ChemNet
 
Химический факультет МГУ

Учебные курсы по химии
для студентов нехимических факультетов МГУ

ХИМИЯ
Программа курса
для студентов географического факультета МГУ

Пояснительная записка

Основная цель предлагаемого курса химии для географических факультетов университетов состоит в формировании элементов творческого химического мышления студентов, которое будет использовано для решения  химических задач, связанных со специальностью, и  будет перенесено в профессиональную деятельность.
Эта цель обучения химии  диктует предпочтительное изучение теоретических основ  химии, сгруппированных на основе системы современной химической науки. Формирование системного мышления, как одного из важнейших составляющих творческого мышления, возможно  на системно отобранном  содержании обучения и использовании соответствующих методов обучения.
Система современной химической науки и система учебной дисциплины «Химия» представляет комплекс взаимосвязанных учений:
1. О направлении химических процессов (химическая термодинамика); 
2. О скорости химических процессов (химическая кинетика);
3. О строении вещества; 
4. О периодичности свойств элементов (химия элементов и их соединений).  
В настоящем курсе химии  предполагается осуществлять изучение любого объекта химии - реакции и вещества - путем рассмотрения объекта одновременно с точки зрения представлений перечисленных учений химии. При этом используется психолого-педагогическая теория многостороннего рассмотрения изучаемого объекта, предполагающая привлечение имеющихся у студента самых различных  доступных  ему знаний. 
Такой подход  создает широкие  возможности осуществления внутридисциплинарных (внутринаучных) связей в содержании и в усвоении знаний. Этим методическим приемом у студентов формируется способность к многостороннему рассмотрению химических объектов, что является проявлением системного мышления и основным качеством творческого химического мышления. Многосторонность рассмотрения химических объектов в значительной степени усиливается широким использованием  учебного материала междисциплинарного (межнаучного) характера. Непрерывный  показ связи географии с химией  повышает заинтересованность студентов в изучении курса химии.
Творческое химическое мышление студентов развивается также широким введением в содержание обучения материала  проблемного характера. Сочетание материала проблемного характера и материала, требующего многостороннего рассмотрения, позволяет осуществлять в учебном процессе групповое дискуссионное обсуждение химических явлений, что приводит к  формированию  научной (химической)   речи  обучаемых и развитию навыков научного общения. В то же время речь является важнейшим фактором развития творческого мышления и показателем уровня усвоения знаний.
В данном курсе химии принято  определение   химии,  как  науки о превращениях веществ.  Подобное определение химии требует первоочередного рассмотрения  химической реакции  и вещества  как участника химического процесса. Поэтому основными объектами химической науки    в настоящем   курсе приняты химическая реакция и вещество.   
Для успешного изучения  курса химии необходимо знание студентами программного  материала химии в объеме учебника химии общеобразовательной средней школы.
Данная программа курса "Химия" может быть использована не только для студентов географических факультетов университетов, но и для других факультетов естественнонаучного направления. Программа рассчитана на 36 часов лекционной и 72 часа лабораторно-практической формы  занятий. Лекции читаются в первом семестре учебного года на Химическом факультете МГУ по вторникам с 9.00 до 10.40 в Большой химической аудитории.

Введение

Естествознание как система наук о природе. Предмет естествознания - формы материи и их движение в природе. Химия - одна из отраслей естествознания. Объекты изучения химии - реакция и вещество. Взаимосвязь химии с другими науками.
            Методы научного познания в естествознании  и химии. Методы эмпирического исследования: наблюдение и эксперимент. Методы теоретического исследования: абстрагирование, анализ и синтез, индукция и дедукция, сравнение. Основные формы научного познания: проблема, предположение (гипотеза), закон, теория. Многостороннее рассмотрение объекта.     Приемы логического мышления: выделение существенных признаков рассматриваемого объекта,  систематизация и классификация, определение понятий, доказательство. Правила описания химического  объекта и объяснения явления.  Предсказание в химической науке.
            История химической науки. Создание системы химических знаний как требование развития общества, химической науки, производства и смежных наук. Великие российские химики - М.В. Ломоносов, Д.И. Менделеев, А.М. Бутлеров, В.И. Вернадский.
            Система современной химической науки. Основные учения химии:  о направлении химического процесса (химическая термодинамика),  о скорости химического процесса (химическая кинетика),  о строении вещества и о периодическом изменении свойств элементов. Проблемы современной химии и перспективы ее развития.  

