4. Содержание и структура дисциплины (модуля)

4.1. Содержание разделов дисциплины

1 Семестр

1. Введение

1. Химия как система знаний о веществах и их превращениях.

1.1. Теория и эксперимент в химии.

1.1.1. Различные уровни химической теории. Информационные системы.

1.1.2. Система приоритетов в развитии химии.

1.1.3. Основные проблемы современной неорганической химии.

1.1.4. Номенклатура неорганических соединений.

1.1.5. Русская номенклатура неорганических соединений (кислород, окисел, гидроокись, вода, щелочь, перекись водорода, сернокислый, хлористый и т.д.).

1.1.6. Международная номенклатура.

1.1.7. Химия и экология.

2. Физико-химические основы неорганической химии.

2.1. Строение атома.

2.1.1. Развитие представлений о строении атома: Модель Резерфорда, теория Бора. Современные представления о строении атома. Принцип неопределенности Гейзенберга, уравнение Де-Бройля. Волновая функция. Уравнение Шредингера.

2.1.2. Понятие о квантовых числах. Атомные орбитали. Порядок заполнения электронами атомных орбиталей. Принцип Паули. Правило Хунда.

2.1.3. Электронные формулы. Заряд ядра атома.

2.1.4. Экранирование заряда ядра электронами.

3. Периодический закон и периодическая система Д.И. Менделеева.

3.1. Открытие Периодического закона Д.И. Менделеевым (1869 г.).

3.1.1. Современная формулировка Периодического закона.

3.1.2. Периодичность в изменении электронной конфигурации атомов.

3.1.3. Короткопериодная и длиннопериодная формы Периодической системы.

3.1.4. Типические элементы. Главные и побочные подгруппы. Менделеевский принцип монотонности изменения химических свойств от типических элементов к элементам главной подгруппы.

3.1.5. Переходные элементы. Лантаниды и актиниды, их размещение в Периодической системе. Сверхтяжелые элементы.

3.1.6. Границы Периодической системы. Магические числа протонов и нейтронов.

3.1.7. Периодически изменяющиеся свойства элементов, их связь со строением электронных оболочек атомов: радиусы атомов, энергия ионизации, сродство к электрону, электроотрицательность, закономерности в изменении этих величин.

3.1.8. Периодический закон Д.И. Менделеева как основа развития неорганической химии, его философское значение.

4. Химическая связь.

4.1. Развитие представлений о валентности и химической связи. Формальная характеристика валентности  степень окисления.

4.1.1. Ионная связь. Размеры положительно и отрицательно заряженных ионов, Ненаправленность и ненасыщаемость ионных связей.

4.1.2. Ковалентная связь. Основные положения метода валентных связей (МВС). Понятие о гибридизации орбиталей. Основные типы гибридизации (sp, sp², sp³, sp³d, sp³d², dsp²), пространственная конфигурация молекул и ионов. Направленность и насыщаемость ковалентных связей. Одинарные и кратные связи.

4.1.3. Влияние неподеленных электронных пар на геометрию ковалентных молекул. Модель Гиллеспи. Координационная и дативная связи как формы ковалентной полярной связи.

4.1.4. Основные положения метода молекулярных орбиталей (МО ЛКАО). Связывающие, разрыхляющие и несвязывающие орбитали. Сигма- и пи-связь.

4.1.5. Двухцентровые двухэлектронные МО. Корреляционные диаграммы. Энергетические диаграммы МО двухатомных гомоядерных молекул, образованных элементами первого и второго периодов. Прочность связи, энергия ионизации, магнитные и оптические свойства молекул. Энергетические диаграммы простейших гетероядерных молекул (HF, CO, NO). Полярность связи. Понятие о трехцентровых двух- и четырехэлектронных МО. Электронодефицитные связи. Водородная связь.

4.1.6. Сочетание ковалентного и электростатического взаимодействия атомов в реальных соединениях (полярная связь). Эффективный заряд на атомах в полярных соединениях. Различия в физических свойствах веществ с ионной, полярной и ковалентной связью (температура кипения, плавления, величина растворимости в полярных и неполярных растворителях).

4.1.7. Межмолекулярное взаимодействие, его природа.

