 Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего
профессионального образования
«Алтайский государственный технический университет
имени И.И. Ползунова»
Т.И. Макрушина
ХИМИЯ
Модуль 3
ЭНЕРГЕТИКА И ДИНАМИКА ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Учебное пособие
для модульно-рейтинговой технологии обучения
Бийск
2007
УДК 546 (075.5)
Макрушина, Т.И. ХИМИЯ. Модуль 3. Энергетика и динамика химических процессов: учебное пособие для модульно-рейтинговой технологии обучения / Т.И. Макрушина.
Алт. гос. техн. ун-т БТИ. – Бийск.
Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2007. – 168 с.
В данном учебном пособии представлена система методической документации для модульно-рейтинговой технологии изучения раздела «Энергетика и динамика химических процессов» курса «Химии», а также для изучения дисциплин, рабочие программы которых предусматривают изучение разделов, рассмотренных в данном пособии.
Разработано в соответствии с Государственным образовательным стандартом УМО высшего профессионального образования по направлениям подготовки дипломированных специалистов специальностей 151001, 160302, 190000, 080401, 170104, 230201, 080502, 260204, 240901, 240701, 240702, 240706, 260601, 200106 всех форм обучения.
Учебное пособие предназначено для преподавателей и студентов технических и химико-технологических вузов.
Рассмотрено и одобрено на заседании
кафедры общей химии и экспертизы товаров.
Протокол № 46 от 29 декабря 2006 г.
Рецензенты: В.М. Аксененко
доктор химических наук
© Макрушина Т.И., 2007
© БТИ АлтГТУ, 2007
Содержание
ВВЕДЕНИЕ
|
5
|
Глава первая. Общие положения
|
7
|
1.1 Цели и задачи обучения
|
7
|
1.2 Программа модуля
|
8
|
1.3 Тематический план модуля
|
9
|
1.4 Перечень средств, необходимых для выполнения программы модуля
|
10
|
1.5 План-график изучения модуля
|
10
|
1.6 Планы лабораторных занятий
|
13
|
1.7 Индивидуальное расчетное задание
|
16
|
1.8 Самостоятельная работа студентов
|
18
|
1.9 Промежуточный экзамен
|
19
|
Глава вторая. Химическая термодинамика
|
20
|
2.1 Цели и задачи изучения главы
|
20
|
2.2 Методические рекомендации по изучению материала
|
20
|
2.3 Основные понятия химической термодинамики
|
21
|
2.4 Первый закон термодинамики. Энтальпия
|
28
|
2.5 Термохимия
|
32
|
2.6 Энтропия
|
42
|
2.7 Термодинамические потенциалы
|
51
|
Глава третья. Химическая кинетика
|
58
|
3.1 Цели и задачи изучения главы
|
58
|
3.2 Методические рекомендации по изучению материала
|
58
|
3.3 Скорость химической реакции
|
59
|
3.4 Зависимость скорости химической реакции от концентрации реагирующих веществ
|
66
|
3.5 Кинетическая классификация химических реакций
|
68
|
3.6 Кинетика реакций целого порядка
|
73
|
3.7 Влияние температуры на скорость химической реакции
|
81
|
3.8 Скорость гетерогенных химических реакций
|
89
|
3.9 Влияние катализатора на скорость химических реакций
|
93
|
3.10 Механизмы химических реакций
|
100
|
3.11 Физические воздействия на химические реакции
|
106
|
Глава четвертая. Равновесие
|
110
|
4.1 Цели и задачи изучения главы
|
110
|
4.2 Методические рекомендации по изучению материала
|
110
|
4.3 Химическое равновесие
|
111
|
4.4 Способы смещения равновесия
|
115
|
4.5 Химическое равновесие в гетерогенных системах
|
116
|
4.6 Фазовое равновесие
|
117
|
4.7 Адсорбционное равновесие
|
121
|
Заключение по модулю «Энергетика и динамика химических процессов»
|
135
|
Литература
|
136
|
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Основные термины и определения
|
137
|
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Примерный перечень вопросов на экзамен по модулю «Энергетика и динамика химических процессов»
|
142
|
ПРИЛОЖЕНИЕ В. Тестовые задания
|
145
|
ВВЕДЕНИЕ
Химические процессы представляют собой сложнейшее явление как в неживой, так и в живой природе. Перед химической наукой стоит принципиальная задача − научиться управлять химическими процессами. Дело в том, что некоторые реакции не удается осуществить, хотя в принципе они осуществимы, другие трудно остановить − реакции горения, взрывы, а часть из них трудноуправляема, поскольку они самопроизвольно создают массу побочных продуктов. Для управления химическими реакциями используются теоретические данные и методы из разделов химической термодинамики и кинетики.
