5. Раздел программы по дополнительной специальности Химия

Атомно-молекулярное учение. Атомистика Дальтона. Основные химические понятия. Единицы измерения в химии. Законы стехиометрической химии (закон сохранения массы и энергии, закон постоянства состава, закон кратных отношений, закон эквивалентов, закон простых объемных отношений Гей-Люссака, гипотеза Авогадро). Границы применения законов. Относительная атомная и молекулярная массы. Моль. Молярный объем. Методы определения атомных масс.

Доказательства сложности строения атома научными открытиями конца XIX - начала XX вв. (катодные лучи, радиоактивность, фотоэффект, законы электро­ли­за Фарадея, открытие электрона и измерение его характеристик). Модели строения атома. Опыты Резерфорда. Плане­тар­ная модель. Модель Зоммерфельда. Уравнение М. Планка. Постулаты Н. Бора. Вывод величины радиуса 1-й боровской орбиты, скорости электрона, энергии электрона и их согласование с экспериментальными данными. Атомные спектры. Постоянная Ридберга. Строение атомного ядра. Устойчивые и неустойчивые ядра. Ядерные ре­акции. Элементарные частицы. “Меченые атомы” и их применение.

Квантовая механика — основа современной теории микромира. Основные по­ложения квантовой механики. Принцип неопределенности Гейзенберга. Кор­пус­ку­лярно-волновой дуализм микрочастиц. Волновая функция. Физический смысл y2. Волновое уравнение Шредингера. Требования, предъявляемые к значению волновой функции. Принципы решения уравнения Шредингера в полярных коорди­натах. Радиальная и угловая составляющие волновой функции. Физический смысл 4-х квантовых чисел (n, l, me и ms).

Виды химической связи. Современная трактовка и характеристика ковалент­ной связи. Методы ВС и МО. Теория резонанса. Порядок связи. Полярность и по­ля­ризуемость. Дипольный момент связи и молекулы. Сопоставление свойств соединений с типом химичес­кой связи на конкретных примерах. Современ­ная трактовка ионной связи. Энергия кристал­ли­чес­кой решетки. Силы межмолекулярного взаимодействия.

Периодический закон как основа химической систематики, фундаменталь­ный закон природы. Периодически и непериодически изменяющиеся свойства. За­ко­номерность изменения свойств элементов по периодам, группам и подгруппам периоди­чес­кой системы (атомные и ионные радиусы, энергия ионизации, сродство к элек­т­рону, степени окисления, полярность, поляризуемость, поляризующее действие, плотность, t пл., t кип., твердость, электропроводность, энтальпия гидратации катионов). Закономерности в изменении свойств гидридов и оксидов s- и p- эле­мен­тов. Сходство и различие свойств элементов главных и побочных подгрупп как выражение их естественной взаимосвязи.

Металлическое состояние вещества: основные признаки, зонная теория строения, металлическая связь. Особенности электронного строения атомов элементов, способных к образованию металлической связи; положение указанных элементов в периодической системе.

Типы кристаллических решеток металлов. Понятие о металлических сплавах. Поликристаллическая структура реальных металлов и сплавов. Общие физические свойства металлов. Общие физические и химические свойства металлов. Термодинамическая вероятность и кинетические особенности взаимодействия металлов в компактном и мелкораздробленном состоянии с различными простыми веществами, их взаимодействие с оксидами. Объяснение направленности металлотермических реакций с позиций химической термодинамики. Электрохимический механизм взаимодействия металлов с водой и водными растворами электролитов.

Электрохимический ряд напряжений металлов. Совместное влияние различных факторов на поведение металлов и сплавов в реальных условиях. Электролиз растворов и расплавов. Коррозия металлов и основные способы защиты от нее. Ингибиторы коррозии металлов. Работы русских ученых Г. В. Акимова, С. А. Балезина, И. Л., Розенфельда и других в области коррозии и защиты металлов.

Особенности электронных структур атомов элементов d- и f -семейств. Их положение в периодической системе. Многообразие степеней окисления, проявляемых атомами элементов побочных подгрупп. «Лантаноидное и актиноидное сжатие».

