Основы физической химии - Саратовский государственный

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского
Физический факультет
УТВЕРЖДАЮ
Проректор СГУ по учебнометодической работе
____________________Е.Г.Елина
"__" __________________2011 г.
Рабочая программа дисциплины
ОСНОВЫ ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ
Направление подготовки
Физика живых систем
Профили подготовки
Биофизика
Медицинская фотоника
Квалификация (степень) выпускника
Бакалавр
Форма обучения
очная
Саратов, 2011
1. Цели освоения дисциплины
Целью освоения дисциплины «Основы физической химии» является
получение студентами основ фундаментальной подготовки в области
теоретических основ физической химии, формирование у них совокупности
знаний об основных закономерностях, связывающих протекание физических
процессов
с
химическими
превращениями
(их
скоростью
и
направленностью) в сложных многокомпонентных системах, каковыми
являются биологические объекты; в том числе и в области:
 химической термодинамики и учения о равновесии,
 электрохимических явлений,
 химической кинетики и основ катализа.
2. Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата
Дисциплина
относится
к
базовой
части
Математического
и
естественнонаучного цикла, модулю «Основы функционирования живых
систем» (Б3В5) читается во втором семестре с промежуточным контролем в
форме зачета.
Курс «Основы физической химии» занимает важное место в базовой
подготовке специалистов в области биофизики и медицинской фотоники; в
рамках именно этой дисциплины у студентов должны сформироваться
мировоззренческие представления о взаимосвязи локальной интенсивности
физических факторов и протекания химических реакций (процессов переноса
и самоорганизации вещества). Понимание такой взаимосвязи важно в
дальнейшем при рассмотрении метаболических явлений как комплексных
физико-химических процессов, включающих стадии, идущие с различным
характерным временем, и различным образом пространственно
локализованные.
Для успешного изучения материала курса «Основы физической
химии» студенты должны иметь теоретическую подготовку по разделам
общей физики «Молекулярная физика», «Электричество»; по математике:
«Математический
анализ»
(функции
нескольких
переменных),
«Дифференциальные и интегральные уравнения, вариационное исчисление»
(обыкновенные дифференциальные уравнения).
Задача лекционного курса - раскрыть смысл основных законов
физической химии, показать студенту области применения этих законов,
научить слушателей видеть прикладные возможности рассматриваемых в
курсе подходов и методов при решении конкретных задач изучения
характеристик и функционирования химических и биологических систем.
Полученные при изучении дисциплины «Основы физической химии»
знания будут востребованы студентами, обучающимися по профилям
«Биофизика» и «Медицинская фотоника», при усвоении материала курсов
«Основы биохимии», «Методы фотомедицины» «Физические основы
фотобиологических процессов».
2
3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения
дисциплины «Основы физической химии»
В процессе освоения обучаемым дисциплины «Основы физической
химии» должны формироваться в определенной части следующие
компетенции:
способность использовать в познавательной и профессиональной
деятельности базовые знания в области математики и естественных наук
(ОК-1);
способность приобретать новые знания, используя современные
образовательные и информационные технологии (ОК-3);
способность использовать в познавательной и профессиональной
деятельности навыки работы с информацией из различных источников (ОК16);
способность использовать базовые теоретические знания для решения
профессиональных задач (ПК-1);
способность применять на практике базовые профессиональные
навыки (ПК-2);
способность использовать специализированные знания в области
физики для освоения профильных физических дисциплин (в соответствии с
профилем подготовки) (ПК-4);
способность применять на практике базовые общепрофессиональные
знания теории и методов физических исследований (в соответствии с
профилем подготовки) (ПК-5);
способность пользоваться современными методами обработки, анализа
и синтеза биофизической информации (в соответствии с профилем
подготовки) (ПК-6);
способность формировать суждения о знании и последствиях своей
профессиональной деятельности с учётом специальных, правовых, этических
и природоохранных аспектов (ПК-7).
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
Знать основные законы, понятия и подходы в рамках современных
представлений физической химии; границы их применимости в реальных
сложных физико-химических системах.
