Решение олимпиадных задач по физической химии

ПРОГРАММА
Факультативных занятий
“РЕШЕНИЕ ОЛИМПИАДНЫХ ЗАДАЧ ПО ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ”
для учащихся 10, 11 классов
общеобразовательных учреждений
автор: кандидат химических наук, доцент Е. В. Павлечко
Минск – 2011
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
Курс факультативных занятий «Решение олимпиадных задач по физической химии»
ориентирован на учащихся 10, 11 классов химико-биологического направления лицеев и
гимназий, а также на тех учащихся, которые планируют участвовать в химических олимпиадах и интеллектуальных турнирах.
Физическая химия – один из основных разделов химии. Ее основной задачей является
установление взаимосвязи и количественных закономерностей между химическими и физическими явлениями. Физическая химия, являясь теоретической основой современной химии
и химической технологии, предоставляет возможность количественного описания протекания химических и физико-химических процессов и, как следствие, эффективного управления
ими, создания современных энергоэффективных технологий, разработки новых материалов с
заданными свойствами.
Структура классического школьного курса химии традиционно состоит из двух основных разделов – неорганическая химия и органическая химия. Изучение основ физической
химии обычно ограничивается общим знакомством с такими понятиями, как скорость химической реакции и химическое равновесие в рамках темы «Химические реакции». В то же
время задачи по физической химии составляют значительную часть задания химических
олимпиад школьников (республиканской, Менделеевской, международной). В рамках данного курса факультативных занятий учащимся предлагается целенаправленно изучать те разделы
физической химии, которые могут понадобиться им при участии в олимпиадах. Систематическое изложение материала в данном курсе, кроме этого, будет способствовать дальнейшему
успешному изучению дисциплины «Физическая химия» в высших учебных заведениях.
Изложение курса сопровождается решением большого числа задач, главным образом
из олимпиад прошлых лет. Такой подход дает возможность закрепить полученные знания и
учит применять их на практике.
Актуальность данного курса факультативных занятий определяется также тем, что без
умений и навыков решения задач по физической химии, невозможно добиться высоких результатов на химических олимпиадах и интеллектуальных турнирах.
Цель факультативных занятий - удовлетворение образовательных запросов и познавательных интересов учащихся, расширение и углубление знаний по физической химии, формирование научного мировоззрения, профессионального самоопределения учащихся, приобретение учащимися опыта творческой деятельности при решении олимпиадных задач по физической химии.
Задачи факультативных занятий:
– расширить и углубить представления учащихся о подходах к количественному описанию химического равновесия, протекании химических реакций во времени, основах теории электрохимических процессов;
– ознакомить учащихся с оптимальными методами решения основных типов задач по
физической химии и выработать у учащихся устойчивые умения и навыки их решения;
– формировать на основе полученных знаний и способов деятельности научное мировоззрение, профессиональное самоопределение учащихся.
Порядок изложения материала соответствует классическому курсу физической химии
для вузов, адаптированному для школьников. При планировании курса была учтена особая
актуальность некоторых разделов для III и заключительного этапов республиканской олимпиады.
Изучение программы факультативных занятий «Решение олимпиадных задач по физической химии» для учащихся 10, 11 классов лицеев и гимназий рассчитано на 70 часов (2
часа в неделю), из них 3 часа – практические занятия.
2
СОДЕРЖАНИЕ КУРСА ФАКУЛЬТАТИВНЫХ ЗАНЯТИЙ
«РЕШЕНИЕ ОЛИМПИАДНЫХ ЗАДАЧ ПО ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ»
(70 часов)
Тема 1. Основные понятия химической термодинамики. (6 ч)
Предмет и задачи физической химии.
Термодинамические системы. Термодинамические переменные. Обратимые и необратимые процессы.
Понятие температуры. Внутренняя энергия, изменение внутренней энергии, теплота,
работа для различных процессов (изобарного, изохорного, адиабатического). Первый закон
термодинамики.
Основные типы расчетов:
– Расчет теплоты, работы и изменения внутренней энергии для различных процессов.
Тема 2. Тепловые эффекты химических реакций. (8 ч)
Понятие теплоты и энтальпии химической реакции. Энтальпия образования и энтальпия сгорания веществ. Понятие о стандартных условиях. Закон Гесса.
Энергия химических связей. Оценки теплот химических реакций по энергиям связей.
Основные типы расчетов:
– Расчет энтальпии химической реакции по энтальпиям образования и энтальпиям сгорания
веществ.
– Оценка энтальпий химических реакций по энергии связей участвующих веществ.
Тема 3. Химические равновесия. (14 ч)
Второй закон термодинамики. Понятие энтропии. Третий закон термодинамики.
Энергия Гиббса, ее изменение в химической реакции, стандартная энергия Гиббса химической реакции, ее связь с константой равновесия.