Сравнительная характеристика элементов главных подгрупп I и II группы. Общая характеристика атомов элементов, физических и химических свойств простых веществ. Поведение металлов в реальных атмосферных условиях. Правила хранения и техника безопасности при работе со щелочными и щелочно-земельными металлами. Получение простых веществ. Свойства, получение и применение важнейших соединений элементов: гидридов, оксидов, гидроксидов, пероксидов, солей.

Меры предосторожности при работе со щелочами. Физиологическое действие соединений элементов главной подгруппы I и II группы. Значение соединений натрия, калия и кальция для живых организмов. Меры предосторожности при работе с соединениями бериллия и бария.

Калийные удобрения. Применение металлического бериллия и магния в народном хозяйстве. Жесткость воды и способы ее устранения. Очистка воды с помощью ионо-обменных смол.

Общая характеристика элементов побочной подгруппы VIII группы, физических и химических свойств простых веществ. Элементы семейства железа. Распространенность в земной коре, важнейшие природные соединения. Важнейшие сплавы железа: чугун, сталь, легированные стали. Сравнение свойств важнейших соединений железа (II) и (III), их кислотно-основные и окислительно-восстановительные свойства, получение и применение. Ферраты. Комплексные соединения железа. Биологическая роль соединений железа.

Общая характеристика атомов элементов побочных подгрупп I и II групп, важнейшие природные соединения. Физические и химические свойства простых веществ. Важнейшие соединения меди, серебра, золота, цинка, кадмия и ртути. Оксиды, гидроксиды, соли. Комплексные соединения. Окислительно-восстановительные свойства соединений меди, серебра, золота. Соединения ртути в степени окисления +1. Амальгамы.

Сравнительная характеристика элементов VII группы главной подгруппы. Распространение в земной коре. Физические и химические свойства простых веществ, основные способы их получения. Сравнение активности простых веществ в окислительно-восстановительных реакциях. Характеристика важнейших водородных и кислородных соединений: сравнение окислительно-восстановительных, кислотно-основных свойств и устойчивости в различных степенях окисления.

Сравнительная характеристика элементов главной и побочной подгрупп VI группы. Распространение в земной коре. Физические и химические свойства простых веществ, основные способы их получения. Сравнение активности простых веществ в окислительно-восстановительных реакциях. Характеристика важнейших водородных серы. Характеристика важнейших кислородных соединений серы (IV,VI). Сравнение окислительно-восстановительных, кислотно-основных свойств и устойчивости кислородосодержащий соединений серы в различных степенях окисления.

Соединения хрома (III) и (VI) Оксиды хрома (III) и (VI).Хромовые кислоты. Хроматы и бихроматы, их взаимные переходы. Изменение окислительно-восстановительных, кислотно-основных свойств и устойчивости соединений хрома с изменением его степени окисления. Сходство и различие химических свойств соединений элементов главной и подобной подгрупп VI группы в высшей степени окисления.

Сравнительная характеристика элементов главной подгруппы V группы. Распространение в земной коре. Физические и химические свойства простых веществ, основные способы их получения. Сравнение активности простых веществ в окислительно-восстановительных реакциях. Свойства важнейших водородных соединений азота. Оксиды азота. Азотистая и азотная кислоты и их соли. Сравнение окислительно-восстановительных, кислотно-основных свойств и устойчивости в различных степенях окисления. Электронное строение и геометрия молекул. Фосфор и его важнейшие соединения. Биологическое значение азота и фосфора. Азотные и фосфорные удобрения.

Общая характеристика атомов элементов и простых веществ IV группы главной подгруппы. Углерод. Аллотропия углерода. Физические и химические свойства углерода. Карбиды металлов. Важнейшие кислородосодержащие соединения углерода. Соединения углерода с азотом, водородом и галогенами. Сенильная кислота. Цианиды. Характер гибридизации атомных орбиталей в них.

