
- •Учебно-методический комплекс
- •240700 Биотехнология
- •Содержание
- •1. Рабочая программа
- •240700 Биотехнология
- •2. Место дисциплины в структуре ооп впо
- •3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины
- •4. Структкра и содержание дисциплины
- •Образовательные технологии.
- •Оценочные средства.
- •Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины (модуля).
- •8. Материально-техническое обеспечение дисциплины (модуля)
- •Тематический план лекций, лабораторных занятий и самостоятельной работы
- •Физическая химия
- •240700 Биотехнология
- •Форма контроля: опрос, задачи, тестирование, экзамен
- •3. Курс лекций
- •Ф изическая химия
- •Процесс самопроизвольного перехода (диффузии) растворителя через проницаемую перегородку из той части системы, где концентрация растворенного вещества ниже, в другую, где она выше, называется осмосом.
- •Законы Рауля и следствия из них
- •Повышение температуры кипения и понижение температуры кристаллизации раствора. Эбуллиоскопия и криоскопия.
- •Электролиз
- •Примеры написания уравнений реакций электролиза.
- •Энергия изолированной системы постоянна.
- •Вечный двигатель первого рода невозможен.
- •Энергия не исчезает бесследно и не возникает из ничего, а лишь эквивалентно переходит из одного вида в другой.
- •Влияние концентрации реагирующих веществ на скорость реакции.
- •Влияние температуры на скорость реакции.
- •Кинетическая классификация химических процессов.
- •Катализ. Ферментативный катализ.
- •Смещение химического равновесия.
- •4. Методические указания по выполнению лабораторных работ
- •Методическое руководство к лабораторным занятиям по физической и коллоидной химии
- •Введение
- •1. Рекомендации по выполнению и оформлению лабораторных работ
- •2. Правила построения графиков
- •Лабораторный практикум Контрольные вопросы по теме: «Термодинамика».
- •Лабораторная работа № 1 Тема: «Определение тепловых эффектов химических процессов»
- •Теоретическая часть
- •Экспериментальная часть
- •Лабораторная работа № 2 Тема: «Определение теплоты нейтрализации»
- •Теоретическая часть
- •Экспериментальная часть
- •Примеры решения задач
- •Задачи для самостоятельного решения
- •Контрольные вопросы по теме: «Коллигативные свойства растворов».
- •Лабораторная работа № 3 Тема: Определение молекулярной массы неэлектролита криоскопическим методом.
- •Теоретическая часть
- •Экспериментальная часть
- •Приготовление раствора неэлектролита (один на группу).
- •2. Определение температуры замерзания растворителя
- •3. Определение температуры замерзания раствора
- •4. Определение относительной ошибки измерения.
- •Примеры решения задач
- •Задачи для самостоятельного решения
- •Лабораторная работа № 4 Тема: «Определение степени диссоциации растворенного вещества и осмотического давления раствора криоскопическим методом»
- •Теоретическая часть
- •Экспериментальная часть
- •Примеры решения задач
- •Задачи для самостоятельного решения
- •Экспериментальная часть Опыт 1. Приготовление буферных растворов
- •Примеры решения задач
- •Задачи для самостоятельного решения
- •Теоретическая часть
- •Экспериментальная часть
- •1. Приближенное определение рН с помощью универсального индикатора.
- •2. Точное определение рН
- •Примеры решения задач
- •Задачи для самостоятельного решения
- •Контрольные вопросы по теме: «Электрохимические процессы».
- •Лабораторная работа № 7
- •Теоретическая часть
- •Экспериментальная часть
- •3. Работа с универсальным иономером эв – 74
- •Примеры решения задач
- •0,01 Моль 0,1 моль
- •Задачи для самостоятельного решения
- •Контрольные вопросы по теме: «Кинетика».
- •Лабораторная работа № 8 Тема: Кинетика каталитического разложения пероксида водорода (гетерогенный катализ).
- •Теоретическая часть
- •Экспериментальная часть
- •Примеры решения задач
- •Задачи для самостоятельного решения
- •Экспериментальная часть.
- •Примеры решения задач.
- •Задачи для самостоятельного решения
- •Контрольные вопросы по теме: «Скорость химических реакций».
- •Экспериментальная часть
- •Задачи для самостоятельного решения
- •Экспериментальная часть.
