Предмет физической химии. Химическая термодинамика. Виды энергии. Переходы между различными видами энергий.

Теоретическая часть.

 

В основной части вопроса описывается необходимый минимум для получения половины баллов за теоретический вопрос. В разделе «бонусное» находится примеры дополнительного материала, которым Вы можете украсить свой ответ или же получить в качестве дополнительного вопроса при ответе по билету.

 

В разделе «дополнительная литература» находятся ссылки на главы книг (находящихся в свободном доступе или выложенных в группе), в которых можно прояснить непонятные вопросы или дополнить свои знания по данному разделу.

Кодовые обозначения книг:

Яр – А.Б. Ярославцев «Основы физической химии» – в группе.

Эт – П. Эткинс – «Физическая химия» - в группе

Ер – В.В. Еремин и др. – «Основы физической химии» - по ссылке http://chembaby.com/data/documents/osnovfizhim2005.pdf

Ле – И.А. Леенсон «Как и почему происходят химические реакции» - в группе.

 

Напоминаю состав билета:

Задача I типа (1-2 балла)

Задача II типа (2-4 балла)

Задача III типа (4-5 баллов)

1 Теоретический вопрос (10 баллов)

2 Теоретический вопрос (10 баллов)

 

 

 

1. Предмет физической химии. Химическая термодинамика. Виды энергии. Переходы между различными видами энергий.

2. Основные понятия: система, окружающая среда, компонент, параметр. Системы открытые, закрытые, изолированные. Интенсивные и экстенсивные параметры.

3. Нулевой закон термодинамики. Равновесный (квазистатический) процесс. Идеальный газ, уравнение состояния. Работа по равновесному расширению газа.

4. Первый закон термодинамики. Внутренняя энергия. Функции состояния. Теплота. Изотерма, изохора, изобара, адиабата. Теплота при постоянном давлении и при постоянном объёме. Энтальпия.

5. Термохимия. Тепловой эффект химической реакции. Закон Гесса и следствия. Энтальпия реакции. Энтальпии (теплоты) образования. Энтальпии (теплоты) сгорания. Стандартные состояния и стандартные условия.

6. Второй закон термодинамики. Его формулировки. Энтропия как функция состояния. Статистическая трактовка понятия энтропии. Изменение энтропии при необратимых процессах. Принцип возрастания энтропии. Стандартная энтропия вещества. Энтропия реакции.

7. Теплоёмкость. Зависимость энтальпии и энтропии вещества от температуры. Зависимость энтальпии и энтропии химической реакции от температуры.

8. Критерии самопроизвольного протекания процесса и равновесия в изолированной системе. Критерии самопроизвольного протекания процесса и равновесия в закрытой системе при постоянном давлении и объеме.

9. Энергии Гиббса и Гельмгольца. Максимальная полезная работа. Зависимость энергии Гиббса от температуры. Химический потенциал. Химический потенциал идеального газа. Стандартное состояние и стандартный химический потенциал вещества в газовой фазе Стандартные состояния и стандартный химический потенциал вещества в растворах.

10.    Зависимость энергии Гиббса и энергии Гельмгольца от парциальных давлений/концентраций/мольных долей при постоянных температуре и давлении/объёме. Условие химического равновесия в закрытых системах. Различные формы записи констант равновесия и связь между ними. Зависимость констант равновесия от температуры.

11.    Степень превращения. Влияние парциальных давлений, общего давления и температуры на состав равновесной смеси. Равновесия в гетерогенных системах.

12.    Расчёты констант равновесия с использованием таблиц стандартных значений термодинамических функций. Расчёт равновесного состава и выходов продуктов при протекании химических реакций.

 

Основные понятия: система, окружающая среда, компонент, параметр. Системы открытые, закрытые, изолированные. Интенсивные и экстенсивные параметры.

Термодинамическая система – основной объект изучения термодинамики – часть пространства со всеми включенными в нее компонентами, отделенная от внешней среды реально существующей или воображаемой граничной поверхностью.

Система способна обмениваться (или не обмениваться) с окружающей средой энергией и веществом.

 

		Обмен веществом
		Есть	Нет
Обмен энергией	Есть	Открытая	Закрытая
	Нет	Адиабатическая	Изолированная

 

Окружающая среда – неисчерпаемый и неизменный резервуар энергии, работы, объема и т.п.

Параметры – свойства системы, выбранные в качестве независимых.

Экстенсивные параметры определяются количеством вещества в системе и могут быть измерены сопоставлением со стандартом: масса, объем, энергия, длина, площадь, сопротивление и т.п. (перечислить хотя бы 3)

Интенсивные параметры не зависят от количества вещества и могут быть измерены лишь опосредовано: температура, давление, сила, напряженность поля, плотность и т.п.

