второй семестр, сооружение / ХИМИЯ информация с сайта / general_chemistry

УДК 54(075.8) ББК 24.1я73 C51

Смолова Л.М.

С51 Общая химия. Рабочая программа, методические указания, элементы теории, вопросы для самопроверки и контрольные задания для студентов заочного отделения ИГНД: учебное пособие / Л.М. Смолова; Томский политехнический университет. − Томск: Изд-во Томскогополитехническогоуниверситета, 2010. – 194 с.

В пособии представлены рабочая программа и методические материалы по курсу химии в соответствии с ГОСТами. Помимо теоретического материала, в каждом разделе приведены примеры решения задач и упражнения, которые помогут студентам при подготовке к экзамену и выполнении индивидуальных контрольных заданий.

Предназначено для студентов всех специальностей и направлений заочного отделения ИГНД, изучающих химию.

УДК 54(075.8) ББК 24.1я73

Рецензенты

Доктор химических наук, профессор ТГУ

Л.Н. Курина

Доктор химических наук заведующий кафедрой химии СибГМУ

М.С. Юсубов

© ГОУ ВПО НИ ТПУ, 2010 © Смолова Л.М., 2010

© Обложка. Издательство Томского политехническогоуниверситета, 2010

1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ

1.1. Цели преподаваемой дисциплины

Целью изучения курса “Химия” студентами заочного отделения ИГНД является формирование современного химического мировоззрения и навыков самостоятельной работы, необходимых для использования химических знаний при изучении специальных дисциплин и дальнейшей практической деятельности.

В области химии студент должен иметь представление:

•об основных объектах химии и химических процессах;

•о взаимосвязи состава, структуры, свойств и реакционной способности химических веществ;

•об основных закономерностях эволюции химических систем;

•о глобальных проблемах экологии и путях их решения, об основных методах защиты окружающей среды.

При составлении программы учитывалось современное состояние химической науки.

1.2. Задачи изложения и изучения дисциплины

Настоящая программа по дисциплине “Химия” предназначена для подготовки студентов, обучающихся на ЗО ИГНД. Ее особенность состоит в том, что материал рассчитан на самостоятельную подготовку в сжатые сроки – один семестр, 110-140 часов, а также в том, что дисциплина предназначена для подготовки специалистов технического (нехимического) профиля. Поэтому основное внимание уделено обязательным разделам химии (строение вещества, основные закономерности взаимодействия веществ). Кроме того, учитывается сокращение курса химии в средней школе и потому повышенное внимание уделяется разделу “Основные понятия и законы химии”.

При изучении дисциплины “Химия” преподаватели и учащиеся должны ставить задачи воспитания рационального научного мировоззрения и приобретения знаний и умений в специальной, химической, области науки. Этому должны способствовать предусматриваемые программой специальные вопросы химии, включаемые по выбору обучающей кафедрой в рабочую программу.

При составлении программы учитывалось современное состояние химической науки и требования Государственных образовательных стандартов Российской Федерации (1994 г.). При разделении материала на разделы мы сознательно отошли от прямого следования системному подходу, а руководствовались установившимися объемами отдельных тем и их логической взаимосвязью. Предполагается, что системный анализ

3

дисциплины может быть показан студентам во вводной лекции с использованиемтехжеразделов.

Программа состоит из 5 разделов обязательной части дисциплины, одного специального, перечней лабораторных работ, списков основной и дополнительной литературы, контрольных заданий и таблицы вариантов для выполнения контрольных работ.

2. СОДЕРЖАНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО РАЗДЕЛА ДИСЦИПЛИНЫ

2.1. Введение. Основные понятия и законы химии

Значение химии в изучении природы и развитии техники. Химия как раздел естествознания – наука о веществах и их превращениях. Понятие о материи; вещество и поле. Предмет химии и связь ее с другими науками. значение химии в формировании научного мировоззрения.

Развитие химии и химической промышленности. Специфическое значение химии в технологических и экономических вопросах различных отраслей хозяйства. Химия и охрана окружающей среды.

Основные химические понятия и законы. Законы сохранения и взаимосвязи массы и энергии. Стехиометрические законы и атомномолекулярные представления. Химический эквивалент. Молекулярные и атомные массы. Стехиометрическая валентность. Степень окисления. Типы химических реакций. Уравнения химических реакций.

2.2. СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА

2.2.1. Строение атомов

Основные экспериментальные данные о сложном строении атома: взаимодействие α-частиц с веществами (Резерфорд) и ядерная модель атома; радиоактивный распад и синтез ядер, их состав, изотопы; спектры атомов и квантовый характер движения электронов в атоме.

Основные выводы волновой механики о строении атома: описание строения атомов с помощью квантовых чисел, атомные орбитали, их формы, принципы заполнения атомных орбиталей электронами, электронные формулы, основное и возбужденное состояние атома.

