ГРУППА 4 Экспериментальные науки ХИМИЯ

ГРУППА 4
Экспериментальные науки
ХИМИЯ
Программа включает изучение фундаментальных аспектов химии, знание которых позволяет
не только оценить протекание химической реакции, но также предположить ее направление и
предсказать ее возможный результат. С этой целью курс построен в соответствии с
принципом «от малого к большому». Предполагается, что у учащихся возможно развить
аналитический подход, который позволит лучше понять химические свойства, развить
интуицию в химии и провести связь между законами химии и законами физики и биологии.
Только в этом случае возможно понять атомную структуру, периодический закон, законы
энергии и многие другие области Общей химии. Особое внимание уделяется экспериментам
и участию учащихся в них.
Во время изучения предметов группы 4, учащиеся познакомятся с тем, как ученые работают
и общаются друг с другом. В то время как «научный метод» может принимать самые разные
формы, именно акцентирование внимания на практическом подходе посредством
экспериментальной работы отличает предметы группы 4 от других учебных дисциплин и
характеризует каждый из предметов, входящих в группу 4.
Именно в этом контексте все курсы экспериментальных наук Дипломной программы
нацелены на то, чтобы:
1.Предоставить возможности для научного изучения и творчества внутри глобального
контекста, который будет стимулировать и ставить задачи перед учащимися.
2. Предоставить комплекс знаний, методов и приемов, которые характеризуют науку и
технологию.
3. Сделать возможным для учащихся применять и использовать комплекс знаний, методов и
приемов, которые характеризуют науку и технологию.
4. Развивать способность анализировать, оценивать и синтезировать научную информацию.
5. Вызвать осознание необходимости и ценности эффективного сотрудничества и общения во
время научных видов деятельности.
6. Развивать экспериментальные и исследовательские научные умения.
7. Развивать и применять информационные умения и умения пользоваться коммуникативной
технологией при изучении науки.
8. Повышать понимание вовлеченности моральных, этических, социальных, экономических
и экологических аспектов при использовании науки и технологии.
9. Развивать понимание возможностей и ограничений, связанных с наукой и учеными.
10. Поощрять понимание отношений между научными дисциплинами и природой научного
метода.
Цели, оцениваемые в течение курса:
1. Демонстрировать понимание:
a. научных фактов и понятий
b. научных методов и приемов
c. научной терминологии
d. методов представления научной информации
2. Применять и использовать:
a. научные факты и понятия
b. научные методы и приемы
c. научную терминологию для эффективного общения
d. соответствующие методы для представления научной информации
3. Строить, анализировать и оценивать:
a. гипотезы, исследовательские вопросы и прогнозы
b. научные методы и приемы
c. научные объяснения
4. Демонстрировать личные умения, связанные с сотрудничеством, упорством и
ответственностью, необходимые для эффективного научного исследования и решения
проблем.
5.
Демонстрировать умения, необходимые для проведения научных исследований с
точностью и соблюдением мер безопасности.
ПРОГРАММА ПО ХИМИИ
ХИМИЯ ДИПЛОМНАЯ ПРОГРАММА
ПЕРВЫЙ ГОД ОБУЧЕНИЯ
1. Основные понятия химии. Качественная химия.
а) Простые и сложные вещества. Моль и константа Авогадро. Относительная атомная и
молекулярная масса. Эмпирическая, молекулярная и структурная формула.
б) Эксперименты по определению формулы. Процентное содержание и формула. Понятие
изомерии. Химические уравнения и стехиометрический баланс.
в) Понятие состояния: твёрдые тела, жидкости, газы. Измерение количеств. Растворы. Газы и
уравнение состояния идеального газа. Экспериментальное определение молекулярной массы
газа. Закон Авогадро.
г) Избыток и недостаток. Кислотно-основное титрование.
2. Строение атома.
а) История атомной теории и понятия “элемент”. Эксперименты Томсона и Резерфорда.
Нуклоны.
б) Атомная единица массы. Зарядовые и массовые числа. Изотопы. Использование изотопов:
радиоуглеродный анализ, изотопы в медицине. Масс-спектрометрия, принципы работы.
Расшифровка масс-спектров.