(перечислить хотя бы 3)

 

Бонусное:

Термодинамическое состояние системы -?

Процесс -?

Выражение работы через экстенсивный параметр и изменение интенсивного.

Удельные величины

 

Дополнительная литература для подготовки:

Яр – 1.1

Ер – Г1 §1

 

 

Второй закон термодинамики. Его формулировки. Энтропия как функция состояния. Статистическая трактовка понятия энтропии. Изменение энтропии при необратимых процессах. Принцип возрастания энтропии. Стандартная энтропия вещества. Энтропия реакции.

Существуют процессы, не противоречащие первому закону термодинамики, протекание которых невозможно. [ Хотя бы один пример ]

При обратимом (равновесном процессе)

ΔS=Q/T

Чтобы процесс был необратимым:

ΔS>Q/T

В изолированной системе самопроизвольно могут протекать только процессы, сопровождающиеся ростом энтропии.

Энтропия – мера беспорядка системы. Определяется вероятностью данного состояния:

S=k lnW

В отличие от энтальпии, абсолютную энтропию можно определить. Энтропия реакции определяется аналогично энтальпии реакции – через разницу энтропий продуктов и реагентов.

Δ_rS°=∑S°(продуктов) - ∑S°(реагентов)

 

Бонусное:

Постулаты Клаузиуса и Томсона.

Объяснение энтропии через комбинаторику и вероятность.

Термодинамическая вероятность.

 

Дополнительная литература для подготовки:

Эт – 5.1,5.2

Яр – Глава 2

Ер – Г 2 §1-4

http://elementy.ru/trefil/21219?context=20442

http://trv-science.ru/2011/09/13/vtoroe-nachalo-termodinamiki-naveyano-petrikom/

https://geektimes.ru/post/246406/

Зависимость энергии Гиббса и энергии Гельмгольца от парциальных давлений/концентраций/мольных долей при постоянных температуре и давлении/объёме. Условие химического равновесия в закрытых системах. Различные формы записи констант равновесия и связь между ними. Зависимость констант равновесия от температуры.

Химический потенциал – мольная энергия Гиббса, может быть выражен через стандартный потенциал и давление/концентрацию/мольную долю компонента

μ_i = μ_i°+RT lnp_i

μ_i = μ_i*+RT lnс_i

μ_i = μ_i’+RT lnx_i

Условие равновесия – ΔG=0. Возьмем газовую реакцию:

aA + bB = dD + eE

При равновесии

Бонусное:

Аналогичные выкладки для энергии Гельмгольца (***)

Вывод связи между K_p, K_c и K_x для какой-нибудь реакции

График зависимости ln(K) от 1000/T при разных знаках ΔH и ΔS

Расчет ΔG системы с заданными парциальными давлениями компонентов.

Дополнительная литература для подготовки:

Эт – 9.1

Яр – 3.4, 3.5

Ер – Г3 §1-4

 

Теоретическая часть.

 

В основной части вопроса описывается необходимый минимум для получения половины баллов за теоретический вопрос. В разделе «бонусное» находится примеры дополнительного материала, которым Вы можете украсить свой ответ или же получить в качестве дополнительного вопроса при ответе по билету.

 

В разделе «дополнительная литература» находятся ссылки на главы книг (находящихся в свободном доступе или выложенных в группе), в которых можно прояснить непонятные вопросы или дополнить свои знания по данному разделу.

Кодовые обозначения книг:

Яр – А.Б. Ярославцев «Основы физической химии» – в группе.

Эт – П. Эткинс – «Физическая химия» - в группе

Ер – В.В. Еремин и др. – «Основы физической химии» - по ссылке http://chembaby.com/data/documents/osnovfizhim2005.pdf

Ле – И.А. Леенсон «Как и почему происходят химические реакции» - в группе.

 

Напоминаю состав билета:

Задача I типа (1-2 балла)

Задача II типа (2-4 балла)

Задача III типа (4-5 баллов)

1 Теоретический вопрос (10 баллов)

2 Теоретический вопрос (10 баллов)

 

 

 

1. Предмет физической химии. Химическая термодинамика. Виды энергии. Переходы между различными видами энергий.

2. Основные понятия: система, окружающая среда, компонент, параметр. Системы открытые, закрытые, изолированные. Интенсивные и экстенсивные параметры.

3. Нулевой закон термодинамики. Равновесный (квазистатический) процесс. Идеальный газ, уравнение состояния. Работа по равновесному расширению газа.

4. Первый закон термодинамики. Внутренняя энергия. Функции состояния. Теплота. Изотерма, изохора, изобара, адиабата. Теплота при постоянном давлении и при постоянном объёме. Энтальпия.

