Дисциплина «Физическая химия» является дисциплиной дополнительной специальности цикла дисциплин предметной подготовки.
Дисциплина «Физическая химия» необходима для подготовки студентов к преподаванию курса химии в школе.
Дисциплина «Физическая химия» занимает важное место в системе подготовки учителя, способного решать задачи, связанные с реформой общеобразовательной и профессиональной школы. Изучение данной дисциплины призвано подготовить учителя для работы в условиях профильного обучения (химический, химико-биологический, медицинский профили), вооружить его необходимыми знаниями для преподавания элективных курсов и организации научно-исследовательской деятельности школьников.
Дисциплина «Физическая химия» открывает огромные возможности для формирования научного мировоззрения. Учителю химии для квалифицированного изложения многообразного фактического материала, предусмотренного программой средней школы, необходимо усвоить теоретические основы, изучаемые в курсе физической химии. Необходимость знания основ физической химии будущим учителем обусловливается и все увеличивающимся значением отдельных ее разделов, включаемых в программу курса средней школы и составляющих его теоретическую базу. На основе физико-химических закономерностей должны рассматриваться химико-технологические и металлургические процессы. Теоретические знания требуются и для успешного изложения элективных и факультативных курсов в средней школе. Знание физической химии необходимо учителю химии и биологии для глубокого понимания физиологических процессов, протекающих в организме растений, человека и животных.
Дисциплина «Физическая химия» должна также способствовать формированию у учителя навыков современного химического лабораторного эксперимента, умения ставить количественные практические работы, графически обрабатывать полученные результаты и производить необходимые расчеты.
Изучение данной дисциплины призвано помочь преподавателям средней школы при формировании у учащихся правильного представления о многообразии и сложности материального мира.
4. Распределение времени, отведенного на изучении дисциплины по учебному плану
Форма учебной работы
Форма обучения
Очная
По семестрам
7
8
Общая трудоёмкость, всего часов
136
96
Аудиторные занятия (АЗ)
68
48
Лекции (Л)
34
24
Практические занятия (ПЗ)
Семинары (С)
Лабораторные занятия (ЛЗ)
34
24
Другие виды аудиторных занятий
Самостоятельная работа (СР)
68
48
Контрольная работа
+
+
Компьютерное тестирование
Курсовая работа
Форма итогового контроля (зачет, экзамен)
Зачет
Экзамен
5. тематический план для очной формы обучения
Наименование разделов и тем
Форма обучения
АЗ
СР
Л
ЛЗ
7 семестр
1.
Введение
1
2.
Краткая характеристика газов
1
2
4
3.
Основы химической термодинамики
12
8
18
4.
Химическое равновесие
2
2
5
5.
Фазовые равновесия
4
4
5
6.
Растворы
2
4
8
7.
Поверхностные явления
2
3
6
8.
Необратимые процессы
2
4
11.
Электрохимия
8
11
18
Всего за седьмой семестр
34
34
68
8 семестр
9.
Химическая кинетика
10
12
29
10.
Катализ
4
7
9
11.
Электрохимия
2
2
4
12.
Строение вещества
8
3
6
Всего за восьмой семестр
24
24
48
Всего за курс
58
58
116
Содержание дисциплины
Введение
Предмет и задачи физической химии как теоретической основы современной химии и химической технологии . Место физической химии в естествознании, биологии. Содержание курса физической химии. Ее значение в подготовке учителей химии и биологии.
Основные этапы развития и современное состояние физической химии. Вклад в развитие науки отечественных ученых (Ломоносов М.В., Бекетов Н.И., Менделеев Д.И., Коновалов Д.П., Курнаков Н.С., Каблуков Н.А., Кистяковский В.И., Семенов Н.Н., Фрумкин А.Н., Ребиндер П.А., и др.).
Краткая характеристика газов
Газовые законы (Законы Бойля-Мариотта, Гей-Люсакка, Шарля и Авогадро). Уравнение состояния идеального газа. Смесь идеальных газов. Некоторые сведения из кинетической теории газов «для идеальных газов». Законы распределения молекул по энергиям и скоростям. Реальные газы. Уравнение Ван-дер-Ваальса. Проблема уравнения состояния. Уравнение с вириальными коэффициентами.
