From Cosmochemistry to Novel Inorganic Materials

Wiedza z chemii ogólnej, fizyki i matematyki.

a. 25h - wykład, tj. 25h kontaktowych;

b. 35h – laboratorium, tj. 35h kontaktowych;

c. 15h – ćwiczenia, tj. 15h kontaktowych;

d. 35h - praca indywidualna,

e. 40h - czas wymagany do przygotowania w procesie oceniania.

całkowity czas nakładu pracy studenta to 150 h (6 ECTS).

W1: Opisuje podstawowe zjawiska fizyczne i chemiczne zachodzące w czasie życia gwiazd – K_W01;

W2: Charakteryzuje właściwości pierwiastków oraz wybranych związków nieorganicznych stosowanych w dzisiejszym świecie (nawozy sztuczne, detergenty) – K_W09;

W3: Zna podstawowe pojęcia w dziedzinie chemii polimerów nieorganicznych i w zakresie wybranych zagadnień chemii ciała stałego (np. defekty sieci krystalicznej) – K_W10.

U1: Potrafi posługiwać się nazewnictwem chemicznym oraz pojęciami z zakresu kosmochemii i chemii nowoczesnych materiałów – K_U01;

U2: Potrafi korelować właściwości pierwiastków i ich związków chemicznych z położeniem w układzie okresowym i powiązać właściwości chemiczne substancji z ich współczesnymi zastosowaniami – K_U02;

U3: Umie znajdować relacje pomiędzy zachowaniem się materiałów podczas formowania i użytkowania a właściwościami fizykochemicznymi, budową i rodzajem struktury – K_U13.

K1: Samodzielnie i efektywnie pracuje z dużą ilością informacji, dostrzega zależności pomiędzy zjawiskami i poprawnie wyciąga wnioski posługując się zasadami logiki (myślenie analit.) – K_K01;

K2: Jest nastawiony na nieustanne zdobywanie nowej wiedzy, umiejętności i doświadczeń; widzi potrzebę ciągłego doskonalenia się i podnoszenia kompetencji zawodowych; zna ograniczenia własnej wiedzy i rozumie potrzebę dalszego kształcenia (dążenie do rozwoju) – K_K05;

K3: Zna i przestrzega zasady i normy obowiązujące chemika, w tym normy etyczne; rozumie społeczną rolę zawodu; rozumie i docenia znaczenie uczciwości intelektualnej, dbałości o zdrowie i środowisko naturalne w działaniach własnych i innych osób (profesjonalizm i etyka) – K_K08.

Wykład i ćwiczenia:

Wykład połączony z dyskusją i elementami ćwiczeń audytoryjnych, praca samodzielna (prace domowe i ich dyskusja).

Laboratorium:

Wykonywanie zaplanowanych ćwiczeń laboratoryjnych, dyskusja z parami podczas wykonywania danego zadania, praca samodzielna.

- pokaz

- wykład informacyjny (konwencjonalny)
- wykład konwersatoryjny
- wykład problemowy

- ćwiczeniowa
- doświadczeń
- klasyczna metoda problemowa
- laboratoryjna
- referatu
- seminaryjna
- studium przypadku

- metody ewaluacyjne
- metody służące prezentacji treści
- metody wymiany i dyskusji

Przedmiotem kursu są: kosmochemia, zagadnienia z zakresu „zielonej chemii”, związki nieorganicznych we współczesnych materiałach i nanomateriałach oraz ważniejsze związki nieorganiczne spotykane w gospodarstwie domowym i rolnictwie. Celem przedmiotu jest ukazanie praktycznych aspektów chemii nieorganicznej na tle niezbędnych podstaw teoretycznych. Zajęcia laboratoryjne umożliwiają studentowi zapoznanie się z techniką syntezy, separacji i analizy związków nieorganicznych o znaczeniu praktycznym. Zajęcia z tematyki chemii kosmosu prowadzone są w Obserwatorium Astronomicznym w Piwnicach.

Tematyka wykładów podzielona została na kilka głównych tematów:

1. Chemia w kosmosie

W ramach tego tematu omawiany jest współczesny stan wiedzy na temat początków Wszechświata i powstania pierwszych cząstek elementarnych oraz jąder atomowych (teoria Wielkiego Wybuchu). Następnie omawiane są pierwsze etapy rozwoju Wszechświata (inflacja, tzw. ciemne wieki) oraz „narodziny” pierwszych gwiazd. Kolejne godziny wykładu prezentują reakcje zachodzące w gwiazdach („spalanie” wodoru (również cykl CNO), helu, itd.), opisując kolejno powstawanie coraz cięższych pierwiastków oraz wyjaśniając anomalie związane z ich rozpowszechnieniem we Wszechświecie (niewielka ilość Li, Be, B, stosunkowo dużo Fe, liczniejsze jądra parzyste, etc.). Przy okazji omawiane są podstawowe zagadnienia z kosmochemii i budowy atomów (budowa znanej nam materii, stabilność jąder, sposoby jej osiągnięcia). Wykład prezentuje również procesy zachodzące w supernowych i innych miejscach Wszechświata, umożliwiające powstanie cięższych jąder atomowych. Ostatnia część poświęcona kosmochemii omawia drogi ewolucji gwiazd, w tym Słońca.

