Учебнометодический комплекс по дисциплине для подготовки дипломированного специалиста по направлению 240000 Химическая и биотехнологии
 Скачать 1.18 Mb.
|
|
Министерство образования и науки Российской Федерации Сыктывкарский лесной институт (филиал) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет имени С. М. Кирова» (СЛИ) Кафедра «Общая и прикладная экология» Физическая химия Учебно-методический комплекс по дисциплине для подготовки дипломированного специалиста по направлению 240000 «Химическая и биотехнологии» специальности 240406 «Технология химической переработки древесины» всех форм обучения Самостоятельное учебное электронное издание СЫКТЫВКАР 2012 2 УДК 544 ББК 24.5 Ф50 Рекомендован к изданию в электронном виде кафедрой «Общая и прикладная экология» Сыктывкарского лесного института Утвержден к изданию в электронном виде советом технологического факультета Сыктывкарского лесного института С о с т а в и т е л и : кандидат химических наук, доцент М.В. Миронов преподаватель Т.В. Шахова О т в . р е д а к т о р : кандидат технических наук, доцент О.А. Конык Ф50 Физическая химия [Электронный ресурс] : учеб.-метод. комплекс по дисциплине для студ. спец. 240406 «Технология химической переработки древесины» всех форм обучения : самост. учеб. электрон. изд. / Сыкт. лесн. ин-т ; сост.: М. В. Миронов, Т. В. Шахова. – Электрон. дан. – Сыктывкар : СЛИ, 2012. – Режим доступа: http://lib.sfi.komi.com. – Загл. с экрана. В издании помещены материалы для освоения дисциплины «Физическая химия». Приведены рабочая программа курса, сборник описаний лабораторных работ, методические указания по различным видам работ. УДК 544 ББК 24.5 ________________________________________________________________________________ Самостоятельное учебное электронное издание Составители: Миронов Михаил Валериевич Шахова Татьяна Валериевна ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ Электронный формат– pdf. Объем 4,8 уч.-изд. л. Сыктывкарский лесной институт (филиал) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет имени С. М. Кирова» (СЛИ), 167982, г. Сыктывкар, ул. Ленина, 39, institut@sfi.komi.com, www.sli.komi.com Редакционно-издательский отдел СЛИ. © СЛИ, 2012 Миронов М.В., Шахова Т.В., 2012 3 Содержание I. Рабочая программа дисциплины по специальности 240406 «Технология химической переработки древесины» 4 II. Методические указания по выполнению практических занятий 25 III. Методические указания по выполнению лабораторных работ 31 IV. Самостоятельная работа студентов 96 V Текущий контроль 102 VI. Библиографический список 109 4 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Сыктывкарский лесной институт (филиал) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет имени С. М. Кирова» (СЛИ) «СОГЛАСОВАНО» УТВЕРЖДАЮ: Декан технологического факультета Зам. директора по учебной и научной работе__________________Л.А. Гурьева ________________А.А. Самородницкий «_____» _________________ 2012 г. «_____» ____________________ 2012 г. РАБОЧАЯ ПРОГРАММА По дисциплине: «Физическая химия» Обязательная. Для направления подготовки дипломированного специалиста 240000 «Химическая и биотехнологии» Специальность 240406 «Технология химической переработки древесины» Квалификация: Инженер Кафедра Общей и прикладной экологии Очная Заочная Заочная (сокр.) Курс 2-3 3-4 4 Семестр 4-5-6 - - Всего часов 340 340 340 В том числе аудиторных 170 56 22 Из них: Лекции 70 22 8 Практические занятия 40 12 4 Лабораторные работы 60 22 10 Самостоятельная работа 170 284 318 Зачет 4 семестр 3 курс - Экзамен 5,6 семестр 4 курс 4 курс Сыктывкар 2012 5 Рабочая программа составлена в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования по направлению 240000 «Химическая и биотехнологии». Специальность 240406 «Технология химической переработки древесины». Программу составили: к.х.н., доцент _____________________________М.В. Миронов преподаватель_____________________________ Т.В. Шахова Рабочая программа обсуждена на заседании кафедры «Общей и прикладной экологии» Протокол № 9 от «_20_» июня 2012 г. Заведующий кафедрой, к.т.н., доцент _____________________________О.А. Конык Рабочая программа рассмотрена и одобрена методической комиссией технологического факультета. Протокол № 10 от «_21_» июня 2012 г. Председатель комиссии: декан ТФ _________________________А.А. Самородницкий Библиографический список рабочей программы полностью соответствует сведениям о книгообеспеченности образовательного процесса СЛИ. Зав.кафедрой ОиПЭ ____________О.А. Конык Бумажная версия рабочей программы соответствует ее электронной версии Зав.кафедрой ОиПЭ __________О.