Основы химической термодинамики
Предмет термодинамики. Термодинамические системы и их классификации. Термодинамические свойства. Интенсивные и экстенсивные параметры. Термодинамические процессы. Термическое равновесие системы. Закон транзитивности теплового равновесия. Температура. Внутренняя энергия. Теплота и работа как формы передачи энергии.
Первый закон термодинамики. Функция состояния. Обмен энергии в форме работы. Работа различного рода. Работа расширения идеального газа. Равновесные, обратимые и неравновесные процессы. Максимальная работа. Процессы при постоянной температуре, объеме, и давлении. Энтальпия. Адиабатный процесс.
Обмен энергии в форме теплоты. Теплоемкость и ее зависимость от температуры. Теория теплоемкости газов и твердых веществ.
Приложение первого закона термодинамики к химии. Теплота реакции. Понятие о тепловом эффекте. Стандартные состояния и стандартные теплоты химических реакций. Закон Гесса и его следствия. Термохимические уравнения. Теплоты образования, сгорания, растворения. Зависимость теплового эффекта химических реакций от температуры. Уравнения Кирхгофа. Энергии химических связей. Расчет тепловых эффектов химических реакций и энергий связи.
Второй закон термодинамики и его различные формулировки. Энтропия. Процессы равновесные и неравновесные. Теорема Карно-Клаузиуса и максимальный коэффициент полезного действия. Уравнение второго закона термодинамики для обратимых и необратимых процессов. Некомпенсированная теплота Клаузиуса и работа, потерянная в необратимом процессе. Изменение энтропии как критерий возможности самопроизвольного протекания процесса в изолированной системе. Изменение энтропии при химической реакции и фазовых переходах.
Постулат Планка. Вычисление абсолютного значения энтропии. Энтропия и вероятность. Статистическая интерпретация. Уравнение Больцмана.
Термодинамические потенциалы Гиббса и Гельмгольца. Физически смысл энергии Гиббса и Гельмгольца. Стандартные условия термодинамических величин. Условия самопроизвольного протекания процессов. Уравнения Гиббса-Гельмгольца. Характеристические функции. Уравнения Максвелла.
Изменение термодинамических функций в открытых системах. Химические потенциал, их определение, вычисление и свойства.
Химическое равновесие
Химическое равновесие. Закон действующих масс. Термодинамический вывод закона действующих масс. Различные виды констант (Кр, Кс, Кх) и связь между ними. Химическое равновесие в идеальных и неидеальных системах. Представление о летучести и активности.
Уравнения изотермы, изобары и изохоры химической реакции. Зависимость констант равновесия от температуры. Уравнение Вант-Гоффа. Понятие о химическом сродстве. Смещение химического равновесия. Принцип Ле Шателье-Брауна.
Фазовые равновесия
Гетерогенные системы. Понятие фазы, компонента, степени свободы. Правило фаз Гиббса и его вывод. Условия равновесия между фазами.
Однокомпонентные системы. Диаграммы состояния воды, серы. Фазовые переходы первого рода. Уравнение Клайперона-Клаузиса и его применение к различным фазовым переходам первого рода. Фазовые переходы второго рода.
Двухкомпонентные системы. Различные виды диаграмм состояния двухкомпонентных систем и их анализа на основе правила фаз. Системы, образующие твёрдые растворы, и химические состояния конгруэнтной и инконгруэнтной точкой плавления. Эвтектическая и перитектическая точки. Диаграмма состав-температура двухкомпонентных систем. Термический анализ. Твёрдые растворы.
Трёхкомпонентные системы. Треугольник Гиббса.
Растворы
Растворы различных классов. Термодинамическая классификация растворов. Различные способы выражения состава раствора. Смеси идеальных газов и их термодинамические свойства. Идеальные растворы.
Термодинамика растворов. Растворы идеальные, предельно разбавленные, неидеальные. Предельно разбавленные растворы. Парциальные мольные величины и их определением из опытных данных (для бинарных систем). Уравнение Гиббса-Дюгема и Гиббса-Дюгема-Маргулеса.
