Физическая химия

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Южный федеральный университет»

Химический факультет

УТВЕРЖДАЮ

Декан ______________

"_____"__________________20__ г.

Рабочая программа дисциплины (модуля)

________ Физическая химия ______________________

Направление подготовки (специальность)

020100 Химия

Профиль подготовки

_____________________

Квалификация (степень) выпускника

Бакалавр

Форма обучения

очная

Ростов-на-Дону

2010

Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом рекомендаций и ПрООП ВПО по направлению и профилю подготовки Химия.

Автор (ы) ________ д. х.н., профессор ____________________

д. х.н., профессор

Рецензент (ы _____ д. т.н., профессор _________________

Программа одобрена на заседании УМК химического факультета ЮФУ

от 01.01.2001 года, протокол № _7.

Программа одобрена на заседании Ученого совета химического факультета ЮФУ

от ___________ года, протокол № ________.

1.  Цели освоения дисциплины

В соответствии с основной областью профессиональной деятельности бакалавров-химиков, включающей исследование химических процессов, происходящих в природе или проводимых в лабораторных условиях, выявление фундаментальных закономерностей их протекания и возможности влияния на эти процессы, главной целью освоения дисциплины “Физическая химия“ является формирование у обучающихся представления о том, что физическая химия образует теоретический фундамент современной химии в целом; достижение данной цели предполагает овладение основами общей и химической термодинамики, теории растворов и фазовых равновесий, основами кинетики и катализа, термодинамики и кинетики электрохимических процессов.

2.  Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата

Дисциплина “Физическая химия” представляет собой одну из главных составляющих базовой части профессионального цикла дисциплин ООП бакалавров-химиков. Знакомству с данным курсом должно предшествовать овладение такими фундаментальными дисциплинами цикла математических и естественно-научных дисциплин, как математика, физика, вычислительные методы в химии. В результате освоения указанных дисциплин у обучающихся должно сформироваться ясное понимание того, что физическая химия является пограничной между химией и физикой. Пользуясь теоретическими и экспериментальными методами обеих наук, а также и своими собственными методами, физическая химия занимается многосторонним исследованием химических реакций и сопутствующих им физических процессов. Следует отметить, что физическая химия, как пограничная наука, охватывает изучаемые ею явления с нескольких сторон, учитывая диалектический характер их взаимосвязи и взаимодействия, и таким путем познает сложные и взаимосвязанные явления материального мира.

Физическая химия уделяет главное внимание исследованию законов протекания химических процессов во времени и законов химического равновесия. Закономерности течения химических реакций познаются во все большей мере на основе изучения "элементарных атомов", т. е. единичных конкретных взаимодействий отдельных молекул (ионов, атомов) между собой и с элементарными частицами и излучением.

Основная общая задача физической химии - предсказание временного хода химического процесса и конечного результата (состояния равновесия) в различных условиях на основании данных о строении и свойствах молекул веществ, составляющих изучаемую систему.

3.  Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины

В результате освоения дисциплины частично формируются компетенции ОК-6, ОК-9, ОК-10, ПК-2, ПК-3, ПК-4, ПК-6, ПК-7, ПК-8.

В результате освоения дисциплины обучающийся должен:

Знать:

Что представляет собой термодинамическая система, параметры состояния, термодинамические процессы, закон сохранения энергии и её эквивалентных превращений, фундаментальное различие между реальными неравновесными процессами и их идеализированным отображением – квазистатическими равновесными процессами.

Фундаментальный характер деления всех процессов в природе на самопроизвольные (положительные) и несамопроизвольные (отрицательные, физический смысл энтропии и её роль в реализации процессов, связь статистического характера энтропии и второго начала термодинамики с теорией эволюции объектов и процессов макромира.

Физический смысл термодинамических потенциалов и характеристических функций, роль уравнения Гиббса-Гельмгольца как центрального уравнения общей и химической термодинамики, иметь представление о химическом сродстве и его количественной трактовке.

Термодинамические особенности фазовых переходов I-го и II-го рода.

