• A
  • A
  • A
  • АБB
  • АБB
  • АБB
  • А
  • А
  • А
  • А
  • А
Обычная версия сайта
Бакалавриат 2021/2022

Физическая химия

Статус: Курс обязательный (Химия)
Направление: 04.03.01. Химия
Кто читает: Факультет химии
Когда читается: 3-й курс, 1, 2 модуль
Формат изучения: с онлайн-курсом
Охват аудитории: для своего кампуса
Язык: русский
Кредиты: 6

Программа дисциплины

Аннотация

В курсе «Физическая химия» рассматриваются элементы статистической и феноменологической термодинамики, основы расчетных методов термодинамики растворов и фазовых равновесий, а также основы теории химической кинетики и катализа. В курсе лекций обсуждаются основные теоретические положения и закономерности протекания химических и фазовых превращений. На семинарах предполагается знакомство с решениями актуальных задач физической химии и способами обработки результатов измерений.
Цель освоения дисциплины

Цель освоения дисциплины

  • Целями освоения дисциплины Физическая химия являются: овладение аппаратом химической для расчета гомогенных и гетерогенных равновесий, приобретение навыков использования основ статистической термодинамики для решения задач различной сложности, формирование современных представлений о теории химической кинетики и катализа.
Планируемые результаты обучения

Планируемые результаты обучения

  • - знать способы аналитического представления закономерностей, которые определяют направление и результат протекания процессов в гомогенных и гетерогенных системах
  • уметь проводить математическую обработку физико-химических данных, обобщать полученные результаты;
  • владеть навыками поиска физико-химических данных в открытых источниках и применять их при решении практических задач.
Содержание учебной дисциплины

