Кинетика химических реакций. Кинетика простых необратимых

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского
Биологический факультет
УТВЕРЖДАЮ
Проректор по учебно-методической работе,
_____________________ Е.Г. Елина
«____» __________________2012 г.
Рабочая программа дисциплины
Физическая химия
Специальность
020501 - Биоинженерия и биоинформатика
Квалификация выпускника
Специалист
Форма обучения
очная
Саратов,
2012
1. Цели освоения дисциплины
Целями освоения дисциплины являются углубление имеющихся представлений и
получение новых знаний и умений в области физической и коллоидной химии, без
которых невозможно решение современных биологических, биохимических,
биоэнергетических и экологических проблем, стоящих перед человечеством.
Особенностью программы дисциплины является фундаментальный характер её
содержания, необходимый для формирования у студентов общего химического
мировоззрения и развития химического мышления.
2. Место дисциплины в структуре ООП специалитета
Цикл С.2., базовая часть. Дисциплина осваивается в 4 семестре.
Дисциплина логически связана с содержанием дисциплин «Химия», «Математика»,
«Физика», «Биохимия», «Биофизика».
Для освоения программы дисциплины обучающиеся должны знать основные
законы химии, иметь основные представления об энергетике химических реакций, теории
растворов, уметь решать типовые задачи с применением законов термодинамики,
действующих масс, правила Вант-Гоффа, уметь рассчитывать тепловые эффекты реакций,
определять направление самопроизвольного протекания процессов, рассчитывать
константы скоростей реакций; иметь общие представления о дисперсных системах,
понимать роль физической химии как теоретического фундамента современной химии,
владеть основами теории растворов и фазовых равновесий; понимать принципы и
химические основы биологических процессов; владеть теоретическими основами
основных методов химического анализа.
3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины.
В результате освоения дисциплины формируются следующие компетенции: ОК-11,
ПК-12, ПК-23, ПК-24.
- способностью самостоятельно или в составе группы вести научный поиск,
реализуя специальные средства и методы получения нового знания (ОК-11);
- способностью к проведению лабораторных работ и знает требования техники
безопасности и приемов оказания первой помощи при несчастных случаях (ПК-12);
- способностью использовать основные физико-химические и информационные
методы исследования, применяемые в области физико-химической биологии,
биоинженерии и биоинформатики (ПК-23);
- способностью использовать специализированные знания фундаментальных
разделов математики, физики, химии, экологии для проведения исследований в области
биоинженерии, биоинформатики и смежных дисциплин (ПК-24).








В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
Знать:
основные законы термодинамики и термохимии;
характеристики
направления
самопроизвольного
протекания
процессов
в
биологических системах
основные положения химического равновесия и факторы, влияющие на его смещение;
общие свойства растворов неэлектролитов
общие свойства растворов слабых и сильных электролитов;
неравновесные процессы в растворах электролитов;
электродику, мембранные равновесия, ионселективные электроды;
основные положения химической кинетики и катализа;














Уметь:
формулировать основные понятия и законы общей химии, иметь представление о
границах их применимости;
рассчитывать тепловые эффекты процессов;
определять направление самопроизвольного протекания процессов в биологических
системах;
объяснять влияние различных факторов на скорость химической реакции, решать
типовые задачи;
определять направление смещения химического равновесия при изменении
температуры, давления и концентрации;
использовать различные способы выражения концентрации раствора при решении
типовых задач;
решать типовые задачи по определению рН растворов, электродных потенциалов,
электропроводности растворов электролитов;
Владеть:
методами расчета скорости химических реакций и константы равновесия химических
процессов;
навыками качественного определения направления смещения химического равновесия
любых химических реакций при физико-химических воздействиях;
современных оборудованием (pH-метрами, автоматическими титраторами с
ионселективными электродами);
навыками решения типовых задач по способам выражения концентрации
растворенного вещества в растворе и растворимости;
навыками выполнения основных химических лабораторных операций;
навыками определения признаков протекания химических реакций;
методами обработки полученных экспериментальных результатов.
4. Структура и содержание дисциплины.
Общая трудоемкость дисциплины составляет 3 зачетных единицы, 108 часов.
2
3
Введение
Химическая термодинамика.
Первый закон термодинамики.
Термохимия.
Второй закон термодинамики.
Энтропия. Характеристические
функции
Термодинамическая теория
растворов
Лекции
3
4
4
1
2
5
2
4
2
3-5
2
3-4
6-7
8-9
4
4
Самостоят.
