Избранные главы неорганической химии

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Нижегородский государственный университет им. Н.И.Лобачевского»
Химический факультет
Кафедра неорганической химии
УТВЕРЖДАЮ
Декан химического факультета
проф. А.В.Гущин
«
»
Учебная программа
Дисциплины СД. Р.07 «Избранные главы неорганической химии»
индекс и наименование дисциплины
по направлению подготовки 020100.62
г. Нижний Новгород
2010 г.
«Химия»
20
г.
1. Область применения
Данная дисциплина относится к циклу специальных дисциплин регионального
компонента и преподается на 4 курсе обучения в 8 семестре.
2. Цели и задачи дисциплины
Целью курса является углубление теоретической подготовки студентов в области
неорганической химии. Курс предполагает изучение трех разделов неорганической химии
- химии стеклообразного состояния вещества, теории поляризации ионов, теории
электронного строения и реакционной способности координационных соединений.
Преподавание химии стеклообразного состояния вещества знакомит студентов с
существующими теориями стеклообразного состояния, основными классами
неорганических стекол, их структурой, методами получения; дает представление о связи
структуры стекол и оптических свойств, о современных методах исследования структуры
и свойств неорганических стекол. Совокупность полученных знаний, умений и навыков
будет достаточной базой для работы будущих специалистов в области, сопряженной с
химией, технологией и материаловедением неорганических стекол.
Представления о поляризации ионов являются интересной теоретической
концепцией для объяснения и предсказания свойств неорганических веществ, сочетающей
в себе как черты универсальности подхода к описанию многообразных свойств веществ,
так и относительно простые качественные рассуждения, приводящие к конкретному
заключению о веществе.
Химия координационных соединений, развившаяся на базе неорганической химии
и представляющая собой ее важнейшее направление, успешно использует важнейшие
концепции строения вещества, физической и аналитической химии. Идеи и выводы,
сформулированные при изложении химии координационных соединений, необходимы
для понимания природы химической связи и реакционной способности неорганических
веществ.
3. Требования к уровню освоения содержания дисциплины
В результате изучения курса студент должен:
Знать отличия аморфного и стеклообразного состояния вещества от
кристаллического, содержание теорий стеклообразного состояния вещества, основы
методов получения и исследования неорганических стекол.
Иметь представление о связи оптических свойств стекол и их структуры.
Понимать сущность физико-химических процессов, протекающих при синтезе
стекол и их превращении в важнейшие неорганические стеклообразные материалы.
Знать основные положения теории поляризации ионов.
Уметь объяснять и предсказывать свойства неорганических веществ с позиций
представлений о поляризации ионов.
Знать основы номенклатуры координационных соединений, виды их изомерии.
Уметь анализировать электронное строение комплексных соединений с позиций
метода валентных связей и теории кристаллического поля.
Иметь представление о важнейших классах координационных соединений, их
реакционной способности, их состоянии в растворе, их роли в науке и технике.
4.Объем дисциплины и виды учебной
работы
Виды учебной работы
Общая трудоемкость дисциплины
Аудиторные занятия
Лекции
Практические занятия (ПЗ)
Семинары (С)
Лабораторные работы (ЛР)
Другие виды аудиторных занятий
Самостоятельная работа
Курсовой проект (работа)
Расчетно-графическая работа
Реферат
Другие виды самостоятельной работы
Вид итогового контроля (зачет, экзамен)
Всего часов
98
56
32
24
0
0
0
42
0
0
0
0
Семестр
8
56
32
24
0
0
0
42
0
0
0
0
Зачет,
экзамен
5. Содержание дисциплины
Химия стеклообразного состояния вещества
Принципы классификации твердых тел. Кристаллическое, аморфное,
стеклообразное состояние вещества. Содержание и объем каждого из понятий.
Стеклообразное состояние вещества. Существующие подходы к определению и
описанию стеклообразного состояния. Структурные теории стеклообразования.
Концепция структурных единиц. Термодинамические и кинетические теории
стеклообразования.
Критерии,
характеризующие
способность
веществ
к
стеклообразованию.
Основные классы неорганических стекол, исходя из структуры и химической
природы
вещества
стеклообразователя.
Индивидуальные
и
условные
стеклообразователи. Строение стекол различных химических классов: оксидных,
галогенидных, халькогенидных.
Методы исследования свойств неорганических стекол: оптических, механических,
физико-химических.
Ликвация и кристаллизация стекол. Термодинамика и кинетика процессов.
Методы исследования ликвации и кристаллизации стекол.
