Документ 653890

ПЕРВОЕ ВЫСШЕЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ УЧЕБНОЕ ЗАВЕДЕНИЕ РОССИИ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОЙ УНИВЕРСИТЕТ «ГОРНЫЙ»
Согласовано
Утверждаю
_____________________________
Руководитель ООП по
направлению 240100
профессор Теляков Н.М.
___________________________
Зав. кафедрой
общей и физической химии
профессор Чиркст Д.Э.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА
УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
«ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ»
Направление подготовки 240100 «Химическая технология»
Профиль подготовки: «Химическая технология природных энергоносителей
и углеродных материалов»
Квалификация (степень) выпускника: бакалавр
Форма обучения: очная
Составитель: доцент Литвинова Т.Е.
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
2012
1. Цели и задачи дисциплины: целью изучения дисциплины «Физическая химия»
является приобретение студентами направления подготовки 240100 «Химическая
технология» знаний в области описания химических явлений с помощью законов физики,
термодинамических расчетов и прогнозирования протекания химических процессов, их
кинетики и продуктов.
Задачами дисциплины являются освоение студентами теоретических представлений и
приобретение практического опыта инженерных расчетов, необходимых для определения
тепловых эффектов и тепловых балансов технологических процессов, предсказания
направления протекания химических реакций, вычисления равновесного состава газовых
смесей и водных растворов, расчета кинетических параметров процессов и
производительности оборудования, определения оптимальных условий для проведения
химических реакций.
2. Место дисциплины в структуре ООП: дисциплина «Физическая химия» относится к
циклу математических и естественнонаучных дисциплин и входит в его базовую часть. Для
изучения дисциплины студент должен обладать знаниями по дисциплине «Общая и
неорганическая химия», устанавливаемыми ФГОС ВПО для направления 240100
«Химическая технология», для квалификации выпускника бакалавр.
Дисциплина является предшествующей для изучения последующих дисциплин
цикла Б.2 (математические и естественнонаучные дисциплины) – Коллоидная химия (5-й
семестр), Коррозия металлов в химической технологии (7-й семестр);
профессионального цикла - Общая химическая технология (6-й семестр), Процессы и
аппараты химической технологии (5, 6, 7, 8-й семестры), Химические реакторы (7-й
семестр), Моделирование химико-технологических процессов (8-й семестр), Теоретические
основы химической технологии природных энергоносителей и углеродных материалов (5-й
семестр), Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов (6,
7, 8-й семестры), Технический и групповой анализ топлив (6-й семестр),
Высокотемпературные процессы химической технологии (7, 8-й семестры).
3. Требования к результатам освоения дисциплины:
Процесс изучения дисциплины направлен на формирование следующих компетенций:
общекультурных компетенций:
умение логически верно, аргументированно и ясно строить устную и письменную речь,
способность в письменной и устной речи правильно (логически) оформить результаты
мышления (ОК-2);
способность и готовность к кооперации с коллегами, работе в коллективе (ОК-3);
саморазвитие, повышение своей квалификации и мастерства, способность приобретать
новые знания в области естественных наук (ОК-7);
профессиональных компетенций
использовать знания о строении вещества, природе химической связи в различных классах
химических соединений для понимания свойств материалов и механизма химических
процессов, протекающих в окружающем мире (ПК-3);
владение основными методами, способами и средствами получения, хранения, переработки
информации; навыки работы с компьютером как средством управления информацией (ПК5);
способность и готовность осуществлять технологический процесс в соответствии с
регламентом и использовать технические средства для измерения основных параметров
технологического процесса, свойств сырья и продукции (ПК-7);
умение планировать и проводить физические и химические эксперименты, проводить
обработку их результатов и оценивать погрешности, математически моделировать
физические и химические процессы и явления, выдвигать гипотезы и устанавливать
границы их применения (ПК-21);
способность использовать знание свойств химических элементов, соединений и материалов
на их основе для решения задач профессиональной деятельности (ПК-23).
