ПЕРВОЕ ВЫСШЕЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ УЧЕБНОЕ ЗАВЕДЕНИЕ РОССИИ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «НАЦИОНАЛЬНЫЙ МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОЙ УНИВЕРСИТЕТ «ГОРНЫЙ» | |
Согласовано _____________________________ Руководитель ООП по направлению 022000 профессор | Утверждаю ___________________________ Зав. кафедрой общей и физической химии профессор |
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА
УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
«Физическая и коллоидная химия»
Направление подготовки 022000 «Экология и природопользование»
Профиль подготовки: «Природопользование»
Квалификация (степень) выпускника: бакалавр
Форма обучения: очная
Составитель: профессор
Санкт-Петербург
2012
1. Цели и задачи дисциплины: целью изучения дисциплины «Физическая и коллоидная химия» является приобретение студентами направления подготовки 022000 «Экология и рациональное природопользование» по профилю «Природопользование» знаний в области описания химических явлений с помощью законов физики, термодинамических расчетов и прогнозирования протекания химических процессов, их кинетики и продуктов.
Задачами дисциплины являются освоение студентами теоретических представлений и приобретение практического опыта инженерных расчетов, необходимых для определения тепловых эффектов и тепловых балансов технологических процессов, предсказания направления протекания химических реакций, вычисления равновесного состава газовых смесей и водных растворов, расчета кинетических параметров процессов и производительности оборудования, определения оптимальных условий для проведения химических реакций, использования законов фазовых равновесий, термодинамики и кинетики электрохимических систем, лабораторный практикум.
2. Место дисциплины в структуре ООП: дисциплина «Физическая и коллоидная химия» относится к циклу математических и естественнонаучных дисциплин и входит в его вариативную часть. Для изучения дисциплины студент должен обладать знаниями по предмету «Общая химия» и «Аналитическая химия», устанавливаемыми ФГОС ВПО по направления подготовки 022000 «Экология и рациональное природопользование» по профилю «Природопользование». Дисциплина является предшествующей для изучения последующих дисциплин цикла Б.3 (профессиональный цикл) в базовой части - Геохимия окружающей среды и ландшафтоведение (4, 5-й семестры), Природопользование (6 и 7-й семестры), Теоретические основы защиты окружающей среды (6-й семестр); цикла Б.3 (профессиональный цикл), профиль «Природопользование» в вариативной части - Основы металлургии (5-й семестр), Утилизация отходов производства и потребления (8-й семестр), Безопасность хранения и захоронения отходов (8-й семестр), Геоэкология (8-й семестр), Процессы и аппараты защиты окружающей среды (7-й семестр).
3. Требования к результатам освоения дисциплины
Процесс изучения дисциплины направлен на формирование следующих
общекультурных компетенций:
владеть культурой мышления, способностью к обобщению, анализу, восприятию информации, постановке цели и выбору путей ее достижения (ОК-1);
уметь логически верно, аргументировано и ясно строить устную и письменную речь (ОК-2);
владеть основными методами, способами и средствами получения, хранения, переработки информации, иметь навыки работы с компьютером как средством управления информацией (ОК-13);
общенаучных компетенций:
обладать базовыми знаниями фундаментальных разделов физики, химии и биологии в объеме, необходимом для освоения физических, химических и биологических основ в экологии и природопользовании; владеть методами химического анализа, а также методами отбора и анализа геологических и биологических проб; иметь навыки идентификации и описания биологического разнообразия, его оценки современными методами количественной обработки информации (ПК-2);
В результате изучения дисциплины студент должен:
Знать: базовые положения фундаментальных разделов дисциплины «Физическая и коллоидная химия» в объеме, необходимом для освоения химических основ в экологии и природопользовании: термодинамические функции, химический потенциал и общие условия равновесия систем, фазовые равновесия и свойства растворов; законы химического равновесия, термодинамическую теорию Э. Д.С.; уравнения формальной кинетики, кинетику сложных гомогенных и гетерогенных реакций, катализ; термодинамику поверхностных явлений; механизмы образования и строение двойного электрического слоя, электрокинетические явления, устойчивость дисперсных систем, мицеллообразование, оптические явления в дисперсных системах, структурообразование в коллоидных системах.
