МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
химический факультет
УТВЕРЖДАЮ
________________________
« ___» _____________________ 20 г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
«Теоретические основы общей химии»
Направление подготовки
020300 Химия, физика и механика материалов
Квалификация выпускника
бакалавр
Форма обучения
очная
Ростов‑на‑Дону
2010 г.
1. Цели освоения дисциплины «Теоретические основы общей химии»
В процессе изучения данной дисциплины впервые закладывается общенаучный и профессиональный фундамент, формируются основные приемы познавательной и практической деятельности будущих специалистов‑материаловедов.
Основной целью освоения дисциплины «Теоретические основы общей химии» является формирование базового химического мировоззрения на основе изучения теоретических основ общей химии и приобретения навыков работы в химической лаборатории, а именно:
- формирование представлений о фундаментальных понятиях, законах общей химии;
- формирование знаний о механизмах и общих закономерностях протекания химических процессов;
- формирование практических навыков по применению полученных знаний в профессиональной деятельности.
2. Место дисциплины «Теоретические основы общей химии» в структуре ООП бакалавриата
Курс «Теоретические основы общей химии» относится к вариативной части, курсы по выбору студентов, цикла профессиональных дисциплин ОПП по направлению 020300 - «Химия, физика и механика материалов».
Освоение дисциплины «Теоретические основы общей химии» основывается на знаниях, полученных в школьных курсах химии, физики, математики. В ходе освоения дисциплины «Теоретические основы общей химии» закладывается необходимый фундамент для последующего изучения неорганической химии s‑, p‑, d‑, f‑элементов в рамках дисциплин «Неорганическая химия элементов, части 1-я и 2-я»
Данный курс также является базовым для изучаемых позднее дисциплин «Аналитическая химия», «Физическая химия», «Кристаллохимия», «Структурная неорганическая химия», «Рентгенофазовый анализ».
3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины «Теоретические основы общей химии»
В результате изучения дисциплины «Теоретические основы общей химии» формируются частично следующие компетенции:
-наличие культуры мышления, способность к обобщению, анализу, восприятию информации, постановке цели и выбору путей её достижения (ОК-1);
использование основных законов естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применение методов математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования (ОК-10);
-наличие целостного представления о процессах и явлениях, происходящих в неживой и живой природе (ПК-2);
понимание основных возможностей и приобретение новых знаний с использованием современных научных методов и владение ими на уровне, необходимом для решения задач, имеющих естественнонаучное содержание и возникающих при выполнении профессиональных функций (ПК-8);
пониманием сущности и социальной значимости профессии, основных перспектив и проблем дисциплин, определяющих конкретную область деятельности (ПК-10);
способность формулирования задач, связанных с реализацией профессиональных функций, а также использование для их решения методов изученных наук (ПК-12);
грамотное использование профессиональной лексики; владение базовыми письменными и устными навыками одного из распространенных иностранных языков международного научного общения, способность к деловому общению в профессиональной сфере, знание основ делового общения, навыки работы в команде (ПК-17).
В результате освоения дисциплины обучающийся должен
знать: основы химической термодинамики, кинетические основы описания химических реакций, способы и механизмы их ускорения, учение о химическом равновесии и способах его смещения, основы теории растворов, элементы электрохимии.
уметь: использовать знания, умения и навыки в области теории и практики общей химии для освоения теоретических основ и методов исследований в области неорганических материалов, на основе термодинамических и кинетических представлений прогнозировать возможности протекания химических процессов, предлагать оптимальные условия проведения обратимых реакций; прогнозировать возможности протекания обменных реакций в растворах электролитов; обосновывать процессы при электролизе; сравнивать термодинамическую, окислительно‑восстановительную активность веществ.
владеть: профессионально профилированными знаниями и практическими навыками в области общей химии.
4. Структура и содержание дисциплины «Теоретические основы общей химии»
Общая трудоемкость дисциплины составляет 5 з. е.т. (180 часов), из них:
Лекции – 36 часов, Лабораторные работы – 36 часов,
Самостоятельная работа – 72 часа,
Экзамен – 36 часов.
