1. Основные химические понятия и законы в свете атомно-молекулярного учения
Атомно-молекулярное учение. Основные понятия стехиометрии: химический элемент, простое вещество, аллотропия, атомы и молекулы, относительные атомные и молекулярные массы. Моль как единица количества вещества. Молярная масса.
Закон сохранения массы и энергии и его значение в химии. Уравнение Эйнштейна, взаимосвязь массы и энергии. Уравнения химических реакций как отражение закона сохранения массы веществ. Закон кратных отношений Дж.Дальтона, закон постоянства состава Ж.Пруста, границы их применимости. Дальтониды и бертоллиды. Значение веществ переменного состава в современной технике. Бертоллиды в природе.
Химический эквивалент элемента. Закон эквивалентов. Химические эквиваленты сложных веществ. Молярная масса эквивалента.
Закон простых объемных отношений Гей-Люссака. Закон Авогадро и выводы из него. Постоянная Авогадро. Молярный объем газа.
Химические реакции. Уравнения химических реакций. Стехиометрические расчеты с использованием величины масс и объемов веществ.
2. Классификация и номенклатура неорганических соединений
Простые вещества. Металлы и неметаллы. Классификация сложных веществ по составу. Бинарные соединения: гидриды, оксиды, пероксиды, супероксиды, галогениды, халькогениды, нитриды, карбиды и т.п. Номенклатура бинарных соединений. Трехэлементные соединения. Гидроксиды. Соли.
Классификация сложных веществ по функциональным признакам. Оксиды солеобразующие и несолеобразующие. Кислотные, основные и амфотерные оксиды. Номенклатура оксидов. Физические и химические свойства оксидов. Получение.
Основания. Одно- и многокислотные основания. Щелочи. Номенклатура оснований. физические и химические свойства оснований. Получение.
Кислоты. Одно- и многоосновные кислоты. Номенклатура бескислородных и кислородсодержащих кислот. Физические и химические свойства. Получение кислот.
Соли. Средние, кислые (гидросоли), основные (гидроксо- и оксосоли). Смешанные и двойные соли. Номенклатура солей. Физические и химические свойства. Получение солей.
3. Строение атома
Экспериментальные обоснования представлений об атоме как сложной системе микрочастиц. Открытие электрона. Радиоактивность. Планетарная модель атома по Резерфорду. Элементарные частицы и атомное ядро.
Квантово-механические принципы строения вещества: корпускулярно-волновой дуализм явлений микромира, принцип неопределенности, волновая функция.
Понятие об электронном облаке, атомной орбитали. Квантовые числа: главное, орбитальное, магнитное и спиновое; их физический смысл. Виды атомных s -, p -, d -, f -орбиталей. Вырожденные состояния. Емкость электронных слоев.
Принципы и порядок заполнения электронных орбиталей атома в основном состоянии: принцип наименьшей энергии, принцип Паули, правило Хунда, правила Клечковского. Электронные емкости орбиталей, подуровней и уровней атома.
Способы записи электронных формул атома. Устойчивое состояние атомной орбитали.
Значение теории строения атома в химии и биологии. Применение <меченых> атомов в биологических исследованиях. Радиоуглеродный метод определения возраста органических остатков.
4. Периодический закон и периодическая система Д.И.Менделеева
Первые попытки классификации химических элементов. Открытие периодического закона Д.И.Менделеевым. Принцип построения естественной системы элементов. Жизнь и научно-педагогическая деятельность Д.И.Менделеева. Современная формулировка периодического закона.
Построение структуры периодической системы исходя из энергетической последовательности подуровней многоэлектронных атомов. Периоды, группы, подгруппы. Связь положения элемента в периодической системе с электронным строением его атома. Различия электронных конфигураций атомов элементов главных и побочных подгрупп. s-, p-, d-, f- семейства химических элементов.
Периодичность изменения свойств элементов как проявление периодичности изменения электронных конфигураций атомов. Периодически и непериодически изменяющиеся свойства элементов. Полные и неполные электронные аналоги. Закономерности в изменении величин атомных и ионных радиусов, энергии ионизации, энергии сродства к электрону, электроотрицательности элементов, свойств простых и сложных веществ в периодах, главных и побочных подгруппах.
Естественнонаучное значение периодического закона. Границы и эволюция периодической системы элементов.
5. Химическая связь. Строение и свойства
вещества
Основные типы химической связи: ковалентная (полярная и неполярная), ионная, металлическая, водородная. Развитие представлений о ее природе.