Уметь: применять математические методы, физические и химические законы и вычислительную технику для решения типовых профессиональных задач; использовать основные понятия, законы и модели химических систем, химической идентификации; методы теоретического и экспериментального исследования в химии; расчеты ионного состава растворов электролитов; пользоваться таблицами и справочниками, выполнять расчеты в области химической термодинамики и кинетики, а также коллоидной химии;
Владеть: методами построения математических, физических и химических моделей при решении производственных задач; опытом планирования, постановки и обработки данных химического эксперимента; расчетов растворимости солей и гидроксидов при заданных условиях, прогнозирования свойств элементов и их соединений, практическими навыками планирования и проведения физико-химических лабораторных исследований, обработки и оформления их результатов
4. Объем дисциплины и виды учебной работы
Общая трудоемкость дисциплины составляет 4 зачетных единицы.
Вид учебной работы | Всего часов | Семестры | ||
3 | ||||
Аудиторные занятия (всего) | 85 | 85 | ||
В том числе: | - | - | - | - |
Лекции | 34 | 34 | ||
Практические занятия (ПЗ) | 17 | 17 | ||
Семинары (С) | ||||
Лабораторные работы (ЛР) | 34 | 34 | ||
Самостоятельная работа (всего) | 23 | 23 | ||
В том числе: | - | - | - | - |
Курсовой проект (работа) | ||||
Расчетно-графические работы | ||||
Реферат | ||||
Другие виды самостоятельной работы | ||||
Домашние задания, оформление протоколов лабораторных работ, подготовка к контрольным работам и к практическим занятиям | 23 | 23 | ||
Вид промежуточной аттестации (экзамен) | 36 | 36 | ||
Общая трудоемкость час зач. ед. | 144 | 144 | ||
4 | 4 |
5. Содержание дисциплины
5.1. Содержание разделов дисциплины
№ п/п | Наименование раздела дисциплины | Содержание раздела |
1. | Основы химической термодинамики | Предмет и задачи термодинамики, ее значение для экологов. Первое начало. Тепловой эффект изохорного и изобарного процессов, понятие об энтальпии. Теплоемкость, ее использование для расчетов тепловых эффектов процессов. Расчет тепловых эффектов химических реакций. Закон Гесса. Стандартные энтальпии образования соединений. Тепловые эффекты реакций в растворах. Стандартные энтальпии образования ионов Зависимость теплового эффекта реакции от температуры, закон Кирхгофа. Второе начало термодинамики. Понятие об энтропии. Закономерности изменения энтропии. Вычисление энтропии. Энтропия ионов в растворах. Учение о химическом сродстве. Термодинамические потенциалы Гельмгольца и Гиббса, их вычисление. Определение направления протекания химических реакций. Третье начало термодинамики. |
2. | Химическое равновесие | Парциальные молярные величины, их определение по экспериментальным данным и путем интегрирования уравнения Гиббса-Дюгема. Химический потенциал, его значение для компонента идеального газа, идеального раствора, предельно разбавленного раствора и для реальных систем. Понятие об активности и фугитивности. Химическое равновесие. Константа равновесия. Уравнение изотермы реакции. Расчет равновесного состава реакционной смеси. Влияние внешних условий на равновесие. Принцип Ле-Шателье. Выбор оптимальных условий для проведения реакции. Вычисление константы равновесия при различных температурах по уравнению изобары реакции, по приведенным энергиям Гиббса и по методу Тёмкина-Шварцмана. |
3. | Фазовые равновесия и свойства растворов | Основные понятия: фаза, составляющее вещество и компонент системы, термодинамические степени свободы. Правило фаз Гиббса. Уравнение Клапейрона-Клаузиуса, его использование для расчета фазовых равновесий а однокомпонентных системах. Фазовые диаграммы однокомпонентных систем. Свойства растворов. Закон Рауля для идеальных и предельно разбавленных растворов. Учет диссоциации растворенного вещества. Растворимость газов, законы Генри и Сивертса. Температуры замерзания и кипения растворов, криоскопия и эбуллиоскопия. Уравнение Шредера. Осмотическое давление растворов. Обратный осмос, его использование для очистки стоков. Диаграммы состояния двух - и трехкомпонентных систем. |
4. | Химическая кинетика | Формальная кинетика. Порядок реакции и способы его определения. Кинетика закрытых систем. Кинетика сложных реакций. Зависимость скорости реакции от температуры, энергия активации, её определение. Теории активных столкновений и переходного состояния (активированного комплекса). Механизм гомогенного и гетерогенного катализа. |