4.1.8. Понятие о поляризации ионов. Зависимость поляризуемости и поляризующего действия катионов и анионов от размеров, величины заряда иона и строения его электронной оболочки.

5. Основы химии твердого тела.

5.1. Основные понятия кристаллохимии.

5.2. Энергия и симметрия кристаллической структуры.

5.3. Элементарная ячейка. Основные типы элементарных ячеек и координационных полиэдров. Островные, слоистые и каркасные структуры.

5.4. Химическая связь в кристаллах (атомная, молекулярная, ионная кристаллическая структура).

5.5. Понятие о зонной теории кристаллического состояния.

5.5.1. Зона проводимости, валентная зона, запрещенная зона.

5.5.2. Зонная структура диэлектриков, полупроводников, веществ с металлической проводимостью. Основные типы атомных дефектов в кристаллах (разупорядочение типа Шоттки и Френкеля). Нестехиометрические соединения. Бертоллиды и дальтониды (Н.С. Курнаков). Модифицирование зонной структуры и свойств твердых веществ путем изменения природы дефектов и их концентрации (хлорид натрия, сульфид свинца). Реальная структура материалов.

6. Комплексные (координационные) соединения.

6.1. Координационная теория Вернера как первая удачная попытка теоретического объяснения строения комплексных соединений (КС).

6.1.1. Основные положения координационной теории: центральный атом и лиганды, внешняя и внутренняя сфера, координационное число, ядро комплекса, его заряд, главная и побочная валентности. Дентатность лигандов.

6.1.2. Успешное предсказание А.Вернером числа изомеров октаэдрических комплексов кобальта (III).

6.2. Природа химической связи в КС. Сочетание электростатического и ковалентного взаимодействия центрального атома (или иона) с лигандами. Понятие о кислотах и основаниях Льюиса.

6.2.1. Вернеровская и современная номенклатура КС.

6.3. Строение КС с позиций МВС. Низкоспиновые и высокоспиновые комплексы. Гибридизация орбиталей центрального атома при образовании октаэдрических, тетраэдрических и квадратных комплексов.

6.3.1. Основные положения теории кристаллического поля (ТКП).

6.3.2. Расщепление d-орбиталей центрального атома в кристаллическом поле октаэдрического, тетраэдрического и квадратного комплекса. Спин-спаренные и спинсвободные комплексы.

6.3.3. Энергия расщепления и энергия спаривания.

6.3.4. Изменение энергии стабилизации кристаллическим полем в ряду переходных элементов для октаэдрических и тетраэдрических комплексов, образованных лигандами сильного и слабого поля.

6.3.5. Связь величин расщепления с окраской КС. Использование ТКП для объяснения магнитных свойств КС.

6.3.6. Спектрохимический ряд лигандов. Использование ТКП для описания строения нормальных и обращенных шпинелей. Понятие об эффекте Яна-Теллера.

6.4. Представление о теории поля лигандов.

6.4.1. Энергетические диаграммы для гексаамминкобальта (III) и гексафторокобальтата (III). - и -донорно-акцепторные связи.

6.4.2. Величина расщепления в теории поля лигандов. Несвязывающие орбитали.

6.4.3. Возможность -дативного взаимодействия d-электронов центрального атома со свободными (разрыхляющими) орбиталями лиганда.

6.5. Сравнение возможностей метода валентных связей, теории кристаллического поля и теории поля лигандов в описании строения КС.

6.6. КС с неорганическими и органическими полидентатными лигандами. КС элементов-металлов с аминокислотами на примере этилендиаминтетраацетата (комплексоната) кальция. Хелаты. Правило циклов Чугаева.

6.7. Кластеры (на примере низших галогенидов молибдена) и многоядерные комплексы (на примере карбонилов переходных элементов). -комп-лексы (на примере ферроцена). Соединения включения (клатраты). Супра-молекулярные соединения.

6.8. Константа устойчивости  важнейшая характеристика КС.

6.8.1. Зависимость константы устойчивости от величины заряда и радиуса центрального иона, его электронной конфигурации (на примере гексаамминкобальта (II) и гексаамминкобальта (III), а также гексацианоферрата (II) и гексацианоферрата (III)).

6.8.2. Представление о кинетически лабильных и инертных комплексах.

6.8.3. Геометрическая и оптическая изомерия инертных комплексов.

