V.1 Выполнение лабораторных работ
Для глубокого изучения химии как науки, основанной на эксперименте, необходимо выполнить лабораторный практикум. Он развивает у студентов навыки научного экспериментирования, исследовательский подход к изучению предмета, логическое мышление.
В общий лабораторный практикум входят 8 работ:
1. Ознакомление с некоторыми операциями лабораторной химической практики и измерительными приборами.
2. Измерение тепловых эффектов химических процессов.
3. Химическая кинетика и химическое pавновесие.
4. Растворы кислот, оснований, солей и их свойства (электролитическая диссоциация, гидролиз, амфотерность).
5. Окислительно-восстановительные реакции и электрохимические процессы (электролиз, коррозия металлов).
6. Комплексные соединения и свойства d-металлов.
7. Получение и очистка коллоидных систем; определение порога коагуляции золя гидроксида железа (III) электролитами.
8. Определение жесткости воды комплексонометрическим методом.
Прежде чем приступить к выполнению лабораторной работы, студент должен изучить соответствующий раздел курса, уяснить цель работы и методику эксперимента. Выполнив работу, студенты оформляют в рабочем журнале отчет, который должен содержать следующие элементы: краткое изложение основных теоретических положений, методику проведения эксперимента, изучаемые химические реакции, результаты эксперимента в виде таблиц и графиков, а также вывод по работе, объясняющий полученные результаты. Защита лабораторных работ проходит в виде собеседования с преподавателем по соответствующей теме или в виде компьютерного тестирования.
Методики проведения лабораторных работ приведены в методических указаниях «Лабораторные работы по общей и неорганической химии», разработанные преподавателями кафедры «ТКМ и ЛП» и имеющиеся в библиотеке, а также представленные в виде компьютерной версии.
V.2. Проведение практических занятий
Изучение курса неорганической химии обязательно должно сопровождаться выполнением упражнений и решением задач, что является одним из лучших методов прочного усвоения и закрепления теоретического материала. На практических занятиях отрабатывается умение применять теоретические положения, законы и уравнения для решения конкретной задачи, разбираются наиболее сложные теоретические вопросы.
Практические занятия проводятся по следующим темам:
1. Ионные равновесия в растворах (электролитическая диссоциация, гидролиз, ионное произведение воды, произведение растворимости).
2. Окислительно-восстановительные реакции (электролиз, коррозия).
3. Расчет тепловых эффектов реакций.
VI. ТЕМАТИКА РЕФЕРАТОВ
ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ
(очной и очно-заочной формы обучения)
1. История открытия основных химических законов.
2. Современная теория строения атома.
3. История открытия химических элементов и их систематизации
4. Химическая связь.
5. Металлы и неметаллы в периодической системе элементов
6. Дисперсные системы в выбранной специальности.
7. Электрохимические системы в выбранной специальности.
8. Комплексные соединения и их применение в выбранной специальности.
9. Полимеры в выбранной специальности
10. Каталитические системы в выбранной специальности
11. Окислители и восстановители и их применение в выбранной специальности
12. Водоподготовка
13. Химия воды
14. Методы аналитического контроля в выбранной специальности
15. Программые системы и продукты для выполнения химических расчетов в выбранной специальности
VII. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ
КОНТРОЛЬНЫХ РАБОТ
VII. 1. Тематика контрольных работ для студентов
Очной формы обучения
Контрольная работа для студентов очного отделения представляет собой самостоятельное решение задач по темам: «Растворы, равновесные процессы в растворах», «Электрохимические процессы», «Коррозия и защита металлов», «Химия воды» (модульная контрольная №1); «Энергетика и направление химических процессов. Химическое равновесие», «Химическая кинетика» (модульная контрольная №2), «Строение атома и химическая связь», «Периодическая система элементов» (модульная контрольная №3) и устную защиту выполненных заданий. Задания выполняются по методическим пособиям [6, 9] по указанию преподавателя.
VII. 2. Выполнение контрольных работ для студентов заочной формы обучения.
Выполнение контрольных работ является необходимым этапом самостоятельной работы студента при изучении курса химии. Зачтенные преподавателем контрольные работы наряду с зачтенными лабораторными работами, служат основанием для допуска к сдаче зачета и экзамена. Номер варианта соответствует двум последним цифрам шифра (студенческого билета) студента. Задания для выполнения контрольных работ приведены в методическом пособии [5].
Студенты, обучающиеся по специальности 270102 «Промышленное и гражданское строительство» по полной программе выполняют 3 контрольные работы (всего 22 задачи):
1 контрольная работа - № 1-140,
2 контрольная работа - № 141-320,
3 контрольная работа - № 321-450;
по сокращенной программе выполняют 1 контрольную работу в объеме 16 задач из своего варианта по указанию преподавателя.
