Кафедра неорганической химии и химической экологии

Дисциплина «Общая и неорганическая химия» входит в базовую часть (Б1.Б.10) образовательной программы бакалавриата по направлению 06.03.02 Почвоведение.

Дисциплина реализуется на факультете биологический кафедрой неорганической химии.

Неорганическая химия является общей дисциплиной для всех профилей подготовки по направлению 04.03.01 – «Химия». Преподавание курса неорганической химии имеет целью дать обучающемуся понимание внутренней логики химической науки, фактического материала по химии элементов и тенденциями изменения свойств простых веществ и соединений по группам и периодам Периодической системы. Основной задачей курса неорганической химии является освоение обучающимися основных закономерностей, определяющих свойства и превращения веществ, и на этой основе изучение химии элементов. Поэтому данный курс включает рассмотрение теоретических основ неорганической химии, в которых в первом приближении рассматриваются основные современные общехимические воззрения, теории и законы. Рассмотрение химии элементов ведется на основе Периодического закона. Это связано с тем, что Периодический закон представляет собой ту фундаментальную основу, только на базе которой возможна интерпретация сложных, многообразных закономерностей изменения свойств химических элементов и их соединений, что, в сущности, и составляет предмет современной неорганической химии.

Дисциплина «Основы бионеорганической химии» реализуется на химическом и биологическом факультетах кафедрой неорганической химии. Содержание дисциплины охватывает круг вопросов, связанных с формированием и развитием у студентов профессиональных и специальных компетенций, позволяющих им на базе освоенных теоретических и практических основ бионеорганической химии осуществлять профессиональную деятельность.

Бионеорганическая химия (или неорганическая биохимия) представляет собой новую область знания, основной проблемой которой является изучение взаимодействия биометаллов («металлов жизни») с биолигандами, изучение строения и свойств образовавшихся биокоординационных соединений, а также их биологических функций.

Бионеорганическая химия (подобно геохимии, биохимии, биофизике и др.) возникла на стыке неорганической, химии и биологии в последние 20 лет. Этому способствовала четкая формулировка ее основных задач - изучение на молекулярном уровне взаимодействий между металлами (в первую очередь биометаллами) и биолигандами: протеинами, нуклеиновыми кислотами, их фрагментами и некоторыми другими находящимися в организме веществами (в том числе витаминами, гормонами, метаболитами и антиметаболитами). Более 100000 процессов в организме человека представляют собой совокупность многих химических реакций, большинство из которых катализируется металлами, входящими в состав ферментов.

Процессы, регулируемые ионами металлов, отличаются исключительной сложностью. Ряд из них представляет  весьма жесткие требования к иону металлов и осуществляется под действием лишь строго определенных ионов. При этом металл должен быть в такой степени окисления, чтобы соответствовать определенным структурным и каталитическим требованиям. Для менее специфичных процессов возможна замена одного металла другим, однако, активность процесса при этом может снизиться.

Результаты исследований в области бионеорганической химии находят применение в практической деятельности человека. В настоящее время наметилось несколько областей использования теоретических достижений бионеорганической химии: в медицине, сельском хозяйстве и при исследовании биологических циклов токсических элементов при попадании их соединений в окружающую среду и при взаимодействии их там с различными организмами.

Дисциплина Самоорганизация в химических системах входит в вариативную часть образовательной программы направления 04.04.01 Химия, профиль Неорганическая химия, уровень магистратура.  

Содержание дисциплины охватывает круг вопросов, связанных с методами исследования динамических систем и диссипативных структур различной природы, установлением эволюционных критериев динамических систем, методами определения причин потери устойчивости физико-химическими системами; методами управления систем с хаотическим поведением.

Содержание дисциплины, структурированное по темам, разделам и модулям.

а) Лекционные занятия

Модуль 1

1. Введение.

Предмет синергетики. Понятие диссипативной структуры. Примеры возникновения пространственных, временных и пространственно-временных структур: реакция Белоусова-Жаботинского, переход ламинарного течения жидкости в турбулентное, эффект Бенара, изменение численности видов в биологическом сообществе "хищник-жертва" и др. Неравновесная термодинамика и нелинейная динамика – как разделы синергетики, позволяющие понять природу и направление эволюции неравновесных систем. Структура курса. Краткий исторический обзор.

2. Диссипативная функция многофазной гетерогенной среды.

Математическое описание процессов с фазовыми переходами и химическими реакциями, происходящими в полидисперсных гетерогенных средах: основные понятия и допущения, уравнения сохранения массы, импульса и энергии. Вывод выражения для изменения энтропии открытой многофазной системы; анализ структуры данного выражения. Производство энтропии системы; анализ производства энтропии; производство энтропии для стационарного состояния системы; производство энтропии для изолированной системы. Понятие термодинамической движущей силы и термодинамического потока. Примеры сил и потоков. Тензорная размерность сил и потоков. Структура движущей силы массоотдачи; объяснение возникновения осцилляций при кристаллизации веществ с высокими тепловыми эффектами.

