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.
|
|
7. Материально-техническое обеспечение дисциплины Лабораторный практикум по физической химии. 8. Методические рекомендации по изучению дисциплины 8.1. Общая характеристика изучаемой дисциплины Физическая химия является научной основой процессов получения металлов и сплавов, повышения их качества, разработки методов рационального использования сырья и топлива, создания безотходных технологий. Физическая химия играет ведущую роль в формировании научного мировоззрения инженера-металлурга, так как с самых общих позиций позволяет анализировать и прогнозировать течение процессов в металлургических агрегатах. Физическая химия изучает законы, управляющие химическими процессами, связь этих процессов со свойствами участвующих в них веществ и с условиями, при которых они протекают. В физической химии Жуков А.А. Физическая химия ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2006 Стр. 12 из 35 рассматриваются равновесные состояния тел (систем), направления процессов в системах, не находящихся в равновесии, а также механизм (физическая модель) и скорости превращения. Для раскрытия механизма процессов и объяснения свойств систем изучаются особенности строения веществ и характер межчастичных связей. В физической химии применяются два основных метода: термодинамический и молекулярно-кинетический, которые в значительной мере дополняются статистическим. Особенность термодинамического метода (химической термодинамики) состоит в том, что на основе общих законов, являющихся обобщением большого человеческого опыта, и с привлечением соответствующих термических характеристик веществ и процессов (теплоемкостей, тепловых эффектов реакций и фазовых превращений) определяют направление процессов и условия равновесия. В кинетическом методе (химической кинетике) применяются два основных подхода к решению задач. Один из них - формальная кинетика: используются формальные кинетические уравнения и некоторые опытные данные (энергия активации, порядок реакций). Это позволяет описывать влияние различных факторов на скорость процесса. Более глубоким является молекулярно- кинетический анализ, в котором, исходя из атомно-молекулярного строения вещества, и опытных данных выявляют возможный механизм процесса, его стадийность и на основе этого составляют кинетическое уравнение. Молекулярно-кинетический анализ требует детальных сведений о строении вещества, энергиях межатомных связей, применения физической статистики. В настоящее время используются как формальная кинетика, так и молекулярная. Изучение основ химической термодинамики и кинетики и их приложение к анализу важнейших процессов, протекающих в металлургических агрегатах, а также закономерностей фазовых превращений, составляет основное содержание курса. Жуков А.А. Физическая химия ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2006 Стр. 13 из 35 8.2. Методические указания по изучению дисциплины Изучение физической химии студентом заочного и дистанционного обучения предусматривает самостоятельную работу над курсом по учебникам и учебным пособиям в соответствии с разделами и темами, приведенными в программе, выполнение контрольных и лабораторных работ с последующей сдачей зачета и экзамена. С целью систематизации знаний студентам читаются обзорные лекции, в которых освещаются основополагающие вопросы курса, разъясняются наиболее сложные моменты. Объем этих лекций составляет менее одной трети времени, необходимого для изложения курса согласно программе, и недостаточен для сдачи студентами зачета и экзамена. 8.2.1. Самостоятельная работа Изучение материала по учебникам и учебным пособиям является главным видом работы студента. При этом рекомендуется придерживаться одного основного учебника или учебного пособия при работе над каждым из разделов курса. Однако работа по основному пособию может не дать полного или ясного ответа на некоторые вопросы программы. В этих случаях рекомендуется обращаться к другим учебным пособиям. Чтение учебного пособия целесообразно сопровождать составлением конспекта, в котором, в частности, рекомендуется записывать формулировки законов и их математическое выражение. Для лучшего усвоения закономерностей студент должен стремиться понять логическую связь предпосылок вывода, хода преобразований и результата. Через некоторое время полезно воспроизвести тот же вывод, не заглядывая в книгу. Очень важно научиться анализировать выведенные уравнения и применять их. При изучении каждого раздела рекомендуется проводить систематический самоконтроль путем ответа на вопросы, поставленные в конце соответствующих разделов программы. Умение ответить на них является необходимым условием успешной сдачи зачета и экзамена. Список рекомендуемых учебников и учебных пособий приведен ниже. Жуков А.