МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ И СОЦИАЛЬНОГО РАЗВИТИЯ РФ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра общей химии

Часть I

ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

Учебно-методическое пособие

для аудиторной и внеаудиторной работы

студентов фармацевтического факультета

Рекомендовано Учебно-методическим объединением по медицинскому и фармацевтическому образованию вузов России в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по специальности 060108 (040500) – Фармация

Краснодар

2009

УДК 541.1

ББК 24.5

Ш 42

Составители:

доктор хим. наук, профессор Н.В. Шельдешов,

канд. пед. наук, ассистент О.В. Балачевская,

канд. хим. наук, ассистент Д.А. Хосроева

Под редакцией зав. кафедрой общей химии КГМУ, профессора, д.п.н. Т.Н. Литвиновой

Рецензенты:

– зав. кафедрой общей и биоорганической химии Волгоградской государственной медицинской академии, профессор, д.х.н. А.К. Брель.

– зав. кафедрой биоорганической и биофизической химии Ярославской медицинской академии, к.б.н. Т.Ю. Широкова.

Задачи по физической и коллоидной химии: часть I Физическая химия: Учебно-методическое пособие. – Краснодар, КГМУ, 2009 – 350 с.

Учебно-методическое пособие составлено на основе примерной программы по дисциплине физическая и коллоидная химия, утвержденной в 2002 г., и предназначено для студентов фармацевтического факультета.

Решение УМО МЗ и СР РФ

УМО – 790

16.11.07

Содержание

ВВЕДЕНИЕ 11

ВВОДНЫЙ БЛОК ОСНОВЫ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ 12

1. Элементы теории вероятности и математической статистики 12

Примеры решения задач 18

Задачи и упражнения для самостоятельного решения 20

2. Ошибки измерений 22

Примеры решения задач 26

Задачи и упражнения для самостоятельного решения 27

3. Округление чисел 27

Примеры решения задач 30

Задачи и упражнения для самостоятельного решения 30

4. Построение графиков 31

Примеры решения задач 42

Задачи и упражнения для самостоятельного решения 44

5. Расчет коэффициентов прямой 45

Задачи и упражнения для самостоятельного решения 58

6. Линеаризация 59

Примеры решения задач 61

Задачи и упражнения для самостоятельного решения 64

7. Нахождение производных и интегрирование 64

Примеры решения задач 66

Задачи и упражнения для самостоятельного решения 69

1. ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ 70

МОДУЛЬ 1 ТЕРМОДИНАМИКА. ТЕРМОХИМИЯ 70

1.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ЗАКОНЫ ТЕРМОДИНАМИКИ. ТЕРМОХИМИЯ 70

1.1.1. Первое начало термодинамики 71

Основные уравнения 71

Примеры решения типовых задач 75

Задачи для самостоятельного решения 79

1.1.2. Термохимия 80

Основные уравнения 80

Примеры решения типовых задач 84

Задачи для самостоятельного решения 87

1.1.3. Второе начало термодинамики. Энтропия 88

Основные уравнения 88

Примеры решения типовых задач 91

Задачи для самостоятельного решения 93

1.1.4. Термодинамические потенциалы. Функции Гиббса, Гельмгольца 94

Основные уравнения 94

Примеры решения типовых задач 98

Задачи для самостоятельного решения 99

1.2. ТЕРМОДИНАМИКА ХИМИЧЕСКОГО РАВНОВЕСИЯ 100

1.2.1. Изотерма химической реакции. Расчет констант равновесия химических реакций по термодинамическим таблицам 101

Основные уравнения 101

Примеры решения типовых задач 102

Задачи для самостоятельного решения 105

1.2.2. Зависимость констант равновесия реакций от температуры. Расчет равновесного выхода продуктов реакции 106

Основные уравнения 106

Примеры решения типовых задач 108

Задачи для самостоятельного решения 111

МОДУЛЬ 2 ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ. ФАЗОВЫЕ РАВНОВЕСИЯ 112

