Правительство Российской Федерации Санкт-Петербургский государственный университет

Правительство Российской Федерации
Санкт-Петербургский государственный университет
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА
учебной дисциплины
Физическая химия
Physical Chemistry
Язык(и) обучения
русский/английский
Трудоёмкость (границы трудоёмкости) в зачетных единицах: _3_
Регистрационный номер рабочей программы: 025436
Санкт-Петербург
2015
Раздел 1.
1.1.
Характеристики учебных занятий
Цели и задачи учебных занятий
Цель курса – освоение обучающимися в аспирантуре фундаментальных знаний в области
физической химии и выработка практических навыков исследований в области
химической термодинамики и кинетики. Курс читается обучающимся в аспирантуре по
научной специальности 02.00.04 (кафедры физической химии, квантовой химии,
химической термодинамики и кинетики).
1.2. Требования к подготовленности обучающегося к освоению содержания
учебных занятий (пререквизиты)
Для успешного освоения курса обучающиеся должны быть знакомы с основами общей
химии, физики, элементами математического анализа. Обучающиеся должны в полной
мере владеть знаниями, полученными при обучении в рамках одной из основных
образовательных программ высшего профессионального образования:
- по направлению 020100 «Химия»
- по направлению 020300 «Химия, физика и механика материалов»
- по специальности 020201 «Фундаментальная и прикладная химия».
1.3.
Перечень результатов обучения (learning outcomes)
OKA-1, ОКА-2
Содержание курса входит в необходимый минимум профессиональных знаний
послевузовского профессионального образования для выпускников по направлению
подготовки «Химические науки», научная специальность 02.00.04 Физическая химия, а
также является дополнительной базой для освоения специальных курсов в рамках
указанного направления и подготовки выпускных квалификационных работ.
1.4.
Перечень активных и интерактивных форм учебных занятий
Лекции, консультации, работа с профильными ресурсами в Интернете (базы ScienceDirect,
Web of Science и другие).
Раздел 2. Организация, структура и содержание учебных занятий
Организация учебных занятий
2.1.
2.1.1 Основной курс
Трудоёмкость
итоговая аттестация
(сам.раб.)
промежуточная аттестация
(сам.раб.)
текущий контроль (сам.раб.)
сам.раб. с использованием
методических материалов
Самостоятельная работа
итоговая аттестация
под руководством
преподавателя
в присутствии
преподавателя
промежуточная
аттестация
текущий контроль
коллоквиумы
контрольные работы
лабораторные работы
консультации
практические
занятия
семинары
лекции
Период обучения (модуль)
Контактная работа обучающихся с преподавателем
Объём активных и интерактивных
форм учебных занятий
Трудоёмкость, объёмы учебной работы и наполняемость групп обучающихся
ОСНОВНАЯ ТРАЕКТОРИЯ
очная форма обучения
26
2
2
Семестр 3
1
26
2
2
2
2
8
Семестр 4
ИТОГО
1
52
4
4
2
2
8
2
Формы текущего контроля успеваемости, виды промежуточной и итоговой аттестации
Период обучения (модуль)
Формы текущего
контроля
успеваемости
Виды итоговой аттестации
Виды промежуточной
аттестации
(только для программ итоговой
аттестации и дополнительных
образовательных программ)
ОСНОВНАЯ ОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ПРОГРАММА
очная форма обучения
зачет
-
Семестр 3
Контрольные
вопросы
и
задания
для
самостоятельно
й работы
-
экзамен
Семестр 4
Контрольные
вопросы
и
задания
для
самостоятельно
й работы
2.2. Структура и содержание учебных занятий
Основной курс
Основная образовательная программа
Очная форма обучения
Период обучения (модуль): Семестр 3
№
п/п
Наименование темы (раздела, части)
Квантовохимические
методы
подходы в физической химии
1
2
Вид учебных занятий
и лекции
Количество
часов
8
Основные приближения квантовой
химии: адиабатическое, одноэлектронное, приближение конечного базиса.
