Бакалавриат 2020/2021

Основы физической химии

Статус: Курс обязательный (Химия)

Направление: 04.03.01. Химия

Кто читает: Факультет химии

Где читается: Факультет химии

Когда читается: 1-й курс, 2, 3 модуль

Формат изучения: без онлайн-курса

Преподаватели: Котов Виталий Юрьевич, Ярославцев Андрей Борисович

Язык: русский

Кредиты: 5

Контактные часы: 64

Программа дисциплины

Аннотация

В учебном курсе в соответствии с учебной программой осваиваются основы современной физической химии. Особое внимание уделено таким аспектам физической химии, которые помогают понять природу ряда физико-химических процессов, с которыми химик-исследователь ежедневно сталкивается в процессе экспериментальной работы: основы химической термодинамики, учение о химическом равновесии, физическая химия растворов электролитов и неэлектролитов, учение о пограничных потенциалах и электродвижущих силах, химическая кинетика и катализ.

Цель освоения дисциплины

• Формирование у обучающихся основ знаний по химической термодинамике, гетерогенным и химическим равновесием, свойствам растворов, электрохимическим процессам и химической кинетике
• Овладение обучающимися навыками решения расчетных химических задач

Планируемые результаты обучения

• Демонстрирует знание основных законов химической термодинамики.
• Умеет предсказывать, рассчитывать и объяснять закономерности протекания химических реакций, их выход, положение равновесия.
• Демонстрирует знание фазовых равновесий в различных системах, основ теории растворов.
• Умеет строить и пояснять основные типы фазовых диаграмм, их связь с термодинамическими параметрами, рассчитывать число степенейсвободы систем; вычислять степень электролитической диссоциауии и гидролиза
• Демонстрирует знание основных методов очистки веществ, теории окислительно-восстановительных процессов, закономерностей процессов коррозии и принципов работы химических источников тока.
• Умеет выбирать оптимальные способы очистки веществ от различного рода примесей; рассчитывать и объяснять равновесие электрохимических процессов, потенциалы окислительно-восстановительных процессов, выбирать способы защиты от коррозии.
• Демонстрирует знание основ химической кинетики, теории соударений, активированного комплекса, закономерностей протекания реакций в газовой, жидкой и твердой фазе.
• Умеет определять порядок реакции и энергию их активации на основании экспериментальных данных, выбирать методы ускорения и замедления реакций, объяснять основные закономерности протекания каталитических процессов.

