Белорусский государственный университет
УТВЕРЖДАЮ
Проректор по учебной работе
Белорусского государственного
университета
А.Л. Толстик
(дата утверждения)
Регистрационный № УД-/
Программа основного вступительного экзамена в магистратуру по специальности 1-31 80 06 ХИМИЯ 2013 г Составители:
Воробьева Татьяна Николаевна, профессор кафедры неорганической химии, доктор химических наук, профессор;
Василевская Елена Ивановна, доцент кафедры неорганической химии, кандидат химических наук, доцент;
Станишевский Леонид Станиславович, профессор кафедры органической химии, доктор химических наук, профессор;
Мечковский Людвиг Антонович, доцент кафедры физической химии, кандидат химических наук, доцент;
Мечковский Станислав Антонович, профессор кафедры аналитической химии, доктор химических наук, профессор;
Рецензенты: доцент кафедры радиационной химии и химикофармацевтических технологий, к.х.н., доцент Кимленко И.М.;
заместитель директора Научно-исследовательского института физикохимических проблем, к.х.н. Нечепуренко Ю.А.
Рассмотрена и рекомендована к утверждению Учебно-методической комиссией химического факультета (протокол № _ от «_» 20 г.) Председатель комиссии _Е.И.Василевская Ответственный за редакцию: доцент, к.х.н. Савицкая Т.А.
Ответственный за издание: ассистент, Боборико Н.Е.
Пояснительная записка Целью основного вступительного испытания по химии при поступлении в магистратуру является проверка уровня знаний фундаментальных основ химии. Программа испытания включает вопросы, изучавшиеся студентами факультетов химического профиля в рамках различных химических дисциплин, представленные в следующей логической последовательности:
условия и закономерности протекания химических процессов, включая условия равновесия, кинетику и термодинамику фазовых превращений, явлений на поверхностях раздела фаз, в электрохимических и дисперсных системах; строение атома; строение и свойства молекул; химическая связь;
строение и свойства неорганических соединений; строение и свойства органических соединений, в том числе высокомолекулярных; методы исследования и анализа различных объектов.
Работа над программным материалом при подготовке ответов на большинство вопросов требует привлечения сведений из разных дисциплин профессионального цикла, изучавшихся в период обучения в вузе. Так, ответы на вопросы разделов I-VI требуют использования знаний, полученных при изучении общей и неорганической химии, физической химии, коллоидной химии, квантовой химии и строения вещества, частично аналитической и органической химии. Отвечая на вопросы раздела II, поступающие в магистратуру должны показать знания основных законов термодинамики и кинетики и умение ими пользоваться для решения конкретных задач. При освещении вопросов раздела VI «Строение и свойства органических соединений» поступающие должны показать: знание строения органических веществ, их характерных превращений, в том числе лежащих в основе методов получения данных веществ, понимание причин различия свойств низко- и высокомолекулярных соединений, а также знания в области механизма и стереохимии реакций с участием органических соединений, принципов регулирования свойств и строения макромолекул.
Отвечая на вопросы раздела VII «Методы разделения, обнаружения и определения веществ», поступающие в магистратуру должны включить в ответ сведения не только о физико-химической сущности рассматриваемого метода анализа и о законе, позволяющем определить химическую природу и содержание анализируемого компонента, но и данные о нижнем и верхнем пределах рабочей области определения, чувствительности, экспрессности метода, о влиянии на результат определения условий его выполнения (состав анализируемой системы, pH, температура и др.). Кроме того, поступающие в магистратуру должны показать знание принципов функционирования измерительных приборов, способов оценки погрешности метода и результатов измерений, а также вероятных источников погрешности.
Помимо базовых знаний поступающие должны продемонстрировать умение структурировать информацию при ответе на вопрос билета и владение основами естественнонаучного мировоззрения и химической картины мира.
Место современной химии в системе наук естественнонаучного цикла.
Связь химии с физикой. Методы и приемы классической физики, используемые в современной химии. Взаимосвязь физики и неорганической, органической, радиационной химии, а также фото- и электрохимии.