5. | Коллоидная химия | Значение коллоидной химии для инженерной экологии. Классификация дисперсных систем. Молекулярно-кинетические и оптические свойства дисперсных систем. Термодинамика дисперсных систем. Поверхностное натяжение, его измерение и зависимость от температуры. Смачивание. Краевой угол. Уравнения Дюпре и Юнга. Условие флотации минералов. Гистерезис смачивания. Измерение краевого угла. Капиллярные явления. Уравнения Лапласа и Томсона (Кельвина). Изотермическая перегонка и созревание осадков. Адсорбция, её значение для очистки сточных вод и газовых выбросов. Фундаментальное адсорбционное уравнение Гиббса. Адсорбция на поверхности раздела фаз жидкость-газ. Изотерма адсорбции Гиббса. Поверхностная активность веществ. Строение поверхностного слоя. Изотерма адсорбции Лэнгмюра. Зависимость поверхностного натяжения от концентрации ПАВ, уравнение Шишковского. Адсорбция газов. Изотерма полимолекулярной адсорбции БЭТ. Определение удельной поверхности сыпучих материалов. Адсорбция ионов. Образование и строение двойного электрического слоя. Ионообменная адсорбция. Классификация ионитов, их использование в гидрометаллургии и для очистки стоков. Ионный обмен в почвах и грунтах, лиотропный ряд катионов. Электрокинетический потенциал, его зависимость от ионной силы раствора. Электрокинетические явления. Устойчивость дисперсных систем, коагуляция и флокуляция. Мицеллообразование. Структурообразование в коллоидных системах. |
5.2 Разделы дисциплины и междисциплинарные связи с обеспечиваемыми (последующими) дисциплинами
№ п/п | Наименование обеспе-чиваемых (последую-щих) дисциплин | № № разделов данной дисциплины, необходимых для изучения обеспечиваемых (последующих) дисциплин | ||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | ||
1. | Экоаналитическая химия и физико-химические методы анализа | + | + | + | + | + |
2. | Органическая химия | + | + | + | + | + |
3. | Геохимия окружающей среды и ландшафтоведение | + | + | + | + | + |
4. | Природопользование | + | + | + | + | + |
5. | Теоретические основы защиты окружающей среды | + | + | + | + | + |
6. | Основы металлургии | + | + | + | + | + |
7. | Утилизация отходов производства и потребления | + | + | + | + | + |
8. | Безопасность хранения и захоронения отходов | + | + | + | + | + |
9. | Геоэкология | + | + | + | + | + |
10. | Процессы и аппараты защиты окружающей среды | + | + | + | + | + |
5.3. Разделы дисциплин и виды занятий
№ п/п | Наименование раздела дисциплины | Лекц. | Практ. Зан. | Лаб. Зан. | Семин | СРС | Все-го час. |
1. | Основы химической термодинамики | 6 | 4 | 10 | 5 | 25 | |
2. | Химическое равновесие | 6 | 3 | 4 | 4 | 17 | |
3. | Фазовые равновесия и свойства растворов | 6 | 3 | 4 | 4 | 17 | |
4. | Химическая кинетика | 6 | 3 | 4 | 4 | 17 | |
5. | Коллоидная химия | 10 | 4 | 12 | 6 | 32 | |
Итого | 34 | 17 | 34 | 23 | 108 |
6. Лабораторный практикум
№ п/п | № раздела дисциплины | Наименование лабораторных работ | Трудо-емкость (час.) |
1 | Определение изменения энтальпии реакции нейтрализации. | 2 | |
1 | Определение молярной массы и кажущейся степени электролита криометрическим методом. | 3 | |
2 | Определение интегральной теплоты растворения соли и теплоты гидратообразования. | 3 | |
2 | Определение энтальпии диссоциации слабого электролита. | 2 | |
2 | Получение диаграммы состояния двухкомпонентной системы жидкость-газ. | 3 | |
3 | Давление насыщенного пара. | 3 | |
3 | Экстракционное разделение и извлечение катионов цветных металлов. | 3 | |
4 | Исследование кинетики химических реакций; | 3 | |
4 | Исследование кинетики ионного обмена | 3 | |
5 | Исследование обменной адсорбции ионов. | 3 | |
5 | Исследование свойств поверхности раздела фаз: раствор ПАВ – воздух. | 3 | |
5 | Исследование молекулярной адсорбции растворенного вещества из растворов на активированном угле. | 3 | |
Итого | 34 |
7. Практические занятия (семинары)
№ п/п | № раздела дисциплины | Тематика практических занятий (семинаров) | Трудо-емкость (час.) |
1. | 1 | Расчет тепловых эффектов химических реакций | 2 |
2. | 1 | Вычисление изменения энтропии в различных процессах | 2 |
3. | 2 | Расчет направления протекания химической реакции | 2 |
4 | 3 | Расчет равновесного состава реакционной смеси | 3 |
5. | 4 | Диаграммы состояния трехкомпонентных водно-солевых систем | 2 |
6. | 5 | Расчет кинетических параметров химической реакции | 2 |
7. | 5 | Молекулярно-кинетические свойства дисперсных систем | 2 |
8. | 5 | Строение мицеллы | 2 |
Итого | 17 |
8. Примерная тематика курсовых проектов (работ)_______ не предусмотрено учебным планом и основной образовательной программой___________________________________
9. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины:
а) основная литература
1. , Семченко химия. Издание 4. М.: Высшая школа, 2003.
