Физическая и коллоидная химия (стр. 2 )

1 - ознакомительный (узнавание ранее изученных объектов, свойств);

2 - репродуктивный (выполнение деятельности по образцу, инструкции или под руководством);

3 – продуктивный (планирование и самостоятельное выполнение деятельности, решение проблемных задач).

2.3 условия реализации УЧЕБНОЙ дисциплины

2.3.1 Требования к минимальному материально-техническому обеспечению

Реализация учебной дисциплины требует наличия учебного кабинета химических дисциплин; лаборатории физической и коллоидной химии.

Оборудование учебного кабинета: посадочные места по количеству обучающихся, рабочее место преподавателя; комплект моделей кристаллических решеток; коллекция «Нефть и важнейшие продукты ее переработки»; образцы различных дисперсных систем: эмульсий, суспензий, аэрозолей, гелей и золей; прибор для опытов с электрическим током, устройство интерфейсное многоканальное Unipractic.

Технические средства обучения: интерактивная доска Interwrite board, мультимедиа-проектор, ноутбук, колонки, набор ЦОР по дисциплине (презентации к лекциям, видеоопыты, анимационные схемы и модели работы машин и установок, модели физико-химических процессов)

Оборудование лаборатории и рабочих мест лаборатории: вытяжной шкаф, муфельная печь, столы лабораторные, штативы для пробирок, набор вспомогательных принадлежностей для хозяйственной деятельности и техники безопасности. Приборы: аппарат для дистилляции воды, весы аналитические, плитка электрическая с закрытой спиралью, шкаф сушильный, нагреватель лабораторный электрический, весы электронные, лабораторное многоканальное устройство Unipractic с набором датчиков физико-химических величин и программным обеспечением, спектрофотометр, термометры спиртовые, вискозиметр, сталагмометр, секундомер, прибор для определения температуры кипения жидких смесей. Комплекты: металлических изделий для лабораторных опытов; химической посуды.

2.3.2 Информационное обеспечение обучения

Перечень рекомендуемых учебных изданий, Интернет-ресурсов, дополнительной литературы

Основные источники:

1.  Белик. В. В., Киенская и коллоидная химия: Учебник для СПО.-М.: Издательский центр «Академия», 201с.

2.  Хмельницкий и коллоидная химия: учебное пособие. - М.: Альянс, 2009. – 320 с.

Дополнительные источники:

В. И., Кузнецов физической химии: Учебник для ВУЗов. – М.: Бином. Лаборатория знаний, 201с.

2.  , и др. Основы физической химии. Теория и задачи. - М.: Экзамен, 20с. 

Зимон физическая химия. – М.: Научный мир, 200с. Фролов коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы. - М.: Альянс, 2009. – 464 с. Краткий справочник физико-химических величин. Издание десятое, испр. и дополн./Под ред. и – СПб.: Иван Федоров, 2003.

Интернет-ресурсы:

1.  Портал фундаментального химического образования http://www. *****

2.  Каталог образовательных Интернет-ресурсов http://www. *****

3.  Мир химии http://chem. *****

4.  Электронная библиотека по химии и технике http://*****

2.4 Контроль и оценка результатов освоения УЧЕБНОЙ Дисциплины

Контроль и оценка результатов освоения учебной дисциплины осуществляется преподавателем в процессе проведения практических занятий и лабораторных работ, тестирования, а также выполнения обучающимися индивидуальных заданий, проектов, исследований.

Результаты обучения (освоенные умения, усвоенные знания)

Формы и методы контроля и оценки результатов обучения

Умение: -  выполнять расчеты электродных потенциалов, э. д.с. гальванических элементов; -  находить в справочной литературе показатели физико-химических свойств веществ и их соединений; -  определять концентрацию реагирующих веществ и скорость реакций; -  строить фазовые диаграммы; -  производить расчеты: параметров газовых смесей, кинетических параметров химических реакций, химического равновесия; -  рассчитывать тепловые эффекты и скорость химических реакций; -  определять параметры каталитических реакций. Знание: -  закономерностей протекания химических и физико-химических процессов; -  законов идеальных газов; -  основных законов; -  механизма действия катализаторов; -  сущности и механизма катализа; -  механизма гомогенных и гетерогенных реакций; -  основ физической и коллоидной химии, химической кинетики, электрохимии, химической термодинамики и термохимии; -  основных методов интенсификации физико-химических процессов; -  свойств агрегатных состояний веществ; -  схем реакций замещения и присоединения; -  условий химического равновесия; -  физико-химических методов анализа веществ, применяемых приборов; -  физико-химических свойств сырьевых материалов и продуктов