Реология стеклообразующих расплавов. Ньютоновское и неньютоновское течение
расплавов.
Оптическая прозрачность стеклообразных материалов как комплексное свойство.
Влияние примесей и дефектов непрерывной сетки на свойства стекла. Функциональные
материалы на основе неорганических стекол. Стеклообразные материалы для
оптоэлектроники и волоконной оптики.
Теория поляризации ионов
Развитие представлений о химической связи. Основные концепции химической
связи. Ковалентная связь и ее описание с точки зрения методов валентных связей и
молекулярных орбиталей. Ионная связь и ее рассмотрение с позиций электростатической
теории и теории поляризации ионов. Описание ковалентной полярной связи с точки
зрения представлений о различии электроотрицательности атомов и поляризации ионов.
Поляризующее действие и поляризуемость катиона и аниона. Поляризующее
действие ионов и его зависимость от радиуса иона.ю его заряда и строения электронной
оболочки. Поляризующий потенциал как количественная характеристика поляризующего
действия катиона. Поляризуемость и ее связь с молекулярной электронной рефракцией.
Экспериментальное определение электронной рефракции атомов, молекул и ионов.
Зависимость поляризуемости иона от его радиуса, заряда, строения электронной
оболочки.
Механизм поляризации ионов. Стандартный случай поляризационного
взаимодействия. Дополнительный поляризационный эффект. Контрполяризация. Влияние
ионно-молекулярного окружения на глубину и характер поляризационного
взаимодействия. Ориентационный и деформационный этапы поляризационного
взаимодействия.
Влияние эффекта поляризации ионов на физические свойства вещества.
Зависимость типа кристаллической решетки от интенсивности поляризационных
эффектов. Влияние поляризации ионов на поведение кристаллических тел при
нагревании. Предсказание направления изменения кристаллической структуры вещества
при его нагревании. Влияние поляризации ионов на температуру плавления вещества.
Обсуждение окраски неорганических веществ и ее интенсивности с точки зрения
представлений о поляризации ионов.
Влияние эффектов поляризации ионов на химические свойства веществ.
Зависимость термической устойчивости веществ от интенсивности поляризационных
эффектов. Влияние поляризации ионов на растворимость ионных веществ и степень их
диссоциации в растворе. Окраска растворов ионных соединений. Обсуждение процессов
гидролиза соединений с позиций представлений о поляризации ионов. Объяснение
кислотно-основных и окислительно-восстановительных свойств неорганических веществ
с точки зрения представлений о поляризации ионов.
Химия координационных соединений
Основные понятия и определения. Комплексное соединение. Внешняя сфера.
Внутренняя сфера. Комплексообразователь (центральный атом). Лиганды (адденды).
Координационное число. Дентатность. Мостиковые лиганды. Кластеры.
Основные положения координационной теории А.Вернера. Главная и побочная
валентности.
Классификация комплексных соединений. Классификация по заряду внутренней
сферы. Нейтральные, катионные и анионные комплексы. Классификация по природе
лиганда. Аквакомплексы, аммиакаты, гидроксикомплексы, ацидокомпексы, карбонилы,
смешаннолигандные комплексы. Классификация по числу центральных атомов во
внутренней сфере. Одноядерные и многоядерные комплексы. Особые группы
комплексных
соединений.
Хелаты,
двойные
соли,
изополисоединения,
гетерополисоединения.
Изомерия комплексных соединений. Структурная изомерия. Междусферная
изомерия (ионизационная, гидратная, молекулярная (сольватная) изомерия). Лигандная
изомерия (изомерия лиганда, связевая (солевая) изомерия). Координационная изомерия
(метамерия и полимерия). Пространственная изомерия (геометрическая и оптическая
изомерия).
Номенклатура комплексных соединений. Тривиальная и систематическая
номенклатура. Правила формирования названий катионных, нейтральных и анионных
комплексов. Указание числа лигандов, природы лиганда и степени окисления
центрального атома. Указание числа сложных лигандов. Указание на мостиковые лиганды
и лиганды, координированные несколькими атомами. Составление систематических
названий комплексных соединений.
Термодинамическая и кинетическая стабильность комплексов. Устойчивые и
неустойчивые комплексы. Инертные и лабильные комплексы. Обсуждение
термодинамической стабильности комплексов с позиций теории жестких и мягких кислот
и оснований.
Природа химической связи в комплексных соединениях. Основные идеи метода
валентных связей, теории кристаллического поля, метода молекулярных орбиталей и
теории поля лигандов. Методологическое значение теории строения комплексных
соединений.
