РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ «УТВЕРЖДАЮ»: Проректор по учебной работе _______________________ /Л.М.Волосникова __________ _____________ 2011г. ТЕОРИЯ ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ 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 __16__ 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 ТЕОРИЯ ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ 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. Теория химических процессов. Учебно-методический комплекс. Рабочая программа для студентов направления 020100.62 «Химия», профиль подготовки «Физическая химия», форма обучения очная. Тюмень, 2011, _16__ 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: Теория химических процессов. [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 – дать представление о современном состоянии учения о химических процессах. Конкретными задачами являются: ознакомление студентов с многообразием химических процессов, с тенденциями развития учения о химическом процессе и явлениях, их сопровождающих, с математическим моделированием в учении о химическом процессе и методами управления химическими процессами. Особое внимание студентов обращается на решении основной задачи химии – задачи получения веществ с необходимыми свойствами. 1.2. Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата Данная дисциплина относится к дисциплинам по выбору профессионального цикла. Для изучения дисциплины требуются предварительные знания по высшей математике, физике, физической химии, электрохимии и неорганической химии. Успешное освоение курса позволяет перейти к выполнению научно-исследовательской 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 современное состояние теории химических процессов, а также роль исследований многофакторности кинетических систем. Уметь самостоятельно выбирать подходы для построения моделей химических процессов, находить количественные характеристики термодинамики и кинетики химических процессов, решать задачи получения веществ с заданными свойствами. Владеть основами методов исследования химический превращений и управления физико-химическими процессами. 2. Структура и трудоемкость дисциплины. Семестр 5. Форма промежуточной аттестации зачет . Общая трудоемкость дисциплины составляет 3 зачетных единицы 108 часов. Тематический план. 3. Таблица 1. 1 1. 1 2 Модуль 1 Энергетика химических процессов Всего Модуль 2 Химическое сродство Итого количеств о баллов 4 5 6 7 8 9 1-5 5 18 22 4 45 0-30 5 18 22 4 45 30 7 12 20 4 39 0-40 7 12 20 4 39 40 6 6 12 2 24 0-30 6 18 6 36 12 54 2 10 Всего 1. Итого часов по теме 3 6-12 Модуль 3 Кинетические модели химических процессов Всего Итого (часов, баллов): Самостоятель ная работа* Лекции недели семестра Тема Лабораторны е занятия Виды учебной работы и самостоятельная работа, в час. из них в интерактивной форме, в час. Тематический план(V семестр) № 13-18 24 30 108 0 – 100 Таблица 2. Виды и формы оценочных средств в период текущего контроля(V) № Название темы Формы текущего контроля (баллы) Коллоквиумы Собеседо Лаборато Отчеты вания рная по работа работам Итого Контро баллов льная работа Модуль 1 1. Энергетика химических процессов Всего 1. 