Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
Санкт-Петербургский государственный технологический институт
(Технический университет)
УТВЕРЖДАЮ
Проректор по учебной работе
______________
"______"_________________2009 г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА
учебной дисциплины "Химия"
для подготовки специалистов по направлению 220300 – Автоматизированные технологии и производства по специальности 220301 – Автоматизация технологических процессов и производств
Химическое отделение
Кафедра физической химии
Курс 1
Семестр 1 и 2
Лекции 31 ч Экзамен 1 Семестр 2
Практические занятия 10 ч Зачёт 1 Семестр 1
Лабораторные занятия 10 ч Самостоятельная работа 29 ч
Всего 80 ч
Санкт-Петербург
2009
Рабочая программа обсуждена на заседании кафедры физической химии
23 июля 2009 г., протокол
Заведующий кафедрой
физической химии, член корр. РАН
Одобрено учебно-методической комиссией химического отделения
30 июня 2009 г., протокол
Председатель, к. х.н., доцент
Программу составил
к. х.н., доцент кафедры физической химии
1 ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ, ЕЁ МЕСТО В УЧЕБНОМ ПРОЦЕССЕ
Курс химии для нехимических специальностей вуза принадлежит к числу общенаучных учебных дисциплин и является важной составляющей в естественнонаучной подготовке специалистов факультета информатики и управления. Курс химии опирается на знание студентами основ химии, физики и математики в объеме программ обязательного среднего (полного) образования и лежит в основе общетеоретической подготовки специалистов (инженеров), бакалавров и магистров в области информатики и управления.
В курсе рассматриваются основы учения о строения вещества, фазовые равновесия и свойства растворов, растворы электролитов и гальванические элементы, химическая кинетика, фундаментальные основы учения о направленности и закономерностях протекания химических процессов и фазовых превращений, сведения об экспериментальных и теоретических методах исследования и расчета термодинамических свойств веществ, базируясь на которых становится возможным дать количественное описание процессов, сопровождающихся изменением физического состояния и химического состава в системах различной сложности.
Целью изучения курса химии студентами нехимических специальностей является формирование современного естественнонаучного мировоззрения, овладение базовыми знаниями в области химии, теории химических процессов и методов их анализа, развитие навыков самостоятельной работы, необходимых для применения химических знаний при изучении специальных дисциплин и дальнейшей практической деятельности.
Таким образом, в результате изучения курса химии студенты должны обладать такой совокупностью знаний и умений, которые достаточны для изучения других общенаучных, общетехнических и специальных дисциплин и дальнейшей практической деятельности. После завершения изучения курса химии в учебном плане для студентов нехимических специальностей следуют: материаловедение и коррозия, технологические измерения и приборы, автоматика и автоматизация производственных процессов.
2 ТРЕБОВАНИЯ К УРОВНЮ ОСВОЕНИЯ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
В результате изучения данного курса студент будет:
– иметь представление:
об основах строения вещества, об объектах химии и физико-химических процессах; о фазовых равновесиях в одно - и многокомпонентных системах; о свойствах растворов; об электрохимических процессах; о химической кинетике и катализе; о принципах и законах химической термодинамики; о химии современных конструкционных материалов и перспективах их использования;
– знать:
основные понятия химии и закономерности протекания химических и физико-химических процессов в системах различной компонентности, определение электролитической проводимости растворов, электродных потенциалов и электродвижущих сил, основы кинетики и химической термодинамики, факторы, влияющие на состояние химического равновесия;
– уметь:
использовать: основные понятия и законы химии, знания о кинетических параметрах процесса, о физико-химических характеристиках веществ, для объяснения и прогнозирования процессов, протекающих в окружающей среде;
объяснять: закономерности изменения свойств химических элементов в Периодической системе; процессы, происходящие при фазовых превращениях в системах с различным числом компонентов; электрохимические равновесия; кинетические закономерности химических процессов; влияние различных факторов на протекание химических процессов и на состояние химического равновесия;
проводить расчеты: состава растворов, находящихся в жидком, твердом и газообразном состояниях; окислительно-восстановительных реакций; характеристик фазовых равновесий (включая построение и анализ фазовых диаграмм); порядка химических реакций, констант скоростей, периода полупревращения, констант скоростей реакций; термодинамических характеристик веществ; констант равновесия химических реакций;
овладеть навыками самостоятельной работы в химической лаборатории, освоить практически важные экспериментальные методы изучения физико-химических свойств веществ.