№ п/п | Раздел дисциплины | Семестр | Неделя семестра | Виды учебной работы, включая самостоятельную работу студентов и трудоемкость (в часах) | Формы текущего контроля успеваемости (по неделям семестра). Формы промежуточной аттестации (по семестрам) | |||
Лекции | Лабораторные работы | Коллоквиумы | Самостоятельная работа | |||||
1. | Атомно‑молекулярное учение. Основные законы химии. | 1 | 1 | 2 | 2 | 4 на 3й неделе | 36 | зачеты по лабораторным работам (еженедельно), коллоквиум №1 по разделам 1.‑3. |
2. | Основы химической термодинамики. | 1 | 4 | 4 | ||||
3. | Основы химической кинетики. Учение о химическом равновесии. | 2 | 6 | 6 | ||||
4. | Растворы (физическая и химическая теории растворения, электролитическая диссоциация, гидролиз) | 1 | 3‑4 | 10 | 10 | 4 на 6й неделе | 36 | зачеты по лабораторным работам (еженедельно), коллоквиум №2 по разделам 4.‑6. |
5. | Элементы электрохимии. Окислительно‑восстановительные реакции. | 5 | 4 | 4 | ||||
6. | Основные классы неорганических соединений. | 5 | 2 | 2 | ||||
экзамен |
5. Образовательные технологии
С целью формирования профессиональных навыков обучающихся используются следующие образовательные технологии:
1. Лекция.
2. Лабораторный практикум.
3. Семинар в диалоговом режиме с элементами дискуссии (перед каждой практической работой).
4. Групповой разбор результатов коллоквиумов.
5. Групповые дискуссии – по результатам лабораторных работ.
6. Мозговой штурм ‑ участникам предлагают высказывать как можно большее количество вариантов решения, в том числе самых фантастичных. Затем из общего числа высказанных идей отбирают правильные.
6. Учебно‑методическое обеспечение самостоятельной работы студентов. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины «Теоретические основы общей химии»
6.1. Программа дисциплины
1. Основные понятия и законы химии
Предмет химии, ее место среди других наук. Атомно‑молекулярное учение. Понятие о структурной организации веществ. Простые и сложные вещества. Молекулярные и немолекулярные вещества, соединения переменного состава. Элементы структуры (атомы, молекулы, ионы). Единицы атомной массы. Стехиометрические законы (закон сохранения массы, закон постоянства состава, закон кратных отношений), закон Авогадро и следствия из него, газовые законы. Границы их применимости.
2. Химическая термодинамика
Термодинамика как наука. Термохимические уравнения. Экзо‑ и эндотермические реакции. Основные понятия термодинамики: система, фаза, состояние, параметры, уравнения и функции состояния. Внутренняя энергия системы. Первое начало термодинамики. Энтальпия. Закон Лавуазье‑Лапласа. Энтальпия образования вещества. Стандартные состояния веществ и термодинамических функций. Закон Гесса и следствия и него. Бертло. Энтропия. Второе и третье начала термодинамики. Свободная энергия Гиббса. Направление самопроизвольного протекания процессов в изолированных и изобарно‑изотермических системах (роль энтальпийного и энтропийного факторов, роль температуры).
3. Химическая кинетика и химическое равновесие
Предмет химической кинетики. Скорость химических реакций (на микро‑ и макроуровне, в гомо‑ и гетерогенных системах, истинное (мгновенное) и среднее значение скорости). Зависимость скорости химических реакций от концентраций реагирующих веществ. Закон действия масс. Константа скорости. Понятие о молекулярности и порядке реакции. Параллельные, последовательные, сопряженные и цепные реакции. Температурная зависимость скорости химической реакции. Правило Вант‑Гоффа. Температурный коэффициент скорости реакции. Энергетические диаграммы. Энергия активации, активный комплекс. Уравнение Аррениуса, физический смысл предэкспоненциального множителя. Катализ (гомогенный, гетерогенный, автокатализ). Понятие об ингибиторах, инициаторах, промоторах. Природа влияния катализатора на скорость химических реакций. Необратимые и обратимые реакции. Зависимость скорости реакции от природы реагирующих веществ, от площади контакта фаз.
Химическое равновесие (истинное и ложное). Константа равновесия, ее связь со стандартным изменением энергии Гиббса. Смещение равновесия, общая и частные формулировки принципа Ле Шателье, его обоснование и применение.