Взаимосвязь химии и биологии. Роль математики в современной химии.
Математизация и теоретизация химии. Взаимосвязь химии с другими естественными науками.
Основные черты и задачи современной химии: поиск, синтез и дизайн новых химических соединений, создание конструкционных материалов будущего. Классификация материалов по составу, структуре, свойствам и областям применения. Модифицирование и замена существующих и использующихся материалов. Проектирование материалов с заданными функциональными свойствами для целенаправленного использования в различных отраслях производства и потребления. Физико-химические характеристики функциональных материалов. Механические, трибологические, защитно-коррозионные свойства материалов, гидрофильно-гидрофобные свойства поверхности твердых тел. Общие принципы и закономерности управления функциональными свойствами поверхности широко использующихся на практике материалов.
II. ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Постулаты и законы химической термодинамики. Функции состояния:температура, внутренняя энергия, энтальпия, энтропия, энергии Гиббса и Гельмгольца. Условия равновесия и критерии самопроизвольного протекания процессов, выраженные через характеристические функции. Энергетика химических реакций, основные законы термохимии и термохимические расчеты, теплоёмкость газов, жидкостей и кристаллов.
Условия равновесия и термодинамика фазовых превращений одно- и многокомпонентных неизолированных систем. Химический потенциал компонента в идеальных и реальных конденсированных и газовых системах, выбор стандартного состояния. Растворимость твердых тел и газов в жидкости, влияние различных факторов на растворимость, произведение растворимости. Типы растворов, их термодинамическая классификация, свойства идеальных растворов. Активность, коэффициент активности и способы их определения. Ограниченная и полная взаимная растворимость компонентов в различных фазовых состояниях. Диаграммы состояния.
Коллоидное состояние вещества. Особенности свойств дисперсных систем и их классификация. Получение и молекулярно-кинетические свойства дисперсных систем, их устойчивость.
Основы термодинамического описания поверхностных явлений.
Поверхностное натяжение, адгезия, смачивание, флотация, капиллярное давление. Адсорбция, уравнения адсорбции, изотерма адсорбции.
Условия равновесия систем с химическими реакциями. Константа равновесия и изменение энергии Гиббса химической реакции, их вычисление в идеальных и реальных системах. Смещение химического равновесия, определение направления процесса в системе заданного состава. Влияние температуры и давления на химическое равновесие.
Основные понятия химической кинетики: скорость, константа скорости, порядок и молекулярность химической реакции. Основной постулат химической кинетики и его применение к простым и сложным химическим реакциям, кинетические уравнения для реакций различных порядков.
Влияние температуры на скорость химической реакции. Уравнение Аррениуса, понятие об энергии активации и методах ее определения.
Теории химической кинетики: теория активных соударений и теория активированного комплекса. Понятие о поверхности потенциальной энергии реагирующих частиц. Термодинамический аспект теории активированного комплекса.
Реакционная способность, кинетика и механизм реакций неорганических соединений в водных растворах. Алгоритм кинетического исследования (выявление механизма на основании результатов кинетического исследования). Кинетическое исследование с помощью изолирования.
Исследование с помощью меченых атомов.
Реакции замещения неорганических соединений в растворах. Механизм замещения в координационных соединениях (ассоциативный и диссоциативный пути протекания процесса, механизм диссоциативной активации и ассоциативной активации).
Особенности кинетики цепных, фотохимических и топохимических реакций: предельные явления в кинетике цепных реакций, основные законы фотохимии и понятие квантового выхода, механизмы топохимических реакций.
Понятие о катализе и катализаторах. Гомогенный и гетерогенный катализ. Энергетические профили каталитических реакций. Основы теории гетерогенного катализа. Физико-химические основы технологии производства аммиака, серной и азотной кислот.
Равновесие в растворах электролитов. Классификация электролитов.
Основные положения теории электролитической диссоциации Аррениуса.
Основы теории Дебая-Гюккеля, ионная сила раствора и средний ионный коэффициент активности. Современные теории кислот и оснований (Бренстеда-Лоури, Льюиса-Пирсона).
