Период обучения (модуль): Семестр 2

Лекционные занятия сопровождаются показом демонстрационного эксперимента, цель которого – наглядная иллюстрация излагаемых лектором сведений о химических свойствах отдельных соединений и классов веществ.

Содержание курса

1. Разделы курса: химия элементов главных подгрупп, основные положения координационной теории, химия элементов побочных подгрупп.

 
2. Темы и краткое содержание.

2.1. Предмет неорганической химии. Основные этапы развития неорганической химии и ее место среди других разделов химии. Роль неорганической химии в природных процессах, процессах жизнедеятельности, в народном хозяйстве. Периодический закон как основа химической систематики.

2.2. Химия элементов главных подгрупп.

2.2.1. Водород. Валентные возможности атома и характерные степени окисления. Молекула Н₂. Получение водорода. Физические и химические свойства простого вещества. Атомарный водород, его получение и устойчивость. Ковалентные соединения водорода. Ионы Н⁺ и Н^-, их взаимодействие с водой. Водородная связь, причины ее образования, способ описания.

2.2.2. Кислород. Валентные возможности атома и характерные степени окисления. Молекула О₂. Получение кислорода. Физические и химические свойства простого вещества. Аллотропия кислорода, озон. Озон в атмосфере. Соединения кислорода с водородом. Вода. Пероксид водорода: получение и свойства. Состояния кислорода в его соединениях. Оксиды и их классификация. Пероксиды, супероксиды, озониды, их взаимодействие с водой.

2.2.3. Галогены. Общая характеристика. Строение электронных оболочек атомов, потенциалы ионизации, сродство к электрону. Валентные возможности атомов и характерные степени окисления. Простые вещества, характеристики молекул Х₂. Соединения с водородом. Особенности HF. Кислотные и окислительно-восстановительные свойства, реакционная способность. Галогениды металлов. Оксиды и оксокислоты. Строение молекул, характер связи, энергетика. Получение и химические свойства оксидов. Реакции оксидов с водой. Оксокислоты галогенов: строение молекул, химические свойства, методы получения. Соединения галогенов друг с другом. Полигалогенидные ионы. Трехцентровые связи в молекулах интергалогенидов. Химические свойства и методы получения. Окислительно-восстановительные реакции галогенов и их соединений в водных растворах. Взаимодействие простых веществ с водой, кислыми и щелочными растворами. Окислительно-восстановительные свойства соединений.

2.2.4. Халькогены. Общая характеристика. Строение электронных оболочек атомов, потенциалы ионизации, сродство к электрону. Валентные возможности атомов и характерные степени окисления. Простые вещества, цепочечные структуры, аллотропия. Соединения с водородом. Энергетические характеристики, характер связи и строение молекул Н₂Х. Методы получения и основные химические свойства. Халькогенидные ионы и их состояние в водных растворах. Халькогениды металлов. Оксиды и оксокислоты. Общая характеристика оксидов: строение молекул, характер связи, энергетика. Получение и химические свойства оксидов ХО₂ и ХО₃. Кислоты Н₂ХО₃ и Н₂ХО₄: строение молекул, химические свойства, методы получения. Сульфаты в природе.  Особенности селеновой и теллуровой кислот. Оксокислоты серы: причины их многообразия, классификация, строение и химические свойства. Галогениды. Формы существования, строение молекул, получение и химические свойства. Уникальная инертность SF₆. Окислительно-восстановительные реакции халькогенов и их соединений в водных растворах. Взаимодействие простых веществ с водой, кислыми и щелочными растворами. Окислительно-восстановительные свойства соединений.

