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 № ________.



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.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

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.


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.

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


Образовательные технологии

При изучении курса предполагается реализация следующих видов учебных занятий:

Лекции, семинары, лабораторные работы Семинар в диалоговом режиме c использованием интерактивных электронных учебников и учебных пособий Групповой разбор результатов контрольных работ Групповые дискуссии – по результатам курсовых и научно-исследовательских работ Демонстрация тематических и научно-популярных фильмов Мозговой штурм

Доля активных образовательных технологий составляет более 40%.


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: 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):

ΔН1=-684.71∙103+36.77∙Т-38.56∙10-3∙Т2+8.21∙10-6∙Т3+2.88∙105∙Т-1

Рассчитайте изменение теплоемкости ΔСр для этой реакции при 500 К.

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:

В применении к изолированным системам критерием направленности процессов является: Постулат Планка (третий закон термодинамики) формулируется следующим образом: 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. 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:

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:

Теория простых и разветвлённых цепей Теория тепловой смерти Вселенной Основы гетерогенного катализа Термодинамика сверхпроводимости Трёхкомпонентные системы. Треугольник Розебома 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

и др. Курс физической химии: В 2 т. – М.: Химия, 1969.- т.1-2. Еремин химической термодинамики: Учеб. пособие. – М.: ВШ., 1978. – 392с. , Луков химия: курс лекций: Учеб. Пособие – Ростов-на-Дону: РГУ, 2006, -253 с , Белик химия.: [Учеб. Пособие для вузов по направлению «Химия» и спец. «Физ. химия»]. –М.: Химия, 1993, 464 с. 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:

изическая химия в 2-х т. М.: Мир,1980 , Шварцман химия, 1976, 543 с и др. Физическая химия: Учеб пособие / , , 2-е изд., испр. и доп. –М.: Высшая школа, 1990, 416 с. . 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