Химическая термодинамика изучает энергетические эффекты химических процессов, позволяет определить возможность и глубину протекания химического процесса в конкретных условиях.
В химической промышленности тепловые эффекты нужны для расчета количества теплоты для нагревания реакторов. В энергетике с помощью теплот сгорания топлива рассчитывают выработку тепловой энергии.
Химическая кинетика изучает скорость и механизм протекания химических процессов в различных средах при различных условиях.
Химическая кинетика, как и термодинамика, является теоретической базой химической технологии. Поэтому состояние и достижения науки в области кинетики в значительной степени определяют технический уровень производства в химической промышленности.
В последние десятилетия в значительной мере расширились возможности экспериментального исследования кинетики химических процессов в связи с развитием ряда физических методов, позволяющих непосредственно, без проведения сложных химических анализов, наблюдать и регистрировать ход химического превращения. Огромное значение для современной химической кинетики имеет интенсивное развитие компьютерной техники, благодаря чему ведется статистическая обработка больших массивов экспериментальных данных по кинетике химических превращений, рассчитывается протекание процессов, описываемых системами большого числа дифференциальных и алгебраических уравнений, появилась возможность математического моделирования реакторов.
Изучение модуля «Энергетик и динамика химических процессов» курса «Химия» строится на базе интеграции принципа процессного подхода и модульно-рейтинговой технологии обучения, основанной на образовательном стандарте высшего профессионального образования АлтГТУ им. И.И. Ползунова: «Положение о модульно-рейтинговой системе квалиметрии учебной деятельности студентов. СМК ОПД 01-19-2005» (рисунок 1).
В качестве основного методического материала при изучении модуля «Энергетика и динамика химических процессов» рекомендуется использовать приведенные далее структурно-логические схемы. Структурно-логические схемы курса, разделов отражают не только внешние и внутренние связи, но и дают четкое представление о последовательности работы с учебным материалом. Структурно-логические схемы также фиксируют внимание студентов на наиболее важных положениях и понятиях каждого раздела курса, то есть они помогают формированию стержневых идей курса и опорных знаний.
Рисунок 1 – Структура третьего модуля курса «Химия»
Данное учебное пособие и предназначено для того, чтобы обеспечить методическое руководство самостоятельной работой студентов, изучающих курс «Химия».
Предлагаемая модульная технология обучения применяется более пяти лет на кафедре «Общей химии и экспертизы товаров» Бийского технологического института АлтГТУ им. И. И. Ползунова и показала свою эффективность.
Модуль 3
ЭНЕРГЕТИКА И ДИНАМИКА ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
1 ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Изучение курса «Химия» ведется по единой схеме, включающей в себя два уровня:
на I уровне изучаются физическая сущность химических явлений, осваивается принятая терминология, рассматриваются их классификация, основные закономерности химических явлений;
на II уровне изучаются практические вопросы, методы расчета и применение химических процессов.
Применяемая в данном учебном пособии модульно-рейтинговая технология обучения имеет целью поставить студента перед необходимостью регулярной самостоятельной учебной работы в течение всего семестра, обеспечить «мягкое» управление педагогическим процессом, стимулировать процессы самоорганизации учебной деятельности студента.