Студенты, обучающиеся по специальности 190601 «Автомобили и автомобильное хозяйство» по полной программе выполняют 2 контрольные работы (всего 22 задачи):
1 контрольная работа - № 1-220,
2 контрольная работа - № 221-450;
по сокращенной программе выполняют 2 контрольные работы в объеме 18 задач из своего варианта по указанию преподавателя.
Студенты, обучающиеся по специальности 140211 «Электроснабжение» по сокращенной программе выполняют 1 контрольную работу в объеме 12 задач из своего варианта по указанию преподавателя.
Студенты, обучающиеся по специальности 220201 «Управление и информатика в технических системах» по полной программе выполняют 1 контрольную работу в объеме 12 задач из своего варианта по указанию преподавателя.
При оформлении контрольной работы следует выполнять следующие правила:
- все задачи должны строго соответствовать варианту и быть представлены в последовательности, указанной в таблице вариантов;
- условия задач должны быть переписаны в тетрадь полностью;
- все физические величины должны быть выражены в единицах Международной системы (СИ);
- на каждой странице необходимо оставлять поля (1/4 - 1/3 страницы) для замечаний рецензента.
Прежде чем приступать к работе над заданием, следует изучить теоретические основы данного раздела и усвоить тот объем теоретического материала, который необходим для осознанного решения задачи.
Выполненную контрольную работу студенты сдают либо своему преподавателю, либо лаборантам кафедры. Получив проверенную работу, студент исправляет ошибки (если они есть) и делает необходимые дополнения (если это указано рецензентом), после чего следует очная защита работы.
VIII. ВОПРОСЫ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ К ЗАЧЕТУ
1. Охарактеризуйте электрон, протон и нейтрон.
2. Что такое "квант энергии"?
3. Как понимать термин "корпускулярно-волновой дуализм микрочастиц"?
4. Сформулируйте принцип неопределенности В. Гейзенберга. В чем его
смысл?
5. Что такое волновая функция? Каков ее физический смысл?
6. Что понимается под термином "электронная орбиталь"?
7. Сформулируйте принцип Паули. Объясните с его помощью максимально возможные количества электронов на каждом подуровне.
8. Что такое квантовые числа? Дайте характеристику каждому из них.
9. Как составить электронную формулу атома? Приведите примеры.
10. Что такое "квантовая ячейка"?
11. Сформулируйте правило Хунда.
12. Что такое "нуклид", "нуклон"? Что такое "изотопы", "изобары"?
13. В чем причина периодичности изменения свойств элементов с позиций современной теории строения атома?
14. Каков принцип построения периодической системы Д. И. Менделеева? Что такое периоды? Что такое группы? Что такое подгруппы?
15. Каковы взаимосвязи между положением элемента в периодической системе Д. И. Менделеева и электронной конфигурацией его атома?
16. Каков характер изменения металлических и неметаллических свойств элементов по периодам и подгруппам?
17. Что такое энергия ионизации? Какие свойства элементов она характеризует? Как изменяется по периодам и подгруппам?
18. Что такое энергия сродства к электрону? Какие свойства элементов она характеризует? Как изменяется по периодам и группам?
19. Что такое электроотрицательность? Какие свойства элементов она характеризует? Как изменяется по периодам и группам?
20. Что понимается под атомным радиусом? Как изменяется эта величина по периодам и группам?
21. Что такое химическая связь? Перечислите типы химической связи.
22. Почему образуется химическая связь? Что понимается под энергией связи?
23. Как образуется ковалентная связь согласно теории Льюиса?
24. Сформулируйте правило октета. Всегда ли оно выполняется?
25. Поясните такие свойства ковалентной связи, как насыщаемость, кратность, полярность.
26. Что понимается под донорно-акцепторной связью? Приведите примеры.
27. Охарактеризуйте металлическую и водородную связи. Приведите примеры.
28. Сформулируйте основные положения метода ВС. 43.Как определить геометрию молекулы методом ВС?
29. Что такое гибридизация атомных орбиталей? Какие типы гибридизации s- и р-орбиталей Вам известны?
30. Сформулируйте основные положения метода МО.
31. Что такое молекулярная орбиталь? Чем она отличается от атомной?
32. В чем сущность зонной теории?
33. Каково общее свойство термодинамических функций состояния?
34. Каков физический смысл энтальпии?
35. Что такое тепловой эффект химической реакции?
36. Сформулируйте закон Г. И. Гесса. Как вычислить тепловой эффект химической реакции на основании теплот образования веществ, которые в этой реакции участвуют?
37. По какому признаку классифицируют реакции на экзо- и эндотермические?
38. Каков физический смысл энтропии?
39. Какие выводы о химической реакции можно сделать на основании величины ∆G?
