Строение атома, химическая связь, строение молекул

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

 

по общей и неорганической химии

для студентов 1 курса медицинского факультета

 

Часть I. Программа курса. Описание лабораторных работ.

 

Санкт-Петербург

2008

Утверждено на заседании кафедры общей и неорганической химии химического факультета 24.06.08, протокол №11.

Составители: проф. М. К. Хрипун,
доц. А. О. Козин,
проф. Ю. В. Кондратьев,
доц. Л. П. Белорукова,
доц. И.А. Дементьев
доц. М. А. Кононова
ст. преп. В. Д. Хрипун
зав. лаб. Е. А. Воеводина

 

Рецензент: доц. Н. Г. Суходолов

 

Набор и компьютерная верстка В.Д. Хрипун

 

Методические указания для студентов медицинского факультета состоят из двух разделов:

1. Программа курса общей и бионеорганической химии.

2. Описание лабораторных работ.

Организационно-методический раздел.

Цели и задачи преподавания дисциплины

 

1. Цель курса – освоение обучаемым фундаментальных знаний в области общей и неорганической химии и выработка практических навыков применения этих знаний.

2. Задачи курса – изложение основных положений и законов общей и неорганической химии, привитие навыков применения этих законов при решении конкретных задач.

3. Место курса в профессиональной подготовке выпускника.

Для успешного усвоения курса студенты должны быть знакомы с основами химии в рамках школьной программы, знать основные классы химических соединений, их химические свойства и строение, уметь проводить простейшие расчеты по уравнениям химических реакций.

4. Требования к уровню освоения содержания курса.

Содержание курса входит в необходимый минимум профессиональных знаний выпускников медицинского факультета, а также является необходимой основой для освоения курсов органической и биохимии.

1.2. Программа курса общей и бионеорганической химии
(лечебное дело).

Элементы химической термодинамики и биоэнергетики.

Введение в теорию химического процесса. Биохимическая система. Понятие о фазе. Открытые, закрытые, изолированные, гомогенные, гетерогенные системы. Функции состояния и параметры системы. Биоэнергетика.

Первое начало термодинамики. Термохимия. Энергетические характеристики химических реакций. Два основных закона термохимии (Лавуазье–Лапласа, Гесса). Внутренняя энергия и энтальпия. Стандартная энтальпия образования вещества, энтальпия атомизации. Энтальпийные диаграммы. Энергия связи в газообразных молекулах.

Второе начало термодинамики. Энтропия. Энтропия газообразных, жидких и твердых веществ. Энтропийные и энтальпийные факторы. Энергия Гиббса. Термодинамический критерий возможности и направленности процесса. Принцип энергетического сопряжения. Особенности термодинамики биохимических процессов в равновесных и стационарных состояниях.

Физико–химические основы кинетики биохимических реакций. Равновесие.

Предмет химической кинетики. Скорость реакций в гомогенных и гетерогенных системах. Факторы, влияющие на скорость химической реакции. Константа скорости. Зависимость скорости реакции от температуры. Температурный коэффициент скорости химической реакции и его особенность для биохимических процессов. Энергия активации, понятие активированного комплекса. Уравнение Аррениуса. Кинетическое уравнение реакции. Понятие о механизмах реакций. Молекулярность и порядок реакции. Классификация реакций по кинетическому признаку. Фотохимические реакции и их роль в природе и жизнедеятельности организма.

Явление катализа. Гомо– и гетерогенный катализ. Ферменты – биологические катализаторы. Уравнение Михаэлиса–Ментен.

Обратимые и необратимые процессы. Химическое равновесие. Динамический характер химического равновесия. Константа равновесия и ее связь с изменением свободной энергии Гиббса. Изотерма Вант–Гоффа. Способы выражения равновесия. Смещение химического равновесия. Принцип Ле–Шателье.

Растворы.

Растворы как химические системы. Учение Менделеева о растворах. Термодинамика процесса растворения. Вода – универсальный растворитель, ее роль в жизнедеятельности организма. Аномальные свойства воды. Природа водородной связи. Типы водородной связи, роль водородной связи в биохимических процессах. Структура льда и жидкой воды.

Растворимость газов в жидкостях. Законы Генри, Дальтона. Растворимость газов в крови.

