Учебные курсы по химии
для студентов нехимических факультетов МГУ

ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

Программа курса для студентов 2 курса геологического факультета МГУ,
для специальностей «Гидрогеология, инженерная геология и геокриология»

Введение. Определение и содержание физической химии. Методы физической химии.

Раздел I. Химическая термодинамика
1.Первый закон термодинамики. Основные понятия термодинамики. Внутренняя энергия, энтальпия и тепловые эффекты различных процессов. Закон аддитивности теплот Гесса. Теплоемкости веществ. Зависимость тепловых эффектов от температуры (формула Кирхгоффа).
2.Второй закон термодинамики. Самопроизвольные процессы. Энтропии веществ. Изменения энтропии в равновесных и неравновесных процессах. Постулат Планка. Энергии Гельмгольца и Гиббса. Характеристические функции, их свойства. Критерии протекания самопроизвольных процессов и равновесия в изолированных и неизолированных системах.
Уравнение Гиббса–Гельмгольца. Свободная энергия идеальных и реальных газов. Понятие о летучести и коэффициенте активности, методы их определения. Фундаментальное уравнение Гиббса, химические потенциалы.
3.Химические равновесия. Закон действующих масс. Уравнение изотермы химической реакции. Различные виды констант равновесия. Стандартные энергии реакций. Гетерогенные равновесия: диссоциация карбонатов и кристаллогидратов. Влияние температуры и давления на равновесие. Расчет равновесных выходов в простых и сложных системах. Состав гидротермальных растворов и минеральных ассоциаций.
4.Учение о растворах. Основные понятия. Способы выражения состава растворов. Фазовые переходы. Уравнение Клапейрона–Клаузиуса для процессов плавления, полиморфного превращения и парообразования.
Парциальные мольные величины, уравнение Гиббса–Дюгема. Идеальные растворы. Закон Рауля–Генри. Диаграммы состояния в бинарных растворах. Отклонения от закона Рауля–Генри. Атермальные и регулярные растворы. Законы Гиббса–Коновалова. Взаимная растворимость жидкостей, критические точки растворения. Закон распределения Нернста–Шилова, использование его для определения температур образования минеральных ассоциаций (геологический термометр по Барту).
Растворимость газов в жидкостях. Закон Генри, его применение в гидрогеологии. Высаливающее действие электролитов, уравнение Сеченова. Растворимость твердых веществ в жидкостях, влияние температуры и давления. Коллигативные свойства растворов, их применение для определения молекулярных масс веществ и средних коэффициентов активностей ионов. Симметричная и несимметричная системы стандартизации состояния растворов.
5.Фазовые и адсорбционные равновесия. Вывод уравнения Гиббса. Классификация систем. Однокомпонентные системы. Полная диаграмма состояния воды при высоких давлениях. Полиморфизм, энантиотропные и монотропные превращения. Диаграммы состояния серы и фосфора.
Двухкомпонентные системы. Диаграммы состояния: температура плавления – состав. Химические соединения с конгруентной и инконгруентной точками плавления. Диаграммы состояния с образованием твердых растворов. Трехкомпонентные системы. Прямоугольные и треугольные диаграммы состояния тройных систем. Тройные системы с образованием химических соединений и твердых растворов.
Адсорбционные равновесия. Уравнения изотермы адсорбции: мономолекулярная и полимолекулярная адсорбции. Адсорбционное уравнение Гиббса.
6.Элементы термодинамики неравновесных процессов. Некомпенсированная теплота. Скорость возникновения энтропии, локальная функция диссипации. Понятие об обобщенных силах и потоках, уравнения Онзагера. Выражения для потоков и сил в процессах теплопроводности и диффузии. Применение уравнений Онзагера в гидрогеохимии. Представление о материальном и энергетическом балансах.

Раздел II. Химическая кинетика
1.Основные понятия. Скорость химической реакции. Основной постулат химической кинетики. Порядок и молекулярность реакций. Влияние температуры на скорость реакций, уравнение Аррениуса.
2. Кинетика гомогенных химических реакций. Односторонние реакции первого и второго порядков. Сложные реакции. Методы определения порядка реакций. Быстрые реакции в растворах, лимитируемые диффузией.
3. Кинетика гетерогенных реакций. Скорость диффузии. Скорость растворения твердых тел. Роль адсорбции в поверхностной реакции. Представление о кинетике кристаллизации. Кинетика топохимических реакций.
4. Кинетика реакций в потоке. Общие понятия. Общее уравнение динамики и кинетики в режиме идеального вытеснения. Кинетическое уравнение реакции разложения веществ в режиме идеального вытеснения.

Раздел III. Электрохимия растворов
1. Равновесия в растворах электролитов. Электролиты, теория Аррениуса и ее недостатки. Основные положения теории сильных электролитов. Активность электролитов. Ионная сила. Закон ионной силы. Предельный закон Дебая–Гюккеля. Коэффициенты активности отдельных ионов. Произведение растворимости. Ионное произведение воды, водородный показатель.
2. Неравновесные свойства электролитов. Электропроводность электролитов: удельная и эквивалентная. Уравнение Кольрауша–Онзагера. Подвижность ионов, закон Кольрауша. Числа переноса ионов. Закон разведения Оствальда.
3. Электрохимические цепи. Понятие об электродвижущих силах (ЭДС) и скачках потенциалов. Термодинамика электрохимических цепей. Электродные потенциалы, уравнение Нернста–Тюрина. Электроды сравнения. Химические, концентрационные и окислительно-восстановительные цепи. Применение (Еh-рН) диаграмм для определения устойчивости минералов в природных водах. Определение рН, чисел переноса и коэффициентов активности ионов методом ЭДС. Концентрационная поляризация, основы полярографии. Представление о коррозии материалов и методах защиты от нее.

Рекомендуемая литература
Основная:
1.. Семиохин И.А. Физическая химия для геологов. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1990.
2. Горшков В.И., Кузнецов И.А.. Основы физической химии. 3-е изд. М.: БИНОМ Лаборатория знаний, 2006, 407 с.
3. Еремин В.В., Каргов С.И., Успенская И.А., Кузьменко Н.Е., Лунин В.В.
Основы физической химии. Теория и задачи, Учеб. пособие для вузов
М: Издательство "Экзамен", 2005. - 480 с.

Дополнительная:
1. Жариков В.А.. Основы физической геохимии. М.: Изд-во Моск. ун-та : Наука, 2005.
2. Б. Вуд, Д. Фрейзер Основы термодинамики для геологов. М.: «Мир», 1981.
3. Герасимов Я. И. и др. Курс физической химии, т. 1, т. 2. Москва, Изд-во Химия 1966
4. Леванов А.В., Антипенко Э.Е.. Введение в химическую кинетику. М.: Хим.ф-т МГУ, 2006.