Содержание учебной дисциплины

• Введение в химическую термодинамику. Химическое равновесие.
  Основные задачи химической термодинамики. Термодинамические параметры. Открытая, замкнутая и изолированная системы. Экстенсивные и интенсивные термодинамические параметры. Внутренняя энергия. Первый закон термодинамики. Функция энтальпии. Тепловой эффект химической реакции при постоянном давлении, постоянном объеме и постоянной температуре. Термохимические уравнения. Теплоты образования и сгорания. Стандартные состояния и стандартные теплоты. Энергия разрыва химической связи. Расчет тепловых эффектов реакций по теплотам сгорания, образования и энергий разрыва связи. Закон Гесса и термохимия. Теплоемкость. Теплоемкость идеального газа. Теплоемкости одноатомных и многоатомных газов. Зависимость теплоемкости и энтальпии вещества от температуры. Общие понятия о фазовых переходах. Зависимость тепловых эффектов химических реакций от температуры, уравнение Кирхгоффа. Второй закон термодинамики. Обратимые и необратимые процессы. Направление самопроизвольного процесса в изолированной системе. Статистическая природа второго закона термодинамики. Энтропия. Энтропия идеального кристалла. Энтропия идеального газа. Изменения энтропии при постоянном объеме и постоянном давлении. Изменение энтропии в необратимых процессах. Термодинамические функции. Свободная энергия и максимальная работа. Свободная энергия Гиббса и Гельмгольца. Условия самопроизвольного протекания процесса при постоянных p,V и p,T. Химический потенциал. Активность. Термодинамические расчеты. Обратимость химических реакций. Химическое равновесие. Условия химического равновесия в гомо- и гетерогенных системах. Глубина протекания процессов. Степень превращения. Константа равновесия. Факторы, влияющие на величину константы равновесия. Смещение положения равновесия. Принцип подвижного равновесия Ле Шателье­Брауна. Стандартная свободная энергия.
• Фазовые равновесия и фазовые диаграммы. Растворы.
  1. Фазовые равновесия. Теплоты кипения и плавления. Термический анализ. Правило фаз Гиббса. Степень свободы, вариантность системы. Фазовые диаграммы однокомпонентных систем. Фазовые равновесия на РТ-диаграмме. Аналитическое описание кривых на РТ-диаграмме. РТ-диаграмма воды. Фазовые поля. Тройная точка. Метастабильные состояния. Фазовые переходы первого рода. РТ-диаграмма серы. Фазовые диаграммы двухкомпонентных систем. РТ, ТХ и РХ-проекции, ТХ и РХ-сечения. Конденсированные системы. Основные типы диаграмм двухкомпонентных систем (Эвтектика, конгруэнтно и инконгруэнтно плавящиеся соединения, ограниченные и неограниченные твердые растворы). Применение правила фаз к двухкомпонентным системам. Состав и относительные количества равновесных фаз. 2.Насыщенный раствор и растворимость. Диаграмма системы соль-вода (на примере Na2SO4-H2O). Зависимость растворимости от температуры. Факторы, влияющие на растворимость. Криогидратная точка. Давление насыщенных паров над раствором. РХ и ТХ-диаграммы для растворов типа жидкость-жидкость. Закон Рауля. Идеальный раствор. РТ-диаграммы воды и растворов. Правило фаз для растворов. Коллигативные свойства растворов. Крио­ и эбулиоскопия. Осмос и осмотическое давление. Термодинамическое обоснование закона Вант­Гоффа. Определение молекулярных масс органических соединений на основании свойств растворов. 3. Взаимодействие растворителя с веществом. Сольватация катиона и аниона. Коллигативные свойства растворов электролитов. Изотонический коэффициент. Активности и коэффициенты активности. Степень электролитической диссоциации. Сильные и слабые электролиты. Константа диссоциации слабых электролитов. Способы смещения равновесия. Растворы сильных электролитов. Ионные пары, активность, ионная сила раствора. Малорастворимые соли. Произведение растворимости. Способы понижения и повышения растворимости. 4. Теории кислот и оснований. Автопротолиз. Ионное произведение воды. Сильные и слабые кислоты. Факторы, определяющие силу кислот. Концентрация ионов водорода. рН. Гидратированные катионы, как пример слабых кислот. Гидролиз солей, образованных сильной кислотой и слабым основанием. Константа и степень гидролиза. Факторы, влияющие на степень гидролиза. Гидролиз солей, образованных слабой кислотой и сильным основанием. Гидролиз солей слабых кислот и оснований. Образование кластеров при гидролизе. Буферные растворы.
• Методы очистки веществ. Окислительно-восстановительные процессы. Введение в электрохимию.
  1. Термодинамические аспекты получения "абсолютно чистых веществ". Методы очистки твердых и жидких веществ. Перекристаллизация из раствора (связь с ТХ-диаграммой системы соль­вода). Коэффициент распределения примесей. Соосаждение, адсорбция, окклюзия. Кристаллизация из расплава (ТХ-диаграммы). Зонная плавка. ТХ-диаграмма системы жидкость­пар, дистилляция. Коэффициент распределения. Возгонка, РТ-диаграммы перегоняемых веществ. Транспортные реакции. Хромотография и адсорбция. Экстракция. Ионный обмен. Коэффициент распределения. 2. Окислительно­восстановительные процессы и степень окисления. Сопряженные окислительно­восстановительные пары в растворах. Электродвижущие силы и электродные потенциалы. Обратимые элементы, химическая и электрическая энергия. Химическая и электрическая энергия. Концентрационный элемент. Окислительно­восстановительный потенциал. Стандартный потенциал. Электродные потенциалы. Водородный, каломельный и хлор­серебряный электроды. 3. Стандартные электродные потенциалы. Определение направления окислительно­восстановительных реакций. ЭДС, G, константа равновесия. Диаграммы Латимера и Фроста. Уравнение Нернста (термодинамический вывод). Расчет потенциалов химических реакций: влияние рН, комплексообразования, образования малорастворимых соединений. Диаграммы "Е-рН". Электролиз растворов и расплавов. Источники тока. Гальванические элементы. Аккумуляторы. Топливные элементы.
• Кинетика химических реакций.
  1. Предмет химической кинетики. Соотношение кинетики и термодинамики. Средняя и истинная скорость реакции. Закон действующих масс. Порядок и молекулярность реакции. Кинетические уравнения. Методы определения порядка реакции. Константа скорости. Кинетический вывод константы равновесия. Кинетика обратимых реакций. 2. Зависимость скорости реакции от температуры. Распределение Максвелла­Больцмана. Уравнение Аррениуса. Теория активных соударений. Активированный комплекс. Понятие о поверхности потенциальной энергии, координате и профиле пути реакции. Соотношение Еа и Н. Стерический фактор. Энтропия активации. Сложные и элементарные реакции, лимитирующая стадия. 3. Скорость процесса и природа реагирующих частиц: реакции между молекулами, радикалами и ионами. Гомо- и гетеролитический распад. Процессы, протекающие по SN1 и SN2-механизмам. Параллельные процессы. Метод конкурирующих реакций. Последовавтельные реакции. Промежуточный продукт. Метод квазистационарных концентраций. Цепные реакции. Катализ. Гомогенный катализ в газовой и жидкой фазах. Механизм кислотно­основного катализа. Гетерогенный катализ. Явления сорбции - десорбции. Изменение энергии связи молекул при сорбции, диссоциативная сорбция. Реакции Лэнгмюра-Хиншелвуда и Элея-Ридела. Катализаторы и ингибиторы химических реакций. Механизм и кинетика реакций в гомо­ и гетерогенных системах. Общие сведения о кинетике твердофазных процессов. Диффузионно лимитирующиеся процессы. Зародышеобразование.

