ПРИМЕРНАЯ ПРОГРАММА
дисциплины
"ОБЩАЯ И НЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ"
для студентов геологических факультетов

Специальность: 011300 - Геохимия

ПРЕДИСЛОВИЕ

Программа курса "Общая и неорганическая химия" разработана для студентов 1 курса геологического факультета. Курс рассчитан на 2 семестра в объеме 276 часов, из них в 1 семестре 184 часа (72 - лекции, 112 - семинарские и лабораторные занятия); во 2 семестре 92 часа (24 - лекции, 48 - семинарские и лабораторные занятия, 20 - написание курсовой работы).

ВВЕДЕНИЕ

Химия как предмет естествознания. Предмет химии. Геохимия. История развития химии как науки. Основные понятия и законы химии. Химия как производительная сила общества. Химия и экология.

Теоретические основы химии

Атом. Химический элемент.
Периодический закон и периодическая система элементов Д.И.Менделеева

Атом. Строение атома. Атомное ядро. Устойчивость ядер. Радиоактивность. Взаимосвязь распространенности элементов с устойчивостью ядер их атомов. Развитие представлений о строении атома. Волновое уравнение Шредингера. Атомные орбитали. Квантовые числа. s-, p-, d-, f-атомные орбитали. Энергетические диаграммы атомов, заполнение атомных орбиталей электронами. Принцип Паули. Правило Хунда.

Размер атомов и ионов. Атомные, ковалентные и ионные радиусы. Сродство к электрону. Ионизационный потенциал. Электроотрицательность.

Химический элемент. Понятие химического элемента. Классификация химических элементов. Периодический закон Д.И. Менделеева и его физическое обоснвание. Периодическая система элементов Д.И. Менделеева. Структура периодической системы элементов Д.И. Менделеева. Место элемента в периодической системе как его важнейшая характеристика.

Природа образования химической связи. Перекрывание атомных орбиталей (АО) как условие образования химической связи. Типы перекрыавния АО (-, -, -). Характеристики химической связи: энергия, длина, полярность. Валентные углы. Кратные связи.

Квантовомеханические методы трактовки ковалентной связи: метод валентных связей (ВС) и метод молекулярных орбиталей (ММО ЛКАО).

Метод ВС, его применимость и ограниченность. Направленность и насыщаемость связи. Орбитальные диаграммы. Гибридизация орбиталей.

Метод МО ЛКАО. Образование связывающих, разрыхляющих и несвязывающих орбиталей. Эффективность перекрывания АО. Энергетические диаграммы двухатомных гомо- и гетероядерных молекул, образованных элементами I и II периодов. Принципы построения диаграмм простейших многоатомных молекул H₂O, NH₃, CH₄ и ионов.

Металлическая связь. Понятие о зонной теории твердого тела. Проводники, полупроводники и диэлектрики.

Комплексные соединения. Классификация и номенклатура комплексных соединений. Применение метода ВС к описанию химической связи в комплексных соединениях. Изомерия комплексных соединений.

Межмолекулярное взаимодействие: ориентационное, индукционное, дисперсионное. Водородная связь и ее роль в структурировании веществ.

Агрегатное состояние вещества: газообразное (идеальные и реальные газы), жидкое (ближний порядок, стекла), твердое состояние (идеальная и реальная кристаллическая решетка, аморфное состояние). Изменение температуры фазового перехода в зависимости от типа кристаллической решетки (атомной, ионной, молекулярной).

3.Энергетика химических процессов

Химическая система (открытая, закрытая, изолированная). Внутренняя энергия и энтальпия вещества. Теплота и энтальпия химической реакции. Закон Гесса. Энтальпия образования вещества. Стандартное состояние вещества. Энтальпия химической связи.

Понятие об энтропии. Энтропия как функция термодинамической вероятности.

Самопроизвольные процессы. Изобарно-изотермический потенциал (свободная энергия Гиббса). Изменение свободной энергии Гиббса как критерий и движущая сила самопроизвольных процессов в закрытой системе.

