Примерный перечень вопросов к экзамену

Семестр

1. Предмет и задачи физической химии как теоретической основы современной химии. Роль физической химии в химической технологии, промышленности. 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.

2. Газовые законы (Законы Бойля-Мариотта, Гей-Люсакка, Шарля и Авогадро). Уравнение состояния идеального газа. Смесь идеальных газов. Реальные газы. Уравнение Ван-дер-Ваальса. Уравнение с вириальными коэффициентами.

3. Некоторые сведения из кинетической теории газов «для идеальных газов». Законы распределения молекул по энергиям и скоростям.

4. 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.

5. 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.

6. Обмен энергии в форме теплоты. Теплоемкость и ее зависимость от температуры. Теория теплоемкости газов.

7. 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. Энергии химических связей.

8. Зависимость теплового эффекта химических реакций от температуры. Уравнения Кирхгофа.

9. 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.

10. Изменение энтропии как критерий возможности самопроизвольного протекания процесса в изолированной системе. Изменение энтропии при химической реакции и фазовых переходах.

11. Постулат Планка. Вычисление абсолютного значения энтропии. Энтропия и вероятность. Статистическая интерпретация. Уравнение Больцмана.

12. Термодинамические потенциалы Гиббса и Гельмгольца. Физический смысл энергии Гиббса и Гельмгольца. Стандартные условия термодинамических величин. Условия самопроизвольного протекания процессов.

13. Характеристические функции. Уравнения Максвелла. Уравнения Гиббса-Гельмгольца.

14. Изменение термодинамических функций в открытых системах. Химические потенциал, их определение, вычисление и свойства.

15. Химическое равновесие. Закон действующих масс. Термодинамический вывод закона действующих масс. Различные виды констант (К_р, К_с, К_х) и связь между ними. Химическое равновесие в идеальных и неидеальных системах. Представление о летучести и активности.

16. 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.

17. Агрегатные состояния и их характеристика. Гетерогенные системы. Понятие фазы, компонента, степени свободы. Правило фаз Гиббса и его вывод. Условия равновесия между фазами.

18. Однокомпонентные системы. Диаграмма состояния воды. Фазовые переходы первого рода. Уравнение Клайперона-Клаузиса и его применение к различным фазовым переходам первого рода. Фазовые переходы второго рода.

19. 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.

20. Трёхкомпонентные системы. Треугольник Гиббса. Термодинамическая классификация растворов. Твёрдые растворы. Термический анализ.

21. Растворы различных классов. Смеси идеальных газов и их термодинамические свойства. Идеальные растворы. Растворы «жидкость-газ». Зависимость растворимости газов от давления (закон Генри), их природы и природы растворителя и температуры. Растворы летучих жидких веществ. Идеальные растворы. Закон Рауля. Давление насыщенного пара. Растворы с положительным и отрицательным отклонением от закона Рауля. Причины отклонений.

22. Термодинамика растворов. Растворы идеальные, предельно разбавленные, неидеальные. Функции смешения для идеальных и неидеальных растворов. Предельно разбавленные растворы. Парциальные мольные величины и их определением из опытных данных (для бинарных систем). Уравнение Гиббса-Дюгема и Гиббса-Дюгема-Маргулеса.

23. Диаграммы «состав – давление пара» и «состав – температура кипения». Законы Гиббса-Коновалова. Азеотропные растворы и их свойства. Разделение веществ путём перегонки.

24. Давление пара бинарных систем из частично смешивающихся и несмешивающихся жидкостей. Распределение третьего компонента между двумя несмешивающимися жидкостями. Коэффициент распределения. Экстрагирование.

25. 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.

26. Осмотические явления. Уравнение Вант-Гоффа, его термодинамический вывод и область применимости. Осмотические и мембранные равновесия в растворах. Роль осмоса в биологических процессах.

27. 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.

28. 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.

29. 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.

30. 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.

31. 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. Роль мембранных и диффузионных потенциалов в биологических процессах.

32. 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.

33. Электрохимическая кинетика. Плотность тока как мера скорости электродного процесса. Поляризация электродов, виды поляризации. Стадии электродного процесса.

34. Механизмы массопереноса: диффузия, миграция, конвекция. Диффузионная кинетика. Уравнения диффузионной кинетики. Потенциал нулевого заряда. Полярография.

35. 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.

36. Практическое значение электрохимических процессов. Электрокристаллизация металлов. Анодное растворение металлов. Пассивность металлов. Коррозия металлов. Виды коррозии. Защита металлов от коррозии. Ингибиторы коррозии. Химические источники электрической энергии. Аккумуляторы.

