Вопросы к экзамену
I семестр
1. Открытие электрона. Радиоактивность. Основные характеристики -, - и -лучей. Модель атома Томсона. Опыт Резерфорда по рассеянию -частиц. Планетарная модель атома. Её достоинства и недостатки. Исходные теоретические и экспериментальные предпосылки разрешения внутренних противоречий планетарной модели. Корпускулярно-волновой дуализм излучения. Кванты. Уравнение Планка. Объяснение фотоэффекта Эйнштейном. Фотоны. Спектры атомов. Теория атома водорода по Бору. Постулаты Бора. Объяснение спектра атома водорода. Внутренние противоречия теории атома водорода по Бору. Попытки их устранения. Двойственная природа электрона. Волны де Бройля. Принцип неопределённости Гейзенберга.
2. Понятие об уравнении Шрёдингера и его решениях. Квантовые числа как параметры, определяющие состояние электрона в атоме. Главное (n), орбитальное (l), магнитное (ml) квантовые числа. Физический смысл квантовых чисел. Понятие об электронном облаке. Электронная плотность. Радиальное распределение электронной плотности около ядра атома водорода в основном и возбуждённом состояниях. Понятие о радиусе атома. Понятия: энергетический уровень, подуровень, электронный слой, электронная оболочка, атомная орбиталь (АО). Форма атомных s-, р-, d-, f-орбиталей. Основное и возбуждённое состояние. Вырожденные состояния. Собственные угловой и магнитный моменты электрона (спин) и спиновое квантовое число ms. Ёмкость электронных слоев.
3. Характеристические рентгеновские спектры атомов. Закон Мозли. Заряды ядер атомов. Три принципа заполнения орбиталей в атомах; принцип наименьшей энергии, принцип (запрет) Паули, правило Гунда. Порядок заполнения атомных орбиталей. Правило Клечковского. Электронные формулы. Символическая и графическая формы записи электронных формул. Понятие об эффективном заряде ядра атома. Экранирование заряда электронами.
4. Ядро атома. Теории строения ядра. Элементарные частицы. Распад ядер. Естественная радиоактивность. Радиоактивные ряды (ряд тория, ряд урана, ряд актиния). Законы радиоактивного распада. Типы распада. Закон Содди-Фаянса. Естественный синтез лёгких и тяжёлых элементов. Синтез новых элементов. Распространённость элементов в природе. Искусственная радиоактивность. Ядерные реакции и их использование. Изотопы. Изотопно-чистые элементы. Дефект массы и энергия связи нуклонов. Меченые атомы и их применение.
5. Периодический закон. Периодическая система. Особенности заполнения электронами атомных орбиталей и формирование периодов. s-, р-, d-, f-элементы и их расположение в периодической системе. Группы. Периоды. Главные и побочные подгруппы. Границы периодической системы. Формы графического изображения системы: короткая форма (18-клеточная), длинная (32-клеточная), длинная (50-клеточная). Изменение валентности по периодам и группам. Изменение свойств, элементов по периодам и группам в зависимости от структуры внешних и предвнешних электронных оболочек и радиусов атомов. Изменение химической активности металлов и неметаллов по периодам и группам. Изменение кислотно-основных свойств оксидов и гидроксидов по периодам и группам.
6. Свойства изолированных атомов (радиусы, энергия ионизации, сродство к электрону, электроотрицательность). Магнитные свойства атомов. Диамагнетизм, парамагнетизм. Периодичность свойств атомов. Радиусы атомов и ионов. Орбитальные и эффективные радиусы. Ковалентные, ван-дер-ваальсовые, металлические и ионные радиусы. Изменение атомных и ионных радиусов по периодам и группам. Эффекты d- и f-сжатия. Периодичность химических свойств элементов, простых веществ и химических соединений. Вторичная периодичность. Виды периодичности: горизонтальная, вертикальная, внутренняя, диагональная, звездная. Граница Цинтля. Правило Юм-Розери.
7. Энергия ионизации. Ионизационные потенциалы. Факторы, определяющие величину ионизационного потенциала. Изменение величин ионизационных потенциалов по периодам и группам.Сродство к электрону. Факторы, определяющие величину сродства к электрону. Изменение величин сродства к электрону по периодам и группам. Понятие об электроотрицательности элементов. Различная тpaктовка электроотрицательности. Относительная электроотрицательность. Шкала Полинга. Недостатки концепции электроотрицательности. Изменение величин электроотрицательности элементов по периодам и группам.