6.8.4. Эффект трансвлияния Черняева.

6.9. Роль КС в природе (ферменты, хлорофилл, гемоглобин, комплексные соединения микроэлементов в питании растений, лекарства и яды).

6.10. Использование КС в технологии, сельском хозяйстве и медицине (разделение и очистка смесей неорганических соединений, борьба с хлорозом растений, противоопухолевое действие комплексов платины и других элементов). Летучие КС и их роль в неорганическом синтезе (тонкие пленки, гетероструктуры).

7. Начала химической термодинамики.

7.1. Химические процессы на микро- и макроуровнях. Важнейшие признаки химических превращений.

7.1.1. Понятие о химических превращениях в необычных условиях: плазмохимия, звуко- и механохимия, криохимия, лазерная химия.

7.2. Основные понятия химической термодинамики: система, параметры состояния, работа, энергия, теплота.

7.2.1. Внутренняя энергия и ее изменение при химических и фазовых превращениях.

7.3. Первое начало термодинамики. Энтальпия образования химических соединений. Стандартное состояние. Стандартные энтальпии образования.

7.3.1. Тепловые эффекты химических реакций. Термохимические расчеты, основанные на законе Гесса.

7.3.2. Термохимические циклы. Теплоемкость. Температурная зависимость теплоемкости и энтальпии.

7.3.3. Уравнение Кирхгофа. Энергия химической связи.

7.3.4. Понятие об использовании химических и фазовых превращений в неорганических системах для регенерирования, хранения и транспортировки энергии. Водородная энергетика.

7.4. Второй закон термодинамики.

7.4.1. Энтропия. Зависимость энтропии от температуры. Стандартная энтропия. Изменение энтропии при фазовых переходах и химических реакциях.

7.4.2. Энергия Гиббса и энергия Гельмгольца.

7.4.3. Критерии самопроизвольного протекания процессов. Химический потенциал, зависимость химического потенциала от концентрации, давления реагентов.

7.4.4. Условия химического равновесия. Изотерма химической реакции.

7.5. Константа химического равновесия как мера глубины протекания процессов.

7.5.1. Использование значений стандартной энтальпии и энтропии для расчета констант равновесия химических реакций.

7.5.2. Факторы, влияющие на величину константы равновесия.

7.5.3. Смещение химического равновесия, принцип Ле Шателье.

8. Кинетика и механизм химических реакций.

8.1. Скорость химической реакции, факторы, влияющие на скорость реакции.

8.1.1. Порядок и молекулярность реакции. Кинетика реакций в гомогенных системах.

8.1.2. Понятие о теории активных соударений, активированном комплексе в теории абсолютных скоростей реакции.

8.1.3. Цепные (Н.Н. Семенов) и колебательные (Б.П. Белоусов, А.М. Жаботинский) реакции. Гомогенный и гетерогенный катализ.

8.1.4. Аутокатализ.

8.2. Формальная кинетика, кинетические уравнения для односторонних реакций I и II порядка. Методы определения порядка реакции и константы скорости.

8.3. Зависимость скорости реакции от температуры.

8.3.1. Уравнение Аррениуса.

8.3.2. Энергия активации (действительная и кажущаяся), методы ее определения.

8.4. Особенности кинетики гетерогенных реакций.

9. Растворы.

9.1. Растворы жидкие (водные и неводные), твердые и газообразные.

9.1.1. Способы выражения концентрации растворов: массовая доля, молярность, нормальность, моляльность, молярная доля.

9.1.2. Растворы насыщенные, ненасыщенные и пересыщенные, концентрированные и разбавленные. Зависимость растворимости от температуры.

9.1.3. Растворы идеальные и реальные.

9.2. Раствор как фаза переменного состава. 9.2.1.Понятие о фазовых диаграммах, компонентах, фазах, степенях свободы.

9.2.2. Правило фаз Гиббса.

9.2.3. Фазовые диаграммы однокомпонентных систем на примере диаграммы состояний воды.

9.2.4. Основные типы фазовых диаграмм двухкомпонентных систем: системы с неограниченной растворимостью, эвтектические системы, системы, включающие конгруэнтно и инконгруэнтно плавящиеся химические соединения.

