наверх

Неорганическая химия: введение в химию элементов

 width=
15 февраля - 27 мая 2017 г.
Завершён

Курс посвящен современному состоянию теории периодичности – развитию Периодического закона Д.И.Менделеева от открытия до наших дней. На многочисленных примерах раскрываются закономерности изменения свойств s, p, d, f-элементов и химических соединений, демонстрируется возможность прогнозирования важнейших характеристик веществ. Представлены современные направления развития неорганической химии в СПбГУ.

О курсе

Вы растеряны? Утонули в море фактического материала по химии элементов? Хотите уметь предсказывать их свойства? Понять, каких реакций от них можно ожидать? Тогда этот курс для Вас.

На основании периодического закона Д.И. Менделеева и современных представлениях о периодичности Вы научитесь: систематизировать материал; понимать сходство и отличие химических элементов в зависимости от их положения в Периодической системе; предсказывать химические свойства элементов и их соединений. Цель курса: привить обучающимся навыки анализа и предсказания свойств химических соединений с позиций Периодического закона Д.И. Менделеева.

Формат

Форма обучения заочная (дистанционная). Еженедельные занятия будут включать просмотр тематических видеолекций и выполнение тестовых заданий с автоматизированной проверкой результатов.

Требования

Курс рассчитан на бакалавров 1 курса, успешно освоивших курс общей химии в рамках образовательной программы бакалавриата по направлению химия.

Программа курса

Занятие 1. Периодический закон. История открытия Периодического закона. Попытки систематизации элементов(Деберейнер, Ньюлендс, де Шанкуртуа, Мейер). Формулировка ПЗ Менделеева. Структура Периодической системы.Основные закономерности. Правило четности, диагональное сходство. Предсказание свойств, пустые ячейки. Сравнение экасилициума и германия. Признание ПЗ. Современные представления принципа периодичности. Связь ПЗ со строением атома, современная формулировка ПЗ. Формы Периодической Системы элементов – Менделеева, Сиборга, Бора. Плюсы и минусы. Развитие Периодического закона. Типические элементы, концепция кайносимметрии. Гипервалентные связи.

Занятие 2. Водород. Две элементарные частицы – протон и электрон. Самый распространенный элемент во Вселенной.Водород на Земле и в солнечной системе. Солнечный ветер. Уникальное электронное строение атома. Характеристики атома: потенциал ионизации, сродство к электрону. Изотопы водорода: протий, дейтерий, тритий. Ядерный синтез.Водородная бомба. Водород как простое вещество. Двухатомная молекула, ее характеристики: длина связи, энергия связи.Схема МО. Возможность существования H2+, H2-. Тяжелый водород (заметное отличие свойств, изотопный эффект). Орто и параводород. Получение молекулярного водорода. История открытия. Лабораторные способы. Примеси при получении водорода при реакции металлов с кислотами. Получение водорода в промышленности. Химические свойства молекулярного водорода. Водород как окислитель. Водород как восстановитель (экзотермичность, теплоноситель). Кинетическая инертность молекулярного водорода. Водород «в момент выделения». Опыт Марша. Бинарные соединения с водородом. От ионных к молекулярным гидридам. Схемы МО LiH и HF. Комплексные гидриды: катионные NH4+, PH4+, H3O+.Анионные: BH4-, AlH4-, Al(BH4)3. Кислотно-основные реакции бинарных водородных соединений. Неустойчивость гидридов в водных растворах. Конпропорционирование H+ + H- = H2. Водородные связи. Уникальность (размер) протона.Трехцентровое взаимодействие. Линейность фрагментов HF2-. Температуры кипения аммиака, HF, воды. Межмолекулярные водородные связи. Водородные связи в биологических системах: ДНК, РНК. Диводородные связи.Изоэлектронные этан и амминборан. Различие свойств (дегидрирование).