2. , , Батраков химия. М.: Академия. 2005.
3. , , Успенская физической химии. Теория и задачи. М.: Экзамен. 2005.
4. , , Дубровская химия. Термодинамические свойства растворов. Сборник задач. СПб.: Изд-во СПГГИ, 2007.
5. Краткий справочник физико-химических величин./ Ред. , Пономарева 10. СПб: Специальная литература, 2003.
6. , Ульянова химия. Химическая кинетика. Методуказания. СПб.: Изд-во СПГГИ, 2003.
7. Липин диаграммы. Сборник задач. СПб: Изд-во СПГГИ, 1999.
8. , , Иванов химия. Химическая термодинамика. Сборник задач. СПб. СПГГИ.: 2007.
9. Чиркст электролитов. Учебное пособие. СПб. СПГГИ. 2006.
10. , , Литвинова химия. Лабораторный практикум. Учебное пособие. СПб. СПГГИ. 2010.
б) дополнительная литература
1. , , Картушинская задач по химической термодинамике. М.: Высшая школа, 1985.
2. Дибров и физическая химия. Часть 3. Химическая термодинамика. СПб: Изд-во СПГГИ, 1996.
3. , , Лихтенштейн кинетика. М.: Химия, 2000.
программа химических расчетов HSC производства компании Outotec
г) базы данных, информационно-справочные и поисковые системы
http://www. chem. /cgi-bin/tkv. pl
http://www.
http://www. sciteclibrary. ru/
10. Материально-техническое обеспечение дисциплины:
Лаборатория общей и неорганической химии, лаборатория физической химии, лаборатория прикладной химии, компьютерные классы, специализированная аудитория 3532.
11. Методические рекомендации по организации изучения дисциплины:
Преподавание дисциплины основано на организации внутри дисциплины и междисциплинарных образовательных модулей, представляющих совокупность теоретических представлений и практических навыков по дидактическим единицам, изложенными в тексте программы во взаимосвязи с последующими и смежными дисциплинами.
Теоретические представления студент получает в результате изучения курса лекций и самостоятельного изучения литературных источников (учебников и учебных пособий). Теоретические представления закрепляются в процессе выполнения домашних заданий, контрольных и самостоятельных работ, составления реферата.
Практические навыки студентом приобретаются в ходе выполнения рекомендованного программой учебного лабораторного практикума, подготовке к лабораторным работам и оформления отчетов по результатам выполнения лабораторного эксперимента.
Текущий контроль успеваемости и промежуточная аттестация является совокупностью данных по успешности выполнения студентом требований ФГОС ВПО, учебного плана, примерной учебной программы и включает
= посещение лекционных и лабораторных занятий;
= своевременная сдача домашних заданий в соответствии с предоставленным преподавателем графиком выполнения домашних работ;
= своевременное предоставление реферата в соответствии с графиком работы над рефератом, которых составляется лектором потока;
= выполнение учебного лабораторного практикума и предоставления отчетов по лабораторным работам в соответствии с графиком выполнения лабораторных работ и сроками сдачи отчетов, разрабатываемым лектором потока;
= успешное написание контрольной работы.
Разработчик:
кафедра ОФХ профессор
