Термодинамика растворов - Учебно

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
«УТВЕРЖДАЮ»:
Проректор по учебной работе
_______________________ /Л.М. Волосникова
__________ _____________ 2011 г.
ТЕРМОДИНАМИКА РАСТВОРОВ
Учебно-методический комплекс. Рабочая программа
для студентов направления 020100.62 « Химия»
Профиль подготовки «Физическая химия»
Форма обучения очная
«ПОДГОТОВЛЕНО К ИЗДАНИЮ»:
Авторы работы _____________________________/ Н.В. Ларина/
«______»___________2011 г.
Рассмотрено на заседании кафедры
неорганической и физической химии от «__» ____________ 2011 г. протокол № ____
Соответствует требованиям к содержанию, структуре и оформлению.
«РЕКОМЕНДОВАНО К ЭЛЕКТРОННОМУ ИЗДАНИЮ»:
Объем 15 стр.
Зав. кафедрой ______________________________/ О.В. Андреев /
«______»___________ 2011 г.
Рассмотрено на заседании УМК
ИМЕНИТ от «__» ____________ 2011 г. протокол № ____
Соответствует ФГОС ВПО и учебному плану образовательной программы.
«СОГЛАСОВАНО»:
Председатель УМК ________________________/ И.Н. Глухих /
«______»_____________2011 г.
«СОГЛАСОВАНО»:
Зав. методическим отделом УМУ_____________/ С.А. Федорова /
«______»_____________2011 г.
РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Институт математики, естественных наук, информационных технологий
Кафедра неорганической и физической химии
Н.В. Ларина
ТЕРМОДИНАМИКА РАСТВОРОВ
Учебно-методический комплекс. Рабочая программа
для студентов направления 020100.62«Химия»
Профиль подготовки «Физическая химия»
Форма обучения очная
Тюменский государственный университет
2011
ЛАРИНА Н.В. Термодинамика растворов. Учебно-методический
комплекс. Рабочая программа для студентов направления 020100.62
«Химия», профиль подготовки «Физическая химия» форма обучения очная.
Тюмень, 2011, 15 стр.
Рабочая программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС
ВПО с учетом рекомендаций и ПрООП ВПО по направлению и профилю
подготовки.
Рабочая программа дисциплины (модуля) опубликована на сайте
ТюмГУ: Термодинамика растворов [электронный ресурс] / Режим доступа:
http://www.umk3.utmn.ru., свободный.
Рекомендовано к изданию кафедрой неорганической и физической
химии. Утверждено проректором по учебной работе Тюменского
государственного университета.
ОТВЕТСТВЕННЫЙ РЕДАКТОР: О.В. Андреев ,
заведующий кафедрой неорганической и
физической химии, д-р хим. наук
© Тюменский государственный университет, 2011.
© Ларина Н.В., 2011.
1. Пояснительная записка
Рабочая программа дисциплины «Термодинамика растворов»
составлена в соответствии с требованиями к результатам, условиям и
структуре подготовки бакалавров по направлению 020100 «Химия»
Федерального государственного образовательного стандарта высшего
профессионального образования.
1.1. Цели и задачи дисциплины
Термодинамика растворов – существенная часть химической
термодинамики.
Данный курс направлен на закрепление, углубление, развитие
основных понятий, закономерностей химии растворов и химической
термодинамики в применении к растворам.
1.2. Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата
Дисциплина «Термодинамика растворов» относится к вариативной
части профессионального цикла дисциплин направления 020100.62 «Химия».
Для изучения курса требуются предварительные знания по
неорганической химии и физической химии.
Материал, излагаемый в данном курсе необходим для освоения ряда
специальных дисциплин, таких как физико-химический анализ, а также при
выполнении научно-исследовательской работы.
1.3.Компетенции выпускника ООП бакалавриата, формируемые в
результате освоения данной ООП ВПО
В соответствии с ФГОС ВПО данная дисциплина направлена на
формирование следующих компетенций:
- общекультурных:
ОК-6 - использует основные законы естественнонаучных дисциплин в
профессиональной деятельности, применяет методы математического
анализа и моделирования, теоретического и экспериментального
исследования;
ОК-9 - владеет основными методами, способами и средствами
получения, хранения, переработки информации, имеет навыки работы с
компьютером как средством управления информацией;
- профессиональных:
ПК-1 - понимает сущность и социальную значимость профессии,
основных перспектив и проблем, определяющих конкретную область
деятельности;
ПК-2 - владеет основами теории фундаментальных разделов
физической химии;
ПК-3 - способен применять основные законы химии при обсуждении
полученных результатов, в том числе с привлечением информационных баз
данных;
ПК-4 - владеет навыками химического эксперимента, основными
методами исследования химических веществ и реакций;
ПК-6 - владеет навыками работы на современной учебно-научной
аппаратуре при проведении химических экспериментов;
ПК-7 - имеет опыт работы на серийной аппаратуре, применяемой в
аналитических и физико-химических исследованиях;
ПК-8 - владеет методами регистрации и обработки результатов
химически экспериментов.
