Документ 279286

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
«УТВЕРЖДАЮ»:
Проректор по учебной работе
_______________________ /Л.М.Волосникова
__________ _____________ 2011г.
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ
Учебно-методический комплекс. Рабочая программа
для студентов направления 020100.62 «Химия»
Профиль подготовки «Физическая химия»
Форма обучения очная
«ПОДГОТОВЛЕНО К ИЗДАНИЮ»:
Автор работы _____________________________/В.И.Баканов/
«______»___________2011г.
Рассмотрено на заседании кафедры
неорганической и физической химии от «__»___________2011г. протокол №___
Соответствует требованиям к содержанию, структуре и оформлению.
«РЕКОМЕНДОВАНО К ЭЛЕКТРОННОМУ ИЗДАНИЮ»:
Объем __14__ стр.
Зав. кафедрой ______________________________/О.В.Андреев /
«______»___________ 2011 г.
Рассмотрено на заседании УМК
ИМЕНИТ от «__»___________2011г. протокол №___
Соответствует ФГОС ВПО и учебному плану образовательной программы.
«СОГЛАСОВАНО»:
Председатель УМК ________________________/И.Н.Глухих /
«______»_____________2011 г.
«СОГЛАСОВАНО»:
Зав. методическим отделом УМУ_____________/С.А.Федорова /
«______»_____________2011 г.
РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Институт математики, естественных наук и информационных технологий
Кафедра неорганической и физической химии
В.И.Баканов
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ
Учебно-методический комплекс. Рабочая программа
для студентов направления 020100.62 «Химия»
Профиль подготовки «Физическая химия»
Форма обучения очная
Тюменский государственный университет
2011
БАКАНОВ В.И. Вычислительный практикум по физической
химии.
Учебно-методический комплекс. Рабочая программа для студентов
направления 020100.62 «Химия», профиль подготовки «Физическая химия»,
форма обучения очная.
Тюмень, 2011, _14__ стр.
Рабочая программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС
ВПО с учетом рекомендаций и ПрООП ВПО по направлению и профилю
подготовки.
Рабочая программа дисциплины (модуля) опубликована на сайте
ТюмГУ: Вычислительный практикум по физической химии [электронный
ресурс] / Режим доступа: http://www.umk3.utmn.ru., свободный.
Рекомендовано к изданию кафедрой неорганической и физической
химии. Утверждено проректором по учебной работе Тюменского
государственного университета.
ОТВЕТСТВЕННЫЙ РЕДАКТОР: О.В.Андреев,
заведующий кафедрой неорганической и
физической химии, д-р хим. наук
© Тюменский государственный университет, 2011.
© Баканов В.И., 2011.
1. Пояснительная записка
Рабочая программа дисциплины «Вычислительный практикум по
физической химии» составлена в соответствии с требованиями к
результатам, условиям и структуре подготовки бакалавров по направлению
020100.62 «Химия» Федерального государственного образовательного
стандарта высшего профессионального образования.
1.1.
Цели и задачи дисциплины
Основная цель практикума – закрепить знания теоретических основ
физической химии и привить студентам навыки экспериментальной работы.
Задачами практикума являются: дать студенту правильное понимание
взаимосвязи между теорией и практикой эксперимента, закрепить
теоретические знания, привить навыки в научной работе с использованием
современного оборудования. В процессе выполнения лабораторных работ
студенты знакомятся с методами расчетного определения важных физикохимических величин, необходимые в прикладных расчетах и научных
исследованиях.
1.2.
Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата
Данная дисциплина относится к дисциплинам вариативной части
профессионального цикла. Для изучения дисциплины требуются
предварительные знания по физической химии, высшей математике, и
физике. Освоение курса позволяет перейти к выполнению научноисследовательской работы.
1.3. Компетенции выпускника ООП бакалавриата, формируемые в
результате освоения данной ООП ВПО.
