Атомно-молекулярное учение. Основные этапы развития химии

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Тверской государственный университет»

Химико-технологический факультет

Утверждено на заседании

Ученого совета

химико-технологического факультета.

Протокол №__ от «___»_______20__г.

 

Декан химико-технологического

факультета, доцент, к.х.н.

_________С.С. Рясенский

 

 

ПРОГРАММА

Итогового междисциплинарного

Экзамена по специальности

Химия

 

 

ТВЕРЬ

Составители:

проф. Л.И. Ворончихина, доц. О.Е.Журавлев., доц. С.А. Темникова, проф. П.М. Пахомов, проф. Ю.Г. Папулов, проф. В.М. Смоляков, проф. В.Г. Алексеев, доц. Н.В.Баранова, доц. М.А. Феофанова.

Утверждено на заседании учебно-методической комиссии химико-технологического факультета «___»___________ 20__ г. (Протокол № ___).

Утверждено на заседании Ученого совета химико-технологического факультета «___»___________ 20__ г. (Протокол № ___).

Неорганическая химия

АТОМНО-МОЛЕКУЛЯРНОЕ УЧЕНИЕ. ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ХИМИИ

 

Основные понятия химии (атом, молекула, химический элемент, изотопы). Стехиометрические законы и их роль в современной химии. Современное состояние атомно-молекулярной теории. Нестехиометрические соединения. Бертолиды и дальтониды. Законы сохранения.

 

СТРОЕНИЕ АТОМА. ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЗАКОН И ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА Д.И.МЕНДЕЛЕЕВА

 

Волновые свойства электронов в атоме. Волновая функция; радиальная и угловая составляющие волновой функции. Квантовые числа. Атомные орбитали s-, р-, d-, f -типа. Энергии атомных орбиталей. Принцип Паули. Энергетическая последовательность атомных орбиталей.

Правило Хунда. Характеристика атома: орбитальный радиус, ионизационный потенциал, сродство к электрону, электроотрицательность.

Периодичность в изменении электронных конфигураций атомов. Периодический закон. Закон Мозли,

Периодическая система химических элементов. Структура периодической системы и ее связь с электронной структурой атомов. Положение химического элемента в периодической системе как его главная характеристика.

 

ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ. СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА

 

Основные характеристики химической связи: длина, энергия, кратность. Дипольный момент связи. Типы химической связи. Ковалентная (полярная и неполярная) связь. Степень ионности связи. Ионная связь. Поляризация ионов. Свойства веществ с различным типом связи. Метод валентных связей (ВС), d и p-связи. Валентные углы. Гибридизация орбиталей. Метод молекулярных орбиталей (МО ЛКАО).

Понятие о природе химической связи. Характеристики химической связи: энергия, длина, полярность. Основные положения и недостатки метода валентной связи (ВС), d -, p-, s-связывание. Типы гибридизации атомных орбиталей.

Основные понятия о методе молекулярных орбиталей (МО). Метод МО ЛКАО. Двухцентровые двухэлектронные молекулярные орбитали. Энергетические диаграммы двухатомных гомоядерных молекул, образованных элементами 1-го и 2-го периодов. Кратность связи, энергия ионизации, магнитные и оптические свойства. Энергетические диаграммы простейших гетероядерных молекул (НГ, Н₂O, NН₃, СН₄, Хе, Р и т.д.). Понятие о трехцентровых двух- и четырехэлектронных МО. Водородная связь. Понятие об электронодефицитных связях.

Современная трактовка понятий «валентность», «степень окисления», «эффективный заряд атома в молекуле».

Химическая связь в комплексных (координационных) соединениях. Основные понятия о комплексных соединениях. Внутренняя и внешняя координационные сферы. Центральный атом и его координационное число. Лиганды.

Константа устойчивости. Изомерия комплексных соединений. Достоинства и недостатки метода валентных связей (МВС).

Теория кристаллического поля (ТКП). Симметрия d -орбиталей. Изменение энергии d-орбиталей в сферическом, октаэдрическом и тетраэдрическом поле лигандов. Энергия расщепления, энергия спаривания. Энергия стабилизации кристаллического поля (ЭСКП). Влияние на величину расщепления природы центрального атома (заряда, радиуса, электронной конфигурации), природы, числа и расположения лигандов. Спектрохимический ряд. Теория Яна-Теллера. Тетрагональное искажение октаэдрического поля. Плоскоквадратные комплексы.