В области воспитания личности целью подготовки является
формирование социально-личностных качеств студентов: целеустремленности, организованности, коммуникативности.
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
Знать
основы
термодинамики:
растворов
электролитов
и
неэлектролитов; сольватации ионов и структурных изменений растворителя
при сольватации, фазовых равновесий в растворах.
Уметь применять методы термодинамики растворов для решения
научных и прикладных задач.
Владеть: основными понятиями, представлениями и методами
термодинамического описания растворов.
2. Структура и трудоемкость дисциплины.
Семестр 8. Основной материал курса излагается в цикле лекций.
Методы решения конкретных задач изучаются в ходе практических
(семинарских) занятий.
Контроль за развитием перечисленных знаний, навыков и умений
осуществляется с помощью нескольких форм.
Для
текущего
контроля
предусмотрены
устные
опросы,
собеседование, тестирование и контрольные работы на практических
занятиях.
Итоговый контроль осуществляется посредством:
- рейтинг-листа, суммирующего показатели по всем видам текущего
контроля;
- семестрового зачета.
Общая трудоёмкость дисциплины составляет 3 зачетные единицы,
108 часов.
3.
Тематический план
1
2
3
Семинарские
(практические)
занятия
Самостоятельная
работа
Виды учебной работы и
самостоятельная
работа, в час.
Лекции
Тема
недели семестра
№
из них в интерактивной
форме, в час.
Таблица 1.
Итого
часов
по
теме
Итого
количество
баллов
4
5
6
7
8
9
2
4
4
2
2
2
6
8
8
2
2
10
14
14
0-8
0-8
0-18
10
6
22
4
38
0-34
6
4
10
3
20
0-13
6
2
7
2
15
0-18
12
6
17
5
35
0-31
6
2
8
3
16
0-8
6
3
10
3
19
0-27
12
34
10
5
17
5
18
57
6
35
108
0-35
0 – 100
Модуль 1
1. Введение
1
2. Растворители
2,3
3. Термодинамические
4,5
характеристики растворов
Всего
Модуль 2
1. Термодинамика
растворов 6-8
неэлектролитов
2. Термодинамика
растворов 9-11
электролитов
Всего
Модуль 3
1. Термодинамическая характе- 12ристика
процессов 14
сольватации ионов
2. Термодинамика
фазовых 15равновесий в растворах
17
Всего
Итого (часов, баллов):
из них часов в интерактивной форме
15
Таблица 2.
Виды и формы оценочных средств в период текущего контроля
№
1.
2.
Название темы
Введение
Растворители
Термодинамические
характеристики
растворов
Всего
Ответ на
семинаре
0-5
Формы текущего контроля
(баллы)
Собеседо Тестиро
Контрольные
вание
вание
работы
Модуль 1
0-2
Итого
баллов
-
0-8
0-5
-
-
-
0-8
0-5
0-4
0-2
0 - 10
0-18
0 - 15
0-4
0-4
Модуль 2
0-10
0-34
0 - 10
0–3
0-3
-
0-13
0–5
-
-
0 – 10
0-18
0-10
0-31
3.
Термодинамика
растворов
неэлектролитов
2. Термодинамика
растворов
электролитов
Всего
1.
Термодинамическая
характеристика
процессов
сольватации ионов
2
Термодинамика
фазовых равновесий
в растворах
Всего
0 - 15
0-3
0-3
Модуль 3
0–5
0–4
-
-
0-8
0–5
0-4
0–6
0 – 12
0-27
0-10
0-8
0-6
0-12
0-35
0-40
0-15
0-13
0-32
0-100
1
ИТОГО:
Таблица 3.
Планирование самостоятельной работы студентов
№
Модули и темы
1.
Введение
2.
Растворители
3.
Термодинамические
характеристики
растворов
Виды СРС
обязательные
дополнительные
Модуль 1
Работа с
Работа с
учебной
вопросами для
литературой.
самоконтроля.
Подготовка к
Работа с
теоретическо- вопросами для
му опросу.
самоконтроля..
Подготовка к
Подготовка к
теоретическоконтрольной
му опросу,
работе,
собеседованию тестированию.
