Программа дисциплины ен. Ф. 09. Физическая и коллоидная химия для студентов направления 020800 «Экология и природоиспользование» специальности
| Вид материала | Программа дисциплины |
- Программа дисциплины ен. Ф. 04 Общая химия для студентов бакалавров, обучающихся, 237.29kb.
- Программа дисциплины днм. Р. 1 Радиоэкология для студентов специальности 020801 «Экология», 261.67kb.
- Методические указания и контрольные задания по дисциплине Физическая и коллоидная химия, 320.37kb.
- Программы Педагогических Университетов Физическая и коллоидная химия (для специальности, 382.61kb.
- Программа дисциплины опд. Р модели тепломассопереноса в природных средах для студентов, 257.56kb.
- Программа дисциплины опд. Методы биологического контроля природной среды для студентов, 131.12kb.
- Программа дисциплины «Организм и среда» дс. Ф. 03 для студентов специальности 020803, 125.95kb.
- Программа дисциплины опд. Микробиология для студентов, обучающихся по специальности, 113.36kb.
- Программа дисциплины опд ф. 11 Генетика и эволюция для студентов специальности 020803, 148.47kb.
- Программа дисциплины ф. Информатика для студентов специальности 020803 «Биоэкология», 124.04kb.
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное агентство по образованию
ОБНИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ (ИАТЭ)
| | УТВЕРЖДАЮ |
| | Проректор по учебной работе С.Б. Бурухин |
| | “______”____________ 200__ г. |
ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
ЕН.Ф.09. ФИЗИЧЕСКАЯ И КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ
для студентов направления 020800 «Экология и природоиспользование»
специальности 020803 «Биоэкология»
специализации «Экология человека»
Форма обучения: очная
Объем дисциплины и виды учебной работы по очной форме в соответствии с учебным планом
| Вид учебной работы | Всего часов | Семестры | |||
| | | 5 | | | |
| Общая трудоемкость дисциплины | 70 | 70 | | | |
| Аудиторные занятия | 36 | 36 | | | |
| Лекции | 18 | 18 | | | |
| Практические занятия и семинары | 18 | 18 | | | |
| Лабораторные работы | | | | | |
| Курсовой проект (работа) | | | | | |
| Самостоятельная работа | 34 | 34 | | | |
| Расчетно-графические работы | | | | | |
| Вид итогового контроля (зачет, экзамен) | | зачет | | | |
Обнинск 2008
Программа составлена в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования для студентов направления 020800 «Экология и природоиспользование» специальности 020803 «Биоэкология» специализации «Экология человека»
Программу составили:
___________________ С.Б.Бурухин, доцент, кандидат химических наук, доцент кафедры Общей и специальной химии
___________________ А.О. Ананьева, кандидат химических наук, старший преподаватель кафедры Общей и специальной химии
Программа рассмотрена на заседании кафедры общей и специальной химии (протокол № __ от __.__.200_ г.)
Заведующий кафедрой
Общей и специальной химии, профессор
___________________ В.К.Милинчук
“____”_____________ 2008 г.
СОГЛАСОВАНО
| Начальник Учебно – методического управления ___________________ Ю.Д. Соколова | Декан факультета естественных наук, доцент ___________________ Н.Б.Эпштейн “____”_____________ 2008 г. |
1. Цели и задачи дисциплины.
Физическая химия представляет собой теоретический фундамент современной химии. В свою очередь, химия является важнейшей составной частью естествознания. Поэтому физико-химические теории химических процессов используют для решения самого широкого круга современных научных и технических проблем.
Преподавание физической химии в университетах ставит своей главной целью раскрыть смысл основных законов, научить студента видеть области применения этих законов, четко понимать их принципиальные возможности при решении конкретных задач.
Основные разделы современной физической химии — это строение вещества, химическая и статистическая термодинамика, химическая кинетика, катализ, электрохимия.
