Электрохимические процессы.

Рабочая программа курса общей и неорганической химии для студентов факультета ХТ и Э в осеннем семестре

Общие вопросы неорганической химии.

Введение.

Химия как наука о веществах и их превращениях. Место химии в системе наук. Основополагающие работы М.И. Ломоносова и Д.И. Менделеева.

Материя и движение. Понятие о веществе и поле как конкретных формах существования материи. Химическая форма движения материи. Вещества и смеси. Гомогенные и гетерогенные материалы, понятие о фазах.

Строение вещества.

1.1.1. Строение атома. Составные части атома - ядро (протоны, нейтроны), электроны, их заряд и масса. Квантовый характер излучения и поглощения энергии. Уравнение Планка. Атомные спектры как характеристики энергетических уровней электронов.

Понятие о квантовой механике. Корпускулярно-волновая природа электрона. Уравнение де Бройля. Квантовомеханическое объяснение строения атома. Характеристика энергетического состояния электрона квантовыми числами. Атомные орбитали. Многоэлектронные атомы. Принцип Паули. Правило Хунда. Максимальное число электронов на энергетических уровнях и подуровнях.

1.1.2. Периодическая система элементов Д.И.Менделеева и электронное строение атомов.

Периодический закон Д.И.Менделеева как основа развития неорганической химии. Физический смысл порядкового номера элементов. Современная формулировка периодического закона.

Периодическая система элементов и ее связь со строением атома. Последовательность заполнения электронных оболочек атомов. Структура периодической системы: периоды, группы и подгруппы. Особенности электронного строения атомов элементов главных и побочных подгрупп. s-, р-, d- и f-Элементы. Электронные аналоги. Периодически и непериодически изменяющиеся свойства элементов. Радиусы атомов и ионов. Энергия ионизации атомов, сродство к электрону. Понятие об электроотрицательности.

Изменение свойств элементов в периодической системе (вертикальная, горизонтальная периодичность, диагональное сходство). Вторичная периодичность. Способы предсказания свойств неизученных веществ на основе периодического закона Д.И.Менделеева.

1.1.3. Химическая связь и строение молекул.

История развития электронных представлений о химической связи. Количественные характеристики химической связи: длина связи между атомами, энергия связи, валентные углы. Изменение этих характеристик в рядах сходных веществ.

Ковалентная связь. Основные положения метода валентных связей (СВ). Свойства ковалентной связи: направленность, насыщенность. Сигма-, пи-связи. Типы гибридизации атомных орбиталей и структура молекул. Локализованная и нелокализованная связи. Полярная и неполярная ковалентная связь. Эффективные заряды атомов в молекулах. Электрический момент диполя. Полярность молекул. Постоянные и наведенные диполи. Графическое представление химической связи. Формулы Льюиса.

Ионная связь как крайний случай поляризации ковалентной связи. Ненаправленность и ненасыщенность ионной связи. Степень окисления атомов в молекуле. Поляризуемость ионов и их взаимное поляризующее действие. Влияние степени поляризации ионов на свойства веществ.

Основные положения метода молекулярных орбиталей (МО). Энергетические диаграммы распределения электронной плотности в молекулах. Порядок связи. Применение метода МО к молекулам, образованным из атомов элементов первого и второго периодов. Объяснение магнитных свойств и возможности существования двухатомных частиц с помощью метода МО (например, О2, Н2, СО2, NO и др.). Сравнение методов ВС и МО.

1.1.4. Межмолекулярные взаимодействия.

Электростатическое взаимодействие молекул. Дисперсионное, ориентационное и индукционное взаимодействие молекул. Донорно-акцепторное взаимодействие. Водородная связь. Влияние водородной связи на свойства веществ.

1.1.5. Конденсированное состояние вещества.

Агрегатное состояние как проявление взаимодействий между частицами вещества. Твердое, жидкое и газообразное состояние вещества; плазменное состояние вещества. Кристаллическое состояние.

Ионная, атомная и молекулярная кристаллические решетки. Зависимость свойств от типа связи между частицами в кристаллах. Металлическое состояние вещества, его особенности. Металлическая

связь. Кластеры.

Закономерности протекания химических реакций.

1.2.1. Энергетика химических процессов.

Элементы химической термодинамики. Внутренняя энергия и энтальпия. Экзо- и эндотермические реакции. Термохимические уравнения. Закон Гесса и следствия из него. Применение закона Гесса для вычисления изменения энтальпии в различных процессах (образование, растворение, сгорание веществ и т.п.). Энтальпия образования химических соединений. Стандартные энтальпии образования и сгорания. Энтальпия образования и периодическая система элементов Д.И.Менделеева.

Понятие об энтропии. Стандартные энтропии. Изменение энтропии при химических процессах.

Понятие об энергии Гиббса. Энтальпийный и энтропийный факторы процессов. Изменение энергии Гиббса при химических процессах. Стандартные энергии Гиббса. Направление химических реакций.

1.2.2. Основы химической кинетики. Химическое равновесие.