в) Электронное строение. Спектр электромагнитного излучения. Длина волны и частота,
константа Планка. Спектр испускания. Электронные переходы.
г) Энергии ионизации: первая, вторая и т.п.. Подуровни и квантовые числа. Принцип Паули,
правило Хунда, правило Клечковского. Форма s- и p-орбиталей. Электронная конфигурация и
периодическая таблица.
3. Периодический закон.
а) История открытия периодического закона. Группы и периоды. Организация в соответствии
с расположении электронов на том или ином подуровне.
б) Зависимость энергии ионизации от зарядового числа. Электроотрицательность. Атомный
радиус: изменения в периоде и группе. Принцип Гейзенберга. Дифракция рентгеновских
лучей. Ионный радиус: изменения в периоде и группе. Катионы и анионы. Температуры
плавления и кипения: изменения в периоде и группе.
в) Свойства соединений элементов различных групп. Щелочные металлы. Реакции с водой и
галогенами. Галогены. Окислительная способность галогенов. Сравнения свойств
соединений разных элементов одного периода. Третий период: закономерности изменения
свойств соответствующих соединений. Оксиды, хлориды.
г) d-элементы: определение переходного элемента. Набор степеней окисления. Комплексные
ионы. Понятие лиганда, координационное число. Окраска комплексов. Каталитические
свойства.
4. Химическая связь.
а) Экзотермические и эндотермические реакции. Внутримолекулярные и межмолекулярные
силы притяжения. Ионная связь. Сродство к электрону. Энтальпия кристаллической
решётки. Многоатомные ионы.
б) Ковалентная связь. Понятие валентности. Неподелённая электронная пара и свободная
орбиталь. Двойная и тройная связь. Льюисовские структуры и различные способы их
представления. Координационные “связи” (различные механизмы образования ковалентной
связи. Делокализация электронной плотности. Длина и сила связи. Резонансные структуры.
в) Переход от ионной к связи к ковалентной. Понятие полярности связи. Теория VSEPR и
форма молекул. Предсказание формы для молекул с двумя, тремя и четырьмя центрами с
отрицательным зарядом. Моделирование структур.
г) Межмолекулярные взаимодействия. Ван-дер-Ваальсовы связи и факторы, влиящие на их
прочность. Диполь-дипольные взаимодействия. Водородные связи как частный случай.
Экспериментальное определение отличий между полярными и неполярными молекулами.
Зависимость температуры кипения смеси от её состава.
д) Гигантские атомные кристаллические решётки (на примере алмаза). Сравнение структур
алмаза и графита. Металлические связи. Использование металлов в промышленности.
Зависимость физических свойств соединения от типа внутримолекулярных и
межмолекулярных связей. Понятие о теории валентных связей и теории молекулярных
орбиталей.
е) Молекулярные орбитали: связывающая и разрыхляющая. Сигма- и пи-связи.
Парамагнетизм и порядок связи.
ж) Гибридизация. Понятие электрофильности. Связь гибридизации и формы молекул.
Формы, связанные с наличием пяти и шести центров с отрицательным зарядом.
Делокализация, энтальпия делокализации.
5. Тепловой эффект реакции.
а) Экзотермические и эндотермические реакции. Тепловой эффект и энтальпия. Стандартная
энтальпия реакции и стандартные условия. Реакции при постоянном давлении.
Калориметрический эксперимент для гомогенных и гетерогенных реакций.
б) Закон Гесса. Математические операции с химическими реакциями и циклы реакций.
Следствия из закона Гесса для энтальпий образования и сгорания. Парниковый эффект.
Энергии связи и их применение для расчёта энтальпий реакций.
в) Стандартные энтальпии реакций и фазовые переходы. Цикл Борна-Габера и стандартная
энтальпия атомизации. Энтальпия кристаллической решётки.
г) Энтропия и свободная энергия. Самопроизвольное протекание процессов. Второй закон
термодинамики.
6. Химическая кинетика.
а) Понятие скорости реакции. Способы измерения скорости реакции. Кинетические кривые и
графическое определение скорости реакции.
б) Теория столкновений и условия протекания химической реакции. Распределение
Максвелла-Больцмана, средняя кинетическая энергия.