Модуль 2

3. Термодинамика линейных необратимых систем.

Соотношения взаимности Онзагера. Принцип Кюри. Принцип симметрии феноменологических коэффициентов. Эффект термодиффузии и диффузионный термоэффект. Теорема Пригожина о минимуме производства энтропии как критерий эволюции линейных систем. Доказательство теоремы Пригожина. Применение теоремы Пригожина для решения задач химической технологии: определение порозности слоя в кристаллизаторе со взвешенным слоем; определение диаметра включения, устойчивого к дроблению.

4. Термодинамика нелинейных необратимых систем.

Метод функций Ляпунова. Вторая вариация энтропии системы как термодинамическая функция Ляпунова для систем вдали от равновесия. Производная второй вариации энтропии. Избыточное производство энтропии. Методика выявления причин потери устойчивости в системах. Устойчивость химических проточных реакторов. Методика вывода выражения для производной второй вариации энтропии; анализ данного выражения для реакций различного типа: прямой необратимой реакции, автокаталитической реакции, сложных реакционных схем. Влияние типа химической реакции на устойчивость системы. Методика определения размеров реактора и технологических параметров реакционного процесса для поддержания устойчивого теплового и концентрационного режима в реакторе. Анализ причин возникновения осцилляций в реакторах с рециклами. Исследование осцилляций при кристаллизации малорастворимых веществ.

Модуль 3

5. Элементы качественной теории дифференциальных уравнений.

Понятие автономных систем, фазового пространства, фазового портрета, неподвижной точки. Устойчивость неподвижных точек. Классификация неподвижных точек на прямой. Классификация неподвижных точек на плоскости. Первый метод Ляпунова для определения типа неподвижной точки линейной системы. Понятие характеристического многочлена. Критерий асимптотической устойчивости линейных систем.

Качественная эквивалентность систем. Проблемы исследования нелинейных систем. Теорема о линеаризации. Методика линеаризации нелинейных систем. Применение изученных методов для анализа реакционных схем.

6. Предельные циклы в нелинейных системах.

Типы предельных циклов. Теорема Пуанкаре. Методика исследования систем с предельными циклами. Понятие структурной устойчивости колебаний. Колебания в моделях взаимодействия биологических видов по типу “хищник–жертва”.

Модуль 4.

7. Элементы бифуркационного анализа.

Понятие бифуркации, точки бифуркации. Бифуркация типа седло–узел; необходимый признак данного типа бифуркации. Бифуркация Андронова–Хопфа; необходимый признак данного типа бифуркации. Модель "Брюсселятор" как пример реакционной схемы, демонстрирующей бифуркацию Андронова–Хопфа: возникновение колебаний в режиме предельного цикла в реакторе идеального смешения; возникновение пространственных диссипативных структур в трубчатом реакторе. Квазипериодическая динамика систем в трёхмерном пространстве. Бифуркация рождения двумерного тора из предельного цикла в трёхмерном фазовом пространстве. Методы исследования физико-химических систем с понижением их размерности: параметры порядка и принцип подчинения; отображение Пуанкаре.

8. Элементы теории хаоса

Понятие странного аттрактора. Сценарий образования странного аттрактора в системе Лоренца. Колебания в режиме странного аттрактора в реакторе с рециклом в процессе получения фосфорной кислоты мокрым способом. Порядок и хаос в одномерных отображениях. Бифуркация удвоения периода. Теория универсальности Фейгенбаума. Сценарий образования странного аттрактора в модели Рёсслера. Использование методики исследования одномерных отображений в кластерной теории, предсказывающей порядок и детерминированный хаос при кристаллизации малорастворимых веществ. Алгоритм пропорциональной обратной связи для управления хаотическими колебаниями. Показатели Ляпунова. Связь показателей Ляпунова с типами аттракторов.

б) Практические занятия

Практические занятия посвящены численному исследованию различных динамических систем с использованием ЭВМ и включает выполнение практикум включает 12 работ:

Модули 1 и 2

8-13. Построение фазовых портретов и динамических характеристик для линейных систем, обладающих неподвижными точками: узел (устойчивый, неустойчивый), седло, центр, фокус (устойчивый, неустойчивый);

Модуль 3

14. Изучение бифуркации типа седло–узел;

15. Изучение бифуркации Андронова–Хопфа;

16. Изучение сценария образования странного аттрактора в системе Лоренца;

Модуль 4

17. Изучение бифуркации удвоения периода;

18-19. Изучение алгоритма пропорциональной обратной связи для управления хаотическими колебаниями.

в)Контрольные вопросы для промежуточной аттестации (сдачи зачета)

1.    Введение. Предмет синергетики. Понятие диссипативной структуры.

2.     Примеры возникновения пространственных, временных и пространственно-временных структур: реакция Белоусова- Жаботинского, переход ламинарного течения жидкости в турбулентное, эффект Бенара, изменение численности видов в биологическом сообществе "хищник-жертва" и др. Структура курса. Краткий исторический обзор.

