МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Саратовский государственный университет имени
Биологический факультет
УТВЕРЖДАЮ
Проректор по учебно-методической работе,
_____________________ Е. Г. Елина
«____» __________________2012 г.
Рабочая программа дисциплины
Физическая химия
Специальность
020501 - Биоинженерия и биоинформатика
Квалификация выпускника
Специалист
Форма обучения
очная
Саратов,
2012
1. Цели освоения дисциплины
Целями освоения дисциплины являются углубление имеющихся представлений и получение новых знаний и умений в области физической и коллоидной химии, без которых невозможно решение современных биологических, биохимических, биоэнергетических и экологических проблем, стоящих перед человечеством. Особенностью программы дисциплины является фундаментальный характер её содержания, необходимый для формирования у студентов общего химического мировоззрения и развития химического мышления.
2. Место дисциплины в структуре ООП специалитета
2., базовая часть. Дисциплина осваивается в 4 семестре.
Дисциплина логически связана с содержанием дисциплин «Химия», «Математика», «Физика», «Биохимия», «Биофизика».
Для освоения программы дисциплины обучающиеся должны знать основные законы химии, иметь основные представления об энергетике химических реакций, теории растворов, уметь решать типовые задачи с применением законов термодинамики, действующих масс, правила Вант-Гоффа, уметь рассчитывать тепловые эффекты реакций, определять направление самопроизвольного протекания процессов, рассчитывать константы скоростей реакций; иметь общие представления о дисперсных системах, понимать роль физической химии как теоретического фундамента современной химии, владеть основами теории растворов и фазовых равновесий; понимать принципы и химические основы биологических процессов; владеть теоретическими основами основных методов химического анализа.
3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины.
В результате освоения дисциплины формируются следующие компетенции: ОК-11, ПК-12, ПК-23, ПК-24.
- способностью самостоятельно или в составе группы вести научный поиск, реализуя специальные средства и методы получения нового знания (ОК-11);
- способностью к проведению лабораторных работ и знает требования техники безопасности и приемов оказания первой помощи при несчастных случаях (ПК-12);
- способностью использовать основные физико-химические и информационные методы исследования, применяемые в области физико-химической биологии, биоинженерии и биоинформатики (ПК-23);
- способностью использовать специализированные знания фундаментальных разделов математики, физики, химии, экологии для проведения исследований в области биоинженерии, биоинформатики и смежных дисциплин (ПК-24).
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
Знать:
- основные законы термодинамики и термохимии;
- характеристики направления самопроизвольного протекания процессов в биологических системах
- основные положения химического равновесия и факторы, влияющие на его смещение;
- общие свойства растворов неэлектролитов
- общие свойства растворов слабых и сильных электролитов;
- неравновесные процессы в растворах электролитов;
- электродику, мембранные равновесия, ионселективные электроды;
- основные положения химической кинетики и катализа;
Уметь:
- формулировать основные понятия и законы общей химии, иметь представление о границах их применимости;
- рассчитывать тепловые эффекты процессов;
- определять направление самопроизвольного протекания процессов в биологических системах;
- объяснять влияние различных факторов на скорость химической реакции, решать типовые задачи;
- определять направление смещения химического равновесия при изменении температуры, давления и концентрации;
- использовать различные способы выражения концентрации раствора при решении типовых задач;
- решать типовые задачи по определению рН растворов, электродных потенциалов, электропроводности растворов электролитов;
Владеть:
- методами расчета скорости химических реакций и константы равновесия химических процессов;
- навыками качественного определения направления смещения химического равновесия любых химических реакций при физико-химических воздействиях;
- современных оборудованием (pH-метрами, автоматическими титраторами с ионселективными электродами);
- навыками решения типовых задач по способам выражения концентрации растворенного вещества в растворе и растворимости;
- навыками выполнения основных химических лабораторных операций;
- навыками определения признаков протекания химических реакций;
- методами обработки полученных экспериментальных результатов.
4. Структура и содержание дисциплины.
Общая трудоемкость дисциплины составляет 3 зачетных единицы, 108 часов.
4.1. Структура дисциплины.