Предсказание строения и свойств комплексных соединений с позиций метода
валентных связей. Определение электронной конфигурации центрального атома.
Внешнеорбитальные
и
внутриорбитальные
комплексы.
Высокоспиноовые
и
низкоспиновые комплексы. Роль природы лиганда в образовании внешнеорбитальных и
внутриорбитальных комплексов. Предсказание кинетической устойчивости комплексов.
Отнесение комплексного соединения к внешнеорбитальным и внутриорбитальным
комплексам. Предсказание координационного числа, типа гибридизации и
геометрической формы комплекса и его магнитных свойств.
Предсказание строения и свойств комплексных соединений с позиций теории
кристаллического поля. Предсказание относительного расположения орбиталей
центрального атома в поле лигандов октаэдрической, тетраэдрической и
плоскоквадратной симметрии. Параметр расщепления. Спектрохимический ряд. Оценка
величины расщепления ^-подуровня центрального атома. Заполнение расщепленного
уровня электронами в случае лигандов сильного и слабого поля. Предсказание окраски
комплексного соединения из значения параметра расщепления. Предсказание поведения
комплекса в магнитном поле. Энергия стабилизации кристаллическим полем (ЭСКП).
Расчет ЭСКП для октаэдрических и тетраэдрических комплексов, образованных
лигандами сильного и слабого поля. Предсказание кинетической устойчивости
комплексов с позиций теории кристаллического поля.
Хелатные комплексы. Хелатный эффект. Правило циклов. Примеры
хелатообразующих лигандов. Внутрикомплексные соединения.
л-Комплексы. Образование координационной связи в л-комплексах. Примеры %комплексов. л-Дативное взаимодействие на примере ферроцена и бис-(бензол)хрома.
Химические реакции с участием комплексных соединений. Реакции перемещения
лигандов между внешней и внутренней сферами. Диссоциация комплексных соединений
по внешней и внутренней сферам. Ступенчатые и общие (полные) константы образования.
Константа нестойкости. Расчет ионных равновесий в растворах комплексных соединений.
Реакции замещения лиганда. Диссоциативный и ассоциативный механизмы замещения.
Представление процессов диссоциации комплекса как процессов замещения лигандов
молекулами воды. Стереохимия процессов замещения в квадратных и октаэдрических
комплексах. Явление трансвлияния. Ряд транс-влияния. Предсказание строения продуктов
замещения с позиций представлений о транс-влиянии. Перераспределение лигандов и
образование смешанных комплексов. Внутримолекулярные превращения комплексного
соединения. Химические превращения координированных лигандов. Протонирование и
депротонирование лиганда. Гидроксоляция и ее последствия. Преодоление гидроксоляции
в кислых и щелочных средах. Изомеризация лигандов. Реакции присоединения, внедрения
и конденсации с органическим координированным лигандом. Металлокомплексный
катализ. Окислительно-восстановительные превращения центрального атома. Влияние
природы лиганда на значения окислительно-восстановительных потенциалов
превращений центрального атома.
Значение комплексных соединений в природе, технологии, сельском хозяйстве,
медицине.
6. Лабораторный практикум: не предусмотрен
7. Учебно-методическое обеспечение дисциплины
7.1. Рекомендуемая литература
а) основная литература:
1. Фельц А. Аморфные и стеклообразные неорганические твердые тела.- М.,
1986.
2. Роусон Г. Неорганические стеклообразующие системы.- М., 1970.
3. Спицын В.И., Мартыненко Л.И. Неорганическая химия.- М., 1991 - 1994.
4. Дей К., Селбин Д. Теоретическая неорганическая химия.- М., 1976.
5. Скорик Н.А., Кумок В.Н. Химия координационных соединений.- М., 1974.
б) дополнительная литература:
1. Хабердитцл В. Строение материи и химическая связь.- М., 1974.
2. Физические методы исследования и свойства неорганических соединений / Под
ред. М.Е.Дяткиной.- М., 1970.
3. Ормонт Б.Ф. Введение в физическую химию и кристаллохимию
полупроводников.- М., 1973.
4. Келли А., Гровс Г. Кристаллография и дефекты в кристаллах.- М., 1974.
5. Горюнова Н.А. Химия алмазоподобных полупроводников.- Л., 1963.
6. Аморфные полупроводники / Под ред. М.Бродского.- М., 1982.
7. Уббелоде А.Р. Расплавленное состояние вещества.- М., 1982.
