3 семестр - Физическая химия

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

“Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева©

Кафедра углехимии, пластмасс и инженерной защиты окружающей среды

Составитель

Л. Г. Сивакова

ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ Методические указания к самостоятельной работе

Рекомендовано учебно-методической комиссией направления 241000.62 žЭнерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии

и биотехнологии£ в качестве электронного издания для самостоятельной работы

Кемерово 2014

0

Рецензенты

Ким Н. М. – доцент, кафедры углехимии, пластмасс и инженерной защиты окружающей среды

Петрик П. Т. – д.т.н., профессор, председатель учебно-методической комиссии направления 241000.62 žЭнерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии£

Сивакова Лариса Григорьевна. Физическая химия: методические указания к самостоятельной работе [Электронный ресурс] для студентов направления подготовки 241000.62 žЭнерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии£ всех форм обучения / сост.: Л. Г. Сивакова. – Кемерово: КузГТУ, 2014. – 1 электрон. опт. диск (CD-ROM) ; зв. ; цв. ; 12 см. – Систем. требования : Pentium IV ; ОЗУ 8 Мб ; Windows XP ; (CD-ROM-дисковод) ; мышь. – Загл. с экрана.

Приведены темы для самостоятельной работы, подготовка к выполнению и оформлению отчётов по лабораторным работам, контрольная работа и примерные оценочные средства для текущего контроля и аттестации.

± КузГТУ, 2014

± Сивакова Л. Г., составление, 2014

1

1. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ, ЕЁ МЕСТО В УЧЕБНОМ ПРОЦЕССЕ

Физическая химия – фундаментальная наука о закономерностях протекания химических и физических процессов, являющихся теоретической основой технологических процессов. Цели освоения дисциплины žФизическая химия£ заключаются в формировании у студентов научного мировоззрения и воспитании способности оценки своей профессиональной деятельности с точки зрения основных законов природы. Физическая химия представляет собой теоретический фундамент современной химии. Поэтому физико-химические теории химических процессов используют для решения самого широкого круга современных научных и технических проблем.

Главная цель – раскрыть смысл основных законов химии, которая является составной частью естествознания; научить студента видеть области применения этих законов, четко понимать их принципиальные возможности при решении конкретных задач.

В результате освоения дисциплины студент должен:

Знать основы современных теорий в области физической химии и способы их применения для решения теоретических и практических задач в любых областях химии. Знать начала термодинамики и основные уравнения химической термодинамики; методы термодинамического описания химических и фазовых равновесий в многокомпонентных системах; термодинамику растворов электролитов и электрохимических систем; уравнения формальной кинетики и кинетики сложных, цепных гетерогенных и фотохимических реакций; основы теории гомогенного, гетерогенного и ферментативного катализа

Уметь самостоятельно ставить задачу физико-химического исследования в химических системах, выбирать оптимальные пути и методы решения подобных задач как экспериментальных, так и теоретических; обсуждать результаты физико-химических исследований, ориентироваться в современной литературе по физической химии, вести научную дискуссию по вопросам физической химии.

2

Демонстрировать способность и готовность проводить фи- зико-химические расчеты с помощью известных формул и уравнений, в том числе с помощью компьютерных программ, проводить стандартные физико-химические измерения, пользоваться справочной литературой по физической химии.

Данная дисциплина изучается после математики, физики, общей и неорганической химии и опирается на основные закономерности этих дисциплин.

2. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ. НАИМЕНОВАНИЕ ТЕМ, ИХ СОДЕРЖАНИЕ

2.1.Основы химической термодинамики

2.1.1.Основные понятия термодинамики (система, фаза, термодинамические параметры, термодинамический процесс). Первый закон термодинамики. Энтальпия. Теплоёмкость. Закон Гесса и его применение к расчету тепловых эффектов реакций. Зависимость теплового эффекта реакции от температуры. Второй закон термодинамики. Энтропия и её свойства. Расчет изменения энтропии в физических процессах и химических реакциях. Постулат Планка.

2.1.2.Термодинамические потенциалы – критерии возможности самопроизвольного протекания процессов. Изменение энергии Гиббса и Гельмгольца при химических реакциях. Химический потенциал.

2.1.3.Химическое равновесие. Признаки химического равновесия. Закон действующих масс. Влияние различных факторов на значение константы химического равновесия, расчет константы равновесия по термодинамическим данным

2.1.4.Фазовые равновесия в гетерогенных системах. Правило фаз Гиббса. Фазовые переходы (плавление, испарение, возгонка). Уравнение Клаузиуса-Клапейрона. Фазовые диаграммы однокомпонентных, двухкомпонентных и трехкомпонентных систем.

2.2.Растворы

2.2.1.Общая характеристика растворов Растворы неэлектролитов. Способы выражения состава растворов.