Характеристики связей: электрические дипольные моменты, эффективные заряды атомов, степень ионности, направленность и насыщаемость, энергия и длина связи, валентный угол.
Ковалентная связь с позиций метода валентных связей (МВС). Физическая идея метода: образование двухцентровых двухэлектронных связей, принцип максимального перекрывания атомных орбиталей.
Механизмы образования ковалентной связи: обменный и донорно-акцепторный.
Свойства ковалентной связи: насыщаемость, направленность, поляризуемость. Насыщаемость ковалентной связи и ковалентности атомов элементов I - III периодов.
Теория направленных валентностей. Сигма ( s )- и пи ( p )-связи. Кратность связи. Гибридизация атомных орбиталей. Условия устойчивой гибридизации атомных орбиталей. Типы гибридизации и геометрия молекул.
Полярность связей и полярность молекул.
Метод молекулярных орбиталей (ММО) и особенности используемой в нем волновой функции. Связывающие и разрыхляющие молекулярные орбитали. Их заполнение электронами, порядок и энергия связей. Связи в двухатомных гомоядерных молекулах.
Проявление свойств химических связей в твердом состоянии вещества.
Особенности ионной связи и строение ионных кристаллов с одноатомными и многоатомными ионами. Свойства ионных кристаллов.
Металлическая связь. Строение металлических кристаллов. Специфические свойства металлов.
Водородная связь и ее свойства. Внутримолекулярная и межмолекулярная водородная связь. Структура льда и жидкой воды. Аномалии физических свойств воды. Роль водородной связи в биологических структурах.
Межмолекулярные взаимодействия и их характеристика. Ориентационное (диполь-дипольное), индукционное (диполь-наведенный диполь) и дисперсионное взаимодействия.
Применение теории химической связи в химии и биологии.
6. Основные закономерности протекания химических реакций. Скорость химической реакции. Химическое равновесие. Катализ
Энергетические эффекты химических реакций. Тепловой эффект реакции. эндотермические и экзотермические реакции. Термохимические уравнения реакций. Энтальпия. Понятие об энтропии. Условия самопроизвольного протекания химической реакции. Роль энтальпийного и энтропийного фактора в направленности процессов при различных условиях.
Понятие о скорости химической реакции. Истинная (мгновенная) и средняя скорость. Основные факторы, влияющие на скорость химической реакции.
Химическая реакция как последовательность элементарных стадий. Закон действующих масс - основной закон химической кинетики. Константа скорости реакции.
Зависимость скорости химической реакции от температуры. Правило Вант-Гоффа. Понятие об активных молекулах и энергии активации. Фотохимические реакции. Фотосинтез биомассы на Земле.
Механизмы химических реакций. Простые, ионные и радикальные реакции. Радикально-цепной механизм реакций.
Катализ. Влияние катализатора на скорость химической реакции. Типы катализа: гомогенный, гетерогенный, микрогетерогенный, биокатализ (ферментативный), автокатализ, понятие об ингибиторах. Особенности ферментов как катализаторов. Роль катализаторов в биологических процессах.
Значение химической кинетики в химии, биологии и сельском хозяйстве.
Необратимые и обратимые химические реакции. Условия обратимости химических процессов. Химическое равновесие. Константа химического равновесия. Смещение химического равновесия при изменении концентраций реагирующих веществ, давления и температуры. Принцип Ле Шателье как следствие динамической природы химического равновесия.
Роль химических равновесий в природе. Представления о квазиравновесии и псевдоравновесии (метастабильное состояние).
7. Учение о растворах
Краткая характеристика дисперсных систем и их классификация. Взвеси (суспензии и эмульсии), коллоидные системы, истинные растворы. Раствор как гомогенная многокомпонентная система переменного состава. Механизм процесса растворения. Связь теплоты растворения вещества с энергией кристаллической решетки и теплотой гидратации.
Растворимость твердых веществ в воде. Коэффициент растворимости и его зависимость от температуры. Насыщенные, ненасыщенные, пересыщенные растворы. Кристаллизация твердых веществ из растворов. Кристаллогидраты.
Растворимость в воде газообразных веществ. Зависимость растворимости газов от температуры и их парциального давления. Растворимость газов в природных водах.
Концентрация растворов. Способы выражения концентрации растворов. Массовая доля растворенного вещества. Молярная, молярная концентрация эквивалента (нормальная), моляльная концентрация. Титр. Методика приготовления растворов. Техника безопасности при работе с концентрированными растворами кислот и щелочей.