3.    Математическое описание процессов с фазовыми переходами и химическими реакциями, происходящими в полидисперсных гетерогенных средах: основные понятия и допущения, уравнения сохранения массы, импульса и энергии.

4.    Вывод выражения для изменения энтропии открытой многофазной системы; анализ структуры данного выражения.

5.    Производство энтропии системы; анализ производства энтропии;

6.    Понятие термодинамической движущей силы и термодинамического потока. Примеры сил и потоков.

7.    Термодинамика линейных необратимых систем. Соотношения взаимности Онзагера. Принцип Кюри. Принцип симметрии феноменологических коэффициентов.

8.    Теорема Пригожина о минимуме производства энтропии как критерий эволюции линейных систем.

9.    Термодинамика нелинейных необратимых систем. Метод функций Ляпунова.

10.Вторая вариация энтропии системы как термодинамическая функция Ляпунова для систем вдали от равновесия. Производная второй вариации энтропии.

11.Избыточное производство энтропии. Методика выявления причин потери устойчивости в системах;

12.Анализ выражения избыточного производства энтропии для реакций различного типа: прямой необратимой реакции, автокаталитической реакции, сложных реакционных схем. Влияние типа химической реакции на устойчивость системы.

13.Элементы качественной теории дифференциальных уравнений. Понятие автономных систем, фазового пространства, фазового портрета, неподвижной точки.

14.Устойчивость неподвижных точек. Классификация неподвижных точек на прямой. Классификация неподвижных точек на плоскости. Первый метод Ляпунова для определения типа неподвижной точки линейной системы.

15.Понятие характеристического многочлена. Критерий асимптотической устойчивости линейных систем. Качественная эквивалентность систем.

16.Проблемы исследования нелинейных систем. Теорема о линеаризации. Методика линеаризации нелинейных систем. Применение изученных методов для анализа реакционных схем.

17.Предельные циклы в нелинейных системах. Типы предельных циклов. Теорема Пуанкаре. Методика исследования систем с предельными циклами.

18.Понятие структурной устойчивости колебаний. Колебания в моделях взаимодействия биологических видов по типу “хищник–жертва”.

19.Элементы бифуркационного анализа. Понятие бифуркации, точки бифуркации.

20.Бифуркация типа седло–узел; необходимый признак данного типа бифуркации. Бифуркация Андронова–Хопфа; необходимый признак данного типа бифуркации.

21.Модель "Брюсселятор" как пример реакционной схемы, демонстрирующей бифуркацию Андронова–Хопфа: возникновение колебаний в режиме предельного цикла в реакторе идеального смешения; возникновение пространственных диссипативных структур в трубчатом реакторе.

22.Квазипериодическая динамика систем в трёхмерном пространстве. Бифуркация рождения двумерного тора из предельного цикла в трёхмерном фазовом пространстве.

23.Методы исследования физико-химических систем с понижением их размерности: параметры порядка и принцип подчинения; отображение Пуанкаре.

24.Элементы теории хаоса. Понятие странного аттрактора. Сценарий образования странного аттрактора в системе Лоренца.

25.Порядок и хаос в одномерных отображениях. Бифуркация удвоения периода.

26.Теория универсальности Фейгенбаума. Сценарий образования странного аттрактора в модели Рёсслера.

27. Алгоритм пропорциональной обратной связи для управления хаотическими колебаниями. Показатели Ляпунова. Связь показателей Ляпунова с типами аттракторов.

Дисциплина «Неорганическая химия» входит в обязательную часть ОПОП бакалавриата по направлению подготовки 06.03.01 – Биология.

Дисциплина реализуется на биологическом факультете ДГУ кафедрой неорганической химии и химической экологии.

Содержание дисциплины охватывает круг вопросов, связанных:

а) с теоретическим введением, в котором, в первом приближении, рассматриваются основные современные общехимические воззрения, теории и законы;

б) с фактическим материалом по общей химии, тенденциям изменения свойств простых веществ и соединений по группам и периодам Периодической системы.

Дисциплина «Охрана воздушного бассейна и утилизация газообразных выбросов» входит в вариативную часть и является дисциплиной по выбору образовательной программы магистратуры по направлению 18.04.02 - Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии.

Целями освоения дисциплины «Охрана воздушного бассейна и утилизация газообразных выбросов» являются ознакомление студентов с основными загрязнителями и источниками загрязнения атмосферного воздуха, контролю и санитарной охране воздушной среды, очистке отходящих газов от вредных компонентов.

 Содержание дисциплины охватывает круг вопросов, связанных с основными принципами и способами охраны атмосферного воздуха при осуществлении хозяйственной деятельности.

Дисциплина нацелена на формирование следующих компетенций выпускника: общекультурных – ОК-3,  общепрофессиональных – ОПК-3, профессиональных – ПК-2, 4, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12.

 Преподавание дисциплины предусматривает проведение следующих видов учебных занятий: лекции, лабораторные занятия, самостоятельная работа