А. Физическая химия ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2006 Стр. 14 из 35 Отметим, что он является неполным, поскольку литература по физической химии весьма обширна. При изучении курса можно пользоваться любыми книгами, не является существенным и год издания. Однако желательно отдать предпочтение тем учебникам, в которых учтена металлургическая специфика. Это, например, [1,4,6] в приведенном списке. Студентам, проживающим вблизи высших учебных заведений, филиалов и учебно-консультационных пунктов, в которых читается физическая химия для металлургов, рекомендуется в целях облегчения самостоятельной работы прослушать курс лекций по физической химии. Студенты могут также пользоваться очными консультациями преподавателей кафедры «Теория металлургических процессов». 8.2.2. Выполнение контрольных работ Контрольная работа состоит из реферата по какому-либо вопросу физической химии и развернутого решения задач. Реферат должен по возможности полно отражать тему, включая и вывод уравнений. Необходимо приводить исходные посылки и последующие преобразования, поясняемые текстом. Поскольку важным является применение теоретических положений к анализу конкретных систем и процессов, изложение следует иллюстрировать примерами. Желательно при составлении реферата воспользоваться несколькими литературными источниками для более полного раскрытия темы. В конце реферата необходимо привести их список, а в тексте дать ссылки. Условием прочного усвоения теоретических положений и умения применять их на практике является решение задач. Этому должна предшествовать проработка соответствующего материала по одному из учебных пособий. При решении задач рекомендуется пользоваться системой единиц СИ. Можно, однако, использовать в ходе решения и другие единицы измерения. Необходимо лишь строго следить за соответствием размерностей Жуков А.А. Физическая химия ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2006 Стр. 15 из 35 употребляемых величин. Игнорирование последней рекомендации является распространенной причиной ошибок в решениях. Конечный результат во всех случаях должен быть выражен в системе СИ. При решении задач нужно давать краткие, но исчерпывающие пояснения, указывать основные законы и формулы, на которых базируется решение, раскрывать физический смысл обозначений. В том случае, когда недостающие в условии задачи величины заимствуются из справочника, необходимо указывать, откуда они взяты. Для решения всех задач достаточно справочника [5], но можно использовать и другие. При затруднениях в решении полезно воспользоваться пособиями, например, [10]. В них, как правило, кратко изложены основные теоретические положения по нужной теме, приведены необходимые уравнения, а также рассмотрены примеры решения типовых задач. Студент должен написать реферат и решить все задачи своего варианта в каждой из двух контрольных работ, предусмотренных учебным планом. Номер варианта контрольной работы совпадает с последней цифрой шифра студента. 8.2.3. Выполнение лабораторных работ Лабораторные работы имеют цель углубить теоретические знания студента, познакомить его с измерительной аппаратурой и методами физико- химических измерений. Работы выполняются в лабораторном практикуме кафедры «Теория металлургических процессов» во время сессии. Перед каждой лабораторной работой студенты сдают коллоквиум, а после ее выполнения – отчет установленной формы. 8.2.4. Контроль знаний студентов В соответствии с учебным планом в пятом семестре студенты сдают теоретический зачет, а в шестом – экзамен. Условием допуска студента к сдаче зачета и экзамена является наличие зачтенных контрольной работы и отчетов по всем выполненным лабораторным работам. Зачет и экзамен могут приниматься как в устной, так и в тестовой форме. Жуков А.А. Физическая химия ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2006 Стр. 16 из 35 8.3. Вопросы для самоподготовки При изучении курса студентам рекомендуется систематически проверять свои знания, отвечая на приведенные ниже вопросы. 8.3.1. Разделы 2 – 6 1. Какие основные термодинамические характеристики системы определяют ее состояние? Чем являются теплота и работа? 2. Сформулируйте первый закон термодинамики. Что представляют собой внутренняя энергия и энтальпия. При каких условиях пользуются изменением энергии и изменением энтальпии? 3. Дайте определение теплоемкости при постоянном давлении и постоянном объеме. Объясните, почему теплоемкости отличаются друг от друга, и покажите, что для идеального газа С р – C v = R. 4. Что называется тепловым эффектом химической реакции? Сформулируйте закон Гесса и покажите его связь с первым законом термодинамики. Каково соотношение между изобарным и изохорным тепловыми эффектами? 5. Выведите уравнение Кирхгофа, описывающее зависимость теплового эффекта реакции от температуры. Как проводятся расчеты теплового эффекта реакции при заданной температуре? 