Bobkova_E.S._Organizaciya_samostoyatelnoy_raboty_studentov_po_discipline_Plazmohimiya

11

Задание 3. Работа с текстом учебной, дополнительной и справочной литературы

Чтобы успешно работать с учебной и научно-технической литературой, необходимо владеть определенными учебными умениями и навыками, к ним относятся:

умение накапливать информацию;

умение творчески ее перерабатывать;

умение выдавать новую информацию;

умение находить на все это время.

Цели чтения:

информационно-поисковая - найти нужную информацию в массиве данных научно-технической литературы в области плазмохимии

усваивающая - понять научную информацию и логику рассуждения

аналитико-критическая - осмыслить текст статей, определить к нему свое отношение

творческая - на основе осмысления информации дополнить и развить ее.

Рекомендации

1.Во время ознакомительного чтения сортируйте информацию на существенную, особо значимую, и второстепенную; на теоретическую и практическую; Полноценно извлекайте информацию, содержащуюся в научном тексте.

2.Ведите собственный словарь терминов в области плазмохимии, эпизодически просматривайте эти записи. Освоение понятий улучшит восприятие и понимание научного текста, охватывающие вопросы химии плазмы.

3.Проведите мыслительную обработку полученной информации: выделяйте исходную информацию и новую; сортируйте смысловые части по их значимости, группируйте по определенным признакам, выделяйте зависимости; соотносите извлеченную информацию с имеющимися знаниями; свертывайте информацию путем обобщения.

Отберите нужный материал, собранный при работе с источником.

Срок выполнения:

-подготовить к следующему семинару

Основные требования к результатам работы:

-повторение пройденного материала

Критерии оценки:

-уровень освоения студентом справочного и дополнительного материала

Форма контроля:

-фронтальный опрос на семинаре Ориентировочное время на подготовку - 10 ч

12

Задание 4. Подготовка к семинару

Семинар - вид групповых занятий по какой-либо научной, учебной и другой проблематике, активное обсуждение участниками заранее подготовленных сообщений, докладов и т.п.

С тематикой семинаров студенты знакомятся заранее, поэтому они могут подготовить ряд вопросов для выступления на семинарах. Для приобретения широкого видения проблемы студент старается осмыслить ее в общем объеме; познакомиться с темой по базовому учебному пособию “Плазмохимия. Часть I” или другой основной рекомендуемой литературой; выявить основные идеи, раскрывающие данную проблему; сверить их определения со справочниками, энциклопедией; подготовить план-проспект раскрытия данной проблемы; выявить неясные вопросы и подобрать дополнительную литературу для их освещения; составить тезисы выступления на отдельных листах для последующего внесения дополнений и подготовить доклад или реферат для сообщения на семинаре; проанализировать собранный материал для дополнительной информации по темам семинара; готовясь к выступлению на семинаре, по возможности проконсультироваться с преподавателем; относиться к собранному материалу, как к источнику будущих исследований.

Цели работы:

повторение теоретических знаний, усвоенных в рамках аудиторной работы;

расширение и углубление знаний по теме занятия.

формирование умений делать обоснованные выводы, владеть технологией рассуждений и аргументации своей позиции по конкретному вопросу

формирование умений пользоваться полученными знаниями в профессиональной деятельности

Срок выполнения: к семинарскому занятию

Рекомендации по организации самостоятельной работы студента:

1.Ознакомиться с методическим обеспечением изучаемой дисциплины и планом семинара.

2.Руководствоваться рекомендованной учебной литературой, которая имеется в фондах библиотеки.

3.Использовать возможности сайта библиотеки и другие информационные ресурсы Интернета 4.Прочитать соответствующую теме главу монографии или учебника.

5.Разобраться в основных понятиях и терминах данной темы, используя для этого словари, учебники и учебные пособия 6.Весь собранный материал следует систематизировать, выявить ключевые

вопросы изучаемой тематики и осуществить сравнительный анализ мнений различных авторов по существу этих вопросов 7.Подготовить ответы на каждый вопрос плана

Форма контроля:

Семинар

13

Отчет:

Работа на семинаре Критерии оценки работы по подготовке к семинару

1.Наличие конспекта, материал которого соответствует теме работы

2.Наличие заготовки отчета к работе

Заготовка отчета имеется в наличии, но с недочетами, не полными таблицами и т.п. (3 балла)

Конспект имеется в наличии, но содержит не полный материал теме работы (4 балла)

Имеется заготовка отчета к работе. Содержание конспекта полностью соответствует теме работы. Участие в обсуждении (5 баллов)

Максимальное количество баллов: 5.