40. Что такое скорость химической реакции? От каких основных факторов она зависит?
41. Что понимается под обратимостью химических реакций?
42. В чем заключается динамический характер химического равновесия?
43. Как можно прогнозировать направление смещения химического равновесия при изменении условий проведения реакции (температуры, давления, концентраций веществ)?
44. Дайте характеристику различным типам дисперсных систем.
45. Перечислите характерные особенности раствора как дисперсной системы.
46. Чем объясняются аномальные свойства воды?
47. Что общего и различного у раствора и механической смеси?
48. Каковы современные представления о физико-химической природе раствора?
49. Что такое сольватация, гидратация?
50. Что понимается под теплотой растворения? От каких факторов зависит знак этой величины?
51. Как изменяется энтропия при растворении? Почему?
52. Охарактеризуйте ненасыщенный, насыщенный и пересыщенный растворы с позиций теории химического равновесия. Каковы характерные особенности каждого из этих растворов?
53. Что такое растворимость? Как она зависит от внешних условий?
54. Какие способы выражения концентрации растворов вам известны?
55. Сформулируйте I и II законы Рауля.
56. Что такое осмос? Что понимается под осмотическим давлением?
57. Приведите формулировку закона Вант-Гоффа.
58. На какие типы подразделяются растворы по характеру взаимодействия растворенного вещества и растворителя?
59. Какие вещества называются электролитами?
60. Почему растворы и расплавы электролитов являются проводниками электрического тока?
61. Что такое электролитическая диссоциация? Каков механизм электролитической диссоциации ионных и полярно- ковалентных веществ?
62. В чем особенности гидратации иона водорода?
63. Каково состояние сильных электролитов в растворе? Что такое кажущаяся степень диссоциации?
64. В чем особенности диссоциации слабых электролитов?
65. Что называют степенью диссоциации электролита? Какова связь между степенью диссоциации и константой диссоциации?
66. Какие примеры ионных равновесий в растворах электролитов вы можете привести? Дайте краткую характеристику каждому с позиций принципа Ле Шателье.
67. Что такое ионное произведение воды?
68. Что такое рН?
69. Может ли в водном растворе концентрация ионов Н+ или ОН– равняться нулю? Почему?
70. Напишите уравнения диссоциации следующих электролитов: KNO3, CuSO4, HCN, NaOH, H2S. Укажите, где процесс идет обратимо.
71. Что такое гидролиз? Как происходит гидролиз солей различных групп?
72. Какие реакции называются окислительно-восстановительными?
73. Что такое процесс окисления? Процесс восстановления?
74. Что называется восстановителем? Окислителем?
75. Что такое степень окисления? Как можно рассчитать степени окисления
атомов в химических соединениях?
76. Как изменяется степень окисления атомов в ходе окисления или восстановления?
77. Как зависит поведение вещества в окислительно-восстановительной реакции от степеней окисления атомов, входящих в его состав? Какие вещества проявляют свойства только окислителей? Только восстановителей? Окислительно-восстановительную двойственность?
78. В чем сущность метода электронного баланса? Каков порядок действий при составлении уравнения реакции этим способом?
79. Какие типы окислительно-восстановительных реакций Вам известны?
80. Какая система называется в электрохимии электродом?
81. Что такое электродный потенциал? Потенциал какого электрода принят за нуль?
82. От каких параметров зависит величина электродного потенциала?
83. Что такое стандартный электродный потенциал?
84. Как записывается уравнение Нернста для электродов типа Меn+/Ме0?
85. Что такое гальванический элемент?
86. Какой электрод в гальваническом элементе называется анодом? Какой электрод называется катодом?
87. Как рассчитывается ЭДС гальванического элемента?
88. Что называется электролизом?
89. На каком электроде при электролизе происходит процесс восстановления? Процесс окисления?
90. Чем определяется последовательность восстановления катионов при электролизе?
91. В каких случаях на катоде восстанавливаются катионы металлов? В каких
случаях на катоде восстанавливается вода?
92. В какой последовательности окисляются при электролизе вещества на
аноде?
93. В каких случаях при электролизе водных растворов на аноде окисляется вода? Какие продукты при этом образуются?
94. Что называется коррозией металлов?
95. Что такое химическая коррозия? Приведите примеры.
96. В каких случаях происходит электрохимическая коррозия?
97. Что представляет собой анодный и катодный процесс при коррозии: в кислой среде? в нейтральной среде?
98. Как происходит коррозия при контакте двух металлов?
99. Какие покрытия называют анодными? Как происходит коррозия при нарушении их целостности?
100. Какие покрытия называют катодными? Как происходит коррозия при нарушении их целостности?
101. Перечислите принципиальные методы защиты металлов от коррозии. На чем они основаны?