Письменная проверочная работа При выполнении письменных проверочных работ Письменная проверочная работа Выполнение и защита лабораторной работы Письменная проверочная работа Письменная проверочная работа Письменная проверочная работа Устный опрос, тестовый контроль Письменная проверочная работа Тестовый контроль Устный опрос Письменная проверочная работа Тестовый контроль Устный опрос Тестовый контроль Письменная проверочная работа Устный опрос Выполнение и защита лабораторных работ Устный опрос

3 Методические указания по изучению учебного материала

по теме Введение

При изучении данной темы необходимо сформировать представления о содержании, значимости и роли данной дисциплины в развитии важнейших отраслей промышленности, обратить внимание на экологические проблемы химических и нефтехимических
производств.

Вопросы для самоконтроля

1.  Что является предметом изучения физической химии?

2.  Какие разделы включает физическая химия?

3.  Что является предметом изучения коллоидной химии?

4.  Кто является основоположником физической химии?

5.  Назовите области применения физико-химических методов исследования.

Литература: [1], с.6-8

Методические указания по теме 1.1 Молекулярно-кинетическая теория агрегатных состояний вещества

При изучении этой темы следует обратить внимание на отличие реального газа от идеального и на то, как они связываются в написании уравнения состояния. Какие поправки введены в уравнение состояния реального газа и что они учитывают, когда можно при расчетах пользоваться уравнением идеального газа, а когда надо использовать уравнение состояния реального газа.

При изучении жидкого состояния вещества надо обратить внимание на особенности жидкостей, физический смысл поверхностного натяжения, вязкости, а также на методы их определения.

При изучении твердого состояния вещества надо уяснить отличие кристаллических веществ от аморфных и как это отражается на графике tохл. – время.

Пример 1. Газ под давлением 1,2 . 105 Па занимает объём 4,5л. Каково будет давление, если не изменяя температуры, увеличить объём до 0,0055м3?

Решение: При решении задач условие следует записывать в сокращённом виде, как показано в примере 1. В дальнейшем сокращённая запись условия не приводится.

Дано:

Р1 = 1,2 . 105 Па

V1 = 4,5 л. = 4,5 . 10-3 м3 V2 = 0,0055 м3

 

Р2 - ?

Пример 2 При 37°С объём газа равен 0,5 м3. Какой объём займет газ при 100°С, если давление останется постоянным?

Решение. Определяем объём газа, применяя закон Гей – Люссака:

.

В градусах термодинамической шкалы температура равна:

Т1 = 37 + 273 = 310 К

Т2 = 100 + 273 = 373 К

Пример 3 При 22°С и 95940 Па объём кислорода равен 20 л. Рассчитать объём газа при н. у. Какова плотность кислорода при заданных условиях?

Решение. Из уравнения определяем объём кислорода при н. у.

Плотность кислорода при н. у. согласно уравнения Используя для н. у. и заданных условий:

Пример 4 При 27°С и 106600 Па масса 380 см3 газа равна 0,4550 г. Определить молекулярную массу (кг) газа и его плотность при 50°С и том же давлении.

Решение. Выразим все величины в системе СИ:

m = 0,4550 г = 0,455.10-3 кг;

V = 380 см3 = 380.10-6 м3;

Т1 = 273 + 27 = 300 К

Т2 = 273 + 50 = 323 К

Из уравнения определяем

Плотность газа при н. у. согласно ;

Плотность газа при 50°С рассчитываем по формуле;

Пример 5 Колошниковый газ имеет примерный состав (об. доли):СО – 0,28; Н2 - 0,03; СО2 – 0,1; N2 - 0,59. Вычислить парциальные давления составляющих смесь газов, если общее давление газовой смеси 106400 Па.

Решение. Парциальные давления отдельных газов в смеси можно вычислить, используя соотношения.

и

и

Тогда PCO = Pобщ. iобщ.

