ДДС Ф 4 Физическая химия. Учебнометодический комплекс дисциплины Для специальности 050102. 65 Биология с дополнительной специальностью Химия
 Скачать 0.58 Mb.
|
|
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский Государственный педагогический университет» Кафедра химии Физическая химия Учебно-методический комплекс дисциплины Для специальности050102.65 – «Биология с дополнительной специальностью «Химия»
ПермьПГПУ2010Р е ц е н з е н т:кандидат химических наук доцент С.И. Рогожников, Автор-составитель: доктор химических наук профессор В.О. Козьминых Учебно-методический комплекс составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по специальности 050102.65 – «Биология с дополнительной специальностью «Химия». Дисциплина входит в федеральный компонент цикла дисциплин предметной подготовки и является дисциплиной дополнительной специальности «Химия». Дисциплина обязательна для изучения. Второе (дополненное) издание. Адресовано студентам, обучающимся по специальности «Биология с дополнительной специальностью».Согласовано: Декан факультета биологии и химии ____________________ Г.И. Дубась Директор библиотеки _____________________________ (ф.и.о.) (подпись) Лист регистрации изменений в учебно-методическом комплексе по дисциплине «Физическая химия»: УМК дисциплины. Для специальности 050102.65 – «Биология с дополнительной специальностью “Химия”» / авт.-сост. В.О. Козьминых ; Перм. гос. пед. ун-т. – Пермь, 2010. – 73 с.
СОДЕРЖАНИЕ
I. Рабочая программа дисциплины 1. Цели и задачи изучения дисциплины Цель изучения дисциплины: формирование базовых знаний о фундаментальных законах, закономерностях и основных методах физико-химической науки, что позволит студентам систематизировать знания важнейших теоретических обобщений химии; глубже понять явления природы, механизмы химических и физико-химических процессов, протекающих в природе и живых организмах, принципы химической технологии и пути модификации существующих технологий с учётом требований охраны окружающей среды. Задачи дисциплины: сформировать у студентов полезные для учителя биологии и химии навыки и умения работы с измерительными приборами, постановки и проведения количественного эксперимента, математической обработки экспериментальных данных; развить способности к творчеству; выработать потребность к самостоятельному приобретению знаний. 2. Требования к уровню освоения содержания дисциплины Государственный образовательный стандарт высшего профессионального образования
В результате освоения дисциплины студент должен: знать: законы термодинамики; признаки химического и фазового равновесий; уравнения, для расчёта констант равновесия; коллигативные свойства растворов электролитов и неэлектролитов; теории Аррениуса и Дебая-Хюккеля; теории активированного комплекса и активных столкновений, уравнение Аррениуса; теории гомогенного и гетерогенного катализа; кинетические закономерности цепных, фотохимических, радиационно-химических реакций; характеристики электродов I и II рода и редокс-электродов, уравнения для определения их потенциалов; процессы, протекающие при коррозии, методы пассивации и защиты от коррозии; характеристики и принцип действия топливных элементов; иметь представление: об основных универсальных количественных законах и закономерностях, которым подчиняются любые химические и физико-химические процессы; о проявлении этих законов и закономерностях в явлениях природы; уметь: использовать законы термодинамики для расчётов тепловых эффектов, направления и глубины химических и физико-химических процессов; представить состояние системы с помощью фазовой диаграммы и интерпретировать диаграмму Т-состав; использовать правило рычага для определения относительных количеств имеющихся фаз; определять активность и коэффициент активности компонента в реальной смеси; вывести и применять уравнение Клаузиуса–Клапейрона, связывающее давление пара с температурой; сформулировать правило фаз; определять коллигативные свойства растворов с использованием законов Рауля и Вант-Гоффа; вывести и определить закон независимости миграции ионов Кольрауша, закон разведения Оствальда для мольной электропроводности слабых электролитов; определять числа переноса и описать его измерения; определять активность, коэффициент активности и средний коэффициент активности ионов в растворе; определять ионную силу, электрохимический потенциал иона; вывести выражение для разности потенциалов на электродах I и II рода и редокс-электродах, описать методы их измерения; применить уравнение Нернста для определения зависимости ЭДС элемента от концентрации и определять стандартную ЭДС; описать структуру двойного электрического слоя; определить перенапряжение электрода и плотность тока обмена; выразить скорость реакции через концентрации и истинную скорость через степень превращения; определять константу скорости реакции, порядок реакции, период полупревращения; иметь навыки: работы с электрическим током, измерительными приборами: КФК-2, иономером универсальным ЭВ-74, криоскопом, термометром Бекмана; постановки и проведения количественного химического эксперимента. 