Аннотация рабочей программы учебной дисциплины
«Физическая химия»
по направлению подготовки 04.03.01 Химия
направленность (профиль) Аналитическая химия и химическая экспертиза
1. Объем дисциплины 12 з.е.
2. Содержание дисциплины
Тема 1. Введение
Предмет и содержание курса физической химии. Философские и общенаучные основы дисциплины. Роль физической химии в экологических процессах и защите окружающей среды. Методы физической химии в экологических исследованиях и защите окружающей среды. Основные термодинамические понятия и определения (термодинамическая система, типы систем, термодинамические параметры, функции состояния и процесса). Понятие о термодинамическом равновесии. Равновесные (обратимые) и неравновесные процессы. Квазистатический процесс. Проблема уравнения состояния. Уравнения состояния идеального газа и газа Ван-дер-Ваальса.
Тема 2. Химическая термодинамика
Первый закон термодинамики. Внутренняя энергия и её свойства. Теплоемкость. Теплота и работа. Полезная работа и работа расширения. Факторы интенсивности и экстенсивности. Работа расширения идеального газа при различных процессах. Энтальпия. Зависимость энтальпии от температуры. Термохимия. Стандартные теплоты образования и сгорания. Закон Гесса и следствия из него. Расчет тепловых эффектов химических процессов. Калориметрия. Классификация калориметров. Бомбовый и пламенный калориметр. Микрокалориметр Кальве. Зависимость теплового эффекта химического процесса от температуры. Закон Кирхгофа. Дифференциальное и интегральное уравнения Кирхгофа. Значение первого закона термодинамики для изучения экологических процессов.
Второй закон термодинамики. Энтропия. Изменение энтропии в необратимых процессах. Изменение энтропии как критерий самопроизвольности и равновесия процесса в изолированной системе. Термодинамические расчеты изменения энтропии в различных обратимых процессах. Энтропия и термодинамическая вероятность системы. Термодинамические потенциалы. Критерии направления самопроизвольного процесса и равновесия. Характеристические функции. Уравнения Гиббса¬Гельмгольца.
Химический потенциал. Фундаментальные уравнения Гиббса. Химический потенциал идеального и реального газа, фугитивность и активность. Третий закон термодинамики. Тепловая теорема Нернста. Постулат Планка. Абсолютная энтропия. Многокомпонентные системы и системы с переменной массой. Условия равновесия и самопроизвольного протекания процессов в многокомпонентных системах.
Тема 3. Химическое равновесие
Закон действующих масс. Константа равновесия. Влияние внешних условий на состояние равновесия. Кинетический и термодинамический выводы константы равновесия. Связь между КР, КС и KN. Связь константы равновесия и энергии Гиббса. Уравнение изотермы химической реакции. Химическое сродство. Принцип Бертло-Томсена. Выражения для стандартного химического сродства. Зависимость константы равновесия от температуры. Уравнения изобары и изохоры химической реакции.
Экспериментальное определение и расчет константы равновесия по таблицам стандартных термодинамических величин. Расчёт энергии Гиббса и константы равновесия по методу Темкина¬Шварцмана. Расчёт химического равновесия в системах при одновременном протекании нескольких реакций. Химическое равновесие в гетерогенных системах.
Тема 4. Фазовые равновесия. Физико-химический анализ
Основные понятия и определения (гомогенная и гетерогенная системы, компонент, независимый компонент, степень свободы). Правило фаз Гиббса. Фазовые переходы первого и второго рода. Равновесие чистого вещества в двух фазах однокомпонентной системы. Уравнение Клаузиуса¬Клапейрона. Применение правила фаз к анализу диаграммы состояния однокомпонентных систем. Диаграммы состояния воды, диоксида углерода и серы. Энантиотропные и монотропные фазовые переходы.
Метод физико-химического анализа. Принципы непрерывности и соответствия. Термический анализ. Построение диаграммы «состав¬температура кристаллизации». Применение правила фаз Гиббса к двухкомпонентным системам. Правило рычага. Диаграмма состояния системы с инконгруэнтно плавящимся соединением.
Трёхкомпонентные системы. Закон распределения Нернста. Уравнение Нернста¬Шилова. Графическое представление состава трёхкомпонентных систем (треугольники Гиббса и Розебума).