Качественное и количественное отличие между мольными характеристиками индивидуальных веществ и парциальными мольными величинами компонентов раствора, особенности физико-химических свойств идеальных и реальных растворов и представление о законах, трактующих эти особенности (закон Рауля, законы Коновалова). Представления о коллигативных свойствах растворов неэлектролитов (эбуллиоскопия, криоскопия, осмометрия).

Сущность основного постулата химической кинетики, элементарных моно - , би - и тримолекулярных реакциях, односторонних реакций нулевого, первого, второго и третьего порядков. основы теорий активного комплекса и активных столкновений, теории фотохимических и цепных процессов, иметь представление о реакциях в твердых телах.

Роль катализа в современной химической технологии, различие в механизме и физико-химических особенностях гомогенного и гетерогенного катализа, основные современные теории катализа.

Уметь:

Преобразовывать дифференциальную форму уравнения Клаузиуса-Клапейрона в интегральные выражения для фазовых переходов I-го рода.

Анализировать диаграммы состояния однокомпонентных систем. применять правило фаз Гиббса для анализа равновесных процессов в двухкомпонентных системах с простой эвтектикой, с химическим соединением, плавящимся конгруэнтно и инконгруэнтно, а также для случая образования твердых растворов.

Анализировать состояние обратимых химических процессов с помощью уравнений изотермы, изобары и изохоры Вант-Гоффа.

Анализировать кинетические особенности простых по механизму процессов и их отличия от особенностей сложных реакций, применять основные современные теоретические модели для анализа кинетических и термодинамических характеристик реальных химических процессов

Владеть

Методиками расчета зависимости теплового эффекта процесса от температуры, теплоты образования сложных веществ, изменения энтропии при различных термодинамических процессах, константы равновесия и выхода конечного продукта в обратимых химических реакциях, коллигативных свойств растворов неэлектролитов, констант скоростей и энергии активации простых и сложных по механизму химических реакций.

4.  Структура и содержание дисциплины

Общая трудоемкость дисциплины составляет _12_ зачетных единиц _432_ часов.

№ п/п	Раздел Дисциплины	Семестр	Неделя семестра	Виды учебной работы, включая самостоятельную работу студентов и трудоемкость (в часах)	Формы теку-щего контроля успеваемости (по неделям семестра) Форма итоговой аттестации - экзамен
Лек-ции	Практ.	Ла-бор.	Са-мост.
1	Первое начало термодинамики	5	1	4	2		5	Зачёт
	Первое начало термодинамики	5	2	4	2		5	Зачёт, контрольная работа
3	Второе начало термодинамики	5	3	4	2		5	Зачёт
4	Второе начало термодинамики	5	4	4	2		5	Зачёт
5	Второе начало термодинамики	5	5	4	2		5	Зачёт, контрольная работа
6	Применение второго начала термодинамики к неизолирован-ным системам. Изохорно-изотермический и изобарно-изотермический потенциалы	5	6	4	2		5	Зачёт
7	Применение второго начала термодинамики к неизолирован-ным системам. Изохорно-изотермический и изобарно-изотермический потенциалы	5	7	4	2		5	Зачёт
8	Применение второго начала термодинамики к неизолирован-ным системам. Изохорно-изотермический и изобарно-изотермический потенциалы	5	8	4	2		5	Зачёт, контрольная работа
9	Фазовые равновесия	5	9	4	2		5	Зачёт
10	Фазовые равновесия	5	10	4	2		5	Зачёт, контрольная работа
11	Основы химической термодинамики	5	11	4	2		4	Зачёт
12	Основы химической термодинамики	5	12	4	2		4	Зачёт, контрольная работа
13	Термодина-мическая теория растворов	5	13	4	2		4	Зачёт
14	Термодина-мическая теория растворов	5	14	4	2		4	Зачёт, контрольная работа
15	Химическая кинетика	5	15	4	2		4	Зачёт
16	Химическая кинетика	5	16	4	2		4	Зачёт, контрольная работа
17	Учение о катализе	5	17	4	2		4	Зачёт
18	Учение о катализе	5	18	4	2		3	Зачёт, контрольная работа
Всего часов	72	36		81
1	Работа 1. Калориметричес-кое определение удельной теплоты растворения соли	6	1		3	8	5	Зачёт, коллоквиум
2	Работа 2.  Калориметричес-кое определение молярной теплоты нейтрализации	6	2		3	8	5	Зачёт, коллоквиум
3	Работа 3.  Изучение равновесия гомогенной химической реакции в растворе	6	3		2	8	5	Зачёт, коллоквиум, контрольная работа
4	Работа 4. Построение диаграммы плавкости двух-компонентной системы	6	4		2	8	5	Зачёт, коллоквиум
5	Работа 5. Определения коэффициента распределения вещества между двумя не-смешивающимися жидкими фазами	6	5		2	8	5	Зачёт, коллоквиум
6	Работа 6.  Изучение равновесия жидкий раствор – пар в бинарных системах	6	6		2	8	5	Зачёт, коллоквиум, контрольная работа
7	Работа 7. Определение молекулярной массы растворен-ного вещества криоскопическим методом	6	7		2	8	5	Зачёт, коллоквиум
8	Работа 8.  Определение константы ско-рости гидролиза сахарозы	6	8		2	8	5	Зачёт, коллоквиум
9	Работа 9.  Определение константы ско-рости и энергии активации реак-ции иодирования ацетона	6	9		2	8	5	Зачёт, коллоквиум
10	Решение задач по всем темам	6	10		2		5	Зачёт
11	Решение задач по всем темам	6	11		2		5	Зачёт
12	Решение задач по всем темам	6	12		2		5	Зачёт, контрольная работа
13	Решение задач по всем темам	6	13		2		5	Зачёт
14	Решение задач по всем темам	6	14		2		5	Зачёт
15	Решение задач по всем темам	6	15		2		4	Зачёт,
16	Решение задач по всем темам	6	16		2		4	Зачёт, итоговая контрольная работа
17	Решение задач по всем темам	6	17		2		3	Зачёт
Всего часов		36	72	81