Значение растворов в жизнедеятельности организмов. Роль растворов в хозяйственной деятельности человека. Охрана водных ресурсов.
8. Теория электролитической диссоциации
Понятие об электролитах и неэлектролитах. Растворы неэлектролитов. Зависимость растворения от природы и свойств растворенного вещества и растворителя. Идеальные и реальные растворы. Осмотическое давление растворов. Закон Вант-Гоффа. Осмос в природе. Почвенные растворы.
Растворы электролитов. Основные положения теории электролитической диссоциации. Степень электролитической диссоциации. Факторы, влияющие на степень электролитической диссоциации. Сила электролитов.
Применение закона действующих масс к процессу диссоциации слабых электролитов. Константа диссоциации. Закон разбавления Оствальда. Роль электролитов в процессе жизнедеятельности.
Кислоты, основания, соли в свете теории электролитической диссоциации. Ступенчатая диссоциация. Амфолиты.
Электролитическая диссоциация воды. Ионное произведение воды. Водородный показатель. Водородный показатель биологических жидкостей. Значение постоянства величин рН в химических и биологических процессах. Природные буферные системы. Кислотность почв.
Равновесие в насыщенных растворах малорастворимых электролитов. Произведение растворимости. Растворимость малорастворимых солей и оснований.
Различные случаи гидролиза солей. Реакция среды в водных растворах солей. Обратимый и необратимый гидролиз. Роль гидролиза в выветривании минералов и горных пород, в биологических и химических процессах.
9. Окислительно-восстановительные процессы. Электролиз
Реакции, идущие с изменением и без изменения степени окисления. Окислители и восстановители. Классификация окислительно-восстановительных реакций. Правила составления окислительно-восстановительных реакций: метод электронного баланса и ионно-электронный метод (метод полуреакций). Роль среды в протекании окислительно-восстановительных процессов.
Окислительно-восстановительные (электродные) потенциалы. Стандартный водородный электрод. Стандартный электродный потенциал. Электрохимический ряд напряжений металлов. Направленность окислительно-восстановительных реакций в растворах. Значение окислительно-восстановительных реакций в живой и неживой природе.
Электролиз как окислительно-восстановительный процесс. Электролиз расплавов и водных растворов солей и его практическое значение.
10. Комплексные соединения
Понятие о комплексных соединениях. Основные положения координационной теории А.Вернера. Строение координационной сферы комплексных соединений: центральный ион-комплексообразователь, лиганды, комплексный ион, внешняя и внутренняя сфера комплекса, заряд комплексного иона, координационное число.
Основные классы комплексных соединений. Катионные, анионные, катионно-анионные комплексы. Гидраты (аквакомплексы). Кристаллогидраты как частный случай аквакомплексов. Гидроксокомплексы. Ацидокомплексы. Двойные соли как частный случай ацидокомплексов. Природные комплексные соединения: хлорофилл, гемоглобин, витамин В 12 и другие.
Природа химической связи в комплексных соединениях с позиций метода валентных связей. Изомерия комплексных соединений. Номенклатура комплексных соединений.
Электролитическая диссоциация комплексных соединений. Устойчивость комплексных ионов в растворе. Константа нестойкости комплексных ионов.
Значение комплексных соединений и комплексообразования в химических и биологических процессах.
11. Химия s -элементов
Положение s -элементов в периодической системе. Особенности электронных структур ns 1 и ns 2 -элементов. Валентность и степень окисления. Нахождение в природе.
Строение атома водорода и его положение в периодической системе. Изотопы водорода. Нахождение в природе. Физические и химические свойства водорода. Применение водорода. Водородная энергетика.
Сравнительная характеристика физических и химических свойств простых элементов.
Сравнительная характеристика важнейших соединений s -элементов (оксидов, гидридов, гидроксидов, пероксидов, солей). Особенности химии бериллия и лития.
Биологические функции магния, кальция, натрия и калия. Калий как один из основных элементов питания растений.
Жесткость воды и способы ее устранения.
Правила хранения и техника безопасности при работе со щелочными и щелочно-земельными металлами.
12. Химия р-элементов
Положение в периодической системе. Особенность электронных структур атомов р-элементов. Изменение радиуса, энергии ионизации, энергии сродства к электрону, электроотрицательности по периодам и группам с ростом заряда ядра. Валентность и степень окисления атомов. Правило четности.
Простые вещества. Типы кристаллических решеток. Аллотропия. Физические и химические свойства. Специфические и индивидуальные свойства отдельных элементов.
