- •1. Закон Рауля. Давление пара над идеальным раствором. Предельно разбавленные растворы. Закон Генри.
- •2. Гетерогенный катализ: основные стадии, энергетический профиль
- •1. Энтропия и 2-й закон термодинамики. Термодинамическое и статистическое определение энтропии, их взаимосвязь.
- •2. Фотохимические реакции. Примеры. Законы фотохимии. Квантовый выход.
- •1. Исходные постулаты термодинамики. Термические и калорические уравнения состояния
- •2. Основные приближенные методы химической кинетики: квазиравновесное и квазистационарное приближения. Условия применимости, энергетические кривые.
- •1. Коллигативные свойства растворов (электролиты и неэлектролиты)
- •2. Скорость химической реакции. Кинетическое уравнение. Постулаты химической кинетики
- •1. Связь константы равновесия с изменением термодинамических функций в реакции. Зависимость константы равновесия от температуры. Принцип Ле Шателье
- •2. Константа скорости. Порядок, псевдопорядок и молекулярность реакции. Экспериментальное определение порядка реакции и константы скорости
- •1. Электродные потенциалы, их зависимость от концентраций (активностей) ионов и температуры. Стандартные электродные потенциалы.
- •2. Тепловой эффект химической реакции. Закон Гесса. Энтальпия образования.
- •1. Электродвижущая сила (эдс), ее связь с термодинамическими величинами. Типы электрохимических ячеек.
- •2. Формальная кинетика реакций целого порядка. Период полупревращения, его зависимость от начальной концентрации.
- •1. Сечения простейших фазовых диаграмм «температура – состав». Типичные диаграммы «жидкость – пар» (с азеотропом и без).
- •2. Энтальпия химической связи. Зависимость теплового эффекта реакции от температуры и давления.
- •1. Третий закон термодинамики. Абсолютная энтропия.
- •2. Влияние температуры на скорость реакции. Уравнение Аррениуса, его интегральная и дифференциальная формы. Опытная энергия активации.
- •1. Термодинамические системы и их классификация. Экстенсивные и интенсивные величины. Функции состояния и функции процесса. Термодинамические координаты и силы.
- •1. Фундаментальное уравнение Гиббса в переменных t, V. Критерии самопроизвольности процесса и равновесия.
- •2. Сложные химические реакции. Механизмы реакций. Решение кинетических уравнений для обратимых реакций первого порядка.
- •1. Обратимые реакции:
- •2. Параллельные реакции:
- •3. Последовательные реакции:
- •1. Химический потенциал, определение. Идеальные растворы. Термодинамика смешения. Активность и коэффициенты активности.
- •2. Сложные химические реакции. Механизмы реакций. Решение кинетических уравнений для параллельных реакций первого порядка. Термодинамический и кинетический контроль.
- •1. Обратимые реакции:
- •2. Параллельные реакции
- •1. Вычисление абсолютной энтропии из экспериментальных данных.
- •2. Гетерогенные системы. Фазовый состав. Условия фазового равновесия. Правило фаз Гиббса.
- •1. Внутренняя энергия и 1-й закон термодинамики в переменных t, V. Тепловой эффект процесса при постоянном объеме или давлении. Калорические коэффициенты.
- •2. Фотохимические реакции. Первичные процессы при возбуждении: фотофизические и фотохимические. Кинетика фотохимических реакций. Отличие фотохимических реакций от темновых.
- •1. Фазовые диаграммы однокомпонентных систем. Уравнение Клапейрона-Клаузиуса.
- •2. Уравнения химических реакций. Стехиометрические соотношения. Химическая переменная. Энергетическая кривая химической реакции (элементарной и двухстадийной).
- •1. Объединение 1-ого и 2-ого законов. Фундаментальные уравнения Гиббса для закрытых и открытых систем. Энергии Гельмгольца и Гиббса. Термодинамические потенциалы.
- •2. Осмос. Осмотическое давление. Уравнение Вант-Гоффа и область его применимости
- •1. Химический потенциал компонента идеального раствора. Термодинамические функции образования идеального раствора
- •2. Основные понятия катализа. Классификация каталитических реакций. Гомогенный катализ. Общий механизм катализа
- •1. Энтальпия и 1-й закон термодинамики в переменных t, p. Тепловой эффект процесса при постоянном давлении. Изобарная теплоемкость
- •2. Электроды и полуреакции. Основные типы электродов. Стандартные электродные потенциалы. Эдс и ее связь с термодинамическими функциями.