8. Квантово-механическая трактовка механизма образования связи в молекуле водорода. Основные характеристики химической связи: энергия, длина, насыщаемость, направленность и полярность. Валентный угол. Порядок связи. Степень ионности связи. Эффективные заряды химически связанных атомов и степень ионности связи. Дипольный момент связи. Степень ионности связи как функция разности электроотрицательности взаимодействующих атомов. Основные типы химической связи: ковалентная (неполярная и полярная), ионная, металлическая.
9. Ковалентная связь. Квантово-механические методы её трактовки. Приближённый характер этих методов. Основные положения теории валентных связей (ВС). Образование двухцентровых двухэлектронных связей, принцип максимального перекрывания АО. Два механизма образования ковалентной связи: обобщение неспаренных электронов разных атомов и донорно-акцепторный механизм. Полярность связи. Дипольный момент связи. Свойства ковалентной связи: насыщаемость, направленность, поляризуемость.
10. Валентность химических элементов. История развития понятия валентности. Различные трактовки понятия валентности в современной химии. Валентность с позиций теории ВС. Валентность s-, р-, d-, f-элементов. Постоянная и переменная валентности. Свободные радикалы, условия их существования. Валентность и степень окисления атомов элементов в их соединениях. Координационное число химически связанного атома как характеристика, дополняющая валентность. Понятие о валентной и координационной насыщенности.
11. Насыщаемость ковалентной связи. Ковалентности атомов элементов I, II и III периодов. Их максимальная ковалентность. Направленность ковалентной связи. Теория направленных валентностей. Концепция гибридизации атомных орбиталей и пространственное строение молекул и ионов. Особенности распределения электронной плотности гибридных орбиталей. Простейшие типы гибридизации: sp, sp2, sp3, sp3d, sp3d2. Гибридизация с участием неподелённых электронных пар. Пространственная конфигурация молекул и ионов типа AX, AX2, AX3, AX4, AX5, AX6. Влияние отталкивания электронных пар на пространственную конфигурацию молекул. Изменение способности к гибридизации атомных орбиталей у элементов по периодам и группам.
12. Одиночные и кратные связи. - и -связи – разновидности ковалентных связей. Относительная устойчивость (p-p)- и (p-d)-связей. Кратность (порядок) связи. Факторы, влияющие на прочность связи. Локализованные и делокализованные связи. Трёх- и многоцентровые связи. Делокализация
-электронной плотности в молекуле бензола, графите, ионах кислородсодержащих неорганических кислот. Пространственная конфигурация молекул и ионов кислородсодержащих неорганических кислот.
13. Поляризуемость ковалентной связи. Концепция поляризации ионов. Трактовка полярных связей согласно концепции поляризации ионов. Зависимость поляризуемости связи от её длины. Поляризующее действие воды. Полярность связей и полярность молекул в целом. Дипольный момент многоатомной молекулы. Факторы, определяющие величину дипольного момента многоатомной молекулы.
14. Типы кристаллических решёток, образуемых веществами с ковалентной связью в молекулах. Свойства этих веществ.
15. Основные положения теории МО. Метод ЛКАО-МО, - и -молекулярные орбитали как линейная комбинация s- и р-атомных орбиталей. Энергетические диаграммы и электронные формулы молекул. Связывающие, несвязывающие и разрыхляющие МО. Принципы заполнения молекулярных орбиталей.
16. Формальное число связей (двухэлектронных) в молекуле. Формальный порядок связи. Гомонуклеарные молекулы, образованные элементами I и II периодов. Зависимость кратности, прочности и длины связи, а также магнитных свойств от характера заполнения МО в этих молекулах. Объяснение парамагнетизма кислорода. Гетеронуклеарные двухатомные молекулы, образуемые элементами II периода. Оксид углерода (II), оксид азота (II). Многоцентровые молекулы. Объяснение образования связи в молекуле метана методом МО. Энергетические диаграммы простейших молекул (XeF2, H2O, HF, NH3), понятие о трёхцентровых, четырёхцентровых связях. Сравнение методов ВС и МО.
17. Ионная связь. Объяснение ионной связи методом МО. Катионы и анионы в молекулах и твёрдых телах. Свойства ионной связи. Область применимости ионной модели. Энергия кристаллической решётки. Поляризация и поляризующее действие ионов, их влияние на свойства веществ. Свойства веществ с ионным типом связи.
