Раздел 2. Физическая химия
Тема 2.1. Основы химической термодинамики
Основные термодинамические понятия: система, типы систем (изолированная, открытая, закрытая), термодинамический процесс, типы процессов. Эквивалентность теплоты и работы. Внутренняя энергия системы.
Первый закон термодинамики. Внутренняя энергия как функция состояния. Работа расширения идеального газа в основных термодинамических процессах. Энтальпия. Термохимия. Тепловые эффекты химических процессов. Теплоты образования и сгорания веществ; теплота растворения.
Закон Гесса и его следствия. Зависимость теплового эффекта химических реакций от температуры (закон Кирхгоффа). Самопроизвольные и вынужденные процессы.
Второй закон термодинамики, его формулировки. Энтропия как функция состояния. Формула Больцмана. Изменение энтропии как критерий направленности самопроизвольного процесса в изолированных системах.
Третье начало термодинамики. Постулат Планка. Вычисление абсолютного значения энтропии системы Термодинамические потенциалы: изобарно-изотермический и изохорно-термический (свободная энергия Гиббса, свободная энергия Гельмгольца). Изменение термодинамических потенциалов как критерий направленности процесса в закрытых системах. Химическое сродство. Уравнение максимальной работы (Гиббса-Гельмгольца). Понятие о химическом потенциале.
Фазовые равновесия. Правило фаз Гиббса.
Однокомпонентные системы. Диаграмма состояния воды. Влияние давления на температуру фазового перехода (уравнение Клаузиуса-Клапейрона).
Понятие о двухкомпонентных системах.
Тема 2.2. Химическое равновесие
Химическое равновесие. Закон действующих масс. Константы равновесия и ее способы выражения. Применение закона действующих масс к гетерогенным системам. Уравнение изотермы химической реакции.
Смещение равновесия при изменении концентрации, температуры, давления.
Принцип Ле-Шателье. Уравнение изобары и изохоры химических реакций.
Тема 2.3. Растворы
Определение понятия «раствор». Способы выражения концентрации растворов. Природа процесса растворения, процесса сольватации и гидратации.
Образование растворов; растворимость. Растворимость газов в жидкостях. Закон Генри-Дальтона. Растворимость жидкостей в жидкостях. Диаграммы растворимости. Растворимость твердых веществ в жидкостях.
Первый закон Рауля. Положительные и отрицательные отклонения от закона Рауля. Идеальные и неидеальные растворы. Состав и давление насыщенного пара над раствором. Понятие о диаграмме состояния «раствор-пар». Законы Коновалова. Азеотропные смеси. Перегонка двойных жидких смесей. Ректификация.
Понижение температуры замерзания и повышение температуры кипения растворов нелетучих веществ (второй закон Рауля).
Осмотическое давление растворов. Принцип Вант-Гоффа. Изотонический, гипотонический и гипертонический растворы.
Тема 2.4. Химическая кинетика и катализ
Скорость химической реакции. Основной постулат химической кинетики. Константа скорости химической реакции. Кинетическое уравнение. Молекулярность и порядок реакции. Односторонние реакции нулевого, первого и второго порядков. Период полупревращения. Методы определения порядка реакции. Элементарные моно-, би- и тримолекулярные реакции. Понятие о сложных реакциях (последовательные, параллельные, цепные).
Кинетика обратимых реакций.
Влияние температуры на константу скорости реакции. Правило Вант-Гоффа. Основные теории активных столкновений. Понятие о теории активированного комплекса.
Фотохимические реакции. Закон Эйнштейна. Квантовый выход. Фотосинтез.
Катализ. Гомогенный и гетерогенный катализ. Ферментативный катализ.
Тема 2.5. Электрохимия
Электролиты. Теория электролитической диссоциации. Степень диссоциации. Сильные и слабые электролиты. Равновесие в растворах электролитов. Константа диссоциации слабых электролитов. Закон разбавления Оствальда. Основные положения теории сильных электролитов. Понятие об эффективных концентрациях (активностях) ионов. Коэффициент активности. Ионная сила растворов.
Электропроводность растворов электролитов. Скорость и подвижность ионов в электрическом поле. Факторы, влияющие на скорость ионов. Удельная электропроводность. Эквивалентная электропроводность. Влияние концентрации на удельную и эквивалентную электропроводности сильных и слабых электролитов. Эквивалентная электропроводность при бесконечном разбавлении. Закон Кольрауша. Определение степени и константы диссоциации слабого электролита. Кондуктометрическое титрование.
Возникновение скачка потенциала на границе «Электрод – раствор». Равновесный электродный потенциал. Стандартный равновесный электродный потенциал как основная электрохимическая характеристика вещества. Ряд напряжений, его значение. Возникновение ЭДС. Гальванические элементы. Химические и концентрированные гальванические элементы. Диффузионный потенциал. Электроды первого и второго рода, окислительно-восстановительные электроды. Измерение ЭДС компенсационным способом.
Электроды сравнения и определение электродных потенциалов. Индикаторные электроды; потенциометрическое определение рН растворов.