4.Элементы химической кинетики. Химическое равновесие

Скорость химической реакции. Основной закон химической кинетики. Порядок и молекулярность реакции. Экспериментальное определение порядка реакции. Факторы, определяющие скорость реакции. Энергия активации. Уравнение Аррениуса.

Путь реакции. Катализ. Гомогенный и гетерогенный катализ. Автокатализ. Ингибирование реакций.

Химическое равновесие. Обратимые и практически необратимые химические реакции. Константа равновесия. Гомогенные и гетерогенные равновесия. Смещение химического равновесия. Принцип Ле Шателье и его физико-химическое обоснование. Фазовые равновесия. Правило фаз Гиббса. Диаграмма состояния. Физико-химический анализ природных систем (минералы, горные породы). Диаграммы "состав-свойство". Примеры диаграмм состояния: вода, йод, вода-хлорид натрия.

5.Дисперсные системы. Растворы

Дисперсные системы. Классификация дисперсных систем.

Общие сведения о растворах. Твердые, жидкие и газообразные растворы. Водные и неводные растворители. Факторы, влияющие на растворимость веществ. Роль сольватации.

Растворы неэлектролитов. Коллигативные свойства растворов. Закон Рауля. Криоскопия и эбуллиоскопия. Осмотическое давление раствора. Закон Вант-Гоффа. Осмос в природе. Почвенный раствор. Подземные и грунтовые воды.

Растворы электролитов. Процесс электролитической диссоциации в растворах как взаимодействие веществ. Оксидные и солевые расплавы как расплавленные электролиты. Кислоты, основания и соли по Аррениусу. Кислоты, основания и амфолиты по Бренстеду. Протолитические равновесия. Константа диссоциации. Степень диссоциации. Закон разбавления Оствальда. Сильные и слабые электролиты. Активность иона. Ионная сила раствора. Понятие об активности и средней активности электролита. Применение закона действующих масс (ЗДМ) в растворах сильных электролитов.

Автопротолиз. Ионное произведение воды. Водородный показатель (рН). Методы измерения рН. Индикаторы.

Равновесия в растворах растворимых электролитов. Буферные растворы. Природные буферные системы. Гидролиз катионов и анионов. Обратимый и необратимый гидролиз. Константа гидролиза, степень гидролиза. Диссоциация комплексных соединений. Константа нестойкости (устойчивости). Двойные соли.

Равновесие в системе "осадок электролита - раствор". Произведение растворимости. Влияние на растворимость плохорастворимого электролита одноименного иона и ионов других электролитов. Условия осаждения и растворения осадков.

Окислительно-восстановительные процессы. Степень окисления. Важнейшие окислители и восстановители. Ионно-электронный баланс как метод составления окислительно-восстановительных реакций (ОВР). Электродный потенциал. Уравнение Нернста. Направление ОВР. Константа равновесия ОВР. Гальванические элементы. Аккумуляторы. Топливные элементы. Электрохимическая коррозия металлов.

Электролиз. Напряжение разложения, перенапряжение.

Общие сведения о коллоидных растворах. Условия образования коллоидных систем. Представление о механизмах стабилизации коллоидных систем. Строение коллоидной частицы. Разрушение коллоидных систем. Коллоиды в природе.

ХИМИЯ ЭЛЕМЕНТОВ

1.Водород

Водород как первый элемент таблицы Д.И.Менделеева. Изотопы водорода. Физические и химические свойства водорода. Получение Н₂. Ион гидроксония. Применение водорода.

Вода. Строение молекулы. Физические и химические свойства воды. Аномалия свойств воды. Мировой океан. Проблемы опреснения и очистки воды. Лед и его структура. Клатраты. Геологическая деятельность воды.

2.Благородные газы

Гелий. Энергетическая диаграмма молекулы Не₂, и иона Не₂⁺. Свойства гелия. Неон и аргон. Применение. Особенности химии криптона, ксенона, радона. Основные соединения криптона и ксенона.

