Самостоятельное изучение теоретических разделов курса
Общие рекомендации
Магистранту необходимо привить следующие навыки самостоятельной работы. Читать рекомендуемую литературу в спокойной обстановке, не отвлекаясь на посторонние дела и беседы. Вдумчивое чтение оградит от необходимости повторного изучения материала. Если конспектировать усвоенный материал, то процесс запоминания будет эффективнее. Конспектирование прочитанного материала удобнее вести в тетради для конспектов лекций, посвящая ему отдельные разделы. Определения основных понятий лучше всего выделить другим цветом или пометить маркером. Консультируясь с ведущим преподавателем, необходимо демонстрировать ему зримые результаты своей самостоятельной работы в виде грамотных конспектов. Если при чтении рекомендуемой литературы возникли вопросы или несогласия с авторами, необходимо отметить это в конспекте. Во время консультации надо выяснять непонятные моменты, излагать преподавателю собственную точку зрения.
Ознакомление с трудами ученых кафедры в этой области может способствовать активизации научной деятельности. Для ее реализации следует обратиться к преподавателю, ответственному за научно-исследовательскую работу студентов на кафедре. При проведении самостоятельной работы студентов магистратуры рекомендуется следующий перечень разделов и тем лекционного курса.
Раздел 1. Основные понятия и законы физической химии. Термохимия, химическое равновесие
Тема 1.1.Химическая термодинамика. Законы термодинамики.
Введение. Физическая химия как наука. Основные понятия и определения: термодинамическая система, её состояние и свойства, классификация систем. Термодинамические параметры; термодинамические процессы и их классификация; фаза - понятие и классификация. Энергия, теплота и работа, закон эквивалентности. Первый закон термодинамики, его формулировки, математическое выражение и значение. Внутренняя энергия и энтальпия системы.
Применение первого закона термодинамики для анализа процессов, протекающих в идеальных газах. Термохимия: предмет, содержание и значение. Тепловые эффекты химических реакций и фазовых превращений. Закон Гесса и его применение. Теплоёмкость, влияние температуры, эмпирические правила и теоретические уравнения для расчета.
Влияние температуры на тепловые эффекты химических реакций и фазовых превращений. Назначение, содержание, дифференциальные и интегральные формы закона Кирхгоффа, его применение. Стандартное состояние веществ, таблицы стандартных термодинамических функций, их применение для расчета тепловых эффектов.
Равновесные, обратимые и необратимые процессы. Второй закон термодинамики. Энтропия и ее свойства. Критерий направления протекания процессов и установления равновесия в изолированных системах. Абсолютное значение энтропии, третий закон термодинамики. Изменение энтропии химических реакций и фазовых превращений.
Второй закон термодинамики для неизолированных систем. Энергия Гиббса и Гельмгольца. Фундаментальные уравнения Гиббса для закрытых систем, характеристические термодинамические функции. Изменение энергии Гиббса и Гельмгольца как критерия направления и полноты протекания процессов. Методы расчета и измерения этих величии. Уравнения Гиббса-Гельмгольца, их анализ.
Тема 1.2. Химическое равновесие. Константа химического равновесия.
Термодинамическое равновесие, его виды и характеристики. Критерии равновесия, влияние температуры, давления и состава. Вывод и анализ уравнения изотермы химической реакции Вант-Гоффа. Закон действующих масс: содержание, вывод и математическое выражение для гомогенных реакций.
Содержание, назначение и формы записи константы химического равновесия. Равновесие в гетерогенных системах, термическая диссоциация, топохимические реакции. Зависимость константы химического равновесия от температуры, вывод и анализ уравнений изобары-изохоры Вант-Гоффа. Расчет константы химического равновесия, выхода продуктов и полноты протекания реакций.
На самостоятельное изучение тем данного раздела студенту отводится 14 часов.
Рекомендуется распределить полезное время следующим образом:
– чтение учебной литературы 8 часов;
– консультация у ведущего преподавателя 6 часов.
Потребуется самостоятельно углубить знания по следующим вопросам:
1. Равновесные, обратимые и необратимые процессы.
2. Изменение энтропии химических реакций и фазовых превращений.