Коллоидная химия – это наука о поверхностных явлениях и дисперсных системах: она выполняет роль теоретических основ гетерогенных процессов, в которых главное значение имеют поверхностные, межфазные явления. Поверхностные явления сильнее всего проявляются в системах с большой межфазной поверхностью (дисперсных системах), придавая им особые свойства и определяя условия протекания происходящих в этих системах процессов. Дисперсные системы являются типичными объектами коллоидной химии.
Проблемы охраны окружающей среды, в частности, внедрение малоотходных и безотходных технологий, очистка сточных вод и промышленных выбросов с последующей утилизацией улавливаемых отходов, комплексное использование сырья и снижение потребления ресурсов, производство которых связано с загрязнением среды, являются типичными и традиционными вопросами коллоидной химии.
Все перечисленное свидетельствует о важнейшей роли коллоидной химии в нашей жизни, что в свою очередь определяет цель изучения этой науки. Целью курса является освоение теоретических основ характеристик дисперсных систем и поверхностных явлений, получение практических навыков по основным разделам курса.
2. Требования к уровню освоения содержания дисциплины.
В результате изучения дисциплины студент должен
знать: фундаментальные вопросы и проблемы классической физической химии, особенности и характеристики дисперсных систем, оптические свойства коллоидных систем, молекулярно-кинетические свойства коллоидных систем, поверхностные явления, электрические свойства коллоидных систем, методы получения коллоидных систем, классификацию, способы получения, свойства и области применения микрогетерогенных систем. Обладать развитым естественно-научным мировоззрением;
уметь: анализировать системы с фазовыми и химическими превращениями. Освоить термодинамический метод для решения физико-химических задач, связанных с превращениями различных видов энергии, уметь определять направление самопроизвольного протекания физико-химических процессов, условия и параметры равновесия; найти научно обоснованный подход в оценке и использовании поверхностных явлений, коллоидно- химических процессов и дисперсных систем, встречающихся при решении самых разнообразных вопросов, в частности, защиты окружающей среды;
иметь навыки: применения физико-химического подхода при рассмотрении различных задач. Располагать навыками проведения простейших теоретических расчетов фазовых и химических равновесий, расчета кинетических параметров процессов, работы с химической литературой.
3. Содержание дисциплины
3.1. Лекции
I. Физическая химия
1. Введение. Предмет физической химии. Основные разделы физической химии. Роль физической химии в биологии. Основные термодинамические понятия и определения (термодинамическая система, типы систем, термодинамические параметры, функции состояния и процессы). Понятие о термодинамическом равновесии. Равновесные (обратимые) и неравновесные процессы. (1 час) [1,2]
2. Первый закон термодинамики. Формулировки первого закона (начала) термодинамики. Внутренняя энергия и ее свойства. Зависимость внутренней энергии от температуры и объема. Теплота и работа как формы передачи энергии. Работа расширения идеального газа при различных процессах. Энтальпия, зависимость энтальпии от температуры. Теплоемкость и ее зависимость от температуры.
Термохимия. Закон Гесса. Измерение и вычисление тепловых эффектов химических реакций. Стандартное состояние вещества и стандартные энтальпии (тепловые эффекты) реакций. Энтальпии образования и энтальпии сгорания. Тепловые эффекты реакций в растворах. Зависимость теплового эффекта химической реакции от температуры. Уравнение Кирхгофа. Значение первого закона термодинамики для изучения процессов в живых системах. (2 часа) [1,2,3,8,9]
3. Второй закон термодинамики. Формулировки второго закона (начала) термодинамики. Энтропия и ее свойства. Расчет изменения энтропии в различных равновесных процессах. Энтропия в неравновесных процессах. Абсолютное значение энтропии и ее вычисление из опытных данных. Третий закон термодинамики (постулат Планка, теорема Нернста). Статистический характер второго закона термодинамики. Формула Больцмана. (2часа) [1,2,3,8,9]
4. Математический аппарат термодинамики. Фундаментальные уравнения Гиббса. Основные термодинамические функции: энергия Гиббса и энергия Гельмгольца. Анализ фундаментальных уравнений для энергии Гиббса и энергии Гельмгольца. Расчет изменений энергии Гиббса и энергии Гельмгольца при протекании различных процессов.
