ПРИМЕРНАЯ ПРОГРАММА

дисциплины

для студентов географических факультетов

Специальность: 012500 - География

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

Программа курса "Химия" рассчитана на 32 часа лекционной и 72 часа лабораторно-практической формы занятий. Однако эта программа может быть использована и для более коротких и более обширных курсов химии для географических факультетов университетов путем сокращения программного материала или его расширения по желанию преподавателя, а также уменьшения или увеличения глубины рассмотрения изложенных в программе представлений химической науки.

I. Введение

Естествознание как система наук о природе. Предмет естествознания - формы материи и их движение в природе. Химия - одна из отраслей естествознания. Объекты изучения химии - реакция и вещество. Взаимосвязь химии с другими науками.

Методы научного познания в естествознании и химии. Методы эмпирического исследования: наблюдение и эксперимент. Сравнение и измерение в химическом исследовании. Методы теоретического исследования: абстрагирование, анализ и синтез, индукция и дедукция. Основные формы научного познания: проблема, предположение (гипотеза), закон, теория.

Наиболее часто используемые в химическом исследовании приемы логического мышления: выделение существенных признаков рассматриваемого объекта, систематизация и классификация, определение понятий, доказательство. Правила описания химического объекта и объяснения явления. Предсказание в химической науке.

История химической науки. Создание системы химических знаний как требование развития общества, химической науки, производства и смежных наук. Великие российские химики - М.В.Ломоносов, Д.И.Менделеев, А.М.Бутлеров.

Система и структура современной химической науки. Основные учения химии: о направлении химического процесса (химическая термодинамика), о скорости химического процесса (химическая кинетика), о строении вещества и о периодическом изменении свойств элементов. Взаимосвязь учений.

Основные проблемы современной химии и перспективы ее развития.

II. Основные учения химии
1. Учение о направлении химических процессов

Направление химического процесса и устойчивость вещества в данных условиях - главные требования к химической реакции и веществу.

Тепловой эффект химической реакции. Изменение внутренней энергии и энтальпии в химическом процессе. Работа химической реакции. Соотношение - количество работы и время ее получения.

Зависимость объема газа от его количества, температуры и давления. Уравнение Менделеева-Клапейрона. Нормальные условия. Газовая постоянная. Постоянная Больцмана.

Первый закон термодинамики. Идеи М.В.Ломоносова. Закон Гесса. Энтальпийная диаграмма реакции. Термодинамический способ записи уравнения химической реакции.Стандартная энтальпия образования химического соединения. Расчет энтальпии химической реакции. Энтальпия химической связи (энергия связи).

Изменение энтропии в физических и химических процессах. Вероятность существования системы в данном состоянии. Энтропия вещества и его строение. Энтропия и температура.

Энтальпийный и энтропийный факторы протекания химической реакции. Изобарный потенциал реакции (энергия Гиббса) и его изменение в самопроизвольном процессе. Второй закон термодинамики. Стандартное состояние и стандартные условия прохождения химической реакции.

Химическое равновесие. Константа равновесия. Принцип смещения равновесия Ле Шателье. Связь константы равновесия с изменением изобарного потенциала. Расчеты, связанные с определением возможности прохождения реакции. Гомогенные и гетерогенные системы. Фазы и компоненты. Правило фаз Гиббса. Степени свободы. Диаграмма состояния воды. Фазовые переходы: плавление, замерзание (кристаллизация), испарение, кипение, возгонка (сублимация), конденсация. Температуры фазовых переходов воды. Зависимость температуры замерзания воды от давления. Кривые нагревания и охлаждения. Термический анализ.

Последовательность расчетов для определения возможности прохождения реакции. Причины неосуществимости термодинамически возможных реакций.

Скорость химической реакции. Средняя и истинная скорость реакции. Зависимость скорости химической реакции от концентрации реагирующих веществ. Порядок и молекулярность реакции. Основной закон химической реакции (две формулировки). Константа скорости. Реакции нулевого, первого и второго порядков. Кинетика радиоактивного распада. Период полупревращения и полураспада. Методы определения возраста ископаемых остатков и минералов. Порядок реакций с участием воды в водных растворах. Скорость разложения загрязнений природы (воды и воздуха).

Механизм химической реакции. Последовательные и параллельные реакции. Цепные реакции. Методы изучения и предсказания механизма реакции. Реакции в верхних слоях атмосферы и их роль для жизни на Земле. Реакции с дробным порядком (образование и распад озона). Реакции взаимодействия галогенов с водородом.