Раздел 2. Термодинамика фазовых равновесий
Тема 2.1. Фазовые равновесия в однокомпонентных системах.
Понятия: фаза, составляющие вещества, компонент, число степеней свободы. Виды фазовых переходов. Вывод, анализ и применение правила фаз Гиббса.
Фазовые равновесия в однокомпонентных системах. Вывод и анализ уравнения Клаузиуса-Клапейрона, использование справочных данных для расчета параметров фазовых переходов. Построение и анализ диаграмм фазового равновесия однокомпонентных систем (вода, сера). Полиморфизм, монотропия и энантиотропия.
Тема 2.2. Фазовые равновесия в многокомпонентных системах.
Фазовое равновесие в двухкомпонентных системах. Методы построения диаграмм плавкости, кривые охлаждения. Виды типовых элементов диаграмм состояния.
Изотермические и политермические сечения. Анализ основных типов диаграмм состояния. Правило рычага. Диаграммы состояния эвтектического типа.
Диаграммы состояния с перитектическим и монотектическим превращением.
Фазовое равновесие в трёхкомпонентных системах. Концентрационный треугольник, его свойства. Работа с проекцией диаграммы состояния в плоскости концентрационного треугольника.
На самостоятельное изучение тем данного раздела студенту отводится 15 часов.
Рекомендуется распределить полезное время следующим образом:
– чтение учебной литературы 7 часов;
– консультация у ведущего преподавателя 7 часов.
Потребуется самостоятельно углубить знания по следующим вопросам:
1. Построение и анализ диаграмм фазового равновесия однокомпонентных систем (вода, сера). Полиморфизм, монотропия и энантиотропия.
2. Изотермические и политермические сечения.
3. Работа с проекцией диаграммы состояния в плоскости концентрационного треугольника.
Раздел 3. Теория растворов неэлектролитов
Тема 3.1. Общая характеристика и классификация растворов. Идеальные растворы.
Общая характеристика и классификация растворов. Формы выражения состава растворов, их взаимосвязь. Интегральные и парциальные молярные свойства растворов. Фундаментальные уравнения Гиббса для открытых систем, химический потенциал компонента, связь с составом и температурой.
Значение метода химических потенциалов для теории и практики. Теория идеальных растворов: природа, критерии образования, свойства, влияние температуры и давления на растворимость. Теория разбавленных растворов.
Свойства растворителя и растворённых компонентов. Законы Рауля, Сивертса, Генри. Закон распределения третьего компонента между двумя несмешивающимися фазами.
Тема 3.2. Законы реальных растворов. Термодинамика систем жидкий раствор-газ.
Термодинамика реальных растворов. Характер и причины отклонения от идеальности. Методы термодинамической активности и избыточных термодинамических функций.
Термодинамика систем жидкий раствор - пар. Состав пара и температура кипения раствора. Законы Коновалова и правила Вревского, термодинамика процессов дистилляции и ректификации, применение.
На самостоятельное изучение тем данного раздела студенту отводится 13 часов.
Рекомендуется распределить полезное время следующим образом:
– чтение учебной литературы 7 часов;
– консультация у ведущего преподавателя 5 часов.
Потребуется самостоятельно изучить вопросы:
1. Интегральные и парциальные молярные свойства растворов.
2. Фундаментальные уравнения Гиббса для открытых систем, химический потенциал компонента, связь с составом и температурой.
Раздел 4. Поверхностные явления и адсорбция
Дисперсные системы, их классификация. Особенности состояния, строения и свойств поверхностного слоя, вклад его в свойства системы. Фундаментальные уравнения Гиббса для систем с развитой поверхностью. Поверхностное натяжение, зависимость от природы веществ, температуры и состава. Поверхностные явления, связанные с размером и формой поверхности. Уравнения Лапласа и Томсона, анализ и применение. Смачивание и капиллярные явления, адгезия и когезия.
Адсорбция, механизм и признаки физической и химической адсорбции. Скорость адсорбции. Влияние температуры на адсорбцию. Адсорбция в системе твердое тело–газ. Уравнение Фрейндлиха. Вывод и анализ уравнения Лэнгмюра, его применение.