в) Факторы, влияющие на скорость химической реакции: температура, концентрация,
катализатор, размер частиц. Энергия активации и её связь с энтальпией реакции.
г) Математические выражения для определения скоростей химических реакций. Закон
действующих масс и константа скорости. Порядок реакции. Определение констант скоростей
из экспериментальных данных. Реакции нулевого, первого и второго порядков, графическое
представление.
д) Механизмы реакций. Энергия активации и уравнение Аррениуса. Понятие о
колебательных реакциях.
7. Химическое равновесие.
а) Понятие статического и динамического равновесий. Изолированные системы. Прямая и
обратная реакция. Положение равновесия.
б) Гомогенные равновесия. Понятие фазы. Константы равновесия. Величина константы
равновесия и превалирование продуктов или реагентов в системе. Принцип Ле Шателье:
температура, давление, концентрации реагентов и продуктов, катализатор.
в) Равновесие в промышленности. Процесс Габера. Оптимальная температура. Контактный
процесс производства серной кислоты.
г) Равновесие “жидкость-газ”, давление пара. Связь между энтальпией кипения,
температурой кипения и силой межмолекулярных взаимодействий. Смещение распределения
Максвелла-Больцмана.
д) Вычисление состава равновесных смесей: жидкая фаза, газовая фаза. Размерность
константы равновесия.
ВТОРОЙ ГОД ОБУЧЕНИЯ
8. Кислоты и основания.
а) Теории Аррениуса, Брёнстеда-Лоури и Льюиса. Сильные и слабы кислоты. Понятие
амфипротности, сопряжённые кислоты и основания. Кислоты Льюиса: комплексы
(центральные атомы/ионы и лиганды). “Концентрированные” и “разбавленные” кислоты и
основания.
б) Свойства кислот и оснований: нейтрализация, реакции с индикаторами, взаимодействие
кислот с металлами и карбонатами, вытеснение аммиака основаниями из аммонийных солей.
в) Шкала pH и индикаторы. Кислотная и основная среда. pH-метры. Кислотные дожди.
г) Ионное произведение воды и его зависимость от температуры. Вычисления pH и pOH.
Константы диссоциации кислот и оснований. Гидролиз солей и кислотность среды.
Буферные растворы. Кровь и физраствор.
д) Кислотно-основное титрование. Различные комбинации сильных/слабых кислот и
сильных/слабых оснований.
9. Окисление и восстановление.
а) Понятия окисления и восстановления, понятия окислителя и восстановления. Горение как
пример окисления. Полуреакции. Степени окисления и алгоритмы их вычисления.
Диспропорционирование и сопропорционирование. ИЮПАК и номенклатура
неорганических соединений.
б) Электронный баланс, электронно-ионный баланс. Типичные окислители и
восстановители. Ряд электрохимических напряжений металлов и сравнение реакционной
способности галогенов.
в) Электролитические ячейки и гальванические элементы, устройство, полуреакции. Катоды
и аноды. Солевые мостики, полуячейки. Самопроизвольные электрохимические реакции и
электролиз расплавов.
г) Промышленное значение электролиза и получение простых веществ. Стандартные
электродные потенциалы и стандартные электроды. Определение самопроизвольности
протекания электрохимического процесса.
д) Электролиз водных растворов. Электролиз “воды” и растворов хлорида натрия, сульфата
меди. Понятие амальгамы. Предсказание пути протекания электролиза. Электролитические
покрытие пластин.
10. Органическая химия.
а) Свойства атомов углерода, позволяющие им быть основой органической химии. Алканы,
общая формула. Понятие гомологов и гомологического ряда. Структурная изомерия,
номенклатура алканов и их физические свойства, парафины.
б) Неполное сгорание. Гомолитический и гетеролитический разрыв связи. Радикальное
замещение и понятие свободного радикала. Цепные реакции: стадии инициирования,
продолжения и обрыва цепи. Фотоиндуцированное галогенирование алканов. Озоновый
слой, фреоны и их разложение.
в) Номенклатура органических соединений с разными функциональными группами. Спирты,
алкилгалогениды, альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты, сложные эфиры, амины,
ароматические соединения. Физические свойства соединений, относящихся к разным
классам. Летучие жидкости.