5.  Образовательные технологии

При изучении курса предполагается реализация следующих видов учебных занятий:

1.  Лекции, семинары, лабораторные работы

2.  Семинар в диалоговом режиме c использованием интерактивных электронных учебников и учебных пособий

3.  Групповой разбор результатов контрольных работ

4.  Групповые дискуссии – по результатам курсовых и научно-исследовательских работ

5.  Демонстрация тематических и научно-популярных фильмов

6.  Мозговой штурм

Доля активных образовательных технологий составляет более 40%.

6.  Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины.

При изучении данной дисциплины самостоятельная работа студентов включает:

А. Подготовку к коллоквиумам и семинарским занятиям в соответствии с приведенными ниже примерными вопросами:

Первое начало термодинамики

Дайте определение вечного двигателя 1-го рода Выражение «Внутренняя энергия изолированной системы постоянна» есть формулировка: Если равновесный процесс осуществляется в прямом направлении, совершаемая работа называется:

4.  Равновесные процессы иначе называются:

В результате проведения эксперимента по расширению газа в пустоту Гей-Люссак и Джоуль сделали вывод: Для реакции:

СH3OH(г)+3/2О2=СО2+2Н2О(г)

Зависимость теплового эффекта от температуры выражается уравнением (Дж):

DН1=-684.71∙103+36.77∙Т-38.56∙10-3∙Т2+8.21∙10-6∙Т3+2.88∙105∙Т-1

Рассчитайте изменение теплоемкости DСр для этой реакции при 500 К.

7.  Температурная зависимость теплоты образования сульфида ртути выражается уравнением:

Выведите уравнение зависимости для этой реакции

Вычислите тепловой эффект образования аммиака из простых веществ при стандартном давлении и Т 298 К по тепловым эффектам реакции:

Второе начало термодинамики

1.Цикл Карно представляет собой отражение:

2.  В применении к изолированным системам критерием направленности процессов является:

3.  Постулат Планка (третий закон термодинамики) формулируется следующим образом:

4.  Бромбензол кипит при Т=428.8 К, его теплота парообразования при этой температуре равна 241.9∙103 Дж/кг. Рассчитайте изменение энтропии при испарении 10 кг бромбензола.

5.  Рассчитайте изменение энтропии при нагревании 0.7 моль моноклинной серы от 25 до 200°С при давлении 1 атм. Моль­ная теплоемкость серы равна:

CР(S(тв))=23.64 Дж∙К-1∙моль-1, CР(S(ж)) = 35.73 + 1.17∙10-3∙ТДжК-1моль-1.

