ЮРГИНСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ФИЛИАЛ) ФЕДЕРАЛЬНОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО

ЮРГИНСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ФИЛИАЛ) ФЕДЕРАЛЬНОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО
БЮДЖЕТНОГО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО УЧРЕЖДЕНИЯ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
УТВЕРЖДАЮ
Зам. директора ЮТИ ТПУ
_______ В. Л. Бибик
«_» _________2011 г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
НАПРАВЛЕНИЕ ООП: 150400 МЕТАЛЛУРГИЯ
ПРОФИЛЬ ПОДГОТОВКИ: Металлургия черных металлов
КВАЛИФИКАЦИЯ (СТЕПЕНЬ): бакалавр
БАЗОВЫЙ УЧЕБНЫЙ ПЛАН ПРИЕМА 2011 г.
КУРС 2; СЕМЕСТР 3,4;
КОЛИЧЕСТВО КРЕДИТОВ: 5
ПРЕРЕКВИЗИТЫ: «Физика», «Математика», «Неорганическая химия».
КОРЕКВИЗИТЫ:
«Физико-химические
основы
металлургических
процессов», «Теплотехника», «Производство чугуна и прямое получение
железа», «Основы теории и технологии производства стали».
ВИДЫ УЧЕБНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ И ВРЕМЕННОЙ РЕСУРС:
ЛЕКЦИИ
54 часов (ауд.)
ЛАБОРАТОРНЫЕ ЗАНЯТИЯ
18 часа (ауд.)
ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ
18 часов (ауд.)
АУДИТОРНЫЕ ЗАНЯТИЯ
90 часов
САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА
72 часов
ИТОГО
162 часов
ФОРМА ОБУЧЕНИЯ
очная
ВИД ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ: ЭКЗАМЕН В 3,4 СЕМЕСТРАХ
ОБЕСПЕЧИВАЮЩАЯ КАФЕДРА: «Металлургия черных
металлов»
ЗАВЕДУЮЩИЙ КАФЕДРОЙ:
_____________ к.т.н., доцент Сапрыкин А.А.
РУКОВОДИТЕЛЬ ООП:
_____________ к.т.н., доцент Сапрыкин А.А.
ПРЕПОДАВАТЕЛЬ:
_____________ ст. преподаватель РодзевичА.П.
2011 г.
1. Цели освоения дисциплины
В результате освоения данной дисциплины бакалавр приобретает
знания, умения и навыки, обеспечивающие достижение целей основной
образовательной программы «Металлургия».
Дисциплина нацелена на формирование современного химического
мировоззрениябакалавров, так же приобретение навыков самостоятельной
работы, необходимых для использования знаний по физической химии при
изучении специальных дисциплин и дальнейшей практической деятельности.
2. Место дисциплины в структуре ООП
Дисциплина относится к дисциплинам математического и
естественнонаучного цикла (Б2.Б5). Она непосредственно связана с
дисциплинами естественнонаучного и математического цикла: «Физика»,
«Математика», «Неорганическая химия» и опирается на освоенные при
изучении данных дисциплин знания и умения. Кореквизитами для
дисциплины «Физическая химия» являются дисциплины ОП циклов:
«Физико-химические основы металлургических процессов», «Теплотехника»,
«Производство чугуна и прямое получение железа», «Основы теории и
технологии производства стали».
3. Результаты освоения дисциплины
В процессе изучения дисциплины бакалавры должны приобрести
фундаментальные знания:
- об основных химических системах и процессах;
- о взаимосвязи между свойствами химической системы, природой
веществ и их реакционной способностью;
- о растворах, дисперсных и электрохимических системах;
- о термодинамике процессов, протекающих в твердых, жидких и
газообразных телах.
А так же получить практические навыки самостоятельного проведения
химического эксперимента.
После изучения данной дисциплины бакалавры приобретают
знания,умения и опыт, соответствующие результатам основной
образовательнойпрограммы*.