Оценка выставляется по количеству набранных баллов. Ориентировочное время на подготовку к семинарам – 10 ч

14

Задание 5. Выполнение обязательного домашнего задания

Цель задания:

-формирование умений использовать учебную и научную литературу; -развитие познавательных способностей, самостоятельности, ответственности; -умение подготовиться к рубежному контролю

Прежде всего, приступая к выполнению домашнего задания по дисциплине “Плазмохимия”, необходимо внимательно и несколько раз прочитать условие и попытаться найти общие закономерности в научной литературе или похожие задания. В результате, у студента выстроится точная логическая цепочка из взаимосвязанных аналогий, то есть появиться структурированность, определенный каркас, который поможет найти общее с поставленной задачей. В итоге, получив подобную структуру, необходимо перенести ее на свое задание и выполнить его.

Выполнение домашнего задания можно условно разбить на четыре этапа и в соответствии с данными этапами установить критерии оценки: 1.Ознакомиться с условием задания (анализ условия и его наглядная интерпретация схемой, уравнениями возможных реакций) - 1 балл 2.Составить план выполнения задания (конспект теории, составление уравнений реакций) - 1 балла 3.Выполнение задания - 3 баллов

4.Проверка правильности (анализ полученного результата и числовой расчет) - 1 балл.

Максимальное количество баллов: 5.

Оценка выставляется по количеству набранных баллов.

Срок выполнения:

-к следующему занятию

Форма контроля:

Проверка наличия выполненного задания у каждого студента, собеседование

Отчет:

Оформить подготовленный материал в письменной форме на листах

Ориентировочное время на подготовку – 10 ч

15

Перечень внеаудиторных самостоятельных работ и рекомендуемые объемы времени по дисциплине “Плазмохимия”

Тема 1. Введение в плазмохимию.

Подготовка к семинарам, подготовка сообщений. Примерные темы сообщений:

1.Плазма – четвертое состояние вещества

2.Низкотемпературная плазма.

3.Стационарная, квазистационарная и нестационарная плазма.

4.Неравновесная, квазиравновесная и равновесная плазма.

5.Идеальная и неидеальная плазма.

6.Расчет степени ионизации плазмы.

7.Предмет, задачи и объект плазмохимии.

8.История исследования разрядов.

9.Краткая история развития плазмохимии.

Итого: 12 часов.

Тема 2.Неравновесная газоразрядная плазма.

Подготовка к семинарам, подготовка сообщений, выполнение домашнего задания №1.

Примерные темы сообщений:

1.Описание неравновесной системы.

2.Кинетика неравновесных процессов.

3.Уравнение Больцмана для электронов в неравновесной плазме.

4.Столкновения частиц.

5.Сечение столкновения.

6.Неравновесная химическая кинетика. Константа скорости реакции.

7.ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ЧАСТИЦ. АКТИВНЫЕ ЧАСТИЦЫ. СТОЛКНОВЕНИЕ ЧАСТИЦ. СЕЧЕНИЕ СТОЛКНОВЕНИЙ.

8.РАСЧЕТ КОЭФФИЦИЕНТА СКОРОСТИ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ.

Домашняя работа № 1.

Электронная конфигурация атома, молекулы. Электронные термы основных и возбужденных состояний атомов и молекул.

Определить квантовые числа и составить электронную конфигурацию основного и возбужденного состояний атомов и молекул, выданных преподавателем.

Теория.

Символ терма включает информацию о таких квантовых числах как: полный спиновый угловой момент (полное спиновое квантовое число) (S), полный орбитальный угловой момент атома (полное орбитальное квантовое

16

число) (L), полный момент количества движения атома (J). Векторам , , соответствуют квантовые числа J, L, S.

= ∑		, = ∑

Символ терма записывают как:

где величина 2S+1 указывает спиновую мультиплетность состояния, L - квантовое число орбитального момента, которое записывается при помощи обозначений буквами (S, P, D...), J - квантовое число полного углового момента, который вызван взаимодействием спинового и углового орбитальных моментов. Для атомов, которые имеют несколько электронов числа L и S являются приближенными, причем, чем больше атомный номер элемента, тем хуже приближение. Эти квантовые числа не являются измеряемыми напрямую. Единственной наблюдаемой величиной является полный угловой момент J. Если электронная конфигурация атома задана, то символ терма, который индивидуализирован, соответствует состоянию с определенной энергией.

Значения J определяют, разделяя два вида схемы связи. В том случае, если взаимодействием спинового и орбитального моментов можно пренебречь в сравнении с отталкиванием электронов (например, у атомов легких элементов) (L−S взаимодействие), то:

1) находят полный орбитальный момент, используя формулу ( =	∑ ) и
орбитальные моменты отдельных электронов;

2)вычисляют полные значения = ∑ по одноэлектронным спиновым моментам;

3)затем полное значение J находят как сумму = + .

Относительная устойчивость термов. Правило Гунда.