Совокупность указанных представлений, знаний, умений и навыков обеспечивает студентам нехимических специальностей необходимый научный базис, позволяющий ориентироваться в частных вопросах при последующем изучении специальных дисциплин и курсов: материаловедение и коррозия, технологические измерения и приборы, автоматика и автоматизация производственных процессов и др. в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования для подготовки бакалавров, магистров и дипломированных специалистов (раздел ЕН. Ф.04).
3 ВИДЫ УЧЕБНЫХ ЗАНЯТИЙ И ИХ ОБЪЕМ
Виды учебных занятий и количество часов, отведенных на их освоение, представлены в таблице 1.
Таблица 1 – Виды учебных занятий
Виды учебных занятий | Всего часов |
Аудиторные занятия, в том числе: Лекции Лабораторные работы Практические занятия Самостоятельная работа Общая трудоемкость дисциплины Форма контроля – один зачет и один экзамен | 51 31 10 10 51 80 |
4 ТЕМАТИЧЕСКИЙ План И СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
4. 1 Тематический план учебной дисциплины представлен в таблице 2.
Таблица 2 – Тематический план
Темы учебной дисциплины | Всего часов | Кол-во аудиторных часов | Кол-во часов сам. раб | ||
Лекции | Лаборатории | Практ. занят. | |||
Введение | 3 | 1 | 2 | – | – |
Тема 1 – Строение вещества. Периодическая система элементов . Химическая связь | 6 | 2 | – | – | 4 |
Тема 2 – Кислотно-основные и окислительно-восстановительные свойства веществ | 8 | 4 | – | 2 | 2 |
Тема 3 – Химическая термодинамика и химическое равновесие | 20 | 6 | 4 | 4 | 6 |
Тема 4 – Растворы и дисперсионные системы | 5 | 2 | – | – | 3 |
Тема 5 – Фазовые равновесия | 16 | 6 | 2 | 2 | 6 |
Тема 6 – Электрохимические системы | 8 | 4 | – | 4 | |
Тема 7 - Химическая кинетика | 12 | 4 | 2 | 2 | 4 |
Тема 8 – Конструкционные материалы | 2 | 2 | – | – | – |
ВСЕГО | 80 | 31 | 10 | 10 | 29 |
4.2 Содержание учебной дисциплины
Введение (лекции 1 ч, лабораторные занятия 2 ч)
Предмет и содержание химии. Место курса химии в системе учебных дисциплин, его значение для профессиональной подготовки инженера.
Химия как раздел естествознания – наука о веществах и превращениях. Краткий исторический очерк развития химии. Роль русских ученых в создании основных химических понятий и теорий. Роль химии в научно-техническом прогрессе.
Тема 1 – Строение вещества. Периодическая система элементов
. Химическая связь (лекции 2 ч)
Цели изучения строения вещества. Строение атомного ядра. Изотопы. Применение радиоактивных изотопов в схемах контроля и автоматизации технологических процессов нефтехимическая
промышленность" href="/text/category/himicheskaya_i_neftehimicheskaya_promishlennostmz/" rel="bookmark">химической промышленности для обнаружения скрытых дефектов материалов, определения вязкости, плотности растворов и т. д.
Строение атома по Бору. Постулаты Бора. Квантовый характер энергетических изменений. Корпускулярно-волновой дуализм микрочастиц. Уравнение де-Бройля. Уравнение Шредингера. Соотношение неопределенностей Гейзенберга. Волновая функция (орбиталь). Ее физический смысл.
Открытие Периодического закона. Современная формулировка Периодического закона, его общенаучное значение.
Возникновение химической связи. Основные параметры химической связи. Ковалентная связь. Основные положения метода валентных связей. Способы образования ковалентной связи. Валентность. Свойства ковалентной связи. Сигма - и пи-связи. Полярность связи. Геометрия молекул с ковалентным типом связи. Гибридизация. Основы метода молекулярных орбиталей. Ионная связь. Металлическая связь. Водородная связь.
Тема 2 – Кислотно-основные и окислительно-восстановительные свойства веществ
(лекции 4 ч, практические занятия 2 ч)
Кислоты и основания. Определения. Классификации. Диссоциация кислот, оснований, кислых и основных солей.