- •Контрольные вопросы по теме: «Адсорбция»
- •Лабораторная работа № 12 Тема: Адсорбция уксусной кислоты почвой
- •Теоретическая часть
- •Экспериментальная часть
- •Примеры решения задач
- •Задачи для самостоятельного решения.
- •Экспериментальная часть.
- •Контрольные вопросы по теме: «Коллоидные растворы».
- •Лабораторная работа № 14 Тема: Получение коллоидных растворов
- •Теоретическая часть
- •Способы получения коллоидных растворов.
- •Структура коллоидных систем.
- •I слой iIслой
- •Экспериментальная часть Разновидности конденсационного метода получения золей.
- •1. Смена растворителя. Получение гидрозоля серы или канифоли
- •2. Реакция гидролиза. Получение золя гидроксида железа (III).
- •3. Реакция двойного обмена. Получение золя иодида серебра.
- •4. Получение золя мыла
- •5. Взаимодействие положительно и отрицательно заряженных золей
- •Примеры решения задач
- •Задачи для самостоятельного решения.
- •Контрольные вопросы по теме: «Свойства дисперсных систем».
- •Лабораторная работа №15 Тема: Коагуляция золей. Свойства растворов высокомолекулярных соединений
- •Теоретическая часть.
- •Свойства коллоидных систем
- •Экспериментальная часть
- •2. Определение защитного числа желатины
- •3. Определение изоэлектрической точки желатина
- •4. Пептизация осадков белков
- •5. Определение знака заряда коллоидных частиц методом капиллярного анализа.
- •Примеры решения задач
- •Задачи для самостоятельного решения.
- •Контрольные вопросы по теме: «Свойства растворов вмс».
- •Лабораторная работа № 16 Тема: Экспериментальное изучение коллоидных свойств высокомолекулярных соединений
- •Теоретическая часть.
- •Экспериментальная часть
- •1. Определение изоэлектрической точки белка
- •2. Изучение кинетики набухания зерна
- •Условный объем набухающего зерна
- •3. Влияние электролитов на набухание желатина
- •4. Влияние электролитов на желатинирование.
- •Задачи для самостоятельного решения.
- •Контрольные вопросы по теме: «Получение микрогетерогенных систем».
- •Лабораторная работа № 17 Тема: Грубодисперсные (микрогетерогенные) системы. Получение эмульсии, суспензий и пен.
- •Теоретическая часть.
- •Литература
- •Список терминов.
- •Приложения
- •Правила пользования таблицами десятичных логарифмов.
- •Вопросы для подготовки
- •Примеры решения задач
- •Задачи для самостоятельного решения
- •Тема: Коллигативные свойства растворов. Теоретическая часть
- •Вопросы для подготовки и контроля знаний
- •Примеры решения задач
- •Задачи для самостоятельного решения
- •Тема: Буферные растворы. Теоретическая часть
- •Вопросы для подготовки и контроля знаний
- •Примеры решения задач
- •Задачи для самостоятельного решения
- •Тема: Электрохимия. Электропроводимость растворов электролитов. Теоретическая часть
- •Водородный электрод
- •Каломельный электрод
- •Хингидронный электрод
- •Вопросы для подготовки и контроля знаний
- •Примеры решения задач
- •0,01 Моль 0,1 моль
- •Задачи для самостоятельного решения
- •Тема: Химическая кинетика. Скорость химической реакции. Теоретическая часть
- •Вопросы и задачи для самостоятельной подготовки и контроля знаний
- •Примеры решения задач
- •Задачи для самостоятельного решения
- •Тема: Адсорбция на поверхности растворов. Уравнение Фрейндлиха и Ленгмюра. Адсорбционные явления в почвах, растениях и организмах. Теоретическая часть
- •Вопросы для подготовки и контроля знаний
- •Примеры решения задач
- •Задачи для самостоятельного решения.
- •Тема: Коллоидные растворы.
- •Способы получения коллоидных растворов.
- •Структура коллоидных систем.
- •I слой iIслой
- •Свойства коллоидных систем
- •Вопросы для подготовки и контроля знаний
- •Примеры решения задач
- •Задачи для самостоятельного решения.
- •Тема: Растворы высокомолекулярных соединений. Теоретическая часть.
