ОБЩАЯ И НЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
для студентов 1 курса бакалавриата филиала Московского государственного Университета.
для студентов биологических факультетов.
Занятия проходят в осеннем семестре. Программа дисциплины «Общая и неорганическая химия» для филиала МГУ" ставит целью изучение основных понятий и законов химии: химической термодинамики, кинетики, строения вещества, а также основ химии элементов.
Данная программа рассчитана на один семестр из расчета 36 ч лекции и 72 ч семинарские и практические занятия.
Лекции – 36 часов;
Практические занятия и коллоквиумы – 48 часов;
Семинарские занятия и контрольные работы – 24 часа;
Самостоятельная работа - 25 часов.
Введение
Основные понятия химии. Атом, молекула. Химический элемент. Простое и сложное вещество. Химическая реакция. Химическая форма движения материи. Место химии в ряду других естественных и гуманитарных наук.
Химическая эволюция материи. Возникновение химических элементов. Образование веществ. Развитие химических систем.
Основные этапы и диалектика развития химии. Натурфилософия. Алхимия. Становление химии как науки. Эпоха количественных законов. Классическая химия. Современный этап развития химии.
Атомно-молекулярное учение в современной химии. Стехиометрические законы. Стехиометрические и нестехиометрические соединения. Дальтониды и бертоллиды.
Химический процесс
Элементы химической термодинамики. Химическая система (открытая, закрытая, изолированная). Внутренняя энергия.
Понятие об энтропии. Энтропия вещества как функция термодинамической вероятности. Изменение энтропии мира как критерий самопроизвольности процессов.
Энтальпия вещества. Энтальпия химической реакции. Закон Гесса. Энтальпия образования вещества. Стандартное состояние вещества. Энтальпия химической связи.
Изобарно-изотермический потенциал (свободная энергия Гиббса). Изменение энергии Гиббса системы как критерий и движущая сила самопроизвольных процессов в закрытых системах.
Термодинамическое равновесие - неустойчивое, метастабильное, стабильное. Константа равновесия химической реакции, ее связь со стандартной свободной энергией реакции. Закон действующих масс в гомогенных и гетерогенных системах. Условия равновесного сосуществования фаз.
Обратимые и необратимые химические реакции. Установление химического равновесия. Смещение химического равновесия. Принцип Ле-Шателье – Брауна.
Элементы химической кинетики. Скорость химической реакции. Методы ее наблюдения и измерения. Основной закон химической кинетики. Порядок и молекулярность реакции. Экспериментальное определение порядка реакции. Факторы, определяющие скорость реакции. Энергия активации. Кинетическое обоснование принципа Ле-Шателье – Брауна.
Путь реакции. Катализ. Гомогенный и гетерогенный катализ. Автокатализ. Ингибирование реакции.
Ферментативный катализ.
Многокомпонентные системы. Компонент. Фаза. Способы выражения состава многокомпонентных систем (концентрации компонентов).
Растворы (твердые, жидкие, газообразные). Влияние условий на взаимную растворимость веществ. Роль сольватации. Особенности растворов высокомолекулярных веществ.
Типы взаимодействия веществ - образование смесей, растворов, соединений.
Физико-химический анализ как метод исследования многокомпонентных систем. Диаграммы состав-свойство. Примеры диаграмм состояния: вода, углерод, иод, вода-хлорид натрия, вода - серная кислота, железо-углерод.
Равновесия в растворах электролитов. Процесс электролитической диссоциации как взаимодействие веществ. Самоионизация. Закон действующих масс в растворах электролитов.
Сильные и слабые электролиты. Степень диссоциации.
Протолитические равновесия. Кислоты, основания, амфолиты по Бренстеду. Вода как растворитель.
Автопротолиз. Ионное произведение воды. рН. Гидролиз катионов (как диссоциация кислот - аквакомплексов) и анионов (оснований по Бренстеду). Необратимый гидролиз. Применение гидролиза. Буферные растворы, природные буферные системы.
Кислоты и основания по Льюису.
Диссоциация комплексных ионов. Константа нестойкости (устойчивости). Двойные соли.
Равновесие осадок–раствор. ПР.
Окислительно-восстановительные процессы. Электродный потенциал. Водородный электрод. Уравнение Нернста. Окислительно-восстановительный потенциал. Константа равновесия окислительно-восстановительной реакции. Ряд напряжений.
Гальванические элементы и аккумуляторы.
Топливные элементы. Электрохимическая коррозия.
Электролиз. Напряжение разложения.
Строение вещества
Электронное строение атома. Понятие об описании квантовых систем с помощью волновой функции. Электронная плотность вероятности. Радиальная плотность вероятности. Атомные орбитали. s-, p-, d-, f-АО.
Энергетические диаграммы атомов. Заполнение АО электронами. Принцип Паули. Правило Хунда.