3.VIIA группа

Общая характеристика элементов VIIA группы. Нахождение в природе. Валентности и степени окисления .

Фтор. Получение и особенности химии фтора.

Хлор, бром, йод. Получение в лаборатории и промышленности. Закономерности окислительно-восстановительных свойств. Диспропорционирование в нейтральных и щелочных растворах.

Галогеноводороды. Их получение и применение. Закономерности изменения кислотных и восстановительных свойств. Галогениды металов и неметаллов.

Оксокислоты галогенов. Строение анионов. Закономерности изменения кислотно-основных и окислительно-восстановительных свойств. Диспропорционирование солей. Наиболее важные оксосоли: бертолетова соль, хлорная известь.

4.VIA группа

Общая характеристика элементов VIA группы. Нахождение в природе. Валентности и степени окисления .

Кислород. Строение атома. Аллотропия. Получение кислорода и озона в лаборатории и промышленности. Роль озона в био- и геосфере. Химические и физические свойства кислорода и озона.

Оксиды, их классификация. Закономерности изменения свойств оксидов и гидроксидов в периодах и группах периодической системы Д.И. Менделеева. Нестехиометрические оксиды.

Пероксид водорода. Строение молекулы. Получение и применение. Кислотные свойства. Окислительно-восстановительные свойства пероксида водорода и пероксидов щелочных металлов. Надпероксиды. Пероксокислоты. Их получение и применение.

Халькогены. Закономерности изменения физических и химических свойств простых веществ. Получение простых веществ и их применение.

Водородные соединения халькогенов. Сероводород, сульфаны. Строение молекул. Устойчивость водородных соединений. Халькогениды. Сульфиды, полисульфиды и важнейшие минералы на их основе. Восстановительные и кислотные свойства.

Оксиды и гидроксиды халькогенов в степенях окисления (+4) и (+6). Получение. Кислотно-основные и окислительно-восстановительные свойства. Серная кислота. Полисерные кислоты. Олеум. Окислительная активность серной кислоты.

Представление о тиосерных и политионовых кислотах и их солях. Тиосульфат натрия. Получение и применение. Восстановительные свойства.

Оксосоли серы в степенях окисления (+4) и (+6).Термическая устойчивость. Соединения серы как загрязнители биосферы.

5.VA группа

Общая характеристика элементов VA группы. Нахождение в природе. Валентности и степени окисления .

Азот. Энергетическая диаграмма молекулы азота N₂. Химические свойства азота. Получение азота.

Аммиак NH₃. Энергетическая диаграмма молекулы NH₃. Получение NH₃. Свойства жидкого аммиака. Растворимость аммиака в воде. Свойства солей аммония. Амиды. Аммиакаты. Аминокислоты. Анализ свойств производных со степенью окисления азота (-2) и (-1). Гидразин. Гидроксиламин.

Соединения азота со степенью окисления (+3). Галогениды азота. Оксид азота (III) N₂O₃. Получение. Азотистая кислота и нитриты. Окислительно-восстановительные и кислотно-основные свойства.

Соединения азота со степенью окисления (+5). Азотная кислота. Окислительные и кислотные свойства. Взаимодействие азотной кислоты с металлами в зависимости от ее концентрации. Нитраты. Их термическая устойчивость.

Получение и свойства оксидов азота со степенью окисления (+1) N₂O, (+2) NO, (+4) NO₂.

Фосфор. Аллотропия фосфора. Степени окисления. Получение и свойства фосфора. Характеристика соединений фосфора в степени окисления (-3). Фосфиды. Фосфин. Соли фосфония. Фосфорноватистая кислота. Гипофосфиты. Получение, восстановительные свойства.

Соединения со степенью окисления (+3). Галогениды и оксид фосфора (III), их взаимодействие с водой. Кислотные свойства фосфористой кислоты H₃PO₃. Восстановительная активность фосфористой кислоты и фосфитов.