1.3. ТЕРМОДИНАМИКА ФАЗОВЫХ РАВНОВЕСИЙ 112

1.3.1. Фазовые равновесия в однокомпонентных системах. Правило фаз Гиббса. Уравнения Клапейрона, Клапейрона – Клаузиуса 113

Основные уравнения 113

Примеры решения типовых задач 116

Задачи для самостоятельного решения 117

1.3.2. Фазовые равновесия в двухкомпонентных системах, перегонка 119

Основные уравнения 119

1.3.3. Фазовые равновесия в трехкомпонентных системах. Экстракция 128

Примеры решения типовых задач 131

Задачи для самостоятельного решения 135

МОДУЛЬ 3 КОЛЛИГАТИВНЫЕ СВОЙСТВА РАСТВОРОВ. ЭЛЕКТРОХИМИЯ 141

1.4. ТЕРМОДИНАМИКА РАЗБАВЛЕННЫХ РАСТВОРОВ, ВЗАИМОСВЯЗЬ МЕЖДУ КОЛЛИГАТИВНЫМИ СВОЙСТВАМИ 141

1.4.1. Давление пара растворителя над разбавленными растворами. Закон Рауля 142

Основные уравнения 142

Примеры решения задач 144

Задачи для самостоятельного решения 146

1.4.2. Осмотическое давление растворов 147

Основные уравнения 147

Примеры решения задач 149

Задачи для самостоятельного решения 150

1.4.3. Криоскопия. Эбуллиоскопия 152

Основные уравнения 152

Криоскопия 152

Эбулиоскопия 153

Экспериментальные методы определения молярных масс и изотонического коэффициента методом эбуллиоскопии и криоскопии 153

Примеры решения задач 155

Задачи для самостоятельного решения 156

1.5. ТЕРМОДИНАМИКА РАСТВОРОВ ЭЛЕКТРОЛИТОВ 158

1.5.1. Теория растворов сильных электролитов Дебая – Хюккеля 158

Основные уравнения 158

Примеры решения задач 161

Задачи для самостоятельного решения 162

1.5.2. Буферные системы и растворы 162

Основные уравнения 162

Примеры решения задач 166

Задачи для самостоятельного решения 167

1.6. ЭЛЕКТРОХИМИЯ 168

1.6.1. Электропроводность растворов электролитов 168

Основные уравнения 168

Примеры решения задач 177

Задачи для самостоятельного решения 181

1.6.2. Электродные потенциалы и электродвижущие силы гальванических элементов 183

1.6.2.1. Электроды и электродные потенциалы 183

Основные уравнения 183

Примеры решения задач 191

Задачи для самостоятельного решения 193

1.6.2.2. Гальванические элементы и ЭДС 194

Основные уравнения 194

Примеры решения задач 199

Задачи для самостоятельного решения 201

МОДУЛЬ 4 КИНЕТИКА ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ И КАТАЛИЗ 203

1.7. КИНЕТИКА ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ 203

1.7.1. Скорость реакции 203

Основные уравнения 203

Скорость реакции 203

Расчет скорости реакции по экспериментальным данным, заданным в виде таблицы 204

Расчет скорости реакции по экспериментальным данным, заданным в виде графика 205

Примеры решения задач 206

Задачи для самостоятельного решения 209

1.7.2. Формальная кинетика необратимых реакций нулевого, первого, второго порядков 210

