Методические указания и контрольные задания по дисциплине физическая химия. Рекомендовано Методическим советом угтуупи для студентов заочного обучения направления 150100 Металлургия, специальности
 Скачать 332.59 Kb.
|
|
Федеральное агентство по образованию ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет − УПИ» А.А. Жуков РАБОЧАЯ ПРОГРАММА. ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ Учебное электронное текстовое издание Подготовлено кафедрой «Теория металлургических процессов» Рабочая программа, методические указания и контрольные задания по дисциплине физическая химия. Рекомендовано Методическим советом УГТУ-УПИ для студентов заочного обучения направления 150100 – «Металлургия», специальности 150101 – «Металлургия черных металлов», 150102 – «Металлургия цветных металлов». Рассмотрены законы физической химии и их приложение к термодинамическому и кинетическому анализу систем и процессов. Даны общие методические рекомендации и порядок работы студентов при изучении дисциплины. Приведены вопросы для самоконтроля и варианты контрольных работ, предусмотренных учебным планом. Указана учебная литература. © ГОУ ВПО УГТУ−УПИ, 2006 Екатеринбург 2006 Жуков А.А. Физическая химия ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2006 Стр. 1 из 35 Для успешного освоения дисциплины студент должен владеть основами высшей математики, в частности, знать дифференциальное и интегральное исчисления, физики (термодинамика, строение вещества) и химии (свойства элементов и соединений, химическая связь, стехиометрия химических реакций). 1. Цель и задачи изучения дисциплины Сформировать знания основных понятий и законов физической химии; познакомить с основными расчетными и экспериментальными методами физической химии, научить применять эти методы для решения задач, связанных с производством и обработкой металлов и сплавов. 2. Требования к уровню освоения дисциплины Знать: основные понятия и законы физической химии. Уметь выполнять: термодинамические расчеты; анализ и расчеты фазового и химического состава равновесных систем; кинетический анализ процессов. Иметь навыки: проведения физико-химического анализа металлургических систем и процессов. 3. Объем дисциплины и виды учебной работы (часов) Всего часов 150101 150102 Вид занятий 150101 150102 5 сем. 6 сем. 5 сем. 6 сем. Общая трудоемкость дисциплины 280 280 140 140 140 140 Аудиторные занятия 56 40 28 28 20 20 Лекции (Л) 36 20 18 18 10 10 Лабораторные работы (ЛР) 10 10 5 5 5 5 Жуков А.А. Физическая химия ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2006 Стр. 2 из 35 Практические занятия (ПЗ) 10 10 5 5 5 5 Самостоятельная работа (СР) 224 240 112 112 120 120 Изучение теоретического материала 194 210 97 97 105 105 Выполнение контрольных работ (2), включая подготовку рефератов 24 24 12 12 12 12 Подготовка к лабораторным работам и практическим занятиям 6 6 3 3 3 3 Вид итогового контроля Зач. Экз. Зач. Экз. 4. Содержание дисциплины 4.1. Разделы дисциплины и виды занятий Л, ч СР, ч № п/п Раздел дисциплины 150101 150102 ЛР, ч ПЗ, ч 150101 150102 1 Введение 2 Первый закон термодинамики и его применение к расчету тепловых эффектов 3 1,5 1 1 27 30 3 Второй закон термодинамики и его применение к определению направления процессов и условий равновесия 4 2 1 1 37 40 4 Третий закон термодинамики и расчет абсолютных значений энтропии 0,5 0,5 4 4 5 Термодинамическая теория растворов 6,5 4 1.5 1,5 28 30 6 Гетерофазные равновесия 6 3 1,5 1,5 28 30 7 Поверхностные явления 4 1,5 2 2 24 26 Жуков А.А. Физическая химия ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2006 Стр. 3 из 35 8 Строение и структурно- чувствительные свойства жидкостей 2 1 19 20 9 Кинетика гомогенных химических реакций 3 2 1,5 1,5 19 20 10 Кинетика гетерогенных процессов 4 2,5 1,5 1,5 19 20 11 Основы электрохимии 3 2 19 20 12 Заключение 4.2. Содержание разделов дисциплины Введение Предмет и задачи курса «Физическая химия». Связь его со смежными дисциплинами. Значение физической химии для металлургии. Основные разделы курса. Методы физической химии: термодинамический и молекулярно- кинетический. Роль и значение модельных представлений в физической химии, связь модели и эксперимента. Раздел 2. Первый закон термодинамики и его применение к расчету тепловых эффектов Предварительные сведения и определения термодинамического метода. Система, состояние системы и параметры ее состояния. Экстенсивные и интенсивные свойства системы, изменение свойств системы. Трактовка понятий «работа» и «теплота» как характеристик процесса. Первый закон термодинамики в общем виде и его частные случаи. Тепловые эффекты Q v и Q p . Определение тепловых эффектов и их связь с изменением внутренней энергии и энтальпии системы. Закон Гесса и его применение. Теплоемкость и зависимость ее от температуры. Связь С v и C p для идеального газа. Зависимость теплового эффекта реакции от температуры в дифференциальной и интегральной формах. Связь между Q v и Q p для процессов с участием газов. Жуков А.