0-4 Химическое сродство Всего 1. Всего Итого 0-4 0-6 0-6 Кинетические модели химических процессов 0-4 0-4 0-14 0-4 0-4 Модуль 2 0-6 0-6 Модуль 3 0-4 0-4 0-14 0-8 0-4 0-10 0-30 0-8 0-4 0-10 30 0-10 0-6 0-12 0-40 0-10 0-6 0-12 40 0-8 0-4 0-10 0-30 0-8 0-26 0-4 0-14 0-10 0-32 30 0-100 Таблица 3. Планирование самостоятельной работы студентов(VIII семестр) № Модули и темы Модуль 1 1.1 Энергетика химических процессов Виды СРС обязательные дополнительные Подготовка к Подготовка к коллоквиумам, контрольной собеседованиям, работе оформление отчетов Всего по модулю 1: Модуль 2 2.1 Химическое Подготовка к Подготовка к сродство коллоквиумам, контрольной собеседованиям, работе оформление отчетов Всего по модулю 2: Модуль 3 3.1 Кинетические Подготовка к Работа с модели коллоквиумам, вопросами для химических собеседованиям самоконтроля процессов Всего по модулю 3: ИТОГО: Неделя семестр а Объе м часов Кол-во баллов 1-5 22 30 22 6-12 30 20 20 1318 40 40 12 30 12 54 30 0-100 4. Содержание дисциплины. Модуль 1. Тема 1. ЭНЕРГЕТИКА ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ Важнейшие термодинамические величины. Энергетические эффекты. Энтальпийная диаграмма. Основные законы термохимии. Влияние на тепловой эффект температуры и давления. Стандартная энтальпия. Тепловые эффекты различных процессов: химические реакции, фазовые превращения, процессы в растворах. Вычисление ∆H0 химических процессов. Вычисление энергии связи, теплоты гидратации, энергии ионной решетки. Теплота атомизации и сублимации. Потенциал ионизации атомов и ионов. Энергия сродства атомов к электрону. Закономерности в изменении теплот образования и сгорания органических соединений. Тепловые эффекты и периодический закон. Теплоты образования и структура вещества. Модуль 2. Тема 1. ХИМИЧЕСКОЕ СРОДСТВО Обратимые и необратимые процессы. Энтропия и природа вещества. Энтропия и состояние вещества. Изменение энтропии и периодический закон. Энтальпийный и энтропийный факторы процесса. Роль энтропийного фактора при растворении вещества. Состояние вещества и изменение энергии Гиббса. Природа вещества и изменение энергии Гиббса. Изменение энергии Гиббса и периодический закон. Энергия Гиббса химических реакций при нестандартных условиях. Определение изменения энергии Гиббса химических реакций. Стандартные электродные потенциалы и изменение энергии Гиббса. Изменение энергии Гиббса и классификация химических реакций. Термодинамическая характеристика свойств неорганических и органических соединений. Изменение энергии Гиббса и состояние химического равновесия. Влияние изменения условий на химическое равновесие. Оптимальные условия осуществления химического процесса. Периодическая система элементов и реакционная способность веществ. Влияние давления и температуры на химическое сродство. Изменение энергии Гиббса и образование растворов. Изменение свойств при образовании растворов. Изменение энергии Гиббса и ионные реакции. Диаграмма состояния и изменение энергии Гиббса. Модуль 3. Тема 1. КИНЕТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ Термодинамическая возможность и практическое осуществление химических реакций. Кинетическая характеристика сложных химических реакций. Кинетические уравнения сложных реакций. Маршруты реакций. Независимые маршруты. Расчеты скоростей реакций. Кинетические модели для гетерогенно-каталитических реакций. Кинетические модели, основанные на использовании адсорбционных изотерм. Расчет скоростей реакций на однородной поверхности. Учет неоднородности поверхности. Кинетические модели для гетерогенных процессов. Решение уравнений диффузии и расчет скоростей процессов. Процесс осаждения металла в условиях диффузионных ограничений. Кинетические модели образования и роста зародышей на твердой поверхности. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 5. Темы лабораторных работ. Определение парциальной теплоты при испарении жидкости из растворов солей различных концентраций. Определение парциальных теплот растворения кислоты в воде. Определение теплоты образования раствора соли в различных растворителях. Термодинамическое обоснование диаграммы бинарной системы сольвода. Исследование механизма и кинетики разложения пероксида водорода ионами Fe(II). Исследование кинетики реакции окисления ионов хрома(III) перманганатионами в кислой среде. Определение термодинамических функций окислительновосстановительной реакции методом ЭДС. Изучение процесса электрохимического осаждения диоксида свинца. 6. Учебно - методическое обеспечение самостоятельной работы студентов. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины. Рабочей программы дисциплины «Теория химических процессов» предусмотрена самостоятельная работа студентов в объеме 54 часа. Студентам предлагаются следующие формы самостоятельной работы: подготовка к коллоквиумам, собеседованию, контрольным работам и зачету; оформление отчетов по лабораторным работам. ТИПОВЫЕ ЗАДАНИЯ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ К КОНТРОЛЬНЫМ РАБОТАМ V семестр Модуль 1. Тема 1. 1. Как вычислить изменение энтальпии при нагревании вещества? 2. Вычислить среднюю теплоемкость оксида меди(II) в интервале температур 400-500К. 3. Вычислить удельную теплоемкость оксида меди(II) при 400К. 4. Вычислить теплоту испарения воды, если известно, что давление пара воды при 250С составляет 0,0315атм. 5. Растворимость нитрата аммония NH4NO3 при 00С составляет 118г, а при 250С равна 214г в 100г H2O. Вычислите теплоту растворения соли в воде. 6. Произведение растворимости хлорида серебра AgCl при 250С равно 1,55*10-10 и 13,2*10-10 при 500С. Вычислить теплоту растворения. 7. Ионное произведение воды при 100С равно 0,36*10-14 и 1,89*10-14 при 300С. Вычислить теплоту образования воды. 8. Стандартная теплота образования NH3 равна -46,9кДж/моль. Рассчитайте среднее значение энергии связи N-H в молекуле NH3. Энергии диссоциации молекулы N2 и H2 соответственно равны 945,6 и 436 кДж/моль. Ответ: 391 кДж/моль. 9. Вычислите удельную теплоту сгорания газа, содержащего 605 H2 и 40% CH4. Ответ: 23550кДж/м3. 10.Теплоты растворения SrCl2 и SrCl2*6 H2O составляют -47,7 кДж/моль и 31 кДж/моль соответственно. Рассчитайте теплоту гидратации SrCl2. 11.Определите стандартную теплоту образования оксида меди(II), зная, что при восстановлении 40г CuO углем выделяется CO и поглощается 27,4кДж. 12.Рассчитайте энергию связи H-Cl, если энергии диссоциации молекул H2 и Cl2 соответственно равны 436 кДж/моль и 243 кДж/моль. Ответ6 423,3 кДж/моль. 13.При разложении CaCO3 поглощается 534 кДж/моль теплоты. Рассчитайте массу взятого карбоната. 14.Изобразите энергетическую диаграмму взаимодействия O2 и H2 с образованием жидкой воды. 15.Каково соотношение энергии связи в молекулах F2 и Cl2, если энергии диссоциации F2 и Cl2 равны 153,13 и 242,67 кДж соответственно. 16.Чему равна энергия связи двухатомной молекулы? 17.Изменение энтальпии диссоциации воды H2O(г)= 2H(г)+O(г) Равно 925,5 кДж/моль. Чему равна средняя энергия связи атомов О-Н в молекуле H2O? 18.Составьте систему уравнений для вычисления энтальпии реакции NH3+3Cl2=NCl3(г) + 3HCl(г). Ответ: -4,184кДж. 19.Вычислите, сколько тепла выделится в реакции 8,4г N2 с избытком водорода? Ответ: -9,62кДж. 20.