В соответствии с ФГОС ВПО данная дисциплина направлена на
формирование следующих компетенций:
-общекультурных:
ОК-6- использует основные законы естественнонаучных дисциплин в
профессиональной деятельности, применяют методы математического
анализа и моделирования, теоретического и экспериментального
исследования;
ОК-9-владеет основными методами, способами и средствами
получения, хранения, переработки информации, имеет навыки работы с
компьютером как средством управлениями информацией;
- профессиональных:
ПК-1- владеет основами теории фундаментальных разделов физической
и аналитической химии;
ПК-2 - владеет основами теории фундаментальных разделов
физической химии;
ПК-3 - способен применять основные законы химии при обсуждении
полученных результатов, в том числе с привлечением информационных баз
данных;
ПК-4 - владеет навыками химического эксперимента, основными
методами исследования химических веществ и реакций;
ПК-6 - владеет навыками работы на современной учебно-научной
аппаратуре при проведении химических экспериментов;
ПК-7 - имеет опыт работы на серийной аппаратуре, применяемой в
аналитических и физико-химических исследованиях;
ПК-8- владеет методами регистрации и обработки результатов
химических экспериментов.
В области воспитания личности целью подготовки является
формирование
социально-личностных
качеств
студентов:
целеустремленности, организованности, коммуникативности.
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
Знать теоретические положения и выводы физической химии,
лежащие в основе расчетного определения различных физико-химических
величин.
Уметь самостоятельно
ставить задачу физико-химического
исследования в химических системах, обсуждать результаты физикохимических исследований, определять физико-химические величины
расчетным путем.
Владеть основными методами определения физико-химических
величин, методиками представления результатов эксперимента.
2. Структура и трудоемкость дисциплины.
Семестр 8. Форма промежуточной аттестации зачет . Общая трудоемкость
дисциплины составляет 3 зачетных единицы 108 часов.
3.
Тематический план.
Таблица 1.
Тематический план(VIII семестр)
1
1.
1.
2
1.
2
Модуль 1
Строение молекул
Всего
Модуль 2
Колориметрические измерения
Измерения равновесных свойств
растворов
Всего
Модуль 3
Явления переноса
Всего
Итого (часов, баллов):
№
из них в интерактивной
форме, в час.
Лабораторные
занятия
недели семестра
Тема
Самостоятельн
ая работа*
Виды учебной работы
и самостоятельная
работа, в час.
№
Итого
часов
по
теме
Итого
количеств
о баллов
3
4
5
6
7
8
1-5
15
15
16
16
1
1
31
31
0-20
20
6-8
9-14
9
18
10
21
2
4
19
39
0-20
0-40
27
31
6
58
60
9
9
51
10
10
57
1
1
8
19
0-20
19
20
108 0 – 100
Таблица 2.
Виды и формы оценочных средств в период текущего контроля(VIII)
Название темы
15-17
Формы текущего контроля (баллы)
Коллоквиумы Собеседо Лаборато Отчеты
вания
рная
по
работа
работам
Итого
Контро баллов
льная
работа
Модуль 1
1.
Строение
молекул
Всего
1.
2.
0-2
0-2
Колориметрическ
ие измерения
Измерения
равновесных
свойств
растворов
0-2
0-4
Всего
0-6
1.
Явления переноса
Всего
Итого
0-2
0-2
0-10
0-2
0-2
Модуль 2
0-2
0-4
0-6
Модуль 3
0-2
0-2
0-10
0-6
0-6
0-4
0-20
0-6
0-6
0-4
20
0-8
0-8
0-12
0-12
0-8
0-40
0-20
0-20
0-8
60
0-6
0-6
0-32
0-6
0-6
0-32
0-4
0-4
0-16
0-20
20
0-100
0-20
Таблица 3.
Планирование самостоятельной работы студентов(VIII семестр)
№
Модули и темы
Модуль 1
1.1
Строение молекул
Всего по модулю 1:
Модуль 2
2.1
Колориметрические
измерения
2.2
Измерения
равновесных свойств
растворов
Всего по модулю 2:
Модуль 3
3.1
Явления переноса
Виды СРС
обязательные
дополнительные
Неделя
семестра
Объем
часов
Кол-во
баллов
1-5
16
20
Подготовка к
Работа с
коллоквиумам вопросами
, семинарам и
для
контрольным самоконтро
работам
ля
16
Подготовка к
Работа с
коллоквиумам вопросами
, семинарам и
для
контрольным самоконтро
работам
ля
Подготовка к
Работа с
коллоквиумам вопросами
, семинарам и
для
контрольным самоконтро
работам
ля
20
6-8
10
20
9-14
21
40
31
Подготовка к Подготовка
коллоквиумам
к
собеседован
ию
15-17
Всего по модулю 3:
ИТОГО:
60
10
20
10
57
20
0-100
4. Содержание дисциплины.
