ПРИМЕРНАЯ ПРОГРАММА

дисциплины

для студентов геологических факультетов

Специальности: 011100 - Геология,
011200 - Геофизика,
011400 - Гидрогеология и инженерная геология,
011500 - Геология и геохимия горючих ископаемых

Курс 1, семестр 1.

Лекции 36 - 54 часа. Лабораторные работы: 54 - 72 часа. Экзамен - 1 семестр.

ВВЕДЕНИЕ

Теория и законы химии. Их значение для науки о Земле. Химия и геология. Предмет и задачи химии как науки о взаимопревращении веществ и определении состава и строения минералов; изучение процессов их образования.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НЕОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ

Материя и движение. Формы существования материи и движения. Атом, молекула. Взаимосвязь массы и энергии. Развитие материалистических представлений в химии. Стехиометрические законы. Моль. Газовые законы. Современное состояние атомно-молекулярного учения. Основные классы неорганических соединений. Нестехиометрические соединения.

Квантовомеханическая теория строения атома. Квантовые числа. Форма и ориентация граничных поверхностей s-, p-, d- и f- орбиталей. Энергетические уровни электрона в атоме. Принцип Паули. Правило Хунда. Электронные структуры атомов элементов. Периодический закон и периодическая система элементов Д.И.Менделеева. Положение элемента в периодической системе как его важнейшая характеристика. Физический смысл периодического закона. Периодические и непериодические свойства элементов. Особенности электронного строения атомов элементов главных и побочных подгрупп.

РАДИОАКТИВНОСТЬ

Атомное ядро. Изотопы. Элементарные частицы: протон, нейтрон, электрон. Ядерная модель атома. Строение ядра. Стабильные и нестабильные изотопы. Радиоактивный распад: -распад, -распад, электронный захват, спонтанное деление. Закон Мозли и его связь с периодической системой элементов. Ядерные реакции, нуклесинтез в природе. Радиоактивность и геохронология.

Важнейшие представители семейства урана-радия. Характеристика радиоактивных элементов семейства тория и актиния. Ядерная энергетика. Радиоактивные загрязнения окружающей среды. Применение меченых атомов.

Радиоактивные отходы: методы переработки и захоронения.

ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ. СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА

Характеристики взаимодействующих атомов: эффективный радиус, ионизационный потенциал, сродство к электрону. Электроотрицательность. Основные характеристики химической связи: длина, энергия, валентные углы. Полярность и дипольный момент связи. Основные типы химической связи. Свойства соединений с ковалентной и ионной связью.

Квантовомеханические методы трактовки ковалентной связи. Метод валентных связей (ВС). Направленность и насыщаемость связи с позиции метода ВС. Орбитальные диаграммы. Сигма- и пи-связи. Гибридизация орбиталей. Одинарные и кратные связи.

Метод молекулярных орбиталей (МО ЛКАО). Связывающие, несвязывающие и разрыхляющие орбитали. Энергетические диаграммы. Порядок связи. Строение гомоядерных молекул элементов I и II периодов. Изоэлектронные молекулы. Металлическая связь. Понятие о зонной теории твердого тела. Проводники, полупроводники, диэлектрики. Водородная связь.

Комплексобразование. Классификация и номенклатура комплексных соединений. Изомерия комплексных соединений. Донорно-акцепторный механизм образования связи в комплексах. Квантовомеханические методы трактовки химической связи в комплексных соединениях (метод ВС).

Межмолекулярное Ван-дер-Ваальсово взаимодействие: ориентационное, индукционное, дисперсионное.

Агрегатное состояние вещества: твердое, жидкое, газообразное, плазменное.

Кристаллическое состояние. Атомные, ионные, молекулярные и металлические решетки. Сплавы. Дефекты кристаллической решетки (собственные и примесные; одномерные и двумерные). Представление о методах исследования вещества.

Понятие термодинамической системы. Внутренняя энергия и энтальпия веществ. Теплота химической реакции. Закон Гесса. Энтропия. Направление химической реакции. Энергия Гиббса. Стандартные условия. Основные законы термодинамики. Химическое равновесие. Принципиальная обратимость химической реакции. Практически необратимые реакции. Истинное и кажущееся равновесие. Гомогенные и гетерогенные равновесия. Константа равновесия. Смещение химического равновесия. Правило Ле-Шателье. Фазовые равновесия. Правило фаз Гиббса. Диаграмма состояния. Физико-химический анализ природных систем (минералы, горные породы). Теплота образования и теплота сгорания вещества на примерах образования оксида серы (IV) при выплавке серных руд, при сжигании серосодержащих топлив; при образовании оксидов азота в двигателях внутреннего сгорания.

