Неорганическая химия

ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

1. Предмет органической химии и основные этапы ее развития. Классификация органических соединений. Ациклические, циклические и гетероциклические соединения. Изомерия и ее виды. Гомология. Основные функциональные группы. Классификация реагентов и реакций. Промежуточные частицы (интермедиаты): радикалы, карбокатионы, карбанионы, карбены, нитрены, арины.

2. Алканы. Гомологический ряд, изомерия и номенклатура. Тип гибридизации атома углерода. Конформации этана, пропана, бутана. Асимметрический атом углерода. Хиральность, условия, необходимые для возникновения хиральности. Получение алканов из нефти, гидрированием угля. Получение алканов: восстановлением CO и CO₂, из непредельных углеводородов, из галогенопроизводных по реакции Вюрца, из солей карбоновых кислот. Химические свойства алканов. Радикальный механизм реакций замещения в алканах. Реакции с галогенами, азотной кислотой; сульфохлорирование. Окисление и дегидрирование алканов, превращения при высоких температурах.

3. Алкены. Гомологический ряд, изомерия и номенклатура. Геометрическая изомерия (цис -, транс - и Z -, E -номенклатура). Электронное строение этилена. Тип гибридизации атома углерода. σ, π–связи. Способы получения алкенов: из галогенопроизводных, из спиртов, частичным гидрированием ацетиленовых углеводородов. Дегидрирование и крекинг предельных углеводородов как промышленный метод получения этиленовых углеводородов. Химические свойства алкенов. Присоединение галогенов, галогенводородов, воды, серной кислоты. Механизм электрофильного присоединения. Правило Марковникова. Радикальное присоединение бромоводорода (пероксидный эффект). Каталитическое гидрирование. Окисление алкенов с разрывом и без разрыва углеродной цепи. Озонирование.

4. Алкины. Гомологический ряд, номенклатура и изомерия. Электронная формула ацетилена. Тип гибридизации атома углерода. Получение ацетилена в промышленности. Получение ацетиленовых углеводородов: из галогенопроизводных, алкилированием ацетилена. Химические свойства алкинов. Присоединение водорода, галогенов, галогенводородов, воды, циановодорода. Кислотный характер алкинов с концевой тройной связью, взаимодействие с активными металлами. Полимеризация алкинов.

5. Арены. Строение бензола. Концепция ароматичности. Правило Хюккеля. Ароматические катионы и анионы. Источники получения ароматических соединений: нефть, каменноугольная смола, коксовый газ. Получение гомологов бензола реакцией алкилирования. Реакции электрофильного замещения в ароматическом ряду (алкилирование, ацилирование, галогенирование, нитрование, сульфирование). Механизм реакции электрофильного замещения. Правила электрофильного замещения в бензольном ядре. Заместители первого и второго ряда. Электронная трактовка правил ориентации. Влияние заместителей на активность бензольного ядра. Реакции присоединения: водорода, галогенов, озона. Окисление бензола и его гомологов.

6. Гидроксипроизводные углеводородов. Классификация по строению углеродного скелета и их атомности. Одноатомные спирты. Гомологический ряд, изомерия и номенклатура. Способы получения спиртов: гидролизом галогеналкилов, действием металлорганических соединений на альдегиды и кетоны, гидратацией непредельных соединений, восстановлением карбонильных соединений. Химические свойства спиртов. Реакции с разрывом связи С-ОН и О-Н. Реакции со щелочными металлами, галогеноводородными кислотами, галогенидами фосфора, тионилхлоридом. Реакции нуклеофильного замещения, основные характеристики S_N1-, S_N2-реакций. Образование простых эфиров. Получение сложных эфиров органических и неорганических кислот. Дегидратация, окисление и дегидрирование спиртов. Химические особенности первичных, вторичных и третичных спиртов.