Современные представления о теории кислот и оснований. Общая схема диссоциации кислот и оснований Измайлова. Автопротолиз. Влияние растворителей на силу электролитов. Константа кислотности и константа основности протолитической пары. Зависимость степени диссоциации от концентрации электролитов в растворе и температуры. Смещение ионных равновесий. Вычисление концентрации ионов и рН растворов кислот и оснований в зависимости от их силы.

Сущность методов кислотно-основного титрования. Кривые титрования. рН Индикаторы. Теория индикаторов. Интервалы перехода окраски важнейших индикаторов. Показатель индикаторов. Выбор индикаторов для конкретных случаев титрования. Влияние различных факторов на показания индикаторов. Индикаторные погрешности титрования.

Равновесие в гетерогенной системе на границе раздела между раствором и твердой фазой. Произведение растворимости и произведение активности ионов. Влияние на растворимость осадков одноименных ионов. Солевой эффект. Условие выпадения осадков. Факторы, влияющие на полноту осаждения. Дробное осаждение. Превращение одних трудно растворимых соединений в другие. Загрязнение осадков и растворов. Соосаждение. Адсорбция и десорбция. Сущность и классификация гравиметрического анализа. Условия осаждения кристаллических и аморфных осадков. Характеристика метода, область применения. Сущность и теоретические основы методов седиметрии. Сходство и различие методов седиметрии с гравиметрическим анализом. Кривые титрования по методу осаждения. Классификация методов осаждения. Индикаторы метода.

Сущность и классификация окислительно-восстановительных реакций. Стандартный окислительно-восстановительный потенциал. Уравнение Нернста. Направленность окислительно-восстановительной реакции. Константа равновесия. Важнейшие окислители и восстановители, применяемые в анализе, их характеристика. Сущность и классификация методов редоксиметрии. Кривые титрования. Окислительно-восстановительные индикаторы, теория их применения. Современное представление о строении комплексных соединений. Равновесия в растворах комплексных соединений. Константа нестойкости и константа устойчивости. Влияние температуры, среды, избытка реагента на равновесия в растворах комплексных соединений. Разрушение комплексных ионов. Применение комплексных соединений в анализе.

Меркуриметрия, комплексонометрия, сущность методов, индикаторы.

Основные преимущества физико-химических методов анализа по сравнению с химическими. Выбор методов анализа: постановка аналитической (исследовательской) задачи, изучение литературы, теоретическая оценка, экспериментальная проверка выбранного метода. Классификация физико-химических методов. Принципы, на которых основаны спектроскопические, хроматографические, электрохимические методы, их применение.

Строение органических соединений в зависимости от типа гибридизации углеродного атома. Энергия и длина С-С, С-Н связей, валентные углы, геометрия молекул при sp³-, sp²- и sp-гибридизации. Основные особенности органических соединений.

Изомерия органических соединений Определение изомерии. Типы изомерии органических соединений. Структурная изомерия: изомерия углеродной цепи, изомерия функциональных групп, изомерия положения функциональных групп, таутомерия. Пространственная изомерия: конфигурационная изомерия (геометрическая и оптическая изомерия) и конформационная изомерия.

Конфигурационная изомерия, определение, примеры. Определение геометрической изомерии, устойчивость изомеров. Оптическая изомерия, определение, понятия хиральной молекулы, хирального центра, энантиомера Лево- и правовращающие изомеры. Рацематы, явление рацемизации. D-L-номенклатура. R-S-номенклатура Кана-Ингольда-Прелога.

Строение алканов и циклоалканов. Основные положения теории Байера. Механизм реакции радикального замещения (S_R) в алканах и циклоалканах, условия, устойчивость радикалов. Особенности радикального галогенирования и нитрования алканов и циклоалканов.

Алкены, алкины, алкадиены. Строение и реакционная способность на примере этена, этина и 1,3-бутадиена. Реакции электрофильного присоединения (А_Е) (галогенирование, гидрогалогенирование, гидратация). Правило Марковникова и исключения из него. Сравнительная характеристика стабильности алкенов, алкинов и алкадиенов в реакциях окисления. Эпоксидирвоание, реакция Вагнера, озонирование, получение карбоновых кислот, окислительное сочетание.