Химическая кинетика. Классификация химических реакций. Гомогенные и гетерогенные процессы. Скорость химической реакции. Константа скорости. Порядок и молекулярность реакции. Факторы, влияющие на скорость химической реакции. Зависимость скорости реакции от температуры. Правило Вант-Гоффа. Понятие об энергии активации. Уравнение Аррениуса. Цепные и фотохимические реакции. Фотосинтез биомассы на земле. Каталитические реакции. Гомогенный и гетерогенный катализ. Понятие о механизме каталитических реакций. Аутокатализ. Ферментативный катализ.

Общие сведения о растворах. Твердые и жидкие растворы. Растворимость. Водные и неводные растворители. Химическая (гидратная) теория растворов Д.И.Менделеева. Гидраты, сольваты, кристаллогидраты, кристаллосольваты. Физическая теория растворов. Растворы неэлектролитов. Законы Рауля. Криоскопия и эбулиоскопия. Осмотическое давление растворов. Закон Вант-Гоффа. Осмос в природе. Почвенный раствор. Подземные и грунтовые воды.

Растворы электролитов. Основные классы соединений. Кислоты, основания, соли, амфолиты. Сильные и слабые электролиты. Закон разбавления Освальда. Представление о современных теориях кислот и оснований. Оксидные и солевые расплавы как расплавленные электролиты. Применение ЗДМ к равновесию в растворах сильных электролитов. Активность иона. Ионная сила раствора.

Ионное произведение воды. Водородный показатель (рН). Методы измерения рН. Гидролиз солей. Ионные уравнения реакций гидролиза. Константа и степень гидролиза. Практическое значение гидролиза. Буферные растворы, кислотность почв. Е_п природных систем. Буферные свойства океана.

Труднорастворимые электролиты. Равновесие раствор-осадок. Произведение растворимости.

Классификация дисперсных систем. Коллоидное состояние вещества. Коагуляция. Причины, вызывающие коагуляцию. Лиофильные и лиофобные коллоиды, их отличительные особенности. Строение коллоидной частицы. Коллоидное состояние в природных системах. Дисперсные системы в геоэкологии. Аэрозольные загрязнения окружающей среды (фотохимический смог).

Окислительно-восстановительные реакции. Равновесие на границе металл-раствор. Электродные потенциалы. Водородный электрод. Уравнение Нернста. Ряд напряжений. Гальванические элементы. Электролиз. Катодные и анодные процессы при электролизе растворов и расплавов. Электролиз в промышленности.

Окислительно-восстановительные реакции (ОВР). Важнейшие окислители и восстановители. Степень окисления. Ионно-электронный метод составления уравнений ОВР. Стандартные окислительно-восстановительные потенциалы. Направление ОВР.

Химическое потребление кислорода (ХПК) как метод оценки степени загрязнения вод. Перманганатная и дихроматная окисленность.

ОБЗОР ХИМИИ ЭЛЕМЕНТОВ И ИХ ВАЖНЕЙШИХ СОЕДИНЕНИЙ

Основные принципы классификации химических элементов: s-, р-, d- и f-элементы. Распространенность элементов в природе. Понятие о кларках элементов. Редкие и рассеянные элементы.

Гидриды ионные и ковалентные. Галогеноводороды НГ. Закономерное изменение окислительно-восстановительных свойств Г₂/Г^-. Кислородные соединения МГО, МГО₂, МГО₃, МГО₄ как проявление различной ковалентности атомов галогенов. Отличие химии элементов второго периода ПС от аналогов по группе на примере фтора.

Химия кислорода. Вода. Роль воды в природе. Лед и его структура. Оксиды, пероксиды. Химия серы в основных степенях окисления (сульфиды, персульфиды, сульфиты, сульфаты).

Химия соединений азота: аммиак, нитриды; гидразин, гидроксиламин; оксиды азота, азотная кислота, нитраты, нитриты. Отличие химии фосфора от химии азота. Сходство и отличие химии P, As, Sb, Bi. Закономерности изменения кислотно-основных свойств по группе (от N₂O₃ и соответствующей кислоты к Bi₂O₃ и соответствующему гидроксиду) и с изменением степени окисления элемента.

Неорганическая химия углерода: оксиды, карбонаты и гидрокарбонаты, цианиды. Особая роль углерода в химии - органическая химия. Роль особенностей химической связи в свойствах соединений на примере CO₂ и SiO₂. Особая роль кремния в химии: силикаты. Основные представления о химии Ge, Sn, Pb.

