2. Тематический план

Наименование разделов и тем	Максим. учебная нагрузка студента, час	Кол-во аудиторных часов при очной форме обучения			Самост. работа студента, час
		Всего, час	Лабор. работы, час	Практ. занятия, час
Введение	2	2
Раздел 1. Физическая химия	160	122	24	28	38
Тема 1.1. Молекулярно-кинетическая теория агрегатных состояний вещества	26	20	4	6	6
Тема 1.2. Основы химической термодинамики	32	26	4	6	6
Тема 1.2.1.Первый закон термодинамики. Термохимия	22	18	4	2	4
Тема 1.2.2. Второй закон термодинамики	10	8		4	2
Тема 1.3. Химическая кинетика	16	12	4	4	4
Тема 1.4. Катализ	10	8	4		2
Итоговое занятие	2	2
Тема 1.5. Химическое равновесие	14	8		4	6
Тема 1.6. Фазовое равновесие	8	6			2
Тема 1.7. Растворы	34	26	8	4	8
Тема 1.8. Электрохимия	18	14		4	4
Раздел 2. Основы коллоидной химии	25	20	8	0	5
Тема 2.1. Дисперсия системы	17	14	4		3
Тема 2.2. Растворы высокомолекулярных соединений	8	6	4		2
Итоговое занятие	2	2
Всего	189	146	32	28	43

3. Методические указания по изучению дисциплины введение

Раздел 1. Физическая химия

Тема 1.1. Молекулярно-кинетическая теория агрегатных состояний

Газообразное состояние вещества. Состояние газа характеризуется его температурой (Т), давлением (Р), объемом (V). Единицей измерения термодинамической температуры является Кельвин (К). Взаимосвязь ее с Международной практической шкалой Цельсия выражается формулой Т = 0 + 273,15. В расчетах величину округляют до 273. Давление газа выражают в Паскалях (Па), объем – в м^3.

1см³(мл) = 1 • 10^-3л = 1•10 ^-6м³

Температура 273 К и давление 101325 Па характеризуют нормальные условия (н.у.) для газа.

Предельное состояние газа, при котором расстояния между отдельными молекулами сравнительно велики, а межмолекулярные силы сцепления настолько малы, что ими можно пренебречь называется идеальным. В области высоких температур и низких давлений реальные газы приближаются к идеальным.

При расчетах газов широко используют уравнение Клапейрона – Менделеева :

PV = nRT (1)

Р –давление (Па), V – объем газа (м³), Т – температура (К), R -- универсальная газовая постоянная.

или R = 8,314 Дж/моль*К

Физический смысл R : универсальная газовая постоянная равна работе, совершаемой 1 моль идеального газа при изобарном расширении, если температура его повышается на 1⁰К .

Уравнение (1) может быть записано в других видах

(2) , P =CRT (3) , (4)

m ^__ масса газа (кг, г) , М ^__ молярная масса газа ( кг/моль, г/моль) , С ^__ молярная концентрация ( моль/м³) , ρ ^__ плотность газа ( кг/м³, г/м³ )

Объединенное газовое уравнение (объединяет законы Бойля-Мариотта, Гей-Люссака, Шарля):

Давление, которое имел бы данный газ, занимая один объем, равный объему смеси при той же температуре, называется парциальным давлением этого газа (Р_i)

(5)

Объем, который занимал бы газ, находясь под давлением, равным давлению смеси при той же температуре, называется парциальным объемом этого газа (V_i)

Закон Дальтона: Р_см = Р₁ + Р₂ + Р₃ + ^……… + Р_i (6)

V_cм = V₁ + V₂ + V₃ + ^……. + V_i (7)

Р_{1 ,} P₂ , P₃ ^… Р_i ^____ парциальные давления газов

V_1, V_2, V₃ ^… V_i ^____ парциальные объемы отдельных газов

Состав газовой смеси выражает:

1. Объемный процент (%) (8) Объёмная доля

2. Массовый процент (%) (9) Массовая доля

3. Мольная доля (10)

где V_i, m_i, N_i – объём, масса, количество молей данного газа.

(11)

М_ср – средняя молекулярная масса данной смеси.

Уравнение Клайперона – Менделеева для смеси газов:

(12), (13)

m – масса смеси газов, кг (г)

ρ – плотность смеси газов, кг/м³, (г/см³)

Жидкое состояние вещества. Мерой поверхностного натяжения жидкости служит коэффициент поверхностного натяжения (б) . Он выражается работой (А) (Дж), которую необходимо затратить при образовании 1м² новой поверхности на данной границе раздела.

Твердое состояние вещества. С понижением температуры кинетическая энергия частиц жидкости, а следовательно, и скорость их движения постепенно уменьшаются и при определённой температуре у вещества появляется дальний порядок, и оно затвердевает. Вещество переходит в кристаллическое состояние. Кристаллическое состояние следует отличать от аморфного.

Молекулы, атомы и ионы, из которых состоит кристалл, расположены в определённом порядке, образуя кристаллическую решетку. Одно и то же вещество может иметь несколько кристаллических решёток (модификаций). Такое свойство веществ называется полиморфизмом. Например, азотнокислый аммоний NH₄NO₃ имеет пять различных модификаций. Частный случай полиморфизма – аллотропия. Аллотропия – возможность одного и того же элемента существовать в виде различных простых веществ. «С» дает графит, алмаз и др.