18. Металлическая связь. Особенности электронного строения атомов элементов, способных к образованию металлической связи. Объяснение металлической связи методом МО.
19. Невалентные взаимодействия. Водородная связь. Природа водородной связи, её количественные характеристики. Межмолекулярная и внутримолекулярная водородные связи. Влияние водородной связи на свойства веществ. Водородная связь между молекулами фтороводорода, воды, аммиака. Роль водородной связи в биологических процессах. Межмолекулярные взаимодействия. Силы Ван-дер-Ваальса. Ориентационное, индукционное и дисперсионное взаимодействия. Факторы, определяющие энергию межмолекулярного взаимодействия. Энергия межмолекулярного взаимодействия в сравнении с энергией химического взаимодействия.
20. Химическая система. Внутренняя энергия системы. Изменение внутренней энергии в ходе химических превращений. Закон сохранения энергии. Первый закон термодинамики. Понятие об энтальпии. Соотношение энтальпии и внутренней энергии системы. Изменение энтальпии в ходе химического превращения.
21. Термохимические уравнения. Тепловой эффект химических реакций, протекающих при постоянной температуре и давлении. Экзотермические и эндотермические реакции. Стандартная энтальпия образования веществ. Закон Гесса. Влияние температуры на величину изменения энтальпии реакции. Изменение энтальпии и направление протекания реакции.
22. Второй закон термодинамики. Понятие об энтропии. Стандартная энтропия вещества. Влияние температуры на величину энтропии. Изменение энтропии системы при фазовых превращениях и при протекании химических реакций. Изменение энтропии и направление протекания реакции.
23. Понятие об энергии Гиббса. Соотношение изменения энергии Гиббса и изменений энтальпии и энтропии системы. Стандартная энергия Гиббса образования вещества. Изменение энергии Гиббса химической реакции. Изменение энергии Гиббса и направление протекания реакции. Возможность оценки направления и полноты протекания реакции по величине и знаку изменения энергии Гиббса. Роль энтальпийного, энтропийного факторов и температуры в оценке возможности и полноты протекания реакций при разных температурах. Энергия Гиббса образования вещества и его термодинамическая устойчивость. Термодинамически устойчивые и неустойчивые вещества. Термодинамическая устойчивость веществ и их реакционная способность.
24. Обратимые и необратимые химические реакции. Химическое равновесие. Константа химического равновесия. Константа равновесия в гомогенных и гетерогенных системах. Связь между константой равновесия и стандартным изменением энергии Гиббса. Сдвиг химического равновесия. Принцип Ле Шателье.
25. Гетерогенные системы. Понятие фазы, компонента, степени свободы. Правило фаз Гиббса. Условия равновесия между фазами. Однокомпонентные системы. Диаграммы состояния воды. Многокомпонентные системы. Физико-химический анализ как метод исследования многокомпонентных систем. Диаграммы состав-свойство.
26. Основные задачи химической кинетики. Гомогенные и гетерогенные реакции. Понятие о скорости химической реакции. Закон действия масс. Факторы, определяющие скорость химической реакции. Константа скорости химической реакции. Многостадийные реакции. Порядок и молекулярность реакций. Многостадийные процессы и закон действия масс. Понятие о лимитирующей стадии.
27. Влияние температуры на скорость химической реакции. Температурный коэффициент скорости. Энергия активации. Факторы, определяющие величину энергии активации. Энергия активации и скорость реакции. Переходное состояние или активированный комплекс. Уравнение Аррениуса.
28. Влияние катализаторов на скорость химической реакции. Гомогенные и гетерогенные каталитические реакции. Промежуточные стадии в гомогенных и гетерогенных каталитических реакциях. Активные центры твёрдых катализаторов. Адсорбция физическая и химическая. Природа адсорбционных сил. Каталитические яды. Ингибиторы. Значение катализа в химической технологии и в биологических процессах.
29. Цепные химические реакции. Природа активных частиц. Основные стадии протекания цепных реакций. Неразветвлённые и разветвлённые цепные реакции на примере реакций образования хлороводорода и воды. Кинетическая устойчивость соединений. Влияние кинетических факторов на реакционную способность веществ. Электро-, фото-, радиационно- и плазмохимические реакции и возможность получения термодинамически неустойчивых веществ.
30. Дисперсные системы, их классификация. Грубодисперсные системы. Суспензии. Эмульсии. Коллоидные растворы. Истинные растворы. Твёрдые растворы. Растворение как физико-химический процесс. Изменение энтальпии и энтропии при растворении веществ. Сольватация. Сольваты. Особые свойства воды как растворителя. Гидраты. Кристаллогидраты.