Размер атомов и ионов. Орбитальный, кристаллохимический и ковалентный радиусы атома. Ионизационный потенциал. Сродство к электрону. Электроотрицательность.
Периодический закон Д.И. Менделеева, его физическое обоснование. Особенность тяжелых элементов (ослабление и исчезновение периодичности). Современное значение периодического закона.
Химическая связь. Характеристики химической связи: энергия, длина, полярность, валентный угол. Перекрывание АО как условие образования связи. Типы перекрывания: s-, p-, d-МО. Образование связывающих, антисвязывающих и несвязывающих молекулярных орбиталей (МО). Эффективность (плотность) перекрывания в зависимости от симметрии, относительной энергии АО и расстояния между ядрами. Кратные связи.
Метод молекулярных орбиталей в форме ЛКАО-МО. Энергетические диаграммы двухатомных гомо- и гетероядерных молекул, образованных элементами 1-го и 2-го периодов.
Кратность связи. Магнитные свойства молекул и веществ. Полярность связи и эффективный заряд на атоме. Молекула LiH как пример ионного соединения.
Принципы построения энергетических диаграмм простейших многоатомных молекул (CH4, NH3, H2O). Делокализованные (многоцентровые) связи (на примере анионов неорганических оксокислот).
Дипольный момент молекулы. Полярные и неполярные молекулы.
Комплексные соединения. Координационное число. Катионные, анионные и нейтральные комплексы. Номенклатура. Типичные комплексообразователи и лиганды. Моно- и полидентантные лиганды. Применение метода ЛКАО-МО к описанию химической связи на примерах тетраэдрического иона NH4+ и оксоанионов неорганических кислот и октаэдрических аква-, галогено-, аммино- и цианокомплексов d-элементов.
Изменение свойств ионов и молекул при вхождении во внутреннюю сферу комплекса (на примере аквакомплексов как кислот).
Строение вещества. Образование атомной кристаллической решетки.
Металлы, полуметаллы, полупроводники, диэлектрики.
Образование ионной кристаллической решетки. Твердые электролиты.
Молекулярные вещества. Силы Ван-дер-Ваальса. Особенности межмолекулярного взаимодействия в ВМС. Роль водородных связей в структурировании вещества.
Агрегатные состояния вещества.
Газообразное состояние: идеальный газ, закон Авогадро, уравнение Клапейрона–Менделеева. Реальные газы. Жидкое состояние: ближний и дальний порядок.
Твердое состояние: типы кристаллических решеток, дефекты, стекло; анизотропия свойств. Жидкие кристаллы.
Коллоидные частицы, системы. Строение коллоидных частиц на примере кремниевой кислоты и гидроксида железа (III). Коллоиды в природе.
Химия элементов
Водород. Строение атома. Изотопы. Нахождение в природе, методы получения в лаборатории и промышленности. Физические и химические свойства. Гидриды металлов (ионные и металлоподобные) и неметаллов (кислотно-основные характеристики). Применение водорода. "Водородная энергетика". Особенности (термодинамика, кинетика) реакций с участием дейтерия.
VIIA группа. Электронное строение атомов и молекул. Размеры атомов, ионизационные потенциалы, сродство к электрону. Нахождение в природе, методы получения простых веществ в лаборатории и промышленности. Применение.
Галогеноводороды. Плавиковая и соляная кислоты, их получение и применение. Галогениды металлов и неметаллов.
Оксокислоты хлора. Электронное строение анионов, окислительно-восстановительные свойства, кислотные свойства, диспропорционирование солей. Реакции получения. Бертолетова соль.
VIA группа. Электронное строение атомов и молекул. Нахождение в природе, методы получения простых веществ в лаборатории и промышленности. Применение. Озон, "озоновый щит Земли".
Водородные соединения. Строение молекул. Свойства водных растворов. Получение и применение сероводорода.
Сульфиды и полисульфиды.
Вода. Строение молекулы и вещества. "Аномальные" свойства воды. Автопротолиз. Аквакомплексы. Диаграмма состояния.
Клатраты.
Оксиды металлов (металлоподобные, основные, амфотерные и кислотные) и неметаллов (кислотные, несолеобразующие). Получение и применение оксидов.
Пероксиды. Строение анионов (ЛКАО–МО). Физические и химические свойства, получение и применение пероксида водорода.
Оксокислоты халькогенов в степенях окисления +4 и +6. Строение анионов (МО). Кислотные и окислительно-восстановительные свойства. Свойства, получение и применение серной и сернистой кислот.
VA группа. Строение атомов и молекул. Нахождение в природе, получение и применение азота и фосфора. Их биогенность. Экологическая роль. Неустойчивость соединений азота.
Водородные соединения. Строение молекул. Получение, свойства и применение аммиака. Гидроксид и соли аммония.
Оксиды азота. Строение молекул. Свойства, определяющие экологическую роль оксидов азота (II) и (IV). Свойства, получение и применение азотной и азотистой кислот и их солей.