Энергетические диаграммы гомо- и гетероядерных молекул. Комплексные соединения. Координационная теория. Типичные комплексообразователи и лиганды. Моно- и полидентатные лиганды. Хелатные комплексы. Кластеры. Классификация и номенклатура комплексных соединений. Химическая связь в комплексных соединениях. Окта- и тетраэдрические комплексы. Диссоциация комплексных соединений, константа устойчивости. Двойные соли.

 

РАСТВОРЫ

Дисперсные системы. Истинные и коллоидные растворы. Химическая теория растворов Д.И. Менделеева. Общие свойства растворов. Растворение как физико-химический процесс. Растворимость веществ. Способы выражения концентрации растворов. Растворители. Физическая теория растворов. Понятие об идеальном растворе. Законы Рауля. Криоскопия и эбулиоскопия. Явление осмоса. Закон Вант-Гоффа.

Растворы электролитов. Изотонический коэффициент. Электроли­тическая диссоциация в водных растворах. Сильные и слабые электро­литы. Константа и степень диссоциации слабого электролита. Закон разбавления Оствальда. Применение закона действия масс к равновесием в растворах электролитов. Константы ионизации. Теория сильных электролитов. Кажущаяся степень диссоциации сильного электролита. Активность и коэффициент активности. Ионная сила раствора.

Ионное произведение воды. Водородный показатель. Методы определения рН. Буферные растворы. Гидролиз солей. Ионные уравнения гидролиза. Константа и сте­пень гидролиза. Необратимый гидролиз. Труднорастворимые электролиты. Равновесие осадок — раствор. Произведение растворимости.

 

ХИМИЯ ЭЛЕМЕНТОВ

Элементы VII А группы: фтор, хлор, бром, йод

Закономерности в изменении электронной конфигурации, величин радиусов, энергии ионизации, сродства к электрону, электроотрицательности, характерных степеней окисления атомов галогенов. Различие энергии Зs-Зр, 4s-4р и 5s-5р орбиталей и свойства галогенов. Особенности фтора. Аналогия фтор-водород, изоэлектронные ионы F^-, ОН^-, O^2-. Строение молекул галогенов (МО ЛКАО), межмолекулярные взаимодействия и физические свойства простых веществ. Принципы получения простых веществ из природных соединений. Применение галогенов.

Элементы VI А группы: кислород, сера, селен, теллур

Закономерности в I вменении электронной конфигурации, величин радиусов, энергия ионизации и сродства к электрону, характерных степеней окисления, электроотрицательности атомов. Отличительные свойства кислорода, рp —рp и рp—dp. связывание, особенности катенации (образования том ядерных цепей) в рядах O-S-Sе-Те, Сl-S-Р-51. Озон. Озониды.

Схема энергетических уровней МО, особенности свойств молекул О₂ и О₂⁺ и ионов О₂. Изменение состава молекул, внутри- и межмолекулярного взаимодействия в ряду кислород-сера-селен-теллур. Закономерности в изменении физических свойств простых (энергия кристаллической решетки, температура фазовых превращений, температурная зависимость вязкости серы). Сравнение фазовых диаграмм воды и серы. Химические свойства простых веществ: аналогия в процессах взаимодействия галогенов и халькогенов с водой, взаимодействие халькогенов с неметаллами и металлами. Халькогениды. Кислород, сера, селен, теллур в гео- и биосфере. Получение простых веществ из природных соединений. Применение кислорода, халькогенов и их соединений.

Элементы IV А группы: углерод, кремний, германий,

Олово, свинец

Электронная конфигурация, размер атома, энергия ионизации и сродство к электрону, электроотрицательность. Закономерности в изменении прочности (рp-рp, рp-dp) Э-Э, Э-Н, Э-Г (Г-галоген) и Э-O связей. Особенности катенации в ряду С-Si-Gе-Sn-Рb. Характерные степени окисления и координационные числа. Особенности углерода. Типы структур и особенности химической связи в твердых простых веществах. Алмаз, графит, карбин, фуллерены (С₆₀, С₇₀ и т.д.) — полиморфные формы углерода. Закономерности изменения физических и химических свойств простых веществ: взаимодействие с разбавленными и концентрированными растворами НСl, НМО₃, Н₂SO₄, NаОН, металлами, неметаллами. Соединение включения. Различие в реакционной способности углеводородов и силанов, хлоридов углерода (ССl₄) и кремния (SiCl₄). СО и СO₂: получение, сопоставление строения (МО ЛКАО, МВС), физических (энергия диссоциации, дипольный момент, температура фазовых переходов) и химических (взаимодействие с Н₂O, металлами, окислительно-восстановительные свойства, СО и СO₂ как лиганды) свойств. Сопоставление строения и свойств НСООН и Н₂СО₃. Термическая устойчивость карбонатов. Сопоставление строения и свойств СO₂ и Н₂СО₃, карбонатов и силикатов. Основные типы структур силикатов.