Определить теплоту образования иона Cl- при Т=298К в бесконечно разбавленном водном растворе: 0,5Cl2 + aq +e = Cl-aq, если теплота растворения HCl (г) равна -75,14кДж/моль. 21.При адсорбции 68г аммиака мелко раздробленной медью выделилось 117,2кдж теплоты. Рассчитайте тепловой эффект адсорбции. Модуль 2. Тема 1. 1. 2. Рассчитайте энтальпийный и энтропийный процесса при Т=298К: 4HCl+O2=2H2O(г) + 2Cl2.. факторы протекания Предскажите знак изменения энтропии в следующих реакциях: а) N2+3H2 = 2NH3 б) C + H2O(г)=CO2 + H2; в) 2CO+ O2=2CO2. 3. Установите температуру, при которой возможно восстановление оксида Fe(II) до свободного металла: FeO+ H2= Fe+H2O(г) 4. Установите, возможно ли восстановление оксида Fe(III) до металла при Т=298К и начальных парциальных давлениях PH2=2атм и PH2O=0,1атм: Fe2O3+ H2=2Fe+3H2O(г) 5. Определите направление реакции для системы N2O4=2NO2 При Т=400К, если в начальном состоянии PN2O4 = 1атм и PNO2 =0,5атм. 6. Не проводя вычислений укажите для каких реакций энтропийный фактор способствует протеканию реакций: MgO+ H2=Mg(тв)+H2O(ж); 2ZnS+3О2=2ZnO+2SO2; Al2(SO4)3=Al2O3+3SO3(г). 7. Можно ли использовать в стандартных условиях реакцию для получения аммиака: NH4Cl+NaOH=NaCl+H2O(г)+NH3(г). 8. Исходя из реакции SiО2+2NaOH(р-р)=Na2SiО3(тв)+ H2O(ж), Дайте ответ на вопрос, можно ли выпаривать щелочь в стеклянном сосуде? 9. Возможен ли процесс разложения хлорида аммония при Т=298К NH4Cl→ NH3(г)+HCl(г) При начальных парциальных давлениях PNH3=PHCl=0,01атм. 10. Покажите какой из процессов более вероятен при Т=400К: H2O2(ж)= H2O(ж)+1/2О2, H2O2(ж)= H2(г)+О2(г). Какой их двух факторов – энтальпийный или энтропийный – способствует разложению пероксида водорода? 11. Определить, в каком направлении будет протекать реакция CH3COOH+C2H5OH=CH3COOC2H5+ H2O При Т=298К при смешении 2 моль CH3COOH, 1 моль CH3COOC2H5 и 30 моль H2O, если константа равновесия Кс=9. Какую роль играет энтропийный фактор? 12. Какой их двух процессов разложения нитрата аммония более вероятен и как он зависит от условий: NH4NO3= N2O (г)+2H2O(г) NH4NO3= N2+1/2О2+2H2O(г) 13. При какой температуре энергия Гиббса для процессов H2O(ж)= H2O(г) C2H5OH(ж)= C2H5OH(г) равна нулю? 14. Какое из двух веществ CaO или CaCl2 лучше поглощает водяные пары? 15. В атмосфере какого газа – оксида углерода(II) или оксида углерода(IV) – наиболее вероятно окисление кальция в стандартных условиях: 2Ca+CO2=2CaO+С(гр), Ca+CO= CaO+С(гр). 16. Определить сродство Ag к кислороду воздуха при Т=298К, если PO2=0,21атм. 17. Для реакции C6H5C2H5(г)+3 H2= C6H11C2H5(г) В интервале температур 460-560К получено уравнение Рассчитайте температуру, при которой эта реакция станет осуществимой, если газовая смесь состоит из 10 моль этилбензола, 50 моль водорода и 20 моль этилциклогексана. Общее давление p=1,013*105Па. 18. Покажите возможность коррозии железа в воде при т=298К. 19. Можно ли осуществить синтез бензола из углерода и водорода при обычных условиях? 20. Можно ли получить метан действием воды на карбид алюминия Al4С3? 21. До каких температур в атмосфере кислорода воздуха устойчивы следующие оксиды марганца: а)MnO2 , б) Mn3O4 , в) Mn2O3 , г) MnO? 22. Можно ли получить олово восстановлением оксида олова SnO2 газовой смесью, состоящей из 25% СО и 75% СО2, при температуре 8000С? 23. Обсудите возможность реакции между перманганатом калия и метиловым спиртом в кислой среде. 24. Объясните, почему процесс диссоциации молекул воды сопровождается уменьшением энтропии (∆S=-104,18Дж/моль)? 