2.2.5. Элементы 15 группы. Общая характеристика. Строение электронных оболочек атомов, потенциалы ионизации, сродство к электрону. Простые вещества, аллотропия. Особенности азота. Соединения с водородом. Характер связи, энергетические характеристики и строение молекул ХН₃. Методы получения и основные свойства соединений ХН₃. Соли аммония. Аммиакаты. Амиды, имиды, нитриды. Азотистоводородная кислота и азиды. Фосфин, дифосфин. Фосфиды. Оксиды и оксокислоты элементов V группы. Общая характеристика оксидов. Оксиды азота. Формы существования, строение и энергетика молекул. Методы получения оксидов азота. Оксиды фосфора и других элементов группы: Х₄О₆ и Х₄О₁₀, их получение, строение и свойства. Оксокислоты азота. Азотистая и азотная кислоты, их строение, свойства и методы получения, нитриты и нитраты. Оксокислоты фосфора и его аналогов. Строение и свойства кислот фосфора. Конденсированные фосфаты. Галогениды. Общая характеристика, формы и строение молекул. Галогениды азота. Галогеназиды. Три- и пентагалогениды фосфора и его аналогов. Оксогалогениды. Сульфиды. Формы и строение молекул. Получение и химические свойства. Тиокислоты. Окислительно-восстановительные реакции в растворах. Взаимодействие простых веществ с водой, кислыми и щелочными растворами. Восстановление нитратного иона в различных средах. Окислительные и восстановительные свойства соединений фосфора и его аналогов.

2.2.6. Элементы 14 группы. Общая характеристика. Особенности строения электронных оболочек атомов, потенциалы ионизации, сродство к электрону. Простые вещества, аллотропия. Полупроводниковые свойства кремния с позиций зонной теории проводимости. Неорганическая химия углерода. Алмаз, графит, карбины, фуллерены. Метан и углеводороды. Соединения графита. гетерофуллерены. экзо- и эндоэдральные соединения фуллеренов. Карбиды металлов. Оксиды углерода, энергетика, строение молекул и свойства. Угольная кислота. Карбонаты. Галогениды углерода. Сероуглерод. Соединения с азотом: циан, дициан, синильная кислота. Понятие о псевдогалогенах. Циановая, изоциановая, гремучая кислоты. Соединения элементов подгруппы кремния с водородом. Характер связи, энергетика и строение молекул ХН₄. Методы получения и химические свойства. Причины и проявление различий между алканами и силанами. Силициды. Кремний-органические соединения. Оксиды и гидроксопроизводные элементов 14 группы. Общая характеристика оксидов ХО и ХО₂. Кремниевые кислоты и силикаты. Оксо- и гидроксоионы аналогов кремния. Соли олова и свинца, их растворимость и гидролиз. Галогениды. Общая характеристика, форма и строение молекул. Ди- и тетрагалогениды, их устойчивость, методы получения и химические свойства. Взаимодействие с водой. Оксогалогениды. Халькогениды. Формы и строение. Получение и химические свойства. Тиокислоты германия и олова. Окислительно-восстановительные реакции в растворах. Взаимодействие простых веществ с водой. Окислительно-восстановительные свойства соединений.

2.2.7. Элементы 13 группы. Общая характеристика. Строение электронных оболочек атомов, потенциалы ионизации, сродство к электрону. Простые вещества. Соединения с водородом. Боран и диборан. Формы и строение молекул. Трехцентровые электроннодефицитные связи в молекулах боранов. Гидриды алюминия и его аналогов. Взаимодейст-вие с водой. Боронаты и аланаты, их строение и свойства. Оксиды и гидроксопроизводные элементов 13 группы. Общая характеристика оксидов. Формы существования и свойства. Корунд. Кубическая и гексагональная плотнейшие упаковки ионов. Сложные оксиды, важнейшие типы структуры сложных оксидов. Стеклование В₂О₃. Кислоты бора. Мета-, тетра-, ортобораты. Пербораты. Гидратные формы оксидов алюминия и его аналогов. Амфотерность гидроксоформ. Алюминаты. Оксиды и гидроксиды таллия. Устойчивость Tl (I). Галогениды. Общая характеристика, формы существования и строение молекул. Димеризация тригалогенидов. Гидролиз галогенидов. Халькогениды. Формы существования и строение. Гидролиз халькогенидов. Соединения А^IIIB^V. Полупроводниковые свойства. Особенности строения. Химические свойства. Карбораны. Получение, строение, свойства. Клозо-, нидо- и арахно-карбораны.