4. Растворы
Краткие сведения о дисперсных системах. Истинные растворы. Разбавленные, концентрированные, насыщенные, ненасыщенные и пересыщенные растворы. Растворение как физико‑химический процесс. Причины и механизм образования растворов. Сольватация, гидратация, энергия гидратации. Кристаллогидраты. Тепловые эффекты растворения в воде газообразных и кристаллических веществ. Растворимость. Зависимость растворимости от природы растворяемого вещества и растворителя, от внешних условий (температуры, давления (закон Генри), присутствия «посторонних» веществ). Кривые растворимости. Способы выражения концентрации растворов (массовая доля, процентная концентрация, молярность, нормальность, моляльность, мольная доля, коэффициент растворимости).
Электролитическая диссоциация. Механизмы диссоциации в растворе молекулярных и ионных веществ. Несовпадение понятий «растворение» и «диссоциация» для молекулярных веществ. Степень электролитической диссоциации. Сильные, слабые электролиты и неэлектролиты. Уравнения диссоциации кислот, оснований, солей. Константа электролитической диссоциации. Факторы, влияющие на степень диссоциации слабых электролитов (природа растворителя и растворенного вещества, температура, давление, разбавление раствора (закон разбавления ), влияние одноименных ионов). Произведение растворимости. Понятие о теории сильных электролитов: кажущаяся степень диссоциации, изотонический коэффициент, активность, коэффициент активности. Обоснование направления диссоциации в гидроксидах типа (НО)mЭОn на основе поляризационных представлений. Направление протекания обменных реакций в растворах электролитов.
Коллигативные свойства растворов. Давление пара над растворами, его зависимость от температуры. Замерзание и кипение растворов. Закон Рауля и следствия из него. Явление осмоса, закон Вант‑Гоффа для осмотического давления. Применение законов Рауля и Вант‑Гоффа к растворам электролитов и неэлектролитов. Границы их применимости.
Диссоциация воды. Ионное произведение воды. Водородный показатель (рН). Гидролиз солей. Константа гидролиза. Факторы, влияющие на глубину протекания гидролиза (температура, концентрация, разбавление); взаимное усиление гидролиза.
5. Элементы электрохимии
Природа возникновения скачка потенциала на границе металл‑растовор. Устройство и принцип действия гальванического элемента. Водородный электрод, его устройство и назначение. Стандартный электродный потенциал и факторы, влияющие на его величину. Уравнение Нернста. Ряд стандартных электродных потенциалов. Направление протекания окислительно‑восстановительных реакций.
Электролиз растворов и расплавов. Явление перенапряжения.
6.2. Примерные задачи, рекомендуемые для обязательного решения
К разделам 1‑3 Программы дисциплины (п.6.1), [7]:
№№ 36, 43, 44, 48, 53, 54, 57, 69, 75, 86, 87, 99, 101, 106, 124, 128, 129, 162
№№ 000, 290, 293, 303, 310, 315, 322, 324
№№ 000, 327, 332, 336, 337, 339, 340, 348, 352, 355, 366, 380, 381, 388
1. В сосуде объемом 4 л при 550°С находились пары серы (парциальное давление 42,7 кПа). В этот же сосуд добавили избыток фтора и после завершения реакции охладили сосуд до исходной температуры. Парциальное давление продукта реакции составило 256,5 кПа, а относительная плотность по метану оказалась равной 9,125. Определите состав молекул серы в парах при этой температуре, если известно, что в реакцию вступило 0,45 моль фтора.
2. При сжигании 1,24 г фосфора в сосуде объемом 1,25 л при 700°С получили 2,84 г оксида фосфора (V) и 0,1 моль газа, плотность которого по аргону равна 0,7. Определить молярную массу окислителя, его состав и написать уравнение реакции, если известно, что его парциальное давление до реакции составляло 646,85 кПа. Окислитель растворим в щелочах.
3. Пользуясь данными таблицы, выполните необходимые расчеты для сравнения термической устойчивости: а) воды и сероводорода; б) кислорода и озона; в) озона и оксида серы (IV).
