Химия элементов

Бакалавриат 2020/2021

Статус: Курс обязательный (Химия)

Направление: 04.03.01. Химия

Когда читается: 1-й курс, 1-3 модуль

Формат изучения: без онлайн-курса

Преподаватели: Белоусов Юрий Александрович, Голубенко Даниил Владимирович, Котов Виталий Юрьевич, Юрова Полина Анатольевна

Язык: русский

Кредиты: 8

Контактные часы: 146

Полная версия программы учебной дисциплины

Аннотация

В данной учебной дисциплине представлен курс по химии элементов I – VII групп главных подгрупп, рассчитанный на студентов очной формы обучения. В основе классификации элементов – сопоставление физических и химических свойств элементов с их электронным строением. В результате освоения дисциплины обучающийся демонстрирует знание периодического закона и периодической системы элементов Д.И.Менделеева, химии элементов, умеет составлять уравнения реакций, воспроизводит алгоритмы решения задач по неорганической химии, готов использовать полученные навыки при выборе методик синтеза неорганических соединений. Настоящая дисциплина относится к базовой части профессионального цикла дисциплин. Изучение данной дисциплины базируется на дисциплине школьной программы «Химия». Для освоения учебной дисциплины студенты должны владеть следующими знаниями и умениями: • Знать элементарные законы химии Основные положения дисциплины должны быть использованы в дальнейшем при изучении дисциплин: • Основы физическая химия • Теоретическая неорганическая химия • Дисциплины специализации

Цель освоения дисциплины

Формирование у обучающихся основ знаний по неорганической химии
Oвладение обучающимися навыками решения простейших химических задач, обуславливающих стратегию неорганического синтеза.

Планируемые результаты обучения

Демонстрирует знание химии неметаллов.
Умеет составлять уравнения окислительно-восстановительных реакций методом электронно-ионного баланса.
Умеет решать задачи на осуществление цепи превращений.
Демонстрирует знание химии металлов.
Готов использовать диаграммы вольт-эквивалент-степень окисления и электрохимический потенциал – рН для описания условий устойчивости соединений в определенных степенях окисления
Имеет навыки работы в лаборатории.
Может выполнить практическую работу в соответствии с представленной методикой
Способен рассчитать вывод продукта

