• A
  • A
  • A
  • АБB
  • АБB
  • АБB
  • А
  • А
  • А
  • А
  • А
Обычная версия сайта
Бакалавриат 2019/2020

Теоретическая неорганическая химия

Статус: Курс обязательный (Химия)
Направление: 04.03.01. Химия
Кто читает: Факультет химии
Где читается: Факультет химии
Когда читается: 1-й курс, 3, 4 модуль
Формат изучения: Full time
Язык: русский
Кредиты: 7

Программа дисциплины

Аннотация

Целями освоения дисциплины Теоретическая неорганическая химия являются: формирование современных представлений. пространственном и электронном строении молекулярных неорганических соединениях, важнейших закономерностях реакционной способности неорганических соединений, создание представлений о целостности химической картины окружающего мира.
Цель освоения дисциплины

Цель освоения дисциплины

  • Целями освоения дисциплины Теоретическая неорганическая химия являются: формирование современных представлений. пространственном и электронном строении молекулярных неорганических соединениях, важнейших закономерностях реакционной способности неорганических соединений, создание представлений о целостности химической картины окружающего мира.
Результаты освоения дисциплины

Результаты освоения дисциплины

  • Демонстрирует знание основных моделей химических связей. Умеет предсказывать и объяснять физические свойства и реакционную способность соединений непереходных элементов на основании особенностей их электронного строения.
  • Демонстрирует знание основ теории групп симметрии. Умеет применять аппарат теории групп симметрии и метод молекулярных орбиталей для описания электронного строения соединений непереходных элементов.
  • Демонстрирует знание основных теорий химической связи в соединениях переходных металлов. Умеет предсказывать и объяснять физические свойства и реакционную способность соединений переходных металлов на основании особенностей их электронного строения.
  • Демонстрирует знание факторов, влияющих на строение и свойства соединений переходных металлов. Умеет использовать аппарат теории групп симметрии для описания особенностей электронного строения соединений переходных металлов.
Содержание учебной дисциплины