Алифатические и ароматические спирты. Строение и основные способы получения. Фенол. Промышленные способы получения фенола. Сравнительный анализ кислотных свойств гидроксипроизводных алифатического и ароматического рядов.

Альдегиды и кетоны. Строение карбонильной группы. Механизм реакции нуклеофильного присоединения (А_N) на примере альдольно-кротоновой конденсации. Бензоиновая конденсация. Активность карбонильных соединений в реакциях окисления. Общие способы получения алифатических и ароматических альдегидов и кетонов.

Основные способы получения алифатических и ароматических карбоновых кислот: окисление различных классов органических соединений, карбоксилирование, гидролиз нитрилов, тригалогеналканов. Получение производных карбоновых кислот (галогенангидридов, ангидридов, сложных эфиров, амидов, нитрилов) на примере этановой кислоты. Сравнение реакционной способности производных кислот.

Строение ароматических углеводородов. Правило ароматичности Хюккеля. Основные способы получения ароматических углеводородов. Реакции электрофильного замещения в ароматическом кольце. Механизм и условия реакций галогенирования, нитрования, алкилирования, сульфирования, ацилирования. Влияние заместителей 1 и 2 рода на направление и скорость реакций электрофильного замещения в ароматическом кольце.

Способы получения алифатических и ароматических аминов. Взаимодействие первичных, вторичных и третичных аминов алифатического и ароматического рядов с азотистой кислотой, значение этой реакции. Сравнительный анализ основности аминов в зависимости от строения в реакциях с кислотами, апротонными кислотами, водой.

Пяти- и шестичленные гетероциклические соединения с одним гетероатомом. Сравнение ароматических свойств и реакционной способности в реакциях S_E2A_r в ряду фуран, пиррол, тиофен, пиридин.

Применение реакций электрофильного замещения в органическом синтезе на примере получения нитро-, сульфо-, алкилпроизводных ароматического ряда. Основные нитрующие, сульфирующие и алкилирующие агенты, условия проведения реакций.

Реакции окисления и восстановления, используемые в органическом синтезе. Окисление алканов, алкенов, первичных и вторичных спиртов, альдегидов и кетонов. Восстановление непредельных углеводородов, карбонильных соединений, нитропроизводных ароматических углеводородов. Реакции окислительно-восстановительного диспропорционирования.

ловия и механизм реакции диазотирования ароматических углеводородов. Применение солей диазония в качестве субстратов для получения соединений различных классов органических соединений. Реакции, идущие с выделением азота. Реакция Зандмейера, реакция Шимана. Реакции, идущие без выделения азота. Получение азокрасителей.

Первый закон термодинамики. Формулировка закона и его физический смысл. Работа в химическом процессе. Общее выражение для работы против различных сил. Вечный двигатель первого рода. Теплота при постоянном объеме и при постоянном давлении. Энтальпия как функция состояния.

Второй закон термодинамики. Формулировка. Энтропия при прохождении самопроизвольного процесса в адиабатной и в изолированной системах. Математическая формулировка второго закона термодинамики. Физический смысл второго закона. Термо­динамические потенциалы.

Правило фаз Гиббса. Фазовое рав­новесие в гетерогенных системах. Фаза. Компонент. Число независимых компонентов. Число степеней свободы. Моновариантные, бивариантные, n-вариантные состояния системы. Использование правила фаз Гиббса для анализа одно- и двухкомпонентных систем.

Закон Рауля. Идеаль­ные растворы. Отличие понятия идеального раствора от поня­тия идеального газа. Отклонения реальных растворов от зако­на Рауля. Определение молекулярной массы ра­створенного вещества методами криоскопии и эбулиоскопии.

Химическая кинетика. Закон действующих масс. Молекулярность и порядок реакции. Кинетика необратимых реакций 1, 2, 3 и n порядка.

Удельная и эквивалентная электропроводность. Элек­тропроводность при бесконечном разбавлении. Движение ионов в электрическом поле. Скорость и подвижность ионов. Число переноса.

Электрохимические цепи. ЭДС. Классификация элект­рохимических цепей. Электроды первого рода. Электроды второго рода. Электроды третьего рода. Уравнение Нернста.