Содержание учебной дисциплины

  • Элементы статистической термодинамики
    Основные постулаты статистической термодинамики. Функции распределения. Фазовое пространство. Ансамбли Гиббса: микроканонический и канонический ансамбли. Сумма по состояниям. Вычисление внутренней энергии, энергии Гельмгольца, энергии Гиббса, энтропии, теплоемкости и химического потенциала с помощью сумм по состояниям. Уравнения состояния. Фундаментальное уравнение Гиббса. Соотношения Максвелла. Уравнение Гиббса-Дюгема. Общие и частные условия равновесия в гомогенных и гетерогенных системах. Поступательная сумма по состояниям. Теорема равнораспределения и ее применение в теории теплоемкостей. Энтропия одноатомного идеального газа. Формула Закура–Тетроде. Поступательные вклады в термодинамические функции идеальных газов. Вращательная сумма по состояниям для жесткого ротатора. Составляющие для внутренней энергии, теплоемкости, энтропии, обусловленные вращательным движением. Внутреннее вращение и заторможенное вращение. Колебательная сумма по состояниям для гармонического осциллятора. Составляющие внутренней энергии, теплоемкости и энтропии, обусловленные колебательным движением. «Замороженные» степени свободы. Электронные суммы по состояниям. Электронная составляющая теплоемкости (на примере атома хлора). Расчет констант равновесия химических реакций в идеальных газах методом статистической термодинамики. Межмолекулярное взаимодействие и конфигурационный интеграл. Статистическая теория реальных газов и проблема уравнения состояния. Метод Урселла–Майера. Уравнение состояния в вириальной форме. Статистические расчеты вириальных коэффициентов. Теорема о соответственных состояниях и ее анализ в статистической термодинамике.
  • Растворы
    Классификация растворов. Парциальные мольные свойства, методы их определения. Обобщенное уравнение Гиббса - Дюгема. Химический потенциал компонента идеального и реального раствора: газовый и конденсированный раствор. Стандартное состояние для химического потенциала. Летучесть и ее вычисление для реальных газов. Метод активностей Льюиса. Функции смешения. Уровни отсчета свойств растворов, избыточная энергия Гиббса раствора. Симметричная и несимметричная системы отсчета. Термодинамические модели растворов: полиномиальные модели, модели локального состава, модели групповых вкладов, модель подрешеток, модель ассоциированных растворов. Уравнения состояния для описания свойств растворов. Условия термодинамической устойчивости раствора. Термодинамика растворов электролитов. Ионная сила. Понятия средней ионной активности и среднего ионного коэффициента активности. Основные положения теории Дебая – Хюккеля. Термодинамические модели растворов электролитов.
  • Фазовые и адсорбционные равновесия
    Расчеты фазовых равновесий: из общих условий равновесия, из частных условий равновесия в дифференциальной и интегральной формах. Обобщенное уравнение Ван-дер-Ваальса. Расчеты фазовых равновесий жидкость – пар. Расчеты фазовых равновесий жидкость – кристаллическая фаза в системах с эвтектическим плавлением, взаимной растворимостью компонентов в твердом и жидком состоянии, с конгруэнтно и инконгруэнтно плавящимися соединениями. Расчеты жидкофазных равновесий. Законы Коновалова. Уравнения Шредера, Вант-Гоффа, Планка-ван-Лаара. Экспериментальные методы химической термодинамики. Явления адсорбции. Адсорбент, адсорбат. Метод «избытков Гиббса» и метод «полного содержания». Уравнения изотермы и изобары адсорбции. Изостерическая теплота адсорбции. Уравнение Ленгмюра, его термодинамический вывод и условия применимости. Уравнения Генри и Фрейндлиха. Константа адсорбционного равновесия. Полимолекулярная адсорбция, ее приближенное описание методом Брунауэра - Эммета - Теллера (БЭТ). Использование уравнения БЭТ для определения поверхности адсорбентов.
  • Элементы термодинамики необратимых процессов
    Описание неравновесных процессов в термодинамике. Производство энтропии. Линейные законы. Связь между сродством и скоростью химической реакции. Перекрестные явления. Принцип Кюри, соотношения взаимности Онсагера. Стационарные состояния системы и теорема Гленсдорфа-Пригожина
  • Химическая кинетика
    Основные понятия химической кинетики. Принцип независимости химических реакций. Прямая и обратная задачи химической кинетики. Цепные реакции. Длина цепи. Разветвленные и неразветвленные цепные реакции. Уравнение Боденштейна - Линда. Разветвленные цепные реакции на примере горения водорода. Стационарный и нестационарный режимы протекания. Полуостров воспламенения. Метод квазистационарных концентраций Семенова. Фотохимические реакции. Основные законы фотохимии: закон Гершеля-Дрепера, закон Буге - Ламберта – Бера, закон Эйнштейна-Штарка, закон Вант-Гоффа. Принцип Франка-Кондона. Элементарные фотохимические процессы. Квантовый выход. Схема Штерна-Фольмера. Фотохимические и темновые (термические) реакции. Кинетика реакций в конденсированных фазах. Реакции в растворах, их отличия от газофазных реакций. Реакции, лимитируемые диффузией. Влияние растворителя. Кинетика гетерогенных реакций, поверхность раздела. Топохимические реакции. Уравнение Аврами-Ерофеева. Теория активированного комплекса (переходного состояния) – ТАК. Допущения, используемые при построении теории. Статистический расчет константы скорости. Опытная и истинная энергии активации и их взаимосвязь. Термодинамический аспект теории активированного комплекса. Соотношения между опытной и энергией активации ТАК. Связь энтропии активации со стерическим фактором. Тримолекулярные реакции. Аномальная зависимость константы скорости от температуры. Сравнение теории активированного комплекса и теории активных соударений (ТАС). Отрицательный температурный коэффициент и его трактовка в теориях ТАС и ТАК.
  • Катализ
    Определение катализа. Основные промышленные каталитические процессы: Вакер-процесс, механизм Косси для реакции Циглера – Натта, каталитические реакции основных процессов химической технологии и нефтехимии. Классификация каталитических процессов. Типы и характеристики катализаторов. Гомогенный катализ. Кислотно-основной катализ. Классификация реакций кислотно-основного катализа. Кинетика и механизм реакций специфического кислотного катализа. Функция кислотности Гаммета. Кинетика и механизм реакций общего кислотного катализа. Корреляционные соотношения: соотношение Бренстеда, соотношение Семенова-Поляни, соотношение Гаммета. Специфический и общий основной катализ. Твердые кислоты как катализаторы. Гетерогенный катализ. Общие представления о теориях активных ансамблей Кобозева и теории мультиплетов Баландина, принцип геометрического и энергетического соответствия. Стадии гетерогенно-каталитического процесса. Кинетика каталитических реакций на поверхности. Механизм и кинетика Лэнгмюра-Хиншельвуда для реакции на однородной поверхности катализатора. Закон действующих масс для гетерогенных каталитических реакций. Механизм Ридила – Или. Кинетика гетерогенно-каталитических реакций с диффузионными ограничениями. Ферментативный катализ. Уравнение Михаэлиса – Ментен. Решение обратной кинетической задачи. Типы ингибирования: конкурентное, неконкурентное, субстарнтное. Эффективная константа Михаэлиса.
Элементы контроля

Элементы контроля

  • неблокирующий Контрольная работа (1)
  • неблокирующий Контрольная работа (2)
  • неблокирующий Контрольная работа (3)
  • неблокирующий Контрольная работа (4)
  • блокирующий Экзамен
Промежуточная аттестация

Промежуточная аттестация

  • Промежуточная аттестация (2 модуль)
    0.1 * Контрольная работа (1) + 0.1 * Контрольная работа (2) + 0.1 * Контрольная работа (3) + 0.1 * Контрольная работа (4) + 0.6 * Экзамен
Список литературы

Список литературы

Рекомендуемая основная литература

  • Еремин В.В., Каргов С.И., Успенская И.А. - Основы физической химии. В 2 ч: учебник - Издательство "Лаборатория знаний" (ранее "БИНОМ. Лаборатория знаний") - 2019 - 625с. - ISBN: 978-5-00101-633-5 - Текст электронный // ЭБС ЛАНЬ - URL: https://e.lanbook.com/book/116100

Рекомендуемая дополнительная литература

  • Методы статистической термодинамики в физической химии : учеб. пособие для вузов, Смирнова, Н. А., 1982