В результате изучения дисциплины студент должен:
Знать: начала термодинамики и основные уравнения химический термодинамики; методы
термодинамического описания химических и фазовых равновесий в многокомпонентных
системах; термодинамику растворов электролитов и электрохимических систем; уравнения
формальной кинетики и кинетики сложных, цепных, гетерогенных и фотохимических
реакций; основные теории гомогенного, гетерогенного и ферментативного катализа
Уметь: определять термодинамические характеристики химических реакций и
равновесные концентрации веществ; использовать термодинамические справочные данные;
прогнозировать влияние различных факторов на равновесие в химических реакциях;
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 и интегральной формах для кинетически простых реакций
и прогнозировать влияние температуры на скорость процесса.
Владеть: методами построения математической модели типовых профессиональных задач
и содержательной интерпретации полученных результатов; навыками вычисления
тепловых эффектов химических реакций при заданной температуре в условиях постоянства
давления или объема; констант равновесия химических реакций при заданной температуре;
давления насыщенного пара над индивидуальным веществом, состава сосуществующих фаз
в двухкомпонентных системах; методами определения констант скорости реакций
различных порядков по результатам кинетического эксперимента.
4. Объем дисциплины и виды учебной работы
Общая трудоемкость дисциплины составляет 7 зачетных единиц.
Всего часов
Вид учебной работы
Семестры
4
5
6
157
36
85
36
-
-
-
-
Лекции
53
18
17
18
Практические занятия (ПЗ)
34
-
34
-
Лабораторные работы (ЛР)
70
18
34
18
Самостоятельная работа (всего)
23
18
2
3
-
-
-
-
Другие виды самостоятельной работы
23
18
2
3
Подготовка к контрольной работе
4
4
Выполнение домашних заданий
6
6
Подготовка к практическим занятиям
13
8
2
3
зачет
36
36
198
54
123
75
7
1,5
3,5
2
Аудиторные занятия (всего)
В том числе:
Семинары (С)
В том числе:
Курсовой проект (работа)
Расчетно-графические работы
Реферат
Оформление лабораторных работ
Вид промежуточной аттестации (зачет, экзамен)
Общая трудоемкость
час
зач. ед.
5. Содержание дисциплины
5.1. Содержание разделов дисциплины
№
п/п
1.
Наименование раздела
Содержание раздела
дисциплины
Начала термодинамики. Предмет и задачи термодинамики, её значение для
Термодинамические
химической технологии природных энергоносителей и
функции.
углеродных
материалов.
Основные
понятия
термодинамики: система, теплота и работа, внутренняя
энергия. Первый закон термодинамики. Тепловой эффект
изохорного и изобарного процессов, понятие об
энтальпии. Теплоемкость, её использование для расчетов
тепловых эффектов процессов. Расчет теплоемкости газов
и твердых тел по Эйнштейну, Дебаю, Нейманну и Коппу.
2.
3.
4.
Расчет тепловых эффектов химических реакций. Закон
Гесса. Стандартные энтальпии образования соединений.
Тепловые эффекты реакций в растворах. Стандартные
энтальпии образования ионов. Зависимость теплового
эффекта реакции от температуры, закон Кирхгофа.
Второе начало термодинамики. Понятие об энтропии.
Определение энтропии через термодинамическую
вероятность. Закономерности изменения энтропии.
Третье начало термодинамики. Вычисление энтропии.
Энтропия ионов в растворах. Учение о химическом
сродстве. Термодинамические потенциалы Гельмгольца и
Гиббса, их вычисление. Определение направления
протекания химических реакций.
Химическое
Парциальные молярные величины, их определение по
равновесие.
экспериментальным данным и путем интегрирования
Термодинамические
уравнения Гиббса - Дюгема. Химический потенциал, его
расчеты
газовых значение для компонента идеального газа, идеального
систем.
раствора, предельно разбавленного раствора и для
реальных систем. Понятие об активности и фугитивности.
Уравнение изотермы реакции. Константа равновесия.
Расчет равновесного состава реакционной смеси. Влияние
внешних условий на равновесие. Принцип Ле-Шателье.
Выбор оптимальных условий для проведения реакции.
Вычисление константы равновесия при различных
температурах по уравнению изобары реакции, по
приведенным энергиям Гиббса и по методу Темкина и
Шварцмана.
