Теоретические основы химии.
Методические указания
Учебные занятия по курсу “Теоретические основы химии” состоят из лекций, семинаров, лабораторных работ, курсовой работы и домашней работы.
В данном курсе даются те начальные сведения об основах химической термодинамики, основах химии растворов и основах строения вещества, без которых невозможно понимание свойств веществ и реакций между ними.
На семинарских и лабораторных занятиях студенты приобретают навыки решения конкретных задач и закрепляют свои знания наиболее важных разделов курса.
При подготовке к семинарским и лабораторным занятиям студент должен проработать соответствующие разделы курса по конспекту лекций и учебникам [1] [2] [3] [4] [5] из библиографического списка (страницы приведены в соответствующем разделе «Лекции») и решить задачи, указанные в домашнем задании.
При подготовке к лабораторным работам в лабораторном журнале следует написать:
1) название лабораторной работы и дату ее выполнения; 2) цель лабораторной работы; 3) схему установки или прибора; 4) порядок выполнения работы; 5) уравнения реакций; 6) схему протокола работы. При недостаточной подготовке и (или) невыполнении домашней работы студент к лабораторной работе не допускается.
В начале некоторых занятий проводится контроль текущей успеваемости студентов (15-20 мин) по теме занятия.
Суммарный рейтинговый балл за семестр (максимально 60 баллов) составляется из баллов, полученных за:
а) четыре рубежные контрольные работы – максимально 32 балла (если контрольная работа написана неудовлетворительно (менее 3 баллов из 8), то баллы не учитываются) ;
б) выполнение курсовой домашней работы (8 заданий) – максимально 12 баллов;
в) выполнение и защита 12 лабораторных работ – 12 баллов;
г) домашние работы – максимально 4 балла (выставляемых в конце семестра).
Изучение курса “Теоретические основы химии” завершается экзаменом (максимально 40 баллов). До экзамена не допускаются студенты набравшие в семестре менее 35 баллов или не выполнившие лабораторный практикум.
Библиографический список.
[1] Карапетьянц М.Х., Дракин С.И. Общая и неорганическая химия. М.: Химия, 1981. 630 с.
[2] Карапетьянц М.Х., Дракин С.И. Общая и неорганическая химия. М.: Химия, 1992--2004. 592с.
[3] Соловьев С.Н. Начала химии. Элементы строения вещества (конспект лекций, задачи, упражнения). М РХТУ им. Д.И.Менделеева, 2004 г. 108 с.
[4] Соловьев С.Н. Начала химии. Теоретические основы химии (конспект лекций, задачи, упражнения). М РХТУ им. Д.И.Менделеева, 2004 г. 148 с.
[5] Общая и неорганическая химия: в 2 т./ Под ред. А.Ф. Воробьева. Том 1 Теоретические основы химии.- М.: ИКЦ «Академкнига», 2004.-371 с.
[6] Практикум по неорганической химии /Под ред. А.Ф. Воробьева и С.И. Дракина. М.:
Химия, 1983.-246 с.
[7] Сборник задач с решениями по курсу “Теоретические основы химии” / Под ред.
А.Ф. Воробьева; М.: МХТИ им. Д.И. Менделеева, 1984. -48 с.
[8] Задачи по общей химии / Под ред. А.Ф. Воробьева; М.: МХТИ им. Д.И. Менделеева, 1982.- 48 с. «2532»
[9] Задания для программированного контроля по курсу “Теоретические основы химии” (основные законы и понятия химии, растворы, равновесие, основы термодинамики) / Под ред. А.Ф. Воробьева; М.:МХТИ им. Д.И. Менделеева, 1986. -48 с. «3263»
[10] Задания для программированного контроля по курсу “Теоретические основы химии”(периодический закон, строение молекул, химическая связь) / Под. ред.
А.Ф. Воробьева; М.: МХТИ им. Д.И. Менделеева, 1986. -48 с. «3219»
[11] Задания к курсовой работе по курсу “Теоретические основы химии” / Под. ред.
А.Ф. Воробьева; М.: МХТИ им. Д.И. Менделеева, 1988.- 64 с. «3445»
ЛЕКЦИИ.
Лекции 1-2. Строение атома.
Волновые свойства материальных объектов. Уравнение де Бройля. Соотношение неопределенностей Гейзенберга. Понятие о квантовой механике и уравнении Шредингера. Волновая функция. Электронная плотность. Характеристика состояния электронов квантовыми числами. Формы электронных облаков для s-, p- и d- состояний электронов в атомах, узловые поверхности. Многоэлектронные атомы. Принцип Паули. Максимальное число электронов в электронных слоях и оболочках. Правило Хунда. Последовательность энергетических уровней электронов в многоэлектронных атомах.
[1] - с.7-33, [2] - с.7-35, [3] – с.4-26, [5] – с.128-144.
Лекции 3-4. Периодический закон Д.И.Менделеева и строение атомов элементов.
Современная формулировка периодического закона. Периодическая система и ее связь со строением атомов. Заполнение электронных слоев и оболочек атомов в периодической системе. Особенности электронного строения атомов в главных, побочных подгруппах, в семействах лантаноидов и актиноидов: s-, p-, d- и f-элементы.