Соединения со степенью окисления (+5). Галогениды фосфора (V). Структура и свойства оксокислот фосфора (V). Ортофосфорная кислота H₃PO₄. Полифосфорные кислоты. Фосфаты. Гидрофосфаты. Дигидрофосфаты. Фосфорные удобрения. Специфические соединения фосфора. Изо- и гетерополисоединения.

Мышьяк. Сурьма. Висмут. Свойства простых веществ. Характерные степени окисления. Соединения As (III), Sb (III), Bi (III), оксиды и гидроксиды. Сравнительная характеристика их кислотно-основных свойств. Сульфиды As (III), Sb (III), Bi (III) и их свойства, тиосоли.

Анализ свойств производных мышьяка, сурьмы и висмута в степени окисления (+5). Устойчивость оксидов и галогенидов. Оксокислоты и их соли. Сульфиды мышьяка (V) и сурьмы (V). Тиоантимонаты и тиостиббаты. Висмутат натрия. Применение производных элементов VA группы.

6. IVA группа

Общая характеристика элементов VIA группы. Нахождение в природе. Валентности и степени окисления .

Углерод. Аллотропия углерода. Способность углерода образовывать длинные цепи и циклы. Соединения с отрицательной степенью окисления. Метан. Природные газы. Карбиды. Соединения углерода (IV). Анализ свойств диоксида углерода (углекислый газ). Угольная кислота и ее производные. Соединения углерода с азотом. Цианамид кальция CaCN₂. Циан, синильная кислота. Цианиды. Роданиды. Комплексные соединения.

Получение и свойства оксида углерода (II). Карбонилы переходных металлов. Щавелевая кислота. Оксалаты. Их получение и свойства.

Кремний. Распространенность в природе и роль соединений кремния. Получение и свойства силанов. Оксид кремния (IV) и кремниевые кислоты. Свойства кремниевых кислот. Силикаты. Особенности гидролиза силикатов и галогенидов кремния.

Подгруппа германия. Германий. Олово. Свинец. Физико-химические свойства. Важнейшие производные германия, олова и свинца. Сравнительная характеристика кислотно-основных свойств оксидов и гидроксидов элементов со степенью окисления (II) и (IV). Окислительно-восстановительные свойства соединений элементов со степенью окисления (II) и (IV).

7. IIIA группа

Общая характеристика элементов IIIA группы. Нахождение в природе. Валентности и степени окисления .

Специфика химии бора как р-элемента IIIA группы. Бор как диагональный аналог кремния. Физические и химические свойства бора. Характеристика производных бора. Оксид бора. Борная кислота. Бороводороды. Соединения с дефицитом электронов. Бориды. Бура.

Алюминий. Галлий. Индий. Таллий. Получение. Физико-химические свойства. Важнейшие соединения. Закономерности в изменении устойчивости степеней окисления (+3, +2, +1). Закономерности в изменении кислотно-основных свойств в рядах гидроксидов.

Оксид алюминия. Гидроксид алюминия. Катионные и анионные комплексы Al(III) как породообразователи. Алюмосиликаты. Сплавы алюминия.

8. IIA группа

Общая характеристика элементов IIA группы. Нахождение в природе. Валентности и степени окисления.

Бериллий. Получение бериллия. Специфика химии бериллия. Диагональное сходство бериллия и алюминия. Комплексные соединения бериллия. Бериллаты. Берилл и его разновидности.

Магний. Получение. Восстановительная активность магния. Оксид, гидроксид и соли магния.

Подгруппа кальция. Кальций, стронций, барий. Получение и физико-химические свойства. Закономерности в изменении свойств оксидов и гидроксидов щелочноземельных металлов. Гашеная и негашеная известь. Баритовая вода. Пероксиды щелочноземельных металлов. Характеристика солей элементов подгруппы кальция. Временная и постоянная жесткость воды. Способы ее устранения.