3

Давление насыщенного пара растворителя над раствором. Закон Рауля. Общее давление пара над раствором. Законы Коновалова. Диаграмма состояния бинарных жидких систем. Перегонка. Растворимость газов и твердых веществ в жидкости. Ограниченная растворимость двух жидкостей. Ограниченная растворимость в тройных жидких системах. Закон распределения. Экстрагирование.

2.2.2. Растворы электролитов. Электропроводность растворов, связь электропроводности со скоростями движения ионов, числа переноса.

2.2.3.Электродные процессы. Электродвижущие силы. Электрохимические цепи и гальванические элементы. Электродные реакции. Расчёт электродных потенциалов. Уравнение Нернста. Расчет ЭДС гальванического элемента. Характеристика и применение некоторых гальванических элементов

Электролиз. Электрохимическая коррозия металлов.

2.3.Кинетика химических реакций.

2.3.1.Скорость химических реакций, молекулярность и по-

рядок реакций. Кинетические уравнения односторонних реакций. 2.3.2. Зависимость скорости реакций от температуры. Энер-

гия активации. Катализ.

3. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ИЗУЧЕНИЮ ДИСЦИПЛИНЫ

3.1. Теоретическая часть курса

Программа курса содержит разделы основы химической термодинамики, фазовые и химические равновесия, растворы, электрохимия и кинетика.

Освоение предмета складывается из трех этапов: понять, запомнить и научиться применять свои знания практически; из них решающими являются первый и третий; второй же – запоминание

– достигается попутно. Запоминается только то, что ясно, отчетливо понято; запоминание закрепляется в процессе овладения навыками практического применения теории. Умение практически применять свои знания достигается решением задач и выполнением лабораторного практикума. В соответствии с этим рекомен-

4

дуется следующий порядок прохождения теоретической части курса.

Материал курса следует изучать по рекомендованным учебникам, руководствуясь программой. Прежде всего, необходимо внимательно прочесть основные положения (программу) данной главы, уяснить содержание, взаимную связь и последовательность вопросов. Вслед за этим прочесть соответствующие страницы учебника, сначала бегло, не останавливаясь на деталях и подробных математических выводах, стараясь понять основную сущность вопросов.

После этого приступить к вторичному чтению, теперь уже детально разбирая каждый вопрос, с карандашом в руках. Усвоению материала способствует ведение конспекта. В конспекте необходимо отразить основные понятия и определения по каждой главе, формулировки основных положений и законов, вывод и исследование уравнений, практическое применение законов. Установить взаимосвязь между отдельными величинами в данной главе, отчетливо уяснить себе, какие параметры влияют на рассматриваемую величину, какова роль каждого из этих параметров. После изучения главы следует разобрать соответствующие примеры решения задач. Это поможет лучше уяснить теоретические положения курса.

Завершающим этапом служат самопроверка усвоения программы курса и выполнение контрольной работы. Самопроверку следует произвести по вопросам каждого раздела (вопросы приведены ниже). Самопроверка заключается в устном или письменном ответе на вопросы. Необходимо убедиться в правильности ответа по учебнику или по ранее составленному собственному конспекту. Самопроверку полезно провести перед выполнением контрольной работы.

3.2. Вопросы для самопроверки к разделам ±Основы химической термодинамики²

1.Основные понятия (система, фаза, термодинамические свойства системы, функции состояния и функции процесса).

2.Первый закон термодинамики (формулировки, математическое выражение) и его применение к изохорному, изобарному, изотермическому и адиабатному процессам.

5

3.Понятие теплоемкости (средняя, истинная, изобарная, изохорная).

4.Закон Гесса (формулировка) и следствия из закона Гесса.

5.Понятие теплоты образования и теплоты сгорания.

6.Расчет тепловых эффектов реакций по теплотам образования и сгорания.

7.Как зависит тепловой эффект реакции от температуры, приведите уравнение зависимости.

8.Второй закон термодинамики (формулировки), математическое выражение.

9.Энтропия. Свойства энтропии. Энтропия как критерий на-

правленности процесса в изолированной системе.

10.Расчет изменения энтропии в физических процессах и химических реакциях (примеры 3,4).

11.Термодинамические потенциалы (изобарный, изохорный), их расчет (пример 5) и определение направления процесса.

±Фазовые и химические равновесия²

1.Что такое фаза, составная часть системы, компонент?

2.В чем заключается правило фаз Гиббса?

3.Примените уравнение Клаузиуса-Клапейрона к процессам плавления, испарения, возгонки.

4.Рассмотрите фазовую диаграмму однокомпонентной системы на примере воды.

5.Фазовая диаграмма двухкомпонентной системы.

6.Как вы понимаете химическое равновесие? Назовите признаки химического равновесия.

7.Запишите математическое выражение закона действующих масс.

8.Какие вы знаете способы выражения константы равновесия?

9.Как влияет температура на химическое равновесие?