Атомные и ионные радиусы. Условность этих понятии. Изменение радиусов атомов по периодической системе. Ионные радиусы и их зависимость от электронного строения атомов и степени окисления. Энергия ионизации и сродство к электрону. Закономерности в изменении энергии ионизации.
Значение периодического закона. Предсказание свойств на основе периодического закона. Представление о методах сравнительного расчета М.Х.Карапетьянца.
[I] - с.33-51, [2] - с.36-55, [3] – с.27-45, [5] – с.144-158.
Лекция 5. Окислительно-восстановительные реакции.
Степени окисления. Важнейшие окислители и восстановители. Важнейшие схемы превращения веществ в окислительно-восстановительных реакциях. Влияние температуры, концентрации реагентов, их природы, среды и других условий на глубину и направление протекания окислительно-восстановительных реакций.
[I] - с.202-210, [2] - с.216-224, [4] – с.118-128, [5] – с.205-217.
Лекции 6-8. Химическая связь и строение молекул.
Электроотрицательность. Ковалентная и ионная связи. Свойства ковалентной связи: направленность и насыщаемость. Полярная ковалентная связь.
Характеристики ковалентной связи: длина, прочность, валентные углы. Длины одинарных и кратных связей.
Эффективные заряды атомов в молекулах. Дипольный момент. Дипольные моменты и строение молекул.
Понятие о квантовой химии. Основные положения метода валентных связей. Механизмы образования ковалентной связи: обменный и донорно-акцепторный.
Рассмотрение схем перекрывания атомных орбиталей при образовании связей в молекулах. Гибридизация волновых функций, примеры sp-, sp2-, sp3- гибридизаций. Гибридизация с участием d-орбиталей. Заполнение гибридных орбиталей неподеленными парами электронов (NH3, H2O, С1F3).
Образование кратных связей; s- и p-связи, их особенности. Делокализованные
p-связи. Метод Гиллеспи.[I] - с.57-61, 66-99, [2] - с.61-66, 71-105, [3] – с.46-73,[5] – с.162-176
Лекция 9. Метод молекулярных орбиталей.
Основные положения метода молекулярных орбиталей (МО). Связывающие, несвязывающие и разрыхляющие орбитали. Последовательность заполнения МО в двухатомных молекулах. Объяснение возможности существования двухатомных частиц при помощи метода МО.
Объяснение магнитных свойств молекул и ионов с позиций метода МО. Понятие о многоцентровой связи. Химическая связь в В2Н6.
[I] - с.99-110, [2] - с.105-117, [3] – с.97-104, [5] – с.177-181.
Лекции 10-11. Химическая связь в комплексных соединениях.
Общие сведения о комплексных соединениях. Комплексообразователь, лиганды, координационные числа, дентантность лигандов, внутренняя и внешняя сферы комплексного соединения. Классификация комплексов по виду координируемых лигандов. Номенклатура комплексных соединений. Представление об изомерии комплексных соединений. Реакции образования комплексных соединений.
Квантово-механические трактовки природы химической связи в комплексных соединениях. Метод валентных связей. Понятие о теории кристаллического поля. Объяснение магнитных свойств и электронных спектров поглощения комплексных соединений. [I] - с.116-131, [2] - с.124-140, [3] – с.84-96, [4] – с.108-111, [5] – с.283-298. Лекция 12-13. Водородная связь.
Межмолекулярная и внутримолекулярная связь. Энергия и длина водородной связи. Влияние водородной связи на свойства веществ (температуры плавления и кипения, степень диссоциации в водном растворе и др.).
Ионная связь.
Ионная связь как предельный случай ковалентной связи. Ненаправленность и ненасыщаемость ионной связи. Поляризация ионов. Зависимость поляризации ионов от типа электронной структуры, заряда и радиуса ионов. Влияние поляризации на свойства веществ. Межмолекулярное взаимодействие.
Общие представления о межмолекулярном взаимодействии: ориентационное, индукционное, дисперсионное взаимодействия.
[I] - с.110-116, 131-137, [2] - с.117-124, 140-146, [5] – с.159-162, 181-187.
. Лекции 14-15. Элементы химической термодинамики,
Понятие о химической термодинамике. Внутренняя энергия и энтальпия, их физический смысл. Понятие термодинамической системы. Изолированные системы. Термохимия. Экзо- и эндотермические реакции. Термохимические уравнения. Понятие о стандартном состоянии. Стандартные энтальпии образования, растворения и сгорания веществ. Закон Гесса и следствия из него. Использование закона Гесса для вычисления DН-реакции и DН-связи.
Понятие об энтропии. Абсолютная энтропия и строение вещества. Изменение энтропии в различных процессах. [I] - с.161-181, 59-61, [2] - с.172-193, 63-66, [3] – с.53-54, [4] – с.4-19, [5] – с.28-52, 165-166.
Лекции 16-17. Химическое равновесие.
Химическое равновесие. Истинное и кажущееся равновесия, их признаки. Константа химического равновесия (Кс и Кр).
Энергия Гиббса, ее связь с энтропией и энтальпией. Физический смысл. Энтальпийный и энтропийный факторы процесса. Связь DG°т с константой равновесия. Равновесие в гомогенных и гетерогенных системах. Критерий самопроизвольности процессов.