Влияние температуры на химический процесс и количество образующегося продукта. Правило Вант-Гоффа. Причина влияния температуры на скорость реакции. Распределение молекул по энергиям. Уравнение Аррениуса. Энергия активации и ее вычисление из экспериментальных данных.

Стерические затруднения при взаимодействии молекул. Энтропия активации. Основное уравнение химической кинетики. Теория активного или переходного состояния (комплекса).

Методы ускорения и замедления химических реакций. Гомогенный и гетерогенный катализ и его теории. Механизм простейших каталитических реакций. Колебательные реакции.

Термодинамические и кинетические факторы разложения загрязнений окружающей среды.

Определение оптимальных условий (термодинамика и кинетика) химического процесса. Термодинамическое и кинетическое рассмотрение реакций синтеза аммиака из простых веществ, окисления диоксида серы, окисления оксидов азота и других.

Материя и движение. Вещество и поле. Взаимосвязь массы и энергии. Законы химического взаимодействия. Методы определения атомных и мольных масс. Закон постоянства состава в современной формулировке. Нестехиометрические соединения и соединения переменного состава. Современная номенклатура неорганических соединений.

Вещество как система. Уровни организации вещества: элементарная частица (протон, нейтрон, электрон), атомное ядро, атом, молекула, комплексная частица, коллоидная частица, кристалл, геологический и биологический объекты, космические объекты.

Модель строения атомного ядра. Протоны и нейтроны и их распределение по энергетическим уровням. Устойчивость ядер. Понятия изотопа и нуклида. Радиоактивный распад и ядерные реакции. Запись уравнений ядерных реакций.

Квантовые числа как решения уравнения Шредингера. Спин электрона. Электронные энергетические уровни и подуровни. Порядок их заполнения электронами. Правила Паули и Гунда. Понятие электронной орбитали. Число неспаренных электронов как мера спиновой валентности. Электронная структура атомов и периодическая система элементов.

Корпускулярно-волновой дуализм. Принцип неопределенности. Форма электронных орбиталей атомов.

Химическая связь и ее важнейшие характеристики. Прочность химической связи. Классификации химической связи по способу образования (ковалентная и донорно-акцепторная) и по смещению зоны перекрывания электронных орбиталей двух атомов (неполярная, полярная, ионная).

Метод валентных связей. Гибридизация электронных орбиталей. Зависимость типа гибридизации от угла между связями. Структура газовых молекул. Модели молекул метана, аммиака (и фосфина), воды (и сероводорода), фтороводорода. Строение ионов гидроксония и аммония.

Классификация химических связей по числу перекрывающихся электронных орбиталей. Сигма- и пи- связи. Одинарные, двойные и тройные связи. Модели алмаза и графита. Модели простейших органических молекул (этан, этилен, ацетилен).

Метод молекулярных орбиталей. Молекулярные орбитали простейших двухатомных молекул элементов второго периода периодической системы. Объяснение при помощи метода молекулярных орбиталей энергий связи, межъядерных расстояний и магнитных свойств (парамагнетизм и диамагнетизм) молекул и молекулярных ионов. Парамагнетизм кислорода. Методы определения энергии связи двуатомной молекулы. Использование метода молекулярных орбиталей для описания химических процессов в верхних слоях атмосферы.

Координационная связь. Комплексные соединения. Типы химических связей в кристаллических комплексных соединениях. Комплексообразователь. Лиганд, Координационное число комплексообразователя.

Межмолекулярные взаимодействия. Силы Ван-дер-Ваальса. Водородная связь. Примеры проявления межмолекулярных взаимодействий. Строение коллоидной частицы.

Химические связи в кристаллах. Металлическая связь. Зонная теория. Диэлектрики (изоляторы), полупроводники и проводники.

Методы классификации и систематизации химических элементов.

Периодический закон Д.И.Менделеева как один из основных законов природы. Физический смысл периодического закона. s-, p-, d- и f-элементы. Современные определения понятий периода, группы и подгруппы элементов. Сравнение свойств элементов главных и побочных подгрупп. Изменение свойств элементов и их соединений по периодам и группам. Положение в периодической таблице элементов, обладающих кислотными, основными и амфотерными свойствами.

Распространенность в природе ядер, простых веществ и химических соединений и связь с положением в периодической таблице элементов.

Характер изменения в типах химической связи, в строении и свойствах молекул и кристаллов при их сравнении вдоль по различным направлениям периодической таблицы.

Изменение термодинамических свойств однотипных соединений и реакций при переходе по подгруппам и периодам таблицы (энергии связи, стандартные энтальпии образования, энтальпии реакций, энтропии соединений и их изменения в однотипных реакциях, изобарные потенциалы реакций).