8. Браун М., Доллимор Д., Галвей А. Реакции твердых тел.- М., 1983.
9. Бартенев Г.М., Зеленев Ю.В. Физика и механика полимеров.- М., 1983.
10. Борисова З.У. Химия стеклообразных полупроводников.- Л., 1972.
11. Ботвинкин O.K., Запорожская А.И. Кварцевое стекло.- М., 1965.
12. Физико-химические основы производства оптического стекла / Под ред.
Л.И.Денкиной.- Л., 1976.
13. Третьяков Ю.Д., Мартыненко Л.И., Григорьев А.Н., Цивадзе А.Ю.
Неорганическая химия.- В 2-х т.- М., 2001.
14. Некрасов Б.В. Основы общей химии.- В 2-х т.- М., 1973.
15. Коттон Ф., Уилкинсон Дж. Основы неорганической химии.- М., 1982.
16. Барнард А. Теоретические основы неорганической химии.- М., 1968.
17. Картмелл Э., Фоулс Г.В.А. Валентность и строение молекул.- М., 1979.
18. Берсукер И.Б. Электронное строение и свойства координационных
соединений.- М., 1977.
8. Вопросы для контроля
1. Определение стекла и стеклообразного состояния. Отличие стекла от
кристалла и аморфного вещества.
2. Методы экспериментальной идентификации стеклообразного состояния.
3. Основные химические классы стеклообразующих веществ.
4. Выражение области стеклообразующих составов в двойных и тройных
системах.
5. Понятие непрерывной сетки в стекле (представления Захариасена).
6. Понятие о температуре стеклования.
7. Понятия об индивидуальном и условном стеклообразователях. Эффект
эвтектики в стеклообразовании.
8. Влияние скорости охлаждения расплавов на способность к
стеклообразованию.
9. Модели строения стекла.
10. Кинетические теории стеклообразования.
11. Структурные и энергетические критерии стеклообразования.
12. Гомогенная и гетерогенная кристаллизация стекол. Сходство и различие.
13. Критерии устойчивости стекол к кристаллизации.
14. Методы получения оптических стекол.
15. Золь-гель метод получения стекол.
16. Характер температурной зависимости скорости зародышеобразования
кристаллической фазы и линейной скорости роста кристаллов.
17. Методы исследования кинетики кристаллизации стекол. Примеры стекол с
высокой устойчивостью к кристаллизации.
18. Определение температуры стеклования и кристаллизации методом
дифференциально-термического анализа.
19. Радиальный профиль скорости течения в круглом канале для ньютоновской и
вязкопластической жидкости.
20. Строение стекол с позиции концепции структурных единиц.
21. Примеры халькогенидных стекол с цепочечной, слоистой и трехмерной
структурой.
22. Основные механизмы ослабления светового потока при прохождении через
электрическую оптическую среду.
23. Ликвация стекол.
24. Зависимость поляризующего действия и поляризуемости ионов от их заряда,
радиуса, строения электронной оболочки.
25. Механизм поляризации ионов. Дополнительный поляризационный эффект и
контрполяризация.
26. Влияние эффекта поляризации ионов на физические свойства вещества.
27. Влияние эффекта поляризации ионов на термическую устойчивость
вещества.
28. Предсказание кислотно-основных и окислительно-восстановительных
свойств веществ на основе представлений о поляризации ионов.
29. Классификация комплексных соединений.
30. Изомерия и номенклатура комплексных соединений.
31. Термодинамическая и кинетическая стабильность комплексных
соединений.
32. Предсказание строения и свойств комплексных соединений с позиций метода
валентных связей.
33. Предсказание строения и свойств комплексных соединений с позиций теории
кристаллического поля.
9. Критерии оценок
Зачтено
Незачтено
Отлично
Хорошо
Удовлетворительно
Зачет
Знание основного содержания разделов дисциплины,
допускаются неточности, неправильные формулировки,
нарушения в последовательности изложения материала.
Правильное применение теоретических знаний для
решения практических заданий.
Незнание значительной части основного содержания
разделов дисциплины. Имеющихся знаний недостаточно
для освоения дисциплин последующих курсов.
Исчерпывающее знание программного материала,
грамотное и логически строгое его изложение.
Твердое знание программного материала, без
существенных неточностей.
Знание основного содержание программного материала,
допускаются неточности, неточные формулировки,
нарушения логики в изложении материала.
Неудовлетворительно Отсутствует знание значительной части программного
материала, в ответе проявляются грубые ошибки.