Неравновесные явления в растворах электролитов: диффузия и миграция ионов в растворе. Электропроводность растворов электролитов, кондуктометрия.
Равновесные электродные процессы. Понятие о скачке потенциала на границе раздела фаз. Электрохимический потенциал. Образование и строение двойного электрического слоя. Электрокинетические явления. Уравнение Нернста. Стандартные электродные потенциалы. Классификация электродов и электрохимических цепей. Термодинамика обратимых электрохимических систем. ЭДС гальванического элемента и её измерение. Электрохимическая коррозия металлов.
Кинетика электродных процессов, поляризация электродов. Стадии электродного процесса. Плотность тока обмена как мера скорости электродного процесса. Электрохимические процессы в промышленности.
III. СТРОЕНИЕ АТОМА. СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА МОЛЕКУЛ
Волновая теория строения атома. Волновая функция, радиальная и угловые части. Квантовые числа. Многоэлектронный атом. Принцип Паули.Правило Хунда. Электронные конфигурации атомов. Основное и возбужденные электронные состояния атомов.
Спектры атомов. Межэлектронные и спин-орбитальное взаимодействия.
Термы многоэлектронного атома. Радиусы атомов и закономерности их изменения. Периодичность изменения энергии ионизации и энергии сродства к электрону.
Явление радиоактивности. Устойчивость ядер. Важнейшие типы радиоактивных превращений ядер. Закон радиоактивного распада.
Постоянные распада. Природная и искусственная радиоактивность.
Методы исследования и способы описания геометрических параметров молекул. Симметрия молекул. Основные виды изомерии молекул и принципы динамической стереохимии.
Энергетические параметры молекул. Понятие об энергиях образования молекул. Энергетические состояния: электронные, колебательные и вращательные спектры молекул.
Магнитные свойства молекул. Спектры электронного парамагнитного резонанса и ЯМР спектры – принципы и возможности исследования структуры и свойства молекул.
IV. ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ
Основные типы химической связи: ковалентная, ионная, металлическая.Многоцентровая связь, - и - связи.
Ковалентная связь. Квантово-химическая трактовка природы химических связей и строения молекулы. Химическая связь в молекуле водорода.
Основные положения теорий валентных связей и молекулярных орбиталей.
Их сравнительные возможности.
Концепция гибридизации атомных орбиталей. Концепция отталкивания электронных пар. Пространственная конфигурация молекул и ионов.
Количественные характеристики химической связи: порядок, энергия, длина, степень ионности, дипольный момент, валентный угол.
Трактовка ионной связи на основе электростатических представлений.
Особенности химической связи в комплексных соединениях. Донорноакцепторный и дативный механизм её образования. Метод валентных связей и его недостатки в применении к координационным соединениям. Теории кристаллического поля и МО в применении к комплексным соединениям.
Силы Ван–дер–Ваальса. Водородная связь.
Методы исследования и способы описания геометрических параметров молекул. Симметрия молекул. Основные виды изомерии молекул и принципы динамической стереохимии.
Энергетические параметры молекул. Понятие об энергиях образования молекул. Энергетические состояния: электронные, колебательные и вращательные спектры молекул.
Магнитные свойства молекул. Спектры электронного парамагнитного резонанса и ЯМР спектры – принципы и возможности исследования структуры и свойства молекул.
V. СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА НЕОРГАНИЧЕСКИХ
СОЕДИНЕНИЙ
s-Элементы. Типы химических связей. Образование катионных форм.Химия водных растворов. Оксиды, гидроксиды, соли. Общая характеристика.
Особенности химии s-элементов II периода.
p-Элементы. Валентность и степени окисления атомов. Изменение атомных радиусов, энергии ионизации и сродства к электрону по периодам и группам. Образование катионных и анионных форм, комплексообразование.
Особенности свойств р-элементов II и V периодов.