7. Альдегиды и кетоны. Строение, изомерия и номенклатура альдегидов и кетонов. Природа карбонильной группы (s - и p -связи). Получение альдегидов и кетонов: окислением спиртов, пиролизом солей карбоновых кислот, гидролизом дигалогенпроизводных, гидратацией ацетилена и его гомологов. Озонолиз. Оксосинтез. Получение ароматических карбонильных соединений реакциями Фриделя-Крафтса. Химические свойства альдегидов и кетонов. Реакции с нуклеофильными реагентами и их механизм: взаимодействие с циановодородом, магнийгалогеналкилами, гидросульфитом натрия, аммиаком, гидроксиламином, гидразином и его производными, образование полуацеталей и ацеталей. Восстановление и окисление. Реакции конденсации.

8. Карбоновые кислоты. Классификация по основности и строению углеводородного радикала, номенклатура. Одноосновные кислоты. Изомерия. Номенклатура. Ацильные радикалы. Строение карбоксильной группы и карбоксилат-аниона. Способы получения кислот: окислением первичных спиртов и альдегидов, из галогенпроизводных через стадию образования нитрилов и металлорганических соединений. Промышленные методы получения карбоновых кислот окислением алканов, оксосинтезом. Химические свойства карбоновых кислот. Образование солей. Получение и свойства функциональных производных кислот: галогенангидридов, ангидридов, сложных эфиров, амидов и нитрилов. Механизм реакции этерификации.

9. Амины. Классификация, изомерия, номенклатура аминов. Получение аминов из галогенпроизводных, амидов кислот, восстановлением нитросоединений и нитрилов. Реакция Зинина. Строение аминов, химические свойства. Основность аминов. Образование солей, алкилирование, ацилирование, действие азотистой кислоты на амины. Четвертичные аммониевые основания и соли. Галогенирование, нитрование и сульфирование ароматических аминов.

10. Аминокислоты.Классификация и номенклатура. Стереоизомерия. Получение аминокислот гидролизом белков, из галогензамещённых кислот, из циангидридов, из альдегидов. Получение ароматических аминокислот восстановлением нитрокислот. Химические свойства аминокислот. Кислотно-основные свойства. Реакция по карбоксильной и аминогруппе. Реакции, отличающие a-, b- и g-аминокислоты. Полипептиды.

11. Металлоорганические соединения. Классификация. Природа связи металл-углерод. Методы синтеза: взаимодействие металла с алкил- или арилгалогенидами, переметалллирование, обмен металла, обмен металл-галоген. Литий- и магнийорганические соединения в синтезе углеводородов, спиртов, альдегидов, кетонов, карбоновых кислот.

12. Углеводы.Классификация углеводов. Моносахариды. Строение моносахаридов. Пространственная конфигурации моносахаридов. D- и L-ряды. Примеры. Циклическая структура моносахаридов, фуранозные и пиранозные циклы; таутомерия моносахаридов в растворах. Способы получения моносахаридов: гидролиз ди- и полисахаридов; оксинитрильный синтез (метод удлинения цепи); метод укорачивания цепи. Химические свойства: окисление, реакция серебряного зеркала, взаимодействие с фелинговой жидкостью, восстановление, реакция с циановодородом, взаимодействие с фенилгидразином, действие щелочей, алкилирование и ацилирование.

13. Гетероциклические соединения.Классификация по числу звеньев в цикле, по числу и индивидуальности гетероатомов. Пятичленные гетероциклические соединения.Ароматичность гетероциклов. Взаимные превращения фурана, тиофена и пиррола. Источники их получения. Электрофильное замещение в пирроле, фуране и тиофене: галогенирование, ацилирование, сульфирование, нитрование. Реакционная способность и ориентация. Шестичленные гетероциклические соединения.Пиридин. Строение. Основность. Реакции нуклеофильного и электрофильного замещения. Восстановление.

14. Общие представления о полимерах.Классификация высокомолекулярных соединений (ВМС). Методы синтеза ВМС. Полимеризация. Мономеры. Инициаторы. Цепная радикальная полимеризация. Цепная катионная и анионная полимеризация. Поликонденсация. Мономеры. Основные закономерности и отличительные особенности реакций поликонденсации.

РЕКОМЕНДОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Реутов О.А., Курц А.Л., Бутин К.П. Органическая химия. В 4-х частях.– М.: Бином, 2007.

НЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

1. Периодический закон и периодическая система Д.И. Менделеева. Физическая основа Периодического закона. Связь положения элемента в периодической системе с электронным строением его атома. Связь свойств элементов с их положением в периодической системе.

2. Ковалентная связь. Свойства ковалентной связи: насыщаемость и направленность ковалентной связи. Характеристики ковалентной связи: энергия связи, длина связи, кратность связи, полярность связи, дипольный момент связи, поляризуемость. Ионная связь. Область применения ионной модели. Свойства ионной связи. Ионная кристаллическая решетка. Координационные числа.

3. Описание химической связи. Метод валентных связей. Физическая идея метода. Понятие о гибридизации атомных орбиталей. Основные типы гибридизации. Метод молекулярных орбиталей (ММО). Основные положения метода молекулярных орбиталей.

4. Общая характеристика атомов элементов IA группы. Нахождение в природе. Электронное строение и закономерность изменения свойств атомов (размер, энергия ионизации, электроотрицательность). Физические свойства. Получение металлов, химические свойства простых веществ. Важнейшие бинарные соединения щелочных металлов: гидриды, оксиды, пероксиды, галогениды, сульфиды. Соли щелочных металлов. Гидролиз солей.

5. Общая характеристика атомов элементов IIA группы. Распространенность в земной коре, важнейшие природные соединения. Получение, физические и химические свойства простых веществ. Биологическая роль магния, кальция. Важнейшие бинарные соединения щелочноземельных металлов; гидриды, оксиды, пероксиды, галогениды, сульфиды, их свойства. Гидроксиды. Жесткость воды, цели и методы ее устранения.

6. Бор. Особенности химии бора в сравнении с соединениями углерода, кремния и алюминия (соединения с водородом, оксид, гидроксид). Алюминий. Распространенность в земной коре, важнейшие природные соединения. Физические и химические свойства алюминия, его получение. Применение алюминия и его сплавов. Оксид алюминия, физические и химические свойства. Алюминотермия. Гидроксид алюминия, химические свойства. Гидролиз солей.

7. Углерод.Углерод в природе. Аллотропия углерода: алмаз, графит, карбин. Характер гибридизации атомных орбиталей углерода в аллотропных формах. Химические свойства углерода. Карбиды металлов, их общая характеристика. Кислородные соединения углерода. Оксиды. Угольная кислота. Карбонаты и гидрокарбонаты, растворимость, гидролиз, термическая устойчивость.

8. Кремний и его соединения. Промышленные и лабораторные способы получения кремния и его применение. Водородные соединения кремния, их отличие от углеводородов. Силициды металлов. Диоксид кремния. Кремниевые кислоты. Силикаты.

9. Азот. Азот в природе. Строение молекулы азота и причины ее устойчивости. Нитриды металлов. Аммиак. Соли аммония. Гидразин. Гидроксиламин. Строение молекул и окислительно-восстановительное свойства водородных соединений азота. Кислородные соединения азота. Оксиды азота: строение молекул, устойчивость, получение и свойства. Азотистая кислота, нитриты. Азотная кислота.

10. Сера. Селен и теллур. Нахождение в природе. Аллотропия. Физические и химичес­кие свойства. Сероводород, его строение, физические и химические свойства, физиологическое действие сероводорода, его ПДК. Соединения с водородом и металлами. Оксиды серы, их физические и химические свойства. Серная кислота, ее соли. Физиологическое действие и ПДК. Химические свойства сернис­той кислоты и сульфитов. Тиосерная кислота и тиосульфаты, их при­менение и свойства.

11. Галогены. Общая характеристика атомов элементов и простых веществ. Взаимодействия галогенов с водородом. Галогеноводороды. Получение, свойства и применение. Галогеноводородные кислоты, их соли. Сравнительная характеристика силы галогеноводородных кислот и восстановительных свойств их анионов. Направленность реакций между галогенами и веществами, содержащими галогенид-ионы.