9.2.5. Понятие о коллоидных растворах.

9.3. Коллигативные свойства растворов неэлектролитов и электролитов.

9.3.1. Давление пара бинарных растворов.

9.3.2. Законы Рауля. Криоскопия и эбулиоскопия как методы определения молярных масс.

9.3.3.Осмос и осмотическое давление в неорганических и биологических системах.

9.3.4. Законы Рауля и Вант-Гоффа для растворов неэлектролитов и электролитов.

9.3.5. Изотонический коэффициент.

9.3.6. Процесс замерзания воды и водных растворов. Криогидрат и криогидратная точка. Выветривание кристаллогидратов солей. Расплывание обезвоженных солей во влажной атмосфере.

9.4. Электролитическая диссоциация (С. Аррениус).

9.4.1. Сильные и слабые электролиты.

9.4.2. Степень и константа диссоциации. Факторы, влияющие на степень электролитической диссоциации. Кажущаяся степень диссоциации сильных электролитов.

9.4.3. Диссоциация слабых электролитов. Закон разведения Оствальда.

9.5. Вода как важнейший растворитель.

9.5.1. Константа диссоциации воды.

9.5.2. Ионное произведение воды.

9.5.3. Водородный показатель.

9.6. Современные теории кислот и оснований. Основные положения протолитической теории Бренстеда-Лоури.

9.6.1. Сопряженные кислоты и основания.

9.6.2. Константа протолитического равновесия как характеристика силы кислоты и основания. Кислоты и основания Льюиса. Концепция «мягких» и «жестких» кислот и оснований.

9.6.3. Гидролиз и сольволиз солей.

9.6.4. Константа равновесия реакции гидролиза.

9.6.5. Факторы, влияющие на равновесие реакций гидролиза.

9.7. Буферные системы, механизм их действия.

9.8. Произведение растворимости плохорастворимых сильных электролитов.

9.8.1. Условия осаждения и растворения осадков, влияние одноименных и посторонних ионов на растворимость

10. Электрохимические свойства растворов.

10.1. Сопряженные окислительно-восстановительные пары.

10.1.1. Понятие о двойном электрическом слое. Электроды, гальваническая ячейка.

10.1.2. Электродный потенциал. Стандартный электродный потенциал.

10.1.3. Ряд напряжений.

10.2. Определение направления окислительно-восстановительных реакций.

10.2.1. Уравнение Нернста.

10.2.2. Диаграммы Латимера. Понятие о диаграммах окислительных состояний (диаграммы “вольт-эквивалент  степень окисления”).

10.2.3. Зависимость электродного потенциала от рН среды.

10.3. Электролиз, электрохимические источники энергии, коррозия как электрохимический процесс.

11. S-элементы I и II групп

11.1.Восстановительная активность щелочных и щелочноземельных металлов.

11.2. Методы получения щелочных металлов и металлов II А группы.

11.3. Оксиды, гидроксиды, соли.

11.4. Гидроксиды щелочных металлов и металлов II A группы.

11.5. Химические свойства s-элементов I и II групп.

12. Свойства химических элементов.

12.1. Особенности химии элементов - неметаллов.

12.2. Общая характеристика галогенов.

12.2.1. Строение двухатомных молекул галогенов. Изменение энергии связи галогенгалоген и химической активности в ряду двухатомных молекул галогенов. Влияние изменения межмолекулярного взаимодействия по ряду фториод на агрегатное состояние галогенов.

12.2.2. Химические свойства галогенов в молекулярном состоянии, взаимо-действие с металлами и неметаллами. Солеобразные галогениды, галогенан-гидриды. Межгалогенные соединения. Аналогия в химических свойствах галогенов и межгалогенных соединений. Полигалогениды. Порядок вытеснения галогенов из растворов их галогенидов, иллюстрация этих процессов величинами окислительно-восстановительных потенциалов.

12.2.3. Получение галогенов в лаборатории и промышленности. Химические и электрохимические методы. Токсичность галогенов. Правила техники безопасности при работе с галогенами. Применение галогенов.

12.2.4. Галогеноводороды, их физические и химические свойства. Изменение в ряду фтороводородиодоводород прочности и типа связи водородгалоген, термической устойчивости и восстановительных свойств галогеноводородов. Термодинамические характеристики галогеноводородов. Способы получения галогеноводородов. Цепная реакция синтеза хлороводорода. Получение галогеноводородов из солеобразных галогенидов и из галогенангидридов.