Уметь
выделить
в
картине
функционирования
сложной
(биологической) системы характерные физико-химические процессы, и
применить для их описания и количественой характеристики модели и
подходы соответствующих разделов физической химии.
Владеть техникой проведения физико-химических расчетов и оценок с
использованием справочных данных.
3
4. Структура и содержание дисциплины «Основы физической химии»
Общая трудоемкость дисциплины составляет 2 зачетных единицы или 72
часа, в том числе 48 часов лекций и 24 часа на самостоятельную работу
студентов.
4.1. Структура дисциплины
Виды учебной работы,
включая самостоятельную
работу студентов и
трудоемкость (в часах)
№
п/
п
1
2
3
4
5
6
7
8
Раздел дисциплины
Основы химической
термодинамики.
Химические и фазовые
равновесия.
Химическая кинетика,
ее теории.
Каталитические
реакции.
Термодинамика
растворов.
Се
мес
тр
Неделя
семестр
а
Лаб
Пра
орат
Лекц кт.
орн
ии
заня
ые
тия
раб.
Сам
ост.
раб.
Формы
текущего
контроля
успеваемости
(по неделям
семестра)
Формы
промежуточно
й аттестации
(по семестрам)
4
1, 2
6
3
УО-1, ПР-2
4
3,4
6
3
УО-1, ПР-2
4
5,6
6
3
УО-1, ПР-2
4
7, 8
6
3
УО-1, ПР-2
4
9, 10
6
3
УО-1, ПР-2
Растворы электролитов
и электрохимические
методы анализа.
4
11, 12
6
3
УО-1, ПР-2
Поверхностные
явления и коллоидные
системы.
4
13, 14
6
3
УО-1, ПР-2
4
15, 16
6
3
УО-1, ПР-2
48
24
Зачет
Термодинамика
неравновесных систем.
Итого:
4.2. Содержание дисциплины
1. Основы химической термодинамики. Термодинамический метод описания
макроскопических систем. Постулат о существовании термического
4
равновесия. Термодинамические параметры (переменные). Температура.
Интенсивные и экстенсивные параметры. Обобщенные силы и
обобщенные координаты. Обратимые и необратимые процессы. Уравнения
состояния. Энергообмен в виде теплоты и работы различного рода.
Первый закон термодинамики. Внутренняя энергия. Энтальпия.
Термохимия. Закон Гесса. Стандартные состояния и стандартные теплоты
химических реакций. Теплота сгорания. Теплота образования. Зависимость
теплового эффекта реакции от температуры. Формула Кирхгофа. Второй
закон термодинамики. Энтропия. Запись второго закона термодинамики
для обратимых и необратимых процессов. Потерянная работа. Теорема
Карно-Клаузиуса. Постулат Планка. Энтропия как функция состояния.
Критерий
самопроизвольности
термодинамического
процесса
в
адиабатически изолированной системе. Фундаментальное уравнение
Гиббса. Характеристические функции. Термодинамические потенциалы.
Энергия Гиббса и энергия Гельмгольца. Условия равновесия и критерии
самопроизвольности процессов, выраженные через термодинамические
потенциалы. Уравнение Гиббса-Гельмгольца, его роль в химической
термодинамике. Химический потенциал. Условия равновесия и критерии
самопроизвольности процессов в открытой системе (фазовые переходы,
химические реакции). Химический потенциал идеального и неидеального
газов. Метод летучести.
2. Химические и фазовые равновесия. Гетерогенные системы. Понятие фазы,
компонента, степени свободы. Правило фаз Гиббса, его вывод. Диаграмма
состояния однокомпонентной системы. Фазовые переходы первого рода.
Уравнение Клапейрона-Клаузиуса. Закон действия масс. Различные виды
констант равновесия, связь между ними. Химическая переменная.
Термодинамический вывод закона действия масс. Изотерма Вант-Гоффа.
Изменение энергии Гиббса и Гельмгольца при химической реакции.
Расчеты констант равновесия химических реакций с использованием
таблиц стандартных значений термодинамических функций. Расчеты
выхода продуктов химической реакции. Комбинирование равновесий.
Уравнение изотермы химической реакции. Влияние температуры на
положение равновесия, уравнение изобары химической реакции.
Константы равновесия гетерогенных реакций.
