МОДУЛЬНАЯ ПРОГРАММА ЛЕКЦИОННОГО КУРСА, СЕМИНАРОВ И САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ
Методическое пособие, предназначенное для студентов III курса ФЕН специальности «Химия»,
содержит программу курса лекций в 5-м семестре, структуру курса и правила ИКИ. Кроме того,
приведен набор задач для самостоятельной работы студентов (домашних заданий) и даны примеры вариантов промежуточных и экзаменационных контрольных работ за прошлые годы.
Составитель д-р хим. наук, доц. А. А. Хасин
© Новосибирский государственный университет, 2009
Для просмотра web-документов, содержащих формулы, представленные в MathML, и подготовленных
указанным выше способом, необходимо наличие на вашем компьютере
Браузера Internet Explorer версии 5.5 и выше
Расширения (plug-in’а) к IE, называемого MathPlayer
Инсталляция MathPlayer
Расширение MathPlayer может быть проинсталлировано с
нашего сайта или сайта разработчика. Процесс инсталляции – стандартный. Регистрация не требуется
I. Основные понятия химической термодинамики
- Первое начало термодинамики, термохимия
.
Изолированные, открытые и закрытые системы, классический и статистический подходы к описанию термодинамических систем.
Интенсивные и экстенсивные параметры состояния системы. Теплота. Работа. Внутренняя энергия. Первое начало термодинамики.
Уравнения состояния. Функции состояния. Закон Гесса. Стандартные состояния.
Энтропия. Второе и третье начала термодинамики..
Состояние системы и микросостояния системы, степень вырождения, допустимые микросостояния. Эргодическая гипотеза. Энтропия.
Температура. Связь внутренней энергии, энтропии и температуры. Теплоемкость. Свойства энтропии. Второе начало термодинамики. Обратимые
и необратимые процессы. Третье начало термодинамики.
Термодинамические потенциалы..
Характеристические функции. Термодинамические потенциалы – внутренняя энергия, энтальпия, потенциал Гельмгольца, потенциал Гиббса.
Фундаментальные уравнения и термодинамические соотношения между термодинамическими величинами. Уравнения Максвелла. Уравнение
Гиббса – Гельмгольца.
(Необходимый математический аппарат –
Якобиан. Алгебраические соотношения для детерминантов матриц
Якоби второго ранга.)
II. Химическое равновесие в гомогенных системах.
- Химический потенциал.
.
Химическое равновесие. Химический потенциал. Зависимость химических потенциалов от давления и температуры для идеальных: газа,
растворенного вещества, твердого тела.
Химическое равновесие в идеальных газах..
Полезная работа химической реакции. Направление самопроизвольного химического процесса в изолированной и закрытой системах.
Условия равновесия закрытой химической системы. Расчет величины химического потенциала. Химическое сродство реакции.
Закон действующих масс. Константа равновесия. Уравнение изотермы, изобары и изохоры химической реакции (зависимость констант
равновесия от давления и температуры). Направление протекания химических процессов при выводе системы из термодинамического равновесия.
Принцип Ле-Шателье. Теплоемкость реагирующей смеси. Равновесие в системах с большим числом линейно-независимых реакций. Определение числа линейно-независимых
реакций.
Химическое равновесие в неидеальных системах.
Летучесть (фугитивность). Химический потенциал неидеального газа. Уравнения состояния реальных газов – уравнение Ван-дер-Ваальса,
Соаве – Редлиха – Квонга. Химическое равновесие в реальных газах. Активность. Коэффициент активности.
III. Химическое равновесие в гетерогенных системах
- Фазовые равновесия в однокомпонентных системах
.
Фазовые переходы I и II рода. Соотношение Клапейрона – Клаузиуса. Равновесие “пар – жидкость” и “пар – твердая фаза”.
Равновесие “твердая фаза – твердая фаза”. Равновесие “расплав – твердое тело”. Критическое состояние вещества. Примеры фазовых равновесий
(диаграмм) в однокомпонентных системах. Правила Трутона.
Фазовые равновесия в двух- и многокомпонентных системах.
Парциальные молярные величины.
(Однородные функции первого порядка, теорема Эйлера.) Условия равновесия в
многофазных многокомпонентных системах. Правило фаз Гиббса. Уравнение Гиббса – Дюгема. Функции смешения идеальных и неидеальных
смесей: объем, энтропия, энтальпия, потенциал Гиббса смешения. Избыточные функции смешения. Критерий Редлиха – Кистера
Равновесия “жидкость –
пар” “жидкость –
жидкость” и
“жидкость –
твердое тело” в двух- и многокомпонентных системах.
Классификация растворов: совершенные (идеальные), предельно-разбавленные, регулярные, атермальные.
Законы Рауля и Генри. Законы Коновалова. Основные типы диаграмм равновесия “жидкость – пар”. Химический потенциал компонента в растворе,
различные типы используемых стандартных состояний. Предельно разбавленные растворы. Равновесия “пар – жидкость” в системе двух
несмешивающихся жидкостей или жидкостей с ограниченной растворимостью. Расслоение регулярного раствора. Равновесия в растворах нелетучих
веществ в летучих растворителях (бинарный раствор – чистый компонент). Основные типы диаграмм равновесия двухкомпонентных
систем “жидкость – твердое тело”. Уравнение Шрёдера. Литостатическое давление, сила кристаллизации. Коллигативные свойства: эбуллиоскопия,
криоскопия, осмос. Осмос. Равновесия в системах с клатратами (на примере газовых гидратов). Некоторые представления о фазовых равновесиях
в трехкомпонентных системах.
IV. Химическое равновесие в системах, содержащих растворы электролитов
- Элементы теории растворов электролитов и электрохимии.
.
Сольватация. Электролитическая диссоциация. Элементы теории Дебая – Хюккеля.
Коэффициенты активности ионов, ионная сила раствора. Термодинамика окислительно-восстановительных превращений в растворах.
Электродные потенциалы. Уравнение Нернста. Типы электродов. Топливные элементы.
V. Термодинамика дисперсных систем и поверхностных явлений
- Дисперсные системы и поверхностные явления.
Типы дисперсных систем. Поверхностное натяжение. Давление Лапласа. Капиллярное впитывание. Термодинамика систем
с поверхностью раздела. Термодинамическая устойчивость дисперсных систем. Лиофильность. Критерий Щукина – Ребиндера. Влияние
диспергирования вещества на фазовые равновесия и растворимость вещества. Капиллярная конденсация. Уравнение Кельвина (Томсона).
Закон Гиббса – Оствальда – Фрейндлиха.
Адсорбция.
Адсорбция. Модель однородной адсорбции. Изотерма адсорбции Лэнгмюра. Модели неоднородной монослойной
адсорбции - изотермы адсорбции Темкина, Фрейндлиха. Изотерма адсорбции БЭТ. Взаимосвязь адсорбции и поверхностного натяжения.
Изотерма адсорбции Гиббса. Явление поверхностной сегрегации примеси (раствора). Анализ степени поверхностной сегрегации по Соморджаю.
VI. Использование статистических методов для описания химического равновесия в идеальных системах
- Статистическое описание идеальных газофазных систем.
Статсумма. Поступательная статсумма. Вращательная статсумма. Внутреннее вращение. Колебательная статсумма.
Энергия Гельмгольца. Энтропия. Внутренняя энергия, энтальпия, энергия Гиббса. Теплоемкость.
Определения равновесного состава газофазных систем в подходе статистической термодинамики.
Химический потенциал. Константа равновесия K
N. Выражения для константы равновесия К
Р.
Статистический расчет приближенных значений констант равновесия в реакциях изотопного обмена или изомеризации.