31. Растворимость веществ. Растворение твёрдых, жидких и газообразных веществ. Растворимость газов. Закон Генри. Механизм процесса растворения твёрдых веществ. Коэффициент растворимости. Ненасыщенные, насыщенные, пересыщенные растворы. Очистка веществ перекристаллизацией. Высаливание. Влияние температуры, давления и природы веществ на их взаимную растворимость. Способы выражения состава растворов: массовая доля, молярность, нормальность, моляльность, молярная доля.
32. Понятие об идеальном растворе. Свойства разбавленных растворов. Законы Рауля. Давление насыщенного пара растворителя над раствором. Температура замерзания и кипения разбавленных растворов. Криоскопия и эбуллиоскопия. Осмос и осмотическое давление. Растворы неэлектролитов и электролитов. Изотонический коэффициент Вант-Гоффа.
33. Электролитическая диссоциация. Влияние природы вещества на его способность к электролитической диссоциации в водном растворе. Механизм диссоциации. Гидратация ионов в растворе. Энергетика процесса диссоциации. Основания и кислоты с точки зрения теории электролитической диссоциации. Ион гидроксония. Амфотерные гидроксиды. Двоякая трактовка амфотерности гидроксидов металлов. Кислотно-основной характер диссоциации гидроксидов в зависимости от положения элементов в периодической системе. Диссоциация средних, кислых и основных солей.
34. Сильные и слабые электролиты. Степень диссоциации электролитов. Факторы, определяющие степень диссоциации. Основные представления теории сильных электролитов. Истинная и кажущаяся степень диссоциации в растворах сильных электролитов. Концентрация ионов в растворе и активность. Равновесие в растворах слабых электролитов. Константа диссоциации. Факторы, влияющие на величину константы диссоциации. Связь константы дис-социации со степенью диссоциации. Закон разбавления.
35. Теория Аррениуса. Основные положения. Кислоты, основания, соли с точки зрения теории электролитической диссоциации. Достоинства и недостатки теории Аррениуса. Протолитическая теория (теория Бренстеда-Лоури). Основные положения. Равновесие в системе кислота–сопряжённое основание. Связь между строением и силой кислот. Теория Льюиса. Кислота и основание в теории Льюиса. Достоинства и недостатки теории Льюиса. Кислота и основание с точки зрения теории сольво-систем. Теория Пирсона. Мягкие и жёсткие кислоты и основания. Теория Усановича.
36. Константа кислотности и основности. Многоосновные кислоты и многокислотные основания. Константа автопротолиза. Ионное произведение воды. Водородный показатель. Измерение pH. Кислотно-основные индикаторы. Влияние природы растворителя на силу кислоты и основания. Нивелирующий и дифференцирующий эффект растворителя.
37. Кислотно-основное равновесие в многокомпонентных системах. Буферные растворы и их свойства. Расчёт pH буферных растворов.
38. Гидролиз солей по катиону и по аниону. Молекулярные и ионные уравнения гидролиза солей. Описание гидролиза с точки зрения теории Бренстеда-Лоури. Степень гидролиза. Константа гидролиза. Влияние концентрации раствора, температуры, рН среды на степень гидролиза. Гидролиз кислых солей. Гидролиз труднорастворимых солей. Совместный гидролиз солей. Взаимосвязь между концентрацией, степенью и константой гидролиза. Влияние тем-пературы на процессы гидролиза. Вычисления рН растворов солей, подвергающихся гидролизу. Условия подавления гидролиза. Общие принципы получения легкогидролизующихся солей, их очистки и сушки. Значение гидролиза в химии, биологии, геологических процессах.
39. Гетерогенное равновесие «осадок-раствор». Гетерогенное равновесие между осадком и насыщенным раствором. Труднорастворимые электролиты. Произведение растворимости. Влияние одноимённых ионов на растворимость веществ. Перевод труднорастворимых осадков в растворимое состояние. Влияние рН раствора на образование труднорастворимого вещества. Обменные реакции между ионами в растворе. Общие условия протекания реакций обмена в растворах электролитов. Ионные уравнения.
40. Окислительно-восстановительные реакции. Процессы окисления и восстановления. Восстановители. Окислители. Понятие о сопряжённых окислителях и восстановителях. Влияние реакции среды на характер продуктов реакции. Типы окислительно-восстановительных реакций. Подбор коэффициентов в уравнениях окислительно-восстановительных реакций. Методы электронного и ионно-электронного баланса. Методы подбора коэффициентов при участии в окислительно-восстановительных процессах более 2 элементов, изменяющих степень окисления.
