Документ 4205235

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 150400
профессор Сизяков В.М.
___________________________
Зав. кафедрой
общей и физической химии
профессор Чиркст Д.Э.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА
УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
«ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ»
Направление подготовки: 150400 «Металлургия»
Профиль подготовки: «Металлургия цветных металлов»
Квалификация (степень) выпускника: бакалавр
Форма обучения: очная
Составитель: проф. Чиркст Д.Э.
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
2012
1. Цели и задачи дисциплины: целью изучения дисциплины «Физическая химия» является
приобретение студентами направления подготовки 150400 «Металлургия» 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 «Химия»,
устанавливаемыми ФГОС для высшего образования по направлению 150400 «Металлургия»,
профилю подготовки «Металлургия цветных металлов».
Дисциплина является предшествующей для изучения последующих дисциплин
цикла Б.2 (математические и естественнонаучные дисциплины): Методы контроля и
анализа веществ (5-й семестр), Экология (6-й семестр), Методы исследования физикохимических систем (6-й семестр), Организация эксперимента (6-й семестр), Моделирование
процессов и объектов в металлургии (7-й семестр), Утилизация и использование отходов
переработки
минерального
сырья
(7-й
семестр),
Экологические
проблемы
металлургического производства (7-й семестр);
цикла Б.3 (профессиональный цикл): Металлургические технологии производства и
обработки металлов (5-й семестр), Теория электрометаллургических процессов (5-й семестр),
Теория пирометаллургических процессов (5-й семестр), Теория гидрометаллургических
процессов (6-й семестр), Металлургия тяжелых цветных металлов (6, 7-й семестры),
Металлургия легких металлов (6, 7-й семестры), Безопасность жизнедеятельности (7-й
семестр), Переработка шлаков и медных шламов (7-й семестр), Переработка нефелиновых
шламов (7-й семестр), Металлургия редких металлов (8-й семестр), Металлургия
благородных металлов (8-й семестр).
3. Требования к результатам освоения дисциплины:
Процесс изучения дисциплины направлен на формирование следующих
общекультурных компетенций:
использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной
деятельности, применять методы математического анализа и моделирования, теоретического
и экспериментального исследования (ОК-6);
владеть основными методами, способами и средствами получения, хранения, переработки
информации (ОК-10);
использовать компьютер как средство управления информацией (ОК-11);
работать с информацией в глобальных компьютерных сетях (ОК-12);
оформлять, представлять и докладывать результаты выполненной работы (ОК-13).
профессиональных компетенций
уметь использовать фундаментальные общеинженерные знания (ПК-1);
уметь сочетать теорию и практику для решения инженерных задач (ПК-4);
иметь способности к анализу и синтезу (ПК-18);
уметь выбирать методы исследования, планировать и проводить необходимые
эксперименты, интерпретировать результаты и делать выводы (ПК-19);
уметь использовать физико-математический аппарат для решения задач, возникающих в
ходе профессиональной деятельности (ПК-20);
уметь использовать основные понятия, законы и модели термодинамики, химической
кинетики, переноса тепла и массы (ПК-21);
уметь выбирать и применять соответствующие методы моделирования физических,
химических и технологических процессов (ПК-22).
В результате изучения дисциплины студент должен:
Знать: общие закономерности протекания химических реакций, природу химических реакций,
используемых в металлургических производствах; законы и понятия физической химии для
анализа металлургических процессов; природу фазовых равновесий в металлургических
системах;
Уметь: осуществлять корректное математическое описание физических и химических явлений
технологических процессов; применять современное физическое оборудование и приборы при
решении практических задач; выполнять термохимические расчеты, расчеты химического
равновесия, равновесия в растворах; анализировать фазовые равновесия на основе диаграмм
состояния; использовать справочную литературу для выполнения расчетов
Владеть: методами работы на основных физико-химических приборах; основными физикохимическими расчетами металлургических процессов; методами определения и расчета
тепловых эффектов химических реакций, парциальных мольных величин, равновесных
характеристик.
4. Объем дисциплины и виды учебной работы
Общая трудоемкость дисциплины составляет 4 зачетных единиц.
Вид учебной работы
Всего
часов
3
Семестры
4
87
51
36
-
-
-
Лекции
35
17
18
Практические занятия (ПЗ)
17
17
Лабораторные работы (ЛР)
35
17
18
Самостоятельная работа (всего)
21
14
7
-
-
-
21
14
7
Подготовка к контрольной работе
11
7
4
Подготовка к лабораторным работам
10
7
3
Вид промежуточной аттестации (зачет, экзамен)
36
36
Общая трудоемкость
144
101
43
4
3
1
Аудиторные занятия (всего)
В том числе:
-
-
-
-
Семинары (С)
В том числе:
Курсовой проект (работа)
Расчетно-графические работы
Реферат
Другие виды самостоятельной работы
Выполнение домашнего задания
час
зач. ед.
5. Содержание дисциплины
5.1. Содержание разделов дисциплины
№
п/п
1.
Наименование раздела
дисциплины
Основы химической
термодинамики
2.
Химическое равновесие
3.
Фазовые равновесия и
свойства растворов
Содержание раздела
Предмет и задачи термодинамики, ее значение для
экологов Первое начало. Тепловой эффект изохорного и
изобарного процессов, понятие об энтальпии. Теплоемкость,
ей использование для расчетов тепловых эффектов
процессов. 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.
Парциальные молярные величины, их определение по
экспериментальным данным и путем интегрирования
уравнения Гиббса-Дюгема. Химический потенциал, его
значение для компонента идеального газа, идеального
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 ТёмкинаШварцмана.
Основные понятия: фаза, составляющее вещество и
компонент системы, термодинамические степени свободы.