3. Химическая кинетика, ее теории. Основной постулат химической
кинетики. Молекулярность и порядок реакции. Односторонние реакции.
Экспериментальное определение порядка реакции. Сложные реакции.
Принцип независимости реакций. Параллельные реакции. Обратимые
реакции. Соотношения материального баланса. Последовательные
реакции. Влияние температуры на скорость химической реакции. Энергия
активации, определение из экспериментальных данных. Принцип
стационарности Боденштейна и условия его применимости. Уравнение
Михаэлиса-Ментен. Определение кинетических постоянных этого
уравнения из экспериментальных данных (конкурентное и неконкурентное
5
ингибирование). Метод переходного состояния (активированного
комплекса). Свойства АК. Статистический расчет константы скорости.
Границы применимости метода АК. Трансмиссионный коэффициент.
Туннельные эффекты в химических реакциях. Термодинамика АК.
Энтропия активации. Теория переходного состояния в применении к
мономолекулярным и бимолекулярным реакциям. Теория соударений в
химической кинетике. Теория соударений в применении к
мономолекулярным реакциям. Схема Линдемана. Теория соударений в
применении к бимолекулярным реакциям.
4. Каталитические реакции. Ферментативный катализ. Общие сведения о
кинетике и механизмах ферментативных реакций. Зависимость кинетики
от pH. Температурная зависимость кинетических постоянных. Субстратная
специфичность ферментов. Активный центр и центр связывания.
5. Термодинамика растворов. Растворы различных классов. Химический
потенциал компонента в идеальногазовой смеси. Общие условия
идеальности растворов. Диаграммы состав-свойство. Давление пара над
жидким раствором. Вывод закона Рауля. Неидеальные растворы, метод
активностей. Коэффициенты активности. Стандартные состояния для
определения химических потенциалов компонент. Симметричная и
несимметричная
системы.
Термодинамическое
рассмотрение
коллигативных
свойств
Уравнение
Гиббса-Дюгема.растворов.
Парциальные мольные величины.
6. Растворы электролитов и электрохимические методы анализа. Иондипольное взаимодействие как основное условие устойчивости растворов
электролитов. Термодинамика ион-ионного взаимодействия. Средняя
активность, ее связь с активностями отдельных ионов. Основные
допущения теории Дебая-Гюккеля. Потенциал ионной атмосферы.
Диффузионный
потенциал.
Удельная
и
эквивалентная
электропроводность. Числа переноса. Подвижности ионов и закон
Кольрауша. Физические принципы теории Дебая-Гюккеля-Онзагера.
элекрофоретический и релаксационный эффекты. Эффекты Вина и ДебаяФолькенгагена. Зависимость подвижности ионов от природы,
растворителя,
температуры,
концентрации.
Кондуктометрия.
Классификация электродов и электрохимических цепей. Потенциометрия.
Двойной электрический слой и его роль в кинетике электродных
уравнений. Теория Гуи-Чапмена-Грэма. Плотность тока как мера скорости
электродного процесса; поляризация электродов. Зависимость тока от
потенциала в условиях медленной стационарной диффузии к плоскому
электроду. Полярография.
7. Поверхностные явления и коллоидные системы. Изотермы адсорбции
газов на однородной поверхности. Уравнение Генри. Изотерма адсорбции
Ленгмюра. Изотерма адсорбции БЭТ. Термодинамическое равновесие
поверхностного слоя с объемом. Адсорбционная формула Гиббса.
6
Поверхностно-активные и инактивные вещества. Двойной электрический
слой и электроповерхностные явления. Электроосмос. Электрофорез.
Возникновение мембранного потенциала.
8. Термодинамика неравновесных систем. Описание необратимых процессов
в термодинамике. Потоки. Силы. Необратимые процессы и производство
энтропии. Зависимость скорости производства энтропии от обобщенных
потоков и сил. Стационарное состояние системы, теорема Пригожина.
Потоки при совместном действии нескольких сил. Соотношения
взаимности Онзагера
5. Образовательные технологии
При реализации дисциплины «Основы физической химии»
используются следующие виды учебных занятий: лекционные занятия с
использованием мультимедийных средств, консультации, практические
занятия, контрольные работы.