№ п/п | Раздел дисциплины | Семестр | Неделя семестра | Виды учебной работы, включая самостоятельную работу студентов и трудоемкость (в часах) | Формы текущего контроля успеваемости (по неделям семестра) | ||
Лекции | Лаб. занятия | Самостоят. работа | |||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
1 | ВведениеХимическая термодинамика. Первый закон термодинамики. Термохимия. | 4 | 1 2 | 2 | 2 2 | 10 | Тест, письменный отчет по лабораторной работе |
2 | Второй закон термодинамики. Энтропия. Характеристические функции | 4 | 2 3-5 | 2 | 6 | 10 | Тест |
3 | Термодинамическая теория растворов | 4 | 3-4 6-7 8-9 | 4 | 4 4 | 12 | Тест, письменный отчет по лабораторной работе |
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
4 | Электрохимия. Ионика. Слабые и сильные электролиты. Неравновесные свойства растворов электролитов Электродика. Равновесные свойства межфазных границ. Классификация электродов и электрохимических цепей | 4 | 5-6 10 11 12 13 | 4 | 2 2 2 2 | 12 | Тест, письменный отчет по лабораторной работе |
5 | Кинетика химических реакций. Кинетика простых необратимых реакций. Сложные реакции.Теории химической кинетики. Катализ | 4 | 7-8 1415 16 | 4 | 2 2 2 | 12 | Тест, письменный отчет по лабораторной работе |
Промежуточная аттестация | 4 | 4 | Зачет | ||||
Итого: | 16 | 32 | 60 | 108 ч. |
4.2. Содержание дисциплины.
Введение. Предмет физической химии. Основные разделы и методы физической химии. Роль физической химии в биологии.
Раздел 1. Химическая термодинамика.
Первый закон термодинамики. Основные определения. Внутренняя энергия, теплота, работа. Потенциал и координата состояния системы. Аналитические выражения и формулировки первого закона термодинамики. Значение первого закона термодинамики в биологии. Энтальпия. Понятие теплового эффекта. Связь тепловых эффектов процессов при постоянных объеме и давлении.
Термохимия. Закон Гесса. Методы расчета тепловых эффектов. Теплоты образования и сгорания химических соединений. Таблицы термодинамических свойств простых веществ и соединений.
Теплоемкость и формы ее выражения. Зависимость теплового эффекта химических реакций от температуры. Закон Кирхгоффа, его исследование для условий:
а) DСР = 0; б) DСР = const (DСР > 0, DСР < 0) в) DСР = f(T).
Раздел 2. Второй закон термодинамики.
Второй закон термодинамики. Энтропия. Формулировки и аналитическое выражение второго закона термодинамики. Круговые процессы. Цикл Карно. Энтропия. Статистическая интерпретация второго закона термодинамики. Постулат Планка. Энтропия и живые организмы.
Характеристические функции. Естественные переменные. Свободная энергия Гиббса. Направление химических процессов. Критерии равновесия и самопроизвольного процесса в изолированной и открытой системе. Уравнение Гиббса – Гельмгольца. Парциальные мольные величины. Химический потенциал.
Практическое занятие № 1
1. Отчет по домашнему индивидуальному заданию. (Многовариантная задача №1 [3])
2. Тестовый отчет по разделу 1.(при положительной оценке за домашнее задание).
3. Лабораторная работа «Определение теплоты нейтрализации щелочи сильной кислотой калориметрическим методом». [2]
4. Отчет по домашнему индивидуальному заданию. (Многовариантная задача №2 [3])
5. Тестовый отчет по разделу 2.(при положительной оценке за домашнее задание)
Раздел 3. Термодинамическая теория растворов.
Общая характеристика растворов. Свойства разбавленных растворов неэлектролитов.
Идеальные растворы. Закон Рауля и отклонения от него. Понижение давления пара растворов. Реальные растворы. Предельно разбавленные растворы. Закон Генри.
Жидкие растворы. Диаграммы состояния жидкость – пар для бинарных систем. Первый закон Коновалова. Фракционная перегонка. Ректификация. Азеотропные смеси. Второй закон Коновалова. Способы разделения азеотропных смесей. Закон распределения Нернста. Экстракция. Криоскопия. Эбуллиоскопия. Осмос, осмотическое давление, закон Вант-Гоффа, осмос в природе. Клеточная оболочка как мембрана. Явление осмоса в клетке
Практическое занятие № 2
1. Отчет по индивидуальному домашнему заданию. Многовариантная задача № 3 [3].
2. Тестовый отчет по разделу 3. (при положительной оценке за домашнее задание).
3. Лабораторная работа «Изучение взаимной растворимости в системе фенол – вода. Построение бинодальной кривой» Определение критической температуры растворимости [2].
Раздел 4. Электрохимия.