Адсорбция в системе жидкость-газ, вывод и анализ уравнения Гиббса, его применение. Поверхностно-активные вещества. Особенности строения поверхностного слоя жидких растворов. Адсорбция растворённого в жидкости вещества на твёрдой поверхности. Поверхностно-активные вещества в металлах и сплавах, их влияние на технологические свойства.
На самостоятельное изучение тем данного раздела студенту отводится 14 часов.
Рекомендуется распределить полезное время следующим образом:
– чтение учебной литературы 6 часов;
– консультация у ведущего преподавателя 8 часов.
Потребуется самостоятельно изучить вопросы:
1. Поверхностные явления, связанные с размером и формой поверхности.
2. Уравнения Лапласа и Томсона, анализ и применение.
3. Смачивание и капиллярные явления, адгезия и когезия.
4. Скорость адсорбции.
5. Поверхностно-активные вещества в металлах и сплавах, их влияние на технологические свойства.
Раздел 5. Основы электрохимии
Предмет и содержание электрохимии. Сущность и классификация электрохимических систем и процессов. Применение электрохимии в металлургии. Электролиты их классификация, свойства. Электролитическая диссоциация воды, водородный показатель. Произведение растворимости, буферные растворы. Кислотно-основные равновесия, гидролиз.
Скорость движения ионов, подвижность, числа переноса. Удельная и эквивалентная электрическая проводимость. Влияние концентрации электролита на электроперенос.
Электродные потенциалы и ЭДС гальванического элемента. Классификация электродов. Электролиз. Законы Фарадея.
На самостоятельное изучение тем данного раздела студенту отводится 14 часов.
Рекомендуется распределить полезное время следующим образом:
– чтение учебной литературы 8 часов;
– консультация у ведущего преподавателя 6 часов.
Потребуется самостоятельно изучить вопросы:
1. Классификация электродов.
2. Электролиз.
3. Законы Фарадея.
Раздел 6. Основы химической кинетики
Предмет, содержание и методы химической кинетики. Значение химической кинетики в металлургии и материаловедении. Кинетическая классификация химических реакций. Скорость реакции, формы выражения, основные кинетические факторы, влияющие на скорость физико-химических процессов.
Формальная кинетика. Основной постулат кинетики, кинетические уравнения. Молекулярность, порядок и константа скорости, методы определения. Кинетические характеристики простых и сложных химических реакций.
Влияние температуры на скорость реакций: правило Вант-Гоффа и уравнение Аррениуса. Энергия активации, физическое содержание и методы её определения в экспериментах. Кинетика гетерогенных процессов, характеристика, отличительные особенности, значение для практики*. Многостадийность этих процессов, лимитирующая стадия и режимы протекания процессов*. Влияние основных кинетических факторов*.
На самостоятельное изучение тем данного раздела студенту отводится 13 часов.
Рекомендуется распределить полезное время следующим образом:
– чтение учебной литературы 6 часов;
– консультация у ведущего преподавателя 7 часов.
Потребуется самостоятельно изучить вопросы:
1. Кинетика гетерогенных процессов, характеристика, отличительные особенности, значение для практики.
2. Многостадийность этих процессов, лимитирующая стадия и режимы протекания процессов.
3. Влияние основных кинетических факторов.
Работа с литературой
Эффективность усвоения лекционного материала и курса в целом определяется уровнем самостоятельной активности студента и качеством его работы с основной и дополнительно рекомендуемой литературой. При чтении лекционного курса непосредственно в аудитории преподаватель контролирует усвоение материала основной массой студентов путем проведения экспресс-опросов по конкретным темам, тестового контроля знаний или индивидуального опроса студентов.
Самостоятельная работа студента с литературой кроме основного аспекта (более глубокого усвоения лекционного материала) содержит в себе еще и второй – позволяет обратить внимание на отдельные тонкости, опущенные в лекционном курсе из-за дефицита аудиторных часов.
Внеаудиторное изучение теоретического материала способствует формированию у студентов современного естественнонаучного мировоззрения и создает основу для сознательного использования формализованной логики предмета и ее математических методов, облегчая работу при решении задач и контрольных заданий.