25. Обсудите возможность протекания следующих реакций: CH4+H2O=CO+3H2, CH4+2H2O= CO2+4H2, CH4=C+2H2, CO+H2=C+H2O, CO+H2O= CO2+H2, 2CO=C+CO2. В процессе конверсии метана водяным паром при Т=800К. Модуль 3. Тема 1. 1. Составить модель простой химической реакции. 2. Составить модель сложной химической реакции. 3. Составить модель процесса растворения твердого вещества в жидкой фазе. 4. Составить кинетическую модель образования и роста зародышей на твердой поверхности. 5. Составить простейшую модель гетерогенно-каталитической реакции. 6. Привести уравнение скорости сложной химической реакции А=В=С. 7. Найти уравнение скорости гетерогенно-каталитической реакции. 8. Записать систему кинетических уравнений сложной химической реакции. 9. Поясните метод определения энергии активации химической реакции по коэффициентам трансформации. 10.На примере реакции А R B (R-радикал) Дайте обоснование метода стационарных концентраций. 11.Упростить системы дифференциальных уравнений с помощью метода стационарных концентраций для реакции разложения пероксида водорода ионами Fe2+: Fe2+ + H2O2 →Fe3++ OH- + OH* Fe2++ OH*→ Fe3++ OHOH*+ H2O2→ HO2*+ H2O HO2*+ Fe3+→ Fe2++H++ O2. Выразить скорость реакции разложения H2O2. 12.Гидрирование бензола на Ni катализаторе описывается следующей схемой: C6H6+S*→C6H6* H2+2S*→2H* C6H6+6H*→ C6H12+6S* C6H6*+3H2→ C6H12+S* Здесь S* - свободный активный центр на поверхности катализатора. Найти маршруты и выразить скорость реакции. 13.Термический распад газообразного N2O5 имеет следующий механизм N2O5→NO2+ NO3* NO2+ NO3*→ N2O5 NO2+ NO3*→ NO2+ NO*+O2 NO*+ N2O5→ NO2. Применяя метод маршрутов, выразить скорость реакции. 14.Реакция синтеза аммиака на Fe катализаторе описывается схемой: N2+ S*→ N2 N2*+ H2→ N2H2* N2H2*+ S*→2NH* NH*+ H2→NH3+ S*. Здесь S* - свободный активный центр на поверхности катализатора/ Найти маршруты и выразить скорость реакции. 15.При изучении кинетики реакции Co(NH3)5NO2++OH-→ Co(NH3)5 OH2++NO2Найдена следующая зависимость константы скорости от ионной силы раствора J: J 2,34 5,61 8,1 11,22 11,73 16,90 lg K -3,24 -3,29 -3,32 -3,35 -3,36 -3,40, Применяя м.н.к., рассчитать константу скорости при J=0, считая, что зависимость lg K-ƒ( прямолинейная. 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 -лабораторные занятия -собеседование -научная дискуссия Кроме того используются дополнительные формы обучения по отдельным темам в виде текущей проверки знаний на основе типовых заданий. 8. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины. 8.1. Основная литература: 1. Карапетьянц М.Х. Введение в теорию химических процессов. М.: ВШ, 1981. -333с. 2. Зайцев О.С. Химическая термодинамика к курсу общей химии. М.: Изд-во МГУ, 1973.- 295с. 3. Полторак А.М. Термодинамика в физической химии. М.: ВШ, 1981. 319с. 4. Стромберг А.Г. Семченко Д.П. Физическая химия. М.: ВШ, 2001.527с. 5. Практикум по физической химии. Под ред. И.В. Кудряшова, М.: ВШ, 1986. -495с. 8.2. Дополнительная литература: 1.Шелинский Г.И. Основы теории химических процессов. М.: Просвещение, 1989.- 192с. 2. Кузнецов В.И. Общая химия. Тенденции развития. М.: ВШ, 1989. -288с. 3. Киперман С.Л. Основы химической кинетики в гетерогенном катализе. М.: Химия, 1979.-352с. 9. Технические средства и материально-техническое обеспечение дисциплины (модуля). В учебном плане для освоения дисциплины используются следующие технические средства: -мультимедийное оборудование (на лекциях); -приборы и оборудование учебного назначения; -компьютеры. -химическая лаборатория, химические реактивы.