Простые вещества, образуемые р-элементами. Аллотропия и полиморфизм. Химические свойства галогенов, кислорода, озона, халькогенов, азота, фосфора, углерода, кремния.
d-Элементы. Валентность и степени окисления атомов. Изменение атомных радиусов и энергий ионизации по группам, периодам. Особенности изменения химических свойств d-элементов по группам и периодам по сравнению с р-элементами. Образование катионных и анионных форм, комплексообразование.
Гидриды. Типы гидридов: солеобразные, полимерные, летучие, гидриды внедрения. Типичные примеры и общая характеристика свойств каждой группы гидридов.Гидридокомплексы.
Оксиды. Типы оксидов: оксиды с ионной, молекулярной и полимерной структурой. Нестехиометрические оксиды. Кислотные, основные, амфотерные оксиды. Их отношение к воде, кислотам, щелочам.
Окислительно-восстановительные свойства оксидов. Двойные оксиды.
Пероксиды. Надпероксиды.Озониды.
Гидроксиды. Типы гидроксидов: гидроксиды с ионной, молекулярной, полимерной структурой. Кислоты, основания и амфотерные гидроксиды.
Кислотно-основные свойства гидроксидов s-,p-,d-элементов изменение по периодам и группам, в зависимости от степени окисления элемента.
Соли. Соли кислородсодержащих и бескислородных кислот. Склонность элементов к вхождению в состав солей в катионной и анионной формах в зависимости от химической природы элемента и степени окисления. Простые и комплексные соли. Кристаллогидраты. Гидролиз солей.
Галогениды, их типы и характерные свойства.
Сульфиды. Их свойства.
Карбиды и нитриды, их свойства.
Комплексные соединения. Типичные комплексообразователи и лиганды.
Пространственная конфигурация комплексных ионов. Особенности диссоциации комплексных соединений в растворе. Карбонилы металлов.
Хелатные комплексы. Многоядерные комплексы. -комплексы. Равновесия комплексообразования. Факторы, определяющие состояние равновесия:
природа центрального атома и лиганда, рН, ионная сила, температура.
Ионные ассоциаты.
Периодический закон химических элементов как основа химической систематики. Периодичность изменения свойств элементов и образуемых ими соединений.
VI. СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ
Состав и строение органических соединений. Изомерия. Номенклатура.Электронные и пространственные эффекты в органических молекулах.
Классификация реагентов и реакций.
Стереохимия соединений с одним асимметрическим атомом.
Хиральность. Энантиомеры, рацематы. R,S-номенклатура.
Углеводороды. Алканы. Конформационная изомерия. Важнейшие свободнорадикальные реакции алканов. Нефть, ее состав и переработка.
Особенности строения и химических свойств циклоалканов.
Алкены, методы синтеза и общие представления о реакционной способности. Присоединение электрофильных реагентов по двойной связи.
Правило Марковникова и его интерпретация. Реакции по аллильному положению. Полимеризация алкенов как важный метод получения высокомолекулярных соединений.
Алкадиены. Сопряженные диены, особенности их строения и свойств.
Каучуки.
Алкины. Методы синтеза и важнейшие свойства алкинов. Ацетилен.
Ароматические углеводороды. Промышленные источники аренов, их химические свойства и применение. Механизм и закономерности реакций электрофильного замещения в ароматическом ядре.
Галогенпроизводные углеводородов. Методы получения. Реакции нуклеофильного замещения и элиминирования: влияние строения галогеналкана, природы и концентрации нуклеофила и основания, природы растворителя. Особенности реакционной способности арилгалогенидов.
Получение литий– и магнийорганических соединений, их применение в органическом синтезе.
Спирты и фенолы. Методы получения и сравнительная характеристика химических свойств. Этиленгликоль. Глицерин. Лавсан. Антиоксиданты.
Фенолформальдегидные смолы. Простые эфиры. Методы синтеза и свойства.
Диэтиловый эфир.
Альдегиды и кетоны. Методы получения важнейших представителей, их свойства. Енолизация альдегидов и кетонов. Альдольная конденсация и родственные процессы. Реакции альдегидов и кетонов с гетероатомными нуклеофилами.,- непредельные карбонильные соединения.