2.2.2. Периодическая система элементов и изменение свойств элементов

Периодическая система элементов Д.И. Менделеева. Диалектический характер периодического закона. Экспериментальное обоснование

4

периодической системы. Общенаучное значение периодического закона. Изменение свойств химических элементов: радиусы атомов и ионов, потенциалы ионизации, сродство к электрону, электроотрицательность.

2.2.3. Химическая связь

Основные характеристики химической связи и молекул: энергия, длина, спектры молекул, электрические и магнитные свойства.

Сущность и основные выводы метода валентных связей: валентность, насыщаемость, направленность, гибридизация атомных орбиталей. Типы химической связи: ковалентная, ионная, металлическая связь. Степень ионности, поляризация атомов в молекуле. Водородная связь. Межмолекулярное взаимодействие.

2.2.4. Комплексные соединения

Комплексы, комплексообразователи, лиганды, координационное число и дентатность. Классификация и номенклатура. Строение комплексов - теория валентных связей. Константа нестойкости.

2.3.ЭЛЕМЕНТЫ ТЕРМОДИНАМИКИ

2.3.1.Энергетика химических процессов, химическое сродство и равновесие

Энергетические эффекты и закон сохранения энергии в химических реакциях. Внутренняя энергия и энтальпия. Термохимические законы. Термохимические расчеты. Энтальпия образования химических соединений. Энтропия. Изменение энтропии при химических процессах и фазовых переходах. Энергия Гиббса как критерий направления процесса. Зависимость энергии Гиббса от температуры и концентрации. Равновесие. Константа равновесия и закон действия масс для гомогенных и гетерогенных равновесий. Принцип смещения химического равновесия Ле Шателье.

2.3.2. Химическая кинетика

Скорость химических реакций. Зависимость скорости реакций от концентрации реагирующих веществ. Закон действия масс. Молекулярность и порядок реакции. Зависимость скорости реакций от температу-

5

ры. Энергия активации. Уравнение Аррениуса. Скорость гетерогенных химических реакций.

Катализ гомогенный и гетерогенный. Влияние катализатора на механизм реакции и энергию активации.

2.4.РАСТВОРЫ И ДРУГИЕ ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ

2.4.1.Основные характеристики растворов и других дисперсных систем

Общие понятия о растворах и дисперсных системах. Классификация дисперсных систем. Способы выражения состава растворов и других дисперсных систем. Растворимость. Изменение энтальпии и энтропии при растворении. Растворы неэлектролитов. Давление паров растворителя над раствором. Температуры кипения и замерзания. Осмотическое давление.

2.4.2. Водные растворы электролитов

Особенности воды как растворителя. Электролитическая диссоциация; степень и константа диссоциации, изотонический коэффициент, взаимосвязь этих характеристик. Сильные и слабые электролиты. Электролитическая диссоциация комплексных соединений.

Ионные реакции и равновесия. Произведение растворимости. Электролитическая диссоциация воды. Водородный показатель. Гидролиз солей. Амфотерные электролиты.

2.5.ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

2.5.1.Окислительно-восстановительные реакции

Окислительно-восстановительные процессы: определение, природа, типы окислительно-восстановительных реакций. Составление уравнений реакций (метод баланса степеней окисления). Окислительновосстановительные эквиваленты.

2.5.2. Химические источники электрического тока

Понятие об электродных потенциалах, их связь с энергией Гиббса. Гальванические элементы и определение направления окислительновосстановительных процессов. Электродвижущая сила и ее измерение.

6

Стандартный водородный электрод и водородная шкала потенциалов. Уравнение Нернста.

Кинетика электродных процессов. Поляризация и перенапряжение. Концентрационная и электрохимическая поляризация. Топливные элементы.

2.5.3. Электролиз

Электролиз. Реакции на электродах. Последовательность электродных процессов. Электролиз растворов. Выход по току. Электролиз с нерастворимыми и растворимыми анодами. Законы Фарадея. Практическое применение электролиза: получение и рафинирование металлов, нанесение гальванических покрытий. Получение водорода, кислорода и других продуктов. Аккумуляторы.

2.5.4. Коррозия и защита металлов

Основные виды коррозии. Вред, наносимый коррозией народному хозяйству. Классификация коррозионных процессов. Химическая коррозия металлов. Электрохимическая коррозия металлов.

Методы защиты от коррозии. Изыскание коррозионностойких материалов. Изоляция металлов от агрессивной среды; защитные покрытия. Электрохимические методы защиты (протекторная, катодная и анодная защита). Изменение свойств коррозионной среды; ингибиторы коррозии. Экономическое значение защиты металлов от коррозии.

2.6.СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ХИМИИ

2.6.1.Химия воды

Строение молекул, физические свойства воды. Химические свойства воды. Состав природных вод. Действие природной воды на металлические конструкции. Жесткость воды. Методы умягчения воды. Коллоидные вещества природных вод и их удаление. Катионирование, анионирование и химическое обессоливание природных вод.