PCO = 106,28 = 29792 Па

PH2 = 106,03 = 3192 Па

PCO2 = 106,1 = 10640 Па

PN2 = 106,59 = 62776 Па

Пример 6 В сосуде объёмом 2000 м3 смешиваются 1 кг азота и 2 кг кислорода, и 3 кг водорода. Вычислить парциальные объёмы и давления соответствующих газов, составляющих смесь, а также общее давление газовой смеси при17°С.

Решение. Вычисляем числа киломолей газов по уравнению

Т = 273 + 17 = 290 К

Из уравнения определяем общее давление смеси газов Робщ.:

По уравнению рассчитываем парциальные давления газов в смеси:

По уравнению определяем парциальные объёмы газов:

Вопросы для самоконтроля

1  Вывести основное уравнение молекулярно - кинетической теории газов.

2  Вывести уравнение идеального газа.

3  Физический смысл универсальной газовой постоянной, ее численные значения и размерность.

4  Закон Дальтона.

5  Написать уравнение Ван-дер-Ваальса.

6  Отличия реальных газов от идеальных.

7  Особенности жидкого состояния вещества.

8  Что называется поверхностным натяжением? Методы его определения.

9  Вязкость, ее определение с помощью вискозиметра Оствальда.

10  Что такое кристаллическая решетка?

11  Что такое полиморфизм, аллотропия, изоморфизм, анизотропия?

12  Какие вещества называются аморфными?

Литература: [1], с.9-26; [2], с.13-67; [3], с.14-38; [4], с.4-23

Методические указания по теме 1.2 Основы химической термодинамики

При изучении данной темы необходимо уяснить понятие теплоемкости и взаимосвязь между изобарной и изохорной теплоемкостью газов. Обратить внимание на закон Гесса и применение его для расчета тепловых эффектов различных реакций. Рассмотреть приложение первого закона термодинамики к химическим процессам.

Уяснить уравнение, связывающее Qp и Qv, вычислять теплоты образования неорганических веществ и теплоты сгорания органических веществ по формуле и с использованием справочной литературы.

При изучении второго закона термодинамики необходимо обратить внимание, что закон устанавливает: возможен или невозможен при данных условиях тот или иной процесс; до какого предела он может протекать и какая наибольшая полезная работа совершается при этом. Обратите внимание, что на основании второго закона термодинамики

U = F + TS,

где F – свободная энергия системы, т. е. часть внутренней энергии, которая способна преобразовываться в полезную работу при постоянной температуре; TS – связанная энергия, часть внутренней энергии не способной превращаться в работу.

Обратите внимание, что применительно к химическим процессам второй закон термодинамики можно сформулировать: всякое химическое взаимодействие, при неизменных давлении или объеме и постоянстве температуры, протекает в направлении уменьшения свободной энергии системы.

Необходимо уяснить, что пределом протекания химических реакций (т. е. условием равновесия) является достижение некоторого минимального для данных условий значения свободной энергии системы G или F.

Значения термодинамических функций при стандартных условиях t=250C и Р = =101325 Па приводятся в справочных таблицах.

Пример 1 Определить теплоту сгорания этилена

С2Н4 + 3О2 ® 2СО2 + 2Н2О + Q

Исходя из следующих данных:

2Cгр + 2Н2 = С2Н4 – 62,01 кДж/моль (а)

Cгр + 2О2 = СО2 + 393,9 кДж/моль (б)

Н2 + ½О2 = Н2О + 284,9 кДж/моль (в)

Решение. В данном случае можно воспользоваться двумя методами.

1-й метод. Комбинируя заданные термохимические уравнения, исключим водород и углерод, которые не участвуют в реакции горения. Для этого уравнение (б) умножаем на 2 и вычитаем из него уравнение (а):

2Сгр + 2О2 = 2СО2 + 787,8

2Сгр + 2О2 = С2Н4 – 62,01

2О2 – 2Н2 = 2СО2 - С2Н4 +849,81

Полученный результат складываем по численно с уравнением (в), предварительно умножив его на 2:

2О2 + 2Н2 = 2СО2 – С2Н4 + 849,8

2Н2 + 2О2 = 2Н2О(ж) + 569,80

3О2 = 2СО2 – 2Н2О(ж) + С2Н4 + 1419,61

или С2Н4 + 3О2 = 2СО2 + 2Н2О(ж) + 1419,61 кДж/моль

Qc2н4 = 1419,61 кДж/моль

2-й метод. Применяем 1-е следствие закона Гесса, поскольку все приведённые в условии задачи тепловые эффекты являются теплотами образования соответственно этилена, диоксида углерода и жидкой воды из простых веществ (теплоты образования простых веществ применяются равными нулю):

Пример 2 Определить разность между и при 25°С для следующих реакций.