Стандартное состояние. Условия химического равновесия. Принцип Ле Шателье. Различные виды констант равновесия, соотношения между ними. Зависимость констант равновесия от температуры. Равновесия в растворах.
Основные типы расчетов:
– Вычисление изменения энтропии и энергии Гиббса химических реакций.
– Расчеты равновесных концентраций и давлений участников реакций по константам равновесия в газовой фазе.
– Расчеты состава равновесных систем по уравнениям реакций диссоциации, гидролиза, данным растворимости.
Практическая работа 1
Влияние температуры и концентраций реагирующих веществ на образование роданида железа(III) при взаимодействии растворов соли железа(III) и роданида калия.
Тема 4. Фазовые равновесия. (4 ч)
Понятия фазы и компонента. Идеальные и реальные растворы. Понятие о коэффициенте активности. Коллигативные свойства растворов. Законы Рауля и Генри. Криоскопия,
эбулиоскопия.
Основные типы расчетов:
– Определение молекулярной массы веществ криоскопическим и эбуллиоскопическим методами.
3
Тема 5. Основные положения химической кинетики. (8 ч)
Термодинамический и кинетический подходы к изучению свойств систем.
Скорость химической реакции, ее связь со скоростями по реагентам. Основной постулат химической кинетики. Константа скорости, порядок химической реакции, молекулярность элементарной химической реакции. Механизм химической реакции. Методы определения порядка химической реакции.
Кинетика реакций 0-го, 1-го и 2-го порядков. Радиоактивный распад.
Зависимость скорости реакций от температуры. Уравнение Аррениуса.
Основные типы расчетов:
– Определение порядка химической реакции.
– Расчеты по кинетическим уравнениям для реакций целого порядка.
– Расчеты по уравнению Аррениуса.
Тема 6. Кинетика сложных реакций. (6 ч)
Принцип независимости отдельных стадий. Обратимые и параллельные реакции. Методы квазиравновесных и квазистационарных концентраций.
Понятие о кинетике цепных и фотохимических реакций.
Основные типы расчетов:
– Расчеты по кинетическим уравнениям для сложных реакций.
– Вывод кинетических уравнений реакций для заданного механизма.
Практическая работа 2
Влияние концентрации на скорость реакции окисления тиосульфата натрия иодатом (реакция Ландольта).
Тема 7. Основные положения электрохимии (8 ч)
Химические и электрохимические процессы. Электрохимическая цепь и ее компоненты. Гальванические элементы. Электролиз. Законы Фарадея.
Электродные равновесия. Связь ЭДС и энергии Гиббса. Уравнение Нернста, электродный потенциал. Стандартный электродный потенциал.
Основные типы расчетов:
– Расчеты с использованием законов Фарадея.
– Применение уравнения Нернста для расчетов химических равновесий в растворе.
Практическая работа 3
Сборка и изучение гальванического элемента Якоби-Даниеля.
Тема 8. Практикум по решению расчетных задач (16 ч)
Решение задач республиканской химической олимпиады и подготовительных задач к
Международной химической олимпиаде.
ОЖИДАЕМЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
Предлагаемый курс факультативных занятий позволит учащимся расширить, углубить и закрепить изученный в основном курсе теоретический материал о физико-химических
свойствах веществ и количественных соотношениях, описывающих превращения этих веществ. Изучение факультатива будет способствовать формированию научного мировоззрения, приобретению учащимися опыта творческой деятельности, совершенствованию умений
и навыков решения расчетных задач по химии.
4
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. П. Эткинс. Курс физической химии т.1-2  М.: Мир. 1980.
2. В. Н. Хвалюк, Ю. С. Головко, Д. Г. Кананович. Олимпиады школьников по химии: теоретические задачи с решениями. В 3 ч. Ч. 1-2. Минск: Народная асвета, 2007-2008.
3. В. Н. Хвалюк Олимпиады школьников по химии: Тестовые задания с ответами.
Минск: Народная асвета, 2006.
4. В. В. Лунин, В. Г. Ненайденко, О. Н. Рыжова, Н. Е. Кузьменко. Химия 21 века в задачах Международных Менделеевских олимпиад. Москва: МГУ, 2006.
5. И. Тиноко, К. Зауэр, Дж. Вэнг, Дж. Паглиси. Физическая химия. Принципы и применение в биологических науках. М.: Техносфера, 2005.
6. В. В. Еремин, С. И. Каргов, И. А. Успенская, Н. Е. Кузьменко, В. В. Лунин. Основы физической химии. Теория и задачи: уч. пособие для вузов.  М.: Экзамен, 2005.
7. В. В. Еремин. Теоретическая и математическая химия для школьников. М.: МЦНМО,
2007.
5