методичка

1. Пояснительная записка

Требования ГОС ВПО

В соответствии с требованиями образовательного стандарта студент после изучения дисциплины «Общая и аналитическая химия» должен понимать основы химической теории (строение атома, скорость химической реакции, равновесие в растворах), а также сформировать современные представления о квантово-механическом строении атома, о теории химической связи.

После изучения основ аналитической химии студенты должны уметь использовать методы качественного и количественного анализа.

Предмет изучения

Квантово-механическая модель строения атома; Химическая связь (метод валентных связей, метод молекулярных орбиталей, теория кристаллического поля);

Термодинамические переходы к описанию химических и фазовых равновесий; Периодический закон Д.И. Менделеева; Растворы;

Окислительно-восстановительные процессы; электрохимические реакции; Представления о методах очистки и анализа веществ;

Цели и задачи дисциплины.

Задачей курса является создание прочной теоретической и экспериментальной основы для последующего изучения химических и биологических дисциплин, предусмотренных учебным планом.

Место дисциплины в структуре подготовки специалистов.

Дисциплина «Общая и аналитическая химия» ГОС ВПО по специальности 020201 «Биология» предусмотрена как федеральный компонент в разделе «Естественно-научные дисциплины» ЕНФ – 03.01.

Умения и навыки, приобретаемые студентами.

В результате изучения дисциплины «Общая и аналитическая химия» студент приобретает навыки химического мышления, понимания

2

особенностей химической формы организации материи, химического многообразия веществ на Земле. Студент обладает применять химические превращения с целью установления химического состава материала как качественно, так и количественно.

Формы контроля

Контроль знаний студентов осуществляется выставлением зачета (I семестр) и экзамена (II семестр), сопровождаемого рубежным контролем в соответствии с Положением о рейтинговом контроле в ТвГУ.

Подготовка и проведение рейтингового контроля базируется на «Вопросах самоконтроля и контроля преподавателем результативности изучения дисциплины».

2. Учебная программа дисциплин «Общая и аналитическая химия».

ВВЕДЕНИЕ

Представление о дифференциации и интеграции естественных наук. Химия - одна из фундаментальных наук о природе. Предмет и задачи химии. Роль химии как производительной силы общества. Химическое производство и программа охраны биосферы.

2.1Общая химия

I.ATOMHO-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. Бертоллиды и дальтониды. Законы сохранения.

П. 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-, p-, d-, f-типа. Узловые плоскости, узловые поверхности, граничные поверхности атомных орбиталей. Энергии атомных орбиталей. Принцип Паули. Энергетическая последовательность атомных орбиталей.

Правило Хунда. Характеристика атома: орбитальный радиус, ионизационный потенциал, сродство к электрону, электроотрицатель ность. Периодичность в изменении электронных конфигураций атомов. Периодический закон. Закон Мозли.

3

Периодическая система химических элементов. Структура периодической системы и ее связь с электронной структурой атомов. Короткопериодная и длиннопериодная формы периодической системы. Вертикальные и горизонтальные аналогии в периодической системе. Диагональное сходство. Положение химического элемента в периодической системе как его главная характеристика.

III. ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ. СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА

Основные характеристики химической связи: длина, энергия, кратность. Дипольный момент связи. Типы химической связи. Кова-лентная (полярная и неполярная) связь. Степень ионности связи. Ионная связь. Поляризация ионов. Свойства веществ с различным типом связи. Метод валентных связей (ВС), σ и π связи. Валентные углы. Гибридизация орбиталей. Метод молекулярных орбиталей (МО ЛКАО). Энергетические диаграммы гомо- и гетероядерных молекул. Комплексные соединения. Координационная теория. Типичные комплексообразователи и лиганды. Моно- и полидентатные лиганды. Хелат-ные комплексы. Кластеры. Классификация и номенклатура комплексных соединений. Химическая связь в комплексных соединениях. Окта- и тетраэдрические комплексы. Диссоциация комплексных соединений, константа устойчивости. Двойные соли.

Межмолекулярное взаимодействие (силы Ван-дер-Ваальса). Понятие о зонной теории твердого тела. Металлы, полупроводники, диэлектрики. Водородная связь.

Агрегатные состояния вещества: твердое, жидкое, газообразное. Жидкие кристаллы. Кристаллическое и аморфное состояния. Кристаллическая решетка, дефекты структуры.