Ионика. Теория растворов электролитов. Отклонение свойств растворов электролитов от законов Вант-Гоффа и Рауля; изотонический коэффициент. Слабые и сильные электролиты. Активность. Теория Дебая-Гюккеля
Неравновесные свойства растворов электролитов. Удельная и эквивалентная электропроводность. Закон Кольрауша. Числа переноса
Электродика. Равновесные свойства межфазных границ. Электродвижущие силы. Равновесие на границе металл-раствор. Формула Нернста. Электродный потенциал. Водородный электрод и водородная шкала потенциалов. Классификация электродов и электрохимических цепей. Электроды для измерения рН. Стеклянный электрод. Ионселективные электроды. Их использование в биологических системах. Электрохимические цепи. Измерение ЭДС. Проблемы окислительно-восстановительного потенциала в биологии
Практическое занятие № 3
1. Отчет по индивидуальному домашнему заданию. Многовариантные задачи № 5, 6 [3].
2. Тестовый отчет по теме 4. (при положительной оценке за домашнее задание).
3. Лабораторная работа «Определение ЭДС электрохимических цепей. Определение рН раствора HCl и буферного раствора». Определение рН почв [2].
Раздел 5. Кинетика химических реакций.
Кинетика простых необратимых реакций. Скорость химической реакции. Понятие о порядке и молекулярности реакции. Реакции нулевого, первого, второго и третьего порядков. Уравнения скорости в дифференциальной и интегральной формах. Размерность констант скоростей реакции. Определение порядка реакции дифференциальными и интегральными методами.
Сложные реакции. Понятие о сложных реакциях (параллельных, последовательных и обратимых, цепных). Кинетические уравнения сложных реакций. Принцип стационарных концентраций Боденштейна.
Теории химической кинетики. Механизм химической реакции. Основы теории активных столкновений. Число активных столкновений. Стерический множитель и его истолкование. Основы теории активного комплекса.
Катализ. Общие принципы катализа. Гомогенный катализ. Гетерогенный катализ. Ферментативный катализ.
Практическое занятие № 4
1. Отчет по домашнему индивидуальному заданию. Многовариантная задача № 7 [3].
2. Тестовый отчет по теме 5. (при положительной оценке за домашнее задание).
3. Лабораторная работа: Определение константы скорости реакции омыления уксусно-этилового эфира (одна из температур – 25, 30, 35 0С) щёлочью. [2].
5. Образовательные технологии.
Изучение дисциплины «Физическая химия» предусматривает использование в учебном процессе активных и интерактивных форм проведения занятий в сочетании с внеаудиторной работой с целью формирования и развития профессиональных навыков обучающихся. К активным формам проведения занятий относятся:
1) лекции, объем которых составляет 40% аудиторных занятий
2) лабораторные занятия по ряду тем, объем которых составляет 20% аудиторных часов;
3) тестирование по ряду тем (10% аудиторных часов);
4) индивидуальная сдача письменных отчетов по темам лабораторных работ (5% аудиторных часов);
К интерактивным формам проведения занятий, объем которых составляет около 25% аудиторного времени, относятся:
1) дискуссии по разделам модуля и темам лабораторных работ, вырабатывающие у обучающегося навыки химического мышления и постановки эксперимента;
2) ситуационные задачи по ряду тем, относящихся к химическому равновесию, ферментативному катализу, использованию ионселективных электродов.
Наряду с традиционными образовательными технологиями широко используются технологии, основанные на методах научно-технического творчества и современных информационных средствах (учебник и учебное пособие к лабораторным работам), включающие в том числе обучение на основе учебных дискуссий по теме «Роль кинетических свойств дисперсных систем в живом мире и технике», контрольной работы, а также систем обучения профессиональным навыкам и умениям. Предусмотрены встречи с представителями российских компаний.
6. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины.
В начале семестра каждый студент получает комплект учебно-методических материалов: рекомендуемые учебники, задачники и практическое руководство к лабораторным занятиям; содержание программы со ссылками на основную и дополнительную литературу по отдельным разделам модуля; список вопросов для самостоятельной подготовки к дискуссиям, тестам и лабораторным работам; календарный учебный план лабораторных занятий, в котором указаны тема дискуссии и лабораторной работы, перечень рекомендуемых для выполнения опытов по соответствующему руководству, задания для самостоятельной работы, формы текущего контроля знаний и умений.
