ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Тверской государственный университет»

«УТВЕРЖДАЮ»

Декан биологического факультета

С.М. Дементьева

_ 2011 г.

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС

по дисциплине:

«Физическая химия»

для студентов 2 курса очной формы обучения специальность 020803.65 «Биоэкология»

Обсуждено на заседании Составитель: к.х.н., доцент кафедры физической химии Э.А. Серегин «29 » _января _ 2011 г.

Протокол № _ Зав. кафедрой _ Ю.Г. Папулов Тверь,

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

Курс физической химии в подготовке биологов имеет большое значение. С одной стороны, он служит базой для изучения многих специальных дисциплин:

биохимии, биофизики, физиологии, почвоведения и т.д., с другой – он имеет самостоятельное значение: специалисты, окончившие биологические факультеты университетов, часто преподают и химию в средней школе и, естественно, должны иметь необходимый кругозор по теоретическим вопросам химии.

В процессе изучения дисциплины «Физическая химия» студенты должны:

– освоить в доказательном объеме основные теоретические положения физической химии;

– научиться методике проведения физико-химического эксперимента и обработки экспериментальных данных;

– освоить методику физико-химических расчетов.

Для успешного изучения курса физической химии студенты должны быть хорошо знакомы с основами неорганической и органической химии, элементарной физики и математического анализа.

УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА

Тема 1. История развития физической химии, основные ее разделы.

Газовые законы. Используемые в физической химии единицы измерений.

Тема 2. Химическая термодинамика. Основные понятия. Первый закон термодинамики. Теплота и работа, внутренняя энергия и энтальпия.

Теплоемкость. Термохимия. Законы Гесса и Кирхгофа. Второй закон термодинамики. Процессы обратимые и необратимые. Энтропия.

Термодинамические потенциалы. Химическое равновесие. Уравнения изотеры, изохоры и изобары химической реакции. Значение законов термодинамики при изучении биологических процессов.

Тема 3. Учение о растворах. Растворы неэлектролитов. Законы Генри и Рауля. Эбуллиоскопия и криоскопия. Растворы двух летучих жидкостей.

Диаграммы кипения и законы Коновалова. Экстракция. Осмотическое давление (теория Вант-Гоффа) и его биологическое значение.

Тема 4. Растворы электролитов. Степень и константа диссоциации.

Сильные электролиты. Активность и коэффициент активности. Кислоты и основания. Буферные растворы. Электропроводность растворов. Методы измерения электропроводности. Полиэлектролиты. Пограничные потенциалы и электродвижущие силы. Электродный потенциал и гальванический элемент.

Формула Нернста. Стандартные электродные потенциалы и электроды сравнения. Стеклянный электрод. Мембранное равновесие и мембранная разность потенциалов. Потенциометрия.

Тема 5. Кинетика химических реакций. Скорость и константа скорости реакции. Молекулярность и порядок реакции. Определение порядка реакции.

Простые и сложные реакции. Зависимость скорости реакции от температуры.

Уравнение Аррениуса, энергия активации. Роль свободных радикалов в химической кинетике. Цепные и фотохимические реакции. Основные понятия катализа. Ферментативный катализ.

Тема 6. Коллоидная химия. Классификация коллоидных систем и методы их получения. Молекулярно-кинетические свойства дисперсных систем.

Оптические свойства коллоидных систем. Поверхностные явления и адсорбция.

Электрохимия коллоидных систем. Устойчивость и коагуляция лиофобных коллоидов. Растворы высокомолекулярных веществ. Золи и гели.

РАБОЧАЯ УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА

Аудиторные занятия Самост. Экзамен Зачеты Семестр работа лекции практ. лаб. работы – 4 32 32 - 61 Аудиторные Самос Наименование разделов и тем Всего занятия тоят.

Газовые законы. Уравнение состояния идеальных и Первый закон термодинамики Внутренняя энергия и энтальпия Закон Гесса Расчет тепловых Второй закон термодинамики. Обратимые и Химическое равновесие. Уравнения изотермы, Растворы неэлектролитов. Законы Генри и Рауля.

Эбулиоскопия и криоскопия. Осмотическое Растворы электролитов. Сильные и слабые электролиты. Буферные растворы. Применение Электродный потенциал и гальванический элемент. Формула Нернста. Стандартные Кинетика химических реакций. Молекулярность и порядок реакции. Уравнение Аррениуса и энергия Классификация дисперсных систем. Молекулярнокинетические и оптические свойства коллоидных Двойной электрический слой и коагуляция

ПЛАН И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ПОДГОТОВКЕ

К ПРАКТИЧЕСКИМ И ЛАБОРАТОРНЫМ ЗАНЯТИЯМ

Учебным планом предусмотрено выполнение лабораторного практикума в течение десяти недель четвертого семестра, причем занятия проводятся через неделю в каждой подгруппе по четыре академических часа. При этом выполняется 6 лабораторных работ. Семестр начинается с практических занятий по двум начальным темам курса, где студенты осваивают навыки физико-химических расчетов. На этих занятиях рассматриваются принципиальные вопросы темы, решаются задачи. Активность студентов на занятиях оценивается, и оценка в последующем влияет на количество баллов в соответствующем модуле.

Лабораторные работы студенты выполняют вдвоем. Маршрут следования по темам доводится до студентов заранее. Предполагается, что основным пособием для подготовки к лабораторным работам и при их выполнении является «Практикум по физической и коллоидной химии» (авторы Серегин Э.А., Столяров А.А., Балина Т.К. Тверь, ТвГУ, 1999). В данном пособии подробно описаны методики всех выполняемых работ. Поэтому в данном комплексе отсутствует описание методик измерений. Возможно также использование практикумов и других авторов.

В процессе подготовки к выполнению лабораторной работы студент должен обратить внимание на основные вопросы темы, на вывод и физический смысл необходимых уравнений. Перечень тех и других приведен в описании каждой конкретной работы. В процессе подготовки не следует обращать особого внимания на методику использования лабораторного оформления работы. Ко всему циклу работ студенты допускаются после инструктажа по технике безопасности, что студент подтверждает росписью в соответствующем журнале. К выполнению каждой работы студент получает допуск лишь после положительного результата собеседования по теме работы с преподавателем.

По завершении работы студент оформляет отчт по следующей форме:

1. Краткое теоретическое введение с расшифровкой всех уравнений, используемых в данной работе;

2. Экспериментальная часть, в которой необходимо кратко описать методику приготовления объектов исследования и процесс выполнения работы;

З. Таблицы, в которые включены измеренные величины, промежуточные и конечные результаты. Образцы соответствующих таблиц приводятся в практикуме;

4. Необходимые графики;

5. Результаты решения теоретических задач, прилагаемых к каждой работе.

ЛИТЕРАТУРА

Основная.

1. Горшков В.И., Кузнецов И.А.Основы физической химии. М. МГУ, 2003.

2. Горшков В.И., Кузнецов И.А. Физическая химия. Методические указания для студентов биологических факультетов государственных университетов. М., МГУ, 2008, 72 с.

3. Еремин В.В., Каргов С.И., Успенская И.А., Кузьменко Н.Е., Лунин В.В.

Задачи по физической химии.М.: Экзамен. 2003.

Дополнительная Киреев В.А. Краткий курс физической химии. М., Химия, 1978.

Николаев Л.А. Основы физической химии биологических процессов. М., Высшая школа, 1976.

Уильямс В., Уильямс Х. Физическая химия для биологов. М., Мир, 1976.

Чанг Р. Физическая химия с приложениями к биологическим системам.

М., Мир, 1980.

Кузнецов В.В., Усть-Качкинцев В.Ф. Физическая и коллоидная химия.

М., Высшая школа, 1976, 277 с.

Равич-Щербо М.И., Новиков В.В. Физическая и коллоидная химия. М., Высшая школа, 1975, 255 с.

Методические пособия 1. Задания для контрольных работ по физической и коллоидной химии. Под ред. Столярова А.А. Тверь, ТвГУ, 1979.

2. Методические указания для контрольных работ по физической и коллоидной химии. Под ред. Серегина Э.А., Балиной Т.К. Тверь, ТвГУ, 1985.

3. Методические указания к самостоятельной подготовке по курсу «Физиическая и коллоидная химия». Под ред. Серегина Э.А., Балиной Т.К. Тверь, ТвГУ, 1989.

4. Практикум по физической и коллоидной химии. Под ред. Серегина Э.А., Столярова А.А., Балиной Т.К. Тверь, ТвГУ, 1999.

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ОРГАНИЗАЦИИ

САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ

Самостоятельная работа по дисциплине «Физическая химия» проводится с целью углубления и закрепления полученных студентами в ходе лекционных и лабораторных занятий знаний, а также приобретения навыков анализа результатов проведенного научного исследования и умения пользоваться рекомендованной литературой.

Данный учебно-методический комплекс (УМК) предназначен для освоения дисциплины «Физическая химия» студентами второго курса биологического факультета в соответствии с утвержденными учебными планами Тверского государственного университета.

Самостоятельное изучение дисциплины целесообразно начинать с ознакомления с программой дисциплины и предъявляемыми требованиями.

В процессе изучения учебного материала необходимо добиваться понимания физического смысла рассматриваемых понятий и их математического описания.

Буферное действие растворов Гесса закон – агрегатные состояния Гиббса уравнение – поверхностно-активные Гидратация – ионное произведение Дебая-Гюккеля теория Водородный показатель рН Десорбция – – термодинамические процессы – константа – парциальное давление – взаимная растворимость – растворимость в жидкостях – поверхностное натяжение – упругость насыщенного пара Криоскопическая постоянная – независимого движения ионов Осмотическое давление Золи – гидрофильные (лиофильные) Правило Ле-Шателье – гидрофобные (лиофобные) – фаз Гиббса – коагуляция электролитами – Шульце-Гарди Изоэлектрическое состояние Растворы – сила растворов электролитов – моляльность Ионы, закон независимого – молярность Капиллярная конденсация – тепловой эффект Кинетика гомогенных реакций Рэлей, светорассеяние Кинетическая теория газов коллоидами Кирхгофа уравнение Ряд напряжений Клайперона-Клаузиуса уравнение Светорассеяние Коллигативные свойства Суспензии – агрегативная устойчивость температуры – кинетическая устойчивость Термодинамика – оптические свойства – второе начало – электрокинетические явления – обратимость процесса Константа диссоциации – первое начало Удельная электропроводность Электродные потенциалы Химические реакции – диссоциация – мономолекулярные Электрокинетический потенциал – бимолекулярные Электрокинетические явления Эбуллиоскопическая постоянная Энтальпия

БАНК КОНТРОЛЬНЫХ ВОПРОСОВ И ЗАДАНИЙ

Сложность в освоении дисциплины «Физическая химия» студентамибиологами второго курса можно объяснить отчасти традиционно качественным подходом к изучению биологических проблем и, как следствие, отсутствием должного интереса к математическим и физическим методам исследования биологических процессов. Другая причина заключается во времени, отводимым учебной программой на освоение курса. По сложившейся традиции на биологическом факультете ТвГУ физическую химию студенты изучают во втором семестре второго курса в течение 19 недель, на что отводится 20 лекционных и лабораторных часов и 65 часов самостоятельной подготовки. Учитывая сложность материала дисциплины и его объм, следует признать указанный лимит времени крайне ограниченным. Поэтому особое значение приобретает правильное планирование самостоятельной подготовки студента к занятиям по конкретным разделам.

На кафедре физической химии ТвГУ изданы методические указания к самостоятельной подготовке по дисциплине «Физическая химия». Эти указания включают 6 разделов с контрольными вопросами и соответствующими расчетными заданиями. Эти разделы включают нижеследующие темы:

1. Газовые законы (7 вопросов и 8 задач) 2. Химическая термодинамика (22 вопроса и 22 задачи) 3. Растворы неэлектролитов (8 вопросов и 9 задач) 4. Растворы электролитов. Электродвижущие силы (21 вопрос и 5. Химическая кинетика (11 вопросов и 15 задач) 6. Поверхностные явления. Дисперсные системы (26 вопросов и Приступая к занятиям по данной дисциплине, студент получает конкретное задание от преподавателя по каждой из тем, выполнение которого оформляется в отдельной тетради и проверяется преподавателем в течение четвертого семестра и окончательно при сдаче зачета.

ПЕРЕЧЕНЬ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

Работа 1. Измерение электропроводности растворов электролитов.

Цель работы: Измерение сопротивления раствороа слабого электролита и расчет степени и константы его диссоциации.

Работа 2. Измерение рН и буферной мкости буферных систем.

Цель работы: Измерение рН растворов, построение буферной диаграммы и определение буферной мкости.

Работа 3. Определение константы скорости инверсии сахарозы.

Цель работы: Определение константы скорости реакции первого порядка – инверсии сахарозы в кислой среде.

Работа 4. Адсорбция на границе раздела жидкость-газ.

Цель работы: Изучение адсорбции н-бутилового и изоамилового спиртов на границе раздела раствор-воздух.

Работа 5. Коагуляция коллоидных систем.

Цель работы: Определение порога коагуляции золя гидроксида железа.

Работа 6. Определение электрокинетического потенциала коллоидных частиц методом электрофореза.

Цель работы: Определение электрокинетического потенциала золя гидроксида железа.

ТРЕБОВАНИЯ К РЕЙТИНГ-КОНТРОЛЮ

По учебному плану предусмотрено проведение два рубежных контроля.

Контрольная работа по темам:

2.Способы выражения концентрации растворов 3.Первый закон термодинамики. Термохимия.

Контрольная работа оценивается из 20 баллов.

Контрольная работа по темам:

1.Второй закон термодинамики. Термодинамические потенциалы.

2.Химическое равновесие 3.Растворы неэлектролитов Контрольная работа оценивается из 10 баллов. Кроме того 10 баллов датся за выполнение двух лабораторных работ (по 5 баллов за каждую работу) Контрольная работа по темам:

1.Растворы электролитов. Степень и константа диссоциации.

2.Буферные свойства растворов 3.Кинетика химических реакций Контрольная работа оценивается из 10 баллов. Кроме того 10 баллов датся за выполнение двух лабораторных работ (по 5 баллов за каждую работу) Контрольная работа по темам:

1.Адсорбция на поверхности растворов 2.Коагуляция коллоидных систем Контрольная работа оценивается из 20 баллов.

По результатам контрольных и лабораторных работ студент может получить за два модуля 40 баллов. В конце четвертого семестра студент получает оценку из 20 баллов за уровень выполнения индивидуального задания по самостоятельной работе.

Итого максимальная оценка знаний составляет 100 баллов. Зачет студент получает по результатам работы в объме четырех блоков и самостоятельной работы.

1. Дать определение процентной, молярной, нормальной, моляльной концентраций и мольной доли.

2. Какие газы называют идеальными и каким законом описывается их состояние?

3. Что такое реальные газы и каким законом описывается их состояние?

4. Какой физический смысл имеет универсальная газовая постоянная и какую размерность она имеет в разной шкале единиц?

5. Сформулируйте первый закон термодинамики и запишите его аналитическое выражение.

6. Какие процессы называют изотермическими, изохорными, изобарными и адиабатическими?

7. Сформулируйте закон Гесса и укажите условия его выполнения.

Одинаков ли тепловой эффект реакции в изобарных и изохорных условиях?

8. Каковы следствия из закона Гесса? Что называют стандартными энтальпиями образования и сгорания вещества?

9. Приведите и объясните уравнение зависимости теплового эффекта реакции от температуры.

1. Приведите формулировки второго закона термодинамики. Напишите его аналитическое выражение для обратимого и необратимого процессов.

2. Каков физический смысл энтропии? Как рассчитать ее изменение в процессе нагревания и фазового превращения вещества?

3. Как рассчитать изменение энтропии в результате химической реакции?

4. Что такое химическое равновесие? Как можно выразить константу химического равновесия и от чего она зависит?

5. Дать определение свободных энергий Гиббса и Гельмгольца и показать их связь с константой равновесия реакции в стандартных условиях.

6. Какие растворы называют идеальными?

7. Каковы причины отклонения реальных растворов от идеальных?

8. Начертить и объяснить диаграмму кипения идеального раствора двух летучих жидкостей. Какой вид имеет эта диаграмма в случае образования азеотропной смеси?

9. От каких факторов зависит растворимость газов в жидкостях?

10.Какому закону подчиняется растворимость газов от их давления?

11.Что такое осмос? Какой закон описывает осмотическое давление?

12.Как зависят температуры замерзания и кипения растворов от их концентрации? Какой физический смысл имеют криоскопическая и эбуллиоскопическая константы растворителя?

13.Сформулируйте принцип подвижного равновесия Ле-Шателье. Как влияет температура и давление на химическое равновесие?

1. Что называют электролитами? Чем обусловлена их электропроводность и от чего она зависит?

2. Что такое степень диссоциации электролита и от чего она зависит?

Почему для сильных электролитов вводится понятие активности?

3. Для каких электролитов (сильных или слабых) существует понятие константы диссоциации? От каких факторов зависит констант диссоциации и что такое рК?

4. Что такое удельная и эквивалентная электропроводности?

5. Что такое ионное произведение воды? Поясните смысл показателей рН, рОН и покажите связь между ними.

6. Что такое буферные системы? Приведите примеры буферных смесей.

Что такое буферная мкость?

7. Объясните в качестве примера действие ацетатного буфера.

8. Зачем вводится понятие «ионная сила раствора» и как ее рассчитывают?

9. Что такое электродный потенциал и гальванический элемент? Как рассчитывают электродвижущую силу гальванического элемента?

10. Записать и объяснить уравнение Нернста для электродных потенциалов. Что такое стандартный электродный потенциал?

11. Что такое электроды сравнения и для чего они используются? Какие электроды сравнения Вы знаете (перечислите)?

12. Дайте определение молекулярности и порядка химической реакции.

Какие реакции называют простыми и сложными?

13. Что такое константа скорости реакции и как она зависит от температуры?

14. Какой физический смысл имеет энергия активации химической реакции?

Какие системы называют дисперсными?

Что такое суспензии и золи?

Что такое поверхностное натяжение? Для каких поверхностей оно может быть измерено?

Какие вещества называют поверхностно-активными и почему?

Что такое мицелла и каково ее строение?

Дайте определение коагуляции коллоидных растворов. Почему введение в коллоидный раствор электролита вызывает его коагуляцию?

7. Сформулируйте правило Шульце-Гарди.

8. Что такое адсорбция и каково строение поверхностного слоя водных растворов поверхностно-активных веществ?

1. Поясните физический смысл универсальной газовой постоянной. Как рассчитать е численное значение?

2. Начертите и объясните форму изотерм идеального и реального газов.

3. Что называется тепловым эффектом реакции и как его рассчитывают?

4. В каком из следующих процессов: изотермическом, адиабатическом, изохорическом, изобарическом – при обратимом их протекании не происходит изменения энтропии системы?

5. В каком соотношении находятся молярные энтропии трх агрегатных состояний одного и того же вещества: газа, жидкости и твердого тела?

6. За счт изменения какой термодинамической функции совершается максимальная полезная работа химической реакции, протекающей при постоянных температуре и давлении?

7. Как влияет температура на величину константы равновесия реакции?

Что является мерой этого влияния?

8. Зависят ли константы равновесия реакции Кр и Кс от концентрации реагирующих веществ?

9. Какие растворы называют идеальными? Какие отклонения от аддитивности наблюдаются в реальных растворах?

10. Начертите и объясните диаграммы давление пара – состав и температура кипения – состав растворов двух летучих жидкостей.

11. Что такое перегонка раствора? Можно ли разделить перегонкой азеотропные смеси?

12.Каковы причины диссоциации электролитов в растворе на ионы?

13.Что называется водородным показателем, для чего он вводится? Какую роль в биологии играет величина рН?

14.Какова биологическая роль буферных растворов? Объясните с помощью уравнений механизм буферного действия белков и аминокислот.

15.Что называется коэффициентом активности? Почему при расчетах свойств растворов электролитов необходимо пользоваться величиной активности?

16. Что называется ионным произведением воды? Почему температура влияет на его величину?

17. Что такое электродный потенциал? Почему возникает необходимость введения этой величины?

18. Какая реакция (окисления или восстановления) протекает на положительном и отрицательном электродах гальванического элемента? Что называется его электродвижущей силой?

19. Для чего используют электроды сравнения? Приведите примеры этих электродов.

20. Как формулируется основной постулат химической кинетики? Каков физический смысл константы скорости реакции? Имеет ли она размерность?

21. Поясните термины молекулярность и порядок реакции. В каких случаях реакция имеет нулевой порядок?

22. Напишите уравнение константы скорости реакции первого порядка.

Как зависит от исходной концентрации реагирующего вещества период полупревращения для этой реакции?

23. Что называется энергией активации? Как можно определить е экспериментально?

24. Какие объекты изучает коллоидная химия? Дайте определение понятия дисперсности и перечислите основные типы дисперсных систем.

25. Какими способами можно измерить поверхностное натяжение жидкостей? Для каких целей можно использовать результаты измерения поверхностного натяжения чистых жидкостей и растворов?

26. Что называется поверхностной активностью растворенного вещества?

Каким закономерностям она подчиняется? Как рассчитать зависимость адсорбции из раствора на границе раствор-воздух, используя экспериментальные данные измерения поверхностного натяжения?

27. Каким закономерностям подчиняется адсорбция ионов? Изобразите строение коллоидных частиц, несущих положительный и отрицательный заряды. Укажите на схемах составные части мицелл.

28.Объясните механизм коагуляции золей электролитами