Содержание учебной дисциплины

Основные понятия теоретической неорганической химии
Энергетика химических превращений. Энтальпия, энтропия и энергия Гиббса химической реакции. Строение атома. Изотопы. Образование ковалентных и ионных связей. Энергия связи и энергия кристаллической решётки.
Периодический закон и Периодическая система элементов. Водород.
Электроотрицательность элементов. Структура периодической таблицы, группы химических элементов. Изменение радиусов атомов, потенциалов ионизации, сродства к электрону в периодах и группах. Химические свойства простого вещества. Гидриды, классификация, свойства. Вода, строение, свойства. Кристаллизационная вода, аквакомлексы и твердые гидраты. Катионы H3O+ и H5O2+. Водородная связь. Гидраты и клатраты.
Элементы 17-й группы. Галогены.
Окислительно-восстановительный потенциал. Диаграмы «вольт-эквиавалент – степень окисления» (Диаграммы Фроста). Сравнение строения и свойств простых веществ и соединений: Свойства элементов: электроотрицательность, потенциалы ионизации, радиусы атомов, степени окисления. Физические и химические свойства простых веществ. Получение в промышленности и лаборатории. Молекулы HX и их водные растворы. Кислотные и восстановительные свойства. Кислородсодержащие соединения галогенов: оксиды Cl2O, ClO2, Cl2O7, I2O5; HOF и кислоты HXOn, n=1-4, а также H5IO6. Изменение кислотных и окислительных свойств. Межгалогенные соединения: реакции получения, разложения, гидроилиза. Предсказание строение с использованием модели Гиллеспи.
Лабораторный практикум по неорганической химии
1. Трисоксалатоферрат калия тригидрат 2. Кристаллические карбонат и сульфид кадмия 3. Иодат калия 4. Диамминотетрароданохромат (III) аммония, моногидрат (соль Рейнеке). Диамминотетрароданохромат (III) гуанидиния (соль Морланда). 5. Гексамминкобатьта нитрат 6. Хромит никеля 7. Реакция железа с медным купоросом 8. Азид калия 9. Потенциометрическое титрование сильной и слабой кислот 10. Кондуктометрическое титрование смеси сильной и слабой кислот 11. Гексацианоферрат бипиридильного комплекса свинца 12. Кристаллический перхлорат тетрабутиламмония 13. Ацетилацетонат ванадила 14. Гибридные галовисмутаты пиридиния 15. Глицинат меди 16. Гетерополимолибдаты марганца (II) и (IV)
Основы химии f-элементов (лантаниды и актиниды).
Особенности 3-й группы (Sc, Y, La, Ac). Закономерности изменения свойств. Лантаниды. Получение: отделение Сe, Eu, современные методы разделения. Свойства Ln+3. Амфотерность и карбонатные комплексы. Свойства Ce(IV), Pr(IV), Tb(IV). Свойства Eu2+, Sm2+, Yb2+ и сходство с щелочноземельными металлами. Актиниды: особенности химии Th, Pa, U, Np, Pu. Тяжёлые актиниды. Основные идеи ядерной промышленности и энергетики.
d-Элементы II группы (цинк, кадмий, ртуть)
Сравнение строения и свойств простых веществ и соединений (оксидов, гидроксидов, галогенидов). Комплексные соединения. Поликатионы ртути. Азотсодержащие соединения ртути.
d-Элементы 11-й группы (медь, серебро, золото).
Сравнение строения и свойств простых веществ и соединений, диаграмма вольт-эквивалент — степень окисления. Комплексные соединения. Эффект Яна-Теллера. Соединения элементов I группы с высокими степенями окисления. Оксиды меди. Купраты. Высокотемпературные сверхпроводники.
Элементы 16-й группы. Халькогены
Сравнение строения и свойств простых веществ и соединений: Диаграммы Фроста для халькогенов. Строение атомов, радиусы атомов, потенциалы ионизации, проявляемые степени окисления, фторид кислорода. Ппростые вещества, строение молекул, аллотропные модификации кислорода и серы, физические и химические свойства, способы получения. Фазовая диаграмма серы. Водородные соединения Н2Э: строение молекул (МВС), физические свойства, химические свойства. Изменение кислотных и восстановительных свойств. Пероксид водорода; Кислородные соединения халькогенов: оксиды ЭО2 и ЭО3, кислоты Н2ЭО3, Н2ЭО4, H6TeO6 – свойства, получение, реакционная способность. Соединения со связью S-S: S2O32-, SnO62-, S2O42-. Понятие о сульфанах и галогенидах серы.
Элементы 15-й группы. Пниктогены
Диаграммы Фроста для азота и фосфора. Строение атомов, радиусы атомов, потенциалы ионизации, проявляемые степени окисления; простые вещества, строение молекул, физические и химические свойства, способы получения; водородные соединения ЭН3, строение молекул (МВС), физические свойства, химические свойства, получение. Гидразин и гидроксиламин, их свойства и получение. Кислородные соединения элементов, Оксиды азота (N2O, NO, N2O3, NO2, N2O4, N2O5), физические свойства, химические свойства, получение в лаборатории. Азотная и азотистая кислоты. Фосфорные кислоты: Н3РО2, Н3РО3, Н3РО4, (НРО3)n, Н4Р2О7, строение молекул (МВС), физические свойства, химические свойства, получение. Химия As, Sb, Bi: галогениды, соли, комплексные кислоты, сульфиды и тиосоли.
Металлы главных групп: щелочные, щелочноземельные, подгруппа Al.
Строение атомов, потенциалы ионизации, радиусы атомов и ионов. Гидратация катионов. Получение и свойства простых веществ. Реакции металлов с кислородом, азотом, водой. Химия аква-ионов. Щелочи и амфотерные основания. Растворы щелочных и щелочноземельных элементов в аммиаке и других растворителях. Комплексные соединения s-элементов. Металлоорганические соединения. Особенности химии Ga, In, Tl: устойчивость степеней окисления «+1» и «+3». Кислотно-основные свойства.
Элементы 14-й группы: C, Si, Ge, Sn, Pb. Основные понятия химии бора.
Простые вещества. Строение атомов, радиусы атомов, потенциалы ионизации, проявляемые степени окисления. Диагональное сходство на примере пары B-Si. Водородные соединения ЭН4, B2H6. Кислородные соединения углерода, кремния и бора. Оксиды, карбонаты, силикаты, бораты. Химия Sn, Pb. Восстановительные свойства Sn(II) и окислительные свойства Pb(IV). Эффект «инертной» 6s2 электронной пары.
Элементы 18-й группы
Сравнение строения и свойств простых веществ и соединений: строение атомов, радиусы атомов, потенциалы ионизации, проявляемые степени окисления. История открытия соединений элементов VIII группы. Фториды ксенона, окислительно-восстановительные и кислотно-основные свойства. Кислородные соединения ксенона, диаграмма вольт-эквивалент — степень окисления. Обзор свойств неметаллов.
Переходные металлы
Комплексные соединения и основные понятия ТКП. Расщепление в октаэдрическом и тетраэдрическом полях. Распространённость d- и f-элементов. Халькофильные и литофиильные металлы. Изменение устойчивых степеней окисления d-металлов по группам и периодам.
Элементы 4й группы (подгруппа Титана).
d-Элементы IV группы (титан, цирконий, гафний). Сравнение строения и свойств простых веществ и соединений. Получение титана, процесс ван Аркеля – де Бура. Разделение циркония и гафния. Соединения титана +2, +3. Процессы полимеризации гидроксо-соединений (оляция и оксоляция). Галогениды и оксогалогениды титана и циркония. Комплексные соединения титана. Пероксидные соединения титана и циркония.
d-Элементы 5-й группы (ванадий, ниобий, тантал).
Сравнение строения и свойств простых веществ и соединений, диаграмма вольт-эквивалент — степень окисления. Получение и свойства ванадия (II), (III), (IV). Катион ванадила. Изополисоединения ванадия, зависимость состава ванадат-ионов от рН среды. Катионные комплексы ниобия и тантала низших степеней окисления. Координационные числа металлов в соединениях. Пероксокомплексы ванадия.
d-Элементы 6й группы (хром, молибден, вольфрам).
Сравнение строения и свойств простых веществ и соединений, диаграмма вольт-эквивалент — степень окисления. Комплексные соединения. Инертность конфигруации d3. Изомерия комплексных соединений хрома; изо- и гетерополисоединения; многоядерные комплексы; тиосоли молибдена и вольфрама). Соединения низших степеней окисления: соединения хрома в нулевой и отрицательных степенях окисления, молибденовые сини и вольфрамовые бронзы.
d-Элементы 7й группы (марганец, технеций, рений).
Сравнение строения и свойств простых веществ и соединений, диаграмма вольт-эквивалент — степень окисления. Устойчивость соединений марганца к диспропорционированию и окислительно-восстановительным реакциям с растворителем (водой). Проблема стабилизации соединений в неустойчивых степенях окисления. Комплексные соединения
d-Элементы 8й группы (железо, рутений, осмий).
Сравнение строения и свойств простых веществ и соединений, диаграмма вольт-эквивалент — степень окисления. Химия солей Fe2+, Fe3+. Комлексные соединения железа – циано-, родано-комплексы. Ферраты (VI), получение и свойства. Основы химии рутения и осмия. Соединения со степенью окисления +8. Комплексные соединения. Карбонилы и карбонилат-анионы. Металлорганические соединения. Ферроцен. Биохимия железа. Гемоглобин. Шпинели
d-Элементы 9й группы (кобальт, родий, иридий).
Сравнение строения и свойств простых веществ и соединений, диаграмма вольт-эквивалент — степень окисления. Соли и комплексные соединения Co2+, Co3+. Особенности конфигураций d7 и d6. Комплексы кобальта (III). Основы химии родия и иридия. Комплексные соединения. Катализатор Уилкинсона.
d-Элементы 10й группы (никель, палладий, платина).
Сравнение строения и свойств простых веществ и соединений, диаграмма вольт-эквивалент — степень окисления. Соли и комплексные соединения Ni2+. Стабилизация Ni4+ в гетерополисоединениях, периодатных и теллуратных комплексах. Карбонил никеля: получение и свойства. Основы химии Pd, Pt. Комплексные соединения. Особенности электронной конфигурации d8 и устойчивость плоскоквадратных комплексов. Транс-влияние.

