04.06.01 Химические науки. Профиль: Физическая химия

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО РЫБОЛОВСТВУ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«МУРМАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
УТВЕРЖДАЮ
Проректор по научной работе
_____________ С.Р. Деркач
«___» _______________2014 год
ПРОГРАММА
Вступительных испытаний в аспирантуру по образовательным программам
высшего образования – программам подготовки научно-педагогических кадров
в аспирантуре.
Направление: 04.06.01 «Химические науки»
Направленность (профиль): Физическая химия
Кафедра-разработчик: кафедра химии
Факультет: ФПИиБ
Лист согласования
1. Разработчик кафедра химии
2. Программа вступительных испытаний рассмотрена и одобрена на заседании
кафедры_химии__ протокол №__5___ от __04.02.2014 г.______.
Заведующий кафедрой____Путинцев Н.М._____________________
__________________
дата
____________________
подпись
____________
Программа вступительных испытаний
Основы химической термодинамики.
Основные термодинамические понятия и определения (термодинамическая
система, типы систем, термодинамические параметры, функции состояния и процессы).
Понятие о термодинамическом равновесии. Равновесные (обратимые) и неравновесные
процессы. Квазистатический процесс. Уравнения состояния идеального газа и газа Ван-дерВаальса.
Первый закон термодинамики. Внутренняя энергия и её свойства. Теплоемкость. Работа
расширения идеального газа при различных процессах. Энтальпия. Зависимость энтальпии
от температуры. Термохимия. Закон Гесса и следствия из него. Расчет тепловых эффектов
химических процессов. Калориметрия.
Зависимость теплового эффекта химического процесса от температуры. Закон Кирхгофа
Второй закон термодинамики. Энтропия. Изменение энтропии в необратимых процессах.
Изменение энтропии как критерий самопроизвольности и равновесия процесса в изолированной системе. Термодинамические расчеты изменения энтропии в различных обратимых
процессах. Энтропия и термодинамическая вероятность системы. Термодинамические потенциалы. Критерии направления самопроизвольного процесса и равновесия. Характеристические функции. Связь максимальной полезной работы с тепловым эффектом процесса.
Уравнение Гиббса-Гельмгольца.
Химический потенциал идеального и реального газа, фугитивность и активность. Постулат
Планка. Абсолютная энтропия. Многокомпонентные системы и системы с переменной массой. Условия равновесия и самопроизвольного протекания процессов в многокомпонентных
системах.
Фазовые равновесия
Основные понятия и определения (гомогенная и гетерогенная системы, компонент,
независимый компонент, степень свободы). Правило фаз Гиббса. Фазовые переходы первого
рода. Уравнение Клаузиуса – Клапейрона. Его вывод и применение к фазовым равновесиям в
однокомпонентных системах. Диаграммы состояния воды и углекислого газа. Вид
диаграммы состояния бинарной системы на примере системы «хлорид натрия – вода».
Химические и адсорбционные равновесия.
Условия химического равновесия. Изотерма Вант-Гоффа.
Изменение энергии Гиббса при химической реакции. Химическое сродство. Стандартная
энергия Гиббса химической реакции. Константа равновесия. Различные виды констант равновесия и связь между ними.
Химические равновесия в растворах. Константы равновесия при различном выборе стандартных состояний для участников реакции. Химическое равновесие в разбавленном растворе. Влияние инертного растворителя.
Гетерогенные химические равновесия с образованием и без образования твердых растворов.
Зависимость констант равновесия от температуры и давления. Уравнение изобары реакции.
Третий закон термодинамики. Постулат Нернста. Постулат Планка. Таблицы термодинамических величин.
Явления адсорбции. Адсорбент. Адсорбат. Полная и избыточная адсорбции. Мономолекулярная и полимолекулярная адсорбция. Определение адсорбции по Гиббсу. Адсорбция из
растворов и газовой фазы. Изотермы адсорбции. Уравнение Ленгмюра, его термодинамический вывод и условия применимости. Уравнение Генри. Константа адсорбционного равновесия. Полимолекулярная адсорбция, ее описание методом Брунауэра - Эмета – Теллера (БЭТ).
Использование уравнения БЭТ для определения поверхности адсорбентов.
Химическая кинетика
Химическая кинетика - наука о скоростях и механизмах химических реакций.
Основные понятия химической кинетики. Скорость химической реакции в закрытой и
открытой системах. Кинетический закон действия масс и область его применимости:
реакции в газовой фазе и растворах, твердофазные реакции. Порядок реакции. Кинетические
кривые. Молекулярность элементарных актов реакций. Зависимость константы скорости от
температуры. Уравнение Аррениуса. Необратимые реакции первого порядка. Время
полупревращения и среднее время жизни исходных молекул. Необратимые реакции второго
порядка. Автокатализ. Определение констант скорости из опытных данных. Методы
определения порядка реакции. Сложные реакции. Принцип независимости элементарных
стадий. Обратимые реакции первого порядка. Скорость и сродство химической реакции.