Фазовые равновесия в Основные понятия: фаза, составляющее вещество и
однокомпонентных
компонент
системы,
термодинамические
степени
системах
свободы. Правило фаз Гиббса. Уравнение КлапейронаКлаузиуса, его использование для расчета фазовых
равновесий в однокомпонентных системах. Фазовые
диаграммы однокомпонентных систем. Диаграмма
состояния воды.
Термодинамические
Закон Рауля для идеальных и предельно разбавленных
свойства растворов
растворов. Учет диссоциации растворенного вещества.
Растворимость газов, законы Генри и Сивертса.
Температуры замерзания и кипения растворов,
криоскопия и эбуллиоскопия. Уравнение Шредера.
Осмотическое давление растворов. Обратный осмос, его
использование для очистки стоков и опреснения воды.
Определение степени и константы диссоциации слабых
электролитов, кажущейся степени диссоциации и
коэффициента активности сильных электролитов по
опытному значению изотонического коэффициента.
Определение молярной массы органических веществ
методами криоскопии и эбуллиоскопии.
5.
6.
7.
8.
Фазовые равновесия в Диаграммы
состояния
двухкомпонентных
систем
двухкомпонентных
жидкость – пар с полной взаимной растворимостью
системах жидкость – компонентов в жидкой фазе. Идеальные системы. Расчет
жидкость и жидкость – диаграммы по закону Рауля. Первый закон Коновалова.
пар
Нода. Правило рычага. Разгонка жидких смесей. Понятие
о
ректификации.
Отклонения
от
идеальности.
Азеотропия. Второй закон Коновалова. Диаграммы
систем
с
полной
взаимной
нерастворимостью
компонентов в жидкой фазе. Перегонка с водяным паром.
Диаграммы систем жидкость – жидкость. Экстракция,
закон
распределения
Нернста.
Классификация
механизмов и основные закономерности процессов
экстракции, действие высаливателя и разбавителя,
самовысаливание и влияние рН. Диаграммы систем
жидкость
–
пар
с
ограниченной
взаимной
растворимостью компонентов в жидкой фазе
Фазовые равновесия в Диаграммы состояния двухкомпонентных систем с
конденсированных
полной взаимной нерастворимостью компонентов в
двухкомпонентных
твердой фазе. Метод дифференциально-термического
системах
анализа. Построение диаграмм. Расчет диаграмм по
уравнению Шредера. Твердые растворы, ограниченный и
неограниченный изоморфизм. Системы с твердыми
растворами: идеальные, с минимумом температуры
плавления, эвтектического и перитектического типов.
Системы с конгруэнтно и инконгруэнтно плавящимися
соединениями. Проявление на диаграммах полиморфных
превращений и расслаивания жидкой фазы. Определение
тепловых эффектов фазовых превращений по методу
Таммана.
Равновесия в растворах Образование растворов электролитов. Теория гидратации.
электролитов
Теория активностей Дебая-Хюккеля. Обобщенные теории
кислот и оснований Бренстеда, Льюиса, Пирсона.
Кислотно-основные свойства неводных растворов и
расплавов.
Электрохимические
Термодинамическая
теория
Э.Д.С.
Удельная
и
равновесия
эквивалентная электропроводность. Подвижность ионов и
факторы, ее определяющие. Определение качества воды,
константы
диссоциации
слабых
электролитов,
предельной электропроводности ионов и растворимости
соединений
кондуктометрическим
методом.
Термодинамика электрохимических систем. Электродный
потенциал. Гальванический элемент. Уравнение Нернста.
Типы электродов. Определение коэффициента активности
электролитов, растворимости соединений, константы
нестойкости
комплексов,
константы
равновесия
окислительно-восстановительной
реакции
потенциометрическими
методами.
Ионометрия.
Диаграммы Пурбе.
Химическая кинетика
Формальная кинетика. Порядок реакции и способы его
определения.
Кинетика
сложных
гомогенных,
фотохимических, цепных и гетерогенных реакций.