Содержание учебной дисциплины

  • Электронное строение вещества
    1.1. Энергия как мера движения химической материи. Разделение ядерного и электронного движения. Поверхность потенциальной энергии химической системы. Химическая связь и ее типы. Представления об электронном строении химической системы. 1.2. Волновые функции, электронные состояния, квантовые числа. Представления о атомных орбиталях, s-, p-, d- орбиталии их симметрия. Периодическая система элементов. Правило Хунда, правило Клечковского. Проявления периодического закона: энергия ионизации, сродство к электрону, эффективный заряд ядра, электроотрицательность.
  • Взаимодействие между атомами металла в полиядерных молекулярных соединениях d-элементов
    4.1. Связь металл-металл в комплексах переходных металлов: ковалентные радиусы металлов, правило 18 электронов, схема Грина, ферромагнетики и антиферромагнетики, описание связей в реальном пространстве. Кратные связи между переходными металлами и их сравнение с кратными связями непереходных элементов: прочность и барьеры вращения. Изолобальная аналогия: фрагментация комплексов переходных металлов, симметрия граничных орбиталей. Необходимое и достаточное условие образования кластерных соединений с точки зрения природы химической связи. Скелетные электроны в кластерах: правила Уэйда-Мингоса, правила mno. Химическая связь в кластерных соединениях как промежуточный тип связывания. Представления о зонной структуре металлов.
  • Ионная связь
    2.1. Соединения с преимущественно ионным типом связи. Проблемы существования “обособленных молекул с ионными связями внутри молекул”, константа Маделунга. Модель жестких сфер, поляризуемость электронных оболочек. Энергия кристаллической решетки, уравнение Борна-Ланде, цикл Борна-Габера, термодинамика ионных решеток. Область существования ионных соединений. Стехиометрия и стереохимия соединений с ионным типом связей. Зависимость природы химической связи от фазового состояния вещества. 2.2. Термодинамические и кинетические закономерности поведения соединений с ионным типом связей. Влияние природы химической связи на характер химических реакций. Представления о строении ионных соединений в различных фазах: энергия сольватации, ионные пары, водные и аммиачные растворы, электриды, расплавы. Соединения со сложными катионами и анионами.
  • Ковалентная связь
    3.1. Соединения с типичными ковалентными связями. Геометрические структуры ковалентных соединений. Валентность и свойства валентных связей: направленность, насыщаемость и другие. Простейшие теоретические модели, описывающие строение ковалентных соединений. Метод молекулярных орбиталей (МО) и его преимущества. Описание химической связи в двухатомных молекулах с позиций методов валентных схем и метода МО. Связывающие, разрыхляющие и несвязывающие молекулярные орбитали. Представление о ϭ- и π-связях. Многоатомные молекулы. 3.2. Предсказание геометрии соединений с ковалентной связью: метод молекулярных орбиталей и модель отталкивания электронных пар валентной оболочки (теория Гиллеспи). Представления о гибридизации. Теория резонанса. Распределение электронов в молекулах; степени окисления атомов. Размеры атомов в молекулах. 3.3. Многоцентровые ковалентные связи, химическая связь в простейших химических электроноизбыточных и электронодефицитных молекулах (соединения B, Al, P, S). Закономерности строения и поведения соединений с одинарными ковалентными связями. Соединения непереходных элементов в низших степенях окисления. Представление о классификации ковалентных связей Грина.
  • Ковалентные соединения неметаллов с кратными связями элемент-элемент.
    4.1. Соединения элементов 2 периода. Углеводороды с кратными связями углерод-углерод: C=C и C≡C. Кислородные соединения неметаллов. Молекула азота и ее аналоги: С=O и ацетилен. Соединения непереходных элементов в высших степенях окисления. Соединения тяжелых элементов 3-5 периодов с кратными связями элемент-элемент: Si=Si; Ge=Ge; Sn=Sn, P=P и др. Геометрические параметры; конформация молекул; проблема диамагнетизма и парамагнетизма.
  • Соединения с промежуточным типом химической связи
    5.1. Ковалентная сильно полярная связь. Соединения бора и алюминия. Простейшие представители. Самоассоциации соединений. Структура в зависимости от присоединенных групп. Энергия ассоциации и разложение ее на энергии отдельных связей. Динамические превращения соединений в растворах и твердой фазе. 5.2. Орбитальнодефицитные и электронодефицитные соединения. Четырехэлектронная трехцентровая связь и двухэлектронная трехцентровая связь, их отличие от двухэлектронной двухцентровой связи. 5.3. Особенности геометрического и электронного строения соединений благородных газов.
  • Химия водных и неводных растворов.
    6.1. Необычные свойства воды; водородная связь. Соединения с водородной связью. Протонные и апротонные растворители. Неполярные растворители. Сольватация ионов и нейтральных молекул; энергия сольватации. Термодинамика процесса растворения; энтропийный взгляд.
  • Невалентные взаимодействия
    7.1. Межмолекулярные силы. Кулоновские взаимодействия. Ион-дипольные, ион-ионные взаимодействия. Дисперсные силы. Отталкивание электронных оболочек как внутри- и межмолекулярный структурообразующий фактор. Типы и энергии внутримолекулярных и межмолекулярных невалентных взаимодействий. Влияние внутримолекулярных невалентных взаимодействий на геометрию молекул; конформации и конфигурации молекул. Проявление невалентных взаимодействий в свойствах веществ. 7.2. Представления о ковалентной природе невалентных взаимодействий. Электронное строение основных типов σ-дырочных невалентных взаимодействий: водородные связи, галогенные связи, халькогенные связи, диводородные связи. Влияние невалентных взаимодействий на строение молекулы.
