Физическая химия.-1

Составители:

О.И. Бахирева, М.М. Соколова, Н.Б. Ходяшев, Л.С. Пан

УДК 544(072.8) Ф50

Рецензент канд. хим. наук, доц. Т.К. Томчук

(Пермский национальный исследовательский политехнический университет)

Физическая химия: метод. указания и контр. задания Ф50 для студентов заочной формы обучения / сост. О.И. Бахирева [и др.]. – Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн.

ун-та, 2015. – 66 с.

Изложена программа курса физической химии, приведены многовариантные индивидуальные задания для контрольных работ, а также примеры решения задач и справочная информация, необходимая для расчетов.

Предназначены для студентов заочной формы обучения по направлению 240100.62 «Химическая технология», по профилям подготовки бакалавров «Химическая технология неорганических веществ», «Химическая технология энергоносителей и углеродных материалов», «Химическая технология целлюлозно-бумажного производства».

УДК 544(072.8)

© ПНИПУ, 2015

2

3

4

ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Дисциплина «Физическая химия» относится к базовой части математического и естественно-научного цикла и является обязательной при освоении основной образовательной программы по направлению 240100 «Химическая технология».

Цель дисциплины – изучение физической химии, которая является теоретической базой химико-технологических процессов; формирование осознанной необходимости применения знания законов и методов физической химии при решении проблем в ходе профессиональной деятельности.

Предметом изучения в данной дисциплине являются: основные методы физической химии; законы термодинамики и кинетики; химические процессы, гомогенные и гетерогенные взаимодействия; химические и фазовые равновесия.

В результате изучения дисциплины студент должен:

знать:

–начала термодинамики и основные уравнения химической термодинамики,

–методы термодинамического описания химических и фазовых равновесий в многокомпонентных системах,

–термодинамику растворов электролитов и электрохимических систем;

–уравнения формальной кинетики,

–уравнения кинетики сложных, цепных, гетерогенных и фотохимических реакций,

–основные теории гомогенного, гетерогенного и ферментативного катализа,

–способы управления скоростями и направлениями химических процессов;

уметь:

– прогнозировать влияние различных факторов на равновесие в химических реакциях,

5

–определять направленность процесса в заданных начальных условиях,

–устанавливать границы областей устойчивости фаз в однокомпонентных и бинарных системах,

–определять составы сосуществующих фаз в бинарных гетерогенных системах,

–составлять кинетические уравнения в дифференциальной

иинтегральной формах для простых реакций,

–прогнозировать влияние температуры на скорость про-

цесса,

–применять современное физическое оборудование и приборы при решении практических задач;

владеть:

–навыками вычисления тепловых эффектов химических реакций при заданной температуре в условиях постоянства давления или объема,

–навыками вычисления констант равновесия химических реакций при заданной температуре,

–навыками вычисления давления насыщенного пара над

индивидуальным веществом, состава сосуществующих фаз

вдвухкомпонентных системах,

–методами определения констант скоростей реакций различных порядков по результатам кинетического эксперимента,

–навыками самостоятельной работы при проведении физи- ко-химических исследований,

–навыками работы с основными физическими приборами. Основной вид учебных занятий студентов заочной формы

обучения – самостоятельная работа над учебным материалом. При изучении физической химии эта работа включает в себя: посещение установочных лекций; изучение материала по учебникам и учебным пособиям; выполнение контрольных работ; выполнение лабораторного практикума; посещение индивидуальных консультаций; сдачу экзамена.

Студент заочной формы обучения должен выполнить две контрольные работы, включающие по два модуля. Контрольная работа № 1 охватывает вопросы по термодинамике химических

6

реакций, химическому равновесию, фазовому равновесию гетерогенных систем. Контрольная работа № 2 охватывает вопросы химической кинетики, термодинамики электрохимических процессов.

В начале каждого модуля приведена программа для подготовки к экзамену. Далее приведены задания с общим для всех вариантов условием. Данные к каждому варианту помещены в таблицах, необходимая для расчетов справочная информация дана в приложениях. В конце каждого модуля рассматриваются примеры решения задач.

Решения задач и ответы на вопросы должны быть коротки, но четко обоснованы, за исключением тех случаев, когда по существу вопроса такая мотивировка не требуется. При решении задач следует приводить все математические преобразования, избирая простейший путь решения. Нельзя переписывать текст из учебников или учебных пособий.

