ДДС Ф 4 Физическая химия. Учебнометодический комплекс дисциплины Для специальности 050102. 65 Биология с дополнительной специальностью Химия
 Скачать 0.58 Mb.
|
|
Тема 1. Предмет и метод термодинамики, основные понятия. Энергия. Закон сохранения и превращения энергии. Первый закон термодинамики. Энтальпия Возникновение, характерные особенности и методы термодинамики. Основные понятия термодинамики: тело, система (классификация), состояние, процесс, термодинамические параметры экстенсивные и интенсивные. Формы существования материи и энергии. Закон сохранения энергии. Первый закон термодинамики. Математическое выражение первого закона термодинамики. Понятие о внутренней энергии. Энтальпия. Характеристика термодинамических процессов: изопроцессов, адиабатного. Работа процессов: изобарного, изохорного, изотермического, адиабатного. Теплоемкость истинная, средняя, молярная, удельная. Теория теплоемкости газов. Число степеней свободы. Теплоемкость идеального газа при постоянном давлении и объеме. Зависимость теплоемкости от температуры. Связь между СР и СV. Тема 2. Термохимия. Второй закон термодинамики. Энтропия Понятие о тепловом эффекте химической реакции. Тепловые эффекты химических реакций при постоянном давлении и объеме. Закон Гесса и вытекающие из него следствия. Термохимические уравнения. Энтальпия образования, сгорания, растворения, фазовых переходов. Расчет теплового эффекта химических реакций, энергии связи, кристаллической решетки, гидратации ионизации. Зависимость теплового эффекта реакции от температуры. Математическое выражение закона Кирхгоффа в дифференциальной и интегральной форме. Обратимые и необратимые, равновесные и неравновесные термодинамические процессы. Самопроизвольные и несамопроизвольные процессы. Цикл Карно и максимальный коэффициент полезного действия. Второй закон термодинамики. Формулировки второго закона термодинамики. 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 смертности Вселенной». Тема 3. Фазовые переходы. Термодинамика химического равновесия Давление пара твердых и жидких тел. Фазовые переходы. Уравнение Клапейрона-Клаузиуса. Фазовые переходы первого и второго рода. Примеры. Равновесное состояние. Химическое равновесие как частный случай общей проблемы равновесия. Химический потенциал, его физический смысл. Закон действия масс. Термодинамический вывод для константы химического равновесия. Химические равновесия в гетерогенных реакциях. Различные формы выражения констант равновесия, связь между КP, КC, КN. Изобарный и изохорный потенциалы химической реакции. Принцип смещения химического равновесия. Зависимость константы химического равновесия от температуры. Уравнение изобары и изохоры химического процесса. Тема 4. Фазовые равновесия Гетерогенные фазовые равновесия. Правило фаз Гиббса. Фазовые равновесия в однокомпонентных системах. Диаграмма состояния воды, серы. Энантиотропия и монотропия. Двухкомпонентные системы. Термический анализ. Диаграмма состав-температура кристаллизации бинарных неизоморфных смесей с простой эвтектикой. Диаграммы состав-температура кристаллизации бинарных неизоморфных смесей, образующих устойчивое и неустойчивое химическое соединение. Диаграммы состав-температура кристаллизации бинарных изоморфных смесей. Тема 5. Растворы неэлектролитов Общая характеристика растворов. Способы выражения концентрации растворов. Современные представления о природе растворов и механизме растворения. Классификация растворов. Термодинамические функции идеальных растворов газов. Уравнение Гиббса-Дюгема и Гиббса-Дюгема-Маргулеса. Идеальные растворы. Закон Рауля и Вант-Гоффа. Закон Генри и вытекающие из него следствия. Реальные растворы. Растворы с положительным и отрицательным отклонением от закона Рауля. Причины отклонений. Зависимость температуры кипения и давления пара бинарного раствора от его состава. Законы Коновалова. Азеотропные растворы. Методы разделения азеотропных смесей. Простая и фракционная перегонка. Ограниченная взаимная растворимость жидкостей. Перегонка с водяным паром. Распределение третьего компонента между двумя несмешивающимися жидкостями. Коэффициент распределения. Экстрагирование. Коллигативные свойства разбавленных растворов. Криоскопия и эбуллиоскопия, их применение. Осмос, его роль в биологических процессах. Тема 6. Растворы электролитов Основные положения теории электролитической диссоциации Аррениуса. Причины и механизм электролитической диссоциации. Гидратация (сольватация) ионов. 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 раствора. Электрическая проводимость растворов электролитов. Удельная и молярная (эквивалентная) электрические проводимости. Зависимость их от различных факторов. Закон Кольрауша. Теория электролитической проводимости растворов Дебая-Онзагера. Электрофоретический и релаксационный эффекты. Ионная атмосфера, время релаксации ионного облака. Подвижность ионов и числа переноса. Аномальная подвижность ионов H+ и OH-. Тема 7. Термодинамика и кинетикаэлектродных 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. Формула Нернста. Электрохимический ряд напряжений. Классификация электродов. Электроды первого и второго рода. Газовые электроды. Амальгамные электроды. Редокси-электроды. Электроды сравнения: каломельный, хлорсеребряный. Электрохимический метод измерения рН. Электроды для измерения рН: водородный, хингидронный, стеклянный. Использование окислительно-восстановительных потенциалов для определения направления реакции. Электрохимические цепи (гальванические элементы): физические, химические и концентрационные. Изменение ЭДС гальванических элементов. Насыщенный элемент Вестона. Химические источники тока. Аккумуляторы. Неравновесные электродные процессы. Законы Фарадея. Электрохимические эквиваленты. Выход вещества по току. Скорость электрического тока. Перенапряжение электрохимической реакции, перенапряжение выделения водорода. Уравнение Тафеля. Электрохимическая коррозия металлов и методы защиты. Пассивность металлов. Ингибиторы коррозии. Тема 8. Химическая кинетика. Катализ Предмет, задачи и методы кинетики. Гомогенные и гетерогенные реакции, их скорость. Кинетическая классификация химических реакций. Элементарные (простые) реакции. Молекулярность и порядок реакции. Кинетический анализ простых необратимых реакций. Реакции первого, второго, третьего, нулевого, n-ного порядка. Кинетический анализ сложных реакций. Обратимые реакции первого, второго порядка. Параллельные, последовательные реакции. 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. Цепные реакции. Основные понятия. Классификация элементарных стадий. Разветвленные и неразветвленные цепные реакции. Ингибиторы цепных реакций. Реакции с выраженным разветвлением цепей. Фотохимические реакции. Закон эквивалентности. Квантовый выход. Значение фотохимических реакций в природе и химической промышленности. Катализ. Влияние на механизм реакции снижения энергетических барьеров. Селективность. Классификация каталитических процессов. Гомогенный катализ. Кислотно-основный катализ. Автокатализ. Теории гетерогенного катализа. Отравление, промотирование и модифицирование катализаторов. Важнейшие технические каталитические реакции. Тематика курсовых/контрольных работ/рефератов Написание курсовых работ и выполнение контрольных работ при изучении дисциплины не предусмотрено учебным планом. Темы рефератов Жидкое состояние вещества. Поверхностное натяжение. Жидкие кристаллы. Ион-дипольное взаимодействие в растворах электролитов. Диффузия в растворах электролитов. Числа переноса и методы их определения. Биолюминесценция и биохемилюминесценция. Обоснование второго закона термодинамики по Карно-Клаузиусу. Межфазный катализ. Изотопные эффекты в скоростях реакций. Применение изотопов в химии и биологии. Кинетика топохимических реакций. Принципы и применение гомогенного катализа. Кинетика реакций в открытых системах. Изменение энергии Гиббса в живых системах. Роль электролитов в жизнедеятельности организмов. Кинетика цепных реакций. Топливные электролиты. Биологическая коррозия металлов. Аккумуляторы. Гальванопластика и гальваностегия. Коррозия с водородной и кислородной деполяризацией. Методы изучения кинетики электрохимических реакций. Поляризация электродов. Фотохимические реакции. Влияние среды на кинетику ионных реакций в растворах. Методы измерения электрической проводимости. Буферные растворы. Главные буферные системы в организме человека. Требования к оформлению реферата Реферат состоит из введения, основной части, заключения и списка использованной литературы. Содержание и объем пояснительной записки (или введения): актуальность проблемы, обоснование темы. Постановка цели и задач. Объем: 2-3 стр. Основная часть: должна включать основные вопросы, подлежащие освещению. Самостоятельной работой студента является подбор и составление полного списка литературы (кроме указанных преподавателем) для освещения и обобщения новейших достижений науки по теме реферата. Выявление дискуссионных, выдвигающих спорные вопросы и проблемы ученых. Объем: 15-20 стр. Заключение: должно включать обобщение анализа литературы и выводы. Объем: 2-3 стр. Реферат должен быть отпечатан на белой бумаге, объемом до 25 страниц (страницы должны быть пронумерованы), иметь титульный лист с названием темы (титульный лист не нумеруется), ФИО исполнителя с указанием вуза, факультета и кафедры. Список использованной литературы: не менее 10-15 источников. Примечание: Список тем рефератов примерный. Студенты имеют право на выбор темы по своим интересам. 8. Учебно-методическое обеспечение дисциплины 8.1. Список литературы основной : Стромберг, А.Г. Физическая химия / А.Г. Стромберг, Д. П. Семченко ; ред. Стромберг А. Г. - 4-е изд., испр. - М. : Высш. шк., 2001. - 527 с. дополнительной : Семиохин И. А.Физическая химия: учеб. для студентов геол. спец. вузов/ Семиохин Иван Александрович. - М.: Изд-во МГУ, 2001. - 272 с. Зимон А. Д.Популярная физическая химия/ Зимон Анатолий Давыдович. - М.: Радэкон, 2000. - 176 с. 8.2. Материально-техническое обеспечение Специализированное и общее оборудование химической лаборатории: реактивы и материалы; измерительные приборы; нагревательные и электронагревательные приборы; комплекты раздаточного материала (реактивы, посуда, принадлежности, приборы) для лабораторных опытов и практических работ; пособия на печатной основе (таблицы, дидактические материалы); экранно-звуковые пособия и мультимедийная аппаратура. Справочные таблицы постоянной экспозиции: таблица «Периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева»; таблица «Растворимость солей, кислот и оснований в воде»; таблица «Электрохимический ряд напряжений металлов». 8.3. Методические указания студентам Вопросы и задачи для самоконтроля подготовленности к проведению лабораторных работ Лабораторная работа №1 1. Предмет, содержание, методы физической химии и ее место среди естественных наук. Возникновение, характерные особенности и методы термодинамики. Основные понятия термодинамики: тепло, окружающая среда, система (классификация), термодинамические параметры экстенсивные и интенсивные. Формы существования материи и энергии. Форма обмена энергии системы с окружающей средой. Закон взаимосвязи массы и энергии. Характеристика термодинамических процессов: адиабатного, изопроцессов, кругового, политропного, изобарно-изотермического, изохорно-изотермического и др. Работа расширения идеального газа. Теория теплоемкости газов. Число степеней свободы. Теплоемкость идеального газа при постоянном давлении, ее зависимость от температуры. Связь между Cp и Cv. Что такое внутренняя энергия системы, из чего она складывается? Что такое кинетическая и потенциальная энергия. Чем отличается внутренняя энергия идеальных и реальных газов. Уравнение состояния реальных газов. Почему термодинамика рассматривает не абсолютные значения внутренней энергии, а только ее изменения? Приведите несколько формулировок первого закона термодинамики и покажите, что они не противоречат одна другой. Почему первый закон термодинамики часто называют первым началом термодинамики? Напишите уравнение первого закона термодинамики для всех систем и процессов. Какие величины, входящие в эти уравнения, зависят от пути процесса. Дайте определение функции состояния. Покажите, что любой параметр состояния можно рассматривать как функцию состояния, а теплоту и работу – нет. Как рассчитать теплоту, работу, изменение энтальпии и внутренней энергии системы при адиабатическом и изопроцессах? Что называется тепловым эффектом химической реакции? Сформулируйте закон Гесса и следствия, вытекающие из него. Каково значение этого закона? Термохимические уравнения. Объясните, почему закон Гесса есть частный случай первого закона термодинамики. Покажите, что тепловой эффект при постоянном давлении есть изменение энтальпии, а тепловой эффект при постоянном объеме – изменение внутренней энергии химической реакции. Почему для конденсированных систем разница между энтальпией и внутренней энергией мала, а газообразных значительна? Напишите уравнение, выражающее связь между тепловым эффектом реакции, проведенной в изобарно-изотермических и изохорно-изотермических условиях. Сформулируйте зависимость теплового эффекта реакции от температуры. Напишите математическое выражение закона Кирхгофа в дифференциальной и интегральной форме. В каких случаях тепловой эффект реакции не зависит от температуры? Почему? Определение теплот разложения, образования, растворения, сгорания, нейтрализации. Энергия связи. Энергия образования кристаллической решетки. |