6. В чем состоит назначение второго закона термодинамики? Что называется термодинамической вероятностью? Какова ее связь с энтропией? Запишите уравнение второго закона термодинамики для обратимых и необратимых процессов. Как и при каких условиях можно с его помощью определить направление процесса в системе? 7. Как рассчитать изменение энтропии при переходе вещества из одного агрегатного состояния в другое? 8. Дайте определение энергии Гиббса и энергии Гельмгольца. Как и при каких условиях с их помощью определяют направление процессов в системе и условия равновесия? Жуков А.А. Физическая химия ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2006 Стр. 17 из 35 9. Как зависят энтропия и энергия Гиббса от основных параметров состояния – температуры и давления? 10. Что такое фугитивность? Какова необходимость введения стандартного состояния вещества? Что принимают за стандартное состояние газа и конденсированного вещества? 11. Дайте определение термодинамической активности. Как она связана с изменением энергии Гиббса вещества при его переходе из стандартного состояния в заданное? 12. Выведите уравнение изотермы химической реакции. Как с его помощью определить направление химической реакции? Что представляет собой константа равновесия химической реакции и в чем ее отличие от произведения активностей? 13. Выведите уравнение изобары химической реакции. Как с его помощью определяют зависимость константы равновесия реакции от температуры? 14. Выведите уравнение Темкина-Шварцмана для расчета константы равновесия реакции от температуры. Какие термодинамические характеристики необходимы для его применения? 15. Приведите примеры определения направления процесса по принципу смещения равновесия (принципу Ле-Шателье). 16. Сформулируйте третий закон термодинамики в виде постулата Планка. Как с его помощью можно рассчитать абсолютное значение энтропии вещества при заданной температуре? 17. Дайте определение раствора. Каковы основные способы выражения концентраций компонентов раствора и какова взаимосвязь между ними? 18. Дайте определение парциальных молярных свойств компонента раствора. Какое значение имеют эти величины в термодинамике растворов? Опишите графический метод вычисления парциальных молярных величин. 19. Что называется теплотой растворения? В чем различие интегральной и дифференциальной теплоты растворения? От чего зависит знак теплоты растворения? Каково изменение энергии Гиббса вещества при его растворении? Жуков А.А. Физическая химия ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2006 Стр. 18 из 35 20. Какой раствор называется идеальным? Докажите, что в идеальном растворе активность компонента равна его мольной доле. 21. Что такое бесконечно разбавленный раствор? Как связаны между собой активности и мольные доли его компонентов? 22. Какова взаимосвязь активностей и мольных долей компонентов в реальном растворе? 23. Что такое гетерогенная система? Выведите уравнение, выражающее общие условия равновесия в многокомпонентной многофазной системе (правило фаз Гиббса) и примените его к анализу равновесия какой-либо химической реакции. 24. Выведите уравнение Клаузиуса-Клапейрона и проведите его анализ. 25. Чему равно равновесное давление пара компонента над идеальным раствором? Что изменится в случае реального раствора? Как определить состав насыщенного пара над идеальным раствором? 26. Как повлияет присутствие растворенного вещества на температуру начала кристаллизации растворителя? 27. Проведите анализ диаграмм состояния бинарных систем с полной взаимной нерастворимостью, с ограниченной растворимостью и с полной растворимостью компонентов в твердом состоянии. 28. Что представляют собой константа и коэффициент распределения вещества между двумя конденсированными фазами? Каково влияние на них состава фаз в случае реального, идеального и разбавленного растворов? 8.3.2. Разделы 7 – 11 1. Каково различие энергетического состояния частиц в поверхностном слое и в объеме фазы? Дайте определение поверхностного натяжения. Что такое работа когезии вещества и работа адгезии фаз? 2. Какие вещества являются поверхностно-активными и почему? Что такое адсорбция и какие экспериментальные данные необходимы для ее расчета? Жуков А.А. Физическая химия ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2006 Стр. 19 из 35 3. Как зависит скорость химической реакции от концентрации реагентов? Сформулируйте понятия молекулярности и порядка реакции. 4. Покажите, как изменяется концентрация реагирующих веществ со временем для реакций нулевого, первого, второго и третьего порядков. 5. Дайте обзор методов определения порядка реакции. 6. В чем сущность теории активных соударений? Что такое энергия активации? Как ее можно определить экспериментально? 7. Какие этапы включает в себя гетерогенная химическая реакция? Перечислите признаки процессов, протекающих в диффузионном и кинетическом режимах. 