2H2S + 3O2 ® 2H2O + 2SO2 | DHреакции = ‑1036 кДж |
H2S + O3 ® H2O + SO2 | DHреакции = ‑660 кДж |
DH°обр.(H2O) = ‑242 кДж/моль, | DH°обр.(SO2 ) = ‑297 кДж/моль |
4. Используя следующие данные, рассчитайте DH°обр. карбоната кальция:
Ca + 1/2O2 = CaO | DHреакции1 = ‑ 636 кДж |
CaC2 + 5/2O2 = CaO + 2CO2 | DHреакции 2= ‑ 1360 кДж |
C + O2 = CO2 | DHреакции3 = ‑ 394 кДж |
2CaCO3 + 5C = 2CaC2 + 3CO2 | DHреакции4 = 1106 кДж |
5. Рассчитайте DH° перехода графит‑алмаз, если DH° сгорания графита –393,5, а алмаза ‑ ‑395,4 кДж/моль.
6. Известно, что медь при нагревании взаимодействует с кислородом. Используя табличные данные, определите зависимость состава продуктов окисления от t:
S°, (Дж/моль. К) | DH°обр., (кДж/моль) | DG°обр., (кДж/моль) | |
Cu | 33 | 0 | 0 |
O2 | 205 | 0 | 0 |
Cu2O | 93 | ‑173 | ‑151 |
CuO | 43 | ‑162 | ‑129 |
7. Константа скорости реакции CH3COOC2H5 + NaOH = CH3COONa + C2H5OH при 10°C равна 2,38. Найти скорость реакции в начальный момент времени, если смешали а) 1 л 0,5 М раствора эфира и 1 л 0,5 М раствора щелочи; б) 1 л 1 М раствора эфира и 3 л 2 М раствора щелочи. Рассчитайте величину константы скорости реакции при 30°С, если ее температурный коэффициент равен 1,7.
8. В замкнутом сосуде установилось равновесие А + В Û С + Д. Температурные коэффициенты скоростей прямой и обратной реакций равны соответственно 2 и 2,5. Рассчитайте, во сколько раз изменятся скорости прямой и обратной реакций при повышении температуры в системе на 20°C. Сделайте вывод о направлении смещения равновесия. Что можно сказать о тепловом эффекте реакции?
9. Один из способов получения водорода основан на реакции CO + H2O Û CO2 + H2. Какие условия могли бы способствовать смещению химического равновесия в сторону образования водорода (как в результате каждого из предложенных воздействий изменятся скорости прямой и обратной реакций)?
10. Рассчитать, во сколько раз изменится скорость химической реакции А2(г) + 2В2(г) ® АВ2(г), если повысить давление в системе в 3 раза и одновременно понизить температуру на 400С. Температурный коэффициент скорости реакции равен 3. Используя следующие данные, рассчитайте DH°обр. сульфата цинка:
Zn + S = ZnS | DHреакции1 = ‑ 205 кДж |
2ZnS + 3O2 = 2ZnO + 2SO2 | DHреакции 2= ‑ 886 кДж |
C + O2 = CO2 | DHреакции3 = ‑ 394 кДж |
ZnSO4 = ZnO + SO2 +1/2O2 | DHреакции 4= 330 кДж |
11. Определите энтальпию гидратации серной кислоты до моногидрата по следующим данным:
SO2 = 1/8S8(тв) + O2 | DHреакции1 = 296,9 кДж |
SO3 = SO2 + 1/2O2 | DHреакции2 = 98,3 кДж |
Н2О(г) = Н2 + 1/2О2 | DHреакции3 = 241,8 кДж |
H2O(г) = H2O(ж) | DHреакции4 = ‑ 44 кДж |
SO3 + Н2О(ж) = H2SO4(ж) | DHреакции5 = ‑130,3 кДж |
1/8S8(тв) + 5/2O2 + 2Н2 = Н2SO4 H2O(ж) | DHреакции6 = ‑ 1128 кДж |
12. Оцените роль энтальпийного и энтропийного факторов в реакции синтеза аммиака из простых веществ. Учитывая высокую энергию химической связи в молекулах азота и водорода, предложите температурные условия для этой реакции.
S°, (Дж/моль. К) | DH°обр., (кДж/моль) | DG°обр., (кДж/моль) | |
N2 | 190 | 0 | 0 |
H2 | 131 | 0 | 0 |
NH3 | 193 | ‑46 | ‑47 |
13. В системе установилось равновесие NO2 Û N2O4, DH<0. Какие условия могли бы способствовать смещению химического равновесия в сторону образования димера? Как в результате каждого из предложенных воздействий изменятся скорости прямой и обратной реакций?