Основные уравнения 210

Основной постулат химической кинетики – закон действия масс для кинетики 210

Молекулярность химической реакции 211

Реакция нулевого порядка 212

Реакция первого порядка 213

Реакция второго порядка 214

Примеры решения задач 214

Задачи для самостоятельного решения 218

1.7.3. Методы определения порядков и констант скоростей реакций 220

Основные уравнения 220

Интегральные методы 221

Метод подстановки 221

Графический метод 222

Определение порядка реакции по периоду полупревращения 223

Дифференциальные методы 224

Метод Вант-Гоффа 224

Примеры решения задач 225

Задачи для самостоятельного решения 231

1.7.4. Зависимость скорости реакции от температуры 233

Основные уравнения 233

Правило Вант-Гоффа 233

Уравнение Аррениуса 233

Метод ускоренного определения срока годности лекарственных препаратов 234

Примеры решения задач 235

Задачи для самостоятельного решения 238

1.7.5. Сложные реакции 239

Примеры решения задач 243

Задачи и упражнения для самостоятельного решения 245

1.7.6. Ферментативный катализ 245

Примеры решения задач 247

Задачи и упражнения для самостоятельного решения 249

МОДУЛЬ 5 ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ И АДСОРБЦИЯ 250

1.8. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ И АДСОРБЦИЯ 250

1.8.1. Термодинамика поверхностного слоя 251

Основные уравнения 251

Поверхностная энергия Гиббса и поверхностное натяжение 251

Методы определения поверхностного натяжения на легкоподвижных границах фаз 254

Краевой угол смачивания 255

Зависимость поверхностного натяжения от температуры. Связь поверхностной энергии Гиббса и поверхностной энтальпии 263

Энтальпия смачивания и коэффициент гидрофильности 264

Примеры решения задач 268

Задачи для самостоятельного решения 269

1.8.2. Адсорбция на границе «жидкость – газ» 270

Основные уравнения 270

Уравнение изотермы адсорбции Гиббса 270

Изотерма поверхностного натяжения 271

Поверхностно-активные, поверхностно-инактивные вещества, их молекулярное строение 272

Ориентация молекул в поверхностном слое 273

Адсорбция на границе «жидкость – газ». Уравнение Ленгмюра 274

Определение площади, занимаемой молекулой поверхностно-активного вещества в насыщенном адсорбционном слое, и максимальной длины молекулы ПАВ 277

Уравнение Шишковского 278

Правило Дюкло – Траубе 279

Примеры решения задач 280

Задачи для самостоятельного решения 282

1.8.3. Адсорбция на границе «твердое тело – газ» и «твердое тело – жидкость» 283

Основные уравнения 283

Мономолекулярная адсорбция, уравнение изотермы адсорбции Лэнгмюра, Фрейндлиха 283

Полимолекулярная адсорбция 286

Капиллярная конденсация 288

Адсорбция электролитов. Неспецифическая (эквивалентная) адсорбция ионов. Избирательная адсорбция ионов. Правило Панета – Фаянса 291

Ионный обмен. Иониты и их классификация. Обменная емкость. Применение ионитов в фармации 293

Примеры решения задач 297

Задачи для самостоятельного решения 304

ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ 307

ПРИЛОЖЕНИЕ 312

1. Основные единицы измерения физических величин 312

2. Основные физические постоянные 313

3. Основные математические формулы дифференциального и интегрального исчисления 313

Таблица производных элементарных функций 313

Основные правила дифференцирования 313

Основные правила интегрирования 314

4. Критические значения коэффициента Стьюдента t 315

5. Критические значения критерия Фишера F для α = 0,05 316

6. Стандартные энтальпии плавления и испарения при температуре фазового перехода 317

7. Константы Генри (Па) при 25С 318

8. Криоскопические и эбуллиоскопические константы 318

9. Термодинамические свойства простых веществ, ионов и соединений 319

Простые вещества и ионы 319

Неорганические соединения 322

Органические соединения 325

Углеводороды 325

Кислородсодержащие соединения 327

Галогенсодержащие соединения 329

Азотсодержащие соединения 329

10. Теплота сгорания питательных веществ в живом организме и в калориметре 331

11. Криоскопические и эбуллиоскопические константы 331

12. Удельная электрическая проводимость растворов KCl 331

13. Предельные молярные подвижности ионов в водном растворе при 25°С 332

14. Молярная электропроводность разбавленных водных растворов электролитов при 25°С 333

15. Константы диссоциации слабых кислот при 25°С 334

16. Константы диссоциации слабых оснований при 25°С 335

17. Стандартные электродные потенциалы при 25°С 336

18. Основные физические постоянные 337

19. Плотность ПАВ в жидком состоянии 337

20. Зависимость поверхностного натяжения воды от температуры 338

ЛИТЕРАТУРА 339