Растворы – жидкость-газ. Зависимость растворимости газов от давления (закон Генри), их природы и природы растворителя и температуры.
Растворы летучих жидких веществ. Идеальные растворы. Давление насыщенного пара. Растворы с положительным и отрицательным отклонением от закона Рауля. Причины отклонений.
Диаграммы «состав – давление пара» и «состав – температура кипения». Законы Гиббса-Коновалова. Азеотропные растворы и их свойства. Разделение веществ путём перегонки. Давление пара бинарных систем из частично смешивающихся и несмешивающихся жидкостей. Распределение третьего компонента между двумя несмешивающимися жидкостями. Коэффициент распределения. Экстрагирование.
Растворы «летучая жидкость – нелетучее вещество». Зависимость растворимости твёрдых веществ от их природы и температуры. Свойства разбавленных растворов. Давление насыщенного пара растворителя над раствором, зависимость от температуры. Температура замерзания и кипения разбавленных растворов. Криоскопия и эбуллиоскопия. Криоскопический метод.
Осмотические явления. Уравнение Вант-Гоффа, его термодинамический вывод и область применимости. Роль осмоса в биологических процессах.
Поверхностные явления
Гетерогенные химические равновесия и особенности их термодинамического описания. Поверхностная энергия. Поверхностное натяжение. Вязкость. Испарение. Явление адсорбции.
Поверхностные явления на границе «жидкость – газ» и «жидкость – жидкость». Адсорбция на поверхности радела «раствор – газ». Уравнение Гиббса. Изотерма адсорбции Лэнгмюра. Поверхностно-активные вещества.
Адсорбция газов и паров на твердых телах. Адсорбенты (активированные угли, гели, цеолиты и др.). Адсорбат. Структура поверхности и пористость адсорбента. Изотермы адсорбции. Уравнение Генри. Константа адсорбционного равновесия, уравнение Фрейндлиха-Бедекера.
Полимолекулярная адсорбция, ее приближенное описание методом Брунауэра-Эммета-Теллера (БЭТ). Использование уравнения БЭТ для определения поверхности адсорбентов.
Зависимость адсорбции от температуры и свойств адсорбента и адсорбтива. Природа адсорбционных сил. Хемосорбция.
Поверхностные явления на границе «твердое вещество – жидкость». Смачивание. Капиллярные явления (капиллярное поднятие жидкости, капиллярная конденсация).
Адсорбция на твердых телах из растворов. Ионнообменная адсорбция. Иониты и их применение.
Необратимые процессы
Описание необратимых процессов в термодинамике. Потоки. Силы. Феноменологические законы для скоростей процессов. Открытые и закрытые системы. Необратимые процессы и производство энтропии. Зависимость скорости производства энтропии от обобщенных потоков и сил. Стационарное состояние системы и теорема Пригожина.
Химическая кинетика
Предмет и задачи химической кинетики. Механизмы химических реакций. Несоответствие механизмов химических реакций и их стехиометрических уравнений.
Основные понятия химической кинетики. Скорость химических реакций. Гомогенные и гетерогенные реакции. Методы исследования скоростей реакций. Простые и сложные реакции. Элементарные стадии. Порядок и молекулярность реакций. Реакции переменного порядка (на примере образования HBr).
Кинетический закон действия масс и область его применимости. Прямая и обратная задачи химической кинетики. Зависимость скорости от температуры. Уравнение Аррениуса. «Эффективная» и «истинная» энергии активации.
Кинетика необратимых гомогенных реакций первого, второго и третьего порядков. Определение константы скорости, порядка реакции и вида кинетического уравнения.
Сложные реакции. Обратимые реакции первого порядка. Параллельные реакции. Последовательные реакции (на примере двух необратимых реакций первого порядка). Метод стационарных концентраций Боденштейна. Применение метода для вывода кинетических уравнений. Сопряженные реакции (последовательно-конкурирующие реакции) как пример смешанных классов сложных реакций. Понятие об автокаталитических и самотормозящихся реакциях.