Водородные соединения р-элементов. Обзор изменения характера связей, физических и химических свойств соединений по периодам (на примере 2-го и 3-го периодов) и группам (5А, 6А, 7А).
Оксиды и гидроксиды р-элементов. Зависимость их кислотно-основных и окислительно-восстановительных свойств от положения атома элемента в периодической системе.
Кислород. Значение кислорода в жизни растений и животных. Озон, его свойства, образование в природе. Воздух. Постоянные и переменные части воздуха. Проблема чистого воздуха. Законы об охране атмосферного воздуха.
Сера. Распространение в природе. Аллотропия серы, физические свойства различных модификаций. Сероводород, его получение, физические и химические свойства, физиологическое действие. Сероводородная кислота, сульфиды и их свойства. Сульфиды в природе. Оксиды серы. Строение, получение, физические и химические свойства. Кислородсодержащие кислоты серы. Физические и химические свойства. Правила обращения с концентрированной серной кислотой. Производство серной кислоты и охрана окружающей среды. Сульфаты: нахождение в природе, свойства и применение. Значение серной кислоты и ее солей. Биологическая роль и круговорот серы в природе.
Азот. Азот в природе. Получение и применение азота. Аммиак; строение его молекулы, получение аммиака. Соли аммония, их структура, свойства и значение. Оксиды азота. Азотистая кислота и нитриты. Азотная кислота. Получение и свойства азотной кислоты. Техника безопасности при работе с азотной кислотой. Нитраты, их химические свойства, термическое разложение. Применение азотной кислоты и нитратов. Биологическая роль и круговорот азота в природе. Роль микроорганизмов в этом процессе. Проблема фиксации атмосферного азота. Азотные удобрения. Проблема, связанная с перенасыщением почвы и сельскохозяйственной продукции нитратами.
Фосфор. Важнейшие природные соединения. Получение фосфора. Аллотропные модификации фосфора. Правила обращения с белым фосфором. Фосфин, его образование в биохимических процессах. Оксиды фосфора. Фосфорные кислоты. Сравнительная характеристика устойчивости, кислотных и окислительно-восстановительных свойств. Применение фосфора и его соединений, роль в живых организмах. Круговорот фосфора в природе. Фосфорные удобрения и их использование при различном рН почв.
Углерод. Углерод в природе. Аллотропические видоизменения углерода, их структура, физические свойства, практическое значение. Адсорбционные свойства активированного угля. Химические свойства углерода, его практическое применение в качестве восстановителя. Водородные соединения углерода. Кислородные соединения углерода. Оксид углерода ( II ), его строение и свойства. Физиологическое действие оксида углерода ( II ) и правила техники безопасности при работе с ним. Первая помощь при отравлении угарным газом. Оксид углерода ( IV ), строение его молекулы, физические и химические свойства, получение и применение. углекислый газ в природе и его значение в фотосинтезе. Проблема парникового эффекта. Угольная кислота и ее соли. Значение карбонатов в природе и народном хозяйстве. Карбонатная буферная система. Круговорот углерода в природе.
Хлор. Распространение в природе, способы получения, физические и химические свойства хлора. Хлороводород, соляная кислота: получение, физические и химические свойства, применение. Кислородсодержащие кислоты хлора. Сравнение силы, прочности и окислительных свойств. Хлорноватистая кислота, гипохлориты и их применение. Хлорная известь. Бертолетова соль. Физиологическое действие хлора и его соединений. Охрана окружающей среды от загрязнений хлором. Физиологическое действие и биологическая роль фтора, брома, йода и их соединений.
13. Химия d -элементов
Положение d -элементов в периодической системе. Особенности электронных конфигураций и диапазон степеней окисления атомов переходных металлов. Горизонтальная аналогия. Специфика изменения свойств переходных элементов и их соединений с увеличением зарядов ядер атомов в пределах периодов и побочных подгрупп. Отличия в свойствах элементов главных и побочных подгрупп, их объяснение с позиций строения атомов.
Общая характеристика простых веществ. Нахождение в природе, физические и химические свойства, получение. Применение металлов и их сплавов.
Оксиды и гидроксиды переходных металлов. Зависимость кислотно-основных и окислительно-восстановительных свойств оксидов и гидроксидов от степени окисления атомов (на примере соединений хрома, марганца).
Комплексные соединения d -элементов. Важнейшие комплексообразователи. Природные комплексы d -элементов. Физиологическое действие соединений меди, цинка, кадмия, ртути. Биологические функции железа, кобальта, никеля. Бактерицидное действие серебра. Микроэлементы питания растений.