Зміст дисципліни

ВСТУП. Предмет фізичної хімії та її значення. Розділи фізичної хімії. Методи дослідження. Розвиток фізичної хімії в Україні.

Вчення про агрегатні стани речовин. Газуватий стан. Ідеальні і реальні гази. Основні закони ідеальних газів. Рівняння стану ідеальних газів. Універстальна газова стала. Парціальні тиски в сумішах ідеальних газів.

Реальні гази. Рівняння стану реальних газів Ван-дер-Ваальса. Кінетична теорія газів. Розподіл Максвелла. В'язкість газів.

ПЕРШЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМІКИ. Термодинамічні системи та їх властивості. Параметри та функції стану системи. Внутрішня енергія. Теплота та робота. Закон збереження і перетворення енергії. Рівноважні процеси. Максимальна робота. Теплоємність. Рівняння стану. Термічні коефіцієнти. Калоричні коефіцієнти. Робота різних процесів. Ентальпія. Перший закон термодинаміки. Застосування першого закону термодинаміки до ідеальних газів.

ТЕРМОХІМІЯ. Тепловий ефект хімічної реакції. Закон Гесса. Теплоти агрегатних перетворень. Теплоти поліморфних перетворень. Теплоти згорання. Теплоти розчинення. Теплоти утворення. Знаходження теплот реакцій за допомогою таблиць. Енергія хімічного зв'язку. Залежність теплових ефектів від температури.

ДРУГИЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМІКИ. Оборотний цикл Карно. Узагальнення другого закону термодинаміки. Ентропія. Властивості ентропії. Зміна ентропії ідеального газу. Зміна ентропії при агрегатних перетвореннях. Постулат Планка. Абсолютні значення ентропії. Статистичний характер другого закону термодинаміки.

ХАРАКТЕРИСТИЧНІ ФУНКЦІЇ І ТЕРМОДИНАМІЧНІ ПОТЕНЦІАЛИ. Ізохорно-ізотермічний потенціал. Рівняння максимальної роботи Гіббса-Гельмгольця. Вільна і зв'язана енергія. Характеристичні функції. Умови рівноваги. Термодинамічні потенціали ідеальних і реальних газів. Хімічний потенціал ідеального газу. Різні способи вираження хімічного потенціалу.

ФАЗОВІ РІВНОВАГИ. Загальні умови рівноваги в гетерогенних системах. Незалежні компоненти. Хімічний потенціал багатокомпонентних систем. Умови рівноваги між фазами. Правило фаз Гіббса. Діаграми стану однокомпонентних систем. Рівняння Клаузіуса-Клапейрона. Фазові переходи першого роду. Діаграма стану сірки. Енаетіотропія і монотропія. Двокомпонентні системи. Діаграми плавлення двокомпонентних систем. Евтектика. Термічний аналіз, криві кристалізації. Діаграми систем, що утворюють хімічні сполуки (без розкладу). Системи, що утворюють сполуки, які плавляться інконґруентно (з розкладом). Тверді розчини. Дальтоніди і бертоліди.

Трикомпонентні системи. Методи Гіббса та Розебома визначення складу трикомпонентних систем. Трикутник Гіббса-Розебома. Діаграми плавлення трикомпонентних систем. Обмежена взаємна розчинність трьох рідин.

ТЕРМОДИНАМІКА РОЗЧИНІВ. Вступ в теорію розчинів. Структура рідин. В'язкість рідин. Поверхневий натяг. Дифузія в рідинах. Внутрішній тиск в рідинах. Концентрація. Різні форми вираження. Термодинамічні потенціали реальних газів. Летучість.

Розчинність газів і твердих речовин у рідинах. Закон Генрі. Парціальний мольний об'єм і методи його розрахунку. Ідеальні розчини. Закони Рауля. Реальні розчини. Відхилення від закону Рауля.

Рівноваги рідина – пара. Діаграми тиск – склад та температура кипіння – склад. Фракційна перегонка. Перший закон Коновалова. Температура кристалізації і температура кипіння розчинів нелетких речовин. Кріоскопія і ебуліоскопія. Другий закон Коновалова. Азеотопні розчини. Обмежена взаємна розчинність рідин.Критична температура розчинності. Перегонка з водяною парою. Осмотичний тиск. Термодинамічні властивості розчинів високомолекулярних сполук.

ХІМІЧНІ РІВНОВАГИ В ГАЗАХ І РОЗЧИНАХ. Умови хімічної рівноваги. Константа хімічної рівноваги. Рівняння ізотерми. Напрямок реакції. Різні способи вираження константи рівноваги. Зміщення стану рівноваги. Принцип Ле-Шательє. Закон діючих мас. Знаходження складу реагентів при рівновазі. Підбір оптимальних умов процесу. Константа рівноваги в неідеальних системах.

Гетерогенні рівноваги. Комбінування рівноваг. Залежність константи рівноваги від температури. Рівняння ізобари. Залежність константи рівноваги від температури. Точний вираз.

Тепловий закон Нернста. Хімічна стала в реакціях між кристалічними речовинами. Наближене рівняння Нернста. Ентропійний спосіб розрахунку констант рівноваги.

ОСНОВИ СТАТИСТИЧНОЇ ТЕРМОДИНАМІКИ. Термодинамічна ймовірність. Формула Больцмана – Планка для зв'язку між ентропією та термодинамічною ймовірністю. Статистика Бозе-Енштейна. Ентропія і термодинамічна імовірність. Характеристика ентропії. Частинки в силовому полі. Рівняння Больцмана. Сума станів та її зв'язок з основними термодинамічними функціями. Молекулярні суми станів для поступального, обертального, коливального та електронного рухів.

Представлення термодинамічних величин за допомогою суми станів. Розрахунки суми станів. Статистична теорія теплоємності молекул та твердих тіл. Знаходження теплоємності газів. Класична і квантова теорія теплоємності газів. Теплоємність багатоатомних газів. Теплоємність твердих тіл.

Статистичні розрахунки ентропії газу. Статистичний розрахунок хімічної сталої. Електронна сума станів. Розрахунки констант рівноваги і зміни нульової енергії.

Елементи термодинаміки необоротних процесів. Явища переносу: дифузія, теплопровідність, в'зкість і т.д. Роль ентропії. Явища переносу в газах. Класификація необоротних процесів. Співвідношення взаємності Онзагера. Тепло-, електропровідність та інші явища переносу в конденсованих фазах. Явище термодифузії.

ХІМІЧНА КІНЕТИКА. Основні поняття хімічної кінетики. Механізм реакції, прості та складні реакції. Швидкість хімічної реакції. Кінетичні криві. Кінетичні рівняння. Залежність швидкості реакції від концентрації. Порядок реакції та методи його визначення. Константа швидкості реакції. Період напівперетворення. Молекулярність елементарних реакцій. Інтегрування кінетичних рівнянь для реакцій різних порядків.

Реакції оборотні і необоротні. Механізм реакції, прості та складні реакції. Кінетика реакцій в статичних умовах. Необоротня реакція першого порядку. Необоротні реакції другого порядку. Необоротня реакція третього порядку. Оборотні реакції. Оборотня реакція другого порядку. Зв'язок між кінетикою та термодинамікою.

Паралельні реакції. Послідовні реакції. Спряжені реакції. Методи визначення порядку реакції. Кінетика гомогенних хімічних реакцій, що відбуваються у потоці. Вплив температури на швидкість реакції. Теплота активації і енергія активації.

ТЕОРІЇ КІНЕТИКИ. Теорія Арреніуса. Теорія активних зіткнень. Гіпотеза активних зіткнень. Розрахунки швидкості реакції по числу зіткнень. Перевірка теорії зіткнень. Квазі-мономолекулярні реакції. Теорія Ліндемана.

Метод активованого комплексу. Принцип методу. Будова активованого комплексу. Поверхня потенційної енергії. Правило Поляні. Вивід кінетичного рівняння теорії активованого комплексу. Трансмісійний коефіцієнт. Термодинамічний аспект теорії активованого комплексу, ентропія активації.

Взаємодія двох атомів. Взаємодія двох молекул. Порівняння теорії зіткнень з теорією активованого комплексу. Мономолекулярні реакції і теорія активованого комплекса. Тримолекулярні реакції.

Кінетика взаємодії частинок з третім тілом. Реакції в молекулярних пучках. Фемтохімія.

ЛАНЦЮГОВІ РЕАКЦІЇ. Складні реакції з участю активних проміжних сполук. Реакції з замкнутими циклами стадій і ланцюгові реакції. Області постійної швидкості реакції. Зв'язок між кінетикою і термодинамікою складних процесів.

Методи активації молекул. Виявлення й оцінка концентрації атомів і радикалів у реакційній системі. Аналіз стадійних схем.

Типи ланцюгових реакцій. Нерозгалужені ланцюгові реакції. Механізм та кінетика нерозгалужених ланцюгів. Розгалужені ланцюгові реакції. Теорія Семенова – Хіншельвуда. Довжина ланцюга і довжина розгалуження. Індукційний період. Межі спалаху та вибухів. Інгібування ланцюгових процесів.

ФОТОХІМІЧНІ РЕАКЦІЇ. Основні закони фотохімії. Первинні і вторинні фотохімічні реакції. Типи фотохімічних реакцій. Приклади фотохімічних реакцій.Фотосенсибілізовані реакції. Фотохімічне ініціювання реакцій полімеризації. Фотохімічні реакції в атмосфері Землі.

РАДІАЦІЙНА ХІМІЯ. Взаємодія іонізуючих випромінювань з речовиною. Кількісні характеристики радіаційно-хімічних перетворень. Швидкості радіаційно-хімічних перетворень. Основні види радіаційно-хімічних перетворень.

Дія іонізуючого випромінювання на воду і водні розчини. Дія іонізуючого випромінювання на органічні речовини. Іонні виходи радіаційно-хімічних реакцій. Різні механізми первинної (ініціюючої) дії проникаючих випромінювань.

РЕАКЦІЇ В ЕЛЕКТРИЧНИХ РОЗРЯДАХ. Тихий розряд. Іскровий розряд. Тліючий розряд. Дуговий розряд. Одержання озону. Синтез аміаку з азоту і водню. Одержання ацетилену з метану.

КІНЕТИКА РЕАКЦІЙ В РІДКІЙ ФАЗІ. Вплив розчинника на швидкість реакції. Реакції в розчинах електролітів. Сольовий ефект. Реакції між іонами. Вплив полярного розчинника на швидкість реакції. Клітковий ефект. Ланцюгові реакції полімеризації в неводних розчинах.

ФІЗИКО-ХІМІЯ ПОВЕРХНЕВИХ ЯВИЩ. Поверхневі явища на межі тверде тіло – газ. Фізична адсорбція і хемосорбція. Ізотерми адсорбції. Кінетика адсорбції та десорбції на однорідних поверхнях. Енергія активації адсорбції – десорбції. Мономолекулярна адсорбція газів на однорідній поверхні. Ізотерма адсорбції Ленгмюра. Полімолекулярна адсорбція на однорідній поверхні. Ізотерма адсорбції Брунауера - Еммета - Теллера (БЕТ). Визначення величини поверхні по рівнянню БЕТ. Ізотерма адсорбції Фрейндліха. Термодинаміка адсорбції на неоднорідній поверхні. Ентропія адсорбції. Адсорбція на межі розділу рідина – газ.

ГОМОГЕННІ КАТАЛІТИЧНІ ПРОЦЕСИ. Визначення каталізу. Загальні відомості про каталіз і каталізатори. Гомогенний каталіз у газовій фазі. Доцільність застосування каталізатора. Гомогенний каталіз у розчинах. Класификація гомогенних каталітичних реакцій.

Кислотно-основний каталіз, загальний та специфічний. Рівняння Бренстеда. Правило Поляні-Семенова. Окисно-відновні каталітичні реакції. Каталіз комплексними сполуками перехідних металів. Ферментативний каталіз. Кінетика ферментативних реакцій. Пуш-пульний механізм каталіза ензімами. Залежність ферментативних реакцій від температури. Інгібування ферментативних реакцій.

ГЕТЕРОГЕННІ КАТАЛІТИЧНІ ПРОЦЕСИ. Коротка історія розвитку гетерогенних каталітичних процесів. Активність каталізаторів. Удавана енергія активації. Вибірковість дії каталізаторів. Об'ємна швидкість і час контактування.

Каталітичні властивості металів. Оксиди як каталізатори. Роль структурного фактора, структурно-чутливі та структурно-нечутливі реакції. Мультиплетна теорія каталізу Баландіна. Теорія активних ансамблів Кобозева. Електронні теорії каталізу. Ланцюгові теорії каталізу. Гетерогенно-гомогенна теорія каталізу М.В. Полякова. Промотовані і змішані каталізатори. Нанесені металічні каталізатори, роль носія. Отруєння каталізаторів. Області застосування гетерогенних каталізаторів. Глибокий механізм деяких гетерогенно-каталітичних процесів.

Основи термодинаміки гетерогенних каталітичних процесів. Стадії каталітичних реакцій. Кінетика гетерогенно-каталітичних реакцій на однорідних поверхнях. Кінетика реакцій на неоднорідних поверхнях.

Кластерні уявлення в теорії активних центрів. Теорії каталітичної дії. Макрокінетика гетерогенних процесів. Кінетика і механізм гетерогенних реакцій.

ЕЛЕКТРОХІМІЧНА РІВНОВАГА. Розчини електролітів. Ізотонічний коефіцієнт Вант-Гоффа. Теорія електролітичної дисоціації Арреніуса. Причини дисоціації, сольватація іонів у розчинах. Сильні та слабкі електроліти. Константа електролітичної дисоціації. Закон розведення Оствальда. Електролітична дисоціація води. Поняття про рН розчинів. Константи дисоціації кислот і основ. Поняття про рК. Активна й аналітична (тітруєма) кислотність. Теорія кислот та основ Бренстеда - Лоурі. Буферні системи. Колориметричний метод визначення рН. Гідроліз. Застосування методів гідролізу.

ЕЛЕКТРОПРОВІДНІСТЬ РОЗЧИНІВ ЕЛЕКТРОЛІТІВ. Питома та еквівалентна електропровідності. Рухливості іонів. Протонний механізм переносу електрики в розчинах. Закон незалежності руху іонів (закон Кольрауша). Числа переносу. Визначення чисел переносу. Метод Гітторфа. Метод границі, що рухається.

Активність іонів в електролітах. Теорія Дебая-Хюккеля. Іонна атмосфера. Електрофоретичний та релаксаційний ефекти. Ефект Віна і Дебая-Фолькенгагена. Практичне застосування електропровідності розчинів. Кондуктометрине титрування.

ГАЛЬВАНІЧНІ ЕЛЕМЕНТИ. Виникнення і будова подвійного електричного шару. Електрохімічний потенціал. Класифікація електродів. Електроди І та ІІ роду, газові, окисно відновні. Гальванічний елемент. Залежність електрорушійної сили (е.р.с.) та потенціалів електродів від від концентрації (активності) потенціалвизначальних іонів. Рівняння Нернста.

Термодинаміка гальванічного елементу. Стандартні потенціали. Ряд активності металів. Водневий електрод. Електроди порівняння (хлорсрібний, каломельний та сурм'яний). Скляний електрод. Окиснювально-відновні потнціали. Хінгідронний електрод. Концентраційні ланцюги. Електричні ланцюги з переносом та без переносу іонів. Дифузійні потенціали.

Визначення термодинамічних параметрів хімічної реакції, що йде в гальванічному елементі. Вимірення електрорушійних сил. Нормальний елемент Вестона.

Визначення коефіцієнтів активності електроліту методом е.р.с. Розрахунок констант рівноваги окисно-відновних реакцій за даними е.р.с. Потенціометричний метод визначення рН. Потенціометричне титрування. Іонселективні електроди.

Електрохімічні джерела струму. Джерела струму одноразового використання. Джерела струму багаторазового використання (акумулятори). Електрохімічні генератори (паливні елементи).

КІНЕТИКА ЕЛЕКТРОДНИХ ПРОЦЕСІВ. Закони Фарадея. Хімічні процеси при електролізі. Електроліз водних розчинів. Види електродної поляризації. Потенціал розкладу. Теорія перенапруги виділення водню. Рівняння Тафеля. Теорія уповільненого розряду і її сучасне обгрунтування. Полярографія. Основи теорії корозії та захисту від неї. Методи захисту металів від корозії. Покриття, як метод захисту металів від корозії.

Вивчення фізичної хімії здійснюється протягом 3-х се- местрів : 5-7.

Програма структурована на модулі, змістові модулі, теми відповідно до вимог “Рекомендацій щодо розроблення навчальних програм нав- чальних дисциплін”.

1. Фізична хімія як навчальна дисципліна:

А) базується на вивченні студентами хімічного факультету вищої математики, фізики і будови речовин і інтегрується з цими дисциплінами;

Б) закладає основи вивчення студентами спеціальних курсів: "Термодинаміка", "Хімічна кінетика" та "Каталіз".

Організація навчального процесу здійснюється за кредитно-модуль- ною системою відповідно до вимог Болонського процесу.

Програма дисципліни структурована на 8 модулів, до складу яких входять блоки змістових модулів. Обсяг навчального навантаження студентів описаний у кредитах ECTS – залікових кредитах, які зарахо-вуються студентам при успішному засвоєнні ними модулів (залікових кредитів). Курс фізичної хімії складається з чотирьох модулів, кожен з яких містить по два змістових модулі.

Рекомендовано студентам на практичних заняттях записувати протоколи проведених досліджень, де зазначати мету досліду, коротко – хід роботи або назву методу, результати досліджень та висновки.

Засвоєні теми контролюються на практичних заняттях у відповід- ності з конкретними цілями, засвоєння змістових модулів – на практичних підсумкових заняттях. Рекомендується застосовувати такі засоби контролю рівня підготовки студентів: комп’ютерні тести або тестові завдання, розв’язування ситуаційних задач, проведення лабораторних досліджень і трактування та оцінка їх результатів, контроль практичних навичок.

Підсумковий контроль засвоєння змістових модулів та модуля в цілому здійснюється за їх завершеністю. Оцінка успішності студента з дисципліни є рейтинговою і виставляється за багатобальною шкалою як середня арифметична оцінка засвоєння відповідних модулів і має визна- чення за системою ECTS та шкалою, прийнятою в Україні.

Для тих студентів, які бажають поліпшити успішність з дисципліни за шкалою ECTS, кінцевий контроль здійснюється додатково по завер- шенню вивчення дисципліни комісійно, у відповідності з кінцевими та конкретними цілями з дисципліни.

Опис навчального плану з дисципліни "Фізична хімія" для студентів хімічних факультетів за спеціальністю 7070301 ("хімія").

ECTS – 30 год. Аудиторне навантаження – 58 %, СРС – 42%.

2. Мета вивчення навчальної дисципліни.

Мета вивчення фізичної хімії – кінцеві цілі – встановлюються на основі ОПП підготовки хіміка за фахом відповідно до блоку її змістового модулю (природничо-наукова підготовка) і є основою для побудови змісту навчальної дисципліни.

Кінцеві цілі дисципліни:

6120 Інтерпретувати основні закони хімічної термодинаміки для формування цілісного фізико-хімічного підходу до вивчення процесів хімічного претворення речовин з метою одержання теплової енергії і корисної роботи.

20093 Застосовувати термодинамічні методи розрахунків теплових ефектів реакцій, зміни функції Гіббса та ентропії.

6119 Шляхом термодинамічних розрахунків визначати напрямок хімічних процесів.

20094 Трактувати загальні фізико-хімічні закономірності, що базуються на основі теплових ефектів хімічних реакцій

Модуль 1. ПЕРШЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМІКИ. ТЕРМОХІМІЯ.

Змістовий модуль 1. ПЕРШЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМІКИ. ТЕРМОХІМІЯ.

Конкретні цілі:

• Трактувати взаємозв’язок між.

• Пояснювати принципи будови комплексних сполук.

• Інтерпретувати особливості будови комплексних сполук як основи для їх застосування в хелатотерапії.