Понятие поверхности потенциальной
энергии. Точки минимума и переходных состояний. Молекулярные
спин-орбитали и орбитали, спиновые
функции,
методы
Хартри-Фока
(RHF,UHF,ROHF).
Базисы
для
молекулярных расчетов, классифи- по методическим материалам
кация гауссовых базисов, понятие
поляризующих и диффузных атомных
базисных функций. Эффекты электронной корреляции и основные
методы их учета. Методы расчета
возбужденных состояний. Методы
функционала плотности. Периодические наносистемы и методы расчета
их электронной и колебательной
структуры.
-
Молекулярная
термодинамика лекции
гетерогенных систем
4
Основы
статистической
термодинамики:
ансамбли.
Статистическая
термодинамика
простых
классических
флюидов.
Неидеальные
газы.
Жидкости,
Аппарат
молекулярных
функций
распределения. Фазовые равновесия:
термодинамический
аппарат.
Уравнения состояния. Решеточные
теории.
Неоднородные
системы.
Структура и тензор напряжений.
Определение
микроструктуры
флюидов методами рассеяния.
Термодинамика
и
электродных процессов
кинетика лекции
5
-
Электродная ячейка и ее описание.
3
4
5
Гальванические
элементы.
Ионселективные
электроды.
Ред-оксметрия. Ионометрия. Равновесие и
кинетика ионного обмена. Изотерма
обмена ионов Б. П. Никольского.
по методическим материалам
Обмен трёх и более ионов. Изотермы
обмена.
Расчёт
коэффициентов
активности ионов в фазе ионита.
Набухание. Необменное поглощение.
Мембранное
(доннановское)
равновесие.
Электрохимические
свойства ионитов.
Неравновесная термодинамика.
Классификация неравновесных
процессов по рангу описывающих
тензоров. Формы теоремы ГауссаОстроградского. Локальные величины.
Движение в потоке, поле скоростей,
конвекция, вектор диффузии,
уравнения баланса массы. Тензор
давлений, идеальная невязкая среда.
Баланс потенциальной энергии, баланс
кинетической энергии центра масс.
Непрерывные системы. Полная и
внутренняя энергия, закон сохранения
энергии. Теплообмен в непрерывных
системах, баланс внутренней энергии,
первое начало. Принцип локального
равновесия.
Уравнения
баланса
энтропии, производство энтропии.
Обобщенная
теорема
Карно
–
Клаузиуса. Потоки и силы.
лекции
2
по методическим материалам
–
лекции
2
по методическим материалам
–
6
7
8
Уравнения линейной неравновесной
термодинамики. Линейные законы,
экспериментальное обоснование,
примеры. Ограничения на
кинетические коэффициенты,
вытекающие из второго начала.
Принцип Кюри, изотропные и
лекции
анизотропные системы. Соотношения
взаимности Онзагера как
феноменологический постулат.
Термогидродинамические
дифференциальные уравнения.
Обоснование соотношений
взаимности Онзагера. Принцип
микроскопической обратимости.
Теорема Онзагера. Соотношения
по методическим материалам
Онзагера – Казимира.
Различные типы неравновесных
процессов.
Теплопроводность
в
анизотропных
кристаллах.
Неравновесные химические процессы
в однородных системах. Прерывные
системы, термомеханический эффект,
лекции
термомолекулярная
разность
давлений.
Многокомпонентные
прерывные системы, термодиффузия.
Электрокинетические
явления.
Стационарные состояния. Теорема о
минимуме производства энтропии.
Устойчивость
стационарных по методическим материалам
состояний.
Некоторые положения нелинейной
неравновесной
термодинамики.
Химическая
реакция
–
пример
нелинейных
законов.
Анализ
необратимых процессов вне действия
линейных
законов.
Переход
в лекции
стационарное
состояние.
Универсальный критерий эволюции.
Устойчивость в нелинейной области.
Биологические
системы,
термодинамическая
трактовка.
Направления развития термодинамики по методическим материалам
необратимых процессов.
