- •Химия (модуль I) Учебное пособие
- •Химия (модуль I) Учебное пособие
- •Оглавление
- •Введение
- •Строение атома и химическая связь. Биогенные элементы
- •1.1. Квантово-механическая модель строения атома
- •1.2. Периодический закон д.И. Менделеева
- •1.2.1. Периодическая система д. И. Менделеева
- •1.2.2. Типы химических элементов
- •1.3. Химическая связь и типы взаимодействия молекул
- •1.3.1. Ковалентная связь
- •1.3.2. Ионная связь
- •1.3.3. Металлическая связь
- •1.4. Биогенные элементы
- •1.4.1. Классификация по количественному содержанию в организме
- •1.4.2. Классификация по функциональной роли в организме
- •1.5. Нарушения обмена микроэлементов (микроэлементозы)
- •Элементы химической термодинамики и кинетики
- •2.1. Термодинамические системы и процессы. Стандартное состояние
- •2.2. Основные понятия термодинамики: внутренняя энергия, работа, теплота
- •2.3. Первое начало термодинамики. Энтальпия
- •2.4. Закон Гесса. Применение первого начала термодинамики
- •2.5. Второе начало термодинамики. Энтропия. Энергия Гиббса. Прогнозирование направления самопроизвольно протекающих процессов
- •2.6. Примеры экзергонических и эндергонических процессов, протекающих в организме. Принцип энергетического сопряжения
- •2.7. Скорость реакции: средняя и истинная. Закон действующих масс
- •2.8. Классификация реакций, применяющихся в кинетике
- •2.9. Зависимость скорости реакции от концентрации. Молекулярность элементарного акта реакции. Порядок реакции. Кинетические уравнения реакций первого и нулевого порядков. Период полупревращения
- •2.10. Зависимость скорости реакции от температуры. Температурный коэффициент скорости реакции и его особенности для биохимических процессов. Энергия активации
- •2.11. Катализ гомогенный и гетерогенный. Ферментативный катализ
- •2.12. Химическое равновесие. Обратимые и необратимые реакции
- •2.13. Константа химического равновесия. Прогнозирование смещения химического равновесия
- •3. Растворы: коллигативные свойства, способы выражения концентраций. Гетерогенные равновесия
- •3.1. Особенности физико-химических свойств воды
- •3.2. Растворимость, коэффициент растворимости. Факторы, от которых зависит растворимость веществ
- •Способы выражения концентрации растворов
- •Коллигативные свойства растворов
- •Теория растворов и сильных электролитов. Ионная сила
- •Электрическая проводимость растворов. Жидкости и
- •3.7. Ионное произведение воды
- •3.8. Методы определения рН растворов. Индикаторы
- •3.9. Гетерогенные равновесия. Константа растворимости.
- •Основные типы химических равновесий и процессов в функционировании живых систем
- •4.1. Протолитическая теория кислот и оснований. Протолитические
- •4.2. Ионизация слабых кислот и оснований. Константа диссоциации слабых кислот и оснований. Закон разведения Оствальда
- •4.3. Гидролиз солей. Степень и константа гидролиза
- •4.4. Амфолиты. Изоэлектрическая точка
- •4.5. Понятие о буферном действии, гомеостазе и стационарном состоянии живого организма
- •4.6. Буферные системы: определение, классификация
- •4.7. Зона буферного действия и буферная емкость. Расчет рН протолитических систем
- •4.8. Механизм действия буферных систем
- •Буферные системы крови: гидрокарбонатная, фосфатная,
- •4.10. Механизм сопряженного действия буферных систем
- •4.11. Понятие о кислотно-основном состоянии организма: рН крови, ацидоз, алкалоз, щелочной резерв крови
- •Лабораторно-практическая работа
- •Окислительно-восстановительные реакции. Химия комплексных соединений
- •Типы окислительно-восстановительных (редокс) реакций
- •Механизм возникновения электродного и
- •Сравнительная сила окислителей и восстановителей.
- •Физико-химические принципы транспорта электронов в
- •Основные положения координационной теории Вернера.
- •Центральный атом (комплексообразователь)
- •Лиганды
- •5.6. Классификация и номенклатура комплексных соединений
- •1. По знаку заряда комплекса:
- •2. По принадлежности комплексного соединения к определенному классу соединений:
- •3. По природе лиганда:
- •4. По внутренней структуре комплекса:
- •5.7. Изомерия и пространственное строение комплексных соединений
- •5.8. Полидентатные лиганды. Хелатирование.
- •5.9. Классы комплексных соединений: внутрикомплексные, макроциклические, многоядерные, сэндвичевые
- •5.10. Устойчивость комплексных соединений в растворах.
- •5.11. Представления о строении металлоферментов и других
- •Физико-химические основы дисперсных систем и поверхностных явлений
- •6.1. Поверхностная энергия Гиббса и поверхностное натяжение.
- •6.2. Адсорбция. Уравнение Ленгмюра
- •6.3. Поверхностно-активные (пав) и
- •6.4. Дисперсные системы и их классификация
- •6.5. Получение лиофобных коллоидных растворов.