Данное правило позволяет определять относительную устойчивость разных термов, которые возникают при заданной электронной конфигурации. В соответствии с этим правилом самым устойчивым состоянием, которое может возникнуть из заданной конфигурации является то, которое имеет максимальную спиновую мультиплетность.

Правило для орбитального момента (L) и полного углового момента (J) Данные правила выполняются только для основного состояния атомов. При заданной величине S основное состояние всегда характеризуется максимальным значением L. Значение квантового числа J для основного состояния зависит от заселенности незамкнутой оболочки. Если имеется только одна незамкнутая оболочка, и она заполнена менее чем на половину, самому низшему энергетическому состоянию соответствует минимальное значение J. В том случае, если исследуемая оболочка заполнена более чем на половину, о низшее по энергии состояние характеризуется максимальным значением J. Если оболочка имеет заполнение ровно 1/2, то L=0. В таком случае, если L=0, S=Smax, то J имеет единственно возможное значение. Правило, которое определяет значение J, выполняется не всегда, если незамкнутых оболочек больше, чем одна.

Энергии основных термов.

Для конкретной конфигурации электронов можно иногда можно построить ряд атомных термов, которые имеют разную энергию. Терм может

17

расщепляться на мультиплет, образовывая тонкую структуру. Часто требуется выделить основной терм и основное состояние. Для основного состояния атомов существуют эмпирические правила, которые называют правилами Хунда:

Если задана электронная конфигурация, то минимальную энергию имеет терм, полный спин (S) которого является самым большим (мультиплетность максимальна).

Если имеется несколько термов с одинаковой мультиплетностью, то самым низким является тот терм, у которого самое большое значение полного орбитального момента (L).

Правила Хунда объясняют тем, что при максимальных величинах S и L электроны (в среднем) располагаются дальше друг от друга. Значит, энергия отталкивания минимизируется.

Так, рассмотрим электронную конфигурацию d2. Можно определить каким является основной терм для такой конфигурации не находя полный набор термов. Для того, чтобы выполнялось первое правило Хунда и S было равно максимальному значению, то есть единице необходимо, чтобы имеющиеся два электрона в приведенной конфигурации имели одинаковую проекцию спинов (либо либо +1/2, либо -1/2 ). При этом состояния электронов должны быть таковы, что полный орбитальный момент был максимальным. Так как значение L=4 было бы не совместно с требованием S=1 (электроны были бы спаренными), значит L=3. Получаем, что основным будет терм 3F.

Для выявления основного состояния в терме применяют правило Ланде (иногда оно включено в правила Хунда): если подоболочка атома заселена меньше, чем на 1/2, то минимальной энергией обладает нормальный мультиплет (состояние, которое имеет минимальное значение J); ели подоболочка заполнена более, чем на 50%, то минимальную энергию имеет состояние с максимальным J (обращенный мультиплет).

Примеры:

Задание: Определите основной терм атома азота.

Решение: Атом азота имеет электронную конфигурацию: 1s22s22p3. Пусть спины всех внешних электронов (их количество равно трем) направлены в одну сторону. Следовательно, получим: Smax=3/2, что означает, что у нас имеется квартетный терм. Составим таблицу из квантовых чисел:

n	l	m	ms
2	1	1	1/2
2	1	0	1/2
2	1	-1	1/2

Для того, чтобы все спины имели одинаковые направления необходимо использовать все величины магнитного квантового числа (m). Получим, что:

Lmax=0.

Ответ: Можно сделать вывод о том, что основным термом является терм 4S, а основное состояние - 4S3/2.

Задание: Каким будет основной терм атома кислорода?

Решение: Атом кислорода имеет электронную конфигурацию: 1s22s22p4.

			18
	Составим таблицу из квантовых чисел:
n		l		m	ms
2		1		1	1/2
2		1		0	1/2
2		1		-1	1/2
2		1		1	-1/2

Для атома кислорода нельзя направить все спины в одну сторону. В результате видно, что получаем два некомпенсированных спина. Значит, основной терм будет триплетом. Помимо этого результирующий орбитальный момент равен: L=1. В качестве основного терма имеем: 3P. Применим правило Ланде, учтем, что p - подоболочка заселена более чем на 1/2, получим основное состояние: 3P2.

Ответ: Основной терм кислорода - 3P, основное состояние - 3P2.

Задания для самостоятельного решения:

Определите основной терм атома

1 вариант	Na	5 вариант	S	9 вариант	Si
2 вариант	Mg	6 вариант	Cl	10 вариант	Fe
3 вариант	Al	7 вариант	Ca	11 вариант	Cu
4 вариант	C	8 вариант	F	12 вариант	Mn

Итого: 18 часов

Тема 3. Особенности механизмов плазмохимических реакций. Роль зараженных и возбужденных частиц.

