Общая и неорганическая химия

Бакалавриат 2020/2021

Лучший по критерию «Полезность курса для расширения кругозора и разностороннего развития»

Лучший по критерию «Новизна полученных знаний»

Статус: Курс обязательный (Клеточная и молекулярная биотехнология)

Направление: 06.03.01. Биология

Кто читает: Факультет биологии и биотехнологии

Где читается: Факультет биологии и биотехнологии

Когда читается: 1-й курс, 1, 2 модуль

Формат изучения: без онлайн-курса

Преподаватели: Истомин Сергей Яковлевич

Язык: русский

Кредиты: 6

Контактные часы: 158

Полная версия программы учебной дисциплины

Аннотация

раздел химии, связанный с изучением строения, реакционной способности и свойств всех химических элементов и их неорганических соединений. Эта область охватывает все химические соединения, за исключением органических веществ (класса соединений, в которые входит углерод, за исключением нескольких простейших соединений, обычно относящихся к неорганическим). Различия между органическими и неорганическими соединениями, содержащими углерод, являются по некоторым представлениям произвольными. Неорганическая химия изучает химические элементы и образуемые ими простые и сложные вещества (кроме органических соединений). Обеспечивает создание материалов новейшей техники. Важнейшая задача неорганической химии состоит в разработке и научном обосновании способов создания новых материалов с нужными для современной техники свойствами. Настоящая программа учебной дисциплины устанавливает требования к образовательным результатам и результатам обучения студента и определяет содержание и виды учебных занятий и отчетности. Программа предназначена для преподавателей, ведущих дисциплину «Общая и неорганическая химия», учебных ассистентов и студентов направления подготовки 06.03.01 Биология, обучающихся по образовательной программе «Клеточная и молекулярная биотехнология». Программа учебной дисциплины разработана в соответствии с: Образовательным стандартом НИУ ВШЭ по направлению 06.03.01 Биология; Образовательной программой «Клеточная и молекулярная биотехнология» и объединенным учебным планом по образовательной программе «Клеточная и молекулярная биотехнология». Данная учебная дисциплина включена в раздел «Базовая часть» Учебного плана 06.03.01 Биология и относится к базовой профильной части. Осваивается на 1 курсе в 1-2 модуле. Изучение данной дисциплины базируется на курсе Химия школьной программы. Основные положения дисциплины «Общая и неорганическая химия» будут использоваться при освоении дисциплин «Органическая химия для медицины и биологии», «Биохимия» и при прохождении практик.

Цель освоения дисциплины

дать учащемуся основные теоретические знания в области общей и неорганической химии и привить навыки практической работы с химическими веществами и базовой химической посудой и оборудованием.

