Лектор

К.ф.-м.н., с.н.с, Хахалин Андрей Владимирович, avkhakhalin@physics.msu.ru, +7(495)939-40-34

Аннотация дисциплины

Исследование структуры водных сред занимает в настоящее время важнейшее место в исследованиях физико-химических свойств и новых способов их изменения. Понятие структуры жидкости многообразно и выделяется на различных уровнях ее рассмотрения. В спецкурсе предлагается в систематизированном виде описание развития понимания структурных свойств водных сред от концепций до самых современных моделей. Лекционный материал рассматривает взаимосвязь между структурными свойствами водных сред на молекулярном уровне и их макроскопическими свойствами, а также содержит информацию по экспериментальным и теоретическим методам исследования структуры жидкостей.

Цели освоения дисциплины

Целью курса является ознакомление студентов с понятием структуры, формируемой жидкостями и, в частности, водных сред. Данное понятие раскрывается во взаимосвязи структурных свойств на атомном и молекулярном уровнях в молекулах H₂O с макроскопическими физико-химическими свойствами как групп из молекул воды, так и с примесными молекулами.

Задачи дисциплины

Получить представление о разновидностях жидкостей, моделях воды, типах структур ею формируемых под воздействием различных макроскопических факторов, а также об экспериментальных и теоретических методах исследования структуры водных сред.

Компетенции

       Компетенции, необходимые для освоения дисциплины - ПК-1, ПК-6.

      Компетенции, формируемые в результате освоения дисциплины - ПК-2, ПК-3.

Требования к результатам освоения содержания дисциплины

В результате освоения дисциплины студент должен

• знать разновидности жидкостей;
• модели воды;
• уровни формирования структуры у водных сред;
• экспериментальные и теоретические методы исследования структуры водных сред.

Содержание и структура дисциплины.

 Место дисциплины в структуре ООП ВПО

1. По выбору.
2. Вариативная часть, профессиональный блок, спецкурс кафедры.
3. Курс опирается на базовые курсы по общей физике.

• К началу освоения данного курса необходимы знания, полученные учащимися в рамках общего курса физики на физическом факультете МГУ.
• Освоение курса необходимо для выполнения научно-исследовательской работы.

 Образовательные технологии

Курс имеет электронную версию для презентации. Лекции читаются с использованием современных мультимедийных возможностей и проекционного оборудования.

Оценочные средства для текущего контроля успеваемости и промежуточной аттестации

Проводятся промежуточные контрольные работы по определению уровня усвоения материала.

Примеры вопросов и задач

1. Чем определяются структурные свойства молекулы воды на атомном и молекулярном уровнях?
2. Рассчитайте потенциальную энергию следующего водного кластера по потенциалам Полтева-Маленкова («PM»):

Координата X, Å      Координата Y, Å      Координата Z, Å

Атом №1 O                0.000                          -0.283                         0.000

Атом №2 H               0.800                          0.283                          0.000

Атом №3 H               -0.800                         0.283                          0.000

Атом №4 O               -1.978                         -2.155                         -0.126

Атом №5 H               -1.096                         -1.729                         -0.083

Атом №6 H                -1.870                         -3.129                         -0.145

Атом №7 O               -2.619                         0.515                          -0.072

Атом №8 H               -3.513                         0.913                          -0.120

Атом №9 H               -2.694                         -0.461                         -0.113