  • Основы квантово-химического описания строения атома.
    1.1. Строение и свойства химических систем на основании классической физики и квантовой механики. Опыт Резерфорда. Соотношение Планка и принцип Гейзенберга. Модель атома Бора. Уравнение Шредингера как метод изучения микромира. Свойства волновой функции. Решение уравнения Шредингера для одномерного и трехмерного потенциального ящиков. Квантовые числа. Решение уравнения Шредингера для водородоподобного атома. Многоэлектронный атом. Энергетический спектр. Опыт Штерна-Герлаха. Эффект Зеемана. Симметрия волновой функции и принцип Паули. 1.2. S-, p-,d-,f- орбитали атома. Угловая и радиальные составляющие волновой функции атома. Угловая и радиальная плотность вероятности. Экранирование, туннелирование и проникающая способность электрона. Изменения состояния электронных оболочек атомов. Теорема Купманса. Зависимость потенциала ионизации и сродства к электрону от заряда ядра. Схема Слейтера для вычисления эффективного заряда ядра. Шкалы электроотрицательности. Теория ЖМКО. 1.3. Размеры атома: атомный радиус, орбитальный радиус, ионный радиус, ковалентный радиус, металлический радиус, ван-дер-ваальсов радиус, несферический атомный радиус.).
  • Строение и свойства ионных соединений в конденсированных средах.
    2.1. Координационное число. Свойства ионной связи. Основные типы ионных решеток и кристаллические структуры с молекулярными ионами. Кристаллические решетки вюрцита, сфалерита, рутила, флюорита, NaCl, CsCl. Тенденции изменения температуры плавления для бинарных солей в зависимости от типа иона. Вклад поляризации электронных оболочек в энергию кристаллической решетки. Температурная зависимость энергии кристаллической решетки. Процессы плавления и кипения на атомном уровне для молекулярных и ионных соединений. Диэлектрическая проницаемость растворов и ее зависимость от особенностей агрегации и природы химической связи
  • Основы квантово-химического описания ковалентной связи.
    3.1. Приближение Борна-Оппенгеймера. Поверхность потенциальной энергии и представления о диаграмме Яблонского. Количественный метод МО для системы H2+. Свойства ковалентной связи. Условия эффективного перекрывания атомных орбиталей. σ-, π-, и δ-перекрывание. Ионная и металлическая связь как частный случай ковалентной связи. Энергетические диаграммы МО двухатомных гомоатомных молекул. Порядок связи. «Запрещенные» молекулы и их устойчивость. Свойства, получаемые из качественных диаграмм МО. Диаграммы МО двухатомных гетероатомных молекул. Дипольный момент систем CO, CN-, NO+. Изоэлектронная аналогия. Теория кислот и оснований Льюиса. Концепция «frustrated Lewis pair» .
  • Симметрия молекулярных систем.
    4.1. Важные в химии элементы теории групп: определение группы и отношение теории групп к разделам математических наук, свойства группы, порядок группы, понятие об операциях и линейных преобразованиях, таблица умножения группы. Матричное представление операций. Группы симметрии на плоскости и в пространстве. 4.2. Симметрия трехмерных объектов. Симметрия молекул и молекулярных колебаний. Линейные функции характеров представлений: вращения и трансляции. Точечные и пространственные группы симметрии. Символика Шенфлиса. Элементы симметрии: открытые и закрытые, центр инверсии, ось вращения, плоскость отражения, ось несобственного вращения. Примеры химических систем. Представления о хиральности. Алгоритм определения точечной группы симметрии. 4.3. Приводимые и неприводимые представления группы симметрии. Размерность неприводимого представления. Матричная запись представлений группы симметрии. Характер представления как функция, заданная следом линейного преобразования. Комплексные характеры представлений и сопряженные волновые функции. Символика Малликена. Таблицы характеров неприводимых представлений. Классы операций симметрии. Формула приведения. Оператор проектирования. Базисы представлений.
  • Приложение теории групп симметрии для построения диаграмм МО.
    5.1. Разрешенное по симметрии перекрывание атомных орбиталей. Построение диаграмм МО простейших молекулярных систем с использованием аппарата теории групп симметрии (H2O, NH3, CH4). Сравнение силы основания Льюиса по диаграмме МО. Кратность связи с центральным атомом. Правило октета. Представления о теории граничных орбиталей Фукуи. Построение диаграмм МО простейших линейных молекул с разной степенью полярности связи (H2, F2, N2, CO, HF и т.д.) с использованием аппарата теории групп симметрии. 5.2. Построение диаграммы МО молекулы CO2. Кратные связи в многоатомных системах. Построение диаграмм МО электроноизбыточных систем (HF2-, PF5, SF6). Построение диаграмм МО электронодефицитных систем (BH3, B2H6). Многоцентровые связи в методе МО. Использование оператора проектирования для построения диаграмм МО систем с π-связыванием: SO3, SO2, бензол, циклопентадиенил-анион. Правило Вудворда-Хофмана с точки зрения теории групп симметрии. Круг Фроста, представления об ароматичности по Хюккелю.
  • Химическая связь в соединениях переходных металлов