Планируемые результаты обучения

Знание основных понятий химической термодинамики. Умение решать расчётные задачи по нахождению тепловых эффектов химических реакций и энтальпий, а также энергии химической связи.
Знание Второго закон термодинамики. Умение решать задачи по расчету энтропии различных процессов, решать расчетные задачи по нахождению энергии Гиббса химической реакции и определению направления ее протекания.
Знание понятий химическая работа и химический потенциал. Освоение зависимости химического потенциала от давления и концентрации.
Освоение простых и сложных реакций. Основной закон химической кинетики.
Знание процессов растворения. Энтальпия и энтропия растворения. Закон Рауля.
Ознакомление с сильными и слабыми кислотами и основаниями. Знание факторов, влияющих на силу кислот. Гидролиз солей.
Умение составлять уравнения окислительно-восстановительных реакций в растворах.
Ознакомление с электронным строением атома. Волновая функция и ее физический смысл. Ознакомление с Уравнением Шредингера и его решение для водородоподобного атома.
Усвоение типов химической связи. Характеристики химической связи.
Ознакомление с: Металлы, полупроводники, диэлектрики. Химия водорода, соединения водорода с кислородом. щелочных металлов, простые вещества, методы получения. Соединения щелочных металлов: оксиды, гидроксиды, соли.
Знание характеристики элементов 13 группы, простые вещества, соединения с водородом, кислородом, галогенами, халькогенами и азотом. Сравнительная характеристика элементов 14 группы, простые вещества, соединения с водородом, кислородом, галогенами; сравнение строения и свойств соединений в степенях окисления +2 и +4.
Знание свойства азота, соединения азота с водородом и кислородом, кислородные кислоты и их соли, галогениды азота. Фосфор: простое вещество, соединения с водородом, галогенами и кислородом, кислородные кислоты фосфора. Основные соединения мышьяка, сурьмы, висмута, сравнение свойств.
Владение информации о химии халькогенов: сравнительная характеристика элементов, простые вещества, соединения в степенях окисления -2, +4, +6, кислородные соединения серы.
Владение информацией о химии галогенов: сравнительная характеристика элементов, простые вещества, галогеноводороды, межгалоидные соединения, кислородные соединения галогенов.
Знание закономерностей в изменении ковалентных радиусов, потенциалов ионизации, температур кипения и плавления простых веществ, прочностей одинарных, кратных связей элемент-элемент вдоль по периоду для элементов, относящихся ко второму периоду периодической системы.
Ознакомление с комплексными соединениями: основные понятия, номенклатура, изомерия, химическая связь.
Знание элементов группы титана, получение и свойства простых веществ, соединения с кислородом и галогенами, элементов группы ванадия.
Знание элементов группы хрома, простые элементов группы марганца, проявляемые степени окисления.
Ознакомление со сравнительной характеристикой элементов триады железа, соединения в различных степенях окисления, комплексы. Общая характеристика платиновых металлов.
Ознакомление с элементами группы меди, с элементами группы цинка.
Усвоение закономерности в изменении свойств d-элементов.

Содержание учебной дисциплины

Тема 1. Основные понятия и законы химии. Введение в термодинамику. Первый Закон Термодинамики.
Введение: Общие определения в химии. Основы химической термодинамики. Параметры термодинамического состояния, уравнение состояния, функция состояния. Первый закон термодинамики. Внутренняя энергия и энтальпия. Закон Гесса. Стандартное состояние. Основные понятия химической термодинамики. Решение расчётных задач по нахождению тепловых эффектов химических реакций и энтальпий, а также энергии химической связи.
Тема 2. Второй закон термодинамики, энтропия, энергия Гиббса.
Самопроизвольные и несамопроизвольные процессы. Работа и теплота. Формулировки второго закона термодинамики. Энтропия. Формула Больцмана. Изменение энтропии в различных процессах. Расчет энтропии. Критерии самопроизвольного протекания процессов в различных системах. Свободная энергия Гиббса и Гельмгольца. Расчет энергии Гиббса химической реакции. Температурная зависимость энергии Гиббса различных реакций. Второй закон термодинамики. Задачи по расчету энтропии различных процессов. Критерии самопроизвольного протекания процессов. Решение расчетных задач по нахождению энергии Гиббса химической реакции и определению направления ее протекания.
Тема 3. Химический потенциал, химическое равновесие, принцип Ле-Шателье.
Объединенный первый и второй закон термодинамики. Концепция обобщённых сил и координат. Химическая работа и химический потенциал. Зависимость химического потенциала от давления и концентрации. Константа термодинамического равновесия. Температурная зависимость константы равновесия. Способы смещения положения равновесия (принцип Ле-Шателье).
Тема 4. Основные понятия химической кинетики.
Скорость химической реакции. Простые и сложные реакции. Основной закон химической кинетики. Порядок реакции и его экспериментальное определение. Зависимость скорости химической реакции от температуры. Уравнение Аррениуса. Энергия активации. Гомогенный и гетерогенный катализ. Ферментативный катализ.
Тема 5. Растворы, расчет концентраций, коллигативные свойства растворов.
Определение раствора. Способы выражения концентраций растворов. Процессы растворения. Энтальпия и энтропия растворения. Закон Рауля. Коллигативные свойства растворов. Изотонический коэффициент. Занятие 1. (Приготовление раствора соляной кислоты и определение его концентрации методом титрования щелочью.) Занятие 2. (Определение растворимости K2Cr2O7.)
Тема 6. Кислотно-основные равновесия в растворах, протолитическая теория
Теория кислот и оснований Аррениуса. Протолитическая теория. Сопряженные кислотно-основаные пары. Амфолиты. Водородный показатель pH. Сильные и слабые кислоты и основания. Факторы, влияющие на силу кислот. Гидролиз солей. Гидролиз катионов и анионов как пример протолитического равновесия. Гетерогенные равновесия. Занятие 3. (Химическое равновесие. Электропроводность растворов. Сравнение силы кислот и оснований. Произведение растворимости).
Тема 7. Окислительно-восстановительные процессы. Стандартный электродный потенциал, диаграмма Латимера и уравнение Нернста.
Составление уравнений окислительно-восстановительных реакций в растворах. Электродный потенциал. Cтандартный электродный потенциал. Важнейшие окислители и восстановители. Расчет ЭДС химической реакции. Электрическая работа и ее связь с энергией Гиббса реакции. Диаграмма Латимера. Уравнение Нернста. Кинетические аспекты окислительно-восстановительных реакций.
Тема 8. Строение атома и Периодический закон.
Электронное строение атома. Волновая функция и ее физический смысл. Уравнение Шредингера и его решение для водородоподобного атома. Угловая и радиальная составляющая волновой функции. Атомные орбитали (АО). Графическое представление s-, p-, d- и f- орбиталей. Многоэлектронный атом. Принцип Паули и правило Хунда. Характеристики атомов. Ковалентный, металлический и ионный радиус. Потенциал ионизации. Сродство к электрону. Электроотрицательность. Периодический закон Д.И. Менделеева. Структура периодической таблицы элементов.
Тема 9. Химическая связь. Типы химической связи. Характеристики химической связи. Представление о гибридизации атомных орбиталей. Геометрия многоатомных молекул (модель Гиллепси). Основы метода молекулярных орбиталей. Строение кристаллических веществ. Межмолекулярные взаимодействия и водородные связи.
Химическая связь. Типы химической связи. Характеристики химической связи. Представление о гибридизации атомных орбиталей. Описание химической связи методом линейной комбинации молекулярных орбиталей (ЛКАО-МО). Энергетические диаграммы двухатомных гомо- и гетероядерных молекул, образованных элементами 1-го и 2-го периодов. Кратность связи. Магнитные свойства индивидуальных молекул и веществ. Описание геометрического строения молекул в рамках метода отталкивания электронных пар (метод Гиллеспи). Строение твердых простых веществ. Ионная связь. Основные структурные типы (NaCl, CaF2, CsCl, ZnS). Межмолекулярные взаимодействия и водородные связи.
Тема 10. Химия s-элементов (водород, элементы 1-ой и 2-ой групп Периодической системы).