В рамках лекционных занятий предусмотрены интерактивные формы
учебного процесса: разбор конкретных практических ситуаций с постановкой
задачи на теоретическое описание явлений и эффектов, обсуждение
возможных подходов и решений поставленной задачи методом мозгового
штурма, оценка и сравнение результатов применения отдельных моделей
явлений и процессов. Предусмотрены также: детальный разбор основных тем
лекционного курса с привязкой основных положений физико-химических
теорий к вопросам строения и функционирования биологических систем
различного уровня организации; решение задач по основным разделам
содержания дисциплины; выполнение контрольных работ по всем разделам.
6. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов.
Оценочные
средства
для
текущего
контроля
успеваемости,
промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины.
Виды самостоятельной работы студента:
- изучение теоретического материала по конспектам лекций и
рекомендованным учебным пособиям, монографической учебной
литературе, справочным источникам;
- самостоятельное изучение некоторых теоретических вопросов, не
рассмотренных на лекциях;
- решение рекомендованных задач при подготовке к практическим занятиям
и контрольным работам.
Порядок выполнения и контроля самостоятельной работы студентов:
- предусмотрена еженедельная самостоятельная работа обучающихся по
изучению теоретического лекционного материала; контроль выполнения
7
этой работы предусмотрен на практических занятиях по данной
дисциплине;
- самостоятельное изучение некоторых теоретических вопросов, не
рассмотренных на лекциях, предусматривается по мере изучения
соответствующих разделов; контроль выполнения этой самостоятельной
работы предусмотрен в рамках промежуточного контроля – экзамена по
данной дисциплине;
- решение рекомендованных задач предполагается еженедельным при
подготовке к практическим занятиям контроль выполнения этой работы
предусмотрен на практических занятиях и при проведении контрольных
работ.
Список контрольных вопросов по освоению основных понятий и
положений дисциплины:
1. Химическая термодинамика. Термодинамическая система. Контрольная
поверхность.
Термодинамические
параметры
(экстенсивные
и
интенсивные, обобщенные силы и координаты). Функция состояния.
Термодинамический процесс. Обратимые и необратимые процессы.
2. Постулат о равновесии. Нулевой закон (постулат) термодинамики.
Транзитивность температуры. Постулат об измеримости. Первое начало
термодинамики. Внутренняя энергия.
3. Термохимия. Тепловой эффект химической реакции. Энтальпия.
Термодинамические и термохимические уравнения. Закон Гесса.
Стандартные энтальпии образования и стандартные энтальпии сгорания.
Расчет энтальпии реакции по стандартным энтальпиям образования и
стандартным энтальпиям сгорания. Зависимость теплового эффекта
реакции от температуры (закон Кирхгофа).
4. Второе начало термодинамики. Теорема Карно-Клаузиуса. Энтропия.
Неравенство Клаузиуса. Постулат Планка (третье начало термодинамики).
Мольная энтропия, ее зависимость от температуры. Энтопия смешения
идеальных газов. Энтропия химической реакции.
5. Условия самопроизвольности процесса и состояния равновесия в
адиабатически изолированной системе.
6. Фундаментальное уравнение Гиббса. Характеристические функции.
Общие условия равновесия, выраженные через характеристические
функции. Критерии самопроизвольности процесса и характеристические
функции.
7. Необратимые процессы и производство энтропии. Зависимость скорости
производства энтропии от обобщенных потоков и сил. Стационарное
состояние системы, теорема Пригожина.
8. Термодинамические потенциалы, их связь с полезной работой.
Стандартная энергия Гиббса образования веществ. Стандартная энергия
Гиббса химической реакции. Уравнения Гиббса-Гельмгольца.
9. Парциальные мольные величины. Химический потенциал. Выражение
8
изобарно-изотермического потенциала раствора через химические
потенциалы компонентов. Уравнение Гиббса-Дюгема.
10.Условия
равновесия
и
самопроизвольности
процессов
в
многокомпонентных системах (переход вещества из фазы в фазу,
протекание химической реакции в одной фазе). Зависимость свободной
энергии Гиббса и химического потенциала идеального газа от давления
(химический потенциал в смеси идеальных газов).
11.Свойства химического равновесия. Термодинамические условия
химического равновесия и самопроизвольного протекания реакции в
изобарно-изотермических условиях (полный химически потенциал). Закон
действующих масс. Связь KP, KN и KC для идеальных газов. Уравнение
изотермы химической реакции. Связь константы равновесия и энергии
Гиббса реакции.
12.Зависимость константы равновесия от температуры. Уравнение изобары
Вант-Гоффа.
13.Подвижное равновесие. Принцип Ле-Шателье – Брауна.
14.Фазовые равновесия Фаза. Составляющие вещества. Компоненты. Число
степеней свободы. Правило фаз Гиббса.
15.Фазовые диаграммы однокомпонентной системы. Уравнение КлапейронаКлаузиуса.
16.Растворы, способы выражения состава. Совершенные растворы.
Предельно разбавленные растворы. Неидеальные растворы. Закон Рауля.
Закон Генри.
17.Положительные и отрицательные отклонения от закона Рауля.
Активность. Химический потенциал компонента в идеальном и реальном
жидком растворе. Выбор стандартного состояния. Коэффициент
активности.
18.Коллигативные свойства растворов. Относительное понижение давления
насыщенного пара растворителя. Эбулиоскопия и криоскопия. Осмос.
Осмотическое давление. Закон Вант-Гоффа.
19.Сильные электролиты. Активность, коэффициент активности иона.
Средняя ионная активность. Активность электролита. Ионная сила
раствора. Основные положения статистической теории электролитов
Дебая-Хюккеля.
20.Электропроводность растворов электролитов. Удельная и эквивалентная
электропроводность, их зависимость от концентрации. Абсолютная
скорость движения ионов. Подвижность ионов (эквивалентная
подвижность ионов). Закон Кольрауша (независимость движения ионов).
Числа переноса. Кондуктометрическое титрование.
21.Электрохимические системы. Электродные процессы. Обратимые и
необратимые электроды. Двойной электрический слой. Межфазные
скачки потенциала. Диффузионный потенциал. Гальвани-потенциалы
(внутренние электрические потенциалы).
22.Электрохимический потенциал. Условие химического и фазового
9
равновесия с участием заряженных частиц (связь электродного скачка
потенциала со свободной энергией Гиббса электродного процесса).
23.Электродные
потенциалы.
Стандартный
водородный
электрод.
Стандартные электродные потенциалы. Уравнение Нернста для
электродного потенциала.
24.Расчет ЭДС цепи с помощью электродных потенциалов. Уравнение
Нернста для ЭДС гальванического элемента. Химические элементы с
переносом и без переноса. Концентрационные элементы.
25.Определение с помощью метода ЭДС энтальпии и энтропии химической
реакции. Связь константы равновесия с ЭДС.
26.Электроды первого и второго рода. Окислительно-восстановительные
электроды. Стеклянный электрод.
27.Плотность тока обмена. Электродная поляризация. Виды перенапряжения.
Поляризационная кривая, диффузионное перенапряжение, диффузионный
слой, предельная плотность тока.
28.Полярографический метод анализа. Полярографическая волна, высота
волны, потенциал полуволны.
29.Термодинамика поверхностных явлений. Уравнение адсорбции Гиббса.
30.Адсорбция газов на поверхности твердых тел. Уравнение Ленгмюра.
Уравнение БЭТ.
31.Скорость химической реакции. Элементарная стадия. Механизм. Степень
протекания химической реакции (химическая переменная). Скорость
химической реакции в единичном объеме. Скорость химической реакции
по реагенту (участнику химической реакции). Молекулярность реакции.
Закон действующих масс. Основной постулат химической кинетики.
Общий порядок химической реакции. Парциальный порядок. Константа
скорости химической реакции.
32.Необратимые (односторонние) реакции 0-го, 1-го, 2-го и 3-го порядка
(дифференциальные и интегральные уравнения, уравнения в линейных
координатах, время полупревращения). Методы определения порядка
реакции.