- •Вопросы для самостоятельной подготовки и контроля знаний
- •Задачи для самостоятельного решения.
- •Тема: Микрогетерогенные системы.
- •Вопросы и задачи для самостоятельной подготовки и контроля знаний
- •Список терминов.
- •6. Методические указания по выполнению контрольных работ студентами заочной формы обучения Варианты заданий для контрольных работ
- •Тестовые задания для итогового контроля знаний.
Форма контроля: опрос, задачи, тестирование, экзамен
Составил: к.х.н., доцент Кузнецова Р.В.
Одобрен на за____ от __________.2011 г
Зав. кафедрой химии Палфитов В.Ф.
3. Курс лекций
Лекция 1. «Основные понятия физической химии».
Название физической химии введено М.В. Ломоносовым, им же впервые дано ее определение, сформулированы предмет и задачи, установлен один из основных законов – закон сохранения массы при химических превращениях. Выделение физической химии в самостоятельную отрасль химической науки произошло в конце 19 века, когда физическая химия стала учебной дисциплиной во всех вузах, готовивших специалистов по естественным наукам.
Физическая химия решает трудную задачу установления фундаментальных законов, характеризующих любые макроскопические объекты. Она изучает теории строения и свойств различных веществ, теоретические основы многообразных химических явлений и процессов.
Физическая химия представляет собой науку, объясняющую химические явления и устанавливающую их закономерности на основе общих принципов физики.
Основная задача современной физической химии – выявление детального механизмах явлений, изучение и объяснение основных закономерностей, определяющих направление химических процессов, скорости их протекания, влияния на них среды, примесей, излучения и других внешних факторов, установление связи между строением вещества и его реакционной способностью.
Ф изическая химия
строение химическая учение о химическая электрохимия
вещества термодинамика растворах кинетика и катализ
фазовые равновесия фотохимия
Термодинамика изучает наиболее общие свойства макроскопических систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия и процессы перехода между этими состояниями.
Система – это рассматриваемая часть материальной вселенной, отделенная от окружающей среды замкнутой поверхностью – границей.
Классификация систем.
1. В зависимости от наличия или отсутствия обмена теплом и веществом с внешней средой:
а) открытые системы – способны обмениваться с окружающей средой энергией и веществом (колба с раствором, из которой испаряется растворитель, она может нагреваться и остывать)
б) Закрытая система – может обмениваться с окружающей средой только энергией (плотно закрытая колба, но она может нагреваться и остывать)
в) Изолированная система – отсутствует обмен с окружающей средой и веществом и энергией.
Открытые и закрытые системы могут претерпевать изменения передача теплоты от более нагретой части к менее нагретой, взаимные превращения энергии, выравнивание концентраций), при которых могут изменяться как сами системы, так и окружающая среда. Внутри изолированной системы любые превращения не изменяют ее внутренней энергии и не вызывают изменений окружающей среды.
2. В зависимости от количества, дисперстности, агрегатного состояния, наличие поверхности раздела различают гомогенные, гетерогенные, одно-, двух-, трехфазные, одно-, двух-, трехкомпонентные системы.
а) Гомогенные системы – в них отсутствуют поверхности раздела между отдельными частями (фазами) системы (смесь газов, истинные растворы).
б) Гетерогенные системы – состоят из двух или большего числа частей отделенных друг от друга поверхностью раздела (речной песок в воде, вода + лед + пар).
Фаза – однородная часть системы, ограниченная поверхностью раздела. Различают: газовую (г), жидкую (ж) и твердую (т) фазы.
Компоненты – минимальное количество веществ, из которых может быть составлена система
Например:
вода (г), вода (т). вода (ж) – однофазные, однокомпонентные, гомогенные системы.
вода (г)+ вода (т)+ вода (ж) – трехфазная, однокомпонентная, гетерогенная система.
карбонат кальция(т)+оксид кальция(т)+углекислый газ (г) – двухфазная, однокомпонентная, гетерогенная система.
раствор хлорида натрия в воде – однофазная, двухкомпонентная, гомогенная система.
Термодинамические величины, определяющие состояние системы, называют термодинамическими параметрами.
Обычно параметры – это физические величины, которые поддаются непосредственному измерению (температура, давление, объем).