Применение второго начала термодинамики к неизолированным системам. Изохорно-изотермический и изобарно-изотермический потенциалы

Применительно к закрытым изохорно-изотермическим или изобарно-изотермическим системам критериями направленности процессов являются: Термодинамические потенциалы – это:

3. Уравнение Гиббса-Гельмгольца (уравнение максимальной работы) записывается в виде:

5.  Сформулируйте принцип Бертло (Определение химического сродства)

В. Подготовку и защиту курсовой работы, объём и содержание которой определяется выбранной тематикой. Ниже приведены отдельные примеры тем курсовых работ, однако, по согласованию с преподавателем, курирующим лабораторный практикум в данной группе, тема может быть предложена самим студентом:

1.  Теория простых и разветвлённых цепей

2.  Теория тепловой смерти Вселенной

3.  Основы гетерогенного катализа

4.  Термодинамика сверхпроводимости

5.  Трёхкомпонентные системы. Треугольник Розебома

6.  Цикл Карно и силовые циклы

С. Подготовку к лабораторным работам в соответствии с приведенными ниже примерными вопросами:

ТЕМА 1. ПЕРВОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ. ТЕРМОХИМИЯ

Работа 1. Калориметрическое определение удельной теплоты растворения соли

Работа 2.  Калориметрическое определение молярной теплоты нейтрализации

Вопросы для коллоквиума

Эквивалентность теплоты и работы. Первый закон термодинамики – формулировки и аналитическое выражение. Внутренняя энергия системы. Внутренняя энергия как функция состояния. Работа расширения идеального газа в основных термодинамических процессах. Энтальпия. Термохимия. Закон Гесса и его следствия. Тепловые эффекты химических процессов. Теплоты образования и сгорания веществ. Теплота растворения. Факторы, определяющие тепловой эффект при растворении вещества. Виды теплот растворения: интегральная, первая, полная, последняя, промежуточная. Зависимость теплового эффекта химической реакции от температуры (закон Кирхгоффа). Теплоемкость.

Принцип калориметрических измерений. Устройство калориметра. Определение постоянной калориметра по стандартному веществу. Методика определения теплот растворения, гидратообразования и нейтрализации.

ТЕМА 2. ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ

Работа 3.  Изучение равновесия гомогенной химической реакции в растворе

Вопросы для коллоквиума

Химическое равновесие. Признаки и условия равновесия. Закон действующих масс. Константа равновесия и способы ее выражения. Применение закона действующих масс к гетерогенным системам. Химический потенциал. Максимальная работа (изменение изохорно-изотермического потенциала) и максимальная полезная работа (изменение изобарно-изотермического потенциала) равновесной изотермической химической реакции. Уравнение изотермы химической реакции. Стандартные изобарный и изохорный потенциалы химической реакции: их физический смысл и связь с константами равновесия. Смещение равновесия при изменении концентрации реагентов и давления. Зависимость константы равновесия от температуры. Уравнения изобары и изохоры Вант-Гоффа. Принцип Ле Шателье, его термодинамическое обоснование.

ТЕМА 3. ТЕРМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ. КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ ИЗ РАСПЛАВОВ

Работа 4. Построение диаграммы плавкости двухкомпонентной системы

Вопросы для коллоквиума

Равновесие в гетерогенных системах. Условия равновесия. Число термодинамических степеней свободы равновесной гетерогенной системы. Правило фаз Гиббса. Основы физико-химического анализа; диаграммы состав-свойство.

Однокомпонентные системы. Диаграмма состояния воды. Уравнение Клаузиуса – Клапейрона.

Двухкомпонентные системы. Термический анализ; кривые охлаждения. Диаграммы плавкости систем, компоненты которых образуют: а) Эвтектическую смесь; б) Твердые растворы; в) Конгруэнтно-плавящиеся соединения; г) Инконгруэнтно-плавящиеся соединения. Сингулярные точки.