- •1. Стандартные состояния и термодинамические функции индивидуальных веществ. Оператор химической реакции. Изменение термодинамических функций в химических реакциях
- •2. Простейшая схема ферментативного катализа и ее кинетический анализ. Формула Михаэлиса-Ментен
- •1. Энтропия как функция состояния и как критерий направленности самопроизвольного процесса
- •2. Условия химического равновесия. Закон действующих масс для идеально-газовой смеси. Константы равновесия и связь между ними
- •1. Зависимость энтальпии и энтропии индивидуального вещества от температуры и давления
- •2. Связь кинетических и термодинамических величин на примере обратимых элементарных реакции 1-го порядка
- •1. Уравнения изотермы, изохоры и изобары реакции
- •2. Формальная кинетика реакций целого порядка. Период полупревращения, его зависимость от начальной концентрации
- •1. Уравнения Гиббса-Гельмгольца. Соотношения Максвелла. Связь калорического и термического уравнения состояния
- •2. Растворы. Способы выражения химического состава и связь между ними
- •1. Закон Гесса. Энтальпия образования. Термохимические циклы. Энтальпия химической связи.
- •2. Скорость химической реакции. Кинетическое уравнение. Постулаты химической кинетики: закон действующих масс, принцип независимости химических реакций, принцип лимитирующей стадии
- •1. Связь константы равновесия с изменением стандартных термодинамических величин в реакции. Закон действующих масс для гетерогенных реакций и реакций в растворах
- •2. Коллигативные свойства растворов. Осмос. Формула Вант-Гоффа. Криоскопия и эбуллиоскопия
- •1. Энтропия и 2-й закон термодинамики. Термодинамическое и статистическое определение энтропии, их взаимосвязь.
- •2. Дисперсные системы и их классификация. Поверхностное натяжение и его проявление. Смачивание. Поверхностно-активные вещества и механизм его действия
- •1. Количество вещества как внешний параметр открытой системы. Диффузионный контакт между системами. Химический потенциал.
- •2. Зависимость константы равновесия от температуры и давления
- •1. Фундаментальное уравнение Гиббса в переменных p и t. Критерии самопроизвольности процесса и равновесия
- •2. Изотерма, изобара и изостера адсорбции. Уравнение Ленгмюра. Простейшие модельные представления в теории адсорбции.
1. Внутренняя энергия и 1-й закон термодинамики в переменных t, V. Тепловой эффект процесса при постоянном объеме или давлении. Калорические коэффициенты.
Первый закон (первое начало) термодинамики – это фактически закон сохранения энергии. Он утверждает: Существует аддитивная функция состояния термодинамической системы, называемая энергией, U. Энергия изолированной системы постоянна. В закрытой системе энергия может изменяться за счет: а) совершения работы W над окружающей средой (или среды над системой); б) обмена теплотой Q с окружающей средой. (дифференциальная форма), (интегральная форма).
Буква δ в уравнении отражает тот факт, что Q и W – функции перехода и их бесконечно малое изменение не является полным дифференциалом.
Первый закон справедлив для любых систем и процессов, но в случае открытых систем использовать его в форме такого уравнения нельзя, так как в процессах, сопровождающихся переносом вещества от системы к окружению или обратно, наблюдаемые изменения энергии не удается разделить на теплоту и работу. Причиной этого является тот факт, что при внесении в систему некоторого количества вещества изменяется объем системы, т.е. совершается работа расширения (сжатия), и при этом вместе с веществом поступает некоторое количество связанной с ним энтропии.
В отличие от внутренней энергии, теплота и работа не являются функциями состояния, их значения зависят от типа процесса. Работа – это упорядоченная форма передачи энергии, а теплота – неупорядоченная, связанная с хаотическим движением частиц.
В открытой системе
где последняя сумма характеризует процесс обмена веществом между системой и окружением. Эту сумму условно называют «химической работой», имея в виду работу переноса вещества из окружения в систему.
Функция µ получила название «химический потенциал»
Теплота Q – форма передачи энергии от более нагретого тела к менее нагретому, не связанная с переносом вещества и совершением работы. Зависимость теплоты от термодинамических переменных можно выразить, рассматривая внутреннюю энергию как функцию температуры и объема:
Входящие в это уравнение частные производные называют калорическими коэффициентами системы, они характеризуют:
• теплоемкость системы при постоянном объеме (или изохорную теплоемкость)
• и скрытую теплоту изотермического расширения
Помимо этих частных производных, к калорическим коэффициентам системы относятся:
Кроме изобарной и изохорной теплоемкостей в термодинамике используют также истинную и среднюю теплоемкости. Истинная теплоемкость:
Средняя теплоемкость численно равна количеству теплоты, которое надо сообщить веществу, чтобы нагреть его на 1 К:
2. Фотохимические реакции. Первичные процессы при возбуждении: фотофизические и фотохимические. Кинетика фотохимических реакций. Отличие фотохимических реакций от темновых.