Параллельные реакции. Последовательные реакции на примере двух необратимых реакций
первого порядка. Кинетический анализ процессов, протекающих через образование
промежуточных продуктов. Метод квазистационарности Боденштейна и область его
применимости. Квазиравновесие. Уравнение Михаэлиса - Ментэн.
Цепные реакции. Элементарные процессы возникновения, продолжения, разветвления и
обрыва цепей. Реакции в растворах. Роль диффузии. Уравнение Смолуховского. Фотохимические реакции. Элементарные фотохимические процессы.
Катализ.
Основные понятия катализа. Гомогенный и гетерогенный катализ. Ферментативный
катализ. Нанесенные катализаторы. Молекулярно-селективные катализаторы. Активность и
селективность катализаторов. Нанокатализаторы. Примеры механизмов каталитических процессов. Гомогенный катализ. Кислотно-основной катализ. Классификация реакций кислотноосновного типа. Кинетика и механизм реакций специфического кислотного катализа. Кинетика и механизм реакций общего кислотного катализа. Специфический и общий основной
катализ. Гетерогенный катализ. Определение скорости гетерогенной каталитической реакции. Макрокинетика. Роль диффузии в кинетике гетерогенных реакций.
Растворы неэлектролитов
Общая характеристика растворов. Растворимость газов в жидкостях. Закон Генри. Давление насыщенного пара над растворами. Закон Рауля. Идеальные, реальные и предельно
разбавленные растворы. Состав пара над идеальным раствором из двух жидкостей. Коллигативные свойства растворов. Осмос и осмотическое давление. Уравнение Вант-Гоффа. Понятия о парциальных мольных величинах и методах их определения. Уравнение Гиббса – Дюгема.
Растворы электролитов
Изотонический коэффициент. Теория электролитической диссоциации Аррениуса .
Константа диссоциации слабого электролита. Применение метода активностей к растворам
электролитов. Основные понятия электростатической теории сильных электролитов Дебая и
Гюккеля. Ионная сила раствора. Зависимость растворимости аминокислот и белков от ионной силы раствора. Полиэлектролиты. Удельная и молярная электропроводность растворов
электролитов. Закон Кольрауша. Связь электропроводности с абсолютными скоростями
движения ионов.
Электрохимия.
Химический
и электрохимический способы осуществления окислительновосстановительных реакций. Электрохимическая цепь и ее компоненты. Понятие электрохимического потенциала. Скачки потенциала на границах раздела фаз в электрохимической системе. Строение двойного электрического слоя на границе раздела «металл-раствор электролита». Модельные представления о структуре двойного слоя. Теория Гуи - Чапмена - Грэма;
сходство и различия этой теории с теорией ионной атмосферы Дебая - Гюккеля.
Контактный и диффузионный потенциал. Гальванические элементы. Обратимые и
необратимые гальванические элементы. Термодинамика гальванического элемента. Общее
выражение для ЭДС гальванического элемента и потенциала отдельного электрода.
Стандартный потенциал электрода. Водородная шкала стандартных потенциалов. Измерение
ЭДС гальванических цепей. Применение метода ЭДС для определения коэффициентов
активности и pH растворов.
Вопросы к вступительным испытаниям
1. Основные термодинамические понятия и определения (термодинамическая система, типы
систем, термодинамические параметры, функции состояния и процессы). Понятие о
термодинамическом равновесии. Равновесные (обратимые) и неравновесные процессы.
2. Первый закон термодинамики. Внутренняя энергия и её свойства. Теплоемкость. Работа
расширения идеального газа при различных процессах. Энтальпия. Зависимость энтальпии
от температуры. 3. 3. Термохимия. Закон Гесса и следствия из него.
4. Зависимость теплового эффекта химического процесса от температуры. Закон Кирхгофа.
5. Второй закон термодинамики. Энтропия. Изменение энтропии в необратимых процессах.
Изменение энтропии как критерий самопроизвольности и равновесия процесса в изолированной системе.
6. Химический потенциал идеального и реального газа, фугитивность и активность. Постулат
Планка.
7. Гомогенная и гетерогенная система, компонент, независимый компонент, степень
свободы. Правило фаз Гиббса. Фазовые переходы первого рода. Уравнение Клаузиуса –
Клапейрона. Диаграмма состояния воды. Вид диаграммы состояния бинарной системы на
примере системы «хлорид натрия – вода».
9. Условия химического равновесия. Изотерма Вант-Гоффа.
10. Изменение энергии Гиббса при химической реакции. Химическое сродство. Стандартная
энергия Гиббса химической реакции.
11. Константа равновесия. Различные виды констант равновесия и связь между ними.
12. Химические равновесия в растворах. Константы равновесия при различном выборе стандартных состояний для участников реакции. Химическое равновесие в разбавленном растворе. Влияние инертного растворителя.
13. Гетерогенные химические равновесия с образованием и без образования твердых растворов.
14. Зависимость констант равновесия от температуры и давления. Уравнение изобары реакции.
15. Третий закон термодинамики. Постулат Нернста. Постулат Планка. Таблицы термодинамических величин.