IV. ЭНЕРГЕТИКА И НАПРАВЛЕНИЕ ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Внутренняя энергия и энтальпия. Экзо- и эндотермические реакции. Термохимические уравнения. Закон Гесса. Движущие силы химического процесса. Направление химических реакций. Понятие об энтропии. Свободная энергия Гиббса химической реакции. Стандартное состояние вещества. Термодинамическая активность.

V. ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА. КАТАЛИЗ. ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ

Классификация реакций в химической кинетике. Гомо- и гетерогенные реакции. Порядок и молекулярность реакции. Скорость гомогенной химической реакции. Закон действия масс. Константа скорости. Факторы, влияющие на скорость реакции. Зависимость скорости реакции от температуры. Правило Вант-Гоффа. Представление о теории активных столкновений. Уравнение Аррениуса. Энергия активации. Химические реакции в гетерогенных системах.

4

Катализ. Гомогенный и гетерогенный катализ. Понятие о механизме каталитических реакций. Автокатализ. Ферментативный катализ. Ингибиторы. Каталитические яды.

Обратимые и необратимые химические реакции. Химическое равновесие. Константа химического равновесия. Смещение химического равновесия. Принцип Ле Шателье. Фазовые равновесия. Правило фаз Гиббса. Представление о диаграммах состояния.

VI. 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 равновесиям 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.

Представление о современных теориях кислот и оснований. Протолитическая теория Бренстеда и Лоури. Понятие о кислотах и основаниях Льюиса.

VII. ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ

Окислительно-восстановительные реакции. Степень окисления. Важнейшие окислители и восстановители. Уравнение Нернста. Направление окислительно-восстановительных реакций.

Равновесие на границе металл — раствор. Электродный потенциал. Ряд напряжений металлов. ЭДС гальванического элемента. Электролиз как окислительно-восстановительный процесс. Электролиз расплавов и водных растворов солей. Инертные и активные электроды. Потенциал разложения. Явление перенапряжения. Электрохимическая коррозия металлов. Химические источники электрического тока.

5

VIII. ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О МЕТОДАХ РАЗДЕЛЕНИЯ, ОЧИСТКИ И АНАЛИЗА ВЕЩЕСТВ

Препаративный метод исследования веществ. Физические и химические методы разделения, очистки и анализа веществ. Стандарты чистоты вещества. Физико-химический анализ как метод исследования сложных взаимодействующих систем. Работы Н.С. Курнакова.

2.2Аналитическая химия

I.Предмет аналитической химии. Ее место в системе в системе наук.

II.Типы реакция и процессов в аналитической химии.

Кислотно-основные реакции. Современные представления о кислотах и основаниях. Теория Бренстеда-Лоури. Константа кислотности и основности. Константа автопротолиза. Буферные растворы и их свойства. Буферная емкость.

Реакции комплексообразования. Типы и свойства комплексных соединений, используемых в аналитической химии. Классификация комплексных соединений. Константа устойчивости. Термодинамическая и кинетическая устойчивость комплексных соединений.

Окислительно-восстановительные реакции. Уравнение Нернста. Связь константы равновесия со стандартными потенциалами. Направление реакции окисления-восстановления.

III. Методы качественного анализа. Химические, инструментальные, физикохимические. Требования, предъявляемые к аналитическим реакциям, используемым в анализе. Дробный и систематический методы анализа. Использование специфических реакций. Групповые реагенты, их назначение. Кислотно-основной метод анализа катионов: деление катионов на 6 аналитических групп, анализ смеси катионов. Преимущества и недостатки метода. Деление анионов на 3 аналитические группы.

IV. Методы количественного анализа. Гравиметрический метод анализа. Сущность метода, границы применимости. Осадки и их свойства. Условия получения осадков. Осаждаемая и гравиметрическая формы. Требования к ним. Погрешности в гравиметрическом анализе. Титриметрический метод анализа. Классификация методов. Способы выражения концентрации в титриметрии: эквивалент, молярная масса эквивалента, молярная концентрация, титр. Фиксаналы. Виды кривых титрования. Способы определения конечной точки титрования. Индикаторы. Методы титриметрии: комплексонометрическое, осадительное титрования. Погрешности в титриметрических методах анализа.

6

3.Рабочая учебная программа.

Общая и аналитическая химия.

