Учебные курсы по химии
для студентов нехимических факультетов МГУ

ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
Программа курса
для студентов зоолого-ботанического отделения биологического факультета МГУ

Предмет физической химии. Основные разделы физической химии. Роль физической химии в биологии. Основные термодинамические понятия и определения (термодинамическая система, типы систем, термодинамические параметры, обобщенные силы и обобщенные координаты, функции состояния и процессы). Понятие о термодинамическом равновесии. Равновесные (обратимые) и неравновесные процессы. Квазистатический процесс. Постулат о температуре. Абсолютная температура и эмпирическая шкала температур, международная практическая температурная шкала (МПТШ). Проблема уравнения состояния. Уравнения состояния идеального газа и газа Ван-дер-Ваальса, вириальное уравнение состояния.

Формулировки первого закона (начала) термодинамики. Внутренняя энергия и ее свойства. Зависимость внутренней энергии от температуры и объема. Теплота и работа как формы передачи энергии. Работа расширения идеального газа при различных процессах. Энтальпия. Зависимость энтальпии от температуры. Теплоемкость и ее зависимость от температуры.
Термохимия. Закон Гесса. Измерение и вычисление тепловых эффектов химических реакций. Стандартное состояние вещества и стандартные энтальпии (тепловые эффекты) реакций. Энтальпии образования и энтальпии сгорания. Тепловые эффекты реакций в растворах. Зависимость теплового эффекта химической реакции от температуры. Уравнение Кирхгофа. Значение первого закона термодинамики для изучения процессов в живых системах.

Формулировки второго закона (начала) термодинамики. Энтропия и ее свойства. Расчет изменения энтропии в различных равновесных процессах. Энтропия в неравновесных процессах. Абсолютное значение энтропии и ее вычисление из опытных данных. Третий закон термодинамики (постулат Планка, тепловая теорема Нернста). Статистический характер второго закона термодинамики. Формула Больцмана.

Фундаментальные уравнения Гиббса. Основные термодинамические функции: энергия Гиббса и энергия Гельмгольца. Анализ фундаментальных уравнений для энергии Гиббса и энергии Гельмгольца. Расчет изменений энергии Гиббса и энергии Гельмгольца при протекании различных процессов.
Уравнения Максвелла и их использование для вывода разных термодинамических соотношений. Характеристические функции. Общие условия равновесия, выраженные через характеристические функции. Критерии самопроизвольного протекания процесса и характеристические функции. Термодинамические потенциалы, их связь с полезной работой. Стандартные энергии Гиббса образования веществ. Таблицы термодинамических величин. Расчет и экспериментальное определение изменения энергии Гиббса в химических реакциях. Уравнения Гиббса-Гельмгольца и их вывод. Применение термодинамического метода в биологии.
Многокомпонентные системы и системы с переменной массой. Химический потенциал идеальных и реальных систем. Условия равновесия и самопроизвольного протекания процессов в многокомпонентных системах.

Основные понятия и определения (гомогенная и гетерогенная системы, компонент, степень свободы). Правило фаз Гиббса, его вывод. Фазовые переходы первого рода. Уравнение Клапейрона-Клаузиуса. Его вывод и применение к фазовым равновесиям в однокомпонентных системах. Диаграммы состояния воды и углекислого газа. Вид диаграммы состояния бинарной системы на примере системы NaCl - H₂O.

Фундаментальное уравнение Гиббса и его применение к химическим равновесиям. Химическая переменная. Уравнение изотермы химической реакции, его вывод, анализ условий равновесия и самопроизвольного протекания химической реакции. Связь константы равновесия химической реакции и энергии Гиббса. Приведенная энергия Гиббса и ее использование при расчетах химических равновесий. Экспериментальное определение и расчет константы равновесия по таблицам стандартных термодинамических величин. Связь между Kp, KC и Kx. Вывод зависимости константы равновесия от температуры. Уравнение изобары Вант-Гоффа. Влияние давления и температуры на состав равновесной смеси. Равновесия в реальных системах. Равновесия в гетерогенных системах. Особенности изучения химических равновесий в биохимических системах.