Элементы VIII Б группы

Элементы триады железа: железо, кобальт, никель. Сравнение электронной конфигурации, величин радиусов, энергии ионизации, характерных степеней окисления и координационных чисел элементов подгрупп железа и платиновых металлов. Получение, свойства простых веществ. Ферромагнетизм.

 

Масс-спектрометрия

Ионизация атомов и молекул. Методы ионизации. Типы ионов. Сущность метода масс-спектрометрии. Принципиальная схема масс-спектрометра. Магнитные и динамические масс-спектрометры. Спектрометр ион-циклотронного резонанса. Хромато-масс-спектрометрия. Применение метода масс-спектрометрии для исследования органических и неорганических соединений. Идентификация и установление строения веществ. Определение потенциалов ионизации молекул. Масс-спектрометрия в термодинамических исследованиях и химической кинетике.

 

Атомно-абсорбционный анализ

Атомные спектры поглощения. Атомная абсорбционная спектроскопия. Методы атомизации: в пламени, нагревание электрическим током. Конструкция приборов. Компенсация помех. Сравнение атомных эмиссионных и абсорбционных методов.

 

Список литературы

а) основная литература:

1.Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия: учебное пособие для студентов химико-техн. специальностей вузов / Н.С. Ахметов. – М.: Высшая школа, 2009.-742 с.

2.Угай Я.А. Общая и неорганическая химия.- М.: Высш. шк.,2000.-526 с.

3.Третьяков Ю.Д.Неорганическая химия. Химия элементов: Учебник в 2 томах/Ю.Д. Третьяков, Л.И. Мартыненко, А.Н. Григорьев. А.Ю. Цивадзе – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Академкнига, 2007, – 537 с.

4.Неорганическая химия: в 3 т: учебник для студентов высших учебных эаведений / А.А. Дроздов, В.П. Зломанов. Г.Н. Мазо. Ф.М. Спиридонов, - 2-е изд. испр. – М.: Академия, 2008.- 352 с.

5..Неорганическая химия: учебник для студентов вузов, обучающихся по направлению «Химия» и специальности «Химия»: в 3 т.:/А.А. Дроздов и др:, под ред. Ю.Д. Третьякова; 2-е изд., испр. – М.: Академия, 2008. – 399 с.

6.Золотов Ю.А., Вершинин В.И. История и методология аналитической химии. Учебное пособие для студентов, обучающихся по специальности 020101.65 «Химия». - М.: Academia, 2008. - 461 с.

7.Васильев В.П. Аналитическая химия. Учебник для студентов вузов, обучающихся по химико-технологическим специальностям. Кн. 2. Физико-химические методы анализа. – М.: Дрофа, 2009. – 382 с.

8.Васильев В.П., Кочергина Л.А., Орлова Т.Д. Аналитическая химия. Сборник вопросов и задач. Учебное пособие для студентов вузов, обучающихся по направлениям подготовки дипломированных специалистов химико-технологического профиля. – М.: Дрофа, 2006. – 414 с.

9.Васильев В.П., Морозова Р.П., Кочергина Л.А. Аналитическая химия. Лабораторный практикум. Учебное пособие для студентов вузов, обучающихся по направлениям подготовки дипломированных специалистов химико-технологического профиля.– М.: Дрофа, 2006. – 318 с.

 

б) дополнительная литература:

 

1.Киселев Юрий Михайлович.Химия координационных соединений: учебное пособие для студентов вузов, обучающихся по специальности 020101.65 (011000) "Химия" / Киселев, Юрий Михайлович; Ю. М. Киселев, Н. А. Добрынина. - Москва: Академия, 2007. – 343с.

2.Координационная химия: учебное пособие для студентов, обучающихся по специальности 020101.65 - "Химия" / В. В. Скопенко и др.. - Москва: Академкнига, 2007. - 487 с.

3.Стрельцов Е.А.Неорганическая химия: пособие для студентов химического ф-та / Е.А. Стрельцова, Е.И. Василевская – Минск: Белорусский гос. университет, 2009. – 97с.

4.Глинка Н.Л.Общая химия: учебное пособие для студентов нехимических специальностей вузов / Н.Л. Глинка – 18-е изд., перераб. и доп. – М.: Юрайт, 2011.898 с.

5.Андреева Г.И., Никольский В.М., Щербакова Т.А. Основные законы и понятия химии. Учебно- методическое пособие.Тверь: Изд-во Твер. гос ун-та, 2005.-55 с.