Для многих кристаллических тел такие свойства, как прочность на разрыв, эластичность, тепло- и электропроводимость, светопроницаемость, скорость растворения и т.д., имеет различное значение в зависимости от направления измерения. Такое свойство называется анизотропностью. Свойство газов, жидкостей аморфных тел однородны во всех направлениях, т.е. изотропны.

Плазма. Плазма – ионизированный газ, состоящий из нейтральных молекул, атомов, положительных, отрицательных ионов, свободных электронов и др. частиц. Основное свойство плазмы – высокая температура (10³–10⁹К) и электропроводность, обусловленные интенсивным движением свободных заряженных частиц.

Температура электронного газа в неоновых лампах дневного света достигает 25000 К, в то время как температура обусловленная нейтральными частицами и ионами, близка к температуре окружающей среды. Внешне температура такой плазмы не превышает 1000 К, поэтому на практике её называют холодной

Пример 1. Стальной цилиндр емкостью 20,5 л наполнен кислородом. При 17°С давление газа в цилиндре 8,313 × 10⁶ Па. Определить массу кислорода, находящегося в баллоне.

Решение. Для решения данной задачи используем формулу (2)

,

где P – давление газа, Па;

V – объем газа, м³;

M – молярная масса, кг/моль;

R – универсальная газовая постоянная, 8,314 Дж/К×моль;

T – температура газа, К;

m – масса газа, кг;

T = 273+17=290 К;

М = 0,032 кг/моль;

V = 20,5×10^-3 м³ .

Пример 2. Сколько кубических метров двуокиси углерода при 22°С и 99280 Па можно получить при обжиге 1000 кг известняка с содержанием 90% СаСО₃.

Решение. Для решения данной задачи рассчитаем массу чистого СаСО₃ в 1000 кг известняка.

СаСО₃  СаО + СО₂

0,1 кг/моль 0,044 кг/моль

m_CaCO3 = (1000 × 90) / 100 = 900 кг

Из 0,1 кг/моль (СаСО₃) – 0,044 кг/моль (СО₂) 900 кг

m (CO₂) = (900 × 0,044) / 0,1 = 396 кг

,

где m – масса CО₂, кг;

р – давление CО₂, Па;

R – универсальная газовая постоянная, 8,314 Дж/моль×К;

T – температура СО₂, К;

M – молекулярная масса, кг/моль;

T= 273+22= 295 К;

V= (396×8,314×295) / (0,044×99280) = 222, 3 м³

Пример 3. Рассчитать объем газа при нормальных условиях, если при 22°С и 95940 Па объем его равен 30 л.

Решение. Для решения данной задачи используют уравнение Клайперона-Менделеева для двух состояний газов:

P₀ – давление газа при н.у., 101325 Па

Т₀ – температура газа при н.у., 273 К

V₀ – объем газа при н.у., м³ (л)

P₁ – давление газа, Па

V₁ – объем газа, м³ (л)

T₁ – температура газа, К

T₁ = 273+22=295 К

V₀ = (95940 × 20 × 273) / (101325 × 295) = 17,5 л.

Пример 4. Сухой воздух имеет примерно следующий состав (об.%): N₂ 78.09; О₂ 20,95; Ar 0,93; СО₂ 0,03. Определить массу 40 м³ сухого воздуха при 22°С и нормальным давлением.

Решение

Из этой формулы выразим массу.

M_см = 28,02 10-3 0,7809 + 32,0 10-3 0,2095 + 39,94 10-3 0,0093 + 44,1 10-3 0,0003 = 21,88 10-3 + 6,7010-3 + 0,371 10-3 + 0,013 10-3 = 28,97 10-3 кг/моль.

m_{воздуха} = (101325 × 40 × 28,97× 10^-3)/( 8,314 × 295) = 47,87 кг

Вопросы для самоконтроля

1. Основные различия между газообразным, жидким, твердым состоянием вещества.

2. Какие газы называются идеальными?

3. Основные положения молекулярно-кинетической теории газов.

4. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории газов.

5. Что можно вычислить с помощью уравнения Клапейрона-Менделеева?

6. Единицы измерения всех величин, входящих в уравнение Клапейрона-Менделеева.

7. Что называется парциальным давлением, парциальным объемом?

8. Уравнение Клапейрона-Менделеева для индивидуального газа газовой смеси.

9. Закон Дальтона.

10. Способы выражения состава газовой смеси

11. Как посчитать среднюю молекулярную массу газовой смеси?

12. Уравнение Клапейрона-Менделеева для газовой смеси.

13. Особенности реальных газов.

14. Уравнение Ван-дер-Ваальса.

15. Каковы основные отличия жидкостей от газов?

16. Особенности жидкого состояния вещества.

17. Что называется поверхностным натяжением вещества и как оно определяется?

18. Какие факторы влияют на поверхностное натяжение?

19. Что называют вязкостью и как она определяется?

20. Какие факторы влияют на величину вязкости?

21. Какой пар называется насыщенным? Как зависит давление насыщенного пара от температуры?

22. Чем отличается кипение от испарения?

23. Как изменяется температура кипения от внешнего давления?

24. Чем отличается кристаллическое состояние вещества от газообразного, жидкого?

25. Особенности кристаллического состояния вещества.

26. Чем отличается аморфное состояние вещества от кристаллического? Приведите примеры аморфных веществ.

27. Имеют ли кристаллические вещества постоянную температуру плавления?

28. Что называют плазмой?