Вещество

Материя, вещество, поле. Взаимосвязь массы и энергии.  Атомное ядро и изотопы. Устойчивость и распространенность ядер атомов. Ядерные реакции. Радиоактивность в природе. Тяжелая вода. Определение ядерных излучений. Возраст  природных объектов. Фазовые состояния веществ. Газовое состояние вещества. Мольная масса и моль. Уровни организации вещества. Закон постоянства состава  в современной формулировке. Соединения переменного состава.
Электронное строение  атома. Электронные энергетические уровни и подуровни. Порядок их заполнения электронами. Правила Паули и Гунда. Спин электрона. Корпускулярно-волновой дуализм. Принцип неопределенности. Форма электронных орбиталей атомов. Электронная орбиталь. Электронная структура атомов и периодическая система  элементов.  Электронное строение атома водорода. Многоэлектронные атомы. Число непарных электронов как мера спиновой валентности.  Периодичность свойств атомов элементов. Электронное строение атомов. Молекулы. Химическая связь. Прочность химической связи. Метод (теория) валентных связей. Гибридизация  электронных орбиталей. Угол между связями. Парамагнетизм кислорода. Модели молекул воды, сероводорода, аммиака, метана, этана, этилена, ацетилена. Строение ионов оксония и аммония.  Одинарная, двойная и тройная связи, σ- и π-связь. Неполярная и полярная связи.  Метод молекульных (молекулярных) орбиталей. Молекульные орбитали простейших  двуатомных молекул элементов второго периода периодической системы. Энергии связи, межъядерные расстояния и магнитные свойства (парамагнетизм и диамагнетизм) молекул и ионов. Донорно-акцепторный  способ образования  связи. Межмолекульные взаимодействия. Силы Ван-дер-Ваальса.  Водородная связь. Металлическая связь. Диэлектрики (изоляторы), полупроводники  и проводники. Обзор типов химической связи.
Периодический закон Д.И. Менделеева как один из основных законов природы. Физический смысл периодического закона.    s- ,  p- ,  d-  и  f-  элементы. Современные определения понятий периода, группы и подгруппы элементов.  Сравнение свойств элементов главных и побочных подгрупп. Изменение свойств элементов  и их соединений по периодам и группам. Положение в периодической таблице   элементов, обладающих кислотными, осно'вными и амфотерными свойствами. 

Термодинамика  химической реакции

Системы. Гомогенные и гетерогенные системы.  Открытые системы. Стационарное состояние. Диссипативные структуры. Флуктуации. Бифуркации. Нелинейные процессы. Изменение внутренней энергии и энтальпии в химическом процессе. Зависимость объема газа от его количества, температуры и давления. Мольный объем идеального газа. Моль. Уравнение Менделеева-Клапейрона.  Нормальные и стандартные условия. Газовая постоянная. Постоянная Больцмана. Идеальные и реальные газы. Причины отклонения в поведении реальных газов от идеальных.            Первый закон термодинамики. Закон Гесса. Энтальпийная диаграмма реакции. Термодинамический  способ записи уравнения химической реакции. Стандартная энтальпия образования химического соединения. Расчет энтальпии химической реакции. Энтальпия химической связи (энергия связи).
Энтропия  и ее изменение в химическом процессе. Изобарный и изохорный потенциалы. Второй закон термодинамики. Правило фаз Гиббса. Диаграмма  состояния воды. Кривая  нагревания.
Химическое равновесие. Константа равновесия. Принцип смещения равновесия Ле Шателье. Связь константы равновесия с изменением изобарного потенциала. Расчеты, связанные  с определением возможности прохождения реакции.       
Фазы и компоненты. Правило фаз Гиббса. Степени свободы.  Диаграмма состояния воды. Фазовые переходы: плавление, замерзание (кристаллизация), испарение, кипение, возгонка (сублимация), конденсация. Температуры фазовых переходов воды. Зависимость температуры замерзания воды от давления. Кривые нагревания и охлаждения. Последовательность расчетов  для определения  возможности  прохождения реакции. Причины неосуществимости термодинамически возможных реакций.