Соответствие
результатов
освоения
дисциплины «Металлурги» формируемым компетенциям ООП представлено
в таблице.
Формируемые
Результаты освоения дисциплины
компетенции в
соответствии с
ООП*
З.2.1, З.2.2, З.2.4 В результате освоения дисциплины бакалавр должен
знать:законы и понятия физической химии для анализа
металлургических процессов, природу фазовых равновесий в
металлургических системах, термодинамический анализ.
У.2.1,
У.2.2, В результате освоения дисциплины бакалавр должен уметь:
У.2.4
выполнять термохимические расчеты, расчеты химического
равновесия, равновесия в растворах, анализировать фазовые
равновесия на основе диаграмм состояния.
В.2.1,
В.2.2, В результате освоения дисциплины бакалавр должен
В.2.4
владеть: Основными физико-химическими расчетами
металлургических процессов
*Расшифровка кодов результатов обучения и формируемых
компетенций представлена в Основной образовательной программе
подготовки бакалавров по направлению 150400 «Металлургия».
4.Структура и содержание дисциплины
4.1. Структура дисциплины по разделам, формам организации
иконтроля обучения
№ Название
раздела/темы
Аудиторная
(час)
Лек- Лаб.
ции зан.
8
4
1.
Химическая
термодинамика
2.
Элементы
2
статистической
термодинамики
Фазовые
8
равновесия
3.
работа СРС
(час)
Практ./
семинар
4
7
Итого Формы текущего
контроля
и
аттестации
23
7
9
4
2
7
21
4.
Растворы
6
3
2
7
18
5.
Растворы
электролитов
8
3
2
7
20
Отчеты по лабораторным работам.
Отчеты
по
практическим
работам
Отчеты
по
практическим
работам
Отчеты по лабораторным работам
Отчеты
по
практическим
работам
Отчеты по лабораторным работам.
Отчеты
по
практическим
работам
Отчеты
по
практическим
6.
Поверхностные 4
явления
7.
Диффузия
металлах
8.
Кинетика
химических
реакций
8
9.
Катализ
2
в6
10. Термодинамика 2
необратимых
процессов
11. Итоговая
аттестация
Итого
54
При сдаче
собеседование.
2
отчетов
2
18
и
2
7
15
2
7
15
2
7
19
2
7
11
7
9
2
2
72
162
18
письменных
работ
работам
Отчеты по лабораторным работам.
Отчеты
по
практическим
работам
Отчеты
по
практическим
работам
Отчеты по лабораторным работам.
Отчеты
по
практическим
работам
Отчеты
по
практическим
работам
Экзамен 3,4
семестр
проводится
устное
4.2. Содержание разделов дисциплины
Раздел 1. Химическая термодинамика.
Лекция. Введение.Предмет и содержание курса физической химии. Ее
основные разделы. Значение физической химии для металлургии и
металловедения. Методы физической химии: термодинамический,
статистический и квантовомеханический. Философские основы физической
химии.
Первое начало термодинамики. Первый закон термодинамики.
Рассмотрение некоторых процессов на основе первого закона
термодинамики. Первый закон термодинамики и химические реакции
(термохимия).
Второе начало термодинамики. Естественные самопроизвольно
протекающие процессы. Энтропия как мера вероятности. Изменение
энтропии в изолированной системе, критерии направления процесса.
Вычисление изменения энтропии при различных процессах. Энергия Гиббса.
Энергия Гельмгольца. Зависимость энергии Гельмгольца и Гиббса от
параметров состояния. Химический потенциал.
Химическое равновесие. Химическое равновесие в гомогенных
системах. Закон действующих масс. Определение направления процесса по
уравнению изотермы химической реакции. Химическая постоянная.
Эмпирические правила Трутона и Дюринга. Зависимость константы
равновесия химической реакции от температуры. Уравнения изохоры и
изобары химической реакции.Химическое равновесие в гетерогенных
системах. Методы расчета химических равновесий.
