Основы физической химии

Бакалавриат 2019/2020

Статус: Курс обязательный (Химия)

Направление: 04.03.01. Химия

Кто читает: Факультет химии

Где читается: Факультет химии

Когда читается: 1-й курс, 2 модуль

Формат изучения: без онлайн-курса

Преподаватели: Котов Виталий Юрьевич, Ярославцев Андрей Борисович

Язык: русский

Кредиты: 4

Контактные часы: 64

Полная версия программы учебной дисциплины

Аннотация

Целями освоения дисциплины Основы физической химии являются формирование у обучающихся основ знаний по химической термодинамике, гетерогенным и химическим равновесиям, свойствам растворов, электрохимическим процессам и химической кинетике, овладение обучающимися навыками решения расчетных химических задач. Изучение данной дисциплины базируется на следующих дисциплинах: • Математический анализ • Физика Для освоения учебной дисциплины студенты должны владеть следующими знаниями и умениями: • Знать и владеть простейшими основами дифференциального и интегрального исчисления. • Знать элементарные законы физики (газовые законы, закон Кулона, теплоемкость) • Уметь описывать проблемы и ситуации профессиональной деятельности, используя язык и аппарат математических наук Основные положения дисциплины должны быть использованы в дальнейшем при изучении дисциплин: • Физическая химия • Теоретическая неорганическая химия • Органическая химия • Квантовая химия • Высокомолекулярные соединения • Дисциплины специализации • Дисциплины специализации Формат обучения: Проведение лекционных и семинарских занятий, письменных контрольных работ. При проведении занятий используются неимитационные активные методы обучения в виде лекционных презентаций и «мозговой штурм» при решении задач на практических занятиях.

Цель освоения дисциплины

формирование у обучающихся основ знаний по химической термодинамике, гетерогенным и химическим равновесиям, свойствам растворов, электрохимическим процессам и химической кинетике
овладение обучающимися навыками решения расчетных химических задач.

Планируемые результаты обучения

Демонстрирует знание основных законов химической термодинамики.
Умеет предсказывать, рассчитывать и объяснять закономерности протекания химических реакций, их выход, положение равновесия.
Демонстрирует знание фазовых равновесий в различных системах, основ теории растворов.
Умеет строить и пояснять основные типы фазовых диаграмм, их связь с термодинамическими параметрами, рассчитывать число степенейсвободы систем; вычислять степень электролитической диссоциауии и гидролиза
Демонстрирует знание основных методов очистки веществ, теории окислительно-восстановительных процессов, закономерностей процессов коррозии и принципов работы химических источников тока.
Умеет выбирать оптимальные способы очистки веществ от различного рода примесей; рассчитывать и объяснять равновесие электрохимических процессов, потенциалы окислительно-восстановительных процессов, выбирать способы защиты от коррозии.
Демонстрирует знание основ химической кинетики, теории соударений, активированного комплекса, закономерностей протекания реакций в газовой, жидкой и твердой фазе.
Умеет определять порядок реакции и энергию их активации на основании экспериментальных данных, выбирать методы ускорения и замедления реакций, объяснять основные закономерности протекания каталитических процессов.