12. Металлы IБ группы. Медь, серебро. Физические и химические свойства. Нахождение в природе и способы получения. Важнейшие соединения: оксиды, гидроксиды, соли. Комплексные соединения. Окислительно-восстановительные свойства.

13. Металлы IIБ группы. Цинк, кадмий, ртуть. Нахождение в природе. Физические и химические свойства. Оксиды и гидроксиды. Хлориды ртути (I) и ртути (II), их особенности. Экологическая роль кадмия и ртути. Техника безопасности при работе с ртутью и её соединениями.

14. Металлы VБ группы. Ванадий, ниобий, тантал. Общая характеристика атомов элементов, физических и хими­ческих свойств простых веществ. Способы их получения. Оксиды, гидроксиды, соли элементов побочной подгруппы V группы. Сравнение свойств элементов главной и побочной подгрупп V группы.

15. Металлы VIБ группы. Хром. Строение атома. Возможные степени окисления. Природные соединения хрома. Получение и применение хрома и феррохрома. Оксиды, гидроксиды и соли хрома. Получение, физические и химические свойства. Комплексные соединения хрома. Окислительно-восстановительные свойства соединений хрома. Молибден и вольфрам. Получение из природных соединений. Оксиды и гидроксиды молибдена и вольфрама, соли.

16. Металлы VIIБ группы. Строение атомов. Проявляемые степени окисления и их устойчивость. Оксиды и гидроксиды металлов в высших степенях окисления. Марганец. Строение атома и проявляемые степени окисления (примеры соединений). Оксиды и гидроксиды, их кислотно-основные и окислительно-восстановительные свойства. Комплексы марганца (II).

17. Железо, кобальт и никель. Строение атомов. Проявляемые степени окисления и их устойчивость. Химическая активность металлов. Оксиды и гидроксиды металлов в различных степенях окисления, их кислотно-основные и окислительно-восстановительные свойства.

РЕКОМЕНДОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия: Учебник для вузов М.: Высш. шк., 2006. 742 с.

2. Неорганическая химия: В 3-х томах/ Под редакцией Ю.Д. Третьякова. – М.: Из-во Академия, 2004-2007.

АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

1. Аналитическая химия как наука. Место аналитической химии в системе наук. Методы аналитической химии, их классификация. Химические, физические и биологические методы анализа. Виды анализа (изотопный, элементный, функциональный, молекулярный, вещественный, фазовый). Проблемы аналитической химии: снижение предела обнаружения; повышение точности и избирательности, обеспечение экспрессности; недеструктивный, локальный и дистанционный анализ.

2. Метрологические основы химического анализа. Виды погрешностей (случайная, систематическая, промах), их источники, способы оценки и уменьшения. Основные метрологические характеристики метода анализа: правильность, воспроизводимость, чувствительность, диапазон определяемых содержаний. Алгоритм обработки и корректного представления результатов химического анализа.

3. Основные требования к отбору пробы. Обеспечение представительности пробы при ее отборе и сокращении; потери и загрязнения при пробоотборе. Особенности и способы отбора проб газов, гомогенных и гетерогенных жидкостей, штучных и сыпучих твердых веществ.

4. Назначение, особенности и способы пробоподготовки. "Мокрые" способы вскрытия пробы, выбор растворителей различной природы (вода, органические растворители, кислоты, соли и щелочи). "Сухие" способы вскрытия пробы (термическое разложение в присутствии и отсутствии реагентов, сплавление, спекание), выбор реагентов. Потери и загрязнения при пробоподготовке.

5. Основные методы разделения и концентрирования в химическом анализе. Природа физических и химических (физико-химических) процессов разделения. Учет дисперсности системы, растворимости компонентов. Особенности разделения с применением фазовых переходов (дистилляция, сублимация, кристаллизация, зонная плавка). Химические реакции, используемые в ходе разделения и концентрирования (экстракция, селективное осаждение и соосаждение, маскирование и демаскирование). Сорбционные методы и хроматографическое разделение.