Неделя
семестра
Объем
часов
Кол-во
баллов
1
6
0-8
2,3
8
0-8
4,5
8
0-18
22
0-34
6-8
10
0-13
9-11
7
0-18
17
0-31
12-14
8
0-8
15-17
10
0-27
18
57
0-35
0-100
Всего по модулю 1:
1
Термодинамика
растворов
неэлектролитов
2
Термодинамика
растворов
электролитов
Всего по модулю 2:
Модуль 2
Подготовка к
Работа с
теоретическо- вопросами для
му опросу,
самоконтроля.
собеседованию Подготовка к
тестированию.
Подготовка к Подготовка к
теоретическоконтрольной
му опросу.
работе.
Модуль 3
Подготовка к
Работа с
теоретическо- вопросами для
му опросу,
самоконтроля.
собеседованию
1
Термодинамическая
характеристика
процессов
сольватации ионов
2.
Термодинамика
Подготовка к
фазовых равновесий в теоретическорастворах
му
опросу,
собеседованию
Всего по модулю 3:
ИТОГО:
Подготовка к
контрольной
работе,
тестированию.
4.
Разделы
дисциплины
и
междисциплинарные
обеспечиваемыми (последующими) дисциплинами
№
п/п
1.
Наименование
обеспечиваемых
(последующих)
дисциплин
Научноисследовательская работа
5.
связи
с
Темы дисциплины необходимых для изучения
обеспечиваемых (последующих) дисциплин
1
2
3
4
5
6
7
+
+
+
+
+
+
+
Содержание дисциплины.
Модуль 1.
ТЕМА 1. Введение
Роль и значение термодинамики растворов в современной науке,
технике, технологии. Краткий обзор развития теории растворов. Основные
термодинамические соотношения. Термодинамические параметры.
ТЕМА 2. Растворители
Классификация растворителей по физическим и химическим свойствам
(водные, неводные, смешанные, протолитические, апротонные, полярные,
неполярные, по Паркеру, по Гутману).
Строение и физические свойства неводных растворителей. Методы
расчета
физико-химических
свойств
жидкостей:
теоретические,
полуэмпирические, эмпирические. Молекулярное строение жидкостей.
Ячеечная модель жидкостей. Дырочная модель жидкостей. Решеточная
модель жидкостей. Особенности строения воды. Статистический подход к
расчету свойств жидкостей. Потенциал Леннарда-Джонса. Флуктуации
плотности и ориентации в индивидуальных жидкостях, флуктуации
концентрации в растворах.
ТЕМА 3. Термодинамические характеристики растворов
Парциальные удельные и молярные величины. Способы выражения
концентрации раствора. Способы определения парциальных молярных
величин. Системы отсчета термодинамических свойств растворов.
Функции смешения. Внутренняя энергия, энтальпия, энтропия
смешения. Изменение энтальпии и энтропии смешения с температурой.
Термодинамическое сродство между компонентами. Энергия Гиббса
смешения. Зависимость энергии Гиббса смешения от состава раствора,
температуры, давления.
Модуль 2.
ТЕМА 1. Термодинамика растворов неэлектролитов
Классификация неэлектролитов (пять классов). Термодинамическая
классификация растворов. Идеальные растворы. Термодинамические
свойства идеальных растворов. Бесконечно разбавленные растворы.
Основные уравнения термодинамической теории бесконечно разбавленных
растворов.
Неидеальные растворы. Теория регулярных растворов Гильдебранда.
Строгорегулярные, субрегулярные, атермальные растворы. Избыточные
термодинамические функции растворов. Описание термодинамических
функций неидеальных растворов с помощью активностей и коэффициентов
активности. Методы определения активностей и коэффициентов
активностей.
Растворимость. Расчет свободной энергии смешения неполярных
жидкостей по параметрам растворимости. Растворимость газов в неводных
растворителях. Выражение растворимости газов в теории регулярных
растворов через параметры растворимости. Растворимость жидких и твердых
неэлектролитов. Трактовка растворимости в теории В.К. Семенченко, М.И.
Шахпаронова.
ТЕМА 2. Термодинамика растворов электролитов
Растворы электролитов. Сопоставление термодинамических свойств
идеального, бесконечно разбавленного, стандартного, реального растворов.
Определение термодинамических параметров при растворении электролитов
в неводных растворителях. Термодинамические соотношения на основе
теории Дебая-Гюккеля. Выбор стандартного состояния. Коэффициенты
активности электролитов в неводных растворах.
Термодинамические характеристики ионов. Теплоемкость, энтропия,
энтальпия образования, энергия Гиббса образования иона в растворе.
Модуль 3.