1. N2 + 3H2 = 2NH3

2. 2Cгр. + О2 = 2СО

3. 3С2Н2 ® С6Н6.

Решение: Применяем формулу взаимосвязи изобарного и изохорного теплового эффекта.

1. Находим , где

n1- число молей газообразных исходных вещевств;

n2-число молей газообразных конечных веществ.

2.

Пример 3 Теплота образования Qр. Аммиака равна 46,26кДж/кмоль при 25°С. Определить теплоту образования Qv. Аммиака при этой же температуре.

Решение. Согласно условию можно записать:

1/2N2 + 3/2H2 = NH3 + 46,26 кДж/моль (или 46260 кДж/кмоль)

Находим изменение числа молей газа

Из соотношения находим Qv.

Вопросы для самоконтроля

1  Что называется теплоемкостью вещества?

2  Теплоемкость газов. Взаимосвязь между Сv и С р.

3  Что называется внутренней энергией? От чего она зависит?

4  Что называется тепловым эффектом реакции?

5  Вывести взаимосвязь между изобарным и изохорным тепловым эффек­том.

6  Закон Гесса. Следствия из закона Гесса.

7  Что называется теплотой образования?

8  Как рассчитывается тепловой эффект неорганических реакций?

9  Что называется теплотой сгорания?

10  Как рассчитывается тепловой эффект органических реакций?

11  Как рассчитывается теплота образования органических веществ?

12  Что называется внутренней энергией? От чего она зависит?

13  Что называется тепловым эффектом реакции?

14  Что такое необратимые и обратимые процессы?

15  Что такое «связанная» и «свободная» энергия?

16  Закон Кирхгофа.

17  Каким способом можно получить перегретый пар?

18  Какой пар называют влажным, сухим насыщенным и перегретым?

19  Как можно определить параметры паров?

20  Что является основными параметрами водяного пара?

Литература: [1], с.27-54, с.57-70; [2], с.71-107; [3], с.43-61, с.68-85; [4], с.27-54, с.77-85

Методические указания по теме 1.3 Химическая кинетика

При изучении данной темы необходимо уяснить, что основной закон химической кинетики – закон действия масс. Четко знать и определять зависимость факторов, влияющих на скорость химической реакции. Уметь определять константы скоростей реакций первого, второго и третьего порядков, а также знать зависимость константы скорости реакции от периода полураспада.

Особое внимание уделите теории активации Аррениуса и ее практическому применению.

При изучении данной темы обратить внимание на цепные реакции, их особенности, характеристику и механизм этих реакций, а также применение радиационно-химических процессов в химической промышленности.

Пример 1 Как изменятся скорости прямой и обратной реакций N2 + O2 ↔ 2NO;

протекающих в закрытом сосуде при высокой температуре, если увеличить давление в 3 раза?

Решение. При увеличении давления в 3 раза объём газовой смеси уменьшится в 3 раза, а мольные концентрации веществ во столько же раз увеличатся.

Согласно закону действия масс можно написать:

При увеличении давления в 3 раза концентрации станут равными

Поэтому

Находим отклонения:

т. е. скорость прямой реакции увечиться в 9 раз.

т. е. скорость обратной реакции увеличится в 9 раз.

Пример 2 Реакция разложения перекиси водорода в водном растворе протекает как реакция первого рода. Период половины превращения Н2О2 при заданных условиях равен 15,86 мин. Определить, какое время потребуется для разложения (при тех же условиях) 99% Н2О2.

Решение. По периоду половины превращения, используя вычисляем константу скорости разложения водорода:

из формулы определяем время, за которое разложится 99% перекиси водорода: а = 100% а – х = 100 – 99 = 1%

Пример 3 Тростниковый сахар в присутствии ионов водорода подвергается гидролизу с образованием глюкозы и фруктозы (реакция тростникового сахара):

Определить количество сахара (масс. доли, %), вступающего в реакцию через 5ч от начала опыта: ; ;
; а = 4,544а – 4,544х; 4,544х = 3,544а

Следовательно, за 300 мин прореагирует 77,96% первоначально взятого количества сахара.