5. Термохимия. Тепловой эффект химической реакции. Закон Гесса и следствия. Энтальпия реакции. Энтальпии (теплоты) образования. Энтальпии (теплоты) сгорания. Стандартные состояния и стандартные условия.

6. Второй закон термодинамики. Его формулировки. Энтропия как функция состояния. Статистическая трактовка понятия энтропии. Изменение энтропии при необратимых процессах. Принцип возрастания энтропии. Стандартная энтропия вещества. Энтропия реакции.

7. Теплоёмкость. Зависимость энтальпии и энтропии вещества от температуры. Зависимость энтальпии и энтропии химической реакции от температуры.

8. Критерии самопроизвольного протекания процесса и равновесия в изолированной системе. Критерии самопроизвольного протекания процесса и равновесия в закрытой системе при постоянном давлении и объеме.

9. Энергии Гиббса и Гельмгольца. Максимальная полезная работа. Зависимость энергии Гиббса от температуры. Химический потенциал. Химический потенциал идеального газа. Стандартное состояние и стандартный химический потенциал вещества в газовой фазе Стандартные состояния и стандартный химический потенциал вещества в растворах.

10.    Зависимость энергии Гиббса и энергии Гельмгольца от парциальных давлений/концентраций/мольных долей при постоянных температуре и давлении/объёме. Условие химического равновесия в закрытых системах. Различные формы записи констант равновесия и связь между ними. Зависимость констант равновесия от температуры.

11.    Степень превращения. Влияние парциальных давлений, общего давления и температуры на состав равновесной смеси. Равновесия в гетерогенных системах.

12.    Расчёты констант равновесия с использованием таблиц стандартных значений термодинамических функций. Расчёт равновесного состава и выходов продуктов при протекании химических реакций.

 

Предмет физической химии. Химическая термодинамика. Виды энергии. Переходы между различными видами энергий.

Физическая химия - наука, которая изучает физическими методами строение химических соединений, количественные закономерности и механизмы химических процессов.

Химическая термодинамика – наука, изучающая взаимные переходы работы и энергии в ходе химических процессов.

Виды энергии: потенциальная, кинетическая, электромагнитная, гравитационная, тепловая, ядерная и т.п. (перечислить хотя бы 3)

Виды «химической» энергии: энергии связей, энергия кристаллической решетки, поверхностная энергия, энергия межмолекулярного взаимодействия, энергии поступательного, вращательного и колебательного движения молекул, энергия ионизации, энергия сродства к электрону и т.п.

(перечислить хотя бы 3)

Примеры перехода между разными видами энергии – хотя бы 2 (например, внутренняя тепловая, электромагнитная внутренняя)

Пример описания перехода: в ходе фотосинтеза происходит переход электромагнитной энергии (света) в энергию связей – из углекислого газа и воды образуется глюкоза.

 

Бонусное:

Больше примеров переходов и видов энергий.

Описание энергии движения молекул (колебательного, вращательного, поступательного). Разбор на примере 3-4-атомной молекулы.

Сходство и различие твердого/жидкого/газообразного состояний с точки зрения энергии.

 

Дополнительная литература для подготовки:

Эт – Введение

Яр – 1.1

Ер – Г1 §1

http://elementy.ru/trefil/21094?context=20442

http://files.school-collection.edu.ru/dlrstore/4a8731e1-0856-617e-d779-7c202fb4d5a6/00144678856603799.htm

http://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/431005/Skolko_khimiy_na_svete

 

 

Основные понятия: система, окружающая среда, компонент, параметр. Системы открытые, закрытые, изолированные. Интенсивные и экстенсивные параметры.

Термодинамическая система – основной объект изучения термодинамики – часть пространства со всеми включенными в нее компонентами, отделенная от внешней среды реально существующей или воображаемой граничной поверхностью.

Система способна обмениваться (или не обмениваться) с окружающей средой энергией и веществом.

 

		Обмен веществом
		Есть	Нет
Обмен энергией	Есть	Открытая	Закрытая
	Нет	Адиабатическая	Изолированная

 

Окружающая среда – неисчерпаемый и неизменный резервуар энергии, работы, объема и т.п.

Параметры – свойства системы, выбранные в качестве независимых.

Экстенсивные параметры определяются количеством вещества в системе и могут быть измерены сопоставлением со стандартом: масса, объем, энергия, длина, площадь, сопротивление и т.п. (перечислить хотя бы 3)

Интенсивные параметры не зависят от количества вещества и могут быть измерены лишь опосредовано: температура, давление, сила, напряженность поля, плотность и т.п.

(перечислить хотя бы 3)

 

Бонусное:

Термодинамическое состояние системы -?

Процесс -?

Выражение работы через экстенсивный параметр и изменение интенсивного.

Удельные величины

 

Дополнительная литература для подготовки:

Яр – 1.1

Ер – Г1 §1