Кинетика химической реакции

Скорость химической реакции. Средняя и истинная скорости реакции. Зависимость скорости реакции от концентрации. Кинетическое  уравнение  и порядок  реакции. Константа скорости. Молекульность (молекулярность) реакции. Реакции нулевого, первого и второго порядка. Реакции с дробным порядком (образование и распад озона). Кинетика радиоактивного распада. Период  полупревращения и полураспада. Методы определения возраста ископаемых остатков и минералов. Порядок реакций  с участием воды в водных растворах. Скорость разложения загрязнений природы (воды и воздуха). Начальные представления о механизме реакции. Последовательные и параллельные реакции. Лимитирующая стадия. Сопряженные реакции. Колебательные процессы.  Циклические процессы  и круговороты веществ. Цепные реакции. Обратимые реакции и константа равновесия.
Зависимость   скорости    реакции    от температуры. Причина влияния температуры на скорость реакции. Распределение молекул по энергиям. Энергия активации. Уравнение Аррениуса.  Неравновесная кинетика. Переход из метастабильного состояния. Реакции при низких температурах. Другие факторы, влияющие на скорость реакции. Стерические затруднения при взаимодействии молекул. Энтропия активации.  Основное уравнение химической кинетики. Катализ. Гомогенный и гетерогенный катализ и его теории. Механизм простейших каталитических реакций. Методы ускорения и замедления химических реакций.        
            Термодинамическое и кинетическое рассмотрение реакций. Разложение загрязнений окружающей среды. Реакции в верхних слоях атмосферы и их роль для жизни на Земле. Фотохимические реакции. Термодинамика и кинетика  образования и разрушения озона. Причины возникновения "озоновых дыр" и география их появления. Озон в нижнем слое атмосферы.        Химия парникового эффекта  и роль молекул метана, углекислого  газа, воды и других веществ. Последствия парникового эффекта. 

Вода и растворы

Строение жидкости. Идеальные и реальные растворы. Аномальные  свойства воды. Ионное произведение воды и его зависимость от температуры.  Процессы при диссоциации воды. Структура ионов водорода и гидроксида. 
Растворы. Способы выражения концентрации растворов (мольная, моляльная, мольная доля, массовая доля, титр и другие). Мольная доля. Растворимость.  Природные воды. Давление насыщенного пара  над раствором. Законы Рауля. Положительные и отрицательные отклонения  и их связь с характером  межмолекульных взаимодействий в растворах. Криоскопический и эбуллиоскопический  методы изучения растворов. Осмотическое давление раствора и изучение растворов осмотическим методом. Очистка воды.
Электролиты и неэлектролиты. Слабые и сильные электролиты. Теория растворов сильных электролитов. Произведение растворимости. Влияние  некоторых факторов на растворимость. Кислоты и основания. Индикаторы. Водородный показатель и методы определения рН. Среда  растворов кислот, оснований и солей. Гидролиз иона. Влияние температуры и одноименного иона на равновесие гидролиза. Полный (необратимый) гидролиз. Буферные растворы. Реакции  амфотерного перехода. Влияние среды раствора на состав иона. Химия природных водных  растворов (минеральные воды, океаническая вода и другие). Химические последствия  кислотных дождей.

Окислительно-восстановительные реакции

Подбор коэффициентов уравнений реакций с участием кристаллических веществ. Окислители и восстановители. Окислительно-восстановительные реакции  в природных процессах. Соединения  хлора и хлорирование воды. Озонирование воды. Электродные потенциалы. Гальванический элемент. ЭДС и работа гальванического элемента. Термодинамические характеристики окислительно-восстановительной реакции. Электродвижущая сила (эдс) реакции. Константа равновесия реакции с участим минерала и газа. Формула Нернста. Зависимость ЭДС от температуры и концентраций ионов. Направление и механизм окислительно-восстановительной реакции. Реакции на границе металл-раствор. Диаграммы Е-рН. Концентрационный элемент. Определение рН, растворимости, произведения растворимости, константы нестойкости. Электрохимическая коррозия. Электролиз и аккумуляторы.

Реакции с участием комплексных соединений

Получение  комплексных соединений. Комплексообразователь. Лиганд. Координационное число комплексообразователя.  Строение  комплексных соединений. Донор и акцептор. Названия комплексных соединений. Свойства комплексных соединений. Равновесия в растворах комплексных солей. Ступенчатая диссоциация комплексного иона.  Константа нестойкости  и константа устойчивости. Двойные соли. Среда растворов комплексных  соединений. Образование комплексных соединений. Строение комплексного иона. Гидраты. Гидрат метана. Изомерия комплексных соединений. Реакции с участием комплексных соединений. Некоторые другие  случаи комплексообразования. Комплексные соединения в природе. Перенос веществ природными водами.