Оксокислоты фосфора (фосфорноватистая, фосфористая, фосфорная). Строение анионов. Кислотные и окислительно-восстановительные свойства. Получение, свойства и применение фосфорной кислоты и фосфатов. Полифосфорные кислоты и полифосфаты.
IVA группа. Строение атомов и молекул простых веществ. Диаграмма состояния углерода. Нахождение в природе, получение и применение углерода и кремния. Адсорбционные свойства углей и силикагеля.
Полупроводниковые свойства кремния и германия.
Водородные соединения углерода и кремния.
Карбиды и силициды.
Оксиды углерода. Строение молекул, получение, свойства, применение. Угольная кислота и ее соли. Карбонатные буферные системы в природе.
Кремниевая кислота. Силикаты в природе и промышленности. Силикагель. Стекло.
IIIA группа. Соединения бора: бориды, бораны, борный ангидрид, борная кислота, бура.
Нахождение в природе, получение и применение алюминия. Положение в ряду напряжений, коррозионная стойкость. Катионные и анионные комплексы в водных растворах (амфотерность).
IIA группа. Свойства оксидов, гидроксидов и солей. Нахождение в природе и применение магния и кальция. Временная и постоянная жесткость воды, цели и методы ее устранения.
Биогенная роль магния и кальция.
IA группа. Нахождение в природе, получение, применение щелочных металлов и их соединений. Оксиды, гидроксиды, пероксиды.
Биогенная роль натрия и калия.
IIIB группа. Строение атомов. Оксиды и гидроксиды. "Лантаноидное сжатие". Мишметалл. Особенности химии актиноидов.
Понятие о радиационно-химических реакциях. Радиолиз воды. Биологически допустимая доза облучения.
Особенности химии радиоактивных элементов. Реакции с участием меченых атомов. Применение в медицинской диагностике.
IVB группа. Строение атомов. Проявляемые степени окисления и их относительная стабильность. Диоксид циркония как твердый электролит. Применение титана и циркония.
VB группа. Строение атомов. Проявляемые степени окисления и их относительная стабильность. Оксиды и гидроксиды. Катионные и анионные комплексы.
VIB группа. Строение атомов. Проявляемые степени окисления и их относительная стабильность. Оксиды и гидроксиды. Применение хрома, молибдена и вольфрама.
Изо- и гетерополикислоты. Хроматы и дихроматы. Катионные и анионные комплексы хрома. Биогенная роль молибдена.
VIIB группа. Строение атомов. Проявляемые степени окисления и их относительная стабильность. Оксиды и гидроксиды марганца, реакции их получения и кислотно-основные и окислительно-восстановительные свойства. Высоко- и низкоспиновые катионные и анионные комплексы марганца.
VIIIB группа. Семейство железа. Строение атомов.
Ферромагнетизм. Полиморфизм.
Проявляемые степени окисления и их относительная стабильность в зависимости от лигандов. Высоко- и низкоспиновые комплексы. Оксиды и гидроксиды.
Ферриты. Стали.
Биогенная роль железа.
Благородные металлы VIIIB группы. Физико-химические свойства платины. Физиологически активные комплексы платины, их изомерия.
IB группа. Строение атомов. Проявляемые степени окисления и их относительная стабильность. Оксиды и гидроксиды. Катионные и анионные комплексы. Соединения меди (I) и (II). Биогенная роль меди.
IIB группа. Строение атомов. Амальгамы. Экологическая роль ртути.
Литература
Гузей Л.С., Кузнецов В.Н., Гузей А.С. Общая химия. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1999.
Общая химия /Под ред. Е.М.Соколовской и Л.С.Гузея. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1989.
Общая химия. Биофизическая химия. Химия биогенных элементов/ Ю.А. Ершов, В.А. Попков, А.С. Берлянд и др. /Под ред. Ю.А. Ершова. М.: Высш. шк., 1993.
Практикум по общей химии. /Под ред. Е.М. Соколовской и О.С. Зайцева. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1981.
Полторак О.М., Ковба Л.М. Физико-химические основы неорганической химии. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1984.
Некрасов Б.В. Основы общей химии. М.: Химия, 1973. Т. 1, 2.
Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия. М.: Высш. шк., 1988. 639 с.
Дикерсон Р., Грей Г., Хейт Дж. Основные законы химии: В 2 т. М.: Мир, 1982. Т. 1, 2.
Хьюи Дж. Неорганическая химия: Строение вещества и реакционная способность. М.: Химия, 1987.
Коттон Ф., Уилкинсон Дж. Современная неорганическая химия. М.: Химия, 1969, Т.1–3.
Гузей Л.С., Кузнецов В.Н., Азиева Л.М. Общая химия: Метод. указания. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1988.
Рабинович В.А., Хавин З.Я. Краткий химический справочник. Л.: Химия, 1997.