Учебные курсы по химии
для студентов нехимических факультетов МГУ

ОБЩАЯ И НЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

Программа курса для студентов геологического факультета МГУ

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. 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- и f-атомные орбитали. Энергетические диаграммы атомов, заполнение атомных орбиталей электронами. Принцип Паули. Правило Хунда.
            Размеры 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 обоснование. Периодическая система элементов Д.И.Менделеева. Структура периодической системы элементов Д.И.Менделеева. Место элемента в периодической системе как его важнейшая характеристика.

            Причины образования химической связи. Перекрывание атомных орбиталей (АО) как условие образования химической связи. Типы перекрывания АО(s-, p-, d-). 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 ковалентной 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). Связь типа кристаллической решетки (атомной, ионной, молекулярной) и температуры фазового перехода.

            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 системы как критерий и движущая сила самопроизвольных процессов в закрытой системе.

            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 воды, йода и системы «вода-хлорид натрия».

            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 электоролита - раствор». Произведение растворимости. Влияние на растворимость плохо растворимого электролита одноименных ионов 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.

6.Химия элементов
1.Водород

            Водород как первый элемент таблицы Д.И.Менделеева. Изотопы водорода. Физические и химические свойства водорода. Получение Н2. Применение водорода.
            Вода. Строение молекулы. Физические и химические свойства воды. Аномалия свойств воды. Лед и его структура. Клатраты. Ион гидроксония. Мировой океан. Проблемы опреснения и очистки воды. Геологическая деятельность воды.

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

            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 изменения окислительно-восстановительных свойств. Диспропорционирование в нейтральных и щелочных растворах.
Галогеноводороды. Их получение и применение. Закономерности изменения кислотных и восстановительных свойств. Галогениды металлов и неметаллов.
Оксокислоты галогенов. Строение анионов. . Закономерности изменения кислотных и окислительно-восстановительных свойств. Диспропорционирование солей. Наиболее важные оксосоли: бертолетова соль, хлорная известь.

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.

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 МО 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). Тиоарсенаты и тиоантимонаты. Висмутат натрия. Применение производных элементов VA группы.

Общая характеристика элементов IVA 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 (+2) и (+4). Окислительно-восстановительные свойства соединений элементов со степенью окисления (+2) и (+4).

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.

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.

10. Химия d-элементов (переходных элементов).

            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 способах разделения 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.

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.

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 окисления (+1), (+2), (+3), (+4), (+5). 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.

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-, Cr2O72-, CrO42-. 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.

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.

16.VIIIБ группа.

Элементы триады железа (железо, кобальт, никель). Общая характеристика элементов триады железа. Нахождение в природе. Степени окисления.
            Железо. Физико-химические свойства. Ферромагнетизм. Диаграмма состояния системы «железо-углерод». Чугун. Сталь. Оксиды и гидроксиды Fe(II) и Fe(III). Их получение, кислотно-основные и окислительно-восстановительные свойства. Комплексные соединения Fe(II) и Fe(III). Соединения железа в высших степенях окисления, 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.

17. IБ группа.

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.

18.IIБ группа.

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.

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

Рекомендуемая литература
Основная:

• «Общая химия». Под ред. проф. Соколовской Е.М., Гузея Л.С. Изд. МГУ, 1989, 724с.
• «Неорганическая химия» в 3-х т. /под ред. Ю.Д. Третьякова/ -  М., Изд. ”Академия“, 2007.
• Ахметов Н.С. «Общая и неорганическая химия». М., Высшая школа, 2009, 743 с.

Дополнительная:

• Хейт, Диккерсон, Грей. Основные законы и понятия химии. Т.1,2. Изд. Мир, М.,1987.
• Кемпбелл. «Современная общая химия». Т.1-3, Изд. Мир, М.,1989.
• Некрасов Б.Н. «Основы общей химии».- М., т.1, 2, 1976.
• Коттон Ф., Уилкинсон Д. «Современная неорганическая химия». Изд. Мир, М.,1969.

Программа составлена
доц. Казаковой Е.Ф.