2.2.8. Элементы I-й и II-й групп. Общая характеристика s-элементов. Природные соединения. Миграция натрия и калия в природе. Щелочные и щелочноземельные металлы. Строение электронных оболочек атомов, потенциалы ионизации, сродство к электрону. Простые вещества. Взаимодействие с водой. Водородные соединения элементов I-ой и II-ой групп. Ионные гидриды. Взаимодействие ионных гидридов с водой. Оксиды щелочных металлов, формы, устойчивость, химические свойства оксидов. Пероксиды, супероксиды, озониды щелочных металлов. Оксиды и пероксиды щелочноземельных металлов. Гидроксиды щелочных и щелочноземельных металлов. Щелочи. Особенности гидроксида бериллия. Диагональное сходство бериллия и алюминия, лития и магния. Соли щелочных и щелочноземельных металлов, их растворимость и гидролиз. Природа растворов щелочных металлов в жидком аммиаке. Электриды. Соединения “гость-хозяин” на примере взаимодействия щелочных катионов с краун-эфирами. Антибиотики как природный аналог краун-эфиров.

2.2.9. Особенности химии элементов главных подгрупп. Типические элементы II периода. Строение электронных оболочек атомов, валентные и координационные возможности. σ- и π-связи. Диагональное сходство кислорода и хлора, бора и кремния, бериллия и алюминия. Вторичная периодичность. Основные проявления и причины возникновения. Особенности химии элементов IV периода. Эффект инертной пары. Основные проявления эффекта и его влияние на свойства элементов VI периода.

2.3. Введение в координационную химию.

2.3.1. Основы координационной теории Вернера и современные представления о строении комплексных соединений. Экспериментальные основы координационной теории. Внутренняя и внешняя сфера комплексного соединения. Координационное число. Типы лигандов, дентатность. Хелаты. Изомерия комплексных соединений. Номенклатура комплексных соединений. Описание электронного строения комплексных соединений. Метод валентных связей. Понятие о теории кристаллического поля, приближения, лежащие в ее основе. Расщепление энергетических уровней d-орбиталей полях различной симметрии: октаэдрическом, тетраэдрическом, тетрагональном, квадратном. Энергия стабилизации полем лигандов. Спектрохимический ряд лигандов. Комплексы слабого и сильного полей, их электронные конфигурации и магнитные свойства.Природа связей металл - лиганд. Необходимость учета особенностей электронного строения лигандов. Теория поля лигандов. Диаграммы энергетических уровней молекулярных орбиталей комплексных соединений.

2.3.2. Комплексы переходных металлов с π-донорными и π-акцепторными лигандами. Карбонилы. Структура и электронное строение карбонилов. Правило 18 электронов. Получение, физические и химические свойства. Моно- и полиядерные карбонилы. π-Циклопентадиенилы. Ферроцен и его аналоги. Сэндвичевы соединения, их электронное строение. Комплексы с олефинами. Получение и свойства p-комплексов.

2.3.3. Устойчивость комплексных соединений в растворе. Равновесия в растворах комплексных соединений. Общие и ступенчатые константы устойчивости и нестойкости. Основные факторы, определяющие устойчивость комплексных соединений, энтальпию и энтропию комплексообразования. Хелатный эффект. Правило циклов Чугаева.
2.3.4. Реакции комплексных соединений. Реакции замещения лигандов, их механизмы. Инертные и лабильные комплексы. Влияние энергии стабилизации полем лигандов на кинетику реакций замещения лигандов. Взаимное влияние лигандов. Эффект транс-влияния. Статическая и динамическая теории транс-влияния. Цис-эффект в октаэдрических комплексах. Кислотно-основные свойства комплексных соединений: роль заряда комплекса, степени окисления центрального иона и других факторов. Окислительно-восстановительные свойства комплексных соединений. Связь между устойчивостью комплексов в растворах и их восстановительными потенциалами. Стабилизация высших и низших состояний окисления переходных металлов лигандами различных типов. Металлокомплексный катализ. Ключевые реакции: окислительное присоединение и восстановительное элиминирование, бета-перенос атомов водорода. Реакции внедрения. Использование комплексообразования в органическом синтезе. Темплатный синтез. Координационные соединения в биологических системах. Порфириновые комплексы металлов. Хлорофилл, гемоглобин. Ферменты.

2.4. Химия переходных элементов.