Третий закон термодинамики. Третий закон термодинамики.
Вырожденное состояние тела. Первое и второе утверждение третьего закона
термодинамики. Тепловая теорема Нернста. Применение третьего закона
термодинамики для расчетов равновесия.
Лабораторная
работа
1.Определение
теплоты
растворения
неизвестной соли.
Практическая работа1. Химическая термодинамика.
Раздел 2. Элементы статистической термодинамики
Лекция. Основные понятия. Расчет вероятности. Сумма по состояниям.
Расчет суммы по состояниям. Выражение термодинамических величин с
помощью суммы по состояниям.
Раздел 3. Фазовые равновесия
Лекция. Правило фаз Гиббса. Уравнение Клаузиуса - Клайперона.
Фазовые диаграммы двухкомпонентных систем. Первый тип фазовых
диаграмм. Второй тип фазовых диаграмм. Третий тип фазовых диаграмм.
Четвертый тип фазовых диаграмм. Пятый тип фазовых диаграмм. Шестой
тип фазовых диаграмм. Идентификация областей на фазовых диаграммах.
Понятие о диаграммах состояния трехкомпонентных систем.
Лабораторная
работа
2.Построение
диаграммы
плавкости
двухкомпонентной системы.
Практическая работа2.Фазовое равновесие однокомпонентных
систем.
Раздел 4. Растворы
Лекция. Термодинамическая теория растворов. Термодинамические
функции растворов. Теория бесконечно разбавленных растворов.
Термодинамические функции бесконечно разбавленных растворов.
Температура кипения бесконечно разбавленного раствора нелетучего
вещества. Температура замерзания бесконечно разбавленного раствора.
Закон распределения. Модель совершенных растворов. Неидеальные
растворы.
Термодинамическая активность. Понятие активности. Эмпирические
методы определения активности. Расчеты равновесий в металлических
растворах.
Лабораторная работа 3.Определение парциальных молярных теплот
растворения.
Практическая работа 3.Расчет снижения температуры жидкой стали
при выдержке в ковше Выбор технологических баз с учетом технических
требований к детали.
Раздел 5. Растворы электролитов
Лекция. Электрохимия (4 часа).
Теория электролитической диссоциации. Термодинамика растворов
электролитов. Подвижность ионов. Числа переноса.
Термодинамика
электродных
процессов.
Термодинамика
гальванического элемента. Активность сильных электролитов. Способы
определения активности электролитов. Коэффициенты активности
электролитов. Межфазные скачки потенциала. Общие особенности
электрохимических
элементов.
Термодинамика
электрохимического
элемента.Электродвижущая сила электрохимического элемента. Зависимость
Э.Д.С. от температуры, концентрации электролитов. Типы электродов. Типы
гальванических элементов. Диффузионный потенциал, его возникновение,
вычисление и устранение. Стандартные потенциалы, ряд напряжений.
Определение термодинамических величин при помощи метода э.д.с.
Металлургические шлаки.
Электролиз и поляризация. Поляризация электрохимическая и
концентрационная. Поляризация электрода. Полярография. Перенапряжение.
Лабораторная работа 4.Электролитическая диссоциация.
Практическая работа 4. Электрохимия.
Раздел 6. Поверхностные явления
Лекция.Роль поверхностных явлений в различных процессах.
Адсорбция газов. Теория Лангмюра. Теория БЭТ для полимолекулярной
адсорбции. Газовая хроматография. Селективность и эффективность.
Хроматограммы поверхности жидкости. Поверхностное натяжение.
Смачиваемость. Теория поверхностей раздела Гиббса.
Лабораторная работа 5.Определение удельной поверхности пористых
веществ (адсорбция уксусной кислоты углем)
Практическая работа 5. Поверхностные явления.
Раздел 7. Диффузия в металлах
Лекция.Диффузия. Уравнение диффузии. Первое и второе уравнение
Фика. Экспериментальные методы исследования диффузии. Диффузия в
твердых телах. Модель случайных блужданий. Механизмы диффузии в
кристаллах. Вакансионный механизм диффузии. Эффект Киркендаля.