ТЕМА 1. Термодинамическая характеристика процессов
сольватации ионов
Сольватация ионов. Термодинамический цикл и теплоты сольватации.
Методы определения термодинамических характеристик сольватации.
Деление термодинамических характеристик сольватации стехиометрической
смеси ионов на ионные составляющие. Изменение термодинамических
характеристик при сольватации. Взаимосвязь между изменением энтропии и
энтальпии при гидратации. Сольватация стехиометрической смеси ионов.
Энтропийная характеристика влияния среды на состояние растворенного
вещества в водных и неводных растворах.
Термодинамика структурных изменений растворителя при сольватации.
ТЕМА 2. Термодинамика фазовых равновесий в растворах
Фазовое
состояние.
Фазовые
переходы.
Термодинамическая
устойчивость. Устойчивая, неустойчивая, метастабильная системы.
Условия равновесия в двухфазных системах. Уравнение Гиббса-Дюгема.
Интегрирование уравнения Гиббса-Дюгема в двухкомпонентных системах.
Равновесие раствор-насыщенный пар. Законы Гиббса-Коновалова. Законы
Вревского. Границы их применимости.
Критические явления в растворах. Термодинамические критерии
верхней и нижней критических температур растворения.
6. Планы семинарских занятий
Семинарские занятия начинаются 10-15 минутной проверкой знаний
студентов, затем следует рассмотрение у доски теоретических вопросов,
заканчиваются семинары обсуждением существующих проблем.
Темы семинарских занятий
1. Растворы. Теории растворов. (2 ч)
2. Строение и свойства растворителей. (2 ч)
3. Термодинамические соотношения, используемые в теории растворов.
(2 ч)
4. Термодинамическое описание растворов неэлектролитов. (4 ч)
5. Термодинамическое описание растворов электролитов. Ионные
процессы. (4 ч)
6. Термодинамическая устойчивость и фазовые превращения. (3 ч)
7. Учебно - методическое обеспечение самостоятельной работы
студентов. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости,
промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины
Рабочей программой дисциплины «Термодинамика растворов»
предусмотрена самостоятельная работа студентов в объеме 57 часов.
Студентам предлагаются следующие формы самостоятельной работы:
подготовка к семинарским занятиям, собеседованию, к контрольным
работам, тестированию; зачету.
Вопросы для самоконтроля и подготовки к зачету
1. Дайте определения понятиям: «раствор», «растворитель».
2. Классификация растворов.
3. Какова роль растворов в природе, жизни человека, химической
технологии?
4. Охарактеризуйте основные этапы развития теории растворов.
5. В чем заключается современная теория растворов?
7. Назовите способы выражения концентрации растворов. Какие
способы
применяются
чаще
всего
в
физико-химических
исследованиях?
8. Классификации растворителей по: а) физическим свойствам;
б) химическим свойствам.
9. Модели молекулярного строения жидкостей. Их достоинства и
недостатки.
10.Каковы особенности строения воды?
11. На каких принципах базируются полуэмпирические методы расчета
физико-химических свойств жидкостей?
12. Какие методики используются при полуэмпирическом расчете
физико-химических свойств жидкостей?
13. Для каких свойств растворителей применяют эмпирические способы
расчета? Приведите уравнения для расчета этих свойств.
14. Что означает термин «парциальная молярная величина»?
15. Каково значение парциальных молярных величин в термодинамике
растворов?
16. Какие существуют методы для расчета парциальных молярных
величин?
17. Различаются ли и насколько молярная энтропия чистого вещества и
парциальная молярная энтропия его в растворе?
18. Что называется парциальной молярной энергией Гиббса компонента
раствора? Какой величине она тождественна?
19. Расскажите о симметричной и несимметричной системах отсчета при
выборе стандартных состояний.
20. Что такое функция смешения? Приведите примеры.
21. Напишите выражения для внутренней энергии смешения, энтальпии
смешения, энергии Гиббса и энтропии смешения.
22. От каких факторов зависят функции смешения?
23. Как экспериментально определить энтальпию смешения?
24.Классификация растворов неэлектролитов по признакам формы и
полярности молекул.
25. Расскажите о термодинамической классификации жидких растворов.
26. Какие условия должны соблюдаться, чтобы раствор являлся
идеальным?
27. Какие растворы называются неидельными? Можно ли считать
разбавленные растворы неидеальными?
28. Расскажите об основах теорий регулярных, строгорегулярных,
субрегулярных и атермальных растворов.
29. Что такое выбор стандартного состояния? Какое состояние
компонента называется стандартным?
30. Расскажите о симметричной и несимметричной системах отсчета при
выборе стандартных состояний.