Элементы контроля

• Контрольная работа 1
  Правила проведения всех контрольных работ в дистанционном режиме: https://docs.google.com/document/d/1lbzzHxtNAYwajXyDAfJ5fCguA3VCXQG29VNw0Ha6d2g/edit
• Контрольная работа 2
• Контрольная работа 3
• Контрольная работа 4
• Экзамен

Промежуточная аттестация

• Промежуточная аттестация (3 модуль)
  0.15 * Контрольная работа 1 + 0.15 * Контрольная работа 2 + 0.15 * Контрольная работа 3 + 0.15 * Контрольная работа 4 + 0.4 * Экзамен

Список литературы

Рекомендуемая основная литература

• Казин В. Н., Плисс Е. М., Русаков А. И. - ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ 2-е изд., испр. и доп. Учебное пособие для академического бакалавриата - М.:Издательство Юрайт - 2019 - 182с. - ISBN: 978-5-534-11119-4 - Текст электронный // ЭБС ЮРАЙТ - URL: https://urait.ru/book/fizicheskaya-himiya-444506

Рекомендуемая дополнительная литература

• Под ред. Конюхова В.Ю., Попова К.И. - ФИЗИЧЕСКАЯ И КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ. В 2 Ч. ЧАСТЬ 1. ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ 2-е изд., испр. и доп. Учебник для академического бакалавриата - М.:Издательство Юрайт - 2019 - 259с. - ISBN: 978-5-534-06719-4 - Текст электронный // ЭБС ЮРАЙТ - URL: https://urait.ru/book/fizicheskaya-i-kolloidnaya-himiya-v-2-ch-chast-1-fizicheskaya-himiya-439015
• Под ред. Конюхова В.Ю., Попова К.И. - ФИЗИЧЕСКАЯ И КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ. В 2 Ч. ЧАСТЬ 2. КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ 2-е изд., испр. и доп. Учебник для академического бакалавриата - М.:Издательство Юрайт - 2019 - 309с. - ISBN: 978-5-534-06720-0 - Текст электронный // ЭБС ЮРАЙТ - URL: https://urait.ru/book/fizicheskaya-i-kolloidnaya-himiya-v-2-ch-chast-2-kolloidnaya-himiya-441314