Общая характеристика элементов IA группы. Нахождение в природе. Валентности и степени окисления.

Физико-химические свойства щелочных металлов. Получение и свойства оксидов, гидроксидов, пероксидов и озонидов. Термическая устойчивость и растворимость солей.

Применение производных элементов IA группы.

Электронное строение атомов d-элементов. Характеристика различий в физических (плотность, твердость, температура плавления, теплота атомизации) и электрохимических свойств простых веществ d- и s-металлов.

Методы получения переходных металлов. Особенности химических свойств простых веществ. Реакционная способность, растворимость. Разнообразие степеней окисления. Свойства однотипных соединений d-элементов. Физические и химические свойства важнейших производных d-элементов. Состав и свойства оксидов в низших степенях окисления. Амфотерные оксиды и гидроксиды переходных элементов. Кислотные оксиды. Сульфиды. Переходные элементы как комплексообразователи. Состав и свойства галогенидов. Соединения с водородом. Нитриды. Карбиды. Природные соединения.

Общая характеристика элементов IIIБ группы. Нахождение в природе. Степени окисления. Закономерности в изменениях свойств простых веществ и их важнейших соединений.

Скандий. Восстановительная активность. Оксид, гидроксид и соли скандия.

Иттрий как электронный аналог скандия и его производные.

Лантаноиды. Лантаноидное сжатие. Природные соединения лантаноидов. Представление о разделении лантаноидов. Электронная конфигурация валентного уровня. Закономерности в изменениях степеней окисления и свойствах соответствующих им производных с увеличением порядкового номера лантаноида. Гидратация и окраска ионов.

Актиноиды. Радиоактивность актиноидов. Разнообразие степеней окисления. Нахождение в природе. Соединения урана и тория. Важнейшие представители семейства урана-радия. Свойства свободного радия и его солей. Радон. Полоний. Ядерная энергетика. Радиоактивное загрязнение окружающей среды. Использование радиоактивных веществ в науке и технике.

12.IVБ группа

Общая характеристика элементов IVБ группы. Нахождение в природе. Степени окисления.

Физико-химические свойства простых веществ. Важнейшие типы соединений. Закономерности в изменениях свойств оксидов, гидроксидов и галогенидов с увеличением номера элемента в группе.

Титан. Оксиды и гидроксиды титана. Кислотно-основные и окислительно-восстановительные свойства соединений Ti (III) и Ti (IV). Титанил и его соли. Титанаты.

Цирконий и гафний как аналоги титана. Применение производных элементов IVБ группы.

13.VБ группа

Общая характеристика элементов VБ группы. Нахождение в природе. Степени окисления.

Ванадий. Физико-химические свойства. Получение, кислотно-основные и окислительно-восстановительные свойства оксидов и гидроксидов ванадия в степенях оксиления I, II, III, IV, V. Оксокатионы и оксоанионы (строение, условия образования и свойства). Катионные и анионные комплексы. Гомоядерные и полиядерные комплексы. Оксид ванадия V₂O₅. Ниобий и тантал. Анализ свойств простых веществ, оксидов и гидроксидов важнейших соединений элементов VБ группы.

14.VIБ группа

Общая характеристика элементов VIБ группы. Нахождение в природе. Степени окисления.

Хром. Получение и свойства. Закономерности изменения свойств оксидов и гидроксидов хрома в ряду Сr (II) - Cr (III) - Cr (VI). Условия существования ионов Cr³⁺, CrO₂^-, Cr₂O₇^2-, CrO₄^2-. Окислительная активность производных Cr (VI). Катионные и анионные комплексы.

Молибден и вольфрам. Свойства простых веществ. Важнейшие производные. Изополисоединения и гетерополисоединения элементов VIБ группы.

Применение производных элементов VIБ группы.

15.VIIБ группа

Общая характеристика элементов VIIБ группы. Нахождение в природе. Степени окисления.