Пример 4 Используя приближенное правило Вант – Гоффа, вычислить, на сколько нужно повысить температуру, чтобы скорость реакции возросла в 80 раз? Температурный коэффициент скорости принять равным 3.

Решение. Используя уравнение ;

;

º

Таким образом, чтобы скорость реакции возросла в 80 раз, необходимо повысить температуру примерно на 40ºС.

Пример 5 Для одной из реакций были определены две константы скорости при 443ºС 0,0067 и при 497ºС 0,06857. Определить константу скорости этой же реакции при 508ºС.

Решение. По двум значениям констант скорости реакции, используя

определить величину энергии активации реакции

;Т1 =716 К; Т2 = 770 К.

Дж/моль

Рассчитывается константа скорости реакции при t = 508ºС. Используется в расчетах константа скорости при 497ºС и уравнение ;

Т3 = 781 К; Т2 = 770 К.

Вопросы для самоконтроля

1  Что такое скорость реакции?

2  Сформулировать закон действия масс.

3  Что такое молекулярность реакций и как классифицируются реакции по этому признаку?

4  Вывести кинетическое уравнение реакции 1- го порядка.

5  Написать кинетическое уравнение реакции 2-го порядка.

6  Уравнение Аррениуса и его значение.

7  Что называется энергией активации? Сделать рисунок для экзотер­мической и эндотермической реакций и пояснить. Формула для расчета энергии активации.

8  Методы активации.

9  Что такое цепная реакция? Каковы стадии цепной реакции? Написать механизм какой-либо цепной реакции по стадиям.

10  Что называется цепной разветвленной реакцией?

11  Что называется цепной неразветвленной реакцией? Написать ее меха­низм на каком-нибудь примере.

Литература: [1], с.173-180, 184-198; [2], с.101-124,135-143; [3], с.112-120, 131-135; [4], с.105-112

Методические указания по теме 1.4 Катализ

В этой теме надо усвоить такие вопросы, как: закон действия масс, молекулярность и порядок реакций, зависимость скорости реакции от температуры. Особое внимание надо обратить на энергию активации, и её физический смысл. Четко знать определения гомогенного и гетерогенного катализа, современные представления о механизме и теориях гетерогенного катализа. Знать принцип минимума свободной энергии в применении к каталитическим процессам. При изучении процесса катализа обратите внимание на механизм этого процесса и значение катализа для промышленности и в решении ряда экологических вопросов.

Вопросы для самоконтроля

1  Что такое катализ и автокатализ?

2  Механизм гомогенного катализа (дать в общем виде и на конкретном примере).

3  Теории гетерогенного катализа.

Литература: [1], с.204-213; [2], с.129-132, 143-150; [3], с.124-127

Методические указания по теме 1.5 Химическое равновесие

Изучая данную тему, обратите внимание на то, что при расчете константы равновесия в числителе пишут концентрации или парциальные давления конечных веществ, а в знаменателе – исходных (с учетом стехиометрических коэффициентов). Если же реакция гетерогенная, то при расчете константы равновесия Кр учитываются только газообразные вещества. Уделите больше внимания принципу Ле Шателье, который говорит о направлении смещения химического равновесия при изменении внешних условий.

Самое главное при изучении уравнений изотермы, изохоры и изобары – это их применение.

Особое внимание заслуживает вопрос об истинном химическом равновесии, так как истинным (или устойчивым) равновесием называется такое состояние системы, которое не изменяется с течением времени при неизменных внешних условиях, причем эта неизменяемость не обусловлена протеканием какого-либо внешнего процесса. Если внешние условия изменяются, то состояние равновесия нарушается, но через некоторое время наступает новое состояние равновесия.

Пример 1 При нагревании водорода и йода в закрытом сосуде до 444ºС обратимо протекает реакция по уравнению Н2 + I2 2НI. Равновесная смесь при этой температуре содержит 5,64 моль НI; 0,12 моль I2 и 5,28 моль Н2. Вычислить константу равновесия указанной реакции и исходные концентрации водорода и йода.