(См. Учебно-методический комплекс «Физическая химия» для
студентов направления 020100.62 «Химия»).
5. Темы лабораторных работ.
Модуль 1.
Тема 1. СТРОЕНИЕ МОЛЕКУЛ
1. Измерение молярной рефракции жидкости и определение вероятной
структурной формулы органического вещества.
2. Определение состава раствора по удельным рефракциям раствора и
его компонентов.
3. Определение дипольных моментов вещества в разбавленных
растворах.
4. Исследование сольватации ионов металлов в водных растворах с
помощью спектров поглощения.
Модуль 2.
Тема 1. КАЛОРИМЕТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
1. Измерение теплоемкости жидкости.
2. Измерение интегральной теплоты растворения соли при различных
концентрациях раствора.
3. Определение теплоты разведения раствора соли в воде.
Тема 2. ИЗМЕРЕНИЯ РАВНОВЕСНЫХ СВОЙСТВ РАСТВОРОВ
1. Определение активности растворенного вещества.
2. Измерения растворимости соли в растворах одной соли и двух разных
солей.
3. Определения температур кипения и замерзания растворов.
4. Измерение плотности растворов.
5. Определение вязкости жидкостей и растворов.
6. Определение поверхностного натяжения жидкости и раствора.
Модуль 3.
Тема 1. ЯВЛЕНИЯ ПЕРЕНОСА
1. Определение коэффициента диффузии вещества в жидкости.
2. Измерение электрической проводимости растворов электролитов и
определение состава комплексов.
3. Определение чисел переноса ионов в растворе электролита.
6. Учебно - методическое обеспечение самостоятельной работы
студентов. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости,
промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины.
Рабочей программы дисциплины «Вычислительный практикум по
физической химии» предусмотрена самостоятельная работа студентов в
объеме 57 часов.
Студентам предлагаются следующие формы самостоятельной работы:
подготовка к коллоквиумам, являющимся допуском для выполнения
лабораторных работ; оформление отчетов по лабораторным работам; работа
с вопросами для самоконтроля; подготовка к контрольным работам и зачету.
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ТИПОВЫЕ ЗАДАНИЯ
VIII семестр
Модуль 1.
Тема 1.
Дипольный момент молекулы. Поляризуемость молекулы. Молярная
рефракция. Электронная поляризуемость. Аддитивность рефракции.
Рефракция бинарной смеси. Электромагнитный спектр. Молекулярный
спектр. Электронный спектр. Спектр поглощения.
1. Привести выражение для мольной поляризации и мольной рефракции.
2. Привести выражение для удельной поляризации раствора.
3. Вычислить удельную рефракцию смеси, состоящей из 30% бензола и
4.
5.
6.
7.
70% нитробензола при t=250С (
= 0,8790 г/см3,
= 1,2033
3
г/см ,
= 1,5011,
= 1,5524)
Установить возможное строение вещества, имеющего эмпирическую
формулу C4H10O, если d=0,7135 г/см3, n= 1,3588, t=250C ( n-показатель
преломления).
Установить структурную формулу вещества C3H9N, если вычисленная
рефракция равна 19,476 см3/моль.
Найти процентное содержание хлороформа в смеси с CCl4, если
известно, что удельная рефракция равна 0,175 см3/г,
= 1,4456,
= 1,4603.
Вычислить среднее значение поляризуемости молекулы метанола CH3OH, зная его молярную рефракцию 8,23 см3/моль.
Ответ: d=3,24*10-24см3.
8. Вычислить молярную рефракцию изопропилового спирта, зная при
250С n=1,3370 и d=0,789г/см3.
Модуль 2.
Тема 1.
Калориметрия. Теплоемкость. Истинная и средняя теплоемкости.
Интегральная теплота растворения. Дифференциальная теплота
растворения. Теплота сольватации (гидратации). Полная теплота
растворения. Интегральная теплота растворения.
Промежуточная
теплота растворения. Теплота диссоциации. Энтальпия образования
раствора.
Вычислить теплоемкость калориметрической системы, если известно,
что через нагреватель калориметра в течение 5 мин пропускали ток 1А и
напряжением 4В, температура повысилась на 10С.
2.
Определить интегральную теплоту растворения NH4Cl, если при
растворении 1,473г NH4Cl в 528,5г H2O понижение температуры составило
1.
∆T=0,1740С. Удельная теплоемкость раствора 4,163
, водяное число
(теплоемкость всех частей калориметра без воды) равно 181,2Дж/К.