работа
2
Виды учебной работы,
включая самостоятельную
работу студентов и
трудоемкость (в часах)
Лаб. занятия
1
1
Раздел дисциплины
Неделя семестра
№
п/п
Семестр
4.1. Структура дисциплины.
6
2
2
7
10
10
Формы текущего контроля
успеваемости (по неделям
семестра)
8
Тест, письменный
отчет по
лабораторной
работе
Тест
6
12
4
4
Тест, письменный
отчет по
лабораторной
работе
1
4
5
2
Электрохимия. Ионика.
Слабые и сильные электролиты.
Неравновесные свойства
растворов электролитов
Электродика. Равновесные
свойства межфазных границ.
Классификация электродов и
электрохимических цепей
Кинетика химических реакций.
Кинетика простых необратимых
реакций. Сложные реакции.
Теории химической кинетики.
Катализ
Промежуточная аттестация
ИТОГО:
3
4
4
4
5-6
10
11
12
13
5
4
7-8
14
15
16
4
6
7
12
8
Тест, письменный
отчет по
лабораторной
работе
12
Тест, письменный
отчет по
лабораторной
работе
4
60
Зачет
108 ч.
2
2
2
2
2
2
2
4
16
32
4.2. Содержание дисциплины.
Введение. Предмет физической химии. Основные разделы и методы физической
химии. Роль физической химии в биологии.
Раздел 1. Химическая термодинамика.
Первый закон термодинамики. Основные определения. Внутренняя энергия,
теплота, работа. Потенциал и координата состояния системы. Аналитические выражения
и формулировки первого закона термодинамики. Значение первого закона
термодинамики в биологии. Энтальпия. Понятие теплового эффекта. Связь тепловых
эффектов процессов при постоянных объеме и давлении.
Термохимия. Закон Гесса. Методы расчета тепловых эффектов. Теплоты
образования и сгорания химических соединений. Таблицы термодинамических свойств
простых веществ и соединений.
Теплоемкость и формы ее выражения. Зависимость теплового эффекта химических
реакций от температуры. Закон Кирхгоффа, его исследование для условий:
а) СР = 0;
б) СР = const (СР  0, СР  0)
в) СР = f(T).
Раздел 2. Второй закон термодинамики.
Второй закон термодинамики. Энтропия.
Формулировки и аналитическое
выражение второго закона термодинамики. Круговые процессы. Цикл Карно. Энтропия.
Статистическая интерпретация второго закона термодинамики. Постулат Планка.
Энтропия и живые организмы.
Характеристические функции. Естественные переменные. Свободная энергия
Гиббса. Направление химических процессов. Критерии равновесия и самопроизвольного
процесса в изолированной и открытой системе. Уравнение Гиббса – Гельмгольца.
Парциальные мольные величины. Химический потенциал.
Практическое занятие № 1
1. Отчет по домашнему индивидуальному заданию. (Многовариантная задача №1 [3])
2. Тестовый отчет по разделу 1.(при положительной оценке за домашнее задание).
3. Лабораторная работа «Определение теплоты нейтрализации щелочи сильной
кислотой калориметрическим методом». [2]
4. Отчет по домашнему индивидуальному заданию. (Многовариантная задача №2 [3])
5. Тестовый отчет по разделу 2.(при положительной оценке за домашнее задание)
Раздел 3. Термодинамическая теория растворов.
Общая характеристика растворов. Свойства разбавленных растворов неэлектролитов.
Идеальные растворы. Закон Рауля и отклонения от него. Понижение давления пара
растворов. Реальные растворы. Предельно разбавленные растворы. Закон Генри.
Жидкие растворы. Диаграммы состояния жидкость – пар для бинарных систем.
Первый закон Коновалова. Фракционная перегонка. Ректификация. Азеотропные смеси.
Второй закон Коновалова. Способы разделения азеотропных смесей. Закон распределения
Нернста. Экстракция. Криоскопия. Эбуллиоскопия. Осмос, осмотическое давление, закон
Вант-Гоффа, осмос в природе. Клеточная оболочка как мембрана. Явление осмоса в
клетке
Практическое занятие № 2
1. Отчет по индивидуальному домашнему заданию. Многовариантная задача № 3 [3].
2. Тестовый отчет по разделу 3. (при положительной оценке за домашнее задание).
3. Лабораторная работа «Изучение взаимной растворимости в системе фенол – вода.
Построение бинодальной кривой» Определение критической температуры
растворимости [2].
Раздел 4. Электрохимия.
Ионика.