Уравнения Максвелла и их использование для вывода разных термодинамических соотношений. Характеристические функции. Критерии самопроизвольного протекания процесса и характеристические функции. Термодинамические потенциалы, их связь с полезной работой. Стандартные энергии Гиббса образования веществ. Таблицы термодинамических величин. Расчет и экспериментальное определение изменения энергии Гиббса в химических реакциях. Уравнения Гиббса-Гельмгольца и их вывод. Применение термодинамического метода в биологии.
Химический потенциал идеальных и реальных систем. Условия равновесия и самопроизвольного протекания процессов в многокомпонентных системах. (2часа) [1,2,3,8,9]
5. Применение термодинамики к фазовым равновесиям. Основные понятия и определения (гомогенная системы, компонент, степень свободы). Правило фаз Гиббса, его вывод. Фазовые переходы первого рода. Уравнение Клапейрона-Клаузиуса. Его вывод и применение к фазовым равновесиям в однокомпонентных системах. Диаграммы состояния воды и углекислого газа. Вид диаграммы состояния бинарной системы на примере системы NaCl-вода. (2 часа) [1,2,3,8,9]
6. Химические равновесия. Фундаментальное уравнение Гиббса и его применение к химическим равновесиям. Химическая переменная. Уравнение изотермы химической реакции, его вывод, анализ условий равновесия и самопроизвольного протекания химической реакции, связь константы равновесия химической реакции и энергии Гиббса ее использование при расчетах химических равновесий. Экспериментальное определение и расчет константы равновесия по таблицам стандартных термодинамических величин. Связь между Кр, Кс, КN. Вывод зависимости константы равновесия от температуры. Уравнение изобары и изохоры. Особенности изучения химических равновесий в биохимических системах. (2 часа) [1,2,3,8,9]
7. Растворы.
Растворы неэлектролитов. Определение понятия «раствор». Виды растворов. Растворимость газов в жидкостях. Закон Генри, Закон Рауля. Идеальны газовые и жидкие растворы. Реальные растворы. Коэффициенты активности.
Фазовые диаграммы: давление пара – состав раствора, состав пара и температура кипения – состав раствора, состав пара. Растворы твердых веществ в жидкостях, Коллигативные свойства растворов неэлектролитов: относительное понижение давления пара растворителя над раствором, понижение температуры замерзания раствора (без вывода), повышение температуры кипения раствора (без вывода), осмотическое давление. Использование коллигативных свойств растворов для расчета коэффициентов активности и определения молярной массы растворенных веществ. Уравнение Вант-Гоффа. Осмотический коэффициент. Значение осмотических явлений в биологии.
Растворы электролитов. Изотонический коэффициент. Основные положения теории электролитической диссоциации Аррениуса. Причины электролитической диссоциации. Гидратация ионов. Константа диссоциации слабого электролита. Активность и коэффициент активности электролита и иона. Средняя ионная активность и средний ионный коэффициент активности. Ионная сила раствора. Стандартное состояние растворенного электролита и растворителя. Теория Дебая-Хюккеля (без вывода). Применение теории Дебая-Хюккеля для расчета среднего ионного коэффициента активности (первое, второе и третье приближения). (3 часа) [1,2,4]
8. Электропроводность растворов электролитов .Удельная электропроводность и ее зависимость от концентрации для слабых и сильных электролитов. Эквивалентная электропроводность и ее зависимость от концентрации и разведения. Закон Кольрауша (без вывода) и подвижность ионов. Понятие о числах переноса ионов. (1 час) [1,2,4]
9. Электродные процессы. Электродвижущие силы. Электрохимический потенциал. Условия равновесия с участием заряженных частиц. Скачок потенциала на границе металл-раствор. Контактный и диффузионный потенциал. Схема и правила записи электрохимической цепи (гальванического элемента). Электродвижущие силы (ЭДС). Электродные потенциалы. Уравнение Нернста для электродного потенциала и ЭДС цепи. Правила расчета ЭДС цепи с помощью электродных потенциалов. Термодинамика гальванического элемента. Определение с помощью метода ЭДС энтальпии (теплового эффекта) и энтропии химической реакции. Связь константы равновесия с ЭДС. Электроды первого и второго рода, газовые электроды (водородный и кислородный электроды), окислительно-восстановительные электроды (редокс-электроды). Стеклянный электрод. Понятие о мембранном потенциале. Электроды сравнения. Классификация электрохимических цепей. Применение метода ЭДС для определения коэффициентов активности и pH растворов. (2 часа) [1,2,4]
