Программа учебной дисциплины химия, Калуга, 2013 г (стр. 2 )

Лекции

1. Основные понятия и законы химии – 2 часа.

Предмет химии. Уровни организации вещества, изучаемые химией: атомы, молекулы, конденсированные системы. Место химии в системе наук. Связь химии с биологией, физикой и другими науками о природе.

Возникновение и развитие атомно-молекулярного учения. Закон сохранения массы и энергии и его значение в химии. Закон постоянства состава Пруста. Границы применимости этих законов. Закон Авогадро и выводы из него. Атомы и молекулы, их размер и массы. Относительные атомные и молекулярные массы, число Авогадро. Моль – единица количества вещества. Молярная масса. Молярный объем газа. Химический элемент. Простые вещества. Аллотропия. Сложные вещества как форма существо­вания элементов в соединении. Химические реакции и их классификация по характеру взаимодействия реагирующих веществ. Значение химии в технологических процессах.

2. Строение вещества – 4 часа.

Экспериментальные обоснования представлений об атоме как сложной системе. Развитие представлений о строении атома. Корпускулярно-волновой дуализм частиц. Принцип неопределенности Гейзенберга. Понятие о волновом уравнении Шредингера для стационарных состояний. Квантово-механическая модель атома водорода. Квантовые числа как параметры, определяющие состояние электрона в атоме. Главное, орбитальное, магнитное, спиновое квантовые числа. Понятие об электронном облаке.

Атомные орбитали (АО). Вид атомных s, p, d-орбиталей. Емкость электронных слоев. Многоэлектронные атомы. Заряды ядер атомов. Три принципа заполнения орбиталей в атомах: принцип наименьшей энергии, принцип запрета Паули, правило Гунда, порядок заполнения атомных орбиталей (правило Клечковского). Электронные формулы. Символическая и графическая форма записи электронных формул.

Периодический закон . Общие закономерности изменения свойств атомов, связанные с положением элемента в периодической системе.

Краткий очерк эволюции взглядов на сущность химической связи. Основные характеристики химической связи: длина, энергия, направленность. Основные типы химической связи.

Ковалентная связь. Метод валентных связей (МВС). Физическая идея метода: образование двухцентровых двухэлектронных связей. Два механизма образования ковалентной связи: обменный и донорно-акцепторный механизм. у и р-cвязи. Свойства ковалентной связи: насыщаемость, направленность, поляризуемость. Гибридизация АО. Типы гибридизации и геометрии молекул. Теория направленных связей. Полярность связей и полярность молекул в целом. Дипольный момент связи. Кратность связи. Факторы, влияющие на прочность связи.

Метод молекулярных орбиталей (ММО). Физическая идея метода; делокализация электронной плотности между всеми ядрами. Энергетические диаграммы молекулярных орбиталей для бинарных гомоядерных молекул, σ- и π- молекулярные орбитали. Диа - и паромагнитные молекулы.

Ионная связь. Катионы и анионы в молекулах и твердых телах. Свойства ионной связи: ненасыщаемость и ненаправленность. Область применимости ионной модели, ионные кристаллические решетки.

Газообразное, жидкое, твердое и плазменное состояния вещества.

3. Основы химической термодинамики и химической кинетики - 6 часов.

Термодинамические системы и параметры. Первый закон термодинамики. Изменение внутренней энергии системы. Энтальпия. Термохимия. Тепловой эффект химической реакции. Закон Гесса. Второй закон термодинамики. Понятие об энтропии.  Роль энтальпийного и энтропийного факторов в направленности процессов при различных условиях. Термодинамические потенциалы (энергия Гиббса, энергия Гельмгольца), как критерии самопроизвольности химического процесса.

Необратимые и обратимые химические реакции, условия обратимости и необратимости химических процессов. Химическое равновесие. Константа химического равновесия. Принцип Ле-Шателье. Смещение химического равновесия при изменении концентрации реагирующих веществ, давления, температуры.

Скорость химической реакции, её количественное выражение. Истинная и средняя скорость. Факторы, влияющие на скорость химических реакций. Зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ. Закон действия масс. Его применение для гомогенных и гетерогенных систем. Зависимость скорости реакции от температуры, температурный коэффициент скорости  реакции, правило Вант-Гоффа.  Понятие об активных молекулах и энергии активации процесса, уравнение Аррениуса. Понятие диффузии и адсорбции.  Катализ. Влияние катализаторов на скорость реакций, виды катализа: гомогенный, гетерогенный и микрогетерогенный катализ, автокатализ,  понятие об ингибиторах. Использование катализа в промышленности.

4. Процессы в растворах – 4 часа.

Физико-химические процессы при образовании растворов. Сольватация (гидратация). Термодинамика процесса растворения. Связь теплоты растворения вещества с энергией кристаллической решетки и теплотой гидратации молекул вещества и продуктов его диссоциации. Способы выражения количественного состава растворов. Коллигативные свойства растворов. Закон Рауля для неэлектролитов. Следствия из закона Рауля.