Зависимость скорости реакции от температуры, энергия
активации,
ее
определение.
Теории
активных
столкновений и переходного состояния (активированного
комплекса). Механизм гомогенного и гетерогенного
катализа.
Ферментативный
катализ.
Кинетика
электрохимических процессов. Поляризация электродов.
Диффузионное и электрохимическое перенапряжение.
5.2 Разделы дисциплины и междисциплинарные связи с обеспечиваемыми
9.
(последующими) дисциплинами
№
п/п
Наименование обеспечиваемых (последующих) дисциплин
№ № разделов данной дисциплины, необходимых для
изучения обеспечиваемых (последующих) дисциплин
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1.
Коллоидная химия
+
+
+
+
+
+
+
+
+
2.
Коррозия металлов в
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Общая химическая
технология
Процессы и аппараты
химической
технологии
Химические реакторы
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Моделирование
химикотехнологических
процессов
Теоретические основы
химической
технологии природных
энергоносителей и
углеродных
материалов
Химическая
технология природных
энергоносителей и
углеродных
материалов
Технический и
групповой анализ
топлив
Высокотемпературные
процессы химической
технологии
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
химической
технологии
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
5.3. Разделы дисциплин и виды занятий
№
Наименование раздела дисциплины
п/п
Лекц. Практ. Лаб.
зан.
зан.
Семин
СРС
Всего
час.
7.
Начала
термодинамики.
Термодинамические функции.
Химическое
равновесие.
Термодинамические расчеты газовых
систем.
Фазовые
равновесия
в
однокомпонентных системах
Термодинамические
свойства
растворов
Фазовые
равновесия
в
двухкомпонентных
системах
жидкость – жидкость и жидкость –
пар
Фазовые
равновесия
в
конденсированных
двухкомпонентных системах
Равновесия в растворах электролитов
8.
Электрохимические равновесия
6
2
8
3
19
9.
Химическая кинетика
5
53
4
34
8
70
4
23
21
180
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Итого
6
6
12
2
26
6
6
12
2
26
6
2
4
2
14
6
2
4
2
14
6
2
14
2
24
6
4
-
3
13
6
6
8
3
23
6. Лабораторный практикум
№
п/п
№ раздела
дисциплины
1.
1
2.
3.
4.
1
1
2
5.
2
6.
2
7.
8.
9.
3
4
5
10.
11.
12.
13.
14.
5
5
7
7
8
Наименование лабораторных работ
Определение теплоты нейтрализации кислоты
щелочью
Определение теплоты диссоциации слабой кислоты
Определение теплоты гидратации соли
Определение константы нестойкости тиоцианатного
комплекса железа
Определение константы диссоциации слабого
основания потенциометрическим методом
Кондуктометрическое определение константы
диссоциации слабого электролита
Давление насыщенного пара
Криометрия
Получение диаграммы состояния двухкомпонентной
системы жидкость-газ
Получение кривой разгонки
Экстракция
Приготовление буферного раствора
Определение коэффициента активности
Числа переноса
Трудоемкость
(час.)
4
4
4
4
4
4
4
4
6
4
4
4
4
4
Определение стандартных электродных потенциалов
Кинетика омыления эфира
Кинетика окисления тиосульфата натрия
15. 8
16. 9
17. 9
Итого
4
4
4
70
7. Практические занятия (семинары)
не предусмотрено учебным планом и основной образовательной программой
№
п/п
№ раздела
дисциплины
Тематика практических занятий (семинаров)
1.
1
2.
1
3.
1
4.
2
5.
2
6.
2
7.
3
8.
9.
4
5
10.
6
11.
6
12.
13.
14.
7
7
7
Расчет теплового эффекта химической реакции при
обычной температуре
Расчет теплового эффекта химической реакции при
заданной температуре
Расчет изменения энтропии химической реакции при
заданной температуре
Расчет направления химической реакции при заданной
температуре
Расчет выхода реакции и равновесного состава
реакционной смеси
Использование уравнений изотермы и изобары
химической реакции
Расчеты с использованием уравнения КлаузиусаКлапейрона
Расчет термодинамических свойств раствора
Расшифровка фазовых диаграмм неконденсированных
систем
Расшифровка фазовых диаграмм двухкомпонентных
конденсированных систем
Построение фазовых диаграмм двухкомпонентных
конденсированных систем
Расчет рН в растворах электролитов
Расчет ионно-молекулярного состава
Расчет растворимости с учетом влияния ионной силы
раствора
Расчет электропроводности раствора электролита
Расчет порядка и константы скорости реакции
Расчет энергии активации химической реакции
15.