Правило фаз Гиббса. Уравнение Клапейрона-Клаузиуса,
его использование для расчета фазовых равновесий а
однокомпонентных
системах. Фазовые
диаграммы
однокомпонентных систем. Свойства растворов. Закон
Рауля для идеальных и предельно разбавленных 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. Экстракция,
закон распределения Нернста. Диаграммы состояния двухи трехкомпонентных систем. Водно-солевые системы.
4.
Химическая кинетика
5.
Коллоидная химия
Формальная кинетика. Порядок реакции и способы его
определения.
Кинетика
сложных
гомогенных,
фотохимических, цепных и гетерогенных реакций.
Зависимость скорости реакции от температуры, энергия
активации, её определение. Теории активных столкновений
и переходного состояния (активированного комплекса).
Механизм гомогенного и гетерогенного катализа.
Значение коллоидной химии для инженерной экологии.
Классификация
дисперсных
систем.
Молекулярнокинетические и оптические свойства дисперсных систем.
Термодинамика дисперсных систем. Поверхностное
натяжение, его измерение и зависимость от температуры.
Смачивание. Краевой угол. Уравнения Дюпре и Юнга.
Условие флотации минералов. Гистерезис смачивания.
Измерение краевого угла. Капиллярные явления. Уравнения
Лапласа и Томсона (Кельвина). Изотермическая перегонка
и созревание осадков. Адсорбция, её значение для очистки
сточных вод и газовых выбросов. Фундаментальное
адсорбционное уравнение Гиббса. Адсорбция на
поверхности раздела фаз жидкость-газ. Изотерма
адсорбции Гиббса. Поверхностная активность веществ.
Строение поверхностного слоя. Изотерма адсорбции
Лэнгмюра. Зависимость поверхностного натяжения от
концентрации ПАВ, уравнение Шишковского. Адсорбция
газов. Изотерма полимолекулярной адсорбции БЭТ.
Определение удельной поверхности сыпучих материалов.
Адсорбция ионов. Образование и строение двойного
электрического
слоя.
Ионообменная
адсорбция.
Классификация
ионитов,
их
использование
в
гидрометаллургии и для очистки стоков. Ионный обмен в
почвах
и
грунтах,
лиотропный
ряд
катионов.
Электрокинетический потенциал, его зависимость от
ионной силы раствора. Электрокинетические явления.
Устойчивость
дисперсных
систем,
коагуляция
и
флокуляция. Мицеллообразование. Структурообразование в
коллоидных системах.
5.2 Разделы дисциплины и междисциплинарные связи с обеспечиваемыми
(последующими) дисциплинами
№
Наименование обеспе№ № разделов данной дисциплины, необходимых для
п/п чиваемых (последуюизучения обеспечиваемых (последующих) дисциплин
щих) дисциплин
1
2
3
4
5
1.
Методы контроля и
+
+
+
+
+
анализа веществ
2.
Экология
+
+
+
+
+
3.
Методы исследования
физико-химических
систем
Организация
эксперимента
Моделирование
процессов и объектов в
металлургии
Утилизация и
использование отходов
переработки
минерального сырья
Экологические проблемы
металлургического
производства
Металлургические
технологии производства
и обработки металлов
Теория
электрометаллургических
процессов
Теория
пирометаллургических
процессов
Теория
гидрометаллургических
процессов
Металлургия тяжелых
цветных металлов
Металлургия легких
металлов
Безопасность
жизнедеятельности
Переработка шлаков и
медных шламов
Переработка
нефелиновых шламов
Металлургия редких
металлов
Металлургия
благородных металлов
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
4.
5.
6.
7
8.
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
5.3. Разделы дисциплин и виды занятий
№
п/п
1.
2.
3.
4.
5.
Итого
Наименование раздела дисциплины
Основы химической термодинамики
Химическое равновесие
Фазовые равновесия и свойства
растворов
Химическая кинетика
Коллоидная химия
6. Лабораторный практикум
№
№ раздела
п/п дисциплины
1.
2.
1
1
3.
2
4.
5.
6.
7.
8.
3
3
4
4
5
9.
5
10.
11.
Итого
5
5
Лекц. Практ. Лаб.
зан.
зан.
7
6
8
6
8
35
Семин
6
6
5
6
5
6
5
5
4
Всего
час.
24
22
23
17
4
14
35
3
4
21
13
26
108
Наименование лабораторных работ
Определение теплоты диссоциации слабого электролита
Определение интегральной теплоты растворения и
гидратации соли
Определение константы диссоциации слабого
электролита кондуктометрическим методом
Криометрия
Получение диаграммы состояния
Кинетика ионного обмена
Кинетика окисления тиосульфата натрия
Исследование поверхности раздела фаз раствор ПАВ –
воздух
Исследование молекулярной адсорбции растворенного
вещества на активированном угле
Исследование обменной адсорбции ионов
Получение лиофобного золя и изучение его коагуляции
7. Практические занятия (семинары)
№
№ раздела
Тематика практических занятий (семинаров)
п/п дисциплины
1.
2.
3.
1
1
2
4.
2
5.
6.
Итого
3
3
СРС
Расчет теплового эффекта при обычной температуре
Расчет теплового эффекта при заданной температуре
Расчет энергии Гиббса и константы равновесия при
заданной температуре
Расчет выхода реакции и равновесного состава
реакции для идеального газа
Расшифровка фазовых диаграмм
Построение фазовых диаграмм
Трудоемкость
(час.)
3
3
5
2
4
2
2
2
4
4
4
35
Трудоемкость
(час.)
2
2
2
4
3
4
17
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 150400 «Металлургия»
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
(место работы)
профессор
(занимаемая должность)
Чиркст Д.Э.
(инициалы, фамилия)