3. Объем дисциплины 3.1. Распределение часов по темам и видам учебной работы Форма обучения очная
3.2. Распределение часов по темам и видам учебной нагрузки Форма обучения очная
4. Содержание дисциплины Введение Историческая обусловленность возникновения физической химии и других смежных наук. Место физической химии среди других наук. Предмет и задачи курса как теоретических основ современной химии и химической технологии, методы физической химии. Роль физической и коллоидной химии в химической промышленности и биологии в формировании научного (материалистического) мировоззрения. Значение физической химии в подготовке учителя биологии и химии. Исторические этапы развития физической химии. Вклад ученых России в развитие физической химии (Ломоносов М.В., Гесс Г.И., Бекетов Н.И., Менделеев Д.И., Бутлеров А.М., Коновалов Д.П., Курнаков Н.С., Кистяковский Н.И., Семенов Н.Н., Фрумкин А.Н., Ребендер П.А., Измайлов Н.А., и др.) Основы химической термодинамики Предмет и роль химической термодинамики в изучении физико-химических и химических процессов. Методы и ограничения термодинамики. Основные понятия: тело, система, состояние, процесс, термодинамические параметры экстенсивные и интенсивные. Идеальный газ. Газовые законы. Уравнение состояния идеального газа. Основное уравнение кинетической теории газов. Работа расширения идеального газа. Формы существования материи. Закон сохранения материи. Формы энергии и формы обмена энергии системы с окружающей средой. Закон взаимосвязи массы и энергии. Уравнение Эйнштейна. Термические равновесия. Теплоемкость истинная, средняя, молярная, удельная. Теория теплоемкости газов. Число степеней свободы. Теплоемкость при постоянном давлении и объеме. Разность между изобарной и изохорной теплоемкостями идеального газа. Зависимость теплоемкости от температуры. Первый закон термодинамики. Понятие о внутренней энергии. Энтальпия. Математическое выражение первого закона термодинамики. Изопроцессы. Адиабатный процесс. Частный случай уравнения первого законы термодинамики. Работа процессов: изобарного, изохорного, изотермического, адиабатного. Стандартные условия в термодинамике. Приложение первого закона термодинамики к химическим процессам. Понятие о тепловом эффекте реакции. Термохимические уравнения. Закон Гесса и вытекающие из него следствия. Тепловые эффекты химических реакций при постоянном давлении и объеме. Энтальпийные диаграммы. Энтальпия образования, сгорания, растворения, фазовых переходов. Расчет теплового эффекта химических реакций, энергии связи, кристаллической решетки, гидратации ионизации. Зависимость теплового эффекта (энтальпии) реакции от температуры. Закон Кирхгофа. Второй закон термодинамики. Обратимые и необратимые процессы. Обратимое изотермическое расширение газов. Максимальная работа. Формулировка второго закона термодинамики. Самопроизвольные и несамопроизвольные процессы. Цикл Карно и максимальный коэффициент полезного действия. Математическое выражение второго закона термодинамики. Энтропия как функция состояния. Энтропия и термодинамическая вероятность. Уравнение Больцмана. Изменение энтропии в обратимых и необратимых процессах. Третий закон термодинамики. Абсолютная энтропия. Изменение энтропии при изменении объема системы, температуры, числа частиц, при фазовых превращениях. Применение второго закона термодинамики к изолированной системе. Наиболее вероятное состояние системы и флуктуации. Критика идеалистической теории “тепловой смерти Вселенной”. Изменение энтропии в открытых системах. Применимость законов термодинамики к биологическим объектам. Особенности живых организмов для термодинамических исследований. Основные термодинамические функции. Термодинамические потенциалы. Физический смысл потенциалов Гиббса и Гельмгольца. Условия самопроизвольного протекания процессов и