Теория молекулярных столкновений. Её недостатки и преимущества. (На примере бимолекулярных реакций).
Теория переходного состояния (активированного комплекса). Основные допущения теории активированного комплекса и область её применимости. Трансмиссионный коэффициент. Термодинамический аспект теории активированного комплекса. Энтальпия и энтропия активации.
Цепные реакции. Элементарные процессы возникновения, продолжения, разветвления и обрыва цепей. Неразветвленные и разветвленные цепные реакции. Ингибиторы цепных реакций.
Фотохимические и радиационно-химические реакции. Элементарные фотохимические процессы. Закон фотохимической эквивалентности Эйнштейна. Квантовый выход. Сенсибилизированные реакции. Хемилюминесценция. Биолюминесценция. Значение фотохимических и радиационно-химических реакций в природе и химической промышленности.
Особенности кинетики гетерогенных реакций. Диффузия и адсорбция гетерогенных процессах. Кинетическая и диффузионная области гетерогенного процесса.
Катализ
Катализ, его определение. Особенность и классификация каталитических процессов.
Гомогенней катализ. Кислотно-основной катализ.
Ферментативный катализ. Общие сведения о кинетике и механизмах ферментативных реакций. Зависимость кинетических постоянных от рН среды и температуры. Уравнение Михаэлиса-Ментен. Субстратная специфичность ферментов. Ингибирование ферментативных реакций (конкурентное и неконкурентное).
Гетерогенный катализ. Скорость гетерогенной каталитической реакции. Активные центры гетерогенных катализаторов, роль адсорбции в кинетике гетерогенных каталитических реакций. Энергия активации гетерогенных каталитических реакций. Промотирование. Отравление катализаторов. Твердые кислоты и металлы как катализаторы. Теория мультиплетов Баландина. Принципы геометрического и энергетического соответствия. Область применения теории мультиплетов. Другие теории гетерогенного катализа.
Роль катализа в биологических процессах и химической промышленности.
Электрохимия
7.1. Растворы электролитов
Коллигативные свойства растворов электролитов. Изотонический коэффициент, его связь со степенью диссоциации. Основные положения теории электролитической диссоциации Аррениуса. Гидратация ионов и энергия гидратации. Константа диссоциации слабого электролита. Закон разведения Оствальда.
Растворы сильных электролитов. Основные положения теории сильных электролитов (теория Дебая-Гюккеля). Понятие средней активности и среднего коэффициентами активности; их связь с активностью и коэффициентами активности отдельных ионов Ионная сила растворов. Ионная атмосфера и ассоциация ионов. Уравнения для коэффициента активности в первом, втором и третьем приближении теории Дебая-Гюккеля.
7.2. Электропроводность растворов электролитов
Электропроводность растворов электролитов. Удельная электропроводность и её зависимость от концентрации. Эквивалентная электропроводность. Числа переноса ионов. Связь электропроводности со скоростями движения ионов. Подвижность ионов. Закон Кольрауша. Аномальная подвижность ионов водорода и гидроксид-ионов. Применение кондуктометрических методов. Представление о растворимых и нерастворимых полиэлектролитах.
7.3. Электродные равновесные процессы
Общая характеристика электрохимических процессов, электрохимические системы. Понятие электрохимического потенциала и условие электрохимического равновесия на границе раздела фаз. Формула Нернста и уравнение Гиббса-Гельмгольца. Направленность электрохимических процессов.
Понятие электродного потенциала. Изменение электродного потенциала на границах раздела фаз в электрохимических системах: внутренний контактный, на границе «металл – раствор». Диффузионный, адсорбционный, мембранный потенциалы. Двойной электрический слой: его строение и роль в кинетике электродных процессов. Водородная шкала электродных потенциалов. Стандартные электродные потенциалы. Электрохимический ряд напряжений.
Классификация электродов. Роль мембранных и диффузионных потенциалов в биологических процессах.