г) Алкены, геометрия, реакции присоединения: водород, галогены и т.д. Насыщенные и
ненасыщенные углеводороды. Нефть, крекинг. Растительные и животные жиры, маргарин.
Примеры различных полимеров.
д) Спирты: горение, окисление до карбонильных и карбоксильных соединений. Первичный,
вторичный, третичный углерод.
е) Первичные и вторичные/третичные алкилгалогениды. Понятие электрофила и нуклеофила.
Механизмы Sn1 и Sn2: мономолекулярные и бимолекулярные процессы. Понятие
индуктивного эффекта. Определение механизмов и путей органических реакций.
ж) Дополнительные классы соединений: амиды, нитрилы. Реакции нуклеофильного
замещения и факторы, на них влияющие. Реакции элиминирования. Реакции конденсации
(этерификация). Аминокислоты и белки. Полиамиды.
з) Стереоизомеризация и геометрическая изомеризация. Хиральный углерод и энантиомеры.
Поляриметрия, рацемат.
11. Погрешности.
а) Возпроизводимость и выборка. Точность измерений. Систематическая и случайная
погрешность.
б) Округление и значимые цифры. Обработка графических данных и выбор осей.
ОПЦИЯ А: СОВРЕМЕННАЯ АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
а) Хроматография: адсорбция, стационарная и движущаяся фаза, кооэффициент разделения.
ГЖХ, бумажная (понятие элюэнта), тонкослойная, колоночная хроматография.
б) Спектроскопия: испускание и поглощение. ИК и колебания, волновые числа,
характеристические полосы. Масс-спектрометрия и анализ пиков. ЯМР и химический сдвиг,
МРТ. Спектроскопия атомного поглощения и определение концентрации.
в) УФ-спектроскопия. Цветовой круг и дополнительные цвета. Спектрохимический ряд. УФи органика. ЯМР высокого разрешения, мультиплетность линий. ВЭЖХ, устройства
хроматографа и расшифровка хроматограмм.
ОПЦИЯ F: ПИЩЕВАЯ ХИМИЯ
а) Необходимые элементы и минералы, базовые группы продуктов. Понятие диеты.
б) Жиры и масла, температура плавления. Различные жирные кислоты. Срок хранения и
протухания. Механизмы протухания, гидролитическое и окислительное протухание.
в) Антиоксиданты, примеры. Пигменты, красители, примеры. Карамелизация, реакция
Мейарда.
г) ГМО: преимущества и недостатки. Дисперсные системы: суспензии и эмульсии, пены.
Эмульгаторы.
д) Окислительное протухание: подробный механизм. Типы антиоксидантов по механизму.
Хиральность. Подробное описание структуры красителей.
 Проведение лабораторных работ
 Междисциплинарный проект (физика/химия/биология (Группа 4))
ИТОГОВОЕ ОЦЕНИВАНИЕ
СТАНДАРТНЫЙ УРОВЕНЬ
STANDARD LEVEL
Письменная работа Paper 1: 30 вопросов (задание на множественный выбор) по темам
основной части
Письменная работа Paper 2
Раздел A: один вопрос, основанный на данных, и несколько вопросов, требующих краткого
ответа, по темам основной части (все обязательные)
Раздел B: один вопрос, требующий развернутого ответа, по темам основной части (выбор из
трех вопросов)
Письменная работа Paper 3: Включает вопросы по каждой из двух выбранных опций (все
обязательные)
ПОВЫШЕННЫЙ УРОВЕНЬ
HIGHER LEVEL
Письменная работа Paper 1: 40 вопросов (задание на множественный выбор) (±15
соответствуют стандартному уровню плюс еще пять по темам основной части и около еще
20 вопросов по материалам Повышенного уровня)
Письменная работа Paper 2:
Раздел A: Один вопрос, основанный на данных, и несколько вопросов, требующих краткого
ответа, по темам основной части и материалам Повышенного уровня (все обязательны)
Раздел B: Два вопроса, требующих развернутого ответа, по темам основной части и
материалам Повышенного уровня (выбор из четырех вопросов)
Письменная работа Paper 3: Включает вопросы по каждой из двух выбранных опций (все
обязательные)
 Отчеты по лабораторным работам
 Междисциплинарный проект (физика/химия/биология (Группа 4))