2
–
2
–
1
–
Период обучения (модуль): Семестр 4
№
п/п
1
Наименование темы (раздела, части)
Вид учебных занятий
Квантовохимические
расчеты лекции
геометрии,
электронной
и
колебательной структуры молекул
и периодических наносистем.
Наиболее известные пакеты программ
для квантово- химических расчетов.
Программы GAUSSIAN и GAMESS.
Структура input-файлов. Простейшие
примеры входных файлов.
Графические программы визуализации
результатов расчетов молекулярных
систем. Расчеты равновесных
по методическим материалам
геометрий, точек переходных
состояний, путей химических реакций.
Методы расчета потенциалов
ионизации, сродства к электрону и
протону. Конформационный анализ
методами молекулярной механики
как подготовительный этап
квантовохимического поиска
изомеров. Учет вляния растворителя.
Дискретная и континуальная модели
растворителя.
Физическая
химия лекции
мезоструктурных флюидных систем
2
3
Количество
часов
9
4
4
Макроскопическое
описание
неоднородных
систем.
Теория
функционала плотности: структура и
термодинамические свойства флюида.
Мезоструктурные
полимерные
системы. Экспериментальные методы
и успехи развития теории полимерных
систем:
теории
скейлинга
и
самосогласованного поля. Агрегация в
растворах амфифилов. Термодинамика
агрегации.
Молекулярнотермодинамические
модели.
Пространственные сетки и гели.
Физическая
химия
растворов лекции
электролитов и химические сенсоры
4
Введение.
Термодинамика
и
молекулярные
теории
растворов по методическим материалам
электролитов.
Современные
экспериментальные
методы
4
исследования. Понятие о сенсорах,
место ионоселективных электродов и
электродов
для
измерения
окислителного
потенциала
среди
других электрохимических сенсоров.
Области применения ионометрии и
редоксметрии.
Стандартизация
ионометрических
измерений.
Межфазный
и
диффузионный потенциалы, полный
мембранный потенциал, уравнение
Никольского.
Принципиальные
основы аналитического применения
ионоселективных
электродов,
их
конструкции.
Стеклянные
ионоселективные
электроды,
электроды
с
полии
монокристаллическими мембранами.
Электроды
с
полимерными
мембранами на основе ионофоров.
Газовые и ферментные электроды.
4
5
6
Кинетика
простых
реакций.
Стехиометрическое
уравнение
и
механизм
реакции,
химическая
лекции
переменная,
скорость
реакции,
константа
скорости
и
порядок
реакции, кинетический закон действия
масс,
молекулярность.
Методы
определения порядка реакции.
по методическим материалам
Кинетика сложных реакций.
Система дифференциальных
уравнений сложного химического
процесса. Принцип независимости
скоростей простых реакций. Типы
сложных реакций. Промежуточные
вещества. Метод квазистационарных
концентраций. Цепные,
автокаталитические и колебательные
реакции. Роль температуры.
Теория бимолекулярных
столкновений и реакций. Скорость
бимолекулярной реакции.
Молекулярный смысл энергии
активации и предэкспоненциального
множителя, связь с кинетической
энергией вдоль линии центров и
2
-
лекции
2
по методическим материалам
-
лекции
1
удельным числом столкновений.
Мономолекулярные реакции. Схема
Линдемана. Схема Хиншельвуда,
статистический смысл энергии
активации. Теория Касселя,
по методическим материалам
классические и квантовые
осцилляторы. Молекулярный смысл
энергии активации и
предэкспоненциального множителя.
7
Теория переходного состояния.
Поверхность потенциальной энергии.
Переходное состояние,
активированный комплекс, путь и
координата реакции.
Трансмиссионный коэффициент,
истинная энергия активации и
потенциальный барьер.
Термодинамическая форма уравнения
теории переходного состояния,
гиббсова (гельмгольцева) энергии,
внутренняя энергия и энтропия
активации.
Кинетика реакций в растворе.