Те параметры, которые полностью определяют состояние системы, называют параметрами состояния. Например, состояние идеального газа описывают двумя термодинамическими параметрами (температура, давление). Параметры разделяют на интенсивные и экстенсивные.
Экстенсивные – те величины, которые зависят от количества вещества системы (объем, масса, энтропия и т.д.).
Интенсивные – их значения не зависят от количества вещества системы (температура, давление).
Переход термодинамической системы из одного состояния в другое называется процессом. При любом процессе одни параметры системы остаются неизменными, другие изменяются. В зависимости от того, какие параметры при переходе остаются постоянными различают процессы: изотермический (const t), изобарический (const р), изохорический (const V), изобарно-изотермический (const t, р), изохорно-изотермический (const V, t).
Процессы связанные с теплообменом.
Адиабатический – в изолированной системе при отсутствии обмена с внешней средой.
Экзотермический – протекает с выделением тепла.
Эндотермический – протекает с поглощением тепла.
В термодинамических системах могут протекать необратимые и обратимые процессы.
Обратимый процесс – процесс, при котором возможен переход системы к исходному состоянию без каких-либо изменений в самой системе и в окружающей среде.
Необратимые – процессы, при которых система переходит в новое состояние с полным исчезновением исходных веществ.
Для более полного описания состояния системы дополнительно вводят функции состояния. Их значение зависит только от параметров состояния и не зависит от пути перехода системы из одного состояния в другое.
Основные функции состояния:
П – потенциальная энергия; U – внутренняя энергия; К – кинетическая энергия; Е – полная энергия; Н – энтальпия; S – энтропия; G – энергия Гиббса; F – энергия Гельмгольца.
Любая система характеризуется определенным запасом энергии.
Е=К+П+ U U=Е-К-П U=К+П
К – энергия движения всей системы как целого
П – энергия обусловленная положением системы в пространстве
U – включает энергию движения и взаимодействия всех частиц, входящих в данную систему. Внутренняя энергия складывается из кинетической и потенциальной. Обычно внутреннюю энергию относят к 1 молю вещества и называют молярной внутренней энергией (Дж/моль).
Между системой и окружающей средой осуществляется обмен энергией: механической, тепловой, электрической и др. Они могут прямо или косвенно превращаться друг в друга. Обычно рассматривают превращение механической энергии - в тепловую. Единица измерения тепловой энергии в системе СИ Дж (1кал= 4,18 Дж).
Принято количество отданной системой энергии обозначать знаком «-», принятой «+». Т.е. + Q – система получила тепловую энергию, - Q система отдала тепловую энергию.
Лекция 2 «Твердое и жидкое состояние вещества».
Растворимость газов в газах
Газообразное состояние вещества характеризуется слабым взаимодействием между частицами и большими расстояниями между ними. Поэтому газы смешиваются в любых соотношениях (при очень высоких давлениях, когда плотность газов приближается к плотности жидкостей, может наблюдаться ограниченная растворимость). Газовые смеси описываются законом Дальтона:
Общее давление газовой смеси равно сумме парциальных давлений всех входящих в неё газов.
Растворимость газов в жидкостях
Растворимость газов в жидкостях зависит от ряда факторов: природы газа и жидкости, давления, температуры, концентрации растворенных в жидкости веществ (особенно сильно влияет на растворимость газов концентрация электролитов).
Наибольшее влияние на растворимость газов в жидкостях оказывает природа веществ. Так, в 1 литре воды при t = 18 °С и P = 1 атм. растворяется 0.017 л. азота, 748.8 л. аммиака или 427.8 л. хлороводорода. Аномально высокая растворимость газов в жидкостях обычно обусловливается их специфическим взаимодействием с растворителем – образованием химического соединения (для аммиака) или диссоциацией в растворе на ионы (для хлороводорода). Газы, молекулы которых неполярны, растворяются, как правило, лучше в неполярных жидкостях – и наоборот. Зависимость растворимости газов от давления выражается законом Генри – Дальтона:
Растворимость газа в жидкости прямо пропорциональна его давлению над жидкостью.
Здесь С – концентрация раствора газа в жидкости, k – коэффициент пропорциональности, зависящий от природы газа. Закон Генри – Дальтона справедлив только для разбавленных растворов при малых давлениях, когда газы можно считать идеальными. Газы, способные к специфическому взаимодействию с растворителем, данному закону не подчиняются.