8. Каковы особенности диффузии в твердых, жидких и газовых средах? Как влияет температура на коэффициенты диффузии? 9. Каково влияние адсорбции на кинетический этап гетерогенной реакции? 10. Изложите основные положения термодинамики зарождения новой фазы. Покажите, как влияет межфазное натяжение и величина переохлаждения на критический размер зародыша. 11. Проанализируйте влияние переохлаждения и диффузионной подвижности частиц на кинетические особенности процесса кристаллизации. 12. Укажите сильные и слабые стороны теории электролитической диссоциации Аррениуса. Опишите характер изменения эквивалентной электропроводности при разбавлении растворов хлористого калия и уксусной кислоты. 13. Дайте понятие «гальванический элемент», выведите формулы для расчета температурной зависимости ЭДС элемента. 14. Дайте понятие «концентрационная цепь», изложите электрохимический метод определения термодинамической активности компонентов ионного или металлического растворов. 15. Какими явлениями может быть обусловлен выход по току меньше 100 % и перерасход энергии при электролизе? Жуков А.А. Физическая химия ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2006 Стр. 20 из 35 8.4. Контрольная работа № 1 (5 семестр, разделы 2 - 6) 8.4.1. Темы рефератов 1. Первый закон термодинамики и его применение к различным процессам. Закон Гесса и его следствия. Зависимость теплового эффекта реакции от температуры. Методика расчета теплового эффекта реакции при заданной температуре. 2. Второй закон термодинамики. Определение направления макроскопических процессов с помощью энтропии, энергии Гиббса и энергии Гельмгольца. 3. Стандартное состояние вещества. Стандартные процессы. Связь между стандартным и нестандартным изменениями энергии Гиббса при протекании химической реакции (уравнение изотермы реакции и методика его применения). 4. Константа равновесия химической реакции. Способы выражения константы равновесия. Зависимость константы равновесия от температуры. Расчет константы равновесия при различных температурах по методу Темкина- Шварцмана. 5. Парциальные молярные свойства компонентов раствора. Методы их определения. Уравнение Гиббса-Дюгема и его анализ. 6. Идеальные и бесконечно разбавленные растворы. Вывод уравнений связи активностей и мольных долей компонентов. 7. Правило фаз Гиббса. Его вывод и применение на примере анализа диаграммы состояния однокомпонентной гетерофазной системы. Уравнение Клаузиуса-Клапейрона. 8. Равновесие насыщенного пара с идеальным, бесконечно разбавленным и реальным растворами. Законы Рауля и Генри. Правило Коновалова. 9. Кристаллизация растворителя из раствора. Общее уравнение зависимости температуры начала кристаллизации от состава и его применение к идеальному и бесконечно разбавленному растворам. Криоскопия. 10. Распределение вещества между двумя фазами. Вывод закона распределения и его применение к растворам различного типа. Жуков А.А. Физическая химия ГОУ ВПО УГТУ-УПИ – 2006 Стр. 21 из 35 8.4.2. 3адачи 1. Найти изменение внутренней энергии при испарении 3 кг воды при 373 К. Процесс идет при атмосферном давлении. 2. Водород в количестве 3г находится при нормальных условиях. После расширения при постоянном давлении он занял объем 80 литров. Определить совершенную работу и полученное газом количество теплоты. 3. Найти температуру после изохорического изменения давления азота, взятого в количестве 5 г, от 2 атм при температуре 273 К до 0,2 атм. Каков тепловой эффект этого процесса? 4. В закрытом сосуде находятся 10 г кислорода при давлении 0,5 атм и температуре 290 К. После нагревания давление в сосуде повысилось до 4 атм. Какое количество тепла сообщено газу? До какой температуры нагрелся газ? 5. Какое количество теплоты поглотится при изотермическом расширении при 290 К 50 г кислорода от состояния при нормальном давлении до объема 100 литров? 6. Истинная теплоемкость твердой меди выражается уравнением С р = 22,64 + 6,28 ⋅10 -3 Т, Дж / (моль К). Удельная теплота плавления меди равна 179,9 кДж / кг. Какое количество тепла выделится при затвердевании 1 кг расплавленной меди и охлаждении ее от Т плавления (1356К) до 228 К? 7. Истинная теплоемкость серы выражается уравнением С р = 15,0 + 26,1 ⋅10 -3 Т, Дж / (моль К). Определить величину средней теплоемкости серы в пределах от 273 до 368 К. 8. Зависимость истинной теплоемкости металлического ниобия от температуры выражается уравнением С р = 23,81 + 3,816 ⋅10 -3 T, Дж / (моль К), которое справедливо в интервале 273 – 1573 К. Получить зависимость энтальпии ниобия в этом интервале от температуры в виде уравнения. Вычислить изменение энтальпии ниобия при его нагревании от 273 до 1273 К. 9. Комната имеет площадь 20 м 2 и высоту 4 м. Какое количество теплоты потребуется, чтобы нагреть воздух в этой комнате от 273 до 303 К при полной |