31. Что характеризует избыточная энергия Гиббса раствора? Какие
другие избыточные термодинамические функции Вы знаете? Для чего
они введены?
32.Назовите все возможные способы расчета активности, коэффициента
активности. Дайте их математическое обоснование.
33.Расскажите о теориях, описывающих растворимость газов в жидкостях.
34.Параметр растворимости. Как его определяют?
35.Как температурный коэффициент растворимости газов связан с
термодинамическими характеристиками процесса растворения?
36.Теория В.К. Семенченко и М.И. Шахпаронова. Условия ее
применимости.
37.Особенности растворения твердых неэлектролитов.
38.Расскажите
об
экспериментальных
методах
определения
термодинамических функций бинарных смесей.
39.Из каких стадий состоит процесс образования раствора электролита?
40.Приведите уравнения, позволяющие рассчитать термодинамические
параметры при растворении электролитов.
41.Теоретическое описание растворов электролитов (теория ДебаяГюккеля).
42.Термодинамические соотношения на основе теории Дебая-Гюккеля.
43.Для чего рассматривают термодинамический цикл?
44.Чем обусловлены отличия в определении коэффициентов активности
электролитов и неэлектролитов?
45.Какие методы используют для определения коэффициентов активности
компонентов растворов электролитов?
46.Приведите формулы для расчета термодинамических характеристик
ионов.
47.Дайте определение понятию «сольватация».
48.Проанализируйте общие аспекты процесса сольватации. Первичная,
вторичная сольватации ионов.
49.Расскажите о теоретических методах определения термодинамических
характеристик сольватации.
50.Дайте краткое описание методов деления термодинамических
параметров сольватации на ионные составляющие.
51.Проанализируйте изменения термодинамических характеристик при
гидратации.
52.Проанализируйте характер изменения энтропии в зависимости от
среды (водные растворы, неводные и смешанные растворители).
53. Что является критерием термодинамической устойчивости системы?
54. Какие
системы
называют
устойчивыми,
неустойчивыми,
метастабильными?
55. Расскажите об основных типах диаграмм состояния для идеальных и
неидеальных растворов, находящихся в равновесии с паром.
56. Выведите уравнения, выражающие условия термодинамического
равновесия в двухфазных системах.
57. Приведите уравнение Гиббса-Дюгема. Дайте обоснование этого
уравнения.
58. Сформулируйте и выведите законы Гиббса-Коновалова. Укажите
границы их применимости.
59. Сформулируйте и выведите законы Вревского. Укажите границы их
применимости.
60. Расскажите о критических явлениях в растворах.
61. Приведите термодинамические критерии верхней критической и
нижней критической температур растворения.
8. Образовательные технологии
В соответствии с требованиями ФГОС при реализации различных
видов учебной работы в процессе изучения дисциплины «Термодинамика
растворов» используются следующие активные и интерактивные формы
проведения занятий:
 лекции;
 семинарские занятия;
 собеседование;
 тестирование.
Кроме того используются дополнительные формы обучения по
отдельным темам:
 текущая проверка знаний;
 взаимный контроль студентов по разработанным ими тестам;
 выполнение индивидуальных заданий; взаимообмен заданиями.
9. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
9.1.
Основная литература:
1. Герасимов Я. И., Гейдерих В. А. Термодинамика растворов. М.: Изд-во
Моск. ун-та, 1980. - 184 с.
2. Дуров В.А., Агеев Е.П. Термодинамическая теория растворов
неэлектролитов. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1987. - 246 с.
3. Фиалков Ю.А., Житомирский А.Н., Тарасенко Ю.А. Физическая химия
неводных растворов. Л.: Химия, 1973. – 376 с.
9.2.
Дополнительная литература:
1. Васильев В.П. Термодинамические свойства растворов электролитов.
М.: Высш. школа, 1982. – 320 с.
2. Морачевский А.Г. Смирнова Н.А., Пиотровская Е.М. и др.
Термодинамика равновесия жидкость – пар. Л.: Химия, 1989. – 343 с.
3. Тагер А.А. Основы учения о растворах неэлектролитов. Екатеринбург:
Изд-во Урал. ун-та, 1993. – 312 с.
4. Рид Р.С., Праусниц М., Шервуд Т.К. Свойства газов и жидкостей. Л.:
Химия, 1982. – 592 с.
5. Смирнова Н.А. Молекулярные теории растворов. Л.: Химия, 1987. –
336 с.
10.
Технические средства и материально-техническое обеспечение
дисциплины
В учебном процессе для
мультимедийное оборудование.
освоения
дисциплины
используется