Занятие 3. Кислород. Кислород как простое вещество. История открытия, происхождение названия, содержание кислорода на Земле (аномально высокое содержание), физические свойства. Кислород как простое вещество. Электронное строение атома кислорода.Валентные возможности кислорода. Аллотропия кислорода. Озон. Строение молекулы, схема МО парамагнетизм. Кислород в биологических системах. Связывание молекулярного кислорода в комплексы. Опыты с жидким кислородом (горение сигареты, взрыв губки) и получение озона. Горение железа в кислороде и в озоне. Оксиды. Определение оксидов. Различные классификации оксидов. Оксиды как производные атома кислорода. Отсутствие кислорода в оксидах в степени окисления-1. Ионные оксиды. Местоположение в периодической системе. Особенности строения. Взаимодействие с водой.Молекулярные оксиды. Особенности строение и летучесть. Сложные оксиды. Соли кислородсодержащих кислот, как продукт взаимодействия двух оксидов. Промежуточные оксиды. ВТСП, магнитные свойства. Высокотемпературная керамика. Пероксиды. Устойчивость иона O22-. История открытия, общие свойства пероксидов. Пероксид водорода.Строение молекулы. Получение и свойства перекиси водорода. Пероксиды щелочных металлов как соли перекиси водорода.Пероксиды в органических соединениях. Необычные степени окисления кислорода. Ион кислорода O2- . Супероксиды,озониды. Соединения кислорода в положительных степенях окисления. Фториды кислорода. Ион О2+. Диоксигенил.

Занятие 4. Вода. Строение молекулы воды. Электронное строение молекулы воды как фактор, определяющий тенденции к образованию водородных связей. Жидкая вода. Современные представления о структуре жидкой воды. Водные растворы.Образование растворов. Учение Д.И. Менделеева о растворах. Доказательства химической природы растворов. Гидратация.Гидратация одноатомных ионов и Периодический закон. Термохимия процессов гидратации и Периодический закон.Изменение растворимости солей в рамках групп Периодической системы. Взаимодействие воды с простыми и сложными(на примере оксидов) веществами. Взаимодействие воды с простыми веществами. Растворимость газообразных простых веществ в воде. Окислительно-восстановительное взаимодействие простых веществ с водой. Взаимодействие оксидов с водой. Влияние степени ионности оксида на продукты взаимодействия. Сила кислородсодержащих кислот. Правила Полинга. Изменение силы кислородсодержащих кислот по группе П.С. Изменение силы бескислородных кислот в группе П.С., его причины. Основания как продукт взаимодействия ионных оксидов с водой. Сила оснований и Периодический закон. Гидролиз – обменное взаимодействие веществ с водой. Гидратированные ионы как протолиты. Гидролиз как результат поляризации молекул воды в первой гидратной сфере: симбатность изменений ионизационных потенциалов, поляризующей способности и константы гидролиза в рамках групп П.С. Гидролитическая полимеризация. Процессы оляции и оксоляции.Периодическая система форм гидроксокомплексов в растворе. Окислительно-восстановительные свойства воды. Вода как окислитель и как восстановитель. Общие правила запрета на существование окисленных (восстановленных) форм в водных растворах. Восстановительные потенциалы и Периодический закон. Вода как сырье для водородной энергетики.Актуальные проблемы: управление состоянием вещества в растворе как способ синтеза материалов с заданными свойствами.

Занятие 5. s-элементы. Щелочные металлы. Общие свойства щелочных металлов. Нахождение в природе, основные соединения. Свойства атомов. Особенности изменения восстановительных потенциалов вниз по группе. Физические свойства. Взаимодействие натрия и калия с водой и кислородом. Щелочные металлы в отрицательных степенях окисления. Натриды и электриды. Элементы 2й группы. Общие свойства элементов 2й группы. Классификация элементов2й группы. Химия бериллия. Амфотерность соединений бериллия. Комплексы бериллия. Взаимодействие магния и кальция с водой. Взаимодействие солей бериллия с кислотой и щелочью. Диагональное сходство. Причины возникновения.Особенности химии лития и магния. Литийорганические соединения. Реактивы Гриньяра. Роль натрия и калия, магния и кальция в биологических системах. Актуальные проблемы: Li-ионные аккумуляторы.

Занятие 6. 2p-элементы. Типические элементы у Д.И. Менделеева. Кайносимметрия 2р-элементов: в чем она проявляется: 1) 2р-орбитали 2) все элементы – неметаллы; 3) к.ч.≤4; 4) способность к образованию кратных связей; 5) специфика фтора и кислорода. Общая характеристика 2р-элементов. Способность к образованию σ и π-связей. Изменение размеров атомов,потенциалы ионизации, электронные конфигурации, сродство к электрону, ЭО. Нарастание неметаллических свойств при горизонтальном сопоставлении р-элементов. Образование σ и π-связей. Ранние и поздние элементы. Физические и химические свойства простых веществ. Тпл, кип. Агрегатное состояние Молекулы F2, N2 (схемы МО). Сопоставление химической активности поздних 2р-элеменnов. Ранние 2р-элементы: углерод, бор. Аллотропные модификации.Химические свойства. Водородные соединения 2р-элементов. Строение. Гибридизация. Изменение кислотно-основные свойств по периоду (от HF к CH4). Особенности гидридов бора. Фториды бора и азота. Отношение к воде. CF4 - кинетическая инертность. Ионные и молекулярные фториды. Кислотно-основной характер. Фториды инертных газов. Электроноизбыточные связи. Оксиды 2р-элементов. Кратные связи в оксидах.Оксиды NO, СО, ВО в методе МО. Димеризация NO. Ион NO+.Оксид бора (BO)x, B2O3. CO2. NO2. Кислотно-основные свойства оксидов. Высшие кислородсодержащие кислоты H3BO3, H2CO3, HNO3, /HOF/. Особенности кислорода и фтора.Бориды, карбиды, нитриды. Состав. Свойства. Техническое использование.