Марганец. Физико-химические свойства. Кислотно-основные и окислительно-восстановительные свойства оксидов и гидроксидов в степенях окисления Mn (II), Mn (III), Mn (IV), Mn (V), Mn (VI), Mn (VII).

Технеций. Рений. Свойства простых веществ. Оксиды и гидроксиды технеция и рения (кислотно-основные и окислительно-восстановительные свойства).

Применение производных элементов VIIБ группы.

Элементы триады железа (железо, кобальт, никель). Общая характеристика элементов триады железа. Нахождение в природе. Степени окисления.

Железо. Физико-химические свойства. Ферромагнетизм. Диаграмма состояния "железо-углерод". Чугун. Сталь. Оксиды и гидроксиды Fe (II) и Fe (III). Получение. Кислотно-основные и окислительно-восстановительные свойства. Комплексные соединения Fe (II) и Fe (III). Соединения железа, их получение и окислительные свойства.

Кобальт. Никель. Физико-химические свойства простых веществ. Оксиды и гидроксиды, получение, свойства. Комплексные соединения.

Сопоставление свойств соединений железа, кобальта и никеля в степени окисления (+2) и (+3).

Платиноиды. Общая характеристика элементов. Нахождение в природе. Степени окисления. Физико-химические свойства простых веществ. Важнейшие соединения осмия, рутения, иридия, палладия и платины. Применение платиноидов.

Общая характеристика элементов IБ группы. Нахождение в природе. Степени окисления.

Медь. Физико-химические свойства. Сравнительная характеристика свойств оксидов и гидроксидов Cu (I) и Cu (II). Галогениды меди (I). Комплексные соединения меди.

Серебро. Оксид и гидроксид Ag (I). Галогениды серебра. Комплексные соединения.

Золото. Важнейшие производные (оксиды, гидроксиды, галогениды). Получение и свойства. Комплексные соединения. Особенности гидролиза солей.

Применение металлов IБ группы и их производных.

Общая характеристика элементов IIБ группы. Нахождение в природе. Степени окисления.

Цинк, кадмий, ртуть. Оксиды и гидроксиды цинка и кадмия. Особенности химии ртути. Оксиды ртути. Соли ртути: нитрат ртути (II), хлорид ртути (I) и хлорид ртути (II). Комплексные соединения цинка, кадмия и ртути.

Применение металлов и производных элементов IIБ группы.

Химическое производство и охрана окружающей среды

Основные виды химических производств. Токсические свойства отходов производства. Химические и физические методы защиты биосферы от загрязнения.

ЛИТЕРАТУРА

Основная

Общая химия. /Под ред. проф. Соколовской Е.М., Гузея Л.С. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1989, 724с.
Некрасов Б.Н. Основы общей химии. М.: Химия, 1976. Т.1, II.
Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия. М.: Высш. шк., 1998.
Коттон Ф., Уилкинсон Д. Современная неорганическая химия. М.: Мир, 1969.
Гузей Л.С., Кузнецов В.Н., Гузей А.С. Общая химия. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1999. 333с.

Дополнительная

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

1. Определение атомной массы элемента.
2. Определение теплового эффекта реакции нейтрализации.
3. Исследование скорости разложения тиосульфата натрия.
4. Константа скорости разложения пероксида водорода.
5. Равновесие в растворах электролитов.
6. Гидролиз.
7. Произведение растворимости.
8. Окислительно-восстановительные реакции.
9. Галогены.
10. Сера.
11. Азот. Фосфор. Взаимодействие азотной кислоты с металлами.
12. Углерод, кремний, олово, свинец.
13. Бор, алюминий.
14. Химия соединений титана.
15. Химия соединений ванадия.
16. Химия соединений хрома.
17. Химия соединений марганца.
18. Химия соединений железа.
19. Химия соединений кобальта и никеля.
20. Химия соединений меди и серебра.
21. Химия соединений подгруппы цинка.

Программу составили:
Соколовская Е.М., проф.;
Казакова Е.Ф., доц.
(Московский государственный университет)