12.2.5. Растворы галогеноводородов в воде, изменение силы галогеноводородных кислот в ряду HFHJ.

12.2.6. Соляная кислота как одна из важнейших минеральных кислот, ее свойства, получение в промышленности и применение. Плавиковая кислота, особенности ее строения, применение. Гидрофториды. Травление стекла плавиковой кислотой и газообразным фтороводородом. Техника безопасности при работе с фтороводородом и его растворами.

12.3. Кислородные соединения галогенов  оксиды и кислородсодержащие кислоты. Изменение их устойчивости в ряду фториод.

12.3.1. Взаимодействие галогенов с водой: сольватация и клатратообразование, гетеролитическое разложение. Изменение состава продуктов этого взаимодействия в ряду фториод. Термодинамические и кинетические характеристики процессов взаимодействия галогенов с водой. Влияние концентрации водородных ионов на равновесие реакции галогенов с водой.

12.3.2. Хлорноватистая кислота, ее соли  гипохлориты. Жавелевая вода. Хлорная известь. Хлористая, хлорноватая, хлорная кислоты и их соли: хлориты, хлораты, перхлораты. Способы получения.

12.3.3. Оксиды хлора  Cl₂O, ClO₂, ClO₃, Cl₂O₇, их термическая неустойчивость. Оксиды брома и иода.

12.3.4. Кислородсодержащие кислоты брома, иода и их соли, состав, свойства. Неустойчивость кислородных кислот и оксидов брома. Получение бромной кислоты. Иодные кислоты, их гидратные формы. Получение иодных кислот и их солей.

12.4. Применение соединений элементов семнадцатой группы.

13. Водород  первый элемент Периодической системы Д.И. Менделеева.

13.1. Проблема размещения водорода в Периодической системе.

13.2. Свойства водорода, характерные как для элементовнеметаллов (легкий аналог галогенов), так и для элементовметаллов (легкий аналог щелочных элементов.

13.3. Особенности строения атома водорода. Изотопы водорода  протий, дейтерий и тритий. Значение изотопов водорода для ядерной техники. Распространенность водорода, формы его нахождения в природе. Валентные состояния водорода.

13.4. Молекулярный водород, физические и химические свойства.

13.4.1. Атомарный водород. Проблема металлоподобного водорода.

13.4.2. Лабораторные и промышленные способы получения водорода. Хранение водорода.

13.4.3. Техника безопасности при работе с водородом.

13.4.4. Применение водорода.

13.5. Гидриды  соединения водорода с металлами и неметаллами. Гидриды с ковалентным, ионным и промежуточными типами связей.

13.5.1. Водородная связь, ее влияние на строение и свойства водородсодержащих соединений.

13.5.2. Гидриды с трехцентровой связью. Растворимость водорода в металлах. Химические аккумуляторы водорода (сплав “лантанникель5”). Физические и химические свойства гидридов. Получение и применение гидридов.

13.6. Вода как важнейшее соединение водорода. Роль воды в биосфере и геосфере. Строение молекулы воды.

13.6.1. Ассоциация молекул воды за счет водородных связей. Цепная реакция синтеза воды. Разложение воды под действием радиации.

13.6.2. Физические и химические свойства обычной и тяжелой воды. Термическая диссоциация воды.

13.6.3. Проблемы очистки воды. Получение химически чистой воды.

13.7. Пероксид водорода. Строение, термическая устойчивость и кислотная диссоциация. Окислительно-восстановительные свойства пероксида водорода. Способы получения и применение пероксида водорода в технике, технологии, медицине.

13.8. Надкислоты, соли надкислот. Их строение, свойства и применение на примере надсерных кислот. Пероксиды металлов как производные пероксида водорода.

14. Шестнадцатая группа Периодической системы Д.И. Менделеева.

14.1. Общая характеристика кислорода.

14.2. Роль кислорода как самого распространенного элемента в биологических и минеральных процессах на Земле.

14.3. Строение молекулы кислорода с позиций методов ВС и МО. Парамагнетизм молекулярного кислорода, физические и химические свойства молекулярного кислорода. Строение иона О₂⁺ (метод МО).