Растворимость газов в жидкостях существенно зависит от температуры; количественно данная зависимость определяется уравнением Клапейрона – Клаузиуса (здесь X – мольная доля газа в растворе, λ – тепловой эффект растворения 1 моля газа в его насыщенном растворе):
Как правило, при растворении газа в жидкости выделяется теплота (λ < 0), поэтому с повышением температуры растворимость уменьшается. Растворимость газов в жидкости сильно зависит от концентрации других растворенных веществ. Зависимость растворимости газов от концентрации электролитов в жидкости выражается формулой Сеченова (X и Xo – растворимость газа в чистом растворителе и растворе электролита с концентрацией C):
Взаимная растворимость жидкостей
В зависимости от природы жидкости могут смешиваться в любых соотношениях (в этом случае говорят о неограниченной взаимной растворимости), быть практически нерастворимыми друг в друге либо обладать ограниченной растворимостью. Рассмотрим последний случай на примере системы анилин – вода. Если смешать примерно равные количества воды и анилина, система будет состоять из двух слоев жидкости; верхний слой – раствор анилина в воде, нижний – раствор воды в анилине. Для каждой температуры оба раствора имеют строго определенный равновесный состав, не зависящий от количества каждого из компонентов.
Рис. Диаграмма растворимости системы анилин – вода
Зависимость концентрации растворов от температуры принято изображать графически с помощью диаграммы взаимной растворимости. Эта диаграмма для системы анилин-вода приведена на рис. Область под кривой – это область расслаивания жидкостей. Повышение температуры приводит к увеличению концентрации каждого из растворов (увеличению взаимной растворимости), и при некоторой температуре, называемой критической температурой расслоения (Ткр на рис. 3.1) взаимная растворимость воды и анилина становится неограниченной. Система анилин – вода относится к т.н. системам с верхней критической температурой расслоения; существуют также и системы, для которых повышение температуры приводит к уменьшению взаимной растворимости компонентов.
Растворимость твердых веществ в жидкостях
Растворимость твердых веществ в жидкостях определяется природой веществ и, как правило, существенно зависит от температуры; сведения о растворимости твердых тел целиком основаны на опытных данных. Качественным обобщением экспериментальных данных по растворимости является принцип "подобное в подобном": полярные растворители хорошо растворяют полярные вещества и плохо – неполярные, и наоборот.
Рис. Кривые растворимости некоторых солей в воде. 1 – КNО3, 2 – Nа2SО4·10Н2О, 3 – Nа2SО4, 4 – Ва(NО3)2
Зависимость растворимости S от температуры обычно изображают графически в виде кривых растворимости (рис.). Поскольку теплота растворения твердых веществ в жидкостях может быть как положительной, так и отрицательной, растворимость при увеличении температуры может увеличиваться либо уменьшаться (согласно принципу Ле Шателье
Лекция 3 «Коллигативные свойства растворов».
Растворы – многокомпонентные равновесные системы, состоящие из растворенного вещества, растворителя и сольватов.
Растворы – термодинамически устойчивые гомогенные системы переменного состава, образованные из двух и более компонентов.
Растворителем называют вещество, содержащееся в растворе в наибольшем количестве. Остальные компоненты раствора называют растворенными веществами.
Существуют газообразные, жидкие и твердые растворы. Чаще встречаются жидкие растворы.
Коллигативными называются свойства растворов, которые не зависят от природы растворенного вещества, а только от его концентрации. Такие свойства проявляются в полной мере в идеальных растворах.
Идеальными называются растворы, при образовании которых не происходит изменения энтальпии и объема системы, не идут химические реакции между компонентами, а силы межмолекулярного взаимодействия между всеми компонентами одинакова. Наиболее близки к идеальным – разбавленные растворы неэлектролитов.
Для бесконечно разбавленных растворов, состояние которых близко к состоянию идеальных, такими свойствами являются:
осмотическое давление;
понижение давления насыщенного пара над раствором;
повышение температуры кипения;
понижение температуры замерзания раствора.
Изучение коллигативных свойств разбавленных растворов используется для определения молярной массы растворенного вещества, а также его степени диссоциации или показателя ассоциации.