К разделам 4‑5 Программы дисциплины (п.6.1), [7]:
389, 391, 392, 393, 394, 397, 401, 403, 413, 415, 420, 423, 433, 446
460, 462, 466, 467, 470, 475, 478, 482
496, 501, 504, 506, 507, 509, 512, 514
533, 537, 541
552, 555, 562, 563, 564, вопросы для самоконтроля после каждой главы
652‑658, 660, 662, 664, 665, вопросы для самоконтроля 666‑670
672, 674, вопросы для самоконтроля 678‑685
687, 690
1. Считая концентрации и давления всех реагентов и продуктов стандартными, рассчитать, при каком рН электродные потенциалы полуреакций ClO‑/Cl2 и Cl2/Cl‑ будут равны?
2. Начиная с какой концентрации HCl возможна реакция восстановления оксида марганца (+4), если [Mn2+] в растворе составляет 10‑5 моль/л?
7. Учебно‑методическое и информационное обеспечение дисциплины «Теоретические основы общей химии»
Обучающиеся обеспечены доступом к электронно‑библиотечной системе, содержащей издания по основным изучаемым дисциплинам и сформированной на основании прямых договоров с правообладателями учебной и учебно‑методической литературы. Библиотечный фонд укомплектован печатными и (или) электронными изданиями основной учебной литературы по дисциплинам базовой части всех циклов, изданными за последние 10 лет, из расчета не менее 25 экземпляров таких изданий на каждые 100 обучающихся. Фонд дополнительной литературы включает официальные справочно‑библиографические и специализированные периодические издания в расчете одного‑двух экземпляров на каждые 100 обучающихся.
а) основная литература:
1. , Физико‑химические основы неорганической химии. М.: Изд‑во МГУ, 1984. 288 с.
2. Термодинамические аспекты неорганической химии. М.: Мир, 1985. 326с.
3. Неорганическая химия. Под ред. в 3х томах. Т.1. «Физико‑химические основы неорганической химии». М. АкадемА. 2004 г. 235 с.
4. Угай и неорганическая химия. М.: Высш. шк., 1997. 526 с.
5. Анорганикум. Под ред. Л. Кольдиц. Т.1.‑2. М. Мир. 1984. 337 с.
6. Хьюи Дж. Неорганическая химия. Строение вещества и реакционная способность. М.: Химия, 1987. 696 с.
7. Глинка. Задачи и упражнения но общей химии. Л. «Химия». 2004 г.
8. Лисневская пособие «Лабораторный практикум по общей и неорганической химии, часть 1 «Общая химия»».
б) дополнительная литература:
9. Хейт Дж. Основные законы химии: В 2 т. ‑ М.: Мир, 1987. ‑ Т. 1.‑652 с.
10. Ахметов и неорганическая химия. М.: Высш. шк., 1988. 639 с.
11. , Дракин и неорганическая химия. 3е изд. М.: Химия, 1994. 588 с.
12. Глинка химия. М. «Химия». 2007 г.
13. , , Тамм , упражнения и задачи по неорганической химии. М.: Изд‑во Моск. ун‑та, 1985. 180с.
14. Задачи и упражнения по общей химии. Под ред. . М., Высш. шк., 2003 г. 256 с.
8. Материально‑техническое обеспечение дисциплины «Теоретические основы общей химии»
Реализация учебной дисциплины осуществляется с использованием материально‑технической базы, обеспечивающей проведение всех видов учебных занятий, предусмотренных программой учебной дисциплины, и соответствующей действующим санитарным и противопожарным правилам и нормам.
Имеется необходимый для реализации дисциплины «Теоретические основы общей химии» перечень материально‑технического обеспечения, включающий в себя:
· лекционные аудитории;
· лаборатории для проведения практических занятий;
· аудитории для семинарских занятий;
Имеющаяся материальная база обеспечена:
· различной аппаратурой для демонстрации иллюстративного материала (для проведения лекций);
· химическими реактивами, лабораторной посудой и учебно‑научным оборудованием (для выполнения лабораторных работ).
Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом рекомендаций и ПрООП ВПО по направлению и профилю подготовки
Автор: ст. преп. кафедры общей и неорганической химии химического факультета ЮФУ, к. т.н.
Рецензент: доцент кафедры органической химии химического факультета ЮФУ, к. х.н.
Программа одобрена на заседании УМК химического факультета ЮФУ от _24.12. 2010 года, протокол №_8_