Растворы неэлектролитов
Определение понятия «раствор». Виды растворов. Растворимость газов в жидкостях. Зависимость растворимости газов в жидкостях от Т, p и присутствия электролитов. Закон Генри. Закон Рауля. Идеальные газовые и жидкие растворы. Реальные растворы. Коэффициенты активности. Способы выбора стандартного состояния для компонентов раствора. Симметричная и несимметричная системы сравнения.
Фазовые диаграммы: давление пара - состав раствора, состав пара и температура кипения - состав раствора, состав пара. Растворы твердых веществ в жидкостях. Коллигативные свойства растворов неэлектролитов: относи­тельное понижение давления пара растворителя над раствором, понижение температуры замерзания раствора (без вывода), повышение температуры кипения раствора (без вывода), осмотическое давление. Использование коллигативных свойств растворов для расчета коэффициентов активности и определения молярной массы растворенных веществ. Уравнение Вант-Гоффа, его термодинамический вывод. Осмотический коэффициент. Значение осмотических явлений в биологии.
Понятия о парциальных мольных величинах и методах их определения. Уравнение Гиббса-Дюгема. Взаимосвязи парциальных мольных величин, активностей и коэффициентов активностей, вытекающие из уравнения Гиббса-Дюгема. Функции смешения для идеальных и реальных растворов.

Растворы электролитов
Изотонический коэффициент. Основные положения теории электролитической диссоциации Аррениуса. Причины электролитической диссоциации. Гидратация ионов. Константа диссоциации слабого электролита. Активность и коэффициент активности электролита и иона. Средняя ионная активность и средний ионный коэффициент активности. Ионная сила раствора. Стандартное состояние растворенного электролита и растворителя. Теория Дебая-Хюккеля (без вывода). Применение теории Дебая-Хюккеля для расчета среднего ионного коэффициента активности (первое, второе и третье приближения). Зависимость растворимости аминокислот и белков от ионной силы раствора. Полиэлектролиты.

Удельная электропроводность и ее зависимость от концентрации для слабых и сильных электролитов. Эквивалентная электропроводность и ее зависимость от концентрации и разведения. Закон Кольрауша (без вывода) и подвижность ионов. Понятие о числах переноса ионов.

Электрохимический потенциал. Условия равновесия с участием заряженных частиц. Скачок потенциала на границе металл - раствор. Контактный и диффузионный потенциал. Схема и правила записи электрохимической цепи (гальванического элемента). Электродвижущие силы (ЭДС). Электродные потенциалы. Уравнение Нернста для электродного потенциала и ЭДС цепи. Правила расчета ЭДС цепи с помощью электродных потенциалов. Термодинамика гальванического элемента. Определение с помощью метода ЭДС энтальпии (теплового эффекта) и энтропии химической реакции. Связь константы равновесия с ЭДС. Электроды первого и второго рода, газовые электроды (водородный и кислородный электроды), окислительно-восстановительные электроды (редокс-электроды). Стеклянный электрод. Понятие о мембранном потенциале. Электроды сравнения. Классификация электрохимических цепей. Применение метода ЭДС для определения коэффициентов активности и рН растворов.

Скорость химической реакции и методы ее экспериментального определения. Факторы, влияющие на скорость химической реакции. Основной постулат химической кинетики (закон действия масс). Константа скорости химической реакции. Молекулярность и порядок реакции. Кинетические уравнения необратимых (односторонних) реакций нулевого, первого, второго и n-го порядков. Методы определения порядка и константы скорости реакции (метод подстановки, метод Вант-Гоффа, метод Оствальда-Нойеса). Зависимость скорости реакции от температуры. Уравнение Аррениуса. Энергия активации и методы ее экспериментального определения. Представления о сложных реакциях. Катализ. Представления о механизме действия катализаторов. Ферменты как биокатализаторы. Кинетика ферментативных реакций. Уравнение Михаэлиса-Ментен.

Рекомендуемая литература

1. Горшков В.И., Кузнецов И.А. Основы физической химии. М.: МГУ, 1993.
2. Горшков В.И., Кузнецов И.А. Физическая химия. М.: МГУ, 1986.
3. Еремин В.В., Каргов С.И., Успенская И.А., Кузьменко Н.Е., Лунин В.В.     Задачи по физической химии. М.: Экзамен, 2003.

Программа составлена
доц.Жиряковой М.В, проф. Рощиной Т.М.,
доц. Рыжовой О.Н., доц. Тифловой Л.А.
Под ред. проф. Кузьменко Н. Е..