6.Комплексные соединения. Учебно-методическое пособие. Тверь: Изд-во Твер. гос ун-та, 2001.-40 с.

7.Растворы электролитов. Часть 2. Учебно-методические материалы для студентов 1 курса. Тверь: Изд-во Твер. гос ун-та, 2006.-43 с.

8.Растворы. Методические указания для выполнения лабораторных работ по курсу «Неорганическая химия». Тверь: Изд-во Твер. гос ун-та, 1993.-37 с.

9.Растворы электролитов. Часть 3, 4. Методические указания к лабораторным работам по химическим дисциплинам блока Е Н. Тверь: Изд-во Твер. гос ун-та, 2001.-37 с.

10.Направления окислительно-восстановительных реакций. Учебно-методические материалы для студентов 1 курса. Тверь: Изд-во Твер. гос ун-та, 2008.-57 с.

11.Количественный анализ. Метод титриметрического анализа. Учебно-методические материалы для студентов 1 курса. Тверь: Изд-во Твер. гос ун-та, 2011.-32 с. Основы аналитической химии. Том 2. Методы химического анализа / под ред. Ю.А. Золотова. 2-е изд. М.: Высшая школа, 2010. 407 с.

12.Основы аналитической химии. Практическое руководство / под ред. Ю.А. Золотова. - М.: Высшая школа, 2001. - 463 с.

13.Основы аналитической химии. Задачи и вопросы / Под ред. Ю.А. Золотова. - М.: Высшая школа, 2002. - 412 с.

14.Вилков Л.В., Пентин Ю.А. Физические методы исследования в химии. - М.: Мир, 2004. - 287 с.

15.Юинг Г. Инструментальные методы химического анализа. - М.: Мир, 1989.

16.Жарский И.М., Новиков Г.И. Физические методы исследования в неорганической химии. - М.: Высшая школа, 1988.

17.Драго Р. Физические методы в химии. - М.: Мир, 1981.

18.Практикум по физико-химическим методам анализа. - М.: Химия, 1987.

19.Физико-химические методы анализа / Под ред. В.Б. Алесковского. - Л.: Химия, 1988.

 

 

Примерный перечень вопросов для подготовки к итоговому междисциплинарному экзамену

Органическая химия

ВВЕДЕНИЕ

Состав и строение органических соединений. Типы химических связей в молекулах органических соединений: ковалентные, ионные, донорно-акцепторные, водородные. Характеристики связей: длина, полярность, поляризуемость, валентный угол, дипольный момент, энергия. Гомолиз и гетеролиз связей в реакциях.

Электронные и пространственные эффекты в органических моле­кулах: взаимодействие между атомами и группами атомов через связи (эффекты индуктивный, сопряжения и сверхсопряжения) и через пространство. Количественная оценка влияния заместителей на равновесные процессы. Корреляционное уравнение Гаммета, σ-константы Гаммета. Множественность констант Гаммета.

Кислотность и основность органических соединений. Общие положения. Льюисовская и Бренстедовская кислотность и основность. Типы органических кислот и общие закономерности зависимости кислотности от строения. О–­Н-кислоты, S–­H-кислоты, N–­H-кислоты, С–­Н-кислоты. Типы органических оснований и общие закономерности зависимости основности от строения. Аммониевые, фосфониевые, оксониевые основания. π-Основания.

Пространственное строение органических соединений. Геомет­рические, конформационные, оптические изомеры. Хиральность. Энан-тиомерные и диастереомерные молекулы. R,S-Номенклатура для энантиомерных молекул.

Принципы современной номенклатуры ИЮПАК. Примеры традиционного использования тривиальных и рациональных названий.

 

I. АЦИКЛИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ

Углеводороды

 

Алканы. Лабораторные и промышленные методы получения алканов (каталитическое гидрирование ненасыщенных соединений, превращения галогеналканов, реакция Кольбе, алкилированне олефинов, процесс Фишера-Тропша.).

Относительная стабильность алкил-радикалов как один из факторов, определяющих селективность в реакциях галогенирования алканов.

Методы избирательного галогенирования алканов (фторирование, хлорирование, бромирование, иодирование). Сульфохлорирование, окисление, нитрование алканов, особенности их механизмов. Радикальный и ионный пути расщепления алканов при крекинге.

Алкены. Относительная стабильность структурных и геометрических изомеров.

Синтезы алкенов. Региоселективность в реакциях элиминирования производных алканов: правила Зайцева и Гофмана. Механизмы и стереохимические особенности реакций элиминирования.