Содержание учебной дисциплины

Введение в химическую термодинамику. Химическое равновесие.
Основные задачи химической термодинамики. Термодинамические параметры. Открытая, замкнутая и изолированная системы. Экстенсивные и интенсивные термодинамические параметры. Внутренняя энергия. Первый закон термодинамики. Функция энтальпии. Тепловой эффект химической реакции при постоянном давлении, постоянном объеме и постоянной температуре. Термохимические уравнения. Теплоты образования и сгорания. Стандартные состояния и стандартные теплоты. Энергия разрыва химической связи. Расчет тепловых эффектов реакций по теплотам сгорания, образования и энергий разрыва связи. Закон Гесса и термохимия. Теплоемкость. Теплоемкость идеального газа. Теплоемкости одноатомных и многоатомных газов. Зависимость теплоемкости и энтальпии вещества от температуры. Общие понятия о фазовых переходах. Зависимость тепловых эффектов химических реакций от температуры, уравнение Кирхгоффа. Второй закон термодинамики. Обратимые и необратимые процессы. Направление самопроизвольного процесса в изолированной системе. Статистическая природа второго закона термодинамики. Энтропия. Энтропия идеального кристалла. Энтропия идеального газа. Изменения энтропии при постоянном объеме и постоянном давлении. Изменение энтропии в необратимых процессах. Термодинамические функции. Свободная энергия и максимальная работа. Свободная энергия Гиббса и Гельмгольца. Условия самопроизвольного протекания процесса при постоянных p,V и p,T. Химический потенциал. Активность. Термодинамические расчеты. Обратимость химических реакций. Химическое равновесие. Условия химического равновесия в гомо- и гетерогенных системах. Глубина протекания процессов. Степень превращения. Константа равновесия. Факторы, влияющие на величину константы равновесия. Смещение положения равновесия. Принцип подвижного равновесия Ле ШательеБрауна. Стандартная свободная энергия.
Фазовые равновесия и фазовые диаграммы. Растворы.
1. Фазовые равновесия. Теплоты кипения и плавления. Термический анализ. Правило фаз Гиббса. Степень свободы, вариантность системы. Фазовые диаграммы однокомпонентных систем. Фазовые равновесия на РТ-диаграмме. Аналитическое описание кривых на РТ-диаграмме. РТ-диаграмма воды. Фазовые поля. Тройная точка. Метастабильные состояния. Фазовые переходы первого рода. РТ-диаграмма серы. Фазовые диаграммы двухкомпонентных систем. РТ, ТХ и РХ-проекции, ТХ и РХ-сечения. Конденсированные системы. Основные типы диаграмм двухкомпонентных систем (Эвтектика, конгруэнтно и инконгруэнтно плавящиеся соединения, ограниченные и неограниченные твердые растворы). Применение правила фаз к двухкомпонентным системам. Состав и относительные количества равновесных фаз. 2.Насыщенный раствор и растворимость. Диаграмма системы соль-вода (на примере Na2SO4-H2O). Зависимость растворимости от температуры. Факторы, влияющие на растворимость. Криогидратная точка. Давление насыщенных паров над раствором. РХ и ТХ-диаграммы для растворов типа жидкость-жидкость. Закон Рауля. Идеальный раствор. РТ-диаграммы воды и растворов. Правило фаз для растворов. Коллигативные свойства растворов. Крио и эбулиоскопия. Осмос и осмотическое давление. Термодинамическое обоснование закона ВантГоффа. Определение молекулярных масс органических соединений на основании свойств растворов. 3. Взаимодействие растворителя с веществом. Сольватация катиона и аниона. Коллигативные свойства растворов электролитов. Изотонический коэффициент. Активности и коэффициенты активности. Степень электролитической диссоциации. Сильные и слабые электролиты. Константа диссоциации слабых электролитов. Способы смещения равновесия. Растворы сильных электролитов. Ионные пары, активность, ионная сила раствора. Малорастворимые соли. Произведение растворимости. Способы понижения и повышения растворимости. 4. Теории кислот и оснований. Автопротолиз. Ионное произведение воды. Сильные и слабые кислоты. Факторы, определяющие силу кислот. Концентрация ионов водорода. рН. Гидратированные катионы, как пример слабых кислот. Гидролиз солей, образованных сильной кислотой и слабым основанием. Константа и степень гидролиза. Факторы, влияющие на степень гидролиза. Гидролиз солей, образованных слабой кислотой и сильным основанием. Гидролиз солей слабых кислот и оснований. Образование кластеров при гидролизе. Буферные растворы.
Методы очистки веществ. Окислительно-восстановительные процессы. Введение в электрохимию.
1. Термодинамические аспекты получения "абсолютно чистых веществ". Методы очистки твердых и жидких веществ. Перекристаллизация из раствора (связь с ТХ-диаграммой системы сольвода). Коэффициент распределения примесей. Соосаждение, адсорбция, окклюзия. Кристаллизация из расплава (ТХ-диаграммы). Зонная плавка. ТХ-диаграмма системы жидкостьпар, дистилляция. Коэффициент распределения. Возгонка, РТ-диаграммы перегоняемых веществ. Транспортные реакции. Хромотография и адсорбция. Экстракция. Ионный обмен. Коэффициент распределения. 2. Окислительновосстановительные процессы и степень окисления. Сопряженные окислительновосстановительные пары в растворах. Электродвижущие силы и электродные потенциалы. Обратимые элементы, химическая и электрическая энергия. Химическая и электрическая энергия. Концентрационный элемент. Окислительновосстановительный потенциал. Стандартный потенциал. Электродные потенциалы. Водородный, каломельный и хлорсеребряный электроды. 3. Стандартные электродные потенциалы. Определение направления окислительновосстановительных реакций. ЭДС, G, константа равновесия. Диаграммы Латимера и Фроста. Уравнение Нернста (термодинамический вывод). Расчет потенциалов химических реакций: влияние рН, комплексообразования, образования малорастворимых соединений. Диаграммы "Е-рН". Электролиз растворов и расплавов. Источники тока. Гальванические элементы. Аккумуляторы. Топливные элементы.
Кинетика химических реакций.
1. Предмет химической кинетики. Соотношение кинетики и термодинамики. Средняя и истинная скорость реакции. Закон действующих масс. Порядок и молекулярность реакции. Кинетические уравнения. Методы определения порядка реакции. Константа скорости. Кинетический вывод константы равновесия. Кинетика обратимых реакций. 2. Зависимость скорости реакции от температуры. Распределение МаксвеллаБольцмана. Уравнение Аррениуса. Теория активных соударений. Активированный комплекс. Понятие о поверхности потенциальной энергии, координате и профиле пути реакции. Соотношение Еа и Н. Стерический фактор. Энтропия активации. Сложные и элементарные реакции, лимитирующая стадия. 3. Скорость процесса и природа реагирующих частиц: реакции между молекулами, радикалами и ионами. Гомо- и гетеролитический распад. Процессы, протекающие по SN1 и SN2-механизмам. Параллельные процессы. Метод конкурирующих реакций. Последовавтельные реакции. Промежуточный продукт. Метод квазистационарных концентраций. Цепные реакции. Катализ. Гомогенный катализ в газовой и жидкой фазах. Механизм кислотноосновного катализа. Гетерогенный катализ. Явления сорбции - десорбции. Изменение энергии связи молекул при сорбции, диссоциативная сорбция. Реакции Лэнгмюра-Хиншелвуда и Элея-Ридела. Катализаторы и ингибиторы химических реакций. Механизм и кинетика реакций в гомо и гетерогенных системах. Общие сведения о кинетике твердофазных процессов. Диффузионно лимитирующиеся процессы. Зародышеобразование.

Элементы контроля

Контрольная работа 1
Контрольная работа 2
Контрольная работа 3
Контрольная работа 4
Экзамен

Промежуточная аттестация

Промежуточная аттестация (2 модуль)
0.15 * Контрольная работа 1 + 0.15 * Контрольная работа 2 + 0.15 * Контрольная работа 3 + 0.15 * Контрольная работа 4 + 0.4 * Экзамен

Программа дисциплины