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.