Подготовка к семинарам, подготовка сообщений, выполнение домашнего задания №2, подготовка к контрольной работе №1.

Примерные темы сообщений:

1.Сечения соударений электронов с атомами и молекулами.

2.Упругие соударения. Неупругие соударения.

3.Возбуждение колебательных уровней молекул.

4.Возбуждение электронных уровней молекул и атомов электронным ударом.

5.Возбуждение электронных уровней атомов и молекул при столкновениях тяжелых частиц.

6.Реактор разряда постоянного тока над поверхностью раствора.

7.Реактор разряда постоянного тока или импульсной стримерной положительной короны.

8.Реактор положительной короны над поверхностью раствора.

9.Реактор диэлектрического барьерного разряда.

10.Реактор скользящей дуги.

Домашнее задание № 2.

Пример.

Описать механизм образования и разрушения озона в атмосфере, под действием УФ-излучения.

19

Решение:

возбужденных состояний:

O2 (X 3 g-) + h O2 (Х 3 u+), Eп = 4,9 эВ; O2 (X 3 g-) + h O2 (Х 3 u-), Eп = 6,1 эВ.

Возбуждение этих состояний из-за смещения минимума потенциальной энергии относительно минимума потенциальной кривой основного состояния приводит к диссоциации молекулы О2 на атомы:

O2 (3 u-) О (3Р) + О (1D),

O2 (3 u+) 2 О (3Р).

Взаимодействие атомов О с молекулой кислорода приводит к образованию озона в трехчастичном процессе:

O2 + O (3P) + M O3 + M,

где в качестве третьей частицы могут быть молекулы N2, O2, CH4 и Ar.

Реакция атомов О (1D) c молекулой озона приводит к разрушению последней:

O3 + О (1D) 2 O2**,

с образованием колебательно-возбужденной молекулы кислорода (O2**). Взаимодействие колебательно-возбужденной молекулы О2 с озоном также ведет к его гибели:

O3 + O2** О (1D) + 2 O2.

Таким образом, возникает энергетическая цепь с участием метастабильных атомов и колебательно-возбужденных молекул кислорода (на 1 поглощенный квант света может разрушиться до 6 молекул О3).

Естественный процесс разрушения озона в атмосфере:

O3 + h O + O2**, O3 + О (1D) 2 O2**, O3 + O2** О (1D) + 2 O2

называется кислородным циклом или циклом Чемпена. Это достаточно медленный процесс. Однако он может каталитически ускоряться в присутствии соединений хлора, азота и водорода (соответственно хлорный, азотный и водородный циклы).

Задания для самостоятельного выполнения:

Записать возможные реакции, механизмы и продукты плазмохимических реакций.

Вариант 1.

Разложение алканов в плазме воздуха Вариант 2

Разложение альдегидов в воде под действием разряда

20

Вариант 3 Разложение карбоновых кислот под действием разряда Вариант 4

Механизм трансформации метана в плазме воздуха Вариант 5 Механизм трансформации фенола под действием разряда Вариант 6

Разложение СПАВ в водных растворах (лаурилсульфат натрия) Вариант 7 Разложение СПАВ в водных растворах (сульфонол)

Вариант 8 Механизм образования перекиси водорода в воде в разряде постоянного тока

Контрольная работа №1. Основные понятия плазмохимии.

В контрольной работе 4 вопроса, 5 вариантов. Перечень вопросов:

1)Каким набором параметров можно отличить плазму от ионизированного раза?

2)Что такое низкотемпературная плазма?

3)Какая плазма называется стационарной, квазистационарной и нестационарной?

4)Каково условие квазинейтральности плазмы?

5)Суть эффекта разделения зарядов.

6)Чем кроме начальных условий определяется равновесный состав плазмы?

7)При каких давлениях реализуется квазиравновесная плазма?

8)Какая плазма называется идеальной?

9)Чем может быть обусловлена неидеальность плазмы?

10)При какой концентрации электронов плазма становится неидеальной?

11)Что такое степень ионизации плазмы?

12)С какой степенью ионизации реализуется плазма в большинстве плазмохимических устройств?

13)Какая плазма называется слабоионизованной?

14)Дать определение ленгмюровской частоты.

15)Что определяет величина дебаевского радиуса?

16)Какой процесс, определяющий существование плазмы, является первичным?

17)Как происходит гибель заряженных частиц в объеме плазмы?

18)Что является основной характеристикой группы частиц при кинетическом описании процессов столкновения в газе (плазме)?

19)Дать определение функции распределения частиц по скорости (энергии).

20)Какие два основных типа взаимодействия частиц присущи низкотемпературной плазме?

Пример. Вариант №1

1) Каким набором параметров можно отличить плазму от ионизированного раза?