Занятие 7. p-элементы. Общая характеристика р-элементов. Электронные конфигурации. Степени окисления. Правило четности и нечетности.Формы соединений. Увеличение к.ч. с появлением d-орбиталей. Возможности dπ- pπ перекрывания. Тенденции в изменении свойств простых веществ при движении вниз по группе. Характер изменения базовых характеристик (r, I, E,ЭО) по группе. Простые вещества. Физические и химические свойства. Тенденции в изменении свойств соединений при движении вниз по группе. Изменение устойчивости, кислотно-основных, окислительно-восстановительных свойств водородных соединений и их производных по группе. Кислородсодержащие гидратированные формы. Амфотерность.Кислоты поздних элементов. Состав, сила, окислительная способность. Соли. Вторичная периодичность. Электронное строение. Неустойчивость высших соединений брома, селена, мышьяка. Окислительные свойства соединений Tl(III), Pb(IV), Bi(V). Диагональное сходство. Кислород-хлор. Оксохлориды. Бор-кремний. Боросиликатные структуры. Стекла.Бериллий-алюминий. Амфотерность. Предсказание состава и свойствбинарных соединений. Например, Sn-Se, Pb-S, In-Br, S-F, S-Cl , Ge-O, Sn-O. Занятие 8. Введение в координационную химию. Теория Вернера, особенности строения координационных соединений.Геометрия комплексов, примеры. Типы изомерии в координационной химии. Описание электронного строения координационных соединения. Теория кристаллического поля. Октаэдрическое и тетраэдическое расщепление орбиталей.Окраска и магнитные свойства комплексов. Высокоспиновые и низкоспиновые комплексы. Спектрохимический ряд.Эффект Яна-Теллера. Плоско-квадратные комплексы. Теория поля лигандов.

Занятие 9. 3d-элементы. Свойства элементов и простых веществ. Легкие переходные элементы. Распространенность в природе. Основные минералы – сродство к кислороду и сродство к сере. Электронное строение атомов. Важнейшие характеристики элементов:ионизационный потенциал, сродство к электрону. 3d-элементы как кайносимметрики. Изменение плотности и температуры плавления простых веществ. Изменение высшей степени окисления в ряду легких переходных металлов и факторы, определяющие высшую степень окисления. Химические свойства простых веществ, закономерности их изменения в ряду 3d-элементов. Способы получения простых веществ, факторы, определяющие возможность их реализации. Соединения переменного состава. Причины их образования. Оксиды и гидроксосоединения. Формы оксо- и гидроксосоединений. Факторы, определяющие представительность плеяд этих соединений. Кислотно-основные свойства оксо-гидроксосоединений в ряду легких переходных элементов. Влияние положения элемента в П.С. и степени окисления металла на кислотно-основные свойства соединений. Окислительно-восстановительные свойства оксо-гидроксосоединений и их производных. Влияние среды. Ионы в водных растворах. Влияние степени окисления металла на форму существования ионов в водных растворах. Титанил- и ванадил-катионы. Гидролиз ионов железа. Галогениды 3d-металлов. Представительность плеяд галогенидов легких переходных металлов и факторы, ее определяющие. Влияние степени окисления металла на свойства галогенидов. Комплексы легких переходных металлов. Высокоспиновые и низкоспиновые октаэдрические комплексы, доминирование высокоспиновых. Конкуренция октаэдрических и тетраэдрических комплексов. Отражение ЭСКП на характеристиках высокоспиновых комплексов. Ряд Ирвинга-Вильямса. Горизонтальное сходство в ряду 3d-элементов. Комплексы 3d-металлов в биологических системах. Гемоглобин, другие металлокомплексы. Комплексы меди и перенос кислорода.