Реакции присоединения к алкенам. Представления о механизмах электрофильного и радикального присоединения галогенов, галогеноводородов, воды, солей ртути (II), бороводородов (Браун), водорода. Правило Марковникова, перекисный эффект (Харраш) в реакциях алкенов с галогеноводородами. Окислительные превращения алкенов: гидроксилирование (Вагнер), эпоксидирование (Прилежаев), Вакер-процесс, озонирование, расщепление углеродного скелета с помощью раствора перманганата калия.

Радикальная и ионная полимеризация и теломеризация алкенов. Реакции с участием аллильного фрагмента алкенов.

Алкены — сырье в промышленной органической химии и важные объекты в тонком органическом синтезе (синтез акрилонитрила и хлористого винила).

Алкадиены: кумулены, сопряженные и изолированные диены, их относительная стабильность.

Свойства сопряженных диенов: реакции 1,2- и 1,4-приеоединения, кинетический и термодинамический контроль. Диеновый синтез, его использование.

Алкины. С–H-кислотность ацетиленов: ацетилениды и магний-органические производные ацетиленов.

Регио- и стереоселективность в реакциях присоединения по тройной связи алкинов: гидрирование, гидроборирование, галогенирование, гидрогалогенирование, гидратация, присоединение спиртов и тиолов. Алкины как диенофилы в реакции Дильса-Альдера. Стереонаправленные превращения ацетиленов в цис- и транс-дизамещенные этилены. Кон­денсация ацетиленов с альдегидами и кетонами (Фаворский). Ди-, три- и тетрамеризация ацетилена.

Использование ацетилена для синтеза алкилвиниловых эфиров, винилацетата, трихлорэтилена и др.

Азотсодержащие соединения

Нитросоединения, их электронное строение. Методы синтеза (по Мейеру, Коновалову, окислением аминов), свойства нитроалканов. Повышенная С–­Н- кислотность нитроалканов.

Амины, их электронное строение. Общие методы синтеза первичных, вторичных и третичных аминов: нуклеофильное замещение и восстановительные превращения с участием азотсодержащих функций, перегруппировки производных карбоновых кислот и карбонильных соединений.

Общие свойства аминов: амины как основания, нуклеофильные реагенты, N–­Н-кислоты.

КАРБОЦИКЛИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ

Алициклы

 

Реакционная способность циклоалканов в зависииости от размера цикла. Общие методы синтеза циклоалканов и их производных. Реакции расширения и сужения циклов. Перегруппировка Демьянова.

Малые циклы: циклопропаны и циклобутаны, особенность их электронного строения, общие методы синтеза.

Циклопентаны и циклогексаны. Общие методы синтеза производных циклопентана и циклогексана.

Ароматические соединения

Арены, их типы: моно-, полиядерные и полиарилированные соеди­нения. Ароматичность, критерий Хюккеля. Электронное строение бензола, циклопентадиенил-аниона, циклогептатриенил-катиона, циклопропенил-катиона. Энергия стабилизации бензола.

Электрофильное замещение в ряду аренов (нитрование, галогенирование, сульфирование, алкилирование, ацилирование и аминирование по Фриделю-Крафтсу и др.). Механизм реакции электрофильного замещения. Влияние заместителей на ориентацию и скорости реакций замещения; согласованная и несогласованная ориентация в ряду производных бензола. Термодинамический и кинетический контроль в реакциях электрофильного замещения в ряду бензола и нафталина.

Реакции с участием боковых цепей аренов: галогенирование, нитрование, окисление.

Получение аренов. Лабораторные и промышленные методы.

Ароматические сульфокислоты. Сульфирующие реагенты. Обра­тимость и селективность сульфирования аренов. Арилсульфокислоты и их соли в реакциях замещения с помощью электрофильных и нуклеофильных реагентов. Функциональные производные сульфокислот: хлорангидриды, амиды, сложные эфиры; их синтез и превращения. Производные арилсульфокислот как сульфамидные производные препараты, биоразрушаемые детергенты.

Нитроарены. Синтез моно- и полинитроаренов. Механизм нит­рования аренов. Соли нитрония как нитрующие агенты; генерирование катиона нитрония в условиях нитрования аренов.

Галогенарены. Методы введения фтора, хлора, брома и иода в молекулы аренов. Галогенарены в реакциях электрофильного замещения: их активность и ориентирующее влияние галогенов.

Ароматические амины. Типы ароматических аминов. Влияние за-местителей в ароматическом кольце на основность аминов. Реакции с участием аминогруппы: алкилирование, арилирование, ацилирование, конденсации с альдегидами и кетонами (образование азометинов), хлороформом (синтез изонитрилов). Синтезы с участием азометинов и изонитрилов.