2. Defekty sieciowe

Ta część wykładu prezentuje rodzaje defektów sieci krystalicznych (punktowe, liniowe, płaszczyznowe, i inne) oraz wyjaśnia, dlaczego one w ogóle występują, wskazując na skutki, które defekty te wywołują. W tym kontekście jest mowa o zjawisku półprzewodnictwa, związkach niestechiometrycznych, związkach międzywęzłowych i ich właściwościach, stalach węglowych oraz mechanizmach utleniania powierzchni metali, w tym powszechnej korozji.

3. Nanomateriały i nanotechnologie

W czasie wykładu definiowane są pojęcia „nanomateriał” i „nanotechnologia”. Omówione zostają sposoby wytwarzania nanomateriałów oraz metody służące do ich charakterystyki. Wykład prezentuje również wybrane przykłady nanomateriałów bionieorganicznych (bionanokompozyty, połączenia nanomateriałów z DNA (biomimetyka)).

4. Nawozy sztuczne

Ta część wykładu prezentuje podstawowe składniki odżywcze roślin i mikroorganizmów. Po wprowadzeniu w temat omówione zostają sposoby dostarczania roślinom azotu, potasu, fosforu i siarki. Poruszone zostają zagadnienia z zakresu technologii chemicznej, po czym zaprezentowane zostają zagadnienia związane z trudnościami w wiązaniu azotu, sposoby pozyskiwania soli potasowych i rozdzielania ich od soli sodowych. Na koniec omawiany jest proces produkcji superfosfatów i sposób obliczania ilości azotu, fosforu i potasu na podstawie oznaczeń ogólnie stosowanych na dostępnych w handlu nawozach sztucznych (NPK).

5. Kataliza homogeniczna i heterogeniczna

Ostatnia część wykładu prezentuje podstawowe informacje na temat katalizy chemicznej, zwracając uwagę na najważniejsze pojęcia, takie jak energetyka procesu, cykl katalityczny, wydajność katalizatora i jego czas życia oraz selektywność katalizatora. W dalszej części wykładu omówione zostają cechy charakterystyczne dla katalizatorów homogenicznych i heterogenicznych, po czym następuje prezentacja wybranych reakcji katalitycznych. Spośród procesów homogenicznych mowa jest o uwodornianiu, hydroformylowaniu, karbonylowaniu, procesie Wackera, metatezie, sprzęganiu i utlenianiu asymetrycznych, przy czym uwaga skupiona jest przede wszystkim na stosowanych w tych reakcjach katalizatorach nieorganicznych. Po omówieniu wspomnianych przykładów wykład skupia się na katalizatorach heterogenicznych, zarówno jednorodnych (np. zeolity), jak i wielofazowych (zwłaszcza na bazie krzemionki i tlenku glinu). Omówione zostają ważne pojęcia związane z tego rodzaju katalizatorami (pole powierzchni, porowatość, kwasowość powierzchni, centra zasadowości, powierzchniowe centra metaliczne, chemisorpcja i desorpcja, migracja powierzchniowa). W dalszej części następuje prezentacja przykładowych reakcji z udziałem tych katalizatorów, m.in. proces uwodornienia, synteza amoniaku, utlenianie ditlenku siarki, przemiany związków organicznych na zeolitach, synteza Fischer’a-Tropsch’a czy polimeryzacja alkenów. Na koniec następuje prezentacja nowych kierunków rozwoju katalizy heterogenicznej (kataliza hybrydowa, katalizatory „na uwięzi”, układy dwufazowe).

Laboratorium

Tematyka ćwiczeń:

1. Reakcja zegarowa z udziałem jonu bromianowego(V)

i jonów manganu(III). Powstawanie [Mn(H2P2O7)3]3–;

2. Termochromizm i solwatochromizm związków koordynacyjnych;

3. Korozja stali i ochrona przed korozją

poprzez pokrywanie metali warstwami ochronnymi;

4. Wodne roztwory ditlenu;

5. Twardość wody;

6. Syntaza i badanie właściwości wybranych barwników nieorganicznych;

7. Wyjazd do Piwnic.

Ćwiczenia

Dyskusja wybranych tematów omawianych na wykładzie.

Metodyka i instrumentarium badań kosmochemicznych (zajęcia w Obserwatorium Astronomicznym w Piwnicach).

1. N.N. Greenwood, A. Earnshaw, Chemistry of the Elements,

2nd Ed., Elsevier Butterworth-Heinemann 2006;

2. P. Atkins, T. Overton, et al., Shriver&Atkins Inorganic Chemistry, 5th Ed. Oxford University Press 2010;

3. C.E. Housecroft, A.G. Sharpe, Inorganic Chemistry, 2nd Ed., Person Education Limited 2005;

4. T.W. Swaddle, Inorganic Chemistry, Academic Press 1997.

5. Artykuły z Journal of Chemical Education, Coordination Chemistry Reviews, etc.

Egzamin pisemny (60%), laboratorium (25%), ćwiczenia audytoryjne (15%).

Sposób weryfikacji efektów uczenia się:

Egzamin: W3

Kolokwium: W1, W2, U1, U2, U3

Raport laboratoryjny: K1, K2, K3

-