Электролитическая диссоциация воды. Ионное произведение воды. Водородный показатель pH – характеристика химической агрессивности среды. Понятие об индикаторах. Примеры их использования. Гидролиз солей.
Окисление и восстановление. Понятие окислительно-восстановительной реакции. Степень окисления (окислительное число). Сравнение понятий валентности и степени окисления.
Классификация окислительно-восстановительных реакций: реакции межмолекулярного окисления-восстановления, реакции внутримолекулярного окисления-восстановления, реакции диспропорционирования. Методы составления уравнений окислительно-восстановительных реакций (метод электронного баланса, метод полуреакций).
Важнейшие окислители и восстановители, применяемые в лабораторной практике и промышленных условиях.
Тема 3 – Химическая термодинамика и химическое равновесие (лекции 6 ч,
лабораторные занятия 4 ч, практические занятия 4 ч)
Предмет химической термодинамики и цели ее изучения. Термодинамическая система. Первое начало термодинамики. Функции состояния и функции процесса. Внутренняя энергия и ее изменение в химической реакции. Энтальпия и ее изменение в химической реакции. Уравнение, связывающее изменение энтальпии и внутренней энергии. Закон Гесса. Условия, при которых справедлив закон Гесса. Следствия из закона Гесса. Изменение стандартной энтальпии при образовании химических соединений (стандартная теплота образования). Стандартная теплота сгорания. Теплотворная способность топлива. Таблицы стандартных термодинамических функций, способы вычисления тепловых эффектов химических реакций из стандартных теплот образования и стандартных теплот сгорания. Тепловые эффекты физических процессов (теплота испарения, теплота кристаллизации и т. д.).
Зависимость теплового эффекта химической реакции от температуры (уравнение Кирхгофа). Анализ уравнения Кирхгофа.
Теплоемкость. Виды теплоемкости. Интерполяционные уравнения теплоемкости. Эмпирические закономерности для теплоемкости твердых и жидких тел. Теплоемкость сплавов. Расчет количества тепла, необходимого для нагревания конструкционных металлов в различных температурных интервалах.
Второе начало термодинамики, микро - и макросостояние системы. Математическая и термодинамическая вероятности состояния системы. Энтропия как мера термодинамической вероятности системы, ее математическое выражение. Энтропия как мера беспорядка системы на молекулярном уровне.
Направление химического процесса. Понятие об энергии Гиббса. Изменение энергии Гиббса как критерий принципиальной (термодинамической) возможности самопроизвольного протекания химической реакции. Влияние энтальпийного и энтропийного факторов на направление химического процесса.
Расчет изменения энергии Гиббса для химических реакций. Влияние кинетических ограничений на практическую осуществимость термодинамически вероятных реакций (образование оксидных пленок, высокая энергия активации и т. д.).
Химическое равновесие. Константа равновесия химической реакции как мера глубины (полноты) превращения исходных веществ в конечные. Различные способы ее выражения: Ка, Кр, Кс. Связь между различными способами выражения константы равновесия.
Принцип Ле-Шателье. Влияние изменения концентрации, давления и температуры на сдвиг химического равновесия. Примеры. Зависимость константы равновесия от температуры. Уравнение изобары (изохоры) химической реакции. Анализ уравнения.
Тема 4 – Растворы и дисперсионные системы (лекции 2 ч)
Растворы. Виды растворов. Энергетические процессы при образовании растворов. Физико-химические свойства растворов – плотность, вязкость, теплоемкость, давление пара. Способы выражения состава растворов: массовая доля, мольная доля, молярная концентрация, моляльная концентрация, эквивалентная концентрация.
Закон Рауля. Понижение температуры замерзания и повышение температуры кипения растворов, как следствие понижения давления пара растворителя над раствором. Антифризы.
Растворимость твердых веществ и газов в жидкостях. Произведение растворимости. Закон Генри. Уравнение Сеченова.
Дисперсные системы. Виды дисперсных систем. Суспензии, эмульсии, аэрозоли, пены.
Тема 5 – Фазовые равновесия (лекции 6 ч, лабораторные занятия 2 ч,
практические занятия 2 ч)
Определение понятий “агрегатное состояние”, “фаза”, “составляющие вещества”, “компоненты”, “термодинамические степени свободы”. Правило фаз Гиббса.