Углеводы. Важнейшие представители моносахаридов, их строение и важнейшие свойства. Дисахариды и полисахариды: сахароза, крахмал, целлюлоза.
Карбоновые кислоты и их производные: методы синтеза, взаимные превращения. Сложные эфиры. Реакции этерификации и гидролиза сложных эфиров, их механизм. Жиры, их состав. Гидрирование и гидролиз жиров.
ПАВ. Непредельные карбоновые кислоты и полимеры на их основе.
Гидроксикислоты, особенности их пространственного строения.
Природные гидроксикислоты.
Нитросоединения. Способы получения и важнейшие свойства. Продукты восстановления нитросоединений.
Амины. Типы аминов и их свойства. Особенности свойств ароматических аминов. Реакция диазотирования и её значение в органическом синтезе.
Аминокислоты, их стереохимия, роль в природе. Представление о составе и структуре белков. Синтетические полиамиды и полипептиды.
Гетероциклические соединения, общие принципы их классификации.
Важнейшие пяти- и шестичленные гетероароматические соединения с одним гетероатомом. Особенности их химических свойств.
Методы выделения и очистки органических веществ. Представление об использовании ИК, ПМР, масс-, УФ спектроскопии для установления строения органических соединений.
Принципы получения высокомолекулярных соединений, регулирования состава и структуры макромолекул. Поликонденсация. Синтез, структура, свойства и применение высокомолекулярных соединений, синтезированных путём поликонденсации. Радикальная полимеризация. Катионная полимеризация. Анионная полимеризация. Координационно-ионная полимеризация. Принципы синтеза стереорегулярных полимеров. Синтез, структура, свойства и применение высокомолекулярных соединений, синтезированных путем полимеризации. Полимераналогичные превращения.
Деструкция высокомолекулярных соединений. Сшивание высокомолекулярных соединений. Синтез и свойства привитых сополимеров.
Основные различия между свойствами низкомолекулярных и высокомолекулярных соединений. Гибкость макромолекул. Структура и надмолекулярная организация полимеров. Агрегатные, фазовые и физические состояния высокомолекулярных соединений. Макромолекулы в растворах: термодинамическое поведение и гидродинамические свойства.
Методы синтеза полимеров. Химические превращения и модификация полимеров. Роль полимеров в живой природе и их значение как полимерных материалов.
VII. МЕТОДЫ РАЗДЕЛЕНИЯ, ОБНАРУЖЕНИЯ И
ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЕЩЕСТВ
Аналитическая классификация ионов и периодическая система химических элементов. Сульфидный, кислотно-щелочной и аммиачнофосфатный методы разделения катионов.Экстракционные и сорбционные методы разделения и концентрирования.
Факторы, определяющие межфазный перенос компонентов в экстракционных и сорбционных системах.
Хроматография. Принципы хроматографического разделения. Параметры хроматограмм. Газовая, жидкостная и сверхкритическая флюидная хроматография.Хромато-масс-спектральный анализ.
Титриметрия. Кислотно-основное, комплексометрическое и электрохимическое титрование. Кривые титрования. Индикаторы.
Гравиметрия. Варианты гравиметрии: методы осаждения, отгонки, выделения. Термогравиметрия. Реагенты-осадители: минеральные, органические.
Электроанализ: потенциометрия, вольтамперометрия, кулонометрия.
Оптические методы анализа. Атомно-эмиссионный, атомноабсорбционный и молекулярно-абсорбционный анализ. Реагенты и реакции в фотометрическом анализе. Экстракционно-фотометрический анализ.
Радиоактивационный анализ. Масс-спектральный анализ. Рентгеновская фотоэлектрическая спектроскопия. Инфракрасная спектроскопия.
Спектральные методы анализа и исследования, люминесцентный, ЭПР- и ЯМР-спектроскопия.
Основы рентгеноструктурного анализа. Дифракция рентгеновских лучей.
Определение параметров решетки и симметрии кристалла.
«