6. Гравиметрический анализ. Прямые и косвенные методы определения. Гравиметрический фактор и количественные расчеты в гравиметрии. Общая схема определения. Особенности процесса осаждения, потери и загрязнения при осаждении, учет влияния различных факторов. Требования к осаждаемой и гравиметрической формам. Важнейшие неорганические и органические осадители, примеры определения.

7. Титриметрический анализ. Типы реакций, лежащих в основе определения (кислотно-основное, окислительно-восстановительное, комплексонометрическое, осадительное титрование). Точка эквивалентности и количественные расчеты в титриметрии. Прямое, обратное, заместительное титрование. Кривые титрования, влияние различных факторов на положение точки эквивалентности и скачок на кривой титрования. Принципы действия индикаторов.

8. Атомная спектроскопия. Принципы образования эмиссионных, абсорбционных, люминесцентных атомных спектров. Блок-схемы приборов. Источники атомизации и возбуждения, их основные характеристики. Возможности методов для качественного и количественного анализа. Метрологические и аналитические характеристики. Области практического применения.

9. Молекулярная спектроскопия Принципы образования эмиссионных, абсорбционных, люминесцентных молекулярных спектров. Блок-схемы приборов, источники излучения и детектирование в различных спектральных областях. Возможности методов для качественного и количественного анализа. Метрологические и аналитические характеристики. Области практического применения.

10. Методы рентгеновской и рентгенофлуоресцентной спектроскопии. Особенности рентгеновских спектров. Способы генерации, монохроматизации и регистрации рентгеновского излучения. Возможности методов для качественного и количественного анализа. Метрологические и аналитические характеристики. Области практического применения.

11. Хроматографические методы анализа. Классификация методов по агрегатному состоянию подвижной и неподвижной фаз, механизму разделения, технике выполнения. Блок-схема и аппаратурное оформление хроматографии. Основные параметры хроматограммы. Возможности методов для качественного и количественного анализа. Метрологические и аналитические характеристики. Области практического применения.

12. Прямая потенциометрия (ионометрия и редоксиметрия) и потенциометрическое титрование. Измерение потенциала. Индикаторные электроды. Классификация, устройство и принцип действия ион-селективных электродов. Электродная функция, фактор селективности, время отклика. Кривые потенциометрического титрования, определение точки эквивалентности. Возможности методов для качественного и количественного анализа. Метрологические и аналитические характеристики. Области практического применения.

13. Прямая кулонометрия (при постоянном токе и постоянном потенциале) и кулонометрическое титрование. Уравнение связи. Ограничения метода прямой кулонометрии. Титрование электроактивных и электронеактивных компонентов. Внешняя и внутренняя генерация кулонометрического титранта. Определение точки эквивалентности. Возможности методов для качественного и количественного анализа. Метрологические и аналитические характеристики. Области практического применения.

14. Вольтамперометрия, классификация рабочих электродов. Преимущества и недостатки ртутного электрода; использование твердых электродов. Вольтамперная кривая, потенциал полуволны и его свойства. Инверсионная вольтамперометрия. Амперометрическое титрование, виды кривых титрования. Возможности методов для качественного и количественного анализа. Метрологические и аналитические характеристики. Области практического применения.

Основная литература:

1. Золотов Ю.А. Основы аналитической химии. В 2-х кн. – 2004; 2007.

2. Васильев В.П. Аналитическая химия. В 2-х частях. – 2007.

3. Кристиан Г. Аналитическая химия. В 2-х тт. – 2009.

4. Аналитическая химия. Проблемы и подходы. В 2-х тт. / Под ред. Р.Кельнера и др. – 2004.

ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

1. Первый закон термодинамики. Внутренняя энергия. Энтальпия. Закон Гесса и следствия из него. Тепловые эффекты: теплоты образования, сгорания, агрегатных превращений, растворения и др. Расчет тепловых эффектов. Тепловой эффект химической реакции. Теплоемкости С_P и С_V. Зависимость теплового эффекта реакции от температуры (уравнение Кирхгофа).

2. Второй закон термодинамики. Энтропия. Статистическая трактовка энтропии, термодинамическая вероятность состояния системы. Методы расчета энтропии в различных процессах. Фазовые превращения чистых веществ. Смешивание идеальных газов.

3. Критерии направленности химических процессов в различных системах и условиях (энергия Гиббса и энергия Гельмгольца). Зависимость термодинамических функций от параметров состояния. Фундаментальные уравнения химической термодинамики.

4. Общая характеристика химического равновесия. Константа химического равновесия. Вычисление степени превращения исходных реагентов, состава равновесной смеси, равновесного выхода продукта. Зависимость константы равновесия от температуры. Влияние внешних параметров (температуры, давления) на состав равновесной системы. Принцип смещения равновесия Ле-Шателье-Брауна. Гетерогенные химические превращения.

5. Фазовые равновесия. Фаза, компонент, число степеней свободы. Правило фаз Гиббса. Равновесия в однокомпонентных системах. Уравнение Клаузиуса-Клапейрона. Равновесия в двухкомпонентных системах. Основные типы двойных диаграмм состояния. Правило рычага.

6. Растворы. Способы выражения состава раствора. Парциальные молярные величины. Химические потенциалы компонентов в идеальном (совершенном) и предельно разбавленном растворах. Уравнение Гиббса-Дюгема. Химический потенциал компонента в гетерогенной системе.

7. Идеальные и реальные растворы. Закон Рауля. Эбулиоскопия и криоскопия. Закон распределения. Экстракция. Растворимость газов в жидкостях. Закон Генри-Дальтона. Активность. Коэффициент активности. Стандартные состояния. Методы определения активности и коэффициентов активности.

8. Растворы электролитов. Теория электролитической диссоциации Аррениуса, ее недостатки, дальнейшее развитие. Изотонический коэффициент, связь со степенью диссоциации. Закон разведения Оствальда. Электропроводность электролитов: удельная и эквивалентная. Подвижности. Закон Кольрауша. Теория Дебая-Гюккеля. Активность электролитов и коэффициент активности. Ионная сила.

9. Скорость химической реакции. Кинетическая классификация химических реакций: молекулярность реакций и их порядок. Гомогенные необратимые реакции разного порядка. Время половины реакции. Методы определения порядка реакции (метод подбора кинетического уравнения, графический метод, метод Оствальда-Ноейса, дифференциальный метод Вант-Гоффа).

10. Влияние различных факторов на скорость химической реакции. Правило Вант-Гоффа, уравнение Аррениуса. Теория активных соударений и теория переходного состояния.

11. Сложные реакции в химической кинетике: цепные, фотохимические, сопряженные, параллельные, последовательные, топохимические.

12. Катализ. Общие свойства катализаторов. Специфичность катализаторов. Гомогенный катализ, механизм. Адсорбция и гетерогенный катализ. Стадии гетерогенного катализа. Теории гетерогенного катализа.

13. Гальванический элемент. Химические источники тока. Электрохимический потенциал. Электродвижущие силы электрохимических систем. Водородная шкала электродных потенциалов. Понятие об окислительно-восстановительном потенциале. Направленность окислительно-восстановительных процессов.

14. Электролиз расплавов и растворов. Катодные и анодные процессы. Законы Фарадея. Поляризация при электролизе. Электролиз в промышленности.

15. Характеристика и классификация процессов коррозии металлов. Химическая и электрохимическая коррозия металлов и сплавов. Скорость коррозионного процесса. Методы защиты металлов от коррозии.

РЕКОМЕНДОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Стромберг А.Г., Семченко Д.П. Физическая химия. Учеб. Для хим.спец. вузов / Под редакцией Стромберга А.Г. М.: Высш.шк., 2003.