Равновесие жидкость-пар в однокомпонентной системе. Диаграмма состояния воды. Уравнение Клапейрона-Клаузиуса. Анализ уравнения.
Метод физико-химического анализа (метод ). Диаграммы “состав-свойство”. Принципы непрерывности и соответствия, термический анализ как частный случай физико-химического анализа. Кривые охлаждения.
Равновесие кристаллы-жидкость в двухкомпонентных системах. Сплавы и их применение в химическом машиностроении. Диаграммы плавкости двухкомпонентных систем. Системы с полной растворимостью в жидком и полной нерастворимостью в твердом состояниях. Системы с полной растворимостью в жидком и ограниченной взаимной растворимостью в кристаллическом состоянии (диаграммы с эвтектикой и перитектикой). Виды твердых растворов (замещения и внедрения). Твердые растворы и конструкционные материалы химического машиностроения. Системы, образующие устойчивые химические соединения. Правило рычага для определения относительных количеств жидкой и твердой фаз.
Тема 6 – Электрохимические системы (лекции 4 ч)
Типы электрохимических систем. Гальванические элементы, электролиз, электрохимическая коррозия.
Растворы электролитов. Электролитическая ионизация. Сильные и слабые электролиты. Характеристики слабого электролита – степень и константа ионизации. Закон разведения Оствальда. Понятие об активности компонента раствора электролита. Коэффициент активности. Расчет активности электролитов различной симметрии.
Электрическая проводимость растворов. Удельная, молярная и эквивалентная проводимости и их зависимость от концентрации; предельная эквивалентная электрическая проводимость. Зависимость электрической проводимости от температуры. Основные понятия теории электрической проводимости сильных электролитов (ионная атмосфера, катафоретическое и релаксационное торможение). Измерение электрической проводимости электролитов. Практическое использование измерений электрической проводимости (кондуктометрические датчики в схемах автоматического регулирования технологических процессов.
Равновесный электродный потенциал. Зависимость электродного потенциала от концентрации и температуры. Уравнение Нернста. Правило записи электродной реакции.
Водородная шкала потенциалов. Стандартный водородный электрод. Типы электродов (электроды первого и второго рода, окислительно-восстановительные, ионообменные). Стеклянный электрод. Кислородный электрод. Электроды сравнения (водородный, хлорсеребряный, каломелевый, оксидно-ртутный).
Типы гальванических элементов. Электродвижущие силы и работа гальванических элементов. Стандартная ЭДС гальванических элементов. Измерение ЭДС гальванических элементов.
Ряд стандартных электродных потенциалов. Использование стандартных электродных потенциалов для определения направления химических и электрохимических процессов. Практическое использование потенциометрических измерений (определение рН растворов).
Химические источники тока, аккумуляторы.
Тема 7 – Химическая кинетика (лекции 4 ч, лабораторные занятия 2 ч,
практические занятия 2 ч)
Предмет химической кинетики и цели ее изучения. Скорость химической реакции (истинная и средняя). Кинетические уравнения химических реакций. Закон действия масс. Кинетические кривые. Факторы, влияющие на скорость и константу скорости химической реакции. Порядок и молекулярность химической реакции. Выражение для констант скоростей реакций различных порядков (нулевого, первого, второго). Период полупревращения. Методы определения порядка реакции (метод подстановки, графический метод). Сложный механизм протекания химической реакции, понятие лимитирующей стадии и главной реакции. Влияние температуры на скорость реакции химической реакции. Правило Вант-Гоффа. Уравнение Аррениуса. Определение энергии активации из экспериментальных данных. Энергетическая диаграмма протекания химической реакции.
Понятие о катализе. Катализаторы и каталитические процессы.
Понятие о теории активных соударений и теории переходного состояния
Тема 8 – Конструкционные материалы (лекции 2 ч)
Легкие конструкционные металлы. Применение легких конструкционных металлов в химической промышленности.
Тяжелые конструкционные металлы. Применение тяжелых конструкционных металлов в химической промышленности.
Полимерные материалы. Полимеры и олигомеры. Свойства и основные характеристики полимеров. Получение и применение полимеров в качестве конструкционных материалов.
План лабораторных занятий представлен в таблице 3.