Ответ: 15,09 кДж/моль.
3.
Определить интегральную теплоту растворения KCl в воде, если при
растворении 9,3413г KCl в 445,38г H2O температура понизилась на 1,110С.
4.
5.
6.
7.
8.
Удельная
теплоемкость
раствора
4,063
,
теплоемкость
калориметрического стакана (водяное число) 122,6 Дж/К.
Ответ: 15,09 кДж/моль.
Для определения удельной теплоемкости раствора KCl 9,3754г в 446,55г
воды через нагреватель, опущенный в раствор, был пропущен
электрический ток 1,39А при напряжении 9,65В в течение 2,5мин,
теплоемкость
калориметрического стакана 122,8Дж/К, температура
повысилась на 1,0400С. Ответ: 4,05 Дж/г*К.
Вычислить тепловой эффект реакции
MgSO4+7H2O→ MgSO4*7H2O,
если интегральные теплоты растворения при m=0,14моль/кг составляют:
MgSO4 = -84,935Дж/моль, MgSO4*7H2O = 16,108Дж/моль.
Приведите формулу для вычисления интегральной теплоты растворения
∆Hm2, исходя из навесок вещества, растворенных в чистом растворителе и
в растворе концентрации m1.
Поясните графически соотношение между интегральными теплотами
растворения и разведения.
Приведите выражение для расчета теплоты испарения жидкостей при
температуре T<Tкип и рассчитайте теплоту испарения воды при Т=600С.
Рассчитать энтальпию образования 16,9% водного раствора аммиака
(раствор NH3, 5H2O), если теплота растворения аммиака равна 33,158кДж/моль, а энтальпия образования NH3 -46,191кДж/моль.
10. Приведите формулу для расчета теплоемкости бинарного раствора или
сплава.
9.
Тема 2.
Идеальный раствор. Неидеальный раствор. Разбавленный раствор.
Моляльность. Молярная доля. Массовая доля. Активность компонента.
Коэффициент активности. Парциальная молярная величина. Криоскопия.
Эбуллиоскопия. Растворимость. Плотность раствора. Вязкость раствора.
Поверхностное натяжение. Осмотический коэффициент. Парахор.
1. Приведите формулы для расчета активности растворителя.
2. Укажите способы расчета активности растворенного вещества.
3. Привести уравнение, характеризующее зависимость коэффициента
активности компонента в растворе от температуры.
4. Вычислить молярную массу растворенного в воде неэлектролита, если
понижение температуры замерзания раствора, содержащего 0,2835г
вещества в 25,65г H2O, равно 0,2230С. Теплота плавления льда 333,3
Дж/г. Ответ: М=92,3
5. Определить константу замерзания бензола, если температура замерзания
раствора, содержащего 0,3120г нафталина C10H8 в 20г бензола, равна
4,880С.
6. Определить изотонический и осмотический коэффициенты KCl в
водном растворе, содержащем 0,2752г KCl в 23,50г H2O. Понижение
температуры замерзания ∆Тз=0,5360.
7. Определить степень диссоциации хлоруксусной кислоты в растворе,
содержащем 0,945г CH2ClCOOH в 100г H2O. Понижение температуры
замерзания ∆Тз=0,2060.
8. Вычислить моляльную концентрацию водного раствора сахара, если
понижение температуры замерзания ∆Тз=0,2790.
9. Вычислить растворимость NaCl в растворе, содержащем 10% (масс) KCl
при 250С.
10.Определить понижения давления паров воды над раствором,
содержащим 20,4% NaCl и 11,1% KCl при 250С, если известны
давления паров воды: PH2O0=3,159кПа, PNaCl=2,381кПа, PKCl=2,66кПа.
11.Определить температуру замерзания и кипения водного раствора,
содержащего 5% NaCl и 8% KCl.
12.Установить температуру кипения и давление пара раствора, который
замерзает при 271,5К; давление пара чистой воды при 298К равно
3167Па.
13.Вычислить плотность этанола при 298К, зная Ткр = 516К. Ответ:
0,778г/см3.
14.Привести формулу для вычисления плотности раствора, полученного
смешением двух растворов с известной плотностью.
15.Вычислить вязкость уксусной кислоты η(М=60,1) при 298К, зная
плотность d=1,027г/см3 и температуру критическую Ткр=594,7К.