Теория растворов электролитов. Отклонение свойств растворов
электролитов от законов Вант-Гоффа и Рауля; изотонический коэффициент. Слабые и
сильные электролиты. Активность. Теория Дебая-Гюккеля
Неравновесные свойства растворов электролитов. Удельная и эквивалентная
электропроводность. Закон Кольрауша. Числа переноса
Электродика. Равновесные свойства межфазных границ. Электродвижущие силы.
Равновесие на границе металл-раствор. Формула Нернста. Электродный потенциал.
Водородный электрод и водородная шкала потенциалов. Классификация электродов и
электрохимических цепей. Электроды для измерения рН.
Стеклянный электрод.
Ионселективные электроды. Их использование в биологических системах.
Электрохимические цепи. Измерение ЭДС. Проблемы окислительно-восстановительного
потенциала в биологии
Практическое занятие № 3
1. Отчет по индивидуальному домашнему заданию. Многовариантные задачи № 5, 6 [3].
2. Тестовый отчет по теме 4. (при положительной оценке за домашнее задание).
3. Лабораторная работа «Определение ЭДС электрохимических цепей. Определение рН
раствора HCl и буферного раствора». Определение рН почв [2].
Раздел 5. Кинетика химических реакций.
Кинетика простых необратимых реакций. Скорость химической реакции.
Понятие о порядке и молекулярности реакции. Реакции нулевого, первого, второго и
третьего порядков. Уравнения скорости в дифференциальной и интегральной формах.
Размерность
констант
скоростей
реакции.
Определение
порядка
реакции
дифференциальными и интегральными методами.
Сложные
реакции.
Понятие
о
сложных
реакциях
(параллельных,
последовательных и обратимых, цепных). Кинетические уравнения сложных реакций.
Принцип стационарных концентраций Боденштейна.
Теории химической кинетики. Механизм химической реакции. Основы теории
активных столкновений. Число активных столкновений. Стерический множитель и его
истолкование. Основы теории активного комплекса.
Катализ. Общие принципы катализа. Гомогенный катализ. Гетерогенный катализ.
Ферментативный катализ.
Практическое занятие № 4
1. Отчет по домашнему индивидуальному заданию. Многовариантная задача № 7 [3].
2. Тестовый отчет по теме 5. (при положительной оценке за домашнее задание).
3. Лабораторная работа: Определение константы скорости реакции омыления уксусноэтилового эфира (одна из температур – 25, 30, 35 0С) щёлочью. [2].
5. Образовательные технологии.
Изучение дисциплины «Физическая химия» предусматривает использование в
учебном процессе активных и интерактивных форм проведения занятий в сочетании с
внеаудиторной работой с целью формирования и развития профессиональных навыков
обучающихся. К активным формам проведения занятий относятся:
1) лекции, объем которых составляет 40% аудиторных занятий
2) лабораторные занятия по ряду тем, объем которых составляет 20% аудиторных часов;
3) тестирование по ряду тем (10% аудиторных часов);
4) индивидуальная сдача письменных отчетов по темам лабораторных работ (5%
аудиторных часов);
К интерактивным формам проведения занятий, объем которых составляет около
25% аудиторного времени, относятся:
1) дискуссии по разделам модуля и темам лабораторных работ, вырабатывающие у
обучающегося навыки химического мышления и постановки эксперимента;
2) ситуационные задачи по ряду тем, относящихся к химическому равновесию,
ферментативному катализу, использованию ионселективных электродов.
Наряду с традиционными образовательными технологиями широко используются
технологии, основанные на методах научно-технического творчества и современных
информационных средствах (учебник и учебное пособие к лабораторным работам),
включающие в том числе обучение на основе учебных дискуссий по теме «Роль
кинетических свойств дисперсных систем в живом мире и технике», контрольной работы,
а также систем обучения профессиональным навыкам и умениям. Предусмотрены встречи
с представителями российских компаний.
6. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов.
Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной
аттестации по итогам освоения дисциплины.
В начале семестра каждый студент получает комплект учебно-методических
материалов: рекомендуемые учебники, задачники и практическое руководство к
лабораторным занятиям; содержание программы со ссылками на основную и
дополнительную литературу по отдельным разделам модуля; список вопросов для
самостоятельной подготовки к дискуссиям, тестам и лабораторным работам; календарный
учебный план лабораторных занятий, в котором указаны тема дискуссии и лабораторной
работы, перечень рекомендуемых для выполнения опытов по соответствующему
руководству, задания для самостоятельной работы, формы текущего контроля знаний и
умений.
В ходе самостоятельной работы в течение семестра обучающийся должен:
 прочитать к данной теме рекомендуемые разделы учебников, методических пособий и
конспектов лекций;
 подготовиться к выполнению лабораторной работы по рекомендуемому руководству;
 решить заданные по теме задачи.
