого ходят самые невероятные легенды.

Эту историю я лично слышал как совершенно реальную. Не знаю, верить или нет, за что купил, за то и продаю.

Итак, экзамен по кристаллохимии в одной из лекционных аудиторий Химфака (Если верить легенде, то это была Южная Химическая Аудитория).

Аудитория набита до отказа, студенты нервничают, заначены шпаргалки, кто-то прячет учебник в штанах, у девушек в юбках ляжки и другие интимные места исписаны мудреными формулами, кто-то молится, в общем, все как обычно…

В самом низу аудитори, если так можно выразиться, то бишь за экзаменационным столом, у всех на виду, сидит профессор Зоркий, перед ним экзаменационные билеты разложены по столу. Зоркий охватывает взглядом аудиторию и прищуривается…

«Что-то у нас сегодня многовато народу,» — говорит он, — «Ну, на лекции все ходили, хоть что-нибудь, да каждый знает! Какие-то базовые основы моего курса, в общем-то, каждый студент усвоил. Я уверен, что, раз на лекции Вы ходили, то хоть на тройку да каждый, куда ни ткни, знает. В общем, если кто-то из Вас согласен на тройку, то подходите ко мне с зачеткой. Тройку я любому желающему поставлю. Если же Вы оцениваете свои знания выше, чем на тройку, то с Вами мы займемся экзаменом попозже, а пока я разберусь с троечникми!»

Тут студенты зашевелились, по аудитории пошел шепоток. Как-то это было странно и непривычно. Обычно все-таки, тройку вот так вот на халяву не ставят. Наверное, надо поскорее воспользоваться халявой? Но, все-таки тройка – это балл невысокий, может, не спешить?!? Это с одной стороны! А с другой стороны, если сейчас на тройку не согласишься, а пойдешь сразу сдавать экзамен, то можно ведь и двойку получить! — правильно? С третьей стороны, раз уж он так всем тройки ставит ни за что, то, если хоть че-то знаешь, скорее всего поставит четверку или пятерку? А может, и не поставит, это ведь он так думает, что все знают как минимум на тройку, так как считает, что все были на лекциях прослушали курс, как положено по расписанию, а на самом деле многие халявили либо спали на лекциях….

В общем, выбор нелегкий. Примерно половина аудитории встает и выстраивается с зачетками в очередь к экзаменатору. Зоркий усиленно пишет в зачетках, ставит тройки всем желающим, наконец, его рука устает. Тем не менее, он через силу уже ставит им тройки и расписывается в их зачетках.

Наконец, все желающие троек их получили.

Аудитория очистилась наполовину,

Остальные немного заскучали и ждут продолжения экзамена. Готовятся морально к сдаче экзамена.

Зоркий, немного отдохнувший, объявляет:

«Я понимаю, что мое предыдущее предложение насчет тройки не всем подошло. Надеюсь, что все достойные тройки уже тройку и получили. А теперь, скажем честно, остались только сильные студенты, которые претендуют либо на четверку либо нак пятерку. Так вот, те, кто считают себя достойными четверки, пусть подойдут ко мне с зачеткой. Четверку я им поставлю. А с теми, кто претендует на пятерку, мы займемся экзаменом немного попозже….»

Опять-таки, начинается шевеление, студенты примеряются, не все верят, что предложение насчет четверки – это не шутка, кто-то считает, что достоин пятерки, но ведь если сдавать экзамен, то можно и завалить? В общем, непростой выбор.

Итак, минут через пятнадцать-двадцать Зоркий поставил четверки всем желающим, и аудитория очислись еще на половину (наполовину от оставшейся половину). Осталась примерно четверть курса.

«Итак, — спрашивает Зоркий, — больше никто не желает получит четверку? Правильно ли я понимаю, что все оставшиеся претендуют на пятерку? Четверку точно никто не хочет?»

Увидев, что четверку больше никто не хочет, профессор Зоркий произносит:

Тогда подходите ко мне с зачетками, всем оставшимся я ставлю «пятерку»!

Примечание: Существует вариант этой легенды, что Зоркий сначала раздал всем билеты, студенты час готовились по билетам, а уже потом он стал предлагать тройку-четверку-пятерку. Этот вариант более красивый, так как студенты понимали уже, на что они примерно ответят, то есть оценка знаний была довольно объективный. В это, однако, верится с трудом, число билетов все-таки ограничено, меньше, чем число студентов на курсе Химфака.