Контрольная работа должна быть оформлена аккуратно. Писать нужно четко и ясно, оставляя достаточно широкие поля для замечаний рецензента. В работах номера и условия задач следует переписывать в том порядке, в каком они указаны в задании.

Контрольная работа, выполненная не по своему варианту, преподавателем не рецензируется и не зачитывается. Вариант указывает преподаватель. Контрольная работа выполняется в тетради школьного типа, на лицевой стороне которой приводятся следующие сведения:

ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ Контрольная работа № ______ вариант № _____

студента ПНИПУ группы ___________________

направление ______________________________

профиль _________________________________

_______________________________________________________

фамилия, имя, отчество

7

Вконце работы должны быть указаны дата ее окончания

иподпись лица, выполнившего работу. Обсуждение контрольных заданий и вопросов может проходить дистанционно, через Интернет. Конечные варианты контрольных работ следует представлять в рукописном виде, набранные на компьютере или сканированные работы не принимаются.

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА № 1

Модуль 1 ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ

Основы химической термодинамики, начала термодинамики. Первый закон термодинамики. Основные понятия и определения химической термодинамики. Теплота и работа – формы передачи энергии. Внутренняя энергия системы. Формулировки и уравнения первого закона термодинамики. Термодинамические функции. Теплота процесса при постоянном объеме и постоянном давлении. Энтальпия. Закон Гесса. Тепловой эффект процесса. Способы вычисления тепловых эффектов химических реакций: определение по теплотам образования и сгорания, метод комбинирования реакций.

Стандартные состояния веществ. Таблицы теплот образования из простых веществ и сгорания соединений в стандартных условиях. Теплоемкость истинная и средняя. Зависимость теплоемкости от температуры. Расчет средней теплоемкости по данным для истинной. Связь между теплоемкостями CP и CV. Зависимость теплового эффектаоттемпературы. Уравнение Кирхгофа.

Второй закон термодинамики. Самопроизвольные и не-

самопроизвольные процессы. Термодинамически обратимые и необратимые процессы. Термодинамическое равновесие. Превращение теплоты в работу. Принцип адиабатической недостижимости. Энтропия. Формулировки и уравнения второго закона термодинамики для обратимых и необратимых процессов. Из-

8

менение энтропии в различных процессах. Изменение энтропии в изолированной системе как критерий направления процесса. Энергия Гиббса и энергия Гельмгольца. Изменение энергии Гиббса и энергии Гельмгольца – критерии направления процесса и равновесия в неизолированных системах. Характеристические функции. Зависимость энергии Гиббса от температуры. Уравнения Гиббса – Гельмгольца. Термодинамические характе-

ристики химической реакции. Методы расчета GT0 .

Третий закон термодинамики. Постулат Планка. Тепло-

вая теорема Нернста. Абсолютная энтропия вещества. Вычисление абсолютных стандартных величин энтропии веществ из термохимических данных.

Термодинамика многокомпонентных систем. Химический потенциал компонента в смеси. Общее условие равновесия

в многокомпонентной системе.

Химическое равновесие, термодинамическая теория хи-

мического сродства. Закон действующих масс. Константа равновесия гомогенной химической реакции. Выражение констант равновесия через парциальные давления, концентрации, мольные доли. Влияние давления и добавок индифферентных газов на равновесный состав смеси. Уравнение изотермы химической реакции Вант-Гоффа.

Равновесие в гетерогенных системах. Константа равнове-

сия гетерогенной реакции. Особенности выражения константы равновесия для гетерогенной реакции. Расчет равновесного состава реакционной смеси в идеальных и реальных гетерогенных реакциях.

Влияние внешних факторов на химическое равновесие.

Зависимость константы равновесия от температуры. Уравнения изобары и изохоры реакции. Расчет равновесного состава при протекании одной или нескольких химических реакций в идеальной газовой системе. Равновесие в реальных системах. Особенности химического равновесия в растворах. Летучесть, активность, коэффициент активности. Методы расчета летучести.

9

Задание 1.1. Определение тепловых эффектов химических реакций

Вычислите тепловой эффект образования вещества А из простых веществ при температуре 298 К и стандартном давлении, если известна его энтальпия сгорания при этой температуре и стандартном давлении (табл. 1). При вычислении следует принять, что конечные продукты сгорания СО2(г), Н2О(ж), N2(г).

10