Предусмотрены следующие формы текущего контроля успеваемости:
1) выполнение контрольной работы (задания приведены в Приложении 1);
2) участие в дискуссии и интерактивной игре по заданной теме;
3) письменный отчет в тетради для лабораторных работ по заданной теме;
4) проверка выполнения заданных на дом задач и упражнений по соответствующей теме;
Результаты текущего контроля знаний обучающихся заносятся в журнал. В
качестве промежуточной аттестации по итогам освоения «Физической химии»
предусмотрен зачет.
Дискуссия по теме № 1 «Роль кинетических свойств дисперсных систем в
живом мире и технике»
1. Значение поверхностных явлений в дисперсных системах.
2. Значение дисперсных систем в живом мире и технике.
3. Способы получения дисперсных систем.
4. Способы очистки дисперсных систем.
5. Определение молекулярной массы полимеров по осмотическому давлению их
растворов.
6. Явления осмоса в природе.
7. Диффузия.
8. Броуновское движение.
9. Седиментация и флотация.
10. Кривые течения жидкостей.
11. Ламинарный и турбулентный поток жидкости.
12. Явление Томса.
13. Релаксационные явления.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
22.
23.
24.
25.
26.
27.
28.
29.
30.
31.
32.
6.1. Вопросы для промежуточной аттестации
Формулировка первого закона термодинамики.
Аналитическое выражение первого закона термодинамики в дифференциальной и
интегральной формах для изолированных, закрытых и открытых систем.
Виды термодинамических систем.
Термодинамические потенциал и координата взаимодействия.
Что называется круговым процессом?
Изобарный, изохорный, изотермический и адиабатический процессы.
Что такое теплота и работа?
Дать определение внутренней энергии.
Свойства внутренней энергии.
Что называется функцией состояния?
Знаки внутренней энергии, теплоты и работы в термодинамике.
Понятие теплоемкости. Истинная и средняя теплоемкости.
Определение теплового эффекта.
Вывод тепловых эффектов для изобарного и изохорного процессов.
Связь тепловых эффектов изобарного и изохорного процессов.
Теплоты сгорания и образования веществ.
Эндотермические и экзотермические реакции.
Закон Гесса
Закон Кирхгофа в дифференциальной и интегральной формах
Расчет температурной зависимости теплового эффекта.
Формулировки второго закона термодинамики
Аналитическое выражение второго закона термодинамики
Цикл Карно
Условие превращения теплоты в работу
Энтропия и ее свойства.
Расчет изменения энтропии в ходе химической реакции.
Расчет изменения энтропии индивидуального вещества при нагревании в изобарных,
изохорных процессах.
Расчет изменения энтропии индивидуального вещества при фазовых переходах.
Расчет изменения энтропии при смешении двух газов.
Обратимые и необратимые процессы
Равновесные и неравновесные процессы.
Самопроизвольные и несамопроизвольные процессы.
33. Понятие характеристических функций и естественных переменных.
34. Вывод полных дифференциалов всех характеристических функций: внутренней
энергии, энтальпии, Гиббса, Гельмгольца.
35. Изменение
характеристических
функций
в
ходе
самопроизвольных,
несамопроизвольных и равновесных процессов
36. Понятие химического потенциала
37. Особенности химического равновесия.
38. Понятие химической переменной.
39. Определение закона действующих масс.
40. Понятие константы скорости.
41. Виды констант скоростей и их связь
42. Уравнения изобары и изохоры Вант-Гоффа.
43. Уравнение Планка-Ван-Лаара
44. Вывод уравнения изотермы
45. Различные способы выражения концентраций растворов их взаимный пересчет
46. Характеристика идеальных растворов
47. Закон Рауля
48. Реальные растворы с положительными и отрицательными отклонениями от закона
Рауля.
49. Предельно разбавленные растворы
50. Закон Генри.
51. Диаграммы состояния жидкость – пар для бинарных систем
52. Формулировка первого закона Коновалова.
53. Фракционная перегонка.
54. Ректификация.
55. . Второй закон Коновалова
56. Азеотропные смеси. Способы разделения азеотропных смесей.
57. Закон распределения Нернста. Экстракция.
58. Криоскопия.
59. Эбуллиоскопия.
60. Осмос. Клеточная оболочка как мембрана. Явление осмоса в клетке
61. Законы растворимости газов в жидкости.
62. Закон Генри, Дальтона, Сеченова.