Гетеро­генный катализ. Промоторы и яды. Диффузия. Кинетическая и диффузионная области гетерогенно-каталитического процес­са. Адсорбция. Активированная адсорбция. Роль адсорбции в гетерогенном катализе. Кинетика гетерогенных каталитических реакций. Теория активных центров в гетеро­генном катализе. Энергетический фактор гетерогенного катализа. Роль дефектов в катализе.

Устойчивость и коагуляция коллоидных систем. Энергия взаимодействия при сближении мицелл. Коагуляция коллоидов коллоидами. Коагуляция под действием физических факторов (температура, электрическое поле, концентрирование, механическое воздействие). Кинетика коагуляции.

Аминокислоты. Классификация и свойства аминокис­лот. Алифатические, дикарбоновые, диаминокислоты, оксиаминокис­лоты, серосодержащие аминокислоты, ароматические и гетероцикли­ческие аминокислоты. Понятие о заменимых и незаменимых аминокислотах.

Белковые молекулы. Элементный состав и молекулярная масса белков. Строение белков. Уровни структурной организации белковых молекул. Первичная структура белков. Вторичная и сверх­вторичная структура, домены. Третичная структура белковых моле­кул. Глобулярные и фибриллярные белки. Четвертичная структура белков. Физические и химические свойства белков. Амфотерность, за­ряд белковой молекулы, изоэлектрическая точка белков. Денатура­ция белков и ее механизм. Оптические свойства белковых молекул. Гидролиз белков.

Классификация белков. Протеины. Характеристика основных классов протеинов: протамины, гис­тоны, альбумины, глобулины, проламины, глютелины и протеиноиды. Протеиды. Значение и классификация. Нуклеопротеины. Фосфопротеины. Гликопротеины. Металлопротеины. Лиопротеины. Хромопротеины. Строение гемоглобина, хлорофилла и их роль в природе. Биологическое значение и функции белков.

Строение и классификация углеводов. Химический состав углеводов. Понятие о простых и сложных углеводах. Роль углеводов в природе и практической деятельнос­ти. Классификация углеводов. Моносахариды. Строение молекул, изомерия. Фи­зические и химические свойства моносахаридов. Окисление моносахари­дов. Восстановительные свойства альдоз. Образование гликозидов. Строение и значение наиболее важных представителей пентоз и гексоз. Дисахариды. Строение молекул дисахаридов. Номенклатура дисахаридов. Химические свойства дисахаридов. Представители дисахаридов. Их значение в приро­де, применение. Полисахариды. Строение молекул полисахаридов. Классификация полисахари­дов. Гомополисахариды и гетерополисахариды. Гомополисахариды. Строение и свойства крахмала, гликогена и целлюлозы, их биологическая роль. Гетерополисахариды. Строение молекул гликозаминогликанов, их биологическое значение.

Строение и классификация липидов. Понятие о простых и сложных липидах. Жиры, воски, фосфоли­пиды и гликолипиды, стероиды. Строение триглицеридов. Физичес­кие свойства триацилглицеридов, жиры и масла. Химические свойс­тва жиров. Биологическая роль жиров, применение.

Стериды. Строение стеролов, их биологичес­кая роль. Желчные кислоты, их роль в пищеварении. Сложные липиды. Строение и классификация сложных липидов. Биологическая роль сложных липидов.

Состав нуклеиновых кислот. Пиримидиновые и пуриновые ос­нования. Нуклеозиды. Строение нуклеотидов, номенклатура. Поли­нуклеотиды. Первичная структура нуклеиновых кислот. Рибонуклеи­новые и дезоксирибонуклеиновые кислоты. Содержание в организме и локализация в клетке. Пер­вичная структура ДНК. Комплементарность пуриновых и пиримидино­вых оснований в молекуле ДНК. Вторичная и третичная структуры ДНК. Строение РНК. Сравнительная характеристика различных ви­дов РНК. Информационная, транспортная и рибосомальная РНК, их функции в клетке.