Учебно-методическое обеспечение дисциплины

 Основная литература

1. Зацепина Г.Н. Структура и свойства воды. М.: Изд. МГУ, 1984.
2. Эйзенберг Д., Кауцман В. Структура и свойства воды. Л.: Гидроме-теоиздат, 1975.
3. Вернадский В.И. История природных вод. Избр. соч. М., 1960.
4. Самойлов О.Я. Структура водных растворов электролитов и гидра-тации ионов. Изд-во АН СССР, 1957.
5. Гривцов А.Г. Методика численных экспериментов и динамика мик-рогетерогенных систем. Метод молекулярной динамики в физической химии / Под ред. Ю.К. Товбина. М.: Наука, 1996. –334 с.
6. Хеерман Д.В. Методы компьютерного эксперимента в теоретической физике. М.: Наука, 1990.
7. Кульский Л.А., Даль В.В., Ленчина Л.Г. Вода знакомая и загадочная. Киев: Радянска школа, 1982.
8. Москва В.В. Водородная связь в органической химии // Соросовский образовательный журнал. 1999. №2. С. 58-64.
9. Карякин А.В., Кривенцова Г.А. Состояние воды в органических и неорганических соединениях. М., Наука, 1973.
10. Митчелл Дж., Смит Д. Акваметрия. Пер. с англ. / Под. ред. Ф.Б. Шермана. М., Химия, 1980.
11. Хахалин А.В., Ширшов Я.Н. Исследование оптических свойств жидкости методом инфракрасной Фурье-спектроскопии: Учебное пособие. М.: Физический факультет МГУ, 2010.
12. Рассадкин Ю.П. Вода обыкновенная и необыкновенная. М., 2008.
13. Карговский А.В. Структуры и оптические спектры водных кластеров. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. М., 2006.
14. Рахманова О.Р. Взаимодействие кластеров воды с парниковыми газами. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. Екатеринбург, 2009.

 Дополнительная литература

1. Хахалин А.В., Теплухин А.В. Исследование сеток водородных связей в водных кластерах, содержащих ион Na⁺ или K⁺ // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. 2006. № 1-2. С. 70-74.
2. Лобышев В.И. Вода как сенсор слабых воздействий физической и химической природы // Российских химический журнал. 2007. Т. LI. №1.
3. Bunkin A.F., Nurmatov A.A., Pershin S.M. Four-photon spectroscopy of ortho/para spin-isomer H₂O molecule in liquid water in sub-millimeter range // Laser Physics Letters. 2006. V. 3. I. 6. P. 275-277.
4. Ефимов Ю.Я. О влиянии геометрии водородного мостика на колебательные спектры воды: двухпараметрические потенциалы H-связи // Журнал структурной химии. 2009. Т. 50. №4. С. 736-745.
5. Vrbka L., Jungwirth P., Homogeneous freezing of water starts in the subsurface// The Journal of Physical Chemistry B. 2006. V. 110. P. 18126-18129.
6. Мельников Г.А., Мелихов Ю.Ф., Ларионов А.Н., Вервейко В.Н., Вервейко М.В. Прогнозирование ИК-спектров кластерных систем // Вестник ВГУ. Серия: Физика. Математика. 2008. №1. С. 52-58.
7. Востриков А.А., Дубов Д.Ю., Дроздов С.В. Дипольный момент кластеров воды и парниковый эффект // Письма в ЖТФ. 2008. Т. 34. Вып. 5. С. 87-94.
8. Huang C., Wikfeldt K.T., Tokushima T., Nordlund D., Harada Y., Bergmann U., Niebuhr M., Weiss T.M., Horikawa Y., Leetmaa M., Ljungberg M.P., Takahashi O., Lenz A., Ojamäe L., A. P. Lyubartsev, S. Shin, L. G. M. Pettersson, and A. Nilsson. The inhomogeneous structure of water at ambient conditions // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2009. Vol. 106. №36. P. 15214-15218.
9. Stanley H.E., Kumar P., Xu L., Yan Z., Mazza M.G., Buldyrev S.V., Chen S.-H., Mallamace F. The puzzling unsolved mysteries of liquid water: Some recent progress // Physica A 2007. V. 386. P. 729-743.
10. Swenson J., Teixeira J. The glass transition and relaxation behavior of bulk water and a possible relation to confined water // J. Chem. Phys. 2010. V. 132. P. 014508.
11. Zelent B., Vanderkooi J.M. Infrared spectroscopy used to study ice formation: The effect of trehalose, maltose, and glucose on melting // Analytical Biochemistry. 2009. V. 390. P. 215-217.

 Интернет-ресурсы

1. https://www.llnl.gov/str/Ocober05/Mundy.html
2. http://www.lsbu.ac.uk/water/index2.html

Материально-техническое обеспечение

В соответствии с требованиями п.5.3. образовательного стандарта МГУ по направлению подготовки «Физика».

Аудитория 2-44.

В наличии есть проектор и компьютер для презентации.