Программа кинетики_строение_курса (1)

Программа курса «Химическая кинетика» для групп ХТ-301 – 306.

Предмет и основные понятия химической кинетики. Классификация химических реакций: реакции простые и сложные, механизм реакции, элементарный химический акт, реакции гомогенные и гетерогенные, химическая переменная. Скорость химической реакции и материальный баланс реакции. Прямая и обратная задачи химической кинетики.

Химические реакции в закрытых и открытых (проточных) системах. Химические реакторы: статический, идеального смешения, идеального вытеснения. Понятие о стационарном состоянии.

Кинетическое уравнение и его параметры. Общий порядок реакции и порядок по компонентам. Закон действующих масс. Константа скорости химической реакции, ее размерность и физический смысл. Кинетические уравнения химических реакций 0,1,2,3 и n-го порядка, интегрирование их. Проточные реакторы: идеального смешения и идеального вытеснения на примере реакции 1-го порядка. Сравнение их производительности.

Методы обработки экспериментальных данных для определения параметров кинетических уравнений (порядок по компонентам и общий порядок реакции). Способы определения порядка реакции: дифференциальные и интегральные. Метод подбора уравнения прямой, метод времен полупревращения, метод начальных скоростей (метод Вант –Гоффа). Метод понижения порядка реакции.

Зависимость константы скорости химической реакции от температуры. Уравнение Аррениуса и его параметры: энергия активации и предэкспоненциальный множитель. Физический смысