Учебные курсы по химии
для студентов нехимических факультетов МГУ

Общая и неорганическая химия

Программа курса для студентов факультета биоинженерии и биоинформатики МГУ

Цель данного курса – показать место и роль химии в системе естественных наук, познакомить с наиболее общими и существенными положениями современной физической химии, дать основы систематических знаний по неорганической химии.
В каждом разделе химии элементов излагаются сведения по содержанию этих элементов в живых организмах и их биологической роли.
Студентам, специализирующимся в пограничных междисциплинарных областях – биофизике, биоинженерии  и биоинформатике – этот курс, имеющий многосторонние связи с физикой и биологией, должен дать представление о взаимодействии различных наук, их объективной и субъективной составляющих, об истории науки и ее перспективах в XXI веке. Поскольку в дальнейшем предполагается изучение физической химии в объеме до 150 часов, она в данном курсе представлена лишь конспективно.
Курс включает 16 лекций (32 часа), 12 семинаров (24 часа), 13 практикумов (40 часов), 3 коллоквиума и 2 контрольных работы  (12 часов) – всего 108 часов.

Место химии в системе естественных наук
Наука как один из способов познания мира – преимущества и ограничения.
(Дополнительный материал)  Модели в естествознании. Роль научных парадигм. Парадигмы современной физики, химии, биологии. Недопустимость абсолютизации научных истин.

  Возникновение и развитие химии
(Дополнительный материал) Древнейшие химические технологии. Алхимия европейская и китайская. Возникновение современной европейской науки. Классическая химия. Естественнонаучная революция на рубеже XIX и XX веков. Перспективы развития естественных наук в XXI веке.

  Основные понятия химии
Атом, простое вещество, химический элемент. Сложное вещество (соединение), молекула, ионные кристаллы. Размерные эффекты, нанохимия. Химическая реакция.

  Химическая эволюция материи
(Дополнительный материал) Возникновение химических элементов. Образование сложных веществ и органических молекул. Антропный и телеологический принципы объяснения возникновения Земли.

Элементы химической термодинамики
Системы (изолированные, закрытые, открытые). Свойства систем – экстенсивные и интенсивные. Функции состояния.
Равновесное состояние. Статистический характер классической термодинамики.
Энтальпия. Закон Гесса. Энтальпия образования вещества, химической реакции.
Энтропия как движущий фактор химической реакции.
Изобарно-изотермический потенциал (свободная энергия Гиббса) как критерий возможности химической реакции.
Обратимые и необратимые химические реакции. Термодинамическое равновесие. Константа равновесия химической реакции, связь со свободной энергией Гиббса. Закон действующих масс.
Смещение химического равновесия. Принцип Ле Шателье.
Законы термодинамики и границы их применимости.

Элементы химической кинетики
Скорость химической реакции, методы ее измерения. Кинетическое уравнение. Порядок и молекулярность реакции. Элементарные химические реакции. Сложные реакции.
Энергия активации. Зависимость скорости реакций от температуры. Реакции при низких температурах. Катализ. Ферментативный катализ. Колебательные реакции.

Строение атома и периодический закон 
Открытие электрона. Эксперимент Резерфорда. Модель Бора.
Создание квантовой механики. Одноэлектронная модель. Волновая функция. Квантовые числа. Квантово-механическое обоснование периодического закона.

Химическая связь
Неэмпирические квантовые расчеты и приближенные методы. Упрощенные физические модели: отталкивание электронных пар, гибридизация атомных орбиталей. Типы перекрывания атомных орбиталей: s-, p-связи.
Энергия химических связей. Длина, полярность связей. Полярность молекул, дипольный момент. Геометрия молекул.
Знакомство с квантово-химическими расчетами в реальном времени. Орбитали как математические функции и электронная плотность как физический объект.
Комплексные соединения. Участие в химической связи d- и f-электронов. Типичные комплексообразователи и лиганды. Константа нестойкости комплексов. Хелатные и полидентатные лиганды. Важнейшие биолиганды.

Агрегатные состояния вещества
“Идеальный газ” и реальные газы. Жидкое состояние. Твердое состояние, типы кристаллических решеток. Стекла, гели. Жидкие кристаллы.

Многокомпонентные системы
Фаза, компонент. Дисперсные системы. Способы выражения концентраций. Фазовые диаграммы.

Растворы неэлектролитов
Простейшие модели растворов. Осмос, криоскопия, эбуллиоскопия. Перегонка. Азеотропные смеси.

Растворы электролитов
Изотонический коэффициент. Сильные и слабые электролиты. Степень и константа диссоциации.
Протолитические равновесия. Кислотность по Бренстеду. Ионное произведение воды, рН. Гидролиз, буферные растворы, природные буферные системы. Произведение растворимости.
Окислительно-восстановительные процессы. Электродный потенциал. Ряд стандартных потенциалов. Гальванические элементы и аккумуляторы. Топливные элементы. Электрохимическая коррозия.
Уравнение Нернста. Константа равновесия окислительно-восстановительной реакции.

Водород
Нахождение в природе, лабораторные и промышленные способы получения. Гидриды металлов и неметаллов. Водородная связь. Применение водорода. Изотопы водорода.

Кислород
Биологическая роль кислорода и озона, образование и распад озона в атмосфере. Оксиды и “оксидная” классификация неорганических соединений. Пероксиды.
Вода. Структурные особенности. Клатраты. Пероксид водорода.

VIIА группа – галогены
Изменение физических и химических свойств в ряду галогенов. Нахождение в природе, методы получения простых веществ и их применение. Окислительные свойства галогенов.
Галогеноводороды, галогениды металлов и неметаллов.
Реакция диспропорционирования. Кислородные соединения галогенов. Оксокислоты хлора – закономерности изменения химических свойств. Хлорат калия и перхлорат аммония.

VIА группа – сера, селен, теллур
Простые вещества, получение и применение серы и селена. Сероводород и сульфиды. Круговорот серы в природе.
Диспропорционирование серы в щелочной среде. Сернистая и серная кислоты, окислительно-восстановительные свойства. Сульфиты и сульфаты. Разнообразие оксокислот серы, олеум, тиосульфаты.
Селеновая и теллуровая кислоты.

VА группа – азот, фосфор, мышьяк
Простые вещества. Устойчивость молекулы азота.
Водородные соединения, строение молекул. Синтез аммиака. Гидроксид и соли аммония. Гидразин.
Оксиды азота, азотистая и азотная кислота. Биологическая роль нитритов и нитратов.
Диспропорционирование фосфора в щелочной среде. Кислородные кислоты фосфора. Соли фосфорной кислоты, удобрения. Полифосфорные кислоты, АТФ.
Биологическая роль соединений VА группы.

IVА группа – углерод, кремний, олово, свинец
Простые вещества. Аллотропные модификации углерода: алмаз, графит, карбин, фуллерены, нанотрубки. Полупроводниковые свойства кремния и германия.
Водородные соединения кремния и германия. Карбиды и силициды.
Оксиды углерода. Строение молекул. Карбонильные комплексы. Угольная кислота, карбонаты. Океанический карбонатный буфер.
Оксид кремния. Кремниевая кислота, силикаты, стекла.
Германий. Применение металлических олова и свинца. Соединения олова (II) и олова (IV). Оксиды и соли свинца. “Этилированный” бензин.

Общие свойства металлов
Металлическая связь. Зонная теория.

IА группа – щелочные металлы
Нахождение в природе, получение простых веществ. Реакции щелочных металлов. Гидроксиды, оксиды и пероксиды. Биологическая роль натрия и калия.

IIА группа – щелочноземельные металлы
Простые вещества, соли, оксиды и гидроксиды. Биологическая роль бериллия, магния, кальция. Жесткость воды.

IIIА группа – бор и подгруппа алюминия
Бор: бориды, бораны, карбораны, борная кислота, бура.
Нахождение в природе алюминия, получение простого вещества. Коррозионная стойкость алюминия и его сплавов. Амфотерность соединений алюминия.

d-элементы. Переходные металлы
Участие d-электронов в химической связи. Медь, серебро, золото и их соединения. Цинк, кадмий, ртуть, биологическое действие их соединений.
Семейство лантаноидов.
Хром, молибден, вольфрам. Соединения хрома (III) и хрома (VI). Хроматы и дихроматы. Биологическая роль молибдена.
Марганец. Кислотно-основные и окислительно-восстановительные свойства соединений марганца в различных степенях окисления.
Железо, кобальт, никель. Ферромагнетизм. Стали. Проявляемые степени окисления. Устойчивость комплексов в зависимости от природы лигандов. Биологическая роль железа.

Рекомендуемая литература

Дополнительная
Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия  изд.7, 743 стр., М. Высшая школа, 2009
Гузей Л.С., Кузнецов В.Н., Гузей А.С. Общая химия  М, 1999
Берлянд А.С. , Ершов Ю.А. , Попков В.А. , Книжник А.З. Общая химия. Биофизическая химия. Химия биогенных элементов: 525 стр., Учеб. для вузов.– 7-е изд. – М., Высшая школа, 2009

Программа составлена
проф. Загорским В.В.