Электрохимические цепи (гальванические элементы): химические и концентрационные. Измерение ЭДС. Насыщенный элемент Вестона. Электроды сравнения. Электрохимический метод измерения рН. Электроды для измерения рН: водородный, хингидронный, стеклянный. Потенциометрическое титрование.
7.4. Электрохимическая кинетика
Электрохимическая кинетика. Плотность тока как мера скорости, электродного процесса. Поляризация электродов, виды поляризации. Стадии электродного процесса. Механизмы массопереноса: диффузия, миграция, конвекция. Диффузионная кинетика. Уравнения диффузионной кинетики. Потенциал нулевого заряда. Полярография.
Электролиз. Законы Фарадея. Выход вещества по току. Перенапряжение электрохимической реакции и перенапряжение концентрации. Уравнение Тафеля. Перенапряжение восстановления водородных ионов. Особенности электролиза водных растворов и расплавов электролитов.
Практическое значение электрохимических процессов. Коррозия металлов. Виды коррозии. Защита металлов от коррозии. Ингибиторы коррозии. Химические источники электрической энергии. Аккумуляторы.
Строение вещества
11.1. Строение молекул
Современная теория химического строения молекул. Связь строения и свойств молекул в классической теории. Закономерности в геометрическом строении молекул.
Основные положения квантовой механики. Одноэлектронные и многоэлектронные атомы: атомные орбитали, энергетические уровни, квантовые числа.
Квантовая теория образования химической связи. Гамильтониан и уравнение Шредингера для свободной молекулы. Адиабатическое приближение и понятие о поверхностях потенциальной энергии молекул. Основные методы решения электронного уравнения Шредингера для молекулы: одноэлектронное приближение и молекулярные орбитали. Расчетные методы квантовой химии: неэмпирические и полуэмпирические.
Приближенные методы решения электронного волнового уравнения. Метод Хартри-Фока.
Простейшие приближения для молекулярных орбиталей. Локализация и делокализация в молекулярных задачах. Гибридные орбитали. Расширенный метод Хюккеля. p-электронные системы и метод Хюккеля. Проблема ароматичности.
Координационные соединения: теория МО, теория кристаллического поля и теория поля лигандов. Высоко- и низкоспиновые молекулярные системы.
Общая характеристика химических связей в молекулах. Типы химических связей. Геометрия молекулы.
11.2. Свойства молекул.
Электрические свойства молекул. Дипольный момент, полярные и неполярные молекулы. Закономерности для дипольных моментов молекул. Поляризуемость молекул. Рефракция, её использование для определения характеристик молекул.
Магнитные свойства молекул. Молекула в магнитном поле. Магнитный момент и магнитная восприимчивость молекул. Магнитно-резонансные методы исследования строения молекул.
Испускание, поглощение и рассеяние излучения.
11.3. Межмолекулярное взаимодействие.
Силы Ван-дер-Ваальса. Ориентационное, индукционное и дисперсионное взаимодействия. Энергия межмолекулярного взаимодействия в сравнении с энергией химического взаимодействия.
Водородная связь. Природа водородной связи, ее количественные характеристики. Меж- и внутримолекулярная водородная связь. Водородная связь между молекулами фтороводорода, воды, аммиака.
11.4. Строение конденсированных фаз
Агрегатные состояния и их характеристика.
Кристаллическое состояние вещества. Деление кристаллов по типу связи: атомные (ковалентные), ионные, металлические, молекулярные.
Зависимость физических свойств веществ с молекулярной структурой от характера межмолекулярного взаимодействия. Температуры плавления и кипения в рядах веществ сходного состава, образованных элементами одной подгруппы. Теплоты фазовых переходов. Влияние водородной связи на физические свойства веществ с молекулярной структурой.
Общие особенности физических свойств молекулярных кристаллов в сравнении с ионными и атомными кристаллами.
Теория МО для твердых тел. Элементы зонной теории твердого состояния. Проводники, изоляторы и полупроводники. Основные классы полупроводниковых соединений.
Роль монокристаллов в современной технике. Стеклообразное состояние вещества. Сегнетоэлектрики. Понятие о жидкокристаллическом состоянии вещества.
2019-11-20
190
Обсуждений (0)