Изменение кинетических характеристик однотипных реакций при переходе вдоль различных направлений периодической таблицы.

Связь каталитической активности соединений элементов с их положением в периодической таблице.

III. Химические реакции веществ в различных фазовых (агрегатных) состояниях
1. Реакции в газовом состоянии вещества

Идеальные и реальные газы. Причины отклонения в поведении реальных газов от идеальных. Поведение реальных газов при изменении температуры и давления. Теплоемкость газов и ее связь со строением молекулы. Термодинамика, кинетика и механизм простейших реакций в газовой фазе. Фотохимические и цепные реакции.

Реакции в верхних слоях атмосферы. Термодинамика и кинетика образования и разрушения озона в верхних слоях атмосферы. Причины возникновения "озоновых дыр" и география их появления. Озон в нижнем слое атмосферы.

Химия парникового эффекта и роль молекул метана, углекислого газа, воды и других в проявлении эффекта. Последствия парникового эффекта (географический аспект).

Современные представления о строении и структуре жидкости. Равновесие жидкость-пар. Проявление межмолекулярных взаимодействий и водородной связи в жидких веществах.

Растворы. Способы выражения концентрации растворов (мольная, моляльная, мольная доля, массовая доля, титр и другие).

Теория растворов Д.И.Менделеева. Идеальные и реальные растворы. Давление насыщенного пара над раствором. Положительные и отрицательные отклонения и их связь с характером межмолекулярных взаимодействий в растворах. Криоскопический и эбулиоскопический методы изучения растворов. Осмотическое давление раствора и изучение растворов осмотическим методом.

Растворы электролитов и их свойства. Причины электролитической диссоциации. Сильные и слабые электролиты. Основы теории сильных электролитов (ионная сила, активность, коэффициент активности). Равновесия в растворах сильных и слабых электролитов. Константа равновесия диссоциации. Действие одноименного иона и ионной силы раствора на равновесие диссоциации.

Константа диссоциации воды. Ионное произведение воды и его зависимость от температуры. Термодинамические характеристики диссоциации воды и структура ионов водорода и гидроксида. Водородный показатель и методы определения рН. Современные теории кислот и оснований. Зависимость кислотных и основных свойств элементов от их валентного состояния и размера иона (атома). Среда водных растворов кислот, оснований и солей. Гидролиз. Влияние температуры и одноименного иона на равновесие гидролиза. Необратимый гидролиз. Буферные растворы. Амфотерные электролиты. Использование термодинамических характеристик ионов для расчетов ионных равновесий и рН раствора. Определение направления ионной реакции.

Химия природных водных растворов (минеральные воды, океаническая вода и другие). Химические последствия кислотных дождей.

Равновесия в растворах комплексных солей. Ступенчатая диссоциация комплексного иона. Константа нестойкости комплексного иона. Расчет концентраций ионов в растворах комплексных солей. Двойные соли. Перенос веществ природными водами.

Дисперсные системы. Коллоидные растворы. Строение коллоидной частицы и мицеллы. Влияние способа получения коллоидного раствора на заряд коллоидной частицы. Коагуляция. Пептизация. Седиментация. Термодинамические и кинетические факторы устойчивости коллоидных систем. Коллоидные растворы в природных водах (реки, океаны).

Окислительно-восстановительные реакции. Составление уравнения окислительно-восстановительной реакции электронно-ионный способом подбора коэффициентов. Важнейшие окислители и восстановители. Реакции диспропорционирования и внутримолекулярного окисления-восстановления. Кинетика и механизм окислительно-восстановительных реакций. Окислительно-восстановительные реакции в природных процессах.

Направление окислительно-восстановительной реакции. Гальванический элемент. ЭДС и работа гальванического элемента. Термодинамические характеристики окислительно-восстановительной реакции. Зависимость ЭДС от температуры и концентраций ионов.

Кристаллическое состояние вещества и его отличия от других состояний. Ионные и молекулярные кристаллы. Кристаллическая решетка и ее типы. Энергия кристаллической решетки.

Превращения в кристаллических веществах. Термодинамическая и кинетическая устойчивость кристаллических систем и влияние на нее температуры. Превращения "графит- алмаз", "серое олово - белое олово" и другие простейшие твердофазные реакции.

Термодинамическое и кинетическое рассмотрение твердофазных реакций. Каталитическая активность кристаллических веществ.

Равновесие кристалл-газ. Энтальпии сублимации и атомизации.

Равновесие металл-раствор. Двойной электрический слой. Стандартный водородный электрод. Стандартный электродный потенциал. Обоснование положения металла в ряду напряжений. Определение направления окислительно-восстановительной реакции.

