Od kosmochemii do nowych reagentów i materiałów nieorganicznych 0600-S1-SP/W-KNRM

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).