В ходе самостоятельной работы в течение семестра обучающийся должен:
· прочитать к данной теме рекомендуемые разделы учебников, методических пособий и конспектов лекций;
· подготовиться к выполнению лабораторной работы по рекомендуемому руководству;
· решить заданные по теме задачи.
Предусмотрены следующие формы текущего контроля успеваемости:
1) выполнение контрольной работы (задания приведены в Приложении 1);
2) участие в дискуссии и интерактивной игре по заданной теме;
3) письменный отчет в тетради для лабораторных работ по заданной теме;
4) проверка выполнения заданных на дом задач и упражнений по соответствующей теме;
Результаты текущего контроля знаний обучающихся заносятся в журнал. В качестве промежуточной аттестации по итогам освоения «Физической химии» предусмотрен зачет.
Дискуссия по теме № 1 «Роль кинетических свойств дисперсных систем в живом мире и технике»
1. Значение поверхностных явлений в дисперсных системах.
2. Значение дисперсных систем в живом мире и технике.
3. Способы получения дисперсных систем.
4. Способы очистки дисперсных систем.
5. Определение молекулярной массы полимеров по осмотическому давлению их растворов.
6. Явления осмоса в природе.
7. Диффузия.
8. Броуновское движение.
9. Седиментация и флотация.
10. Кривые течения жидкостей.
11. Ламинарный и турбулентный поток жидкости.
12. Явление Томса.
13. Релаксационные явления.
6.1. Вопросы для промежуточной аттестации
1. Формулировка первого закона термодинамики.
2. Аналитическое выражение первого закона термодинамики в дифференциальной и интегральной формах для изолированных, закрытых и открытых систем.
3. Виды термодинамических систем.
4. Термодинамические потенциал и координата взаимодействия.
5. Что называется круговым процессом?
6. Изобарный, изохорный, изотермический и адиабатический процессы.
7. Что такое теплота и работа?
8. Дать определение внутренней энергии.
9. Свойства внутренней энергии.
10. Что называется функцией состояния?
11. Знаки внутренней энергии, теплоты и работы в термодинамике.
12. Понятие теплоемкости. Истинная и средняя теплоемкости.
13. Определение теплового эффекта.
14. Вывод тепловых эффектов для изобарного и изохорного процессов.
15. Связь тепловых эффектов изобарного и изохорного процессов.
16. Теплоты сгорания и образования веществ.
17. Эндотермические и экзотермические реакции.
18. Закон Гесса
19. Закон Кирхгофа в дифференциальной и интегральной формах
20. Расчет температурной зависимости теплового эффекта.
21. Формулировки второго закона термодинамики
22. Аналитическое выражение второго закона термодинамики
23. Цикл Карно
24. Условие превращения теплоты в работу
25. Энтропия и ее свойства.
26. Расчет изменения энтропии в ходе химической реакции.
27. Расчет изменения энтропии индивидуального вещества при нагревании в изобарных, изохорных процессах.
28. Расчет изменения энтропии индивидуального вещества при фазовых переходах.
29. Расчет изменения энтропии при смешении двух газов.
30. Обратимые и необратимые процессы
31. Равновесные и неравновесные процессы.
32. Самопроизвольные и несамопроизвольные процессы.
33. Понятие характеристических функций и естественных переменных.
34. Вывод полных дифференциалов всех характеристических функций: внутренней энергии, энтальпии, Гиббса, Гельмгольца.
35. Изменение характеристических функций в ходе самопроизвольных, несамопроизвольных и равновесных процессов
36. Понятие химического потенциала
37. Особенности химического равновесия.
38. Понятие химической переменной.
39. Определение закона действующих масс.
40. Понятие константы скорости.
41. Виды констант скоростей и их связь
42. Уравнения изобары и изохоры Вант-Гоффа.
43. Уравнение Планка-Ван-Лаара
44. Вывод уравнения изотермы
45. Различные способы выражения концентраций растворов их взаимный пересчет
46. Характеристика идеальных растворов
47. Закон Рауля
48. Реальные растворы с положительными и отрицательными отклонениями от закона Рауля.
49. Предельно разбавленные растворы
50. Закон Генри.
51. Диаграммы состояния жидкость – пар для бинарных систем
52. Формулировка первого закона Коновалова.
53. Фракционная перегонка.
54. Ректификация.
55. . Второй закон Коновалова
56. Азеотропные смеси. Способы разделения азеотропных смесей.
57. Закон распределения Нернста. Экстракция.
58. Криоскопия.
59. Эбуллиоскопия.