Элементы зонной теории. Металлы, полупроводники, диэлектрики. Химия водорода, соединения водорода с кислородом. Сравнительная характеристика щелочных металлов, простые вещества, методы получения. Соединения щелочных металлов: оксиды, гидроксиды, соли. Сравнительная характеристика бериллия, магния и щелочноземельных элементов, простые вещества. Соединения элементов 2 группы: оксиды, гидроксиды, соли. Занятие 4. (Химия s-элементов и элементов 13 группы (начало))
Тема 11. Химия элементов 13 и 14 групп Периодической системы.
Сравнительная характеристика элементов 13 группы, простые вещества, соединения с водородом, кислородом, галогенами, халькогенами и азотом. Сравнительная характеристика элементов 14 группы, простые вещества, соединения с водородом, кислородом, галогенами; сравнение строения и свойств соединений в степенях окисления +2 и +4. Занятие 4 (Химия s-элементов и элементов 13 группы (продолжение)) и Занятие 5 (Химия элементов 14 группы)
Тема 12. Химия элементов 15 группы Периодической системы.
Сравнительная характеристика элементов. Азот: свойства азота, соединения азота с водородом и кислородом, кислородные кислоты и их соли, галогениды азота. Фосфор: простое вещество, соединения с водородом, галогенами и кислородом, кислородные кислоты фосфора. Основные соединения мышьяка, сурьмы, висмута, сравнение свойств. Занятие 6. (Химия элементов 15 группы.)
Тема 13. Химия элементов 16 группы Периодической системы.
Химия халькогенов: сравнительная характеристика элементов, простые вещества, соединения в степенях окисления -2, +4, +6, кислородные соединения серы. Занятие 7. (Химия элементов 16 группы.)
Тема 14. Химия элементов 17 группы Периодической системы
Химия галогенов: сравнительная характеристика элементов, простые вещества, галогеноводороды, межгалоидные соединения, кислородные соединения галогенов Занятие 8. (Химия элементов 17 группы.)
Тема 15. Общий обзор химии p-элементов. Биологическая активность s- и p-элементов.
Закономерности в изменении ковалентных радиусов, потенциалов ионизации, температур кипения и плавления простых веществ, прочностей одинарных, кратных связей элемент-элемент вдоль по периоду для элементов, относящихся ко второму периоду периодической системы. Закономерности в изменении физических свойств простых веществ для p-элементов вниз по группе. Закономерности в изменении энергий связей Э-Р и Э-О и химических свойств соответствующих гидридов и оксидов вниз по группе. Особенности химии р-элементов, относящихся к четвертому, пятому и шестому периодам. Биологическая активность s- и p-элементов.
Тема 16. Координационные соединения.
Комплексные соединения: основные понятия, номенклатура, изомерия, химическая связь (метод валентных связей, теория кристаллического поля).
Тема 17. Химия элементов 4 и 5 групп Периодической системы.
Сравнительная характеристика элементов группы титана, получение и свойства простых веществ, соединения с кислородом и галогенами. Сравнительная характеристика элементов группы ванадия, получение и свойства простых веществ, проявляемые степени окисления в соединениях, соединения с кислородом и галогенами, соли кислородных кислот. Занятие 9. (Химия элементов 4-5 групп.)
Тема 18. Химия элементов 6 и 7 групп Периодической системы.
Сравнительная характеристика элементов группы хрома, простые вещества, соединения в различных степенях окисления, кластеры. Сравнительная характеристика элементов группы марганца, проявляемые степени окисления, свойства оксидов, гидроксидов и кислот в различных степенях окисления, координационные соединения. Занятие 10. (Химия элементов 6-ой группы.) и Занятие 11. (Химия элементов 7-ой группы.)
Тема 19. Химия элементов 8-10 групп Периодической системы.
Сравнительная характеристика элементов триады железа, соединения в различных степенях окисления, комплексы. Общая характеристика платиновых металлов, простые вещества, основные соединения. Занятие 12. (Химия элементов 8-10 групп.)
Тема 20. Химия элементов 11 и 12 групп Периодической системы.
Сравнительная характеристика элементов группы меди, соединения в различных степенях окисления, координационные соединения. Сравнительная характеристика элементов группы цинка, соединения в различных степенях окисления, координационные соединения. Занятие 13. (Химия элементов 11 и 12 групп.)
Тема 21. Общий обзор d-элементов. Биологическая активность d-элементов
Закономерности в изменении свойств d-элементов. Изменение металлических радиусов, потенциалов ионизации вдоль по периоду. Изменение устойчивости высших степеней окисления 3d-элементов вдоль по периоду. Закономерности изменения свойств d-элементов вниз по группе. Теория Пирсона (жестких и мягких кислот и оснований). Влияние характера связи катион d-металла-кислород на кислотно-основные свойства соответствующих оксидов. Биологическая активность d-элементов.

Элементы контроля

Проверочная работа_1
Курсовая контрольная работа 1
Проверочная работа_2
Курсовая контрольная работа 2
Проверочная работа_3
Курсовая контрольная работа 3
Курсовая контрольная работа 4
Экзамен

Промежуточная аттестация

Промежуточная аттестация (2 модуль)
0.117 * Курсовая контрольная работа 1 + 0.117 * Курсовая контрольная работа 2 + 0.117 * Курсовая контрольная работа 3 + 0.117 * Курсовая контрольная работа 4 + 0.014 * Проверочная работа_1 + 0.023 * Проверочная работа_2 + 0.023 * Проверочная работа_3 + 0.472 * Экзамен

Программа дисциплины