37. Явление адсорбции. Адсорбция на поверхности радела «раствор – газ». Уравнение Гиббса. Изотерма адсорбции Лэнгмюра. Поверхностно-активные вещества.

38. 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.

39. Полимолекулярная адсорбция, ее приближенное описание методом Брунауэра-Эммета-Теллера (БЭТ). Использование уравнения БЭТ для определения поверхности адсорбентов.

40. Зависимость адсорбции от температуры и свойств адсорбента и адсорбтива. Природа адсорбционных сил. Хемосорбция. Адсорбция на твердых телах из растворов. Ионнообменная адсорбция. Иониты и их применение. Методы измерения адсорбции. Адсорбционная хроматография.

41. 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).

42. Кинетический закон действия масс и область его применимости. Составление кинетических уравнений для известного механизма реакции. Прямая и обратная задачи химической кинетики. Зависимость скорости от температуры. Уравнение Аррениуса. «Эффективная» и «истинная» энергии активации.

43. Кинетика необратимых гомогенных реакций первого, второго и третьего порядков. Определение константы скорости, порядка реакции и вида кинетического уравнения.

44. Сложные реакции. Обратимые реакции первого порядка. Параллельные реакции. Последовательные реакции (на примере двух необратимых реакций первого порядка).

45. Теория молекулярных столкновений. Её недостатки и преимущества. (На примере бимолекулярных реакций).

46. 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.

47. Цепные реакции. Элементарные процессы возникновения, продолжения, разветвления и обрыва цепей. Неразветвленные и разветвленные цепные реакции. Ингибиторы цепных реакций.

48. 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.

49. Особенности кинетики гетерогенных реакций. Диффузия и адсорбция в гетерогенных процессах. Кинетическая и диффузионная области гетерогенного процесса.

50. Катализ, его определение. Особенность и классификация каталитических процессов.

51. Гомогенней катализ. Кислотно-основной катализ. Кинетика специфического кислотного катализа.

52. Ферментативный катализ. Общие сведения о кинетике и механизмах ферментативных реакций. Зависимость кинетических постоянных от рН среды и температуры. Уравнение Михаэлиса-Ментен. Субстратная специфичность ферментов. Активные и адсорбционные центры ферментов. Примеры ферментативных реакций и их значение.

53. 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. Теория мультиплетов Баландина. Принципы геометрического и энергетического соответствия. Область применения теории мультиплетов. Другие теории гетерогенного катализа. Роль катализа в химической промышленности.

54. Современная теория химического строения молекул. Основные положения квантовой механики. Одноэлектронные и многоэлектронные атомы: атомные орбитали, энергетические уровни, квантовые числа.

55. Общая характеристика химических связей в молекулах. Типы химических связей. Простейшие приближения для молекулярных орбиталей. Локализация и делокализация в молекулярных задачах. Гибридные орбитали.

56. Координационные соединения: теория МО, теория кристаллического поля и теория поля лигандов. Высоко- и низкоспиновые молекулярные системы.

57. Электрические свойства молекул. Дипольный момент, полярные и неполярные молекулы. Дипольный момент и симметрия молекул. Закономерности для дипольных моментов молекул. Поляризуемость молекул. Магнитные свойства молекул. Молекула в магнитном поле. Магнитный момент и магнитная восприимчивость молекул. Спин элементарных частиц. Магнитно-резонансные методы исследования строения молекул.

58. Силы Ван-дер-Ваальса. Ориентационное, индукционное и дисперсионное взаимодействия. Факторы, определяющие энергию межмолекулярного 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. Влияние водородной связи на физические свойства веществ с молекулярной структурой.

59. Кристаллическое состояние вещества. Деление кристаллов по типу связи: атомные (ковалентные), ионные, металлические, молекулярные. Факторы, определяющие температуру плавления ионных, атомных и молекулярных кристаллов. Общие особенности физических свойств молекулярных кристаллов в сравнении с ионными и атомными кристаллами. Зависимость физических свойств веществ с молекулярной структурой от характера межмолекулярного взаимодействия. Температуры плавления и кипения в рядах веществ сходного состава, образованных элементами одной подгруппы.

60. Теория МО для твердых тел. Элементы зонной теории твердого состояния. Проводники, изоляторы и полупроводники. Роль монокристаллов в современной технике. Стеклообразное состояние вещества. Сегнетоэлектрики.