Рабочая программа курса «Общая и неорганическая химия» для студентов I курса физико-химического факультета МГУ (отделение физики)
Основные понятия химии
Химический элемент. Простое и сложное химическое вещество. Количество вещества. Химическая реакция.
Стехиометрические законы. Соединения переменного состава, область гомогенности. Структурные формулы молекул.
Химические системы, процессы и строение вещества
Элементы химической термодинамики. Химическая система (открытая, закрытая, изолированная). Стандартные термодинамические условия. Стандартное состояние вещества. Активность.
Энергетический эффект реакции. Виды энергетического эффекта. Внутренняя энергия вещества. Энтальпия реакции. Энтальпия образования вещества. Закон Гесса, его следствия.
Макро- и микроскопическое определение понятия «энтропия». Типичные процессы, приводящие к увеличению и уменьшению энтропии. Самопроизвольные процессы в изолированных системах. Свободная энергия Гиббса. Критерии самопроизвольности протекания процесса в закрытой системе. Зависимость энергии Гиббса вещества от его активности.
Обратимая химическая реакция. Состояние химического равновесия, термодинамический и кинетический критерии установления равновесия. Метастабильное состояние. Константа химического равновесия, ее связь со свободной энергией Гиббса процесса (термодинамический вывод константы равновесия). Условия равновесного сосуществования фаз. Гетерогенные химические равновесия.
Смещение химического равновесия. Принцип Ле Шателье, его термодинамическое обоснование.
Элементы химической кинетики. Скорость гомогенной и гетерогенной химической реакции. Основной постулат химической кинетики. Кинетическое уравнение реакции. Порядок реакции, его экспериментальное определение. Элементарные и сложные реакции. Молекулярность реакции. Кинетический вывод константы равновесия.
Температурная зависимость скорости химической реакции. Энергия активации и энергетический профиль реакции. Уравнение Аррениуса. Кинетическое обоснование принципа Ле Шателье.
Понятие о механизме сложной реакции. Последовательные и параллельные реакции. Промежуточные и переходные состояния. Лимитирующая стадия сложной реакции. Сопряженные реакции.
Радикальные цепные реакции. Реакции с разветвленной цепью.
Катализ (гомогенный и гетерогенный). Катализаторы, промоторы, яды, ингибиторы. Механизм действия катализаторов и ингибиторов. Автокатализ. Ферментативный катализ.
Растворы. Компоненты растворов. Способы выражения концентрации растворов. Растворимость, ее температурная зависимость. Насыщенный раствор. Сольватация частиц растворенного вещества.
Равновесия в растворах электролитов. Электролитическая диссоциация. Термодинамика электролитической диссоциации. Сильные и слабые электролиты. Константа и степень диссоциации.
Взаимодействие между ионами в растворе, ионная сила раствора. Коэффициенты активности ионов в растворе.
Кислоты, основания, амфотерные гидроксиды. Автопротолиз воды. Водородный показатель (рН) растворов сильных и слабых кислот и оснований, его расчет и измерение. Ступенчатая диссоциация. Кислотно-основное титрование.
Гидролиз катионов и анионов. Константа и степень гидролиза. рН растворов солей.
Произведение растворимости малорастворимых электролитов, ее использование для расчета растворимости.
Равновесия реакций комплексообразования в растворах. Растворение малорастворимых солей благодаря комплексообразованию.
Строение атома и Периодический закон. Атомные орбитали. Квантовые числа. Распределение плотности вероятности нахождения электронов в атоме. Формы граничных поверхностей s -, p - и d -орбиталей. Спин электрона. Принцип Паули. Правило Хунда. Порядок заполнения атомных орбиталей электронами. Электронные конфигурации атомов. Валентные уровни и подуровни.
Современная интерпретация Периодического закона Д. И. Менделеева. Структура периодической таблицы. Общие закономерности изменения свойств атомов (размер, энергия ионизации, энергия сродства к электрону, электроотрицательность) в периодах и группах. Элементы-металлы и элементы-неметаллы.
Химическая связь. Причины образования молекул и кристаллов из атомов. Метод электронных пар. Ковалентная связь. Связывание s- и p-типа, кратные связи. Энергия связи. Полярность связи. Электрические дипольные моменты молекул. Обменный и донорно-акцепторный механизмы образования ковалентной связи. Смысл понятия «гибридизация». Резонансные структуры и делокализация. Многоцентровые связи. Неподеленные электронные пары. Число химических связей, образуемых элементами II и III периодов.