    1.1. Теория химической связи в соединениях переходных металлов. Природа связи и энергия связи; ионная модель и вклад ковалентной составляющей. Теория кристаллического поля. Сильное и слабое поле. Октаэдрические, тетраэдрические и плоскоквадратные комплексы. Спектрохимический ряд. Магнитные и спектральные свойства. 1.2. Учет ковалентной составляющей связи металл-лиганд. Теория поля лигандов – эквивалент метода МО для комплексов переходных металлов; модель углового перекрывания. Причина “бесполезности” ТКП для непереходных элементов. “Несвязывающие электроны”, их влияние на свойства ковалентных молекулярных соединений переходных металлов. Применение метода МО для описания химической связи в координационных соединениях переходных металлов. Плоскоквадратные, тетраэдрические и октаэдрические комплексы. Представления о - связывании в координационных соединениях. Сравнение подходов ТКП и метода МО к описанию координационных соединений. 1.3. Устойчивость ковалентных соединений переходных металлов. Правило Сиджвика. Устойчивость молекул в газовой и конденсированной фазах. Квантово-химическая устойчивость. Термодинамическая и кинетическая устойчивость. Хелат-эффект.
  • Металлоорганические соединения переходных металлов
    2.1. Карбонилы металлов, их электронное и геометрическое строение, реакционная способность. Представления об электронном и геометрическом строении нитрозильных и карбеновых комплексов. Олефиновые комплексы переходных металлов, их электронное и геометрическое строение. Сэндвичевые соединения переходных металлов, электронное строение в рамках метода МО, реакционная способность металлоценов в зависимости от их положения в таблице Менделеева. 2.2. Представления о каркасных и кластерных соединениях. Симметрия молекул. Модели электронного строения. Сходство и различие в строении соединений переходных и непереходных элементов. Бесконечные решетки и их отличие от кластерных соединений. Решетки пониженной размерности; одно- и двумерные соединения.
  • Особенности химических свойств соединений переходных металлов в зависимости от положения в периодической системе Менделеева.
    3.1. Соединения ранних переходных металлов 3, 4 и 5 групп. Моноядерные галогениды и халькогалогениды, производные с кислород- и азотсодержащими лигандами, полиядерные кластерные соединения: условия возникновения, строение, свойства. 3.2. Соединения металлов середины переходных рядов (6 и 7 группы и подгруппы железа). Моноядерные галогениды и халькогалогениды, производные с кислород- и азотсодержащими лигандами, полиядерные кластерные соединения: условия возникновения, строение, свойства. 3.3. Соединения поздних переходных металлов (подгруппы кобальта, никеля и меди). Моноядерные галогениды и халькогалогениды, производные с кислород- и азотсодержащими лигандами, полиядерные кластерные соединения: условия возникновения, строение, свойства. 3.4. Лантаноиды и актиноиды (4f- и 5f- элементы). Свойства атомов и ионов. Кооординационные и металлоорганические соединения. Электронное строение, сравнение электронного строения атомов 4f- и 5f- ряда. Природа связи в соединениях 4f- и 5f- элементов, спектральные и магнитные характеристики. Лантанидное сжатие.
  • Приложение теории групп симметрии для описания геометрического строения и реакционной способности комплексов переходных металлов
    1.1. Строение соединений переходных металлов в высших и низших степенях окисления. Изомерия комплексных соединений. Недостатки метода валентных схем при описании комплексов переходных металлов. Основные типы реакций комплексных соединений.
  • Точечные группы симметрии в теории кристаллического поля и теории поля лигандов.
    2.1. Квадратичные и кубические функции характеров представлений. Симметрия расщеплений d-орбиталей. Факторы, влияющие на энергию расщепления. Ионный радиус переходных металлов, d-сжатие, f-сжатие. Энергия спаривания и энергия стабилизации кристаллическим полем. Физические свойства комплексных соединений, определяемые энергией расщепления. Низко- и высокоспиновые комплексы. Явление спин-кроссовера. Нефелоауксетический эффект. Статический и динамический эффект Яна-Теллера. Теорема Яна-Теллера и перемножение представлений. 2.2. Преимущества теории поля лигандов в сравнении с теорией кристаллического поля. Объяснение спектрохимического ряда. Соотношение вкладов в связывание металл-лиганд для различных металлов и лигандов. Транс- и цис-эффекты, транс-влияние.
  • Влияние природы лиганда на свойства комплексов переходных металлов.
    3.1. σ-донорные/π-донорные лиганды: диаграммы МО для октаэдрического, плоскоквадратного и тетраэдрического комплексов. Спиновый и общий магнитный момент. Представления о спин-орбитальном взаимодействии. 3.2. σ -донорные/π-акцепторные лиганды. Концепция прямого и обратного донирования. Диаграммы МО для октаэдрического, плоскоквадратного и тетраэдрического комплексов. Правило 18 электронов. Типы координации CO. Особенности связи M-CO, влияние природы металла и лигандов на характер взаимодействий в M-CO фрагменте. Основные типы реакций карбонильных соединений: карбонил-галогениды и карбонилат-анионы. Описание связывания металл-нитрозил, металл-карбен, металл-фосфин с позиций теории поля лигандов. Связь металл-лиганд в олефиновых, ацетиленовых и гидридных комплексах переходных металлов с позиций теории поля лигандов. Модель Дьюара-Чатта-Дункансона. Теория резонанса для объяснения строения π-комплексов переходных металлов. 3.3. π-донорные и π-акцепторные лиганды. Групповые орбитали. Диаграммы МО бисареновых и бисциклопентадиенильных комплексов переходных металлов. Классификация сэндвичевых соединений. Влияние природы металла и лиганда на на физические и химические свойства сэндвичевых соединений. Магнитные свойства сэндвичевых соединений. Гетеролигандные металлоорганические соединения.
Элементы контроля