41. Количественная характеристика ОВР. Процессы на границе раздела металл-раствор. Формирование двойного электрического слоя. Скачёк потенциала на границе металл-раствор. Изображение окислительно-восстановительных (редокс-) систем методом полуреакций (частных реакций). Окислительно-восстановительный (редокс-) потенциал как количественная характеристика редокс-системы. Водородный электрод. Электродный потенциал. Факторы, определяющие величину электродного потенциала: ионизационный по-тенциал металла, энергия металлической решётки, энергия гидратации ионов, концентрация ионов металла в растворе. Стандартный электродный потенциал. Уравнение Нернста. Стандартные редокс-потенциалы и способы их определения. Водородный электрод. Электрохимический ряд напряжений метал лов. Зависимость величины редокс-потенциала системы от концентрации ионов, температуры, рН, комплексообразования в растворе.
42. Гальванический элемент. Направление движения электронов и ионов в гальваническом элементе. Электродвижущая сила. Стандартная ЭДС. Суммарная реакция в гальваническом элементе как окислительно-восстановительный процесс. Редокс-потенциалы и оценка направления и полноты протекания окислительно-восстановительных реакций. Зависимость между величинами редокс-потенциалов систем и изменением энергии Гиббса. Подбор окислителей и восстановителей с учетом стандартных редокс-потенциалов. Использование значений электродных потенциалов для определения направленности окислительно-восстановительных реакций. Связь стандартных электродных потенциалов с изменением энергии Гиббса и константой равновесия окислительно-восстановительной реакции.
43. Окислительно-восстановительные процессы с участием электрического тока. Электрический ток как сильнейший окисляющий и восстанавливающий агент. Электролиз расплавов и водных растворов электролитов. Электролиз комплексных соединений. Схемы процессов на электродах. Катодные и анодные процессы. Инертные и активные электроды. Законы Фарадея. Число Фарадея. Электрохимический эквивалент. Радикал ОН как окислитель. Принципы электросинтеза неорганических веществ. Получение свободных галогенов, получение и рафинирование металлов. Получение хлоратов, перхлоратов, перманганатов, пероксодвусерной кислоты. Электрохимическое окисление и восстановление воды. Гальваностегия и гальванопластика (Б. С. Якоби).
44. Современные физико-химические методы исследования строения и реакционной способности соединений. Спектроскопические методы. Электромагнитный спектр. Рентгеновская спектроскопия. Ультрафиолетовая, оптически-видимая и инфракрасная спектроскопия. Радиоспектроскопические методы: ядерный магнитный резонанс (ЯМР), электронный парамагнитный резонанс (ЭПР), ядерная гамма-спектроскопия (ЯГР-эффект Мёссбауэра).
45. Дифракционные методы исследования. Рентгеноструктурный и рентгенофазовый анализ. Электронографический и нейтронографический методы анализа. Исследование веществ в магнитном поле. Магнетохимия. Диамагнитные и парамагнитные вещества. Термические методы. Термогравиметрия. Термический анализ. Понятие о физико-химическом анализе. Особенности исследования жидких растворов: криоскопия, эбуллиоскопия, рН-метрия, потенциометрия, калориметрия.
46. Основные методы синтеза неорганических соединений. Термодинамические и кинетические основы неорганического синтеза. Синтез в растворах, в расплавах, в газовой фазе. Использование диаграмм состояния при выборе условий синтеза. Особенности синтеза при низких и высоких температурах, низких и высоких давлениях. Синтез соединений в вакуумированной и запаянной ампуле. Химические транспортные реакции. Электрохимические ме тоды. Способы проведения синтеза гигроскопичных и окисляющихся веществ. Стабилизация низших и высших степеней окисления при получении простых и комплексных соединений. Использование неводных растворителей. Синтез в жидком аммиаке. Производные химических элементов в аномально низких и высоких степенях окисления.
47. Основные методы очистки неорганических соединений. Понятие о чистоте химических веществ. Методы контроля чистоты веществ. Методы получения чистых веществ. Классификация химических реактивов по степени чистоты. Понятие о государственных стандартах (ГОСТ). Методы очистки веществ (перекристаллизация, сублимация, экстракция, ионный обмен, хроматография и др.). |