А. Физическая химия ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2006 Стр. 4 из 35 Раздел 3. Второй закон термодинамики и его применение к определению направления процессов и условий равновесия Второй закон термодинамики и границы его применимости. Hаправленность макроскопических процессов. Обратимые и необратимые процессы. Статистический характер второго закона термодинамики. Термодинамическая вероятность и энтропия. Связь изменения энтропии с теплотой процесса. Определение направления процессов и условий равновесия по изменению энтропии в адиабатических условиях. Изменение энтропии при фазовых переходах чистых веществ. Энергия Гельмгольца (F) и энергия Гиббса (G). Определение направления процессов и условий равновесия по изменению энергии Гельмгольца или энергии Гиббса. Зависимость энтропии и энергии Гиббса от температуры и давления. Связь ∆F и ∆G с работой обратимого процесса. Химическое сродство. Фугитивность. Стандартные состояния вещества. Изменение энергии Гиббса при переходе веществ из стандартного состояния в произвольно заданное. Термодинамическая активность вещества. Связь между стандартным и нестандартным изменением энергии Гиббса в химической реакции. Уравнение изотермы реакции. Константа равновесия реакции. Способы выражения константы равновесия. Зависимость изменения энергии Гиббса и константы равновесия от температуры (уравнения Гиббса-Гельмгольца и изобары химической реакции). Расчет константы равновесия химической реакции при различных температурах по уравнению Темкина-Шварцмана и приближенным формулам. Принцип смещения равновесия при внешнем воздействии на систему (принцип Ле-Шателье). Жуков А.А. Физическая химия ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2006 Стр. 5 из 35 Раздел 4. Третий закон термодинамики и расчет абсолютных значений энтропии Третий закон термодинамики в формулировке Планка. Энтропия и теплоемкость вещества при абсолютном нуле температуры. Вычисление абсолютного значения энтропии по теплоемкостям веществ и теплотам их фазовых превращений. Раздел 5. Термодинамическая теория растворов Определение раствора. Способы выражения концентраций компонентов. Парциальные молярные свойства компонентов раствора и методы их определения. Уравнение связи парциального молярного свойства компонентов (уравнение Гиббса-Дюгема) и его анализ. Теплоты растворения − интегральная и дифференциальная. Знак теплоты смешения и соотношение энергий одноименных и разноименных связей в растворе. Влияние теплоты агрегатного превращения при образовании раствора на теплоту растворения. Изменение энергии Гиббса при образовании раствора. Реальные растворы. Химический потенциал, активность и коэффициент активности компонента раствора. Способы выбора стандартного состояния компонента раствора. Идеальные растворы. Парциальные молярные свойства компонентов в идеальных растворах. Изменение энтропии и энергии Гиббса при образовании идеального раствора. Активность компонента в идеальном растворе. Закон Рауля. Бесконечно разбавленные растворы. Активность растворителя и растворенного вещества в бинарном растворе. Закон Генри. Hулевое приближение теории регулярных растворов. Зависимость коэффициентов активности компонентов регулярного раствора от состава. Энергия взаимообмена. Активности компонентов в реальном растворе. Экспериментальные методы определения активностей компонентов раствора. Жуков А.