Многие химические реакции происходят под действием электромагнитного излучения. Различные виды излучения способны активизировать разные виды движения в молекуле – вращательное, колебательное, электронное. Энергия одного кванта излучения связана с длиной волны λ соотношением: .
Согласно первому закону фотохимии, фотохимическое превращение может происходить только под действием того света, который поглощается веществом. Второй закон фотохимии: каждый поглощенный фотон вызывает фотохимическое возбуждение одной молекулы. Этот закон нарушается в сильных световых полях, где происходят многоквантовые процессы и одна молекула может поглотить несколько квантов излучения. При поглощении видимого или УФ света молекула переходит в возбужденное электронное состояние. Возбужденная молекула может испытать последующие превращения:
Первичные фотофизические процессы:
1. Колебательная релаксация – безызлучательный процесс, который приводит к рассеиванию (диссипации) колебательной энергии по внутренним степеням свободы в данном электронном состоянии. Колебательная релаксация происходит за время 10–11 – 10–12 с.
2. Флуоресценция – излучательный переход между состояниями одной и той же мультиплетности, например синглет-синглет. При испускании света происходит переход в исходное электронное состояние:
Частота испускаемого света меньше или равна частоте поглощаемого в первичном процессе света: νf ≤ ν. Время жизни первого синглетного состояния, из которого происходит флуоресценция, составляет обычно 10–8 – 10–9 с.
3. Внутренняя конверсия – безызлучательный переход между электронными состояниями одинаковой мультиплетности.
4. Интеркомбинационная конверсия – безызлучательный переход между электронными состояниями разной мультиплетности, например синглет – триплет.
5. Фосфоресценция – излучательный переход между состояниями разной мультиплетности. Испускание света происходит с некоторой задержкой по времени, которая необходима для того, чтобы молекула засчет безызлучательных процессов перешла в триплетное состояние. Триплетные состояния живут гораздо дольше, чем синглетные: время жизни составляет 10–6 – 102 с.
Правило Каша: флуоресценция (фосфоресценция) происходит с низшего возбужденного уровня (первого синглетного или низшего триплетного).
Поглощение света может привести к разнообразным химическим превращениям электронно-возбужденной молекулы. Примеры первичных фотохимических реакций:
Поглощение монохроматического пучка света однородной средой подчиняется закону Ламберта–Бера:
где I0 – интенсивность (энергия в единицу времени) падающего света, I – интенсивность поглощенного света, k – коэффициент поглощения, l – толщина поглощающего слоя, c – молярная концентрация вещества.
Согласно закону Вант-Гоффа, количество вещества, которое вступило в фотохимическую реакцию, пропорционально поглощенной энергии света. Из законов Ламберта–Бера и Вант-Гоффа следует выражение для скорости первичной фотохимической реакции:
где – квантовый выход реакции.
Если толщина поглощающего слоя мала, kcl << 1, то фотохимическая реакция имеет первый порядок по реагенту:
Если же толщина поглощающего света велика, kcl >> 1, то весь свет поглощается и скорость реакции определяется только величиной I0, т.е. реакция имеет нулевой порядок по реагенту:
Фотохимические реакции значительно отличаются от обычных, термических. Во-первых, в термических реакциях участвуют молекулы с равновесным распределением по энергии, при этом доля молекул, обладающих достаточным запасом энергии для преодоления энергетического барьера реакции, регулируется только температурой. В фотохимических реакциях степень возбуждения зависит в первую очередь от характеристик светового излучения – интенсивности, которая определяет число возбужденных молекул, и длины волны, которая задает энергию возбуждения. Во-вторых, фотохимические реакции могут идти по совершенно другим путям, чем термические, за счет того, что свет переводит молекулу в возбужденные электронные состояния, которые недоступны при обычном термическом воздействии.
Кинетика фотохимических реакций описывается обычными дифференциальными уравнениями, выражающими закон действующих масс. Отличие от обычных реакций с термическим возбуждением состоит в том, что скорость первичных фотохимических процессов не зависит от концентрации исходного вещества, а определяется только интенсивностью поглощенного света. Квантовый выход первичных фотопроцессов не зависит от температуры.
Билет 15