Предсказание геометрической структуры молекул методом Гиллеспи.
Ковалентные кристаллы.
Ионная связь. Ионные вещества. Размеры ионов.
Металлическая связь, металлические радиусы атомов. Свойства веществ-металлов.
Координационная связь. Комплексообразователь, лиганд, координационное число, координационный многогранник.
Водородная связь, ее влияние на физические свойства веществ. Силы Ван-дер-Ваальса, их природа. Молекулярные жидкости и кристаллы.
Окислительно-восстановительные реакции. Окислители и восстановители, реакции между ними. Электродный потенциал, его измерение. Стандартные электроды (водородный, хлорсеребряный). Уравнение Нернста. Электродвижущая сила окислительно-восстановительной реакции, ее связь с энергией Гиббса реакции. Влияние рН среды на ЭДС окислительно-восстановительных реакций, примеры. Влияние образования малорастворимых веществ на ЭДС окислительно-восстановительных реакций.
Химические источники тока. Топливные элементы. Аккумуляторы.
Коррозия металлов и способы защиты от нее.
Электролиз.
Химия элементов
Водород. Строение атома и молекулы. Методы получения. Химические свойства. Гидриды металлов и неметаллов. Вода, ее физические и химические свойства. Структура воды и льда. Применение водорода в промышленности.
Галогены. Строение атомов и молекул. Физические и химические свойства галогенов. Галогеноводороды. Галогениды металлов и неметаллов. Кислородсодержащие кислоты галогенов и их соли. Применение галогенов и их соединений.
Подгруппа кислорода. Кислород, строение атома и молекулы. Физические и химические свойства кислорода. Озон, его получение и химические свойства. Образование и распад озона в природе. Оксиды, пероксиды и супероксиды. Пероксид водорода, его свойства.
Сера. Строение и свойства простого вещества. Сероводород, сульфиды. Оксиды серы. Сернистая и серная кислоты. Промышленное получение серной кислоты. Галогениды и оксогалогениды серы.
Краткий обзор химии селена и теллура.
Подгруппа азота. Азот, строение атома и молекулы. Физические и химические свойства азота. Нитриды. Аммиак, его получение. Оксиды азота. Азотистая и азотная кислоты, промышленное получение азотной кислоты. Биологическая роль соединений азота.
Фосфор, строение и свойства простых веществ: красного, белого и черного фосфора. Фосфиды, фосфин. Оксиды фосфора. Фосфористая кислота. Орто-, мета- и полифосфорные кислоты. Фосфаты, их растворимость и гидролиз. Галогениды фосфора. Биологическая роль соединений фосфора.
Краткий обзор химии мышьяка, сурьмы и висмута (только свойства простых веществ!).
Подгруппа углерода. Углерод, строение атома. Аллотропные модификации углерода. Активированный уголь. Карбиды. Оксиды углерода. Угольная кислота и ее соли. Гидролиз карбонатов. Карбонаты в природе. Жесткость воды.
Кремний. Химические свойства простого вещества. Получение высокочистого кремния. Оксид кремния, кремниевая кислота. Силикаты и алюмосиликаты. Карборунд.
Краткий обзор химии германия, олова и свинца. Свинцовый аккумулятор.
Бор и алюминий. Бор, борная кислота, бораты. Алюминий, его получение, свойства и применение. Гидроксид алюминия, его амфотерные свойства. Гидролиз солей алюминия. Галогениды алюминия. Гидриды бора и алюминия.
Mеталлы IA и IIA подгрупп. Получения и свойства простых веществ, взаимодействие с неметаллами, водой и кислотами. Оксиды и гидроксиды. «Диагональное сходство» свойств лития и магния, бериллия и алюминия. Соли: нитраты, сульфаты, фосфаты, карбонаты.
Переходные металлы. Обзор химических и физических свойств простых веществ.
Особенности химических свойств соединений переходных металлов. Их типичные степени окисления. Закономерности изменения кислотно-основных и окислительно-восстановительных свойств соединений переходных металлов с ростом их степени окисления (на примере Cr, Mn и Fe).
Комплексные соединения переходных металлов. Комплексообразователь, лиганд, координационное число, моно- и полидентатные лиганды. Устойчивость комплексных соединений, константа устойчивости.