ChemNet
 
Химический факультет МГУ

Учебные курсы по химии
для студентов нехимических факультетов МГУ

ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
программа курса для студентов физиолого-биохимического направления биологического факультета МГУ

Предисловие
Физическая химия представляет собой теоретический фундамент современной химии, щироко используемой для исследования процессов в биологических системах.
Программа содержит перечень основных вопросов разделов физической химии, наиболее необходимых биологам. Программа предназначена для студентов II курса (3 и 4 семестры), специализирующихся по кафедрам биоорганической химии, биохимии, молекулярной биологии, вирусологии, генетики, высшей нервной деятельности, микробиологии, физиологии человека и животных, физиологии растений, цитологии и гистологии, эмбриологии, иммунологии. Обучение студентов физической химии обеспечивается коллективом преподавателей кафедры физической химии химического факультета МГУ.
В 3 семестре изучается материал феноменологической термодинамики, включающий термодинамику растворов, а также фазовые и химические равновесия. Завершается семестр изучением электрохимии. Основной материал излагается в лекциях (36 часов) и разбирается на семинарских занятиях (36 часов). Изучение курса в 3 семестре заканчивается зачетом.
В 4 семестре излагаются разделы химической кинетики, катализа, а также элементы строения молекул и статистической термодинамики (лекции – 26 часов, семинары – 26 часов). Изучение второй части курса завершается сдачей экзамена.
Задача лекционного курса – раскрыть смысл основных законов, научить студента видеть области применения этих законов, понимать их прикладные возможности при решении конкретных задач. Многие важные детали, необходимые для успешной сдачи зачета и экзамена, студенты должны изучить самостоятельно при работе с рекомендуемыми учебниками.
Настоящая программа не является планом лекций. Компоновка лекций и семинаров может быть различной и не всегда соответствует последовательности разделов, представленных в программе.

Основы химической термодинамики
Термодинамический метод в физической химии. Основные понятия: система, состояние системы, внутренняя энергия системы, термодинамические переменные (параметры). Экстенсивные и интенсивные переменные. Обобщенные координаты и обобщенные силы. Функции состояния. Термодинамический процесс. Постулат о существовании температуры (нулевой закон термодинамики). Первый(ое) закон (начало) термодинамики, его формулировки и аналитическое выражение.
Температура. Температурные шкалы. Уравнения состояния (УС). УС идеальных и реальных газов. Уравнение Ван-дер-Ваальса и его анализ. УС в вириальной форме. Теорема о соответственных состояниях.
Взаимные превращения теплоты и работы для различных процессов. Калорические коэффициенты. Энтальпия. Теплоемкость. Иллюстрации значения I начала термодинамики для изучения биологических процессов.
Теплоемкости веществ и их термодинамическое определение. Зависимость теплоемкости от температуры. Вычисление работы расширения в адиабатических процессах.
Тепловые эффекты химических реакций. Закон Гесса и его следствия. Стандартные состояния. Энтальпии и теплоты образования. Зависимость теплового эффекта реакции от температуры. Формула Кирхгоффа.
Второе начало термодинамики. Энтропия как функция состояния. Температура как интегрирующий множитель. Расчет изменения энтропии для различных процессов. Определение абсолютного значения энтропии. Статистический характер второго начала. Энтропия и термодинамическая вероятность. Фундаментальное уравнение Гиббса (объединенное уравнение первого и второго начала).
Характеристические функции и их свойства, Уравнение Гиббса – Гельмгольца. Соотношения Максвелла и их использование для различных термодинамических расчетов. Химический потенциал и полный потенциал. Химический потенциал газа. Летучесть реальных газов.

Растворы
Термодинамика растворов. Идеальные и неидеальные растворы. Закон Рауля и закон Генри.
Коллигативные свойства растворов. Криоскопия и эбулиоскопия. Осмотические явления. Уравнение Вант-Гоффа, его термодинамический вывод. Биологическое значение осмотического давления. Метод активностей.
Стандартные состояния. Термодинамическая классификация растворов. Уравнение Гиббса – Дюгема. Парциальные мольные величины.

Фазовые равновесия
Фазовые равновесия. Определение фазы, компонента, степени свободы. Правило фаз Гиббса.
Однокомпонентные системы. Диаграмма состояния воды. Фазовые переходы первого рода. Уравнение Клапейрона – Клаузиуса.
Двухкомпонентные системы. Равновесие жидкость-пар. Правила Гиббса – Коновалова.

Химическое равновесие
Химические равновесия. Условия равновесия. Закон действующих масс и его термодинамический вывод. Различные константы равновесия и связь между ними.
Химическое равновесие в идеальных и реальных системах. Активности и коэффициенты активности. Расчеты выходов химических реакций с помощью констант равновесия.
Изотерма химической реакции Вант-Гоффа. Зависимость константы равновесия от температуры. Уравнение изобары (изохоры) Вант-Гоффа.
Термодинамические расчеты констант равновесия. Гетерогенные химические равновесия. Зависимость равновесного состава от температуры и давления (иллюстрация принципа Ле Шателье).