Элементы контроля

  • неблокирующий Created with Sketch. Письменная контрольная работа (1)
  • блокирует часть оценки/расчета Created with Sketch. Письменная контрольная работа (2)
  • блокирует часть оценки/расчета Created with Sketch. Экзамен (1)
  • блокирует часть оценки/расчета Created with Sketch. Письменная контрольная работа (3)
  • неблокирующий Created with Sketch. Письменная контрольная работа (4)
  • неблокирующий Created with Sketch. Письменная контрольная работа (5)
  • блокирующий Created with Sketch. Экзамен (2)
Промежуточная аттестация

Промежуточная аттестация

  • Промежуточная аттестация (3 модуль)
    0.2 * Письменная контрольная работа (1) + 0.2 * Письменная контрольная работа (2) + 0.6 * Экзамен (1)
  • Промежуточная аттестация (4 модуль)
    0.12 * Письменная контрольная работа (3) + 0.14 * Письменная контрольная работа (4) + 0.14 * Письменная контрольная работа (5) + 0.6 * Экзамен (2)
Список литературы

Список литературы

Рекомендуемая основная литература

  • Ray, B. C., Das, S., & Mukherjee, J. (2018). General and Inorganic Chemistry. [N.p.]: New Central Book Agency. Retrieved from http://search.ebscohost.com/login.aspx?direct=true&site=eds-live&db=edsebk&AN=2239989
  • Князев Д.А., Смарыгин С.Н.-НЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ 5-е изд., пер. и доп. Учебник для академического бакалавриата-М.:Издательство Юрайт,2014-607-Бакалавр. Академический курс-978-5-9916-3090-0: -Текст электронный // ЭБС Юрайт - https://biblio-online.ru/book/neorganicheskaya-himiya-380877
  • Неорганическая химия : учебник / Т.В. Мартынова, И.И. Супоницкая, Ю.С. Агеева. — М. : ИНФРА-М, 2017. — 336 с. + Доп. материалы [Электронный ресурс; Режим доступа http://www.znanium.com]. — (Высшее образование: Бакалавриат). — www.dx.doi.org/10.12737/25265. - Режим доступа: http://znanium.com/catalog/product/648408
  • Неорганическая химия : учебник / Т.В. Мартынова, И.И. Супоницкая, Ю.С. Агеева. — Москва : ИНФРА-М, 2018. — 336 с. + Доп. материалы [Электронный ресурс; Режим доступа: http://new.znanium.com]. — (Высшее образование: Бакалавриат). — www.dx.doi.org/10.12737/25265. - Режим доступа: https://new.znanium.com/document?id=302331 - Текст : электронный. - URL: http://znanium.com/catalog/product/940420
  • Общая и неорганическая химия : учебник, Ахметов, Н. С., 2018

Рекомендуемая дополнительная литература

  • Trimm, H. H. (2011). Inorganic Chemistry : Reactions, Structure and Mechanisms. Oakville, Ont: Apple Academic Press. Retrieved from http://search.ebscohost.com/login.aspx?direct=true&site=eds-live&db=edsebk&AN=481079
  • Иванов, В.Г. Неорганическая химия : краткий курс / В.Г. Иванов, О.Н. Гева. — Москва : КУРС ; ИНФРА-М,2014. - 256 с. - ISBN 978-5-905554-60-5 (КУРС, print); ISBN 978-5-16-009834-0 (ИНФРА-М, print); ISBN 978-5-16-101282-6 (online). - Текст : электронный. - URL: http://znanium.com/catalog/product/458932
  • Неорганическая химия: Учебное пособие / Богомолова И.В. - М.: Альфа-М, ИНФРА-М, 2016. - 336 с.: 60x90 1/16. - (ПРОФИль) (Переплёт) ISBN 978-5-98281-187-5 - Режим доступа: http://znanium.com/catalog/product/538925