достижения равновесия. Зависимость потенциала Гиббса от температуры и давления. Уравнение Гиббса-Гельмгольца. Максимальная работа процесса и химическое сродство. Равновесия Термодинамика химического равновесия Химическое равновесие как частный случай общей проблемы равновесия. Термодинамический вывод для константы химического равновесия. Химические равновесия в гетерогенных реакциях. Различные способы выражения констант равновесия. Соотношение между Кр, Кс, Кχ. Принцип смещения химического равновесия. Уравнение изотермы химической реакции. Энергия Гиббса и энергия Гельмгольца в стандартных условиях, способы их расчета. Зависимость константы химического равновесия от температуры. Уравнение изобары и изохоры химической реакции. Расчеты константы химического равновесия, состава исходной и равновесной смеси, равновесного выхода продукта реакции. Примеры равновесий, имеющих большое техническое (синтез аммиака, доменный процесс) и экологическое значение. Фазовые равновесия Основные понятия и определения. Характеристика агрегатных состояний вещества. Распределение молекул газа по скоростям и энергиям. Реальные газы. Уравнение Ван-дер-Ваальса. Критические состояния. Изотермы уравнения реального газа. Сжижение газов. Характеристика жидкого состояния. Поверхностные явления.Поверхностное натяжение, вязкость, испарение. Переход жидкого состояния в твердое. Характеристика твердого состояния. Жидкие кристаллы. Полиморфизм и изоморфизм. Условия равновесия между фазами. Критические фазы. Одно-, двух- и трехкомпонентные системы. Правило фаз Гиббса. Давление пара твердых и жидких тел. Уравнение Клаузиуса-Клапейрона. Фазовые равновесия в однокомпонентных системах. Диаграмма состояния чистого вещества. Двухкомпонентные жидкие и твердые системы. Диаграммы сотав-температура кристаллизации бинарных неизоморфных смесей с простой эвтектикой и смесей, образующих устойчивое и неустойчивое химическое соединение. Диаграммы состав-температура кристаллизации бинарных изоморфных смесей. Термический анализ. Применение фазовых диаграмм и правил фаз в производстве и для исследования биологических систем. Растворы Растворы неэлектролитов Общая характеристика растворов. Способы выражения состава растворов. Современные представления о природе растворов и механизме растворения. Термодинамические и молекулярно-кинетические условия образования растворов. Классификация растворов по агрегатному состоянию, размеру частиц, способности к диссоциации. Особенности газообразных, жидких и твердых растворов. Природные растворы. Термодинамическая классификация растворов. Идеальные растворы. Законы Рауля и Вант-Гоффа. Предельно разбавленные растворы. Закон Генри и вытекающие из него следствия. Реальные растворы. Растворы с положительным и отрицательным отклонением от закона Рауля. Причины отклонений. Химические потенциалы и стандартные состояния компонентов раствора. Парциальные молярные величины. Уравнение Гиббса-Дюгема и Гиббса-Дюгема-Маргулеса. Коллигативные свойства разбавленных растворов. Криоскопия и эбулиоскопия, их применение. Осмос, его роль в биологических процессах. Изотонические растворы. Зависимость температуры кипения и давления пара бинарного раствора от его состава. Законы Коновалова. Азеотропные растворы. Законы Вревского. Методы разделения азеотропных смесей. Разделение неограниченно растворимых жидкостей методом простой перегонки. Фракционная перегонка. Разделение ограниченно растворимых летучих смесей не образующих азеотропа и взаимно не растворимых жидкостей. Перегонка с водяным паром. Распределение третьего компонента между двумя несмешивающимися жидкостями. Коэффициент распределения. Экстрагирование. Растворы электролитов Отступление от законов Рауля и Вант-Гоффа в растворах электролитов. Основные положения теории электролитической диссоциации Аррениуса. Причины и механизм электролитической диссоциации. Гидратация (сольватация) ионов. Энергия сольватации. Связь степени диссоциации с изотоническим коэффициентом. Недостатки теории Аррениуса и ее развитие в работах Дж. Бренстеда, Т. Лоури, Н.А. Измайлова. Основные положения теории сильных электролитов Дебая-Хюккеля. Термодинамическая константа диссоциации. Активность, коэффициент активности, их определение. Ионная сила растворов. Основные понятия теории ассоциации ионов. Электрическая проводимость растворов электролитов. Удельная и молярная (эквивалентная) электрические проводимости. Зависимость их от различных факторов. Закон Кольрауша. Теория электрической проводимости растворов Дебая-Онзагера. Электрофоретический и релаксационный эффекты. Ионная атмосфера, время релаксации ионного облака. Подвижность ионов и числа переноса. Аномальная подвижность ионов Н+ и ОН–. Методы определения электрической проводимости растворов. Кондуктомерия, ее применение. Роль растворов электролитов в жизнедеятельности организмов. Электрохимия Общая характеристика электродинамических процессов и систем. Термодинамика электрохимических процессов. Равновесные электродные процессы и электродвижущие силы. Электрод. Электродный потенциал. Теории возникновения скачка потенциала на границе металл – раствор электролита. Строение двойного электрического слоя на границе электрод – раствор электролита. Стандартные (нормальные) электродные потенциалы. Электрохимический ряд напряжений. Классификация электродов. Роль мембранных и диффузных потенциалов в биологических процессах. Использование окислительно-восстановительных потенциалов для определения направления реакции. Электрохимические цепи (гальванические элементы): химические и концентрационные. Изменение ЭДС гальванических элементов. Насыщенный элемент Вестона. Электроды сравнения: каломельный, хлорсеребряный. Электрохимический метод измерения pH. Электроды для измерения pH: водородный, хингидронный, стеклянный. Потенциометрическое титрование. Неравновесные электродные процессы. Закон Фарадея. Электрохимические эквиваленты. Выход вещества по току. Скорость электрохимических процессов. Поляризация электродов при прохождении электрического тока. Перенапряжение электрохимической реакции и перенапряжение концентрации. Уравнение Тафеля. Перенапряжение восстановления. Электрохимическая коррозия металлов и методы защиты. Пассивность металлов. Ингибиторы коррозии. Химические источники тока. Аккумуляторы. Химическая кинетика и катализ Необратимые процессы. Феноменологическая (формальная) кинетика. Предмет, задачи и метод кинетики. Гомогенные и гетерогенные реакции, их скорость. Основной постулат химической кинетики. Кинетическая классификация химических реакций. Элементарные (простые) реакции. Молекулярность и порядок реакции. Типы сложных реакций. Кинетическое уравнение сложных химических реакций. Метод определения порядка и константы скорости реакции по экспериментальным данным. Зависимость скорости химической реакции от температуры. Уравнение Аррениуса. Энергия активации. Энтальпия и энтропия активации. Теория молекулярных столкновений и ее применение к бимолекулярным реакциям. Теория переходного состояния или активного комплекса. Кинетический анализ простых необратимых реакций. Реакции первого, второго, третьего, нулевого, n-ного порядка. Кинетический анализ сложных реакций. Принцип независимости элементарных реакций. Особенности кинетики обратимых и последовательных реакций. Механизм сложных реакций. Принцип стационарных концентраций. Особенности кинетики гетерогенных реакций. Диффузия и адсорбция в гетерогенных процессах. Кинетическая и диффузная области гетерогенного процесса. Цепные реакции. Классификация элементарных стадий. Разветвленные и неразветвленные цепные реакции. Ингибиторы цепных реакций. Реакции с выраженным разветвлением цепей. Фотохимические и радиационно-химические реакции. Закон эквивалентности. Квантовый выход. Сенсибилизированные реакции. Хемилюминисценция. Биолюминисценция. Значение фотохимических и радиационно-химических реакций в природе и химической промышленности. Катализ. Влияние на механизм реакции снижения энергетических барьеров. Селективность. Классификация каталитических процессов. Гомогенный катализ. Кислотно-основной катализ. Автокатализ. Теории гетерогенного катализа. Отравление, промотирование и модифицирование катализаторов. Важнейшие технические каталитические реакции. Биокатализаторы. Примеры ферментативных реакций. Современная теория химического строения. Строение и свойства молекул, межмолекулярные взаимодействия, современная теория химического строения молекул, строение конденсированных фаз. 5. Темы практических/ семинарских занятий Не предусмотрены учебным планом. 6. Лабораторные работы (лабораторный практикум) Лабораторные работы проводятся в специализированной лаборатории «физической химии», оснащённой необходимым оборудованием: измерительным оборудованием, электрооборудованием, реактивами и лабораторной посудой.
В рамках часов лабораторных занятий проводятся коллоквиумы. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||