Особенностей кинетики жидкофазных
реакций, клеточный эффект. Теория
столкновений, кинетическая и
диффузионная области. Влияние
распределения ионов в растворе.
Сольватация. Теория переходного
состояния, роль коэффициентов
активности. Солевые эффекты.
8
лекции
по методическим материалам
Кинетика твердофазных процессов.
Особенности кинетики реакций с
участием твердых фаз. Кинетика
гетерогенных
некаталитических
процессов.
Основные
типы
твердофазных реакций. Возможности
применения
общих
уравнений лекции
химической кинетики к твердофазным
реакциям.
Кинетические
модели
твердофазных реакций с различными
лимитирующими
стадиями.
Твердофазные реакции, лимитируемые
диффузией; диффузионные модели.
Метод Яндера и его модификации.
Теория Вагнера – Шмальцрида.
Термодинамические методы оценки по методическим материалам
параметров твердофазных реакций.
Энергия активации твердофазных
реакций.
Методы
изучения
1
2
1
2
1
термодинамических
свойств
материалов и кинетики твердофазных
процессов.
Экспериментальные
методы
кинетики
твердофазных
реакций. Основные кинетические и
термодинамические принципы синтеза
твердофазных материалов.
Раздел 3.
3.1.
Обеспечение учебных занятий
Методическое обеспечение
3.1.1 Методические указания по освоению дисциплины
Лекционный материал; источники, приведенные в списке обязательной литературы
3.1.2 Методическое обеспечение самостоятельной работы
Лекционный материал; источники, приведенные в списке дополнительной литературы
3.1.3 Методика проведения текущего контроля успеваемости и промежуточной
аттестации и критерии оценивания
Контрольные вопросы и задания для самостоятельной работы
3.1.4 Методические материалы для проведения текущего контроля успеваемости и
промежуточной аттестации (контрольно-измерительные материалы, оценочные средства)
Перечень контрольных вопросов и заданий для самостоятельной работы формируется
преподавателем в соответствии с выбранными темами для самостоятельной подготовки.
3.1.5 Методические материалы для оценки обучающимися содержания и качества
учебного процесса
Анкеты
3.2.
Кадровое обеспечение
3.2.1 Образование и (или) квалификация преподавателей и иных лиц, допущенных к
проведению учебных занятий
Кандидат или доктор химических наук – ассистент, доцент, профессор
3.2.2 Обеспечение учебно-вспомогательным и (или) иным персоналом
Не предусмотрены
3.3.
Материально-техническое обеспечение
3.3.1 Характеристики аудиторий (помещений, мест) для проведения занятий
Чтение лекций осуществляется в аудиториях, снабженных оборудованием для
представления презентационного материала. Количество мест в аудитории - не менее 20
3.3.2 Характеристики аудиторного оборудования, в том числе неспециализированного
компьютерного оборудования и программного обеспечения общего пользования
Мультимедийное оборудование (проектор, компьютер). MS Office
3.3.3 Характеристики специализированного оборудования
не предусмотрены
3.3.4 Характеристики специализированного программного обеспечения
не предусмотрены
3.3.5 Перечень и объёмы требуемых расходных материалов
не предусмотрены
3.4.
Информационное обеспечение
3.4.1 Список обязательной литературы
1. И.Пригожин, Р.Дефэй. Химическая термодинамика. М.: изд-во Бином, 2010.
2. D.A.McQuarrie, J.D.Simon 1998, Molecular Thermodynamics, University Sci. Books, CA
3. Никольский А.Б. и др. Физическая химия, 1987, Л., Химия
4. Н.А.Смирнова, 1982, Методы статистической термодинамики в физической химии,
Высшая школа, Москва
5. П.Эткинс. Физическая химия: Пер. с 7-го англ. изд. - Т.1-3. - М.: МГУ, 2007.
6. Третьяков Ю.Д., Путляев В.И. Введение в химию твердофазных материалов. М.: изд-во
МГУ: «Наука», 2006.