10. Кинетика химических реакций и катализ. Скорость химической реакции и методы ее экспериментального определения. Факторы, влияющие на скорость химической реакции. Основной постулат химической кинетики (закон действия масс). Константа скорости химической реакции. Молекулярность и порядок реакции. Кинетические уравнения необратимых (односторонних) реакций 0-го, 1-го и 2-го и n-го порядков. Методы определения порядка и константы скорости реакции (метод подстановки, метод Вант-Гоффа, метод Освальда-Нойеса). Зависимость скорости реакции от температуры. Уравнение Аррениуса. Энергия активации и методы ее экспериментального определения. Представления о сложных реакциях. Катализ. Представления о механизме действия катализаторов. (3 часа) [1,2,3,8]
II. Коллоидная химия
1. Определение предмета коллоидной химии. История развития коллоидной химии. Значение коллоидной химии в природе и технике. Основные разделы и направления коллоидной химии, объекты и цели изучения. Классификация поверхностных явлений и дисперсных систем. Общие термодинамические параметры поверхностного слоя. Адсорбция и поверхностное натяжение. Адгезия, смачивание и растекание жидкостей. Дисперсность и термодинамические свойства тел. (4 часа) [5,6,7]
2. Адсорбция газов и паров на однородной поверхности. Мономолекулярная адсорбция Ленгмюра. Теория полимолекулярной адсорбции БЭТ. Адсорция газов и паров на пористых телах. Теория капиллярной конденсации. Теория объемного заполнения микропор. Ионообменная адсорбция. Поверхностно- активные вещества и состояние поверхностных пленок. (4 часа) [5,6,7]
3. Образование и строение двойного электрического слоя. Строение мицеллы. Электрокинетические явления. Седиментация и седиментационный анализ дисперсности. Молекулярно- кинетические свойства свободнодисперсных систем. Оптические свойства и методы исследования дисперсных систем. (4 часа) [5,6,7]
4. Агрегативная устойчивость и коагуляция дисперсных систем. Растворы коллоидных поверхностно - активных веществ. Образование и свойства растворов высокомолекулярных соединений. Теория устойчивости и коагуляции лиофобных дисперсных систем. Структурно – механические свойства дисперсных систем. (4 часа) [5,6,7]
3.2 Практические и семинарские занятия
| Раздел(ы) | Тема практического или семинарского занятия | Литература | Число часов |
| Первый закон термодинамики. Термохимия | Зависимость внутренней энергии от температуры и объема. Работа расширения идеального газа при различных процессах. Вычисление тепловых эффектов химических реакций. Тепловые эффекты реакций в растворах. Зависимость теплового эффекта химической реакции от температуры. | [1,2,8,9] | 4 |
| Второй закон термодинамики | Расчет изменения энтропии в различных равновесных процессах. Энтропия в неравновесных процессах | [1,2,8,9] | 2 |
| Фазовые равновесия | Правило фаз Гиббса. Уравнение Клапейрона-Клаузиуса. Его применение к фазовым равновесиям в однокомпонентных системах. Фазовая диаграмма воды. | [1,2,8,9] | 2 |
| Химические равновесия | Расчет константы равновесия по таблицам стандартных термодинамических величин. Связь между Кр, Кс, КN. Зависимости константы равновесия от температуры. Уравнение изобары и изохоры. | [1,2,8,9] | 2 |
| Коллигативные свойства растворов неэлектролитов | Относительное понижение давления пара растворителя над раствором, понижение температуры замерзания раствора, повышение температуры кипения раствора, осмотическое давление. Использование коллигативных свойств растворов для расчета коэффициентов активности и определения молярной массы растворенных веществ. | [1,2,4] | 2 |
| Растворы электролитов. | Активность и коэффициент активности электролита и иона. Средняя ионная активность и средний ионный коэффициент активности. Ионная сила раствора. Теория Дебая-Хюккеля. Применение теории Дебая-Хюккеля для расчета среднего ионного коэффициента активности (первое, второе и третье приближения). | [1,2,4] | 2 |
| Электродные процессы. Электродвижущие силы | Уравнение Нернста для электродного потенциала и ЭДС цепи. Правила расчета ЭДС цепи с помощью электродных потенциалов. Правила записи схем электрохимических цепей. | [1,2,4] | 2 |
| Химическая кинетика | Кинетические уравнения необратимых (односторонних) реакций 0-го, 1-го и 2-го и n-го порядков. Методы определения порядка и константы скорости реакции. Зависимость скорости реакции от температуры. Уравнение Аррениуса. Энергия активации и методы ее экспериментального определения. | [1,2,8] | 2 |
3.3 Лабораторный практикум
“Не предусмотрен”.