А. Конык 1. Цель и задачи дисциплины, ее место в учебном процессе. 1.1. Цель преподавания дисциплины «ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ». Целью преподавания дисциплины «ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ» является обеспечение теоретической подготовки и фундаментальной базы знаний бакалавров и инженеров, профессиональной подготовки инженеров по специальности 240406 «Технология химической переработки древесины». Теоретические знания и практические навыки, полученные в курсе «ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ», призваны помочь будущим специалистам при расчете основных параметров оптимизации и активизации технологических процессов. 1.2. Задачи изучения дисциплины «ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ». В результате изучения курса дисциплины студент должен: • Овладеть теоретическими основами физической химии; • Овладеть знаниями об основных законах и теориях термодинамики и кинетики химических реакций; химии и электрохимии растворов; • Овладеть практическими знаниями расчетов параметров с целью оптимизации и активизации химических процессов. 1.3.Перечень дисциплин и тем, усвоение которых необходимо студентам для изучения данной дисциплины. Для полноценного усвоения студентами учебного материала по «ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ» необходимо иметь прочные знания по высшей математике, физике, теплотехнике, термодинамике. 1.4.Нормы Государственного стандарта 2000 года. Требования к обязательному минимуму содержания основной образовательной программы по специальности 240406 «Технология химической переработки древесины»: Основы химической термодинамики: начала термодинамики, термодинамические функции, химический потенциал и общие условия равновесия систем, термодинамические свойства газов и газовых смесей; фазовые равновесия и свойства растворов: равновесия в однокомпонентных системах, термодинамические свойства растворов, равновесие в двухфазных двухкомпонентных системах, равновесие в трехкомпонентных системах; химическое равновесие; термодинамическая теория химического сродства; равновесия в растворах электролитов; термодинамическая теория Э.Д.С.; химическая кинетика: формальная кинетика, теории химической кинетики, кинетика сложных гомогенных, фотохимических, цепных и гетерогенных реакций; катализ: гомогенный и ферментативный катализ, адсорбция и гетерогенный катализ. 2. Содержание дисциплины. 2.1. Наименование тем, их содержание, объем в часах лекционных занятий. Тема 1. Предмет и содержание курса физической химии. Значение физической химии для химической технологии. Исторические этапы развития физической химии. Теоретические методы физической химии: 7 термодинамический, квантово-механический, квантово-статистический, молекулярно- кинетический. Экспериментальные методы физической химии. (2 часа) Тема 2. Химическая термодинамика, ее понятия и определения. Система и фаза. Закрытые, открытые, изолированные системы. Гомогенные и гетерогенные системы. Однородные и неоднородные системы. Простые и смешанные фазы. Состояние системы. Параметры состояния системы. Термодинамическая система. Уравнение состояния. Уравнение Клапейрона. Уравнение Менделеева - Клапейрона. Внутренняя энергия. Круговые процессы. Обратимые и необратимые процессы. Квазистатические процессы. Изотермические, изохорные и изобарные процессы. Теплоприемник и теплоотдатчик. Полная энергия системы. Экзотермические и эндотермические процессы. Энтальпия. Тепловой эффект реакции. Термохимические уравнения. Температура, давление, работа. Факторы интенсивности и экстенсивности. (3 часа) Тема 3. Работа расширения идеальных газов. Работа как вид энергии. Работа изобарного, изотермического, изохорного и адиабатного расширения газов. (2часа) Тема 4. Первый закон термодинамики. Закон Гесса и следствия. Закон сохранения энергии в применении к термодинамическим процессам. Закон эквивалентности. Первый закон термодинамики. Закон Гесса и следствия. Зависимость тепловых эффектов от температуры. Закон Кирхгофа. Теплота образования. Теплота растворения. Теплота сгорания. Теплота нейтрализации. (2 часа) Тема 5. Теплоемкость системы. Теплоемкость системы. Истинная теплоемкость. Удельная и мольная теплоемкость. Изохорная и изобарная теплоемкость. Теплоемкость для идеальных и реальных газов. Кинетическая теория теплоемкости одно-, двух- и многоатомных молекул. Теплоемкость жидких и твердых веществ. Правило Дюлонга и Пти. Закон Коппа - Неймана. (2 часа) Тема 6. Второй закон термодинамики. Сущность закона, его значение, статистическая природа, формулировки. Термодинамический