Химия - наука экспериментально-теоретическая. Поэтому для глубокого изучения химии в программе предусматривается проведение лабораторных работ − обязательный элемент учебного процесса − и практических (семинарских) занятий. Их перечень дан в программе. Следует при этом учитывать, что лишь часть из них будет выполнена под непосредственным руководством преподавателя во время лабораторно-

7

экзаменационной сессии. При прохождении лабораторного практикума студентами приобретаются навыки самостоятельного проведения химического эксперимента. Программа предусматривает дальнейшее углубление современных представлений в области химии. Эти знания необходимы для решения экологических, сырьевых и энергетических проблем, стоящих перед обществом.

3. СОДЕРЖАНИЕ ПРАКТИЧЕСКОГО РАЗДЕЛА ДИСЦИПЛИНЫ

Для глубокого изучения химии как науки, основанной на эксперименте, необходимо выполнить лабораторный практикум – обязательный элемент учебного процесса. Это развивает у студента навыки научного экспериментирования, исследовательский подход к изучению предмета, логическое химическое мышление. Студенты выполняют лабораторный практикум в период сессии.

3.2. Перечень лабораторных работ

5Приготовление раствора и определение его концентра- 2 ч ции методом титрования

Темы лабораторных и практических занятий указывает преподаватель в учебно-методической карте.

Зачет. Для получения зачета студент должен выполнить две контрольные работы (контрольные задания по курсу и варианты приведены в конце пособия) и лабораторный практикум, после чего получает допуск к экзамену.

4. ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ И ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ ПО ТЕМАМ КУРСА. ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящее пособие является составной частью комплексного методического обеспечения по химии для студентов всех специальностей и направлений Томского политехнического университета, изучающих эту дисциплину на 1−2 курсах. В методическое обеспечение кроме этого пособия в настоящее время входят соответствующие “Рабочие программы”, учебные пособия “Неорганическая химия” (для химических специальностей), “Специальные вопросы в курсах химии” (для нехимических специальностей), “Справочник для изучающих общую химию”, сборники задач по общей и неорганической химии и лабораторные практикумы по этим курсам. Созданы и опубликованы тестовые задания, которые используются при оценке знаний и умений, приобретённых студентами. Кроме того, в сети ИНТЕРНЕТ на сайте ТПУ размещены краткие версии учебных пособий, в том числе виртуальные лабораторные работы и пособия по решению химических задач.

В настоящем пособии сжато, изложен теоретический материал и приведены решения задач и примеры тестов по дисциплине “Общая химия”, так, чтобы материала было достаточно для подготовки и выполнения контрольных заданий и экзаменам.

ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Особенность занятий студентов в современном университете − большая самостоятельность при работе над учебным материалом. В курсе химии используются следующие виды занятий и контроля знаний: лекции, практические занятия по решению задач, лабораторные работы. В процессе изучения курса студенты должны выполнить две контрольные работы, каждая из которых охватывает значительную долю материала по всему курсу; сдача зачёта и экзамена по всему курсу в тестовой форме.

При подготовке этого учебного пособия было учтено, что значительная часть студентов, поступивших в университет, не сдают вступи-

9

тельного экзамена по химии и не имеют достаточной подготовки для дальнейшего обучения по этой дисциплине. Для создания возможности преодоления этого недостатка в курсе предусмотрено достаточно подробное изучение вопросов школьного курса – основных (исходных) понятий и законов, которые относятся к разделу “Состав вещества”.

Изучать курс нужно по темам в соответствии с программой. Рекомендуется решить задачи и упражнения перед практическим занятием, с тем, чтобы на нём или на консультации преодолеть непонимание и исправить ошибки. На практических занятиях проводится разбор наиболее важных и трудных вопросов темы и проводится тестирование уровня усвоения материала студентами

Тема “Номенклатура и классы неорганических соединений” предназначена в помощь тем, кто по каким-либо причинам не полностью освоил курс химии в школе или другом среднем учебном заведении и хочет сделать это достаточно быстро. Рассматриваемые в данном разделе вопросы соответствуют школьному курсу химии и являются базовыми для дальнейшего изучения курса химии в университете.

Номенклатура и классы неорганических соединений

1. Химические формулы. Валентность

Химическая формула отражает состав (структуру) химического соединения или простого вещества. Например, Н2О − два атома водорода соединены с атомом кислорода. Химические формулы содержат также некоторые сведения о структуре вещества: например, Fe(OH)3, Al2(SO4)3 − в этих формулах указаны некоторые устойчивые группировки (ОН, SO4), которые входят в состав вещества − его молекулы, формульной или структурной единицы (ФЕ или СЕ).

Молекулярная формула указывает число атомов каждого элемента в молекуле. Молекулярная формула описывает только вещества с молекулярным строением (газы, жидкости и некоторые твердые вещества). Состав вещества с атомной или ионной структурой можно описать только символами формульных единиц.

Формульные единицы указывают простейшее соотношение между числом атомов разных элементов в веществе. Например, формульная единица бензола − СН, молекулярная формула − С6Н6.

10