3.4. Курсовые проекты (работы)
“Не предусмотрены”.
3.5 Формы текущего контроля
| Раздел(ы) | Форма контроля | Неделя |
| Физическая химия | Коллоквиум | 10 |
| Коллоидная химия | Коллоквиум | 16 |
3.6. Самостоятельная работа
1. Понятие о числах переноса ионов.(семинарские занятия, коллоквиум) [1, с.227-230; 4, с. 81-84 ]
2. Электроды первого и второго рода, газовые электроды (водородный и кислородный электроды), окислительно-восстановительные электроды (редокс-электроды). Стеклянный электрод. Электроды сравнения. Классификация электрохимических цепей. Применение метода ЭДС для определения коэффициентов активности и pH растворов. (семинарские занятия, коллоквиум) [1, с.259-296; 4, с. 141- 155]
3. Методы определения порядка и константы скорости реакции (метод подстановки, метод Вант-Гоффа, метод Освальда-Нойеса). (семинарские занятия, коллоквиум) [1, с. 311- 315]
4.1. Рекомендуемая литература
4.1.1. Основная литература
1. Горшков В.И., Кузнецов И.А., Основы физической химии.- М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2006. – 407с.- 30 экз.
2. Еремин В.В., Каргов С.И., Успенская И.А. Задачи по физической химии. –М.: Экзамен, 2005. – 320 с. – 71 экз.
3. Бурухин С.Б. Основные закономерности физико-химических процессов: Обнинск. ИАТЭ, 2001. - 173 с. – 200 экз.
4. Байрамов В.М. Основы электрохимии.- М.: Академия,2005. – 240с. – 25 экз.
5. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии: Поверхностные явления и дисперсные системы. М.: Химия, 2004. – 464 с. – 25 экз.
6. Гельфман М.И., Ковалевич О.В., Юстратов В.П. Коллоидная химия. СПБ.: Издательство «Лань», 2003. – 336 с. – 12.экз.
7. Зимон А.Д. Коллоидная химия, – М.: Агар, 2003. – 320 с. – 20 экз.
4.1.2. Дополнительная литература
8. Стромберг А.Г., Семченко Д.П. Физическая химия. - М.: Высшая школа, 2003. – 527 с.- 25 экз.
9. Карякин Н.В. Основы химической термодинамики. М.: Академия, 2003. – 753 с. – 31 экз.
10. Киреев В.А. Курс физической химии.- М.: Химия, 1975.
11. Щукин Е.Д., Перцов А.В., Амелина Е.А. Коллоидная химия, М.: Высш. шк., 2007.- 444 с. – 30 экз.
12. Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии. М.: Химия, 1975.
13. Бурухин С.Б. Поверхностные явления. Обнинск. ИАТЭ, 2003. - 120 с.- 200 экз.
4.2. Средства обеспечения освоения дисциплины
Презентация некоторых тем в Power Point.
5. Материально-техническое обеспечение дисциплины
“Не предусмотрено”.