ТЕМА 4. ГЕТЕРОГЕННОЕ РАВНОВЕСИЕ. ЗАКОН РАСПРЕДЕЛЕНИЯ

Работа 5. Определения коэффициента распределения вещества между двумя несмешивающимися жидкими фазами

Вопросы для коллоквиума

Растворы: определение понятия и классификация. Взаимная растворимость жидкостей. Кривые расслоения. Распределение третьего компонента между двумя несмешивающимися жидкостями.  Закон распределения. Термодинамический вывод закона распределения. Коэффициент распределения для случаев диссоциации и ассоциации растворенного вещества. Экстракция.

ТЕМА 5. ТЕРМОДИНАМИКА РАСТВОРОВ

Вопросы для коллоквиумов

Работа 6.  Изучение равновесия жидкий раствор – пар в бинарных системах

Давление насыщенного пара растворителя над раствором. Закон Рауля. Положительные и отрицательные отклонения от закона Рауля. Идеальные и неидеальные растворы. Состав и давление насыщенного пара над бинарным раствором. Диаграммы состояния  "раствор – пар". Законы Коновалова и их термодинамическое обоснование. Перегонка двойных жидких смесей. Ректификация. Азеотропные смеси.

Работа 7. Определение молекулярной массы растворенного вещества криоскопическим методом

Давление насыщенных паров растворителя над растворами нелетучих веществ-неэлектролитов. Понижение температуры замерзания и повышение температуры кипения растворов нелетучих веществ. Криоскопическая и эбуллиоскопическая постоянные растворителя. Криометрическое определение молекулярной массы растворенного вещества. Растворы электролитов. Изотонический коэффициент Вант-Гоффа, его связь со степенью диссоциации. Криометрическое определение степени диссоциации электролита. Методика криометрических измерений. Термометр Бекмана.

ТЕМА 6. ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА И КАТАЛИЗ

Вопросы для коллоквиумов

Работа 8.  Определение константы скорости гидролиза сахарозы

Скорость химической реакции. Основной постулат химической кинетики. Кинетическое уравнение. Константа скорости химической реакции. Порядок реакции. Односторонние реакции нулевого, первого и второго порядков. Период полупревращения. Методы определения порядка реакции. Молекулярность элементарных реакций. Моно-, би - и тримолекулярные реакции. Сложные реакции. Цепные реакции – неразветвленные и разветвленные.

Работа 9.  Определение константы скорости и энергии активации реакции иодирования ацетона

Влияние температуры на скорость реакции. Правило Вант-Гоффа. Уравнение Аррениуса, его термодинамический вывод. Энергия активации. Определение энергии активации из экспериментальных данных. Теория активных столкновений. Теория активного комплекса. Поверхность потенциальной энергии. Свойства активного комплекса. Сравнение теорий активных столкновений и активного комплекса. Фотохимические реакции. Закон фотохимической эквивалентности Эйнштейна. Квантовый выход.

7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины

а) основная литература

1.  и др. Курс физической химии: В 2 т. – М.: Химия, 1969.- т.1-2.

2.  Еремин химической термодинамики: Учеб. пособие. – М.: ВШ., 1978. – 392с.

3.  , Луков химия: курс лекций: Учеб. Пособие – Ростов-на-Дону: РГУ, 2006, -253 с

4.  , Белик химия.: [Учеб. Пособие для вузов по направлению «Химия» и спец. «Физ. химия»]. –М.: Химия, 1993, 464 с.

5.  C., , и др. Физическая химия: учеб. для вузов химико-технол. спец.: В 2-х кн.-М.: Высш. шк., Кн.1, 2001.- 512с., Кн.2, 2001.-319с.

б) дополнительная литература:

1.  изическая химия в 2-х т. М.: Мир,1980

2.  , Шварцман химия, 1976, 543 с

3.  и др. Физическая химия: Учеб пособие / , , 2-е изд., испр. и доп. –М.: Высшая школа, 1990, 416 с.

4.  . Основы физической химии. РАН. Высш. хим. Колледж. Рос. Хим. –М.: Науч. Мир, 2000, 232 с.

в) программное обеспечение и Интернет-ресурсы :

Сайт кафедры физической и коллоидной химии Южного Федерального университета, электронный адрес: www. physchem. chifak. rsu. ru

8. Материально-техническое обеспечение дисциплины

В соответствии с требованиями ГОСТа