Таблица 3 – План лабораторных занятий
Название лабораторной работы | Кол. часов |
Вступительное занятие. Инструктаж по технике безопасности. Основные правила проведения физико-химических измерений и обработки их результатов. | 2 |
Определение интегральной теплоты растворения (или теплоемкости) соли | 4 |
Построение диаграммы плавкости двухкомпонентной системы. | 2 |
Изучение кинетики реакции первого порядка. | 2 |
Всего | 10 |
План практических занятий представлен в таблице 4.
Таблица 4 – План практических занятий
Темы практических занятий | Кол. часов |
Химическая термодинамика. Первое начало термодинамики. Термохимия. Законы Гесса и Кирхгофа. Расчет тепловых эффектов химических реакций. Второе начало термодинамики. Химическое равновесие. Принцип Ле-Шателье. Определение направления самопроизвольного протекания процесса. Консультации по индивидуальному домашнему заданию | 2 |
Расчет константы равновесия химической реакции. Контрольная работа. | 2 |
Окислительно-восстановительные реакции. Консультации по индивидуальному домашнему заданию | 2 |
Диаграммы плавкости двухкомпонентных систем. Консультации по индивидуальному домашнему заданию | 2 |
Химическая кинетика. Определение порядка, константы скорости и энергии активации химических реакций. Зависимость скорости химической реакции от температуры. Консультации по индивидуальным домашним заданиям. | 2 |
ВСЕГО | 10 |
Содержание и объем самостоятельной работы студентов представлен в таблице 5.
Таблица 5 – Содержание и объем самостоятельной работы студентов
Темы и задания для самостоятельной работы | Кол. часов |
Самостоятельное изучение тем рабочей программы | 8 |
Составление уравнений окислительно-восстановительных реакций методом электронного баланса и методом полуреакций. | 2 |
Термодинамические расчеты: вычисление тепловых эффектов химических реакций, расчет константы равновесия химической реакции. | 6 |
Расчет концентраций растворов, пересчет состава растворов, расчеты при разбавлении и смешении двух растворов | 3 |
Анализ диаграмм плавкости двухкомпонентных систем. Расчет масс равновесных фаз (правило рычага). | 6 |
Определение порядка химической реакции, расчет константы скорости, периода полупревращения, энергии активации и температурного коэффициента реакции | 4 |
ВСЕГО | 29 |
5 УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ ПО УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЕ
Основная литература
1. Глинка химия. – М.: Интеграл-Пресс, 2004. – 728 с.
2. Коровин химия. – М.: ВШ, 2008. – 557 с.
3. , , Нараев химической термодинамики: Конспект лекций для студентов нехимических специальностей вузов / CПбГТИ (ТУ), СПб. – 2006. – 80 с.
4. , , Пронкин равновесия и диаграммы состояния одно - и двухкомпонентных систем: Текст лекций для студентов нехимических специальностей вузов / CПбГТИ (ТУ), СПб. – 2006. – 58 с.
5. Практические работы по физической химии / Под ред. , , . - СПб.: Профессия, 2002. – 384 с.
6. Краткий справочник физико-химических величин / Под ред. , . - СПб.: Иван Федоров, 2003. – 238 с.
7. Задачи и упражнения по общей химии / Под ред. . – М.: ВШ, 2004. – 255 с.
Дополнительная литература
8. Физическая химия / Под. ред. . – М.: ВШ, 2004. – 687 с.
9. , Кузнецов физической химии. – М.: Бином, 2006. – 408 с.
11. , Семченко химия. - М.: ВШ, 2006. – 496 с.
12. , , Лунин по физической химии: Учебное пособие. – М.: Экзамен, 2005. – 320 с.
13. Ионные равновесия и реакции в водных растворах электролитов: Метод. указания / Составители: , , - СПб: CПбГТИ(ТУ). 2004. – 38 с.
Интернет ресурсы, содержащие электронные библиотеки, справочную
химическую информацию
1. Интернет-сайты сайты ведущих государственных ВУЗов и научных
организаций РФ: МГУ, СПбГУ, РХТУ, НГУ, РАН РФ и др.
2. Зарубежные ведущие научные и учебные центры: NBS USA, MTI UK, ChLab
Japan, NSRDS и др.
3. Интерактивная база данных книг и журналов SpringerLink.