Междоузельный механизм. Диффузия в многофазных системах.
Термодиффузия. Дефекты в твердом теле. Типы движения дислокаций.
Жидкое состояние. Модели жидкого состояния.
Практическая работа 6.Диффузия.
Раздел 8. Кинетика химических реакций
Лекция.Формальная кинетика гомогенных реакций. Скорость
химической реакции и кинетическое уравнение. Методы определения
порядка реакции и константы скорости. Кинетика химических реакций
вблизи состояния равновесия. Зависимость константы скорости от
температуры. Кинетика параллельных реакций. Кинетика цепных реакций.
Кинетика гетерогенных реакций.Особенности кинетики гетерогенных
процессов. Массопередачавнешняя и внутренняя в некоторых процессах.
Кинетика кристаллизации. Топохимические реакции. Кинетика твердофазных
реакций. Рекристаллизация. Мартенситные превращения.
Лабораторная работа 6.Изучение кинетики реакции разложения
мочевины в водных растворах методом электропроводности
Практическая работа 7.Кинетики химических реакций.
Раздел 9. Катализ
Лекция.Общие сведения о катализе.
Гетерогенный катализ.
Практическая работа 8.Процессы катализа.
Гомогенный
катализ.
Раздел 10. Термодинамика необратимых процессов
Лекция.Первый и второй постулаты Онзагера. Диффузионная и
тепловая термодинамические силы. Химическая термодинамическая сила.
Третий
постулат
Онзагера.
Принцип
детального
равновесия.
Переопределение химической силы. Алгоритм решения задач методом
Онзагера.
4.3. Распределение компетенций по разделам дисциплины
Распределение по разделам дисциплины планируемых результатов
обучения по основной образовательной программе, формируемых в рамках
данной дисциплины и указанных в пункте 3.
№
1.
2.
3.
4.
Формируемые
компетенции
1
З.2.1
х
З.2.2
х
З.2.4
У.2.1
х
Разделы дисциплины
2
3
4
5
6
7
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
8
х
9
х
10
х
х
х
5.
6.
7.
8.
9.
У.2.2
У.2.4
В.2.1
В.2.2
В.2.4
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
5.
Образовательные технологии
При освоении дисциплины используются следующие сочетания видов
учебной работы с методами и формами активизации познавательной
деятельности магистрантов для достижения запланированных результатов
обучения и формирования компетенций.
Методы и формы
активизации деятельности
Дискуссия
ТУ-методы
Командная работа
Разбор кейсов
Опережающая СРС
Индивидуальное
обучение
Проблемное
обучение
Обучение на основе
опыта
Виды учебной деятельности
ЛК
ПР
х
х
х
х
ЛБ
СРС
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
Для достижения поставленных целей преподавания дисциплины
реализуются следующие средства, способы и организационные мероприятия:
–
изучение теоретического материала дисциплины на лекциях с
использованием компьютерных технологий;
–
самостоятельное изучение теоретического материала дисциплины с
использованием Internet-ресурсов, информационных баз, методических
разработок, специальной учебной и научной литературы;
–
закрепление теоретического материала при проведении лабораторных
работ с использованием учебного и научного оборудования и приборов,
выполнения проблемно-ориентированных, поисковых, творческих заданий.
6.
Организация
и
учебно-методическое
самостоятельной работы студентов (СРС)
обеспечение
6.1 Текущая и опережающая СРС, направленная на углубление и
закрепление знаний, а также развитие практических умений заключается в:
–
работе бакалавров с лекционным материалом;
–
выполнении домашних заданий,
–
изучении тем, вынесенных на самостоятельную проработку,
–
изучении теоретического материала к лабораторным и практическим
занятиям,
–
подготовке к экзамену.
–
–
–
–
6.1.1. Темы, выносимые на самостоятельную проработку:
Экспериментальные методы исследования диффузии.