Химические реакции в гомогенных и гетерогенных системах. Скорость реакции в гомогенных и гетерогенных системах. Факторы, влияющие на скорость реакции. Закон действия масс. Константа скорости реакций. Молекулярность и порядок реакции. Энергия активации. Зависимость скорости реакции от температуры. Правило Вант-Гоффа. Гомогенный и гетерогенный катализы. Понятие о механизме каталитических прцессов. Цепные реакции.

Обратимые и необратимые процессы. Химическое равновесие в гомогенных и гетерогенных системах. Константа равновесия. Связь константы равновесия с изменением энергии Гиббса в процессе. Смещение химического равновесия. Принцип Ле Шателье и его значение в химии. Влияние температуры, давления и концентрации реагентов на равновесие.

Растворы.

1.3.1. Дисперсные системы.

Основные характеристики дисперсных систем. Степень дисперсности. Классификация дисперсных систем. Гетерогенные и гомогенные дисперсные системы. Гетерогенные равновесия.

1.3.2. Фазовые равновесия.

 Фазы и компоненты. Фазовая диаграмма воды. Двухкомпонентные жидкие смеси.фазовые диаграммы полностью смешивающихся жидкостей. Фракционная перегонка.

1.3.2. Образование растворов.

Растворы как многокомпонентные системы. Процессы, сопровождающие образование растворов. Сольватация. Гидратная теория растворов Д.И.Менделеева. Гидраты и сольваты. Изменение энтальпии и энтропии при растворении.

Растворимость газов, жидкостей и кристаллов в жидкостях. Влияние на растворимость природы компонентов раствора, температуры и давления. Насыщенные, ненасыщенные и пересыщенные растворы.

Различные способы выражения концентрации растворов и их взаимные пересчеты.

1.3.3. Растворы неэлектролитов.

Осмос. Осмотическое давление. Закон Вант-Гоффа. Явление осмоса в природе. Давление насыщенного пара над раствором. Повышение температуры кипения растворов и понижение температуры кристаллизации. Законы Рауля.

1.3.4. Растворы электролитов.

Электролитическая диссоциация. Особенности воды как растворителя. Зависимость диссоциации от характера химических связей в молекулах электролитов. Механизм процесса электролитической диссоциации. Характеристика поведения электролитов. Сила электролитов. Степень диссоциации. Константа диссоциации. Закон разбавления Оствальда. Кажущаяся степень диссоциации сильных электролитов. Понятие об активности и ионной силе растворов.

Свойства растворов электролитов. Изотонический коэффициент, его связь со степенью диссоциации. Электрическая проводимость растворов электролитов.

Ионные реакции. Условия смещения ионных равновесий. Амфотерные электролиты. Произведение растворимости.

Электролитическая диссоцияция воды. Водородный показатель рН. Индикаторы. Понятие о буферных растворах. Значение рН в технологических процессах.

1.3.5. Гидролиз.

Различные случаи гидролиза солей как результат поляризационного взаимодействия ионов соли с молекулами воды. Степень гидролиза. Влияние температуры и концентрации на степень гидролиза. Константа гидролиза. Необратимый гидролиз. Значение гидролиза для технологических процессов.

1.3.6. Современные теории кислот и оснований.

Понятие о теории сольвосистем. Кислоты и основания по Бренстеду-Лоури и Льюису.

Электрохимические процессы.

1.4.1.Окислительно-восстановительные реакции. Классификация окислительно-восстановительных реакций. Важнейшие окислители и восстановители. Изменение окислительно-восстановительных свойств в связи с положением элементов в периодической системе Д.И.Менделеева. Влияние среды на протекание окислительно-восстановительных реакций. Окислительно-восстановительные потенциалы. Составление уравнений окислительно-восстановительных реакций. Вычисление эквивалентов в окислительно-восстановительных реакциях.

1.4.2. Электродные потенциалы. Электродные потенциалы металлов и факторы, влияющие на их величину. Понятие о стандартных потенциалах. Стандартный (нормальный) водородный электрод. Гальванические элементы. Электродвижущая сила (ЭДС) гальванических элементов. Электрохимический ряд напряжений металлов. Зависимость электродных потенциалов от концентрации. Уравнение Нернста. Использование таблиц окислительно-восстановительных потенциалов для определения направления окислительно-восстановительных реакций. Расчет энергии Гиббса окислительно-восстановительных прцессов по ЭДС гальванического элемента. Практическое использование гальванических элементов.

1.4.3. Коррозия металлов. Виды коррозии и ущерб от нее. Основные методы защиты от коррозии: легирование, термообработка, ингибирование, антикоррозионные покрытия, электрохимические методы.

1.4.4. Электролиз. Окислительно-восстановительные процессы при электролизе. Электролиз расплавов и водных растворов электролитов. Законы Фарадея. Применение электролиза в промышленности.

Радиоактивность.

Радиоактивность. Изотопы и изобары. Виды излучений. Ядерные превращения. Ряды радиоактивных превращений. Ядерное деление и ядерный синтез.