Решение. Согласно для данной реакции

Так как данная реакция протекает без изменения объёма, то значение константы будет одинаково при всех способах выражения равновесных концентраций веществ. Вместо концентраций СНI ; СН2; СI2 можно подставить числа молей этих веществ:

Определяем исходные концентрации йода и водорода. Согласно уравнению реакции для образования 2 моль НI расходуется по 1 моль Н2 и I2. К моменту достижения равновесия в смеси образовалось 5,64/2 моль Н2 и I2. Учитывая равновесные концентрации Н2 и I2, рассчитываем исходные концентрации этих веществ суммированием: мольмоль

Пример 2 Константа равновесия реакции

СН3СООН + С2Н5СОН ® СН3СООС2Н5 + Н2О

при некоторой температуре равна 4. Определить состав реакционной смеси при равновесии, если в реакцию введены 1 моль кислоты и 2 моль спирта.

Решение. Используем формулу . Обозначим число молей эфира, образующего в равновесной смеси, через х. Такое же количество (х молей) выделится и воды. Количество кислоты к моменту равновесия останется (1 - х) моль, а спирта (2-х) моль. Тогдаоткуда х2 = 4(1- х)( 2 - х)

3х2 - 12х + 8 = 0.

Решая это квадратное уравнение, получим х1 = 3,154 и х2 = 0,845. Первый корень отбрасывается как не удовлетворяющий условию задачи. Таким образом, в момент установившегося равновесия состав реакционной смеси (моль): эфир 0,845; вода 0,845; уксусная кислота 0,155; спирт 1,155.

Пример 3 Константа равновесия КР реакции синтеза аммиака

N2 + 3H2 « 2NH4

при 3500С равна 2,32×10-13. Вычислить КС для этого процесса при этой же температуре.

Решение. Используем формулу

.

Определим Sn = 2 – 1 = – 2.

Следовательно,

Т = 350 + 273 = 623 К;

КС = 2,32×10-13(8,314×103×623)2 = 6,224.

Пример 4 В какую сторону сместятся равновесия реакций:

1.  2СО + О2 « 2СО2 + 566,9 кДж;

2.  2Н2S « 2H2 + S2 – 41,9 кДж,

а) при повышении температуры;

б) при повышении давления?

Каким изменением концентраций можно добиться смещения равновесий приведенных реакций вправо?

Решение. Исходя из принципа Ле Шателье, можно сказать, что

а) при повышении температуры равновесие первой реакции сдвинется влево, т. к. реакция экзотермическая, а равновесие второй реакции сдвинется вправо, т. к. реакция эндотермическая.

б) при повышении давления равновесие первой реакции сдвинется в сторону прямой реакции, а равновесие второй реакции сдвинется в сторону обратной реакции, т. е. всегда в сторону меньшего объема.

Чтобы сдвинуть равновесие этих реакций вправо путем изменения концентраций, надо увеличить концентрации исходных веществ или уменьшить концентрации конечных веществ.

Пример 5 Константа равновесия КР реакции

I2 « 2I

при t1 = 6770C равна 1,149×102, а при t2 = 7770C – 7,413×102. Вычислить константу равновесия данной реакции при 7270С.

Решение. Используя уравнение

,

по двум приведенным величинам КР вычисляем среднее значение теплового эффекта реакции термического разложения йода в интервале 677 – 777 0С:

;

Т1 = 950 К, Т2 = 1050 К.

Дж/моль

Т3 = 1000 К;

Определим КР3:

;

;

;

КР3 = 3,057×102.

Вопросы для самоконтроля

1  Что такое истинное равновесие?

2  Каковы признаки истинного равновесия?

3  Вывести константы равновесия Кс и Кр и их взаимосвязь. От чего зависят и от чего не зависят эти константы равновесия?

4  Сформулировать принцип Ле Шателье.

5  Как влияют температура, давление, концентрация на смещение равновесия?

6  Для чего и как применяются уравнения изохоры и изобары?

Литература: [1], с.71-82; [2], с.152-172

Методические указания по теме 1.6 Фазовое равновесие

Прежде всего, при изучении этой темы нужно четко уяснить: что такое фаза и компонент и не путать эти понятия друг с другом. Особое внимание обратите на понятие «число степеней свободы».