Диазосоединения. Реакция диазотирования, условия ее проведения в зависимости от основности ароматических аминов. Кислотно-основные превращения солей арилдиазония.

Реакции диазосоединений с выделением азота: замена диазогруппы на водород, галогены, гидроксил, циано-группу.

Электрофильный характер арилдиазониевых солей в реакциях без выделения азота: переход к арилгидразинам, азосочетание.

Реакция азосочетания. Механизм, условия азосочетания, азо- и диазосоставляющие. Азокрасители, зависимость их строения от рН среды. Индикаторы.

Фенолы. Кислотность фенолов, зависимость её от заместителей в ароматическом фрагменте. Сравнение свойств спиртов и фенолов.

Высокая активность фенолов и нафтолов в реакциях электро­фильного замещения. Галогенирование, сульфирование, нитрование, нитрозирование фенола.

Алкилирование, ацилирование, карбоксидирование фенолов: реакции Реймера-Тимана, Кольбе, перегруппировка Фриса. Окислительные превращения фенолов.

Лабораторные и промышленные синтезы фенолов.

Ароматические альдегиды и кетоны, их синтез, общие типы превращений: окисление, восстановление, замещение в ароматическое кольцо.

Ароматические карбоновые кислоты. Общие методы синтеза ароматических карбоновых кислот. Бензойная кислота, её производные.

Влияние заместителей на константы диссоциации замещенных бензойных кислот.

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

Основной:

1. Травень В.Ф. Органическая химия. В 2 томах. М.: ИКЦ «Академкнига», 2004.

2. Органическая химия. Учеб. для вузов: В 2 кн./ Под ред. Н.А.Тюкавкиной. М.: Дрофа, 2003.

3. Реутов О.А., Курц А.Л., Бутин К.П. Органическая химия. В 4 частях. М.: БИНОМ, 2007.

 

Дополнительный:

1. Иванов В.Г., Горленко В.А., Гева О.Н. Органическая химия. М.: Издательский центр «Академия», 2009.

2. Шабаров Ю.С. Органическая химия. М.: Химия, 1994.

3. Терней А. Современная органическая химия. В 2 томах. М.: Мир, 1981.

4. Моррисон Р., Бойд Р. Органическая химия. М.: Мир, 1974.

5. Нейланд О.Я. Органическая химия. М.: ВШ, 1990.

6. Сайкс П. Механизмы реакций в органической химии. М.: Мир, 1991.

7. Гауптман З., Грефе Ю., Ремане Х. Органическая химия. М.: Химия, 1979.

8. Робертс Дж., Кассерио М. Основы органической химии. В 2 томах. М.: Мир, 1978.

9. Казицина Л.А. Применение УФ-, ИК- и ЯМР-спектроскопии в органической химии. М.: МГУ, 1974.

 

Примерный перечень вопросов для подготовки к итоговому междисциплинарному экзамену

Физическая химия

 

1. ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ

 

Первый закон термодинамики. Его основные формулировки и следствия. Внутренняя энергия. Свойства внутренней энергии как функции состояния системы. Вычисления изменения внутренней энергии из опытных данных. Энтальпия. Теплоты химических реакций. Термохимические уравнения. Закон Гесса и его следствия. Стандартные состояния и стандартные теплоты химических реакций. Энтальпии образования. Формула Кирхгоффа. Таблицы стандартных термодинамических величин и их использование в термодинамических расчетах.

Второй закон термодинамики Изменения энтропии для обратимых процессов. Уравнение второго закона термодинамики для обратимых и необратимых процессов..Постулат Планка и абсолютная энтропия.

 

Характеристические функции. Энергия Гельмгольца и энергия Гиббса.

 

Условия равновесия и критерии самопроизвольного протекания процессов, выраженные через характеристические функции. Работа и теплота химического процесса. Уравнение Гиббса — Гельмгольца.

 

Химические потенциалы, их определение, вычисление и свойства.

 

2. РАСТВОРЫ

Способы выражения состава раствора. Идеальные растворы. Давление насыщенного пара жидких растворов. Закон Рауля. Отклонения от закона Рауля. Метод активностей.

 

Равновесие жидкость—пар в двухкомпонентных системах. Равновесные составы пара и жидкости. Диаграммы состояния. Законы Гиббса—Коновалова. Разделение веществ путем ректификации. Азеотропные смеси и их свойства.

 

3. ФАЗОВЫЕ РАВНОВЕСИЯ

Гетерогенные системы. Определения фазы, компонента, степени свободы. Правило фаз Гиббса.