IX. ВОПРОСЫ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ К ЭКЗАМЕНУ
1. Современное представление о строении атома с позиций квантовой механики. Представление квантовой механики о двойственной природе электрона.
2. Физическая интерпретация квантовых чисел (n, l, ml, ms) энергетических уровней электронов в атоме.
3. Распределение электронов в атомах. Принцип Паули (ограничение по распределению электронов на орбиталях). Правило Клечковского (принцип наименьшей энергии). Правило Хунда (о порядке заполнения свободных орбиталей).
4. Электронные формулы атомов. Расположение элементов с s-, p-, d-, f- орбиталями электронов в периодической таблице.
5. Современная формулировка периодического закона. Периодическая система Д.И. Менделеева (периоды, группы, подгруппы).
6. Основные свойства атомов (атомный радиус, энергия ионизации, сродство к электрону, электроотрицательность). Периодичность свойств атомов.
7. Металлы и неметаллы в периодической системе элементов. Кислотно-основные и окислительно-восстановительные свойства элементов.
8. Природа сил химического взаимодействия. Образование ковалентной связи. Полярная и неполярная ковалентная связь. Дипольный момент молекулы.
9. Свойства ковалентной связи (длина связи, энергия связи, насыщаемость и направленность связи).
10. Способы перекрывания электронных облаков при образовании σ- и π- связей. Кратные химические связи. Гибридизация атомных орбиталей.
11. Ионная связь и ее свойства (ненасыщаемость и ненаправленность). Ионные кристаллические структуры.
12. Донорно-акцепторный механизм образования ковалентной связи. Водородная связь.
13. Металлы и их место в периодической системе. Металлическая связь.
14. Виды химических реакций по тепловому эффекту. Количественная характеристика теплового эффекта.
15. Свободная энергия Гиббса как критерий самопроизвольного протекания реакций. Энтальпийный и энтропийный факторы.
16. Скорость химической реакции. Факторы, влияющие на скорость химической реакции (концентрация, температура, присутствие катализаторов).
17. Закон действия масс. Константа скорости реакции.
18. Понятие о катализе. Виды катализаторов (гомогенные и гетерогенные). Изменение энергии активизации химической реакции катализатором.
19. Обратимые и необратимые химические реакции. Химическое равновесие в обратимых реакциях. Константа химического равновесия.
20. Смещение химического равновесия под воздействием внешних факторов. Принцип Ле Шателье о направлении смещения химического равновесия под воздействием внешних факторов.
21. Общие понятия о растворах. Способы выражения состава растворов. Растворимость веществ в воде.
22. Электролитическая диссоциация кислот, щелочей и солей в водных растворах. Степень диссоциации. Сильные и слабые электролиты.
23. Электролитическая диссоциация воды. Ионное произведение воды. Водородный показатель и его значения в кислой, нейтральной и щелочной среде.
24. Теории кислот и оснований (электролитическая, протонная, апротонная).
25. Гидролиз водных растворов солей. Константа и степень гидролиза.
26. Произведение растворимости труднорастворимого электролита. Факторы, влияющие на растворимость солей.
27. Реакции окисления и восстановления. Степень окисления химических элементов. Окислительные и восстановительные свойства атомов в зависимости от степени их окисления. Типичные окислители и восстановители.
28. Электрохимические явления на границе металл - раствор. Электродные потенциалы металлов. Ряд металлов по величине стандартного электродного потенциала.
29. Химические основы действия гальванических элементов. Устройство и работа медно-цинкового элемента (элемента Даниэля-Якоби).
30. Химические основы работы химических аккумуляторов. Химические реакции, протекающие в свинцовом и железо- никелевом аккумуляторах.
31. Понятие об электролизе. Анодные и катодные процессы при электролизе.
32. Электролиз расплавов и водных растворов солей. Использование растворимых электродов при рафинировании металлов и нанесении гальванических покрытий.
33. Химическая сущность основных видов коррозии (химической, электрохимической). Основные методы защиты металлов от коррозии.
34. Электрохимические основы катодной и протекторной защиты металлов от коррозии.
35. Особенности строения и свойств d-металлов (склонность к комплексообразованию, переменные степени окисления, образование окрашенных соединений и др.).
36. Основные понятия химии комплексных соединений: определение, классификация, изомерия, координационное число, химическая связь, константа нестойкости.
37. Понятие о жесткости воды, количественная характеристика жесткости воды. Временная и постоянная жесткость воды. Методы устранения жесткости.
38. Химия полимеров. Методы получения полимеров. Зависимость свойств полимеров от состава и структуры.
X. ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ ДЛЯ ПРОМЕЖУТОЧНОЙ И КОНТРОЛЬНОЙ ПРОВЕРКИ ЗНАНИЙ СТУДЕНТОВ.