коэффициент полезного действия. Теорема Карно - Клаузиуса. Обратимый цикл Карно. Аналитическое выражение второго закона термодинамики. (2 часа) Тема 7. Энтропия. Энтропия как количественная мера беспорядка. Изменение энтропии в химических процессах. Энтропия и закон Гесса. Математическое выражение 1 и 2 законов термодинамики для обратимых и необратимых процессов. Энтропия и термодинамическая вероятность системы. Энтропийный фактор. Расчет энтропии системы в химических реакциях, протекающих в стандартных условиях. (2 часа) Тема 8. Химический потенциал. Правило фаз. Химический потенциал как термодинамическая функция состояния системы. Химический потенциал идеальных и реальных газов. Фугитивность, коэффициент фугитивности. Фазовое равновесие. Основные понятия. Правило фаз. Закономерности фазового перехода чистого вещества. Диаграммы состояния. Однокомпонентные системы на примере фазовых диаграмм состояния воды, диоксида углерода и серы. Уравнение Клапейрона - Клаузиуса. (3 часа) 8 Тема 9. Характеристические функции. Характеристические функции. Термодинамические потенциалы. Энергия Гиббса. Энергия Гельмгольца. Уравнение Гиббса - Гельмгольца. Критерии самопроизвольного протекания процессов. Третий закон термодинамики. (2 часа) Тема 10. Уравнения изотермы, изобары, изохоры химической реакции. Константа равновесия и способы ее выражения. Зависимость константы равновесия от температуры, давления и объема. Расчеты константы равновесия химических процессов. Принцип Ле - Шателье. (2 часа) Тема 11. Основные понятия и определения химической кинетики. Элементарные реакции. Скорость химических реакций в закрытой и открытой системах. Скорости гомогенных и гетерогенных, простых и сложных химических реакций. Методы измерения скорости реакции. Факторы, влияющие на скорость реакции. Закон действия масс Гульдберга и Вааге. Зависимость скорости химических реакций от температуры Правило Вант-Гоффа. Уравнение Аррениуса. (2 часа) Тема 12. Молекулярность и порядок химических реакций. Молекулярность и порядок реакции. Методы определения порядка реакции: интегральный, дифференциальный, метод подстановки, метод Оствальда - Нойеса. Односторонние реакции нулевого, первого, второго и n- порядка. Реакции отрицательного и дробного порядка. Принцип независимости протекания реакций. Формальная кинетика простых реакций в реакторах идеального вытеснения и идеального смешения при стационарном процессе. (3 часа) Тема 13. Формальная кинетика сложных реакций. Параллельные и последовательные реакции. Метод квазистационарных концентраций. (3 часа) Тема 14. Теория элементарного химического акта. Теория активных соударений. Теория активированного комплекса. Теория абсолютных скоростей. (3 часа) Тема 15. Цепные реакции и особенности их кинетики. Простые и разветвленные цепи. Возникновение и обрыв цепей. Кинетика цепных реакций. Теория Н.Н.Семенова. (2 часа) Тема 16. Катализ и катализаторы. Механизм каталитической реакции. Специфичность катализа. Активность и селективность катализаторов, промотирование и отравление катализаторов. Особенности кинетики каталитических реакций. (2 часа) Тема 17. Гомогенный катализ. Виды гомогенного катализа. Металлокомплексный и ферментативный катализ, особенности кинетики. Кислотно-основной гомогенный катализ: общий и специфический. Особенности кинетики гомогенно - каталитических реакций. Гомогенный катализ в газовой фазе. Применение в промышленности. (3 часа) Тема 18. Гетерогенный катализ. Виды гетерогенного катализа. Механизм гетерогенного катализа. Адсорбция на по- верхности катализатора. Макрокинетика гетерогенного катализа. Области протекания ге- терогенного катализа: внешнекинетическая, адсорбционная и промежуточная; внешне- 9 диффузионная и промежуточная; внутридиффузионная и внутрикинетическая. Теория гетерогенного катализа. Применение в промышленности. (5 часов) Тема 19. Фотохимические реакции. Законы фотохимии: Гротгуса - Дрепенра, Эйнштейна - Штарка, Вант - Гоффа. Кинетика фотохимических реакций. Закон Ламберта - Беера. (2 часа) Тема 20. Идеальные и предельно разбавленные растворы. Идеальные и предельно разбавленные растворы. Химический потенциал компонентов в идеальном и реальном растворах. Законы Рауля и Генри для идеальных растворов. Отклонения реальных растворов от законов идеальных систем. Ионная сила раствора. Активность и коэффициент активности, их экспериментальное определение. (3 часа) Тема 21. Законы Коновалова и основные принципы разделения жидких бинарных смесей. Законы Коновалова и основные принципы разделения жидких бинарных смесей. Диаграммы равновесия системы жидкость - пар для простых и