14.4. Получение кислорода в лаборатории и промышленности. Жидкий кислород. Применение молекулярного кислорода.

14.5. Важнейшие кислородные соединения  оксиды элементов-металлов и элементов-неметаллов, гидроксиды металлов, кислородсодержащие кислоты и их соли.

14.5.1. Типы химической связи в оксидах, гидроксидах, кислородсодержащих кислотах различных элементов.

14.5.2. Оксиды элементов-металлов с переменной степенью окисления.

14.5.3. Нестехиометрические оксиды.

14.5.4. Химические и физические свойства оксидов. Оксидные бронзы.

14.6. Пероксиды и надпероксиды, их получение, свойства и применение. Строение ионов О₂^ и О₂^2 с точки зрения метода МО.

14.7. Озон, его свойства, строение, получение. Применение для озонирования воды и воздуха, в качестве окислителя в синтезе. Озониды, их получение, свойства и применение.

14.8. Общая характеристика элементов подгруппы серы.

14.8.1. Водородные соединения серы, селена, теллура, химические и физические свойства, получение и применение.

14.8.2. Изменение строения, термической и окислительно-восстановительной устойчивости, термодинамических характеристик в ряду вода  сероводород  селеноводород  теллуроводород.

14.8.3. Изменение кислотно-основных свойств водных растворов водородных соединений в том же ряду.

14.9. Многосернистый водород, получение и свойства (полисульфаны).

14.10. Токсичность водородных соединений серы, селена, теллура. Правила техники безопасности при работе с ними.

14.11. Халькогениды металлов (сульфиды, селениды, теллуриды), получение и свойства. Гидросульфиды и полисульфиды металлов. Сульфиды металлов как важнейшее минеральное сырье. Использование халькогенидов металлов в качестве полупроводников.

14.12. Кислородные соединения серы, селена, теллура со степенью окисления (IV).

14.12.1. Способы получения, строение и свойства оксидов (IV) элементов подгруппы серы. Изменение термической устойчивости и окислительно-восстановительных свойств в ряду оксид серы (IV) (сернистый газ)  оксид селена (IV)  оксид теллура (IV).

14.12.2. Сернистая кислота, строение, получение, свойства.

14.12.3. Сульфиты и гидросульфиты, термическая устойчивость, окислительно-восстановительные свойства, гидролиз в водных растворах. Таутомерия гидросульфит-иона.

14.13. Сравнение свойств сернистой, селенистой и теллуристой кислот и их солей.

14.14. Хлористый тионил  галогенангидрид сернистой кислоты, получение, строение, свойства.

14.15. Тиосернистая, тиосерная, гидросернистая, политионовые кислоты  состав, свойства. Получение, строение и свойства тиосульфата натрия. Гомоядерные цепи в политионатах.

14.16. Кислородные соединения серы, селена, теллура со степенью окисления (VI).

14.16.1. Изменение термической устойчивости и термодинамических характеристик оксидов (VI) элементов в ряду серателлур.

14.17. Оксид серы (VI) (серный ангидрид), его строение, физические и химические свойства. Физико-химические параметры процесса получения серного ангидрида окислением сернистого газа кислородом.

14.17.1. Серная кислота  важнейшая из минеральных кислот, ее применение. Строение и свойства серной кислоты. Основные принципы промышленных методов получения серной кислоты  контактного и нитрозного. Нитрозил-серная кислота.

14.17.2. Олеум. Сульфаты и гидросульфаты. Влияние природы катиона элемента-металла на термическую устойчивость сульфатов.

14.18. Сравнение свойств серной, селеновой и теллуровой кислот и их солей. Особенности состава и строения теллуровой кислоты. Проявление вторичной периодичности в свойствах кислородных соединений элементов подгруппы серы.

14.19.Сравнение кислотных, окислительно-восстановительных свойств и термической устойчивости серной и сернистой кислот.

14.20. Замещение в H₂SO₄: концевого атома кислорода на серу (тиосульфаты), пероксогруппу (моно- и динадсерная кислоты), гидроксильной группы на мостиковый кислород (пиросульфат и полисульфаты), на галоген (SO₂Cl₂, HSO₃F).