Исторические этапы развития физической химии.
Строение атома.
Строение молекулы.
6.2 Творческая проблемно-ориентированная самостоятельная
работа (ТСР) направлена на развитие интеллектуальных умений, комплекса
универсальных (общекультурных) и профессиональных компетенций,
повышение творческого потенциала магистрантов и заключается в:
–
поиске, анализе, структурировании и презентации информации, анализе
научных публикаций по определенной теме исследований,
–
анализе статистических и фактических материалов по заданной теме,
проведении расчетов,
–
исследовательской работе и участии в научных студенческих
конференциях, семинарах и олимпиадах,
6.2.1. Примерный перечень научных проблем и направлений
научных исследований:
1. Термодинамические характеристики теплозащитного материала.
2. Кинетика
металлургических
процессов
при
раскисленииразличнымираскислителями.
3. Интенсификация процессов в металлургии.
4. Разработка современных технологий защитных покрытий
металлической продукции.
7. Средства текущей и итоговой оценки качества освоения
дисциплины (фонд оценочных средств)
Оценка успеваемости бакалавров осуществляется по результатам:
–
самостоятельного (под контролем учебного мастера) выполнения
лабораторной работы,
–
устного опроса при сдаче выполненных индивидуальных заданий,
защите отчетов по лабораторным работам и во время экзамена (для
выявления знания и понимания теоретического материала дисциплины).
7.1. Требования к содержанию экзаменационных вопросов
Экзаменационные билеты включают три типа заданий:
1. Теоретический вопрос.
2. Проблемный вопрос.
3. Творческое проблемно-ориентированное задание.
7.2. Примеры экзаменационных вопросов
1. II начало термодинамики. Энтропия – как термодинамическая
функция состояния системы. II началотермодинамики в обратимых и
необратимыхсистемах.
2. Диаграмма состояния с ограниченной растворимостью в твердом
состоянии:
а) диаграмма с эвтектикой
б) диаграмма с перитектикой.
3. При 293К плотность 1,185*10-3 моль/м3 водного раствора хлорида
алюминия равна 1129 кг/м3. Выразить концентрацию этого раствора в
массовых долях (%); в молях соли на 1 кг воды; в мольных долях.
8. Учебно-методическое и информационное обеспечение модуля
(дисциплины)
Основная литература
1. Стромберг А.Г., Семченко Д.П. Физическая химия. – М.: Высшая
школа, 2001. – 527 с.
2. Физическая химия. В 2 кн. Кн. 1. Строение вещества.
Термодинамика: Уч. Для вузов. /Под ред. К.С. Краснова. – 3-е изд., испр. – М:
Высш. школа, 2001. – 512 с.
3. Физическая химия. В 2 кн. Кн. 2. Электрохимия. Химическая
кинетика и катализ: Уч. Для вузов. /Под ред. К.С. Краснова. – 3-е изд., испр. –
М: Высш. школа, 2001. – 319 с.
4. Стромберг А.Г., Лельчук Х.А. Сборник задач по химической
термодинамике. – М.: Высшая школа, 1988. – 126с.
5. Бокштейн Б.С., Менделев М.И. Краткий курс физической химии –
М.: Че-ро, 1999. – 230 с.
6. Жуховицкий А.А., Шварцман Л.А. Физическая химия. – М.:
Металлургия, 1987. – 686 с.
7. Киселева Е.В., Каретников Г.С., Кудряшов И.В. Сборник примеров
и задач по физической химии. – М.: Высшая школа, 1983. – 456 с.
8. Краткий справочник физико-химических величин/ Под редакцией
Мищенко К.П. – Л.: Химия, 1983. – 231с.
Вспомогательная литература
1. Минаев Ю.А., Яковлев В.В. Физическая химия в металлургии
(термодинамика, гидродинамика, кинетика): Учеб. Пособие для вузов. – М.:
«МИСИС», 2001. – 320 с.