Самостоятельная работа студента по изучению ФТТ складывается из следующих основных моментов: изучения основных теоретических положений курса по учебникам и учебным пособиям, приобретения навыков при решении типовых практических задач, выполнения контрольных работ, подготовки к сдаче экзамена.
Указания к самостоятельной работе по учебным пособиям:
1. Изучать курс необходимо систематически в течение всего учебного процесса. Изучение физики твердого тела в сжатые сроки перед экзаменом не даст глубоких и прочных знаний.
2. Выбрав какое-либо учебное пособие в качестве основного для определенной части курса, придерживаться данного пособия при изучении всей части или, по крайней мере, ее раздела. Замена одного пособия другим в процессе изучения может привести к утрате логической связи между отдельными вопросами. Но если основное пособие не дает полного ответа на некоторые вопросы программы, необходимо обращаться к другим учебным пособиям.
В качестве основного пособия рекомендуется
Стромберг А.Г .Физическая химия: учебник для студентов вузов / А.Г. Стромберг, Д.П. Семченко. - М. : Высшая школа, 2006. - 527 с. : ил. - Библиогр.: с. 511-515. - 3000 экз. - ISBN 5-06-003627-8 (в пер.)
3. При чтении учебного пособия составлять конспект, в котором записывать законы и формулы, выражающие эти законы, определения физических величин и их единиц, делать чертежи и решать типовые задачи. При решении задач следует пользоваться Международной системой единиц (СИ).
4. Самостоятельную работу по изучению физики твердого тела надо подвергать систематическому контролю. Для этого после изучения очередного раздела следует отвечать на вопросы для самопроверки. При этом надо использовать рабочую программу курса.
Практические занятия
Различные виды самостоятельной работы позволяют сделать процесс обучения на практических занятиях более интересным и поднять активность значительной части студентов в группе.
На практических занятиях по Физической химии не менее 1 часа из двух (50 % времени) отводится на самостоятельное решение задач.
Практические занятия строятся следующим образом:
– вводная преподавателя (цели занятия, основные вопросы, которые должны быть рассмотрены);
– беглый опрос студентов;
– решение 1-2 типовых задач у доски;
– самостоятельное решение задач;
– разбор типовых ошибок при решении (в конце текущего занятия или в начале следующего).
Оценка предварительной подготовки студента к практическому занятию производится в ходе экспресс-тестирования (тестовые задания закрытой формы) в течение 5, максимум – 10 минут. Таким образом, при интенсивной работе каждому студенту на каждом занятии можно получить, по крайней мере, две оценки.
Качество освоения теоретического материала и курса «Физическая химия» в целом в немалой степени определяется уровнем и эффективностью практических занятий, выполняемых, как совместно в аудитории, так и обязательной самостоятельной работы при подготовке к практическим занятиям по решению наиболее характерных задач по рекомендации преподавателя.
Одна из основных задач любых дисциплин, тем более фундаментальных, к которым на полном основании можно отнести физику твердого тела является выработка умений и навыков решения конкретных задач из различных разделов теоретического курса, позволяющие в дальнейшем решать научные и инженерные, т.е. практические задачи. В процессе решения задач отрабатывается способность применения общих теоретических закономерностей к отдельным конкретным практическим вопросам, что способствует более глубокому проникновению в сущность изучаемой дисциплины.
Для практических занятий рекомендуется пользоваться следующими задачниками:
1. Гильдебрандт Э.М. Физическая химия: методические указания к лабораторным работам Ч.1 /сост. Э.М. Гильдебрандт, Л.Г. Болдина – Красноярск: ГУЦМиЗ, 2004. – 52 с.
2. Гильдебрандт Э.М. Физическая химия: методические указания к лабораторным работам. Ч. 2. Красноярск, 2006. – 60 с.
3. Гильдебрандт Э.М. Физическая химия: метод. указания к лабораторным работам/сост. Э.М. Гильдебрандт, Л.Г. Болдина, М.Н. Васильева. –Красноярск: ИПК СФУ, 2009. – 36 с.