2.4.1. Общая характеристика переходных элементов. Особенности строения атомов d- и f-элементов. Многообразие состояний окисления. Отличия от элементов главных подгрупп. Высокие степени окисления и молекулярные соединения. Низкие степени окисления и соединения переменного состава. Металлическое состояние простых веществ. Соединения со связью “металл-металл”. Стратегия синтеза. Реакции присоединения и реакции, сопровождающиеся разрывом интерметаллической связи.

2.4.2. Элементы первого переходного ряда. Характеристики атомов: орбитальные радиусы, энергии ионизации, сродство к электрону. Закономерности изменения свойств в ряду. Физические и химические свойства простых веществ. Химические основы металлургии. Черные и цветные металлы. Оксиды. Состояния окисления элементов в оксидах. Способы получения, физические свойства, реакционная способность, кислотно-основные и окислительно-восстановительные свойства оксидов. Характеристики твердых фаз. Химия водных растворов. Характерные состояния окисления 3d-элементов в водных растворах. Катионные и анионные формы. Окислительные и восстановительные свойства катионов и анионов элементов в различных состояниях окисления. Гидролиз солей. Полиядерные гидроксокатионы. Гидриды элементов 1-го переходного ряда. Фазы внедрения. Галогениды и другие бинарные соединения. Комплексные соединения.

2.4.3. Элементы второго и третьего переходных рядов. Характеристики атомов: орбитальные радиусы, энергии ионизации, сродство к электрону. Лантаноидное сжатие. Повышенное сходство элементов – электронных аналогов. Физические и химические свойства простых веществ, сравнение с первым переходным рядом. Особенности платиновых металлов. Характерные степени окисления элементов и причины устойчивости высших форм. Оксиды элементов разных состояний окисления. Способы получения, физические свойства, реакционная способность, кислотно-основные и окислительно-восстанови-тельные свойства. Сравнение с оксидами элементов первого переходного ряда. Химия водных растворов. Характерные состояния окисления элементов. Катионные и анионные формы. Сравнение с катионами элементов первого переходного ряда. Сравнение окислительных и восстановительных свойств катионов и анионов элементов 1-го, 2-го и 3-го рядов в одинаковых состояниях окисления. Гидролиз солей. Изо- и гетерополисоединения молибена, вольфрама и других элементов. Галогениды и оксо-галогениды. Другие бинарные соединения. Металл-кластеры, устойчивость и строение в зависимости от природы металлов и лигандов. Комплексные соединения.
2.4.4. Лантаноиды. Особенности строения атомов, причины сходства элементов, возможные состояния окисления. Содержание в природе. Разделение элементов. Физические и химические свойства простых веществ. Химические свойства соединений лантаноидов. Оксиды и гидроксопроизводные. Галогениды и другие бинарные соединения. Химия водных растворов. Особенности церия и европия.
2.4.5. Актиниды. Особенности строения атомов, сравнение с лантаноидами. Разнообразие состояний окисления. Содержание в природе. Ядерные реакции и синтез элементов. Трансамерициевые элементы. Важнейшие практические применения. Проблема разделения изотопов. Физические и химические свойства простых веществ. Периодичность в изменении химических свойств, сходство с другими элементами, деление на подсемейства. Состояния соединений в водных растворах. Соединения высших степеней окисления урана, нептуния, плутония. Комплексные соединения актиноидов.

Лабораторный практикум.

Выполняется в ресурсном образовательном центре по направлению химия Научного Парка СПбГУ и включает следующие работы:

1. Свойства элементов 7 группы (4 часа).

2. Свойства элементов 6 группы (4 часа).

3. Свойства элементов 5 группы (4 часа).

4. Свойства элементов 3 и 4 группы (4 часа).

5. Свойства комплексных соединений (4 часа).

6. Свойства d-элементов (4 часа).

7. Синтез неорганических препаратов, 12 работ (по 4 часа).

Характеризация веществ, полученных в результате выполнения работ «Синтез неорганических препаратов» методом рентгенофазового анализа проводится в Ресурсном Центре «Рентгенодифракционные методы исследования» Научного парка СПбГУ. Планируется проведение 24 измерений для одной учебной группы.