63. Влияние температуры на растворимость газов в жидкости
64. Влияние температуры на растворимость твердых тел в жидкости при образовании
идеальных и реальных растворов
65. Уравнение Шредера
66. Определение электролитов
67. Проводники первого и второго рода
68. Перечислите основные положения теория Аррениуса
69. Предпосылки возникновения теории Аррениуса
70. Перечислите недостатки теории Аррениуса
71. Сильные и слабые электролиты
72. Закон разведения Оствальда
73. Понятие степени и константы диссоциации
74. Причины устойчивости электролитных систем
75. Перечислите предпосылки возникновения теории Дебая-Гюккеля.
76. Основные положения теории Дебая-Гюккеля.
77. Понятие активности, коэффициента активности
78. Понятие средней ионной активности и среднего ионного коэффициента активности
79. Расчет средней ионной активности
80. Три приближения теории Дебая-Гюккеля
81. Концентрационные пределы выполнимости 1-го, 2-го и 3-его приближений теории
Дебая-Гюккеля.
82. Понятие ионной силы
83. Расчет ионной силы для электролитов всех типов
84. Понятие параметров стехиометричности
85. Понятие водородного показателя
86. Расчет рН в сильных и слабых электролитах
87. Дайте определения электрода, электрохимической цепи, электродного потенциала и
эдс цепи
88. Уравнение Нернста для различных типов электродов
89. Дайте определение электродов 1-го, 2-го родов и окислительно-восстановительных
90. Стеклянный электрод и другие ионселективные электроды
91. Перечислите все виды электрохимических цепей
92. Дайте определение скорости, константы скорости, порядка и молекулярности
химических реакций.
93. Способы определения порядка простых необратимых реакций
94. Рассмотрите все виды сложных реакций и их кинетические уравнения.
95. Перечислите основные положения теории активных соударений.
96. Перечислите основные положения теории активированного комплекса (переходного
состояния). В чем принципиальные отличия этой теории от теории активных
соударений.
97. Основные положения катализа
98. Укажите различия между гомогенным и гетерогенным катализом
99. Сформулируйте основные положения теорий Кобзева, Баландина, электронной теории
катализа.
100.Ферментативный катализ. Уравнение Михаэльса.
7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины.
а) основная литература:
1. Горшков В.И., Кузнецов И.А. Основы физической химии (Текст):учебник 3-е изд. –
М.:БИНОМ. Лаб. Знаний, 2006. – 407с.
2. Бурашникова М.М., Гамаюнова И.М., Казаринов И.А. Контрольные задания по
физической химии. – Саратов: ООО ИЦ Наука, 2012 – 78 с.
б) дополнительная литература:
1. Казаринов И.А., Коноплянцева Н.А., Гамаюнова И.М. Физическая и коллоидная
химия. Изд-во СГУ, 2006 г. 196 с.
в) программное обеспечение и Интернет-ресурсы:
Программа курса, календарный план лабораторных работ выдаются обучающимся
в распечатанном виде в начале семестра. Кроме того, программа, список вопросов для
самостоятельной подготовки к дискуссиям, тестам и лабораторным работам, а также план
лабораторных работ размещаются на Интернет-сайте Саратовского государственного
университета. Для самостоятельной работы по химии студентам рекомендуются
следующие Интернет-ресурсы:
1. http://www.fptl.ru/Chem block.html – различные учебно-методические материалы по
химии;
2. http://chemistry-chemists.com/Uchebniki.html - учебники, практикумы и справочники по
химии.
8. Материально-техническое обеспечение дисциплины.
Мультимедийное оборудование.
Слайды.
Лабораторное оборудование:
весы,
учебно-лабораторный комплекс (УЛК), совмещенный с компьютером,
калориметры,
термометры,
секундомеры,
источники тока,
вольтметры,
электрохимические ячейки,
различные электроды (хингидронный, хлорсеребряный, цинковый, медный).
концентрационный фотоэлектроколориметр
сталагмометр
торсионные весы.
Химическая посуда.
Химические реактивы.
Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО № 66 от
17.03.2011 г. с учетом рекомендаций и Примерной ООП ВПО по специальности 020501
Биоинженерия и биоинформатика.
Автор:
Доцент кафедры физической химии,
к.х.н.
____________________ С.Б. Ромадёнкина
Программа одобрена на заседании кафедры физической химии от «04»мая 2012
года, протокол № 8.
Подписи:
Зав. кафедрой физической химии,
д.х.н., профессор
_____________________ И.А. Казаринов
Директор Института химии
д.х.н., профессор
_____________________ О.В. Федотова
Декан биологического факультета
д.б.н., профессор
_____________________ Г.В. Шляхтин