Растворы неэлектролитов. Диаграмма состояния воды. Осмос и осмотическое давление. Закон Вант–Гоффа. Законы Рауля. Коллигативные свойства растворов неэлектролитов и разбавленных растворов электролитов.

Изотонический коэффициент. Роль осмоса в биологических системах. Гипо–, гипер– и изотонические растворы. Методы криоскопии и эбуллиоскопии.

Растворы электролитов. Сильные и слабые электролиты. Теория электролитической диссоциации С. Аррениуса. Спор Менделеева с Аррениусом. Работы Каблукова. Гидратация ионов: положительная, отрицательная, гидрофобная. Оценка энтальпии гидратации ионов. Способы выражения концентрации растворов. Активность, коэффициент активности. Химический потенциал.

Теории кислот и оснований. Теория Аррениуса. Протолитическая теория Бренстеда и Лоури. Понятие сопряженной пары «кислота–основание». Нивелирующие и дифференцирующие растворители. Теория кислот и оснований Льюиса.

Равновесные процессы в растворах электролитов. Слабые электролиты. Константа, степень диссоциации. Зависимость степени диссоциации от концентрации и температуры. Закон разведения Оствальда. Протолитическая диссоциации воды. Ионное произведение воды. Водородный показатель, pH. Гидролиз солей. Ступенчатый характер гидролиза. Роль гидролиза в биохимических процессах. Гидролиз АТФ как универсальный источник энергии в организме. Равновесия в растворах малорастворимых солей. Растворимость, произведение растворимости. Комплексные ионы в растворах и их диссоциация. Константа устойчивости (нестойкости) комплексных ионов. Конкурентные процессы в растворах электролитов. Буферные растворы. Фосфатный и карбонатный буфер. Понятие о кислотно–основном равновесии крови. Кислотно–основные индикаторы.

Окислительно–восстановительные реакции в растворах. Классификация О.–В. реакций. Термодинамический подход к описанию О.–В. реакций. Восстановительные потенциалы, таблица восстановительных потенциалов. Концентрационная зависимость восстановительных потенциалов, уравнение Нернста. Стандартные восстановительные потенциалы. Правило запрета для существования ионов и простых веществ в водных растворах. Влияние среды (pH) и некоторых других факторов (комплексообразование, образование малорастворимых соединений) на восстановительный потенциал. Константа равновесия окислительно–восстановительных реакций.

Строение атома, химическая связь, строение молекул.

Поиски естественной классификации элементов. Открытие периодического закона Д.И. Менделеевым. Предсказание существования неизвестных химических элементов и их свойств.

Введение в теорию электронного строения атома. Характеристические частоты в рентгеновских спектрах. Гипотеза Ван–дер–Брека и закон Мозли. Смысл порядковых номеров элементов. Современная формулировка периодического закона.

Современные представления о состоянии электрона в атоме. Дуализм электрона. Волновая функция. Квантовые числа электронов. Атомная орбиталь – основная характеристика электронного атома. Порядок заполнения атомных орбиталей электронами. Принцип Паули.

Потенциал ионизации и энергия сродства к электрону. Электроотрицательность. Характер изменения первого потенциала ионизации в периодах и группах периодической системы элементов. Правило Хунда.

Периодическая система элементов. Идея Менделеева о системе элементов как об основной форме математического выражения периодического закона. Различные способы графического представления периодической системы.

Функции радиального распределения электронной плотности. Понятие об узловых поверхностях. Особый характер распределения электронного заряда для 1 s, 2 p, 3 d и 4 f электронов. Явление кайносимметрии. Вторичная периодичность.

Введение в теорию электронного строения молекул. Причина химической связи: ковалентное, донорно–акцепторное, дативное взаимодействия. Типы химической связи: s, p, d. Характеристики связи: энергия, длина, степень ионности, кратность. Степень окисления элемента и валентность. Максимальная валентность элемента.

Метод валентных связей. Гибридизация. Строение молекул CH₄, NH₃, H₂O. Метод молекулярных орбиталей. Понятие молекулярной орбитали: пространственные и энергетические характеристики, принцип заселенности МО электронами. Электронная структура H₂, H₂⁺, H₂^– в методе МО.

Геометрия молекул. Модель локализованных электронных пар.