- •6.6. Свойства лиофобных коллоидных растворов: молекулярно-кинетические, оптические, диализ, электродиализ
- •6.7. Устойчивость коллоидных растворов: седиментационная, агрегативная. Факторы, влияющие на устойчивость лиозолей
- •6.8. Коагуляция. Пептизация
- •6.9. Грубодисперсные системы: суспензии, эмульсии, аэрозоли
- •6.10. Электрокинетические явления в дисперсных системах: электрофорез, электроосмос
- •6.11. Мембраны и кровь как грубодисперсные системы
- •Список используемой литературы
- •Учебное пособие
Введение
Учебное пособие: «Химия (модуль I)» структурировано согласно разделам рабочей программы по учебной дисциплине: «Химия», содержит информационный блок к каждому практическому занятию.
Учебное пособие составлено на основании Федерального государственного образовательного стандарта по специальности 060101 «Лечебное дело» и 060103 «Педиатрия» в соответствии с учебным планом по дисциплине «Химия».
Предназначено для студентов медицинских вузов.
Строение атома и химическая связь. Биогенные элементы
1.1. Квантово-механическая модель строения атома
В основу КММ положена квантовая теория атома, согласно которой электрон обладает как свойствами частицы, так и свойствами волны (о местоположении электрона в определенной точке можно судить не точно, а с определенной долей вероятности). Поэтому в КММ орбиты Бора заменили орбиталями («электронные облака» - области пространства в которых существует вероятность пребывания электрона). Состояние электрона в атоме описывают с помощью 4 чисел, которые называют квантовыми.
Таблица 1.1.
Квантовые числа
Квантовое число |
Символ |
Описание |
Значения |
Главное |
n |
Энергетический уровень орбитали |
Положительные целые числа: 1, 2, 3... |
Орбитальное |
l |
Форма орбитали |
Целые числа от 0 до n-1 |
Квантовое |
m |
Ориентация |
Целые числа от -l до +l |
Спиновое |
ms |
Спин электрона |
+½ и -½ |
Главное квантовое число n описывает среднее расстояние от орбитали до ядра; энергетическое состояние электрона в атоме. Чем больше значение n, тем выше энергия электрона и больше размер электронного облака. Если в атоме несколько электронов с одинаковым n, то они образуют электронные облака одинакового размера - электронные оболочки.
Орбитальное квантовое число l (азимутальное) описывает форму орбитали, которая зависит от n.
Орбитальное число l может принимать целочисленные значения в диапазоне от 0 до n-1. Например, при n=2: l=0 l=1.
Значение l определяет форму орбитали, а n - ее размер
Орбитали, имеющие одинаковое n, но разные l, называют энергетическими подуровнями и обозначают буквами латинского алфавита:
Таблица 1.2.
Энергетические подуровни
l |
Энергетический подуровень |
0 1 2 3 4 |
s p d f g |
Состояние электрона в атоме для различных главных и орбитальных квантовых чисел принято записывать следующим образом: 2s; 3p; 3d…
Магнитное квантовое число m описывает ориентацию орбиталей в пространстве. Может принимать целочисленные значения в диапазоне от -l до +l (включая 0).
Например:
Для l=0 возможно только одно значение: m=0. Это значит, что s-орбиталь имеет только одну пространственную ориентацию.
Для l=1: m=-1;0;+1 - p-орбиталь имеет три пространственные ориентации. Для l=2: m=-2;-1;0;+1;+2 - d-орбиталь имеет пять пространственных ориентаций.
Спиновое квантовое число s описывает направление вращения электрона в магнитном поле: по часовой стрелке или против. На каждой орбитали может находиться только два электрона: один со спином +½ другой -½.
Таблица 1.3.
Квантовые числа для первых 3 энергетических уровней
n |
l |
Орбиталь |
m |
ms |
1 |
0 |
1s |
0 |
+½ -½ |
2 |
0 |
2s |
0 |
+½ -½ |
2 |
1 |
2p |
-1 0 +1 |
+½ -½ +½ -½ +½ -½ |
3 |
0 |
3s |
0 |
+½ -½ |
3 |
1 |
3p |
-1 0 +1 |
+½ -½ +½ -½ +½ -½ |
3 |
2 |
3d |
-2 -1 0 +1 +2 |
+½ -½ +½ -½ +½ -½ +½ -½ +½ -½ |
На первом уровне (n=1) есть только s-орбиталь, на которой может находиться только 2 электрона со спинами +1/2 и -1/2. Это справедливо для s-орбитали любого уровня: 1s; 2s; 3s…
На втором энергетическом уровне (n=2) есть уже две орбитали s; p. На третьем (n=3) - три орбитали: s, p, d. и т.д. С каждым новым энергетическим уровнем добавляется новая орбиталь.
Для 2p-орбитали существует три пространственных ориентации (формы облака), на каждой из которых может находиться по два электрона (на втором энергетическом уровне может находиться не более 6 p-электронов).
Для 3d - максимум 10 d-электронов и пять форм облаков.
Главные энергетические уровни отличаются энергией. Чем выше уровень - тем выше энергия. С другой стороны, различные орбитали одного и того же уровня также обладают разной энергией:
Энергия электронов на орбитали 2p выше, чем на 2s
Энергия электронов на орбитали 3p выше, чем на 3s
Энергия электронов на орбитали 3d выше, чем на 3s
Энергия электронов на орбитали 3d выше, чем на 3p
Что же касается электронов «внутри орбиталей», то их энергии одинаковы (так у всех десяти электронов 3d-орбитали энергии одинаковы).