Тема 5. Растворы
Общая характеристика растворов. Классификация растворов. Концентрация растворов. Растворимость газов в жидкостях. Закон Генри. Закон Дальтона. Уравнение Сеченова. Давление насыщенного пара над растворами. Закон Рауля. Идеальные, реальные и предельно разбавленные растворы. Состав пара над идеальным раствором из двух жидкостей. Коллигативные свойства растворов. Осмос и осмотическое давление. Уравнение Вант-Гоффа.
Состав пара над идеальным раствором из двух жидкостей. Первый закон Коновалова. Диаграммы «состав–температура кипения». Второй закон Коновалова. Азеотропные смеси. Перегонка и ректификация. Особенности ректификации реальных растворов, образующих азеотропы. Первый закон Вревского. Ограниченная взаимная растворимость жидкостей. Перегонка с водяным паром.
Тема 6. Растворы электролитов
Предмет электрохимии. Специфика растворов электролитов. Теория электролитической диссоциации Аррениуса и ее недостатки. Степень диссоциации. Изотонический коэффициент. Константа диссоциации слабого электролита. Закон разбавления Оствальда. Применение метода активностей к растворам электролитов. Средняя ионная активность и коэффициент активности. Ионная сила раствора. Правило ионной силы. Основные понятия электростатической теории сильных электролитов Дебая и Гюккеля. Предельный закон Дебая–Гюккеля.
Проводники первого и второго рода. Законы Фарадея. Движение ионов в электрическом поле. Числа переноса. Электрическая проводимость электролитов. Удельная и молярная (эквивалентная) электропроводность. Закон Кольрауша. Уравнения Кольрауша–Онзагера. Релаксационный и электрофоретический эффекты. Электрическая проводимость ионов гидроксония и гидроксида. Электрическая проводимость неводных растворов, твёрдых и расплавленных электролитов.
Определение электропроводности растворов электролитов. Мост Кольрауша. Схема кондуктометрической ячейки. Кондуктометрия, кондуктометрическое титрование.
Тема 7. Электродные процессы. Электродвижущие силы
ЭДС электрохимической системы. Электрохимический потенциал. Возникновение скачка потенциала на границе раздела «металл–раствор электролита». Контактный и диффузионный потенциал. Строение двойного электрического слоя на границе раздела «металл–раствор электролита». Гальванические элементы. Обратимые и необратимые гальванические элементы. Термодинамика гальванического элемента. Уравнение Нернста. Общее выражение для ЭДС гальванического элемента и потенциала отдельного электрода.
Классификация обратимых электродов. Стандартный потенциал электрода. Водородная шкала стандартных потенциалов. Электродные потенциалы в неводных растворах. Электрохимические цепи. Измерение ЭДС гальванических цепей. Потенциометрия. Применение метода ЭДС для определения коэффициентов активности и pH растворов.
Тема 8. Кинетика химических реакций
Скорость химической реакции и методы ее экспериментального определения. Факторы, влияющие на скорость химической реакции. Формальная кинетика. Закон действующих масс и принцип независимости протекания реакций. Константа скорости химической реакции. Молекулярность и порядок реакции. Односторонние реакции 0-го, 1-го, 2-го и n-го порядков. Методы определения порядка и константы скорости реакции (метод подстановки, графический метод, метод Вант-Гоффа, метод Оствальда–Ноесса). Двусторонние реакции 1-го и 2-го порядков. Параллельные односторонние реакции. Последовательные односторонние реакции. Описание кинетики сложных реакций (метод квазистационарных концентраций).
Теория элементарного акта химического взаимодействия. Зависимость скорости реакции от температуры. Теория активных соударений. Уравнение Аррениуса. Энергия активации и методы ее экспериментального определения. Теория активированного комплекса или переходного состояния. Теория абсолютных скоростей реакций. Кинетика реакций в растворах. Основы теории кинетики цепных реакций. Фотохимические реакции, радиационно-химические реакции. Кинетика гетерогенных реакций.
Тема 9. Катализ
Принципы каталитического действия. Особенности кинетики каталитических реакций. Энергия активации каталитических реакций. Гомогенный катализ: кислотно-основный, окислительно-восстановительный, ферментативный и металлокомплексный катализ. Гомогенный катализ в газовой фазе. Гетерогенный катализ. Гетерогенные катализаторы, адсорбция на поверхности катализатора. Теория гетерогенного катализа. Применение в промышленности и перспективы развития гомогенного и гетерогенного катализа.
3. Форма промежуточной аттестации:
4 семестр – зачёт с оценкой, 5 семестр – экзамен.
Курс создан для студентов 1 курса по направлению 04.03.01 Химия. Аналитическая химия и химическая экспертиза