10.Как влияет давление на химическое равновесие?

11.Напишите уравнение изотермы химической реакции, для чего оно применяется.

±Растворы²

1.Дайте понятие составной части раствора, компонента, растворителя, растворенного вещества.

6

2.Напишите способы выражения количественного состава раствора.

3.Напишите математическое выражение закона Рауля.

4.Как определить полное давление пара над жидким бинарным раствором?

5.Сформулируйте закон Коновалова.

6.Рассмотрите диаграмму температура кипения – состав жидких бинарных систем.

7.Растворы электролитов. Электропроводность растворов электролитов.

±Электрохимия²

1.Как устроен гальванический элемент Якоби? Напишите электродные реакции.

2.Как можно рассчитать электродные потенциалы и ЭДС гальванических элементов?

3..Каким методом можно измерить ЭДС гальванического элемента?

4.Какие вы знаете электроды?

5.Электролиз.

6.Электрохимическая коррозия металлов.

3.2. Лабораторные работы

Цели лабораторного практикума – углубление и закрепление материала теоретического курса, ознакомление с методами физико-химических измерений и исследований, приобретение некоторых навыков выполнения таких исследований и обработки полученных результатов.

По курсу žФизическая химия£ студент очной формы обучения выполняет четыре лабораторные работы:

1.Химическое равновесие в кристаллогидратах.

2.Термический анализ. Диаграмма плавкости с эвтектикой.

3.Определение степени и константы диссоциации слабого электролита.

4.ЭДС гальванического элемента и расчет термодинамических величин реакции.

7

Студент заочной формы обучения выполняет одну из указанных работ в соответствии с маршрутной системой, которую укажет преподаватель.

Для подготовки к выполнению лабораторной работы студент использует методические указания к лабораторной работе, рекомендованную литературу. Отчёт по лабораторной работе должен содержать название работы; цель и содержание работы; результаты выполнения работы (выполненные замеры; обработанные результаты и необходимые расчеты) таблицы и графики. В конце отчета необходимо сделать соответствующие выводы.

Для устного опроса по лабораторной работе студент самостоятельно готовится по контрольным вопросам к данной лабораторной работе.

После того как студент выполнит все лабораторные работы по маршруту и сдаст отчет в установленной форме, он допускается к зачёту.

3.3. Контрольная работа

По курсу žФизическая химия£ студент заочной формы обучения должен выполнить контрольную работу. Контрольная работа состоит из шести заданий. Контрольная работа содержит теоретические вопросы, на которые студент даёт краткие письменные ответы, и вариативные задачи. Студент решает задачу в соответствии со своим вариантом. Вариант задачи должен со-

ответствовать последней цифре шифра зачетной книжки студента. Условия задачи для своего варианта студент находит в приведённых таблицах.

Контрольная работа должна быть выполнена чисто и четко с оставлением полей для замечаний преподавателя. При решении задач необходимо приводить математические уравнения и давать полный ход решения с промежуточными этапами расчетов в числовом выражении.

Если при решении задач возникнут затруднения, необходимо еще раз проработать соответствующие разделы по учебнику, рассмотреть примеры решения задач и вновь приступить к решению.

Если в результате проверки контрольной работы преподавателем будет указано на ошибочность того или иного ответа, не-

8

обходимо довести решение до правильного количественного ответа.

Справочные данные, необходимые для решения задач, приведены в приложении (табл. П1, П2, П3). Таблицы составлены на основании žКраткого справочника физико-химических величин£ [2].

3.4.Примерный перечень вопросов к зачёту

илабораторным работам

1.Применение первого закона термодинамики к процессам,

вкоторых может совершаться только работа расширения.

2.Тепловой эффект реакции. Закон Гесса. Зависимость теплового эффекта реакции от температуры.

3.Второй закон термодинамики. Введение энтропии. Расчет изменения энтропии в различных процессах: адиабатический, изотермический, нагревание вещества при постоянном объеме, смешение идеальных газов, необратимые процессы.

4.Определение абсолютного изменения энтропии. Расчет изменения энтропии в химических реакциях.

5.Термодинамические потенциалы и их связь с максимальной работой процесса. Термодинамические потенциалы и критерии возможности самопроизвольного протекания процесса при определенных условиях.

6.Характеристические функции. Изменение энергии Гиббса при химических реакциях.

7.Химический потенциал. Химический потенциал идеального и реального газов.

8.Химическое равновесие. Уравнение изотермы химической реакции. Способы выражения константы равновесия.

9.Зависимость константы равновесия от температуры.

10.Фазовые превращения. Правило фаз Гиббса.

11.Идеальные растворы. Закон Рауля. Отклонения от закона

Рауля.

12.Парциальные мольные величины. Химический потенциал компонента в растворе.

13.Коллигативные свойства растворов. Понижение температуры замерзания. Осмос и осмотическое давление.

9