60. Осмос. Клеточная оболочка как мембрана. Явление осмоса в клетке
61. Законы растворимости газов в жидкости.
62. Закон Генри, Дальтона, Сеченова.
63. Влияние температуры на растворимость газов в жидкости
64. Влияние температуры на растворимость твердых тел в жидкости при образовании идеальных и реальных растворов
65. Уравнение Шредера
66. Определение электролитов
67. Проводники первого и второго рода
68. Перечислите основные положения теория Аррениуса
69. Предпосылки возникновения теории Аррениуса
70. Перечислите недостатки теории Аррениуса
71. Сильные и слабые электролиты
72. Закон разведения Оствальда
73. Понятие степени и константы диссоциации
74. Причины устойчивости электролитных систем
75. Перечислите предпосылки возникновения теории Дебая-Гюккеля.
76. Основные положения теории Дебая-Гюккеля.
77. Понятие активности, коэффициента активности
78. Понятие средней ионной активности и среднего ионного коэффициента активности
79. Расчет средней ионной активности
80. Три приближения теории Дебая-Гюккеля
81. Концентрационные пределы выполнимости 1-го, 2-го и 3-его приближений теории Дебая-Гюккеля.
82. Понятие ионной силы
83. Расчет ионной силы для электролитов всех типов
84. Понятие параметров стехиометричности
85. Понятие водородного показателя
86. Расчет рН в сильных и слабых электролитах
87. Дайте определения электрода, электрохимической цепи, электродного потенциала и эдс цепи
88. Уравнение Нернста для различных типов электродов
89. Дайте определение электродов 1-го, 2-го родов и окислительно-восстановительных
90. Стеклянный электрод и другие ионселективные электроды
91. Перечислите все виды электрохимических цепей
92. Дайте определение скорости, константы скорости, порядка и молекулярности химических реакций.
93. Способы определения порядка простых необратимых реакций
94. Рассмотрите все виды сложных реакций и их кинетические уравнения.
95. Перечислите основные положения теории активных соударений.
96. Перечислите основные положения теории активированного комплекса (переходного состояния). В чем принципиальные отличия этой теории от теории активных соударений.
97. Основные положения катализа
98. Укажите различия между гомогенным и гетерогенным катализом
99. Сформулируйте основные положения теорий Кобзева, Баландина, электронной теории катализа.
100.Ферментативный катализ. Уравнение Михаэльса.
7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины.
а) основная литература:
1. , Кузнецов физической химии (Текст):учебник 3-е изд. – М.:БИНОМ. Лаб. Знаний, 2006. – 407с.
2. , , Казаринов задания по физической химии. – Саратов: Наука, 2012 – 78 с.
б) дополнительная литература:
1. , , Гамаюнова и коллоидная химия. Изд-во СГУ, 2006 г. 196 с.
в) программное обеспечение и Интернет-ресурсы:
Программа курса, календарный план лабораторных работ выдаются обучающимся в распечатанном виде в начале семестра. Кроме того, программа, список вопросов для самостоятельной подготовки к дискуссиям, тестам и лабораторным работам, а также план лабораторных работ размещаются на Интернет-сайте Саратовского государственного университета. Для самостоятельной работы по химии студентам рекомендуются следующие Интернет-ресурсы:
1. http://www.fptl.ru/Chem block.html – различные учебно-методические материалы по химии;
2. http:///Uchebniki. html - учебники, практикумы и справочники по химии.
8. Материально-техническое обеспечение дисциплины.
Мультимедийное оборудование.
Слайды.
Лабораторное оборудование:
весы,
учебно-лабораторный комплекс (УЛК), совмещенный с компьютером,
калориметры,
термометры,
секундомеры,
источники тока,
вольтметры,
электрохимические ячейки,
различные электроды (хингидронный, хлорсеребряный, цинковый, медный).
концентрационный фотоэлектроколориметр
сталагмометр
торсионные весы.
Химическая посуда.
Химические реактивы.
Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО № 66 от 01.01.2001 г. с учетом рекомендаций и Примерной ООП ВПО по специальности 020501 Биоинженерия и биоинформатика.
Автор:
Доцент кафедры физической химии,
к. х.н. ____________________ ёнкина
Программа одобрена на заседании кафедры физической химии от «04»мая 2012 года, протокол
Подписи:
Зав. кафедрой физической химии,
д. х.н., профессор _____________________
Директор Института химии
д. х.н., профессор _____________________
Декан биологического факультета
д. б.н., профессор _____________________