Озон в верхних слоях атмосферы. Механизм образования. Роль "азотного цикла", атомарного водорода, "хлорного цикла", антропогенных факторов в образовании и разрушении озона.

Химия тропосферы. Загрязнители воздуха: соединения серы, оксиды азота, монооксид углерода, органические вещества, причины появления, химические процессы c их участием. Кислотные дожди. Фотохимический смог.

Аэрозоли в атмосфере. Роль водяных паров и диоксида углерода в атмосфере. Тепловой баланс Земли и атмосферы. Парниковый эффект диоксида углерода. Принципы, положенные в основу предотвращения загрязнения атмосферы.

Соленая, пресная и твердая вода. Химический состав и свойства морской (океанической) воды. Соленость воды. Водородный показатель (рН) и его регулирование. Прозрачность морской воды. Химический состав и свойства пресной воды. Регуляция рН речных и озерных вод. Биохимическая потребность в кислороде и качество воды. Жесткость воды, методы ее умягчения. Загрязнение воды, источники, токсический эффект, меры предотвращения загрязнения.

Круговороты газообразных веществ и осадочные циклы. Круговороты азота, углерода, серы, фосфора, ртути. Глобальные круговороты воды, углекислого газа, их роль в биосферных процессах, влияние антропогенных факторов.

Химический состав атмосферы, гидросферы, земной коры (литосферы). Методы анализа материалов окружающей среды. Загрязнители и их химические превращения в окружающей среде.

Производство минеральных кислот. Производство серной кислоты контактным способом. Производство серной кислоты способом «мокрого катализа». Сырье. Теоретические основы процессов; принципиальные технологические схемы.

Минеральные удобрения. Классификация удобрений. Сырье. Теоретические основы производства аммиачной и кальциевой селитры, простого и двойного суперфосфата, нитрофоски. Микроудобрения. Гуминовые удобрения. Ядохимикаты. Классификация. Инсектициды и фунгициды, гербициды и стимуляторы роста. Зооциды.

Металлургия. Классификация методов (пиро-, гидро-, электрометаллургия). Сырье. Теоретические основы доменного процесса. Основные и побочные реакции. Виды чугуна. Производство стали. Сталеплавильные процессы; теоретические основы, особенности. Производство алюминия электрохимическим способом. Теоретические основы.

Основной органический синтез. Важнейшие производственные процессы основного органического синтеза на основе оксида углерода (ІІ): получение алкенов, алканов, алкинов и ароматических углеводородов. Синтез метанола, этанола. Теоретические основы, принципиальные технологические схемы. Промышленные методы синтеза дивинила и изопрена. Принципиальная схема синтеза дивинила по способу С.В. Лебедева. Производство капролактама. Синтетические и искусственные высокомолекулярные соединения. Классификация и способы получения (синтетический каучук, резина, пластмассы). Химические волокна (синтетические и искусственные).

Классификация ВМС. Природные, искусственные и синтети­ческие полимеры. Гомоцепные (в том числе, карбоцепные), гетероцепные, элементоорганические и неорганические полиме­ры. Общая классификация полимеров по изменению химичес­кого строения составного повторяющегося звена цепи: класс – подкласс – группа – подгруппа – вид.

Номенклатура ВМС. Рациональная и систематическая, ос­нованная на химическом строении повторяющегося звена. Номенклатура регулярных линейных однотяжных полимеров (ИЮПАК). Особенности номенклатуры сополимеров, неорга­нических и элементоорганических полимеров.

Мономеры – исходные продукты для синтеза ВМС. Функ­циональность и классификация мономеров. Взаимосвязь между функциональностью мономера и строением полимера. Мето­ды синтеза ВМС. Реакции образования макромолекул: цеп­ные, ступенчатые, полимераналогичные; критерии отнесения.

Ступенчатые процессы образования макромолекул. Конденсационная полимеризация (поликонденсация). Особен­ности ступенчатых поликонденсационных реакций (В. Карозерс). Классификация мономеров для поликонденсации. Гомо-и гетерополиконденсация. Типы и характер реакций поли­конденсации. Поликонденсационное равновесие. Равновесная и неравновесная поликонденсация (В. В. Коршак).