А. Физическая химия ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2006 Стр. 6 из 35 Раздел 6. Гетерофазные равновесия Общая характеристика гетерофазных равновесий. Определение количеств фаз и компонентов термодинамической системы. Правило фаз Гиббса и частные случаи его применения. Фазовые превращения индивидуальных веществ. Уравнение Клаузиуса- Клапейрона и его анализ. Диаграмма состояния однокомпонентной системы. Зависимость давления насыщенного пара конденсированного вещества от температуры. Фазовые равновесия с участием растворов. Давление насыщенного пара над идеальным раствором. Закон Рауля. Состав пара над идеальным раствором. Правило Коновалова. Соотношение количеств вещества в фазах - правило рычага. Давление насыщенного пара над бесконечно разбавленным раствором. Закон Генри. Давление насыщенного пара над реальным раствором. Распределение вещества между двумя фазами. Константа и коэффициент распределения. Применение общего уравнения к идеальным и бесконечно разбавленным растворам. Связь между температурой начала кристаллизации растворителя из жидкого раствора и его составом. Температура начала кристаллизации растворителя из идеальных растворов. Равновесие твердого и жидкого идеальных растворов. Кристаллизация растворителя из бесконечно разбавленного раствора. Криоскопия. Влияние диссоциации растворенного вещества на понижение температуры начала кристаллизации. Диаграммы состояния двухкомпонентных систем. Системы с эвтектикой, с ограниченной и полной растворимостью компонентов, с химическими соединениями. Порядок кристаллизации. Определение числа, агрегатного состояния, состава и относительного количества вещества в фазах при различных температурах. Трехкомпонентные системы. Треугольник составов. Диаграмма состояния системы с одной тройной эвтектикой. Порядок кристаллизации. Жуков А.А. Физическая химия ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2006 Стр. 7 из 35 Раздел 7. Поверхностные явления Энергетические различия частиц в поверхностном слое и в объеме конденсированной фазы. Удельная поверхностная энергия. Поверхностное и межфазное натяжение. Работа когезии и адгезии фаз. Смачивание твердых тел жидкостями. Капиллярные явления. Уравнение Лапласа. Давление насыщенного пара над искривленной поверхностью. Повышение реакционной способности измельченного вещества. Поверхностное натяжение растворов. Поверхностно-активные вещества. Адсорбция. Адсорбционное уравнение Гиббса и его применение к бинарным растворам. Расчет адсорбции компонентов по вариантам Гиббса и Гуггенгейма. Адсорбция газов на поверхности твердых тел. Изотерма Лэнгмюра. Влияние температуры на величину равновесной адсорбции. Раздел 8. Строение и структурно-чувствительные свойства жидкостей Близость жидкого и твердого состояний вблизи температуры плавления и различия между ними. Характер теплового движения частиц в жидкости. Результаты дифракционных и других физических методов исследования строения жидкостей. Ближний порядок частиц в жидкости. Основные модели жидкого состояния. Вязкость жидкости и ее связь со строением жидкости. Зависимость вязкости от температуры. Раздел 9. Кинетика гомогенных химических реакций Скорость гомогенной химической реакции. Зависимость скорости реакции от концентрации реагентов. Динамическая природа химического равновесия. Порядок и молекулярность реакции. Изменение концентрации реагирующих веществ со временем для реакций разного порядка. Период полупревращения. Методы определения порядка химической реакции. Зависимость скорости реакции от температуры. Теория активных соударений. Энергия активации. Вероятностный (стерический) фактор. Экспериментальное определение энергии активации. Гомогенный катализ. Жуков А.А. Физическая химия ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2006 Стр. 8 из 35 Раздел 10. Кинетика гетерогенных процессов Скорость гетерогенной химической реакции. Этапы процесса: доставка реагирующих веществ к месту реакции, адсорбционно-химический акт, отвод продуктов реакции. Режим гетерогенного процесса. Диффузия в твердых, жидких и газовых средах. Первый закон Фика. Механизм молекулярной диффузии в конденсированных фазах. Зависимость коэффициента диффузии от температуры. Формально-кинетическое уравнение гетерогенной реакции и его анализ. Особенности реакции, идущей в диффузионном режиме: влияние температуры и интенсивности перемешивания среды на ее скорость. Порядок реакции. Адсорбционно-химический акт. Влияние адсорбции на кинетические характеристики гетерогенной реакции: порядок и энергию активации. Гетерогенный катализ. Основы теории зарождения новой фазы. Гомофазные и гетерофазные флюктуации. Изменение энергии Гиббса в процессе роста гетерофазной флюктуации. Критический размер зародышей новой фазы. Особенности возникновения зародышей на готовых поверхностях. Роль смачивания и ориентационно-размерного соответствия