Во время аудиторных практических занятий с подробным анализом решаются 1-2 задачи с постепенно возрастающей сложностью. В качестве домашних заданий предлагаются одна – две задачи среднего уровня трудности из указанных выше сборников.
Основу домашних заданий составляют «задачи для самостоятельного решения», приведенные в методическом пособии по циклу практических занятий, к примеру:
Задача: Рассчитать работу, которую можно получить в результате реакции 46 г натрия с водой в закрытом и открытом сосудах при температуре 298 К.
Задача: В начальной системе содержится 1 моль СО и 4 моля Н2О, в равновесной системе 0,8 молей СО2, определить, сколько молей остальных газов будет в равновесной системе.
Задача: Сколько граммов азотной кислоты содержится в 300 мл 0,2 М раствора?
Задача: В литейном цехе алюминиевого завода производится сплав Al-B с содержанием бора 0,01 масс. %. Для его производства используется лигатура Al-B с содержанием бора 1,6 масс. %. Какое количество лигатуры и Аl потребуется для получения 10 т сплава?
Задача: Значения поверхностного натяжения воды при различных температурах приведены в таблице:
| Т, К | ||||
| s, мДж/м2 | 74,90 | 73,64 | 71,96 | 70,35 |
Построить график этой зависимости, вычислить температурный коэффициент поверхностного натяжения, записать уравнение зависимости s = f(T) и по нему рассчитать поверхностное натяжение 333 К.
Задача: Ниже приведены результаты изучения скорости реакции между веществами А и В
| Концентрация, моль/л | Скорость реакции, моль/л·мин | |
| вещество А | Вещество В | |
| 0,1 | 0,1 | 0,004 |
| 0,2 | 0,1 | 0,016 |
| 0,2 | 0,2 | 0,016 |
Выразить результаты исследования в виде кинетического уравнения.
Задача: Эквивалентная электропроводность расплавленного KCl при 1100 К равна 114,9 Ом-1см2г-экв-1. Определить удельную электропроводность, если плотность расплава 1,4945 г/см3.
Задачи для самостоятельного решения выдаются преподавателем на практических занятиях, а на последующих занятиях проверяется правильность их решения. Решение задач имеет цель на практических занятиях продемонстрировать алгоритм решения задачи, а затем, в результате самостоятельного решения подобных задач дома добиться точного выполнения элементов показанных действий и формирования соответствующих умений. Основные методы решения задач следующие: метод анализа физической ситуации, метод дифференцирования и интегрирования, метод упрощения и усложнения описаны в отдельном пособии для практических занятий. Регулярное, в течение семестра решение задач позволяет поддерживать сформированные навыки и умения на достаточно высоком уровне.
Для тех студентов, которые по разным причинам не успели в срок отчитаться по решениям задач, предусмотрены контрольные работы, они включают задачи и вопросы теоретического курса. Успешное выполнения контрольного задания предоставляет студенту возможность получить дополнительные баллы, которые могут существенно улучшить его оценку. В качестве литературы при выполнении контрольных заданий могут быть рекомендованы специальные монографии и учебные пособия, приведенные в списке литературных источников настоящих методических указаний.
Пример контрольной работы:
1. Объясните различия между понятиями теплота и работа.
2. Почему и как зависит тепловой эффект от температуры?
3. Что называют химическим сродством? Какой функцией оценивают химическое сродство?
4. Растворенный в воде фенол адсорбируется на поверхности активированного угля. По какому уравнению можно рассчитать адсорбцию? Каков физический смысл постоянных, входящих в это уравнение?
5. Удельная электрическая проводимость, ее размерность, от чего она зависит? Физический смысл постоянной сосуда.
Перед началом выполнения задачи преподаватель дает лишь общие методические указания (общий порядок решения, точность и единицы измерения определенных величин, имеющиеся справочные материалы и т.п.).