Основные положения теории электролитической диссоциации С. Аррениуса. Степень электролитический диссоциации. Сильные и слабые электролиты. Факторы, влияющие на степень диссоциации. Закон разбавления Оствальда. Ступенчатая диссоциация. Электролитическая диссоциация воды. Ионное произведение воды. Водородный показатель.

Элементы теории сильных электролитов Дебая-Хюккеля. Электропроводность растворов электролитов. Подвижность ионов. Кондуктометрия. Реакции в растворах электролитов. Гидролиз солей. Различные случаи гидролиза солей. Степень и константа гидролиза.

Лабораторные работы

1. Техника безопасности. Строение атома. Химическая связь – 2 часа.

Цель работы: изучить состава атома, описание расположения электронов в атоме с помощью квантовых чисел, составление полных и кратких электронных формул элементов; изучение видов химической связи, влияния типа связи на свойства веществ; расчет параметров элементарной ячейки кристалла.

Задачи: объяснить образования σ и π-связей, их особенностей, записать молекулярные структурные и электронные формул, уметь обозначать распределение электронной плотности в молекуле; определить вид химической связи; определить тип кристаллической решетки в простых и сложных веществах;  уметь составлять характеристики элемента по порядковому номеру; моделировать пространственное строение молекул с использованием метода валентных связей; изучить основные типы элементарных ячеек; работа с моделями элементарных ячеек и основных типов кристаллических решеток.

2. Окислительно-восстановительные реакции  - 2 часа.

Цель работы: сформировать основные знания о  процессах окисления и восстановления и научиться составлять химические уравнения на основе электронной теории валентности.

Задачи: изучить важнейшие окислители и восстановители. Изучить  влияние характера среды на продукты окислительно-восстановительной реакции. Изучить окислительно-восстановительную двойственность пероксида водорода.

3. Термодинамические расчеты химических реакций -4 часа.

Цель работы: научить прогнозировать направление протекания реакций и рассчитывать равновесные концентрации реагентов и продуктов.

Задачи: определить тепловой эффект химической реакции; уметь рассчитывать энергии Гиббса и термодинамической константы равновесия химической реакции; изучить влияния различных факторов на положение равновесия; уметь разъяснять на конкретных примерах способы смещения химического равновесия, применять принцип Ле-Шателье; уметь записывать константы равновесия для гомогенных и гетерогенных реакций.

4. Скорость химических реакций - 2 часа.

Цель работы: научить выводить зависимость скорости химической реакции взаимодействия гипосульфиту натрия с серной кислотой от температуры и концентрации гипосульфита натрия.

Задачи: изучить зависимость скорости реакции от различных факторов; вычислить кинетические параметры реакций 1-го и 2-го порядков; уметь рассчитывать энергию активации процесса.

5. Растворы неэлектролитов - 3 часа.

Цель работы: ознакомить с основными свойствами растворов неэлектролитов.

Задачи: изучить способы выражения концентрации растворов, коллигативных свойств растворов.

6. Растворы электролитов – 3 часа.

Цель работы: ознакомить с основными свойствами растворов электролитов.

Задачи: вычислить pH раствора, расчет константы гидролиза,  степени гидролиза, запись различных видов гидролиза солей.

Цель работы: научить основным  свойствам  растворов неэлектролитов.

Задачи: изучить основные  способы выражения концентрации растворов, коллигативные свойств растворов.

6. Растворы электролитов – 3 часа.

Цель работы: научить основным свойствам растворов электролитов.

Задачи: вычислить pH раствора, расчет константы гидролиза,  степени гидролиза, запись различных видов гидролиза солей.

Самостоятельная работа

1. Домашнее задание «Строение вещества. Закономерности протекания химических процессов. Процессы в растворах».

Цель: уметь объяснять строение простых веществ с  позиции  МВС, уметь определять возможности протекания процесса, определять температуру замерзания и кипения раствора.

Задачи: установить состав атома: число протонов (заряд ядра), нейтронов, электронов; изобразить электронно-структурную формулу валентного уровня; определить возможные значения степеней окисления; указать наиболее устойчивые степени окисления для данного элемента; описать физические свойства простого вещества; привести уравнения реакций характеризующие химические свойства простого вещества; записать формулы и приведите уравнения реакций, характеризующие химические свойства характеристических соединений: высшего оксида и высшего гидроксида. С позиций МВС объяснить строение предложенных молекул. Указать тип гибридизации центрального атома, изобразить перекрывание орбиталей, указать порядки всех связей и их тип, определить, полярна ли данная молекула. Методом электронного баланса расставить коэффициенты в уравнении окислительно-восстановительной реакции.

Вычислить энтропию, энтальпию, энергию Гиббса и константы равновесия. На основе расчетов сделать вывод о тепловом эффекте процесса, его термодинамической возможности при заданных температурах и положении химического равновесия. Уметь определять энергию активации, константу скорости, температурный коэффициент скорости и количество вещества, израсходованного за известное время.