Элементы контроля

Письменная контрольная работа (1-4)
Общее количество контрольных работ не более пяти. Каждая контрольная работа имеет равный вес пропорционально их количеству.
Контрольные задания (1-5)
Данный вид контроля осуществляется во время двух лекционных занятий и по результатам трех домашних заданий в период проведения дисциплины.
Лабораторные работы
Выполняются каждым студентом в количестве 15 из 16 задач, представленных в ПУД. На выполнение практикума отводится один день в неделю, установленный расписанием. Работы осуществляются каждым студентом индивидуально "по кругу". После выполнения 5 из 15 работ студент переходит в следующую группу к другому преподавателю. Лабораторные работы проводятся во втором и третьем модуле. Период итогового контроля по элементу - 3 модуль.
Коллоквиум 2 модуль
В диплом выставляется результирующая оценка по учебной дисциплине, исходя из представленной формулы. Студентам, которые по результатам контрольных работ и контрольных заданий набрали не менее 85% от максимально возможного балла, освобождаются от сдачи коллоквиума с выставлением максимальной оценки за коллоквиум.

Промежуточная аттестация

Промежуточная аттестация (3 модуль)
0.3 * Коллоквиум 2 модуль + 0.1 * Контрольные задания (1-5) + 0.2 * Лабораторные работы + 0.4 * Письменная контрольная работа (1-4)

Программа дисциплины