7. Байрамов В.М. Основы химической кинетики и катализа. М.: «Академия», 2003.
8. Первухин О.К, Панов М.Ю., Рахимов В.И. Основы химической кинетики. СПб.: Изд-во
СПбГУ, 2012.
9. Пригожин И. Введение в термодинамику необратимых процессов (пер. с англ.
Михайлова В.В.; под ред. Акулова Н.С.). М.: НИЦ "Регулярная и хаотическая динамика",
2001.
10. Пригожин И., Кондепуди Д. Современная термодинамика. От тепловых двигателей до
диссипативных структур. М.: Мир, 2002.
11. О. В. Сизова, А. И. Панин , Неэмпирические расчеты молекул, Учебное пособие,
Химический ф-т СПбГУ (третье издание) 2004
12. В. И. Барановский, Квантовая механика и квантовая химия, Учебное пособие, изд.
«Академия», 2008
13. R.A.Evarestov, Quantum Chemistry of Solids, 2nd edition, Springer, 2012.
14. Н.Ф.Степанов, Квантовая механика и квантовая химия, Москва «Мир», 2001
3.4.2 Список дополнительной литературы
1. J.D.Simon, D.A.McQuarrie, 2001, Physical Chemstry, University Sci. Books, CA
2. Л.Д.Ландау, Е.М.Лифшиц, 1964, Статистическая Физика, том 5, Наука, Москва
3. Дж.В.Гиббс. Термодинамика. Статистическая механика. М.: Наука. 1982.
4. А.В.Сторонкин. Термодинамика гетерогенных систем. Л.: ЛГУ. Ч. I и II. 1967.
5. И.П.Базаров. Термодинамика. Издание 4-е. М.: Высшая школа, 1991.
6. T.H. Davis, 1996, Statistical Mechanics of Phases, Interfaces, and Thin Films, Wiley VCH
7. И.Пригожин, Д.Кондепуди. Современная термодинамика. М.: Мир. 2002.
8. А. Мюнстер. Химическая термодинамика. М.: УРСС, 2002.
9. А.И.Ансельм. Основы статистической физики и термодинамики. СПб.-М.-Краснодар:
«Лань», 2007.
10. В.В.Еремин, С.И.Каргов, И.А.Успенская, Н.Е.Кузьменко, В.В.Лунин. Основы
физической химии. Теория и задачи: Учебное пособие для вузов. – М.: Экзамен, 2005.
11. Н.М.Бажин, В.А.Иванченко, В.Н.Пармон. Термодинамика для химиков. – М.: Химия,
2006.
12. А.Г.Стромберг, Д.П. Семченко. Физическая химия. - М.: ВШ, 2006.
13. А.А.Пендин, Н.А.Смирнова. Сборник примеров и задач по физической химии. СПб.:
изд-во СПбГУ, 2006.
14. Николис Г., Пригожин И. Самоорганизация в неравновесных системах. М.: Мир, 1979.
15. Гленсдорф П., Пригожин И. Термодинамическая теория структуры, устойчивости и
флуктуации. М.: Мир, 1973. 280 с.
16. Мельников М.Я (ред.). Практическая химическая кинетика. СПб.: изд-во СПб ун-та –
изд-во МГУ, 2006.
17. Б.В. Романовский. Основы химической кинетики. Экзамен, М.: 2006,
18. Кнотько А.В., Пресняков И.А., Третьяков Ю.Д. Химия твердого тела. Учебное пособие
для студентов высш. учеб. заведений. М.: Академия, 2006.
19. Foresman J.B., Frisch A. Exploring chemistry with electronic structure methods (2ed., 1996)
3.4.3 Перечень иных информационных источников
Интернет
–
ресурсы,
базы
SciVerse,
Web
of
Science,
http://www.gaussian.com/g_tech/g09ur.htm, http://www.msg.ameslab.gov/gamess/ и другие.
Раздел 4.
Разработчики программы
проф. А.И.Викторов, проф. А.М.Тойкка, проф. Р.А.Эварестов