фаз. Скорость возникновения зародышей новой фазы. Роль диффузии. Скорость движения фронта кристаллизации. Факторы, определяющие размер зерен образующейся твердой фазы. Раздел 11. Основы электрохимии Протекание окислительно-восстановительной реакции электрохимическим путем. Законы Фарадея и причины отклонения от них. Выход по току. Электропроводность расплавленных электролитов. Связь между вязкостью и электропроводностью ионного расплава. Особенности твердых электролитов. Термодинамика гальванических элементов. Равновесный электродный потенциал и его зависимость от концентрации реагентов. Типы гальванических элементов и факторы, влияющие на их ЭДС. Применение гальванических элементов в пирометаллургии. Жуков А.А. Физическая химия ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2006 Стр. 9 из 35 Кинетика электродных процессов. Плотность тока и скорость электродного процесса. Электродное перенапряжение. Диффузионный режим электродного процесса. Предельный ток диффузии. Режим замедленного разряда. Ток обмена. Особенности протекания электродных процессов в многокомпонентных системах. Заключение Роль физической химии в совершенствовании металлургических технологий, повышении экономической эффективности и экологичности производства. 5. Лабораторные и практические занятия Семестр 5 № п/п № раздела Наименование лабораторных работ и практических занятий 1 3 Равновесие реакции диссоциации карбоната 2 5 Теплота растворения 3 5 Парциальные молярные свойства компонентов раствора 4 6 Распределение веществ между двумя фазами Семестр 6 № п/п № раздела Наименование лабораторных работ и практических занятий 1 7 Поверхностное натяжение жидкости, смачивание и адгезия фаз 2 9 Порядок химической реакции. Катализ 3 9 Зависимость скорости химической реакции от температуры 4 10 Кинетика горения графита на воздухе Жуков А.А. Физическая химия ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2006 Стр. 10 из 35 6. Учебно-методическое обеспечение дисциплины 6.1. Рекомендуемая литература а) основная: 1. Жуховицкий, А.А. Физическая химия / А.А. Жуховицкий, Л.А. Шварцман ; М. : Металлургия, 2001. 688 с. 2. Бокштейн, Б.С. Краткий курс физической химии / Б.С. Бокштейн, М.И. Менделев ; М. : ЧеРо, 1999. 230 с. 3. Стромберг, А.Г. Физическая химия / А.Г. Стромберг, Д.П. Семченко ; М. : Высшая школа, 2003. 528 с. 4. Сотников, А.И. Элементы физической химии металлургических процессов. / А.И. Сотников, А.Н. Ватолин ; Екатеринбург : Издание УГТУ- УПИ, 2004. 125 с. 5. Краткий справочник физико-химических величин / Под ред. А.А. Равделя , А.И. Пономаревой ; СПб. : Иван Федоров, 2002. 229 с. б) дополнительная: 6. Жуховицкий, А.А. Краткий курс физической химии / А.А. Жуховицкий, Л.А. Шварцман ; М. : Металлургия, 1979. 368 с. 7. Краснов, К.С. Физическая химия ; М. : Высшая школа, 1982. 687 с. 8. Киреев, В.А. Краткий курс физической химии ; М. : Химия, 1978. 620 с. 9. Филиппов, Ю.В. Физическая химия / Ю.В. Филлипов, М.П. Попович; М. : Изд-во МГУ, 1980. 400 с. 10. Кудряшов, И.В. Сборник примеров и задач по физической химии / И.В. Кудряшов, Г.С. Каретников ; М. : Высшая школа, 1991. 527 с. 11. Кожурков, В.Н. Термодинамика : методические указания к лабораторным работам по курсу «Физическая химия» / В.Н. Кожурков, А.В. Деев ; Свердловск : Изд-во УПИ, 1991. 41с. 12. Кожурков, В.Н. Растворы : методические указания к лабораторным работам по курсу «Физическая химия» / В.Н. Кожурков, А.В. Деев ; Свердловск : Изд-во УПИ, 1991. 27с. Жуков А.А. Физическая химия ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2006 Стр. 11 из 35 13. Невидимов, В.Н. Кинетика химических реакций. Поверхностные явления. Растворы : методические указания к лабораторным работам по курсу «Физическая химия» / В.Н. Невидимов, И.С. Зиновьева, Н.Ю. Добрынина ; Екатеринбург.: Изд-во УГТУ-УПИ, 2004. 36 с. 6.2. Средства обеспечения освоения дисциплины 6.2.1. Индивидуальные контрольные работы по темам: Работа 1. Законы термодинамики и их применение для расчета характеристик процессов (разделы 2,3), термодинамическая теория растворов (раздел 5), гетерофазные равновесия (раздел 6). Работа 2. Поверхностные явления (раздел 7), кинетика гомогенных химических реакций (раздел 9), кинетика гетерогенных процессов (раздел 10), основы электрохимии (раздел 11). 6.2.2. Компьютерные программы для обработки результатов лабораторных работ и расчета термодинамических характеристик химических реакций. |