16.
17.
Итого
8
9
9
Трудоемкость
(час.)
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
34
8. Примерная тематика курсовых проектов (работ)_______ не предусмотрено учебным
планом и основной образовательной программой___________________________________
9. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины:
а) основная литература
1. Стромберг А.Г., Семченко Д.П. Физическая химия. Издание 4. М.: Высшая школа, 2003.
2. Ипполитов Е.Г., Артемов А.В., Батраков В.В. Физическая химия. М.: Академия. 2005.
3. Еремин В.В., Каргов С.И., Успенская И.А. Основы физической химии. Теория и задачи.
М.: Экзамен. 2005.
4. Чиркст Д.Э., Литвинова Т.Е., Дубровская Н.Я. Физическая химия. Термодинамические
свойства растворов. Сборник задач. СПб.: Изд-во СПГГИ, 2007.
5. Краткий
справочник
физико-химических
величин.
/
Ред.
Равдель А.А.,
Пономарева А.М. Издание 10. СПб: Специальная литература, 2003.
6. Дибров И.А., Ульянова М.М. Физическая химия. Химическая кинетика. Методуказания.
СПб.: Изд-во СПГГИ, 2003.
7. Липин А.Б. Фазовые диаграммы. Сборник задач. СПб: Изд-во СПГГИ, 1999.
8. Иванов И.И., Жадовский И.Т., Иванов М.В. Физическая химия. Химическая
термодинамика. Сборник задач. СПб. СПГГИ.: 2007.
9. Чиркст Д.Э. Растворы электролитов. Учебное пособие. СПб. СПГГИ. 2006.
10. Чиркст Д.Э., Черемисина О.В., Лобачева О.Л., Иванов М.В., Луцкий Д.С., Литвинова
Т.Е. Физическая химия. Лабораторный практикум. Учебное пособие. СПб. СПГГИ. 2010.
б) дополнительная литература
1. Стромберг А.Г., Лельчук Х.А., Картушинская А.И. Сборник задач по химической
термодинамике. М.: Высшая школа, 1985.
2. Дибров И.А. Общая и физическая химия. Часть 3. Химическая термодинамика. СПб: Издво СПГГИ, 1996.
3. Денисов Е.Т., Саркисов О.М., Лихтенштейн Г.И. Химическая кинетика. М.: Химия, 2000.
в) программное обеспечение
программа химических расчетов HSC производства компании Outotec
г) базы данных, информационно-справочные и поисковые системы
http://www.chem.msu.su/cgi-bin/tkv.pl
http://www.twirpx.com
http://www.sciteclibrary.ru/
10. Материально-техническое обеспечение дисциплины:
Лаборатория общей и неорганической химии, лаборатория физической химии, лаборатория
прикладной химии, компьютерные классы, специализированная аудитория 3532.
11. Методические рекомендации по организации изучения дисциплины:
Преподавание дисциплины основано на организации внутри дисциплины и
междисциплинарных
образовательных
модулей,
представляющих
совокупность
теоретических представлений и практических навыков по каждой дидактический единице
во взаимосвязи с последующими и смежными дисциплинами, целью которых является
приобретение студентом компетенций, знаний и умений, установленных ФГОС ВПО для
направления 240100 «Химическая технология»
Текущий контроль успеваемости и промежуточная аттестация является совокупностью
данных по успешности выполнения студентом требований ФГОС ВПО, учебного плана,
примерной учебной программы (посещение теоретических и лабораторных занятий,
своевременное выполнение лабораторного практикума, заданий по самостоятельной
работе).
Разработчик:
кафедра ОФХ
доцент
Литвинова Т.Е.