1.1 Цели и задачи обучения
Изучение модуля «Энергетика и динамика химических процессов» должно способствовать достижению следующих целей у студентов:
– освоению основных понятий и классификации химических процессов;
– усвоению основных законов, лежащих в основе химической термодинамики и кинетике, а также химического равновесия;
– формированию представлений об энергетических эффектах, сопровождающих химические реакции, о возможности и направлении протекания химических реакций, о скорости и ее зависимости от различных параметров, о механизмах химических реакций, о химическом, фазовом и адсорбционном равновесии;
– овладению умениями применять полученные знания для объяснения разнообразных химических явлений и свойств веществ, оценки роли химии в развитии современных технологий и получения новых материалов.
1.2 Программа модуля
Тема 15. Основные понятия
Химическая термодинамика. Термодинамические системы. Термодинамические переменные. Параметры состояния. Функция состояния и перехода. Состояния систем. Процессы в термодинамике. Основные постулаты термодинамики. Энергия, теплота и работа.
Тема 16. Первый закон химической термодинамики
Первый закон химической термодинамики. Приложения первого закона термодинамики для различных термодинамических процессов. Энтальпия.
Тема 17. Термохимия
Тепловые эффекты химических реакций. Калориметрия. Закон Гесса и следствия из него. Зависимость теплового эффекта реакции от температуры. Закон Кирхгоффа. Термохимические уравнения реакций.
Тема 18. Энтропия
Процессы самопроизвольные и несамопроизвольные. Энтропия. Второй закон термодинамики. Статистическая интерпретация энтропии. Третий закон термодинамики. Расчет энтропии. Стандартные значения энтропии. Зависимость энтропии вещества от температуры, агрегатного состояния и структуры вещества.
Тема 19. Термодинамические потенциалы
Энтропийный и энтальпийные критерии самопроизвольного протекания процессов. Энергия Гиббса и Гельмгольца как функции состояния системы, их физический смысл. Условия самопроизвольного протекания процессов в закрытых системах. Уравнение изотермы Вант-Гоффа. Стандартные величины энергии Гиббса.
Тема 20. Основные понятия химической кинетики
Понятие о химической кинетике. Скорость реакции: гомогенной и гетерогенной реакций, истинная (мгновенная) и средняя скорость. Зависимость скорости реакций от природы реагирующих веществ. Зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ. Закон действующих масс.
Тема 21. Порядок химической реакции
Кинетическая классификация химических реакций. Причины несовпадения молекулярности и порядка химических реакций. Реакции нулевого порядка. Реакции первого порядка. Реакции второго порядка. Реакции третьего порядка. Методы определения порядка реакций.
Тема 22. Влияние температуры на скорость химических реакций
Правило Вант-Гоффа. Уравнение Аррениуса. Энергия активации. Активированные комплексы.
Тема 23. Особенности протекания гетерогенных химических реакций
Зависимость скорости химической реакции от различных факторов для гетерогенных процессов. Кинетические и диффузионные факторы. Лимитирующая стадия реакции.
Тема 24 Каталитические реакции
Влияние катализатора на скорость химической реакции. Катализ. Катализаторы. Каталитические реакции. Ингибиторы. Гомогенный катализ. Гетерогенный катализ. Промоторы. Каталитические яды.
Тема 25 Механизмы протекания химических реакций
Механизмы протекания химических реакций. Сложные и простые реакции. Последовательные реакции. Параллельные реакции. Сопряженные реакции. Колебательные реакции. Понятие о цепных реакциях. Фотохимические реакции.
Тема 26. Равновесие
Химическое равновесие. Обратимые и необратимые реакции. Константа равновесия. Истинное и ложное равновесие. Принцип Ле Шателье.
Фазовое равновесие. Правило фаз Гиббса. Фазовые диаграммы. Гетерогенное равновесие.
Адсорбционное равновесие. Физическая и химическая адсорбция. Изотермы адсорбции. Адсорбция на границах газ − твердое вещество, жидкость − твердое вещество.
Повторить из школьного курса:
Тепловой эффект химической реакции. Основные законы термохимии. Стандартная энтальпия образования.
Скорость химической реакции. Кинетическое уравнение и константа скорости. Закон действующих масс.
1.3 Тематический план модуля
Тематический план модуля «Энергетика и динамика химических процессов» представлен в таблице 1.1.
Таблица 1.3 − Тематический план модуля
Наименование тем и разделов
|
Количество часов на изучение
|
Всего
|
в том числе
|
лекции
|
лабораторные
работы
|
самостоятельная
работа
|
Модуль 3. Основы химической термодинамики и кинетики
|
32
|
8
|
8
|
16
|
Химическая термодинамика
|
9
|
3
|
-
|
6
|
Химическая кинетика
|
20
|
4
|
8
|
8
|
Химическое равновесие
|
3
|
1
|
-
|
2
|
1.4 Перечень средств, необходимых для выполнения
программы модуля
1.4.1 Лабораторная установка: растворы.
1.4.2 Учебники [1, 2, 3, 4, 5].
1.4.3 Методические указания [10].
1.2.4 Электронные диски: учебно-методический комплекс «Химия».
1.2.5 Сетевой учебно-методический комплекс «Химия».
1.5 План-график изучения модуля «Энергетика и динамика
химических процессов»
План-график модуля, представленный в таблице 1.2, составлен исходя из того, что студент еженедельно 4…5 часов самостоятельно выполняет задания.
Таблица 1.2 − План-график изучения модуля
Номер недели
|
Номер темы
|
Темы лекций
|
Лабораторные работы
|
Самостоятельная работа студентов. Содержание
|
Форма контроля
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
11
|
15
16
17
|
Химическая термодинамика. Термодинамические системы. Параметры состояния. Функция состояния и параметры состояния. Процессы в термодинамике. Основные постулаты термодинамики. Энергия, теплота и работа.
Первый закон химической термодинамики. Приложения первого закона термодинамики для различных термодинамических процессов.
Тепловые эффекты химических реакций. Калориметрия. Закон Гесса и следствия из него. Закон Кирхгоффа. Термохимические уравнения реакций
|
-
|
Проработка учебников, учебных пособий, специальной методической литературы, темы: 15, 16, 17.
Проработка конспектов лекций.
Самостоятельно изучить тему калориметрия
|
Проверка конспектов лекций, тестов, индивидуальных расчетных заданий
|
12
|
18
19
20
|
Энтропия. Второй закон термодинамики. Статистическая интерпретация энтропии. Третий закон термодинамики. Расчет энтропии.
Энтропийный и энтальпийный критерии самопроизвольного протекания процессов. Энергия Гиббса как функции состояния системы, их физический смысл. Уравнение изотермы Вант-Гоффа.
Понятие о химической кинетике. Скорость реакции. Зависимость скорости реакций от природы реагирующих веществ и от концентрации реагирующих веществ. Закон действующих масс.
|
Занятие 5 Выполнение лабораторной работы Химическая кинетика
|
Проработка учебников, учебных пособий, темы: 18, 19, 20.
Проработка конспектов лекций. Выполнение индивидуального расчетного задания [11].
Самостоятельно изучить следующие темы.
Энергия Гельмгольца
|
Продолжение таблица 1.2
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
13
|
21
22
23
|
Кинетическая классификация химических реакций. Причины несовпадения молекулярности и порядка химических реакций. Реакции нулевого, первого и второго порядка.
Правило Вант-Гоффа. Уравнение Аррениуса. Энергия активации.
Зависимость скорости химической реакции от различных факторов для гетерогенных процессов.
|
-
|
Проработка учебников, учебных пособий, специально ой методической литературы, темы: 21, 22, 23
Проработка конспектов лекций.
Выполнение индивидуального расчетного задания [11].
Самостоятельно изучить следующие темы.
Реакции третьего порядка.
Методы определения порядка реакций.
|
Проверка конспектов лекций, тестов, индивидуальных расчетных заданий
|
14
|
24
25
26
|
Влияние катализатора на скорость химической реакции. Катализ. Гомогенный и гетерогенный катализ. Механизмы протекания химических реакций. Последовательные, параллельные, сопряженные, колебательные и цепные реакции.
Химическое равновесие. Обратимые и необратимые реакции. Константа равновесия. Истинное и ложное равновесие.
Фазовое равновесие. Правило фаз Гиббса. Фазовые диаграммы.
Адсорбционное равновесие. Физическая и химическая адсорбция. Изотермы адсорбции.
|
Занятие 6 Проведение текущего тестирования
Решение задач
Защита лабораторной работы
|
Проработка учебников, учебных пособий, специальной методической литературы, темы: 24, 25, 26
Проработка конспектов лекций.
Выполнение индивидуального расчетного задания [11].
Самостоятельно изучить следующие темы.
Фотохимические реакции.
Гетерогенное равновесие.
Принцип
Ле Шателье.
Адсорбция на границах газ − твердое вещество, жидкость − твердое вещество, жидкость − газ.
|
ПРОВЕДЕНИЕ ПРОМЕЖУТОЧНОГО ЭКЗАМЕНА
|
1.6 Планы лабораторных занятий
Планы лабораторных занятий представлены в таблице 1.3.
Таблица 1.3 − Планы лабораторных занятий
Номер занятия
| Наименование и краткое содержание,
характер занятия и цель
|
Объем в часах
|
1
|
Подготовка и выполнение лабораторной работы «Химическая кинетика».
Цель работы: опытным путем изучить:
− зависимость скорости химической реакции от концентрации взаимодействующих веществ;
− влияние температуры на скорость химических реакций;
− зависимость скорости реакции от поверхности раздела для гетерогенных химических реакций;
− влияние катализатора на скорость химических реакций
|
4
|
2
|
Текущий тестовый опрос. Решение задач на тему «Химическая термодинамика и кинетика. Равновесие». Защита лабораторной работы.
Цель занятия: освоить теоретические основы и научиться решать задачи на тему «Химическая термодинамика и кинетика. Равновесие», защитить лабораторную работу
|
4
|
Лабораторные работы проводятся группой из 2...4 студентов.
Выполнению работы предшествует устный опрос теории работы и собеседование по методике ее проведения, принципу работы лабораторной установки и входящих в нее химической посуды и устройств, а также уяснение вопросов, связанных с техникой безопасности проведения работ.
После выполнения работы преподаватель подписывает таблицу исходных данных, после чего студенты составляют отчет по лабораторной работе, содержащий:
1) титульный лист;
2) теоретическую часть;
3) зарисовку экспериментальной установки;
4) таблицу экспериментальных данных;
5) обработку результатов опыта;
6) выводы.
Итогом работы является защита полученных в ней результатов, защита проводится устно или письменно, но обязательно индивидуально.
Отчеты по лабораторным работам составляются каждым студентом, и после защиты сдаются преподавателю.
Защита лабораторной работы 3
Химическая термодинамика и кинетика. Равновесие
Цель занятия: научиться решать задачи с применением законов химической термодинамики и с применением закона действующих масс, правила Вант-Гоффа, уравнения Аррениуса, принципа Ле-Шателье, освоить расчеты с использованием константы равновесия.
План занятия:
1. Законы химической термодинамики.
2. Термохимические расчеты.
3. Определение самопроизвольного направления протекания химических реакций.
4. Зависимость скорости химических реакций от различных факторов.
5. Механизмы химических реакций.
6. Равновесие: химическое, фазовое, адсорбционное.
7. Решение задач.
8. Защита лабораторной работы.
Подготовка к занятию:
1. Изучить материалы занятия в конспекте лекций и литературе [1− 5, 10].
2. Повторить из школьного курса:
− тепловые эффекты химических реакций;
− теплоемкость;
− скорость химической реакции;
− обратимые и необратимые реакции.
3. Выучить основные термины и понятия (таблица 1.4 и Приложение А).
4. Составить конспекты ответов на карточку к защите лабораторной работы.
5. Подготовиться к текущему тестовому опросу (Приложение В).
|