33.Основные постулаты, лежащие в основе анализа кинетики сложных
реакций. Кинетическое уравнение обратимой (двусторонней) реакции
первого порядка. Параллельные реакции первого порядка (анализ
кинетических кривых для двух реакций). Последовательные реакции
первого порядка (анализ кинетических кривых). Метод стационарных
концентраций Боденштейна. Квазистационарное приближение.
34.Зависимость скорости реакции от температуры. Правило Вант-Гоффа.
Температурный коэффициент Вант-Гоффа. Уравнение Аррениуса.
Энергия активации. Экспериментальное определение энергии активации.
35.Основы теории активных столкновений. Стерический фактор. Энергия
активации, ее связь с энергией активации Аррениуса.
36.Теория
активированного
комплекса
(переходного
состояния).
Поверхность потенциальной энергии. Путь химической реакции
10
(координата реакции). Основное уравнение теории. Свободная энергия,
энтальпия и энтропия активации.
7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
«Основы физической химии»
а) основная литература:
1. Горшков В.И., Кузнецов И.А. Основы физической химии: учебник . -3-е
изд. -М.: БИНОМ. Лаб. знаний, 2010. -407, [1] с.: рис.
2. Щукин Е.Д., Перцов А.В., Амелина Е.А. Коллоидная химия : учеб. для унтов и хим.-технол. вузов. -5-е изд., испр. -М.: Высш. шк., 2007.-443, [5] с.: ил.
б) дополнительная литература:
1. Тиноко И., Зауэр К., Вэнг Дж., Паглиси Дж. Физическая химия. Принципы
и применение в биологических науках -М.: Техносфера, 2005. -743, [1] с.:
рис., табл.
2. Калоус, Витез, Павличек, Зденек. Биофизическая химия : [учеб. пособие] М.: Мир, 1985. -446, [2] с.: рис.
3. Ленский А.С. Введение в бионеорганическую и биофизическую химию :
учеб. пособие для студентов мед. специальностей вузов -М.: Высш. шк.,
1989. 255, [1] с.: ил.
4. Еремин В.В., Каргов С.И., Успенская И.А., Кузьменко Н.Е., Лунин В.В.
Задачи по физической химии : учеб. пособие -М.: Экзамен, 2003. 318, [2] с
5. Гельфман М.И., Ковалевич О.В., Юстратов В.П. Коллоидная химия
[Электронный ресурс] : учебник . -5-е изд., стер. -СПб.; -М.; Краснодар: Лань,
2010. 332, [1] с.: ил.
6. Физическая химия: учеб. для вузов : в 2 кн./ К. С. Краснов, Н. К. Воробьев,
И. Н. Годнев. - 3-е изд., испр. Кн. 1: Строение вещества. Термодинамика -М.:
Высш. шк., 2001. -511, [1] с.: ил., табл.
7. Физическая химия: учеб. для вузов : в 2 кн./ К. С. Краснов, Н. К. Воробьев,
И. Н. Годнев. - 3-е изд., испр. Кн. 2: Электрохимия. Химическая кинетика и
катализ. -М.: Высш. шк., 2001.-318, [2] с.: ил.
в) Интернет-ресурсы
11
http://www.chem.msu.ru/rus/teaching/phys.html
http://www.chem.msu.ru/rus/teaching/korobov/lection/welcome.html
http://www.chem.msu.ru/rus/teaching/korobov/spring/welcome.html
http://www.chem.msu.ru/rus/teaching/chem-kinetics.html
8. Материально-техническое обеспечение дисциплины
«Основы физической химии»
Мультимедийный проектор, компьютер преподавателя, доступ в Интернет.
Программа составлена в соответствии с требованиями ОС ВПО по
направлению Физика живых систем и ООП по профилям подготовки
Биофизика и Медицинская фотоника.
Автор:
доцент кафедры оптики и биофотоники,
к.х.н.
А.Б. Правдин
Программа одобрена на заседании кафедры оптики и биофотоники
от 20 мая 2011 года, протокол № 6/11.
Подписи:
Зав. кафедрой
В.В. Тучин
Декан физического факультета
(факультет, где разработана программа)
В.М. Аникин
Декан физического факультета
(факультет, где реализуется программа)
В.М. Аникин
12