М.: Школа им. А.Н. Колмогорова, Изд-во МГУ, 2000-2002; 60с.+36с.+48с.
Настоящее методическое пособие составлено в соответствии с программой курса неорганической химии, и читаемого учащимся химико-биологического отделения Школы имени А. Н. Колмогорова Специализированного учебно-научного центра МГУ.
Книга знакомит с основными классами неорганических соединений, их свойствами и способами получения.
Формат: djvu / zip
Размер: 5 68 Кб
/ Download
файл
ЧАСТЬ I .
ГЛАВА I. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И
ОПРЕДЕЛЕНИЯ 3
1.1. Строение вещества 3
1.2. Количественные соотношения в химии 9
1.3. Химические символы и формулы 13
ГЛАВА II. СТРОЕНИЕ АТОМА 20
2.1. Ранние модели атома 20
2.2. Квантовомеханическая модель строения атома 26
ГЛАВА III. ХИМИЧЕСКАЯ связь 41
3.1. Заголовок 41
3.2. Метод валентных связей 47
3.3. Метод молекулярных орбиталей 53
ЧАСТЬ II .
ГЛАВА 1. Оксиды 3
§ 1. Физические свойства оксидов 3
§ 2. Классификация оксидов и закономерности изменения химических свойств.. 4
2.1. Классификация оксидов по химическим свойствам 4
2.2. Закономерности изменения свойств оксидов 5
§ 3. Способы получения оксидов 7
§4. Химические свойства оксидов 9
4.1. Основные оксиды 9
4.2. Кислотные оксиды 10
4.3. Амфотерные оксиды 10
4.4. Общие химические свойства оксидов 11
ГЛАВА 2. Кислоты и ОСНОВАНИЯ 13
§ 1. Теории кислот и оснований 13
1.1. Электролитическая теория 13
1.2. Протолитическая теория 13
1.3. Электронная теория 14
§2. Кислоты 16
2.1. Классификация кислот 16
2.2. Способы получения кислот 19
2.3. Общие методы получения любых кислот 19
2.4. Химические свойства кислот 21
§3. Основания 24
3.1. Классификация оснований 24
3.2. Способы получения оснований 25
3.3. Химические свойства оснований 27
ГЛАВА 3. Соли 29
§ 1. Классификация солей 29
§ 2. Способы получения солей 30
§ 3. Химические свойства солей 33
ЧАСТЬ III .
ГЛАВА 1 Основы ТЕРМОДИНАМИКИ 3
§ 1.1. Основные определения 3
§ 1.2. Нулевой закон (начало) термодинамики 6
§ 1.3. Первый закон (начало) термодинамики 6
§ 1.3.2. Стандартная теплота (энтальпия) образования соединения 9
§ 1.3.3. Стандартная энтальпия сгорания 10
§ 1.3.4. Стандартная энергия (энтальпия) химической связи 10
§ 1.3.5. Стандартная энтальпия сублимации, испарения и плавления 11
§ 1.3.6. Сродство к электрону, потенциал ионизации, электроотрицательность 11
§ 1.3.7. Закон Гесса 13
§ 1.3.8. Цикл Борна-Габера 14
§ 1.3.9. Закон Кирхгофа 16
§ 1.4. Второй закон (начало) термодинамики 17
§ 1.4.1. Определение энтропии с позиций классической термодинамики 18
§ 1.4.3. Статистическая интерпретация понятия энтропии 19
§ 1.4.4. Свободная энергия Гиббса 21
§ 1.4.5. Химический потенциал 22
§ 1.4.6. Химическое равновесие 23
§ 1.4.7. Направление протекания реакций 31
ГЛАВА 2 Основы КИНЕТИКИ 35
§2.1. Скорость химической реакции 35
§ 2.2. Факторы, влияющие на скорость химической реакции 37
§ 2.3. Экспериментальные методы определения констант скорости химической реакции
47
Кафедра химии возникла вскоре после преобразования интерната №18 в Специализированный учебно-научный центр МГУ (Постановление Совета Министров СССР №1241 от 01.10.88г. и приказ Госкомобразования от 16.11.88г.).
До этого химию в интернате преподавали:
Веденеева Марина Сергеевна
- с 1964 по 1980 г.
- с 1980 по 1991 г.
Табаченко Наталья Владимировна
- с 1986 по 1989 г.
С 13 ноября 1989 г. к занятиям в СУНЦ приступил первый специализированный химический класс. Тогда в него было зачислено 18 школьников. Не все дошли до "финиша" - в 1991 г. в первом химическом выпуске насчитывалось только 8 человек.