 

Однокомпонентные системы. Диаграмма состояния воды, серы, фосфора. Фазовые, переходы первого рода. Уравнение Клапейрона— Клаузиуса и его применение к фазовым переходам первого рода.

 

Теплоты испарения (сублимации) и их вычисление.

 

Двухкомпонентные системы. Диаграммы состояния

двухкомпонентных систем и их анализ на основе правила фаз. Системы, образующие твердые растворы, и их химические соединения с конгруэнтной и инконгруэнтной точкой плавления.

 

4. ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ

Закон действия масс. Константы равновесия. Химическая переменная. Химическое равновесие в идеальных и неидеальных системах.

 

Работа химической реакции. Изотерма Вант-Гоффа. Изменение энергии Гиббса и энергии Гельмгольца и направление химической реакции. Термодинамическая трактовка понятия о химическом сродстве. Зависимость констант равновесия от температуры. Изохора и изобара химической реакции. Расчеты констант равновесия химических реакций с использованием таблиц стандартных значений термодинамических функций.

 

Приведенная энергия Гиббса и ее Использование для расчетов химических равновесии.

Гетерогенные химические равновесия и особенности их термодинамического описания.

 

5. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ

Адсорбционные равновесия в системах газ—твердое тело. Адсорбент, адсорбат. Структура поверхности и пористость адсорбента. Хемосорбция, физическая адсорбция, локализованная и делокализованная адсорбция, мономолекулярная и полимолекулярная адсорбция. Изотермы и изобары адсорбции. Константа адсорбционного равновесия. Уравнение Ленгмюра, его термодинамический вывод и условия применимости. Адсорбция из растворов. Гиббсовская адсорбция.

 

Полимолекулярная адсорбция. Уравнение Брунауэра — Эмета — Теллера (БЭТ) и его использование для определения поверхности адсорбентов.

 

Хроматография и ее практическое применение.

 

6. ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА

Механизмы химических реакций. Элементарные стадии химических реакций. Основные понятия химической кинетики. Определение скорости реакции. Кинетические уравнения. Константа скорости и порядок реакции. Молекулярность элементарных стадий.

 

Кинетический закон действия масс. Прямая и обратная задачи химической кинетики. Зависимость константы скорости от температуры. Уравнение Аррениуса. «Эффективная» и «истинная» энергии активации.

 

Необратимые реакции первого, второго и третьего порядков. Определение констант скорости из опытных данных. Методы определения порядка реакции.

 

Сложные реакции. Принцип независимости скоростей элементарных стадий. Методы составления кинетических уравнений. Обратимые реакции первого порядка. Параллельные реакции. Последовательные реакции. Определение констант элементарных стадий из опытных данных.

 

Кинетический анализ сложных процессов. Принцип стационарности Боденштейна.

 

Цепные реакции. Элементарные процессы зарождения, продолжения, разветвления и обрыва цепей. Длина цепи. Методы стационарности для составления кинетических уравнений неразветвленных цепных реакций.

 

Разветвленные цепные реакции. Кинетические особенности разветвленных цепных реакций. Предельные явления в разветвленных цепных реакциях на примере окисления водорода. Полуостров воспламенения. Период индукции. Зависимость положения нижнего предела воспламенения от сосуда и природы его поверхности.

 

Макрокинетика. Роль диффузии в кинетике гетерогенных реакций. Режимы протекания реакций, кинетическая область, область внешней и внутренней диффузии. Энергия активации в кинетической и внутренней диффузионной области.

 

Элементарные акты химических реакций и физический смысл энергии активации. Поверхность потенциальной энергии взаимодействия на примере трех атомов водорода.

Метод переходного состояния (активированного комплекса). Свойства активированного комплекса. Допущения теории активированного комплекса. Трансмиссионный коэффициент. Статистический расчет константы скорости. Термодинамический аспект теории активированного комплекса. Энтропия активации. Различные формы записи основного уравнения при использовании различных единиц концентрации. Соотношения между опытной и истинной энергией активации.

 

Теория соударений в химической кинетике. Газокинетический диаметр соударений.

 

Мономолекулярные реакции. Теория активированного комплекса в применении к мономолекулярным реакциям. Теория соударений в применении к мономолекулярным реакциям. Схема Линдемана, ее использование и применимость.

 

Бимолекулярные реакции. Теория активированного комплекса и теория соударений в применении к бимолекулярным реакциям.

 

Тримолекулярные реакции. Теория активированного комплекса и теория соударений для описания тримолекулярных реакций.