7

4. Планы и методические указания по подготовке к выполнению

Изучение курса общей и аналитической химии, кроме лекционного курса, дополняется обязательным циклом лабораторных работ и самостоятельных практических занятий (домашнее задание) студентов под руководством

8

преподавателя. Основным пособием для изучения курса является учебник Глинка Н.Л. Общая химия. – М.: Интеграл-пресс, 2005.

Лабораторные занятия проводятся с целью:

1.дополнения, углубления и закрепления теоретических знаний по общей и аналитической химии;

2.знакомства с приемами и техникой лабораторных работ;

3.изучения методов определения качественного и количественного состава веществ.

При выполнении лабораторных работ все наблюдения нужно записывать в лабораторный журнал непосредственно после каждого опыта. Не следует делать записи в черновиках и на отдельных листках бумаги, которые могут затеряться. В лаборатории следует соблюдать правила безопасной работы.

Для усвоения и закрепления знаний по каждой теме необходимо выполнить ряд задач и упражнений, предложенных преподавателем из рекомендованного основного учебного пособия Глинка Н.Л. Задачи и упражнения по общей химии. – М.: Интеграл-пресс, 2005 (см. список основной литературы), т.к. все темы и разделы лучше усваиваются в процессе решения задач. При выполнении лабораторных работ по каждой теме следует руководствоваться методическими указаниями лабораторного практикума (Васильева З.Г. и др. Лабораторный практикум по общей химии. – Л.: Химия, 1990.), а также рекомендациями учебно-методических пособий и материалов, разработанных на кафедре неорганической и аналитической химии.

После выполнения лабораторных работ и ее оформления студент должен уметь изложить ход работы, объяснить результаты опытов и вытекающих из них выводов, уметь составлять уравнения реакций, что составляет суть защиты лабораторной работы.

Аналитическая химия. Методические рекомендации при выполнении лабораторных работ по аналитической химии.

Систематический качественный анализ предусматривает использование групповых реагентов, позволяющих отделить группу ионов и проводить их открытие после разделения и выделения.

В последнее время широкое распространение получил кислотно-основной метод анализа катионов. Этот метод прост, не требует применения дорогостоящих и токсичных веществ. Основными реагентами, используемыми в этом методе, являются растворы НС1, H2SO4, NaOH и водный раствор аммиака.

Недостаток этого метода: РЬ2+ осаждается в виде РЬС12 . Эта соль хорошо растворяется при нагревании в воде, поэтому РЬ2+ может перейти в другие группы катионов. Во избежание этого следует тщательно проверить

9

полноту осаждения катионов. Вследствие частичной растворимости Сu(ОН)2 в растворе NaOH катион Сu2+ иногда относят к III группе катионов. Метод не применим, если в состав анализируемой смеси входит фосфат - ион, последний мешает разделению катионов на группы. Метод основан на делении всех катионов на VI аналитических групп.

Анализ смеси катионов I аналитической группы.

Анализ смеси катионов любой аналитической группы начинают с ее обнаружения и последующего отделения с помощью группового реагента. Для выделения I аналитической группы берут 30 капель исследуемого раствора и приливают 2N раствор НС1 (20 капель). Выпавший белый осадок свидетельствует о наличии катионов данной группы. Смесь центрифугируют, отделяют осадок, а центрифугат проверяют на полноту осаждения, добавляя к нему по каплям раствор НС1.

Отсутствие осадка говорит о полном осаждении катионов. Если же осадок образуется, продолжают вести осаждение до полного удаления катионов из анализируемой смеси. Осадок обрабатывают горячей водой, в которой РЬС12 растворяется. Далее раствор центрифугируют, в центрифугате определяют наличие катиона Pb + реакцией с хроматом калия:

РЬСrО4 - желтый осадок, растворимый в азотной кислоте и щелочи.

В случае обнаружения в центрифугате катионов РЬ2+ осадок снова обрабатывают горячей водой до полного удаления хлорида свинца. Промытый осадок может содержать ионы Ag+ и Нg22+.Для их определения осадок обрабатывают концентрированным раствором гидроксида аммония. Хлорид серебра растворяется в NH3*H2O, переходит в амминокомплекс, который при действии на него азотной кислоты разрушается, образуя более прочный комплексный ион - [NH4]+ и белый осадок AgCl:

10