Дисперсное состояние вещества

Дисперсные  системы. Поверхностная энергия. Классификация дисперсных систем. Лиофильные и лиофобные системы. Суспензии. Золи. Гранула и мицелла. Термодинамические и кинетические факторы устойчивости коллоидных систем. Термодинамический и электрокинетический потенциалы. Влияние способа получения коллоидного раствора  на заряд коллоидной частицы. Электрокинетические  явления. Устойчивость дисперсных систем. Коагуляция. Пептизация. Седиментация. Диализ. Гели. Эмульсия. Пены. Коллоидные растворы в природных водах (реки, океаны). Почва. Аэрозоли. Глобальное запыление. Дым, туманы и облака. Поверхностные явления. Расклинивающее давление.

Кристаллы

Кристаллическое состояние вещества и его отличия от других состояний. Строение кристаллов. Энергия кристаллической решетки. Дефекты  кристаллической структуры. Анизотропия. Полиморфизм. Изоморфизм. Твердые растворы. Магнитные свойства кристаллов. Люминисценция. Образование  кристаллов. Гидраты газов. Жидкие кристаллы. Превращения ”графит - алмаз”, “серое олово - белое олово” и другие простейшие твердофазные реакции. Каталитическая активность кристаллических веществ.                                

Свойства элементов и их соединений.
(Обзор химии элементов)

Положение элемента в периодической таблице.
Число протонов и нейтронов в ядре.
Сравнительная распространенность ядер в природе.
Распределение электронов по энергетическим  уровням и подуровням.
Число энергетических электронных уровней атома элемента.
Число электронов на последнем энергетическом уровне уровне.
Число непарных электронов в основном и возбужденном состояниях атома.
Валентность.
Простое вещество. Его строение.
Формулы оксидов, гидроксидов, кислородсодержащих кислот, водородных кислот, их солей  и соединений с водородом, отвечающих валентным состояниям элемента.
Свойства водных растворов электролитов (среда раствора, гидролиз  и т.п.)
Соединения с другими элементами (сульфиды, галогениды).
Строение наиболее важных молекул (типы связей, прочность связей, углы между связями, состояние  гибридизации, электрические и магнитные свойства).
Сравнение свойств соединений элемента с аналогичными соединениями  элементов  данной и  соседних групп.  
Термодинамический и кинетический аспекты устойчивости соединений и реакций  соединений рассматриваемого элемента.
Формы нахождения элемента в природе.  Полезные ископаемые.
Переработка полезных ископаемых.
Технология получения важнейших соединений.
Использование соединений   в промышленности.                    
Использование соединений в сельском хозяйстве.
Биологическое значение соединений.
Использование соединений в медицине.
Использование соединений в быту.
Опасность соединений данного элемента  для человека и природы.

Заключение

Значение  химии  для жизни человека.
Роль химии в смежных науках. Пограничные науки: биохимия, геохимия, космохимия и другие.
Нерешенные проблемы химии.
Пути дальнейшего развития химии (биохимические технологии и другие).

Программа лабораторных работ

1. Правила работы в химической лаборатории. Определение атомной массы металла.
2. Тепловые эффекты химических реакций. Определение энтальпии нейтрализации кислоты и основания.
3. Скорость химических реакций. Зависимость скорости от концентрации реагирующих веществ. Порядок реакции
4. Скорость химических реакций. Зависимость скорости от температуры. Энергия активации
5. Определение порядка каталитического разложения пероксида водорода. Период полуразложения.
6. Приготовление растворов. Титрование.
7. Свойства растворов. Криоскопическое определение мольной массы неэлектролита и степени диссоциации электролита (степень связанности ионов).
8. Среда растворов  кислот и оснований. Водородный показатель.
9. Среда растворов солей.  Гидролиз.
10. Буферные растворы. Влияние среды раствора на состав иона.
11. Окислительно-восстановительные реакции.
12. Электродные потенциалы. Направление  и константа равновесия окислительно-восстановительной реакции.
13. Электрохимия: электролиз, химические источники тока, коррозия.
14. Комплексные соединения. Растворы комплексных солей.
15. Коллоидные растворы.
16. Растворы малорастворимых  электролитов. Произведение растворимости.
17-18. Самостоятельное выполнение  исследовательского лабораторного задания.

Рекомендуемая литература

Зайцев О.С.  Химия.  Учебник для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению "География". – М.: Издательский центр "Академия", 2008. – 544 с. 

Программа составлена
проф. Зайцевым О.С.

 




Сервер создается при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований
Не разрешается  копирование материалов и размещение на других Web-сайтах
Вебдизайн: Copyright (C) И. Миняйлова и В. Миняйлов
Copyright (C) Химический факультет МГУ
Написать письмо редактору