Занятие 10. 4,5d-элементы. Общая характеристика тяжелых металлов. Особенности электронного строения тяжелых d-металлов. Лантаноидное сжатие.Причины сходства в химическом поведении. Сравнение окислительное-восстановительных свойств и устойчивых степеней окисления тяжелых d-элементов с 3-d металлами. Триады хром-молибден-вольфрам, марганец-технеций рений.Стандартные восстановительные потенциалы. Сравнение поведения 3d и тяжелых металлов в водных растворах. Низкие степени окисления тяжелых d-элементов. Кластерообразование. Связь металл-металл. Структура кластерных каркасов. Образование изо- и гетерополианионов на примере хрома, молибдена и вольфрама. Анионы Кеггина, Доусона и Андерсена. Влияние размера гетероатома на структуру аниона. Платиновые металлы. Особенное положение в периодической системе. Схожесть характеристик в триадах. Плоскоквадратные комплексы. Эффект транс-влияния. Актуальные проблемы: Комплексы Pd как катализаторы органических реакций.

Занятие 11. f-элементы. Лантаноиды. Электронное строение. Кайносимметрия. Лантаноидное сжатие. Цериевая и иттриевая группа. Химия лантаноидов. Нахождение в природе. Получение и разделение лантаноидов. Реакционная способность простых веществ. Наиболее устойчивые степени окисления. Оксиды, гидроксиды, галогениды. Особенности химии Ce, Eu,Tb,Yb.Актиноиды. Электронное строение. Ураниды и кюриды. Изменение свойств по ряду 5f элементов. Химия актиноидов.Характерные степени окисления. Химия водных растворов. Иловые ионы. Особенности комплексов актиноидов (отсутствие связи М-М). Границы периодической системы. Синтез новых элементов.Сверхтяжелые элементы. Островок стабильности. Границы периодической системы. Сейчас полностью завершен 7 период(Og)! Актуальные проблемы: люминесцентные комплексы лантаноидов.

Занятие 12. Итоговое занятие. ПЗ в современной химии. Предсказание свойств и реакционной способности соединений. Разбор примеров: H2SO3 + H2SeO3; SnCl2 + Bi(NO3)3 + NaOH. Актуальные проблемы: химическое осаждение из газовой фазы.

Результаты обучения

Обучающиеся смогут предсказывать химические свойства элементов, состав и свойства химических соединений на основании положения элемента в Периодической системе.

Формируемые компетенции

Студенты по окончанию курса должны:

1. Знать:

  • классификацию неорганических соединений, их структуру и физико-химические свойства, кислотно-основной и окислительно-восстановительный характер простых веществ и их соединений
  • периодический закон и периодическую систему Д.И. Менделеева
  • строение комплексных соединений и их свойства
  • классификацию химических элементов по группам и периодам
  • диагональное сходство, понятие о кайносимметрии и ее проявление в химии элементов и их соединений
  • понятие о вторичной периодичности, химические свойства s, p, d, f-элементов и их соединений
  • растворы и процессы, протекающие в водных растворах

2. Уметь:

  • использовать химическую терминологию, номенклатуру, символику
  • общаться на языке науки
  • обсуждать научные проблемы химии
  • осуществлять выбор химических приемов и методов для эффективного решения проблемы
  • использовать основные понятия и методы химии в решении научных задач.

Направления подготовки

Химия

Поделиться

  • 12 недель

    длительность курса

  • 2 зачётных единицы

    для зачета в своем вузе

Севастьянова Татьяна Николаевна

Кандидат химических наук
Должность: доцент кафедры общей и неорганической химии СПбГУ

Скрипкин Михаил Юрьевич

Кандидат химических наук
Должность: доцент кафедры общей и неорганической химии СПбГУ

Тимошкин Алексей Юрьевич

Кандидат химических наук
Должность: доцент, и.о. заведующего кафедрой общей и неорганической химии СПбГУ

Хрипун Василий Дмитриевич

Кандидат химических наук
Должность: доцент кафедры общей и неорганической химии СПбГУ

Шугуров Сергей Михайлович

Кандидат химических наук
Должность: доцент кафедры общей и неорганической химии СПбГУ

Федоренко Надежда Павловна


Должность: ведущий инженер ЦСОП по направлению химия СПбГУ

Левин Олег Владиславович

Кандидат химических наук
Должность: доцент кафедры электрохимии СПбГУ

Грачёва Елена Валерьевна

Кандидат химических наук
Должность: доцент кафедры общей и неорганической химии СПбГУ

Боярский Вадим Павлович

Доктор химических наук
Должность: профессор кафедры физической органической химии СПбГУ

сертификат об окончании курса

Сертификат

Похожие курсы