Бор: оксид, кислоты, бораты, бориды. Алюминий: оксиды, гидроксиды, алюминаты, алюмосиликаты. Зависимость химических свойств от полиморфной модификации (на примере С и SiO₂).

Гидриды, галогениды, оксиды, гидроксиды, пероксиды. Ионный характер связи.

Химия подгруппы Ti. Химия подгруппы V. Химия подгруппы Cr. Представление о координационных (комплексных) соединениях: центральный атом, координационное число, лиганды, константы устойчивости. Химия подгруппы Mn. Химия Fe, Со, Ni. Платиновые металлы. Химия Cu, Ag, Au. Химия Zn и Hg. Лантаноиды и актиноиды.

ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О МЕТОДАХ РАЗДЕЛЕНИЯ, ОЧИСТКИ, АНАЛИЗА И ИССЛЕДОВАНИЯ ХИМИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ

Стандарты чистоты химических веществ. Химические и физические методы разделения и очистки веществ. Распределительная хроматография. Метод экстракции. Зонная очистка. Аналитическая химия. Качественный и количественный анализ. Понятие об аналитических группах катионов и анионов. Физико-химические методы анализа. Физические методы исследования строения вещества.

ХИМИЧЕСКАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ И ОХРАНА ПРИРОДЫ

Общая характеристика системы человека и биосфера. Экосистемы и экологические равновесия. Биофильные элементы и их круговороты.

Глобальные круговороты углерода и воды. Круговорот энергии в биосфере. Возобновляемые и невозобновляемые источники энергии в биосфере. Связь принципов термодинамики с экологией. Химическая экология и ее место в проблеме охраны окружающей среды. Основные загрязнители окружающей среды и их источники. Мониторинг окружающей среды. Физико-химические методы борьбы с загрязнением окружающей среды. Земная кора как элемент экологической среды. Изменения геологической среды под влиянием антропогенных факторов. Охрана геологической среды.

Основные виды химических производств. Отходы химических производств, загрязняющие окружающую среду. Химические и физические методы защиты биосферы от загрязнения. Химическая экология. Методы контроля чистоты окружающей среды.

ЛИТЕРАТУРА

Гузей Л.С., Кузнецов В.Н. Общая химия. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1999.
Общая химия. /Под ред. Е.М.Соколовской, Л.С.Гузея. М.: Изд-во Моск. ун-та., 1989. 724 с.
Практикум по общей химии. /Под ред.Е.М.Соколовской, О.С.Зайцева. М.: Изд-во Моск. ун-та., 1981. 400 с.
Угай Я.А. Общая и неорганическая химия. М.: Высш. шк., 1997.
Задачи и упражнения по общей химии. Витинг Л.М., Резницкий Л.А. М.: Изд-во Моск. ун-та., 1995. 219 с.
Карапетьянц М.Х., Дракин С.И. Общая и неорганическая химия. М.: Химия, 1994. 592 с.
Глинка Н.А. Общая химия. Л.: Высш. шк., 1986. 702 с.
Ахметов Н.С. Неорганическая химия. М.: Высш. шк., 1998. 670 с.
Хейт, Диккерсон, Грей. Основные законы и понятия химии. М.: Мир, 1987. Т. 1,2.
Кемпбелл. Современная общая химия. М.: Мир, 1989. Т. 1-3.

ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ (4 часа в 1 неделю)

1. Определение атомной массы металла.
2. Эквивалент сложного вещества.
3. Тепловые эффекты химических реакций.
4. Скорость химической реакции.
5. Равновесие в растворах электролитов.
6. Окислительно-восстановительные реакции.
7. Соединения галогенов.
8. Соединения серы
9. Азот, фосфор.
10. Аналитические реакции между твердыми веществами.
11. Комплексные соединения.

Решение задач по темам лабораторных работ N 1-11 и ответы на коллоквиумах 1-3 оцениваются в соответствии с рейтингом.

Для получения автоматического зачета необходимо набрать 800 баллов за колллоквиум, 1300 баллов за контрольную работу; соответственно "хор" - 700 и 1200, "уд." - 600, 1000.

Программу составили:
С.Ф.Дунаев, проф.;
Л.Л.Мешков, проф.
(Московский государственный университет)

А.П.Чупахин, к.х.н.
(Новосибирский государственный университет)

Рецензент: Э.М.Латыпов, доц.
(Казанский государственный университет)