Указание: воспользоваться формулой Томаса
.
16.Привести формулу для вязкости бинарной смеси органических
жидкостей.
17.Вычислить поверхностное натяжение этилацетата (М=88,1) при 298К,
зная плотность 0,9 г/см3, коэффициент преломления n=1,37216 и
величину рефракции 22,21*10-3м3\кмоль
18.Определить поверхностное натяжение при 250С водного раствора,
содержащего 20,4% NaCl и 11,1% KCl. Активность воды в этом
растворе 0,717. Ответ: ϑ=79,8*103н/м
19.Привести уравнение, выражающее зависимость поверхностного
натяжения водного раствора органического соединения от состава
раствора( уравнение Шишковского).
Модуль 3.
Тема 1.
Абсолютная скорость движения иона. Подвижность ионов. Удельная
электропроводность. Эквивалентная (молярная) электропроводность.
Предельная подвижность иона. Закон Кольрауша. Число переноса.
Кулометр. Диффузия. Коэффициент диффузии. Линейная диффузия.
Закон Фика.
1. Ток величиной 1А проходил в течение 3ч через водный раствор
CuSO4. Сколько меди выделилось на электроде.
2. Раствор, содержащий 0,182% KOH, был подвергнут электролизу.
После электролиза 64,5г катодного пространства содержали 0,126г
KOH, концентрация раствора в среднем пространстве не изменилась.
На катоде серебряного кулометра за время электролиза отложилось
0,06г серебра. Найти числа переноса ионов К+ и ОН-.
3. Число переноса иона Cl- в растворе NaCl при 250С равно 0,605, а
λ͚=126,5Ом-1*см2 раствора хлорида натрия. Число переноса иона SO42в растворе K2SO4 при бесконечном разведении равна
307Ом-1*см2. Определить λ͚ раствора Na2SO4.
4. Приведите формулу для удельной электрической проводимости
раствора.
5. Рассчитайте эквивалентную электропроводность раствора соли при
заданной температуре.
6. Рассчитайте коэффициент диффузии ионов в воде при заданной
температуре, если известна электропроводность раствора.
7. Приведите формулу для расчета времени диффузии и толщины
диффузионного слоя.
8. Приведите уравнение Стокса-Энштейна для расчета коэффициента
диффузии частицы в растворе.
9. Рассчитайте коэффициент диффузии молекулы белка в растворе
сахара при т=298К, если радиус молекулы белка равен 2,79*10 -7см,
вязкость раствора 1,227*10-3Па*с.
10.Приведите уравнение зависимости коэффициент диффузии от
температуры.
7. Образовательные технологии.
В соответствии с требованиями ФГОС при реализации различных видов
учебной работы в процессе изучения дисциплины «Вычислительный
практикум по физической химии» используются следующие активные и
интерактивные формы проведения занятий:
-лекции (См. Учебно-методический комплекс «Физическая химия» для
студентов направления 020100.62 «Химия»);
-лабораторные занятия;
-собеседование;
-научная дискуссия.
Кроме того используются дополнительные формы обучения по отдельным
темам в виде текущей проверки знаний на основе типовых задач.
8.
Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
(модуля).
8.1.
Основная литература:
1. Краснов К.С. и др. Физическая химия. Строение вещества.
Термодинамика. Т.1. М.: ВШ, 2001. -512с.
2. Стромберг А.Г. Семченко Д.П. Физическая химия. М.: ВШ, 2001.527с.
3. Практические работы по физической химии. Под ред. К.П. Мищенко,
А.А. Равделя, А.М. Пономаревой. С-Пб.:Профессия, 2002.-384с.
4. Викторов М.М. Методы вычисления физико-химических величин и
прикладные работы. М.: Химия, 1977-360с.
8.2.
Дополнительная литература:
1. Киреев В.А. Методы практических расчетов в термодинамике
химических реакций. М.: Химия, 1970.- 519с.
2. Практикум по физической химии. Под ред. И.В. Кудряшова. М.: ВШ,
1986.- 495с.
3. Практикум по физической химии. Под ред. В.В. Буданова, Н.К.
Воробьева. М.: Химия, 1986.- 352с.
Технические средства и материально-техническое обеспечение
дисциплины .
В учебном плане для освоения дисциплины используются следующие
технические средства:
-химическая лаборатория, химические реактивы;
-приборы и оборудование учебного назначения;
-компьютеры.