Основные вопросы электрохимии. Электрофорез и электродиализ. Электролиз. Порядок разряжения ионов и выделения вещества. Перенапряжение. Практическое использование электролиза. Коррозия и способы защиты от нее. Термодинамика и кинетика коррозии. Аккумуляторы. Химические источники тока.

Процессы образования и растворения кристаллической фазы в растворе. Растворимость веществ. Насыщенные и перенасыщенные растворы. Термодинамические и кинетические факторы образования и растворения осадков. Влияние температуры на растворимость. Методы определения растворимости. Связь энергии кристаллической решетки с растворимостью вещества. Энергия гидратации иона и ее влияние на растворимость. Изменение растворимости однотипных соединений при переходе по подгруппе периодической таблицы.

Равновесие между малорастворимым ионным кристаллом и его насыщенным раствором. Произведение растворимости. Условия образования и растворения осадка. Признаки веществ, для которых записывается выражение произведения растворимости. Влияние одноименного иона и величины ионной силы раствора на растворимость.

Теоретические основы качественного анализа. Принципы классификации катионов и анионов.

IV. Свойства элементов и их соединений
(Обзор химии элементов)

Положение элемента в периодической таблице.
Число протонов и нейтронов в ядре.
Сравнительная распространенность ядер в природе.
Распределение электронов по энергетическим уровням и подуровням.
Число энергетических электронных уровней атома элемента.
Число электронов на последнем энергетическом уровне.
Число неспаренных электронов в основном и возбужденном состояниях атома.
Валентность.
Простое вещество. Его строение.
Формулы оксидов, гидроксидов, кислородсодержащих кислот, водородных кислот, их солей и соединений с водородом, отвечающих валентным состояниям элемента.
Свойства водных растворов электролитов (среда раствора , гидролиз и т.п.)
Соединения с другими элементами (сульфиды, галогениды).
Строение наиболее важных молекул (типы связей, прочность связей, углы между связями, состояние гибридизации, электрические и магнитные свойства).
Сравнение свойств соединений элемента с аналогичными соединениями элементов данной и соседних групп.
Термодинамический и кинетический аспекты устойчивости соединений и реакций соединений рассматриваемого элемента.
Формы нахождения элемента в природе. Полезные ископаемые.
Переработка полезных ископаемых.
Технология получения важнейших соединений.
Использование соединений в промышленности.
Использование соединений в сельском хозяйстве.
Биологическое значение соединений.
Использование соединений в медицине.
Использование соединений в быту.
Опасность соединений данного элемента для человека и природы.

V. Заключение

Значение химии для жизни человека.
Роль химии в смежных науках. Пограничные науки: биохимия, геохимия, космохимия и другие.
Нерешенные проблемы химии.
Пути дальнейшего развития химии (биохимические технологии и другие).

Примерный список лабораторных работ

1. Правила работы в химической лаборатории. Определение атомной массы металла.
2. Тепловые эффекты химических реакций. Определение энтальпии нейтрализации кислоты и основания.
3. Скорость химических реакций. Зависимость скорости от концентрации реагирующих веществ.
4. Скорость химических реакций. Зависимость скорости от температуры.
5. Порядок химических реакций. Определение порядка каталитического разложения пероксида водорода.
6. Приготовление растворов. Титрование.
7. Свойства растворов. Криоскопическое определение мольной массы неэлектролита и степени диссоциации электролита.
8. Среда растворов кислот и оснований. Водородный показатель.
9. Среда растворов солей. Гидролиз.
10. Буферные растворы. Влияние среды раствора на состав иона.
11. Окислительно-восстановительные реакции.
12. Электродные потенциалы. Направление и константа равновесия окислительно-восстановительной реакции.
13. Электрохимия: электролиз, химические источники тока, коррозия.
14. Комплексные соединения. Растворы комплексных солей.
15. Коллоидные растворы.
16. Растворы малорастворимых электролитов. Произведение растворимости.
17. Самостоятельное выполнение исследовательского лабораторного задания (по выбору).

литература

Зайцев О.С. Химия. Современный краткий курс. Учебник. М.: Агар, 1997. 416 с.
Зайцев О.С. Задачи, упражнения и вопросы по химии. М.: Химия, 1996. 432 с.
Зайцев О.С. Исследовательский практикум по общей химии. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1994. 480 с.
Суворов А.В., Никольский Ф.Б. Общая химия. СПб: Химия, 1994. 624 с.
Глинка Н.Л. Общая химия. Любое последнее издание.
Общая химия. /Под ред. Е.М. Соколовской. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1980. 724 с.

Программу составил:
О.С.Зайцев, проф.
(Московский государственный университет)