 

Реакции в растворах. «Клеточный» эффект и число соударений молекул в жидкостях. Роль процессов сольватации в химической кинетике.

 

Фотохимические реакции. Элементарные фотохимические процессы и их параметры. Фотохимические активные частицы. Квантовый выход фотохимических процессов. Закон фотохимической эквивалентности Эйнштейна.

 

7. КАТАЛИЗ

Определение и общие принципы катализа. Основные промышленные каталитические процессы. Механизмы каталитических реакций.

 

Гомогенный катализ. Кислотно-основной катализ. Классификация реакций кислотно-основного типа. Кинетика и механизм реакций специфического кислотного катализа.

 

Функция кислотности Гаммета и ее использование длл вычисления скорости реакции и кинетических постоянных. Кинетика и механизм реакций общего кислотного катализа.

 

Катализ комплексными соединениями переходных металлов. Гомогенные реакции гидрирования, их кинетика и механизмы.

 

Гетерогенный катализ. Определение скорости гетерогенной каталитической реакции.

 

Удельная активность. Явления отравления катализаторов. Активность и селективность катализаторов. Активные центры гетерогенных катализаторов. Адсорбция как стадия гетерогенных каталитических реакций.

 

8. ЭЛЕКТРОХИМИЯ

Метод активностей. Коэффициенты активности компонентов бинарного раствора. Стандартные состояния при определении химических потенциалов компонентов.

 

Растворы электролитов и их свойства. Гидратация ионов. Теория Дебая—Гюккеля. Средняя активность и средний коэффициент активности вещества в растворе.

 

Коэффициенты активности отдельных ионов. Вычисление коэффициентов активности в приближении теории Дебая— Гюккеля. Современные теорий растворов электролитов.

 

Химическое и электрохимическое протекание окислительно- восстановительных реакций.

 

Удельная и эквивалентная электропроводность. Числа переноса и методы их определения. Подвижности ионов и закон Кольрауша. Электрофоретический и релаксационный эффекты.

Эффекты Вина и Дебая — Фалькенгагена. Зависимость предельных подвижностей от радиуса иона и температуры.

 

Электрохимический потенциал и условие электрохимического равновесия на границе раздела фаз. Равновесные электрохимические цепи и их ЭДС. Формула Нернста и уравнение Гиббса — Гельмгольца.

 

Электродные потенциалы. Классификация электродов и электро­химических цепей. Определение коэффициентов активностей и чисел переноса на основе измерения ЭДС.

 

Поверхностный, внешний и внутренний потенциалы, разности потенциалов Гальвани и Вольта. Проблемы Вольта и абсолютного скачка потенциала. Двойной электрический слой.

 

Электрокапиллярные явления; основное уравнение

электрокапиллярности. Емкость двойного слоя, ее измерение и интерпретация полученных данных. Основные модельные представления о структуре ионного двойного слоя.

 

Плотность тока как мера скорости электродного процесса; поляризация электродов.

 

Стадии электродного процесса. Три основных уравнения диффузионной кинетики и общий подход к решению ее задач. Зависимость тока от потенциала в условиях медленной стационарной диффузии к плоскому электроду.

 

Полярография; уравнение Ильковича и уравнение полярографической волны; качественный и количественный полярографический анализ. Уравнение для тока в теории замедленного разряда. Физический смысл энергии активации в условиях замедленного разряда. Ток обмена и перенапряжение. Основные закономерности электровосстановления ионов гидроксония и персульфата. Сопряженные реакции в электрохимической теории коррозии. Химические источники тока.

 

Список литературы

 

а) основная литература:

 

1.Эткинс П., де Паула Дж. Физическая химия. - М.: Мир.2007.

2.В.В.Еремин, С.И. Каргов, И.А.Успенская, Н.Е. Кузьменко, В.В. Лунин. Основы физической химии. Теория и задачи.- М.: Экзамен. 2005.

3.Б.Б.Дамаскин, О.А.Петрий, Г.А.Цирлина. Теоретическая электрохимия.- М.: Химия; Колосс, 2006.- 672 с.

4.Папулов Ю.Г. Строение молекул: Учеб. пособие (с грифом УМО университетов РФ по химии). 3-е изд. -Тверь: ТвГУ, 2008. -232 с.

5.Папулов Ю.Г., Папулова Д.Р.Строение молекул и физические свойства: Монография. -Тверь: ТвГУ, 2010. -280 с.

 

б) дополнительная литература:

 

1. Физическая химия./ Под ред. Б.Н.Никольского.- Л.: Химия, 1987.

2. Полторак О.М. Термодинамика в физи