2. Фистуль В.И. Физика и химия твердого тела: Учебник для вузов: в 2
т. М: Металлургия, 1995.-480с.
3. Попель СИ. Поверхностные явления в расплавах. -М:
Металлургия., 1994.-440с.
4. Вест А. Химия твердого тела. Теория и приложения: В 2-х частях.
Пер. с англ: – М: Мир,1988,-558 с.
5. Эткинс П. Физическая химия. – М.: Мир, 1980, т.1. – 580с.; т.2. –
584с.
6. Еремин Е.Н. Основы химической термодинамики. – М.: Высшая
школа, 1978, 391с.
7. Измайлов Н.А. Электрохимия растворов. – М.: Химия, 1976, 575с.
8. Карапетьянц М.Х. Химическая термодинамика. – М.: Химия, 1975,
320с.
Интернет-ресурсы:
http://www.xumuk.ru/encyklopedia/
9. Материально-техническое обеспечение дисциплины
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Учебный лабораторный комплекс «Химия» – 1 шт.
Дистиллятор– 1 шт.
Муфельная печь – 1 шт.
Весы аналитические - 1 шт.
Установка для титрования – 1шт
Химические реактивы.
* приложение – Рейтинг-план освоения модуля (дисциплины) в течение
семестра.
Программа составлена на основе Стандарта ООП ТПУ в соответствии с
требованиями ФГОС-2010 по направлению и профилю подготовки
«Металлургия», профиль «Металлургия черных металлов».
Программа одобрена на заседании кафедры МЧМ
(протокол № 84 от «07» сентября 2011 г.).
Автор:
Рецензент:
РодзевичА.П.
Сапрыкин А.А.
РЕЙТИНГ – ЛИСТ
по курсу «Физическая химия» (3 семестр)
За период обучения оцениваются следующие виды работ:
Текущий контроль:
1. Коллоквиум (отл. –10; хор. – 7,5; удовл. – 5; неуд. – 0):
Тема 1. Термодинамика.
Тема 2. Фазовые состояния.
10
10
2. Лабораторные работы (выполнение в срок – 5; не в срок – 3):
Тема 1. Построение диаграммы плавкости двухкомпонентной системы
Тема 2. Определение теплоты растворения неизвестной соли
5
5
3. Самостоятельная работа (решение задач, в срок –15; не в срок – 10):
Тема 1. Термодинамика
15
Тема 1. Фазовое равновесие однокомпонентных систем
15
4. Внепрограммная учебная деятельность:
Участие в конференции ЮТИ ТПУ
Внепрограммная индивидуальная работа
Итоговый контроль
Допуск до экзаменаи зачет (минимально набранные балы за семестр)
Экзамен
10
до 20
60
40
РЕЙТИНГ – ЛИСТ
по курсу «Физическая химия» (4 семестр)
За период обучения оцениваются следующие виды работ:
Текущий контроль:
1. Коллоквиум (отл. –20; хор. – 15; удовл. – 10; неуд. – 0):
Тема 1. Растворы и электрохимия.
Тема 2. Поверхностные явления, диффузия, статистическая
термодинамика.
Тема 3. Кинетика, катализ, необратимые процессы.
10
10
10
2. Лабораторные работы (выполнение в срок – 100; не в срок – 80):
Тема 1. Изучение кинетики реакции разложения мочевины
в водных растворах методом электропроводности
Тема 2. Определение удельной поверхности пористых веществ
(адсорбция уксусной кислоты углем)
Тема 3. Определение константы и степени диссоциации
слабого электролита
5
5
5
3. Самостоятельная работа (решение задач, в срок –15; не в срок – 10):
Тема 1. Электрохимия
15
4. Внепрограммная учебная деятельность:
Участие в конференции ЮТИ ТПУ
Внепрограммная индивидуальная работа
Итоговый контроль
Допуск до экзамена (минимально набранные балы за семестр)
Экзамен
10
до 20
60
40