16. Явления адсорбции. Адсорбент. Адсорбат. Полная и избыточная адсорбции. Мономолекулярная и полимолекулярная адсорбция. Определение адсорбции по Гиббсу.
17. Адсорбция из растворов и газовой фазы. Изотермы адсорбции. Уравнение Ленгмюра, его
термодинамический вывод и условия применимости. Уравнение Генри. Константа адсорбционного равновесия.
18. Полимолекулярная адсорбция, ее описание методом Брунауэра - Эмета – Теллера (БЭТ).
Использование уравнения БЭТ для определения поверхности адсорбентов.
19. Общая характеристика растворов. Растворимость газов в жидкостях. Закон Генри. Давление насыщенного пара над растворами. Закон Рауля.
20. Идеальные, реальные и предельно разбавленные растворы. Состав пара над идеальным
раствором из двух жидкостей.
21. Коллигативные свойства растворов. Осмос и осмотическое давление. Уравнение ВантГоффа. Понятия о парциальных мольных величинах и методах их определения. Уравнение
Гиббса – Дюгема.
22. Изотонический коэффициент. Теория электролитической диссоциации Аррениуса . Константа диссоциации слабого электролита.
23. Основные понятия электростатической теории сильных электролитов Дебая и Гюккеля.
Ионная сила раствора.
24. Зависимость растворимости аминокислот и белков от ионной силы раствора. Полиэлектролиты.
25. Удельная и молярная электропроводность растворов электролитов. Закон Кольрауша.
26.Химический
и
электрохимический
способы
осуществления
окислительновосстановительных реакций. Электрохимическая цепь и ее компоненты.
27. Понятие электрохимического потенциала. Скачки потенциала на границах раздела фаз в
электрохимической системе.
28. Строение двойного электрического слоя на границе раздела «металл-раствор электролита». Модельные представления о структуре двойного слоя.Теория Гуи - Чапмена - Грэма;
сходство и различия этой теории с теорией ионнойатмосферы Дебая - Гюккеля.
29. Гальванические элементы. Общее выражение для ЭДС гальванического элемента и
потенциала отдельного электрода. Стандартный потенциал электрода. Водородная шкала
стандартных потенциалов.
30. Измерение ЭДС гальванических цепей. Применение метода ЭДС для определения
коэффициентов активности и pH растворов.
Рекомендуемая литература
1. К.С. Краснов. Физическая химия. Кн.1. Строение вещества. Термодинамика М.:
Высшая школа. 2001
2. К.С. Краснов . Физическая химия. Кн.2. Электрохимия.Химическая кинетика и катализ М.:
Высшая школа. 2001
3. СтромбергА.Г., Семченко Д.П. Физическая химия: Учеб. для хим. спец. Вузов. М.:
Высшая школа. 2003
4. Степанов Н.Ф. Квантовая механика и квантовая химия. - М.: Мир, МГУ, 2001.– 518 с.
5. Основы физической химии. Теория и задачи. Учебное пособие для вузов/ Еремин
В.В., Каргов С.И., Успенская И.А., Кузьменко Н.Е., Лунин В.В. – М.: Экзамен. 2005. –
480 с.
6. П. Эткинс., Дж. Де Паула. Физическая химия. В трех частях 1. Равновесная термодинамика./ Под ред. академика В.В. Лунина и профессора О.М. Полтарака. – М.: Мир.
2007. – 494 с.
7. Смирнова Н.А. Методы статистической термодинамики в физической химии. –М.:
Высшая школа. 1982.
8. Пригожин И., Кондепуди Д. Современная термодинамика. От тепловых двигателей до
диссипативных структур. – М.: Мир, 2002.
9. Бейдер Р. Атомы в молекулах. – М.: Мир, 2001.
10. Корольков Д.В., Скоробогатов Г.А. Основы теоретической химии. –М.: ACADEMA.
2004. – 341c.
11. Байрамов В.М. Основы химической кинетики и катализа.-М: Изд. центр «Академия»
2003.
12. Леванов А. В. Введение в химическую кинетику / А. В. Леванов,
Э. Е. Антипенко. Учебное пособие МГУ им. Ломоносова - Москва, 2006. – 51.С.
13. Еремин Е.Н. Основы химической кинетики. - М.: Высш. шк. 1976.
14. Панченков Г.М., Лебедев В.П. Химическая кинетика и катализ.-М.: Химия, 1985.
15. Эмануель Н. М.,Кнорре Д.Г. Курс химической кинетики.-М-:Высш. шк.,1984.
16. Шмид Р., Сапунов В.Н. Неформальная кинетика. Перевод с англ., М.: Мир, 1985
17. Байрамов В.М. Химическая кинетика и катализ. Примеры и задачи с решениями.–М :
Изд. центр «Академия» 2003.
18. Дамаскин Б.Б., Петрий О.А. Электрохимия: Учеб. пособие. М.: Высш. шк., 1987. 296
19. Дамаскин Б.Б., Петрий О.А. Введение в электрохимическую кинетику: Учеб. пособие.
М.: Высш. шк., 1983. 400 с.