Приступать к решению задач необходимо после достаточно тщательного изучения теоретического лекционного материала соответствующего раздела. Решение домашних заданий предопределяет не только знание теоретических разделов и физических законов, но и специальных методических приемов, принципов решения общих для группы задач из определенного раздела. При решении задач необходимо пользоваться некоторыми правилами методического характера:
– записать краткое условие задачи и выяснить необходимые табличные константы. Осмыслить данные и искомые величины, а также связь между ними;
– выполнить анализ задачи, вскрыв логический путь поиска искомой величины с отражением всех необходимых закономерностей, используемых для решения;
– выполнить графическое отображение (эскиз) условий задачи, а при необходимости и решения задачи в соответствующей диаграмме (P, V; T, S; i, s; i, d и т. д.);
– выполнить решение задачи в общем виде, сопровождая расчетные зависимости пояснениями.
Любая задача курса физики твердого тела выражает какое-либо физическое явление (или группу явлений). Соотношения между искомыми и известными физическими величинами содержатся внутри этого явления. Для того чтобы найти эти соотношения (которые должны составить замкнутую систему уравнений), необходимо не только знать сущность данного явления, систему его физических параметров, законов и границ его применения, но и уметь выделить все эти элементы в данной задаче. Практически физический анализ задачи сводится в основном к выделению и анализу физического явления.
Как известно, физическое явление содержит качественную и количественную стороны. Поэтому сначала определяют качественную характеристику явления (чем это явление отличается от других, какова его сущность, как оно происходит и т.д.). Затем устанавливают количественные связи и соотношения между различными величинами, характеризующими данное явление. Далее, применяя соответствующие законы, получают систему уравнений.
Составными частями метода упрощения и усложнения являются два взаимосвязанных и противоположных процесса: процесс упрощения (идеализация, оценка и отбрасывание второстепенных явлений, пренебрежение несущественными деталями и т.д.) и процесс усложнения (учет и рассмотрение ранее отброшенных объектов, явлений, деталей, усложнение физической системы, связей и т.д.). Материальную основу этих процессов составляет метод оценки.
Этот метод часто используют при анализе любой физической ситуации, производя оценку физических величин или оценку физических явлений. Оценка физической величины заключается, во-первых, в арифметическом (числовом) расчете порядка самой величины (оценка порядка) и, во-вторых, в сравнении однородных величин по их порядкам (сравнение по порядку).
При проведении анализа методом постановки задачи необходимо выяснить, какие можно ввести упрощения, чем можно пренебречь, какие можно ввести дополнительные условия и т.д. Ранее этот процесс был назван процессом идеализации. После разумной идеализации задачи необходимо выяснить, какие данные могут быть известны, что можно взять из справочников, таблиц и т.д. Некоторые данные впоследствии могут оказаться лишними, а некоторых может недоставать. Это выяснится только после решения задачи в общем виде.
По-видимому, не существует метода (алгоритма) проведения процесса идеализации задачи – это творческий процесс. После проведения процесса идеализации формулируется задача: при таких-то условиях дано конкретно что-то, требуется найти нечто. На этом первый этап и решения, и постановки задачи заканчивается. Задача поставлена.
Далее идет уже известный этап – решение поставленной задачи:
– необходимо вторично провести анализ явления (теперь это делается уже значительно быстрее), составить замкнутую систему уравнений и решить ее в общем виде;
– оценить правильность полученного решения проверкой размерности, полным использованием исходных данных;
– произвести численный расчет с учетом необходимой точности решения.
Прежде чем приступить к числовому расчету, надо убедиться в том, что все данные для этого имеются. Если их нет, то недостающие данные необходимо дополнительно добавить к первоначально заданным или взять из таблиц, справочников и т.д. Только после введения этих дополнительных данных, обеспечивающих однозначное решение поставленной задачи, можно считать, что задача поставлена. Затем идет арифметический расчет, на котором и заканчивается решение задачи.
В основном все системы физических уравнений решаются с помощью универсальных методов дифференцирования и интегрирования, которые являются необходимыми как при изучении теории, так и в особенности при решении задач. В курсе физики твердого тела с помощью этих методов производят вычисление параметров, характеризующих электронное строение и свойства материалов.
Математическую основу метода составляют дифференцирование и интегрирование функций. Поэтому рассматриваемые методы позволяют практически осуществить межпредметную связь при изучении курсов ФТТ и высшей математики, а также оценить логическую целесообразность полученной в расчете величины.