Элементы строения молекул и статистической термодинамики
Виды энергии и уровни энергии атомов и молекул. Уравнение Шредингера. Принцип Борна – Оппенгеймера. Распределение атомов и молекул по уровням энергии или по допустимым состояниям (распределение Больцмана).
Основные понятия и определения статистической термодинамики. Молекулярная сумма по состояниям и сумма по состояниям макроскопической системы, связь между ними.
Расчеты молекулярных сумм по состояниям (поступательной, электронной, колебательной, вращательной) и их вкладов в термодинамические функции.
Расчеты термодинамических функций (энтропия, энтальпия, внутренняя энергия, приведенная энергия Гиббса, теплоемкость) через полные суммы по состояниям.
Статистический расчет констант химического равновесия. Некоторые методы определения энергетических уровней и других характеристик молекул.

Химическая кинетика и катализ
Скорость химической реакции. Основной постулат химической кинетики (закон действующих масс). Порядок и молекулярность реакций. Методы определения порядка реакции и константы скорости химической реакции.
Простые и сложные химические реакции. Кинетические уравнения односторонних реакций 0-го, 1-го, 2-го и более высокого порядка.
Важность использования кинетических уравнений формальной кинетики для исследования биологических процессов на примере фармакокинетики. Константа элиминации и время полувыведения в фармакокинетике.
Кинетика сложных реакций и их классификация. Анализ кинетических кривых последовательных реакций 1-го порядка. Метод стационарных концентраций Боденштейна. Применение его для вывода кинетических уравнений.
Обратимые реакции как частный случай последовательных реакций. Кинетическое уравнение обратимой реакции 1-го порядка. Кинетическое определение константы равновесия химической реакции. Квазиравновесные приближения.
Понятие о цепных и фотохимических реакциях.
Параллельные (конкурирующие) реакции 1-го порядка. Анализ кинетических кривых для двух параллельных реакций 1-го порядка.
Сопряженные реакции (последовательно-конкурирующие реакции) как пример смешанных классов сложных реакций.
Влияние температуры на скорость химической реакции. Правило Вант-Гоффа. Уравнение Аррениуса. Энергия активации. Определение ее из экспериментальных данных.
Представление о теориях химической кинетики. Элементы кинетической теории газов.
Теория активных столкновений (ТАС). Физический смысл предэкспоненциального множителя в уравнении Аррениуса в рамках теории активных столкновений. Применение ТАС к бимолекулярным и мономолекулярным реакциям. Понятие о стерическом множителе.
Поверхность и кривые потенциальной энергии. Координата пути реакции. Принципиальная возможность расчета энергии активации в рамках теории активированного комплекса (ТАК).
Теория активированного комплекса (теория переходного состояния или теория абсолютных скоростей реакций). Основные положения и основное уравнение ТАК.
Статистический метод расчета констант скоростей бимолекулярных реакций в ТАК.
Термодинамический аспект теории активированного комплекса. Свободная энергия активации. Энтропия активации.
Сравнение теории активных столкновений и теории активированного комплекса для бимолекулярных реакций.
Основные понятия катализа. Гомогенный и гетерогенный катализ. Катализаторы. Особенности ферментативного катализа.
Ферментативная кинетика. Уравнение Михаэлиса. Конкурентное и неконкурентное ингибирование.

Электрохимия
Электролиты и неэлектролиты. Коллигативные свойства электролитов. Изотонические коэффиценты. Основные положения теории электролитической диссоциации по Аррениусу. Степень диссоциации электролитов. Константа диссоциации слабого электролита. Закон разведения Оствальда.
Электропроводность растворов электролитов. Удельная и эквивалентная электропроводность и их зависимость от концентрации. Числа переносов ионов. Законы Фарадея. Связь электропроводности со скоростями движения ионов. Подвижность ионов и закон Кольрауша.
Отклонение поведения сильных электролитов от закона разведения. Современные представления о свойствах сильных электролитов. Понятие об активности электролитов и ионов. Коэффициенты активности. Ионная сила растворов. Закон ионной силы.
Электродные процессы. Гальванический элемент. Электрохимические цепи, правила их записи. Обратимые электрохимические цепи. Электродвижущая сила гальванического элемента (ЭДС).
Формула Нернста для ЭДС и электродных потенциалов. Стандартные электродные потенциалы некоторых электродов в водных растворах. Электроды сравнения.
Термодинамика гальванического элемента. Анализ уравнения Гиббса – Гельмгольца.

Рекомендуемая литература
1. Горшков В.И., Кузнецов И.А. Основы физической химии. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2006.
2.Эткинс П. Физическая химия. М.: Мир, 1980 (в двух томах).
3.Еремин В.В., Каргов С.И., Успенская И.А., Кузьменко Н.Е., Лунин В.В. Основы физической химии. Теория и задачи. М.: Экзамен, 2005.
4.Еремин В.В., Каргов С.И., Успенская И.А., Кузьменко Н.Е., Лунин В.В. Задачи по физической химии. М.: Экзамен, 2003.
5.Чанг О.  Физическая химия с приложениями к биологическим системам. М.: Мир, 1980.

Программа составлена
проф. Кузьменко Н.Е.




Сервер создается при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований
Не разрешается  копирование материалов и размещение на других Web-сайтах
Вебдизайн: Copyright (C) И. Миняйлова и В. Миняйлов
Copyright (C) Химический факультет МГУ
Написать письмо редактору