Состав преподавателей кафедры химии с 1989г. существенно не менялся. На кафедре химии работали и работают:
| Галин Алексей Михайлович | (к.х.н., доцент) - с 1991 г. по наст. время |
| Загорский Вячеслав Викторович | (д.пед.н., профессор) - с 1989 г. по наст. время |
| Менделеева Екатерина Александровна | (к.х.н., доцент) - с 1990 г. по наст. время |
| Морозова Наталья Игоревна | (к.х.н., ст.препод.) - с 1990 г. по наст. время |
| Колясников Олег Владимирович | (ассистент) - с 2004 г. по наст. время |
| Кубарев Алексей Вячеславович | (ассистент) - с 2005 г. по наст. время |
| Сигеев Александр Сергеевич | (к.х.н., ассистент) - с 2008 по наст. время |
| Алешин Глеб | (лаборант) - с 2009 по наст. время |
| Коренев Юрий Михайлович
(10.05.1936 - 09.08.2010) |
(д.х.н., профессор, зав. кафедрой) - с 1989 г. по 2010 г. |
| Батаева Елена Викторовна | (к.пед.н., ассист.) - с 1990 по 1993 г. |
| Пиркулиев Намиг Шарафеддин-оглы | (ассистент) - с 1997 по 1999 г. |
| Присяжнюк Валентина Викторовна | |
| Татьянина Ирина Васильевна | (ассистент) - с 1989 по 1991 г. |
| Чуранов Сергей Сергеевич | (к.х.н., доцент) - с 1989 по 1997 г. |
| Батаев Вадим Альбертович | (к.х.н.) - с 1997 по 1998 г. |
За период с 1991 по 2010 год состоялось 20 выпусков химического класса СУНЦ - всего 361 человек. Из них 298 выпускников (83%) поступили в МГУ. Большинство - 214 выпускников – поступили на химический факультет и факультет наук о материалах. Выпускники химического класса учились и учатся также на физическом (16), механико-математическом (15), биологическом (7), геологическом (6) факультетах, факультете вычислительной математики и кибернетики (9), факультете фундаментальной медицины (6), почвоведения (9). Поступают ребята и в другие ВУЗы - ВХК РАН, РХТУ, МИФИ, Медицинскую академию и т.д.
Занятия в химическом классе СУНЦ МГУ проводятся в учебном корпусе СУНЦ (лекции и семинары) и на Химическом факультете МГУ (практикумы по аналитической, органической и неорганической химии).
Занятия в химическом и физико-математических классах проводятся по оригинальным программам и учебникам, авторами которых являются преподаватели кафедры. Кроме базового курса преподаватели кафедры химии ведут факультативы:
Преподаватели кафедры химии многократно получали гранты "Соросовский учитель", они участвуют в организации и проведении химических олимпиад школьников, летних школ для старшеклассников и семинаров для школьных учителей.
Преподаватели кафедры химии издали следующие учебные пособия :
Методический опыт работы преподавателей кафедры химии описан в следующих публикациях :
В.В. Загорский
Курс химии в школах начинается в 8-м классе с изучения общих основ науки: описываются возможные виды связи между атомами, типы кристаллических решеток и наиболее распространенные механизмы реакций. Это становится фундаментом для изучения важного, но более специфического раздела - неорганики.
Это наука, которая рассматривает принципы строения, основные свойства и реакционную способность всех элементов таблицы Менделеева. Важную роль в неорганике играет Периодический закон, который упорядочивает систематическую классификацию веществ по изменению их массы, номера и типа.
Курс охватывает и соединения, образуемые при взаимодействии элементов таблицы (исключение составляет только область углеводородов, рассматриваемая в главах органики). Задачи по неорганической химии позволяют отработать полученные теоретические знания на практике.
Название "неорганика" появилось в соответствии с представлением, что она охватывает часть химического знания, которая не связана с деятельностью биологических организмов.
Со временем было доказано, что большая часть органического мира может производить и «неживые» соединения, а углеводороды любого типа синтезируются в условиях лаборатории. Так, из аммония цианата, являющегося солью в химии элементов, немецкий ученый Велер смог синтезировать мочевину.
Во избежание путаницы с номенклатурой и классификацией типов исследований обеих наук программа школьного и университетского курсов следом за общей химией предполагает изучение неорганики в качестве фундаментальной дисциплины. В научном мире сохраняется аналогичная последовательность.
Химия предусматривает такую подачу материала, при которой вводные главы неорганики рассматривают Периодический закон элементов. особого типа, которая основана на предположении, что атомные заряды ядер оказывают влияние на свойства веществ, причем данные параметры изменяются циклически. Изначально таблица строилась как отражение увеличения атомных масс элементов, но вскоре данная последовательность была отвергнута ввиду ее несостоятельности в том аспекте, в котором требуют рассмотрения данного вопроса неорганические вещества.
Химия, помимо таблицы Менделеева, предполагает наличие около сотни фигур, кластеров и диаграмм, отражающих периодичность свойств.
В настоящее время популярен сводный вариант рассмотрения такого понятия, как классы неорганической химии. В столбцах таблицы указываются элементы в зависимости от физико-химических свойств, в строках - аналогичные друг другу периоды.
Знак в таблице Менделеева и простое вещество в свободном состоянии - чаще всего разные вещи. В первом случае отражается только конкретный вид атомов, во втором - тип соединения частиц и их взаимовлияние в стабильных формах.
Химическая связь в простых веществах обуславливает их деление на семейства. Так, можно выделить две обширные разновидности групп атомов - металлы и неметаллы. Первое семейство насчитывает 96 элементов из 118 изученных.
Металлический тип предполагает наличие одноименной связи между частицами. Взаимодействие основано на обобществлении электронов решетки, которая характеризуется ненаправленностью и ненасыщаемостью. Именно поэтому металлы хорошо проводят тепло, заряды, обладают металлическим блеском, ковкостью и пластичностью.
Условно металлы находятся слева в таблице Менделеева при проведении прямой линии от бора к астату. Элементы, близкие по расположению к этой черте, чаще всего носят пограничный характер и проявляют двойственность свойств (например, германий).
Металлы в большинстве образуют основные соединения. Степени окисления таких веществ обычно не превышают двух. В группе металличность повышается, а в периоде уменьшается. Например, радиоактивный франций проявляет более основные свойства, чем натрий, а в семействе галогенов у йода даже появляется металлический блеск.
Иначе дело обстоит в периоде - завершают подуровни перед которыми находятся вещества с противоположными свойствами. В горизонтальном пространстве таблицы Менделеева проявляемая реакционная способность элементов меняется от основной через амфотерную к кислотной. Металлы - хорошие восстановители (принимают электроны при образовании связей).
Данный вид атомов включают в основные классы неорганической химии. Неметаллы занимают правую часть таблицы Менделеева, проявляя типично кислотные свойства. Наиболее часто данные элементы встречаются в виде соединений друг с другом (например, бораты, сульфаты, вода). В свободном молекулярном состоянии известно существование серы, кислорода и азота. Существует также несколько двухатомных газов-неметаллов - помимо двух вышеупомянутых, к ним можно отнести водород, фтор, бром, хлор и йод.
Являются наиболее распространенными веществами на земле - особенно часто встречаются кремний, водород кислород и углерод. Иод, селен и мышьяк распространены очень мало (сюда же можно отнести радиоактивные и неустойчивые конфигурации, которые расположены в последних периодах таблицы).
В соединениях неметаллы ведут себя преимущественно как кислоты. Являются мощными окислителями за счет возможности присоединения дополнительного числа электронов для завершения уровня.
Помимо веществ, которые представлены одной группой атомов, различают соединения, включающие несколько различных конфигураций. Такие вещества могут быть бинарными (состоящими из двух разных частиц), трех-, четырехэлементными и так далее.
Особенное значение бинарности связи в молекулах придает химия. Классы неорганических соединений также рассматриваются с точки зрения образованной между атомами связи. Она может быть ионной, металлической, ковалентной (полярной или неполярной) или смешанной. Обычно такие вещества четко проявляют основные (при наличии металла), амфортерные (двойственные - особенно характерно для алюминия) или кислотные (если есть элемент со степенью окисления от +4 и выше) качества.
Темы неорганической химии предусматривают рассмотрение и данного вида объединения атомов. Соединения, состоящие из более чем двух групп атомов (чаще всего неорганики имеют дело с трехэлементными видами), обычно образуются при участии компонентов, значительно отличающихся друг от друга по физико-химическим параметрам.
Возможные виды связи - ковалентный, ионный и смешанный. Обычно трехэлементные вещества по поведению похожи на бинарные за счет того, что одна из сил межатомного взаимодействия значительно прочнее другой: слабая формируется во вторую очередь и имеет возможность диссоциировать в растворе быстрее.
Подавляющее большинство изучаемых в курсе неорганики веществ можно рассмотреть по простой классификации в зависимости от их состава и свойств. Так, различают оксиды и соли. Рассмотрение их взаимосвязи лучше начать со знакомства с понятием окисленных форм, в которых могут оказаться почти любые неорганические вещества. Химия таких ассоциатов рассматривается в главах об оксидах.
Окись представляет собой соединение любого химического элемента с кислородом в степени окисленности, равной -2 (в пероксидах -1 соответственно). Образование связи происходит за счет отдачи и присоединения электронов с восстановлением О 2 (когда наиболее электроотрицательным элементом является кислород).
Могут проявлять и кислотные, и амфотерные, и основные свойства в зависимости от второй группы атомов. Если в оксиде он не превышает степени окисления +2, если неметалл - от +4 и выше. В образцах с двойственной природой параметров достигается значение +3.
Кислотные соединения имеют реакцию среды меньше 7 за счет содержания катионов водорода, которые могут перейти в раствор и впоследствии замениться ионом металла. По классификации являются сложными веществами. Большинство кислот можно получить путем разбавления соответствующих оксидов водой, например, при образовании серной кислоты после гидратации SO 3 .
Свойства данного вида соединений обусловлены наличием гидроксильного радикала ОН, который дает реакцию среды выше 7. Растворимые основания называются щелочами, они являются наиболее сильными в этом классе веществ за счет полной диссоциации (распада на ионы в жидкости). Группа ОН при образовании солей может заменяться кислотными остатками.
Неорганическая химия - это двойственная наука, которая может описать вещества с разных точек зрения. В протолитической теории основания рассматриваются в качестве акцепторов катиона водорода. Такой подход расширяет понятие об этом классе веществ, называя щелочью любое вещество, способное принять протон.
Данный вид соединений находится межу основаниями и кислотами, так как является продуктом их взаимодействия. Так, в качестве катиона выступает обычно ион металла (иногда аммония, фосфония или гидроксония), а в качестве анионного вещества - кислотный остаток. При образовании соли водород замещается другим веществом.
В зависимости от соотношения количества реагентов и их силы по отношению друг к другу рационально рассматривать несколько видов продуктов взаимодействия:
Неорганическая химия - это наука, предполагающая деление каждого из классов на фрагменты, которые рассматриваются в разное время: одни - раньше, другие - позже. При более углубленном изучении различают еще 4 вида солей:
В качестве других веществ, включенных в практикум по неорганической химии, которые можно классифицировать как соли или как отдельные главы знания, можно назвать гидриды, нитриды, карбиды и интерметаллиды (соединения нескольких металлов, сплавом не являющиеся).
Неорганическая химия - это наука, которая представляет интерес для каждого специалиста данной сферы вне зависимости от его интересов. Она включает в себя первые главы, изучаемые в школе по данному предмету. Курс неорганической химии предусматривает систематизацию больших объемов информации в соответствии с понятной и простой классификацией.
Многие считают, что МГУ недоступен для "обычных" абитуриентов - надо, мол, готовиться у специальных репетиторов или хотя бы учиться в специальной школе при МГУ, например в Специализированном учебно-научном центре (СУНЦ) МГУ - интернате имени А. Н. Колмогорова.
Но преподавателям общей и неорганической химии, ведущим занятия на нескольких факультетах МГУ, известно, что хорошо подготовленные студенты приходят в Московский университет и из "неуниверситетских" школ. Например, каждый год студентами "трудных" факультетов (химического, биологического) становятся школьники, которых учил химии Соросовский учитель С. Т. Жуков (московская школа № 548, Центр образования "Царицыно"").
Эти учебные пособия можно назвать уникальными. Строгая система определений сочетается в них с научной строгостью изложения. Пособия очень хороши для учащихся 11-х классов, повторяющих химию накануне выпускных и вступительных экзаменов (к тестовому Единому государственному экзамену это не относится, для него учебники слишком "умные"). Книги могут быть полезными также для студентов младших курсов, обучающихся нехимическим специальностям.
В пособиях уделено много внимания факультативным темам школьного курса химии (например, "равновесия в растворах", "комплексные соединения"), которые обычно отсутствуют в традиционных школьных учебниках. Однако задачи на данные темы регулярно используются во вступительных экзаменах по химии в МГУ (факультеты: химический, биологический, биоинженерии и биоинформатики, фундаментальной медицины, почвоведения, факультет наук о материалах).
Кроме того, пособия хорошо готовят к университетскому курсу общей и неорганической химии, который изучают первокурсники перечисленных факультетов, а также студенты-геологи и географы.
Среди особенностей учебных пособий С. Т. Жукова следует отметить строгое различение реального и формального заряда ионов при записи формул, которое для абитуриентов является, пожалуй, даже чрезмерным. Тем не менее, при электронной публикации данное различие сохраняется. Обычно школьники (и многие студенты) не подозревают, что, например, в кристалле хлорида натрия реальный заряд ионов натрия и хлора равен не 1е, а только 0,78е. Поэтому автор пособия предлагает обозначать эффективные заряды ионов знаками в кружочках: Na , Al3 .
Публикация пособий С.Т.Жукова начинается с разделов, традиционно являющихся одними из самых трудных для абитуриентов и студентов. Это темы "Равновесие" и "Равновесие в растворах". Пособия дополнены примерами задач вступительных экзаменов на соответствующие темы.
В.В.Загорский,
ст.н. сотр. кафедры общей химии Химического факультета МГУ,
доцент СУНЦ МГУ, Соросовский учитель