азеотропных смесей. Давление пара над системой взаимно нерастворимых жидкостей. Принцип перегонки с водяным паром. (3 часа) Тема 22. Разбавленные растворы и их свойства. Разбавленные растворы и их свойства: давление пара (закон Рауля), понижение температуры замерзания и повышение температуры кипения растворов. Криоскопическая и эбулиоскопическая константы и их использование для определения молярной массы неэлектролитов. Электролиты. Изотонический коэффициент и его связь с кажущейся степенью диссоциации электролита в растворе. (2 часа) Тема 23. Осмос. Уравнения Вант - Гоффа и Нернста - Шилова. Уравнение Вант-Тоффа для осмотического давления. Его практическое применение. Уравнение Нернста - Шилова и его применение для расчета экстракции из растворов. (2 часа) Тема 24. Электрохимия растворов. Теория электролитической диссоциации Аррениуса. Степень диссоциации и факторы на нее влияющие. Закон разведения Оствальда. Уравнение Вант - Гоффа. Основные понятия теории сильных электролитов Дебая - Хюккеля. Активность и коэффициент активности электролитов в растворе и их зависимость от ионной силы. Водородный показатель растворов и его измерение. Буферные растворы, буферная емкость. (3 часа) Тема 25. Электропроводность растворов электролитов. Удельная, молярная и эквивалентная электропроводности растворов электролитов, взаимосвязь между ними. Их зависимость от концентрации. Подвижность ионов и факторы ее определяющие. Числа переноса ионов в растворе электролита. Закон Кольрауша. Кондуктометрия. (2 часа) Тема 26. Электрический потенциал на границе электрод - раствор. Возникновение скачка электрического потенциала на границе электрод-раствор. Строение двойного электрического слоя. Понятие об электрохимическом потенциале и условие электрохимического равновесия на границе раздела фаз. 10 Диффузионный потенциал. Уравнение Нернста. Классификация электродов и зависимость их потенциалов от состава растворов (3 часа). Тема 27. Гальванические элементы и их классификация. Реакции на электродах. Классификация гальванических элементов. Схемы гальванических элементов. Полуреакции на электродах и расчет ЭДС. Использование измерений ЭДС для расчета термодинамических характеристик, окислительно-восстановительных реакций, коэффициентов активности электролитов в растворах, стандартных потенциалов электродов. Электроды первого и второго рода. Газовые и амальгамные электроды. Окислительно-восстановительные электроды. Химические и концентрационные цепи. Применение гальванических элементов в технике и быту. (3 часа) Тема 28. Электролиз растворов и расплавов электролитов. Законы Фарадея. Сущность электролиза. Процессы, протекающие на электродах. Особенности электролиза растворов и расплавов электролитов. Законы Фарадея, математическое выражение 4законов Фарадея. Практическое их значение. (2 часа) Всего 70 часа 2.2. Лабораторные занятия, их наименование, краткое содержание и объем в часах. Тема работы Объем в часах ТЕМА I. СПЕКТРЫ ПОГЛОЩЕНИЯ ЖИДКОСТЕЙ И РАСТВОРОВ Лабораторная работа № 1. Спектр поглощения окрашенного вещества. Проверка закона Бугера-Беера 4 ТЕМА II. РАСТВОРЫ. Лабораторная работа № 2. Определение молекулярной массы растворенного вещества криоскопическим методом 4 Лабораторная работа № 3. Определение степени диссоциации электролита криоскопическим методом 4 ТЕМА III. ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ. ЭЛЕКТРОДНЫЕ ПОТЕНЦИАЛЫ. Лабораторная работа № 4. Определение коэффициента активности измерением электродвижущих сил гальванических элементов 4 ТЕМА IV. ТРЕХКОМПОНЕНТНЫЕ СИСТЕМЫ Лабораторная работа № 5. Определение коэффициента распределения уксусной кислоты между водой и органическим растворителем 4 Лабораторная работа № 6. Определение коэффициента распределения йода между органическими и неорганическими растворителями 4 Лабораторная работа № 7. Изучение взаимной растворимости в трехкомпонентной системе 4 ТЕМА V. ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ Лабораторная работа № 8. Изучение химического равновесия реакции 2Fe 3+ + 2I - → 2Fe 2+ +I 2 6 11 ТЕМА VI. ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА Лабораторная работа № 10. Изучение скорости реакции малахитового зеленого с ионами гидроксида в присутствии солей 6 Лабораторная работа № 11. Изучение скорости реакции иодирования ацетона 6 Лабораторная работа № 12. Определение порядка реакции окисления иодид-ионов ионами трехвалентного железа 6 Лабораторная работа № 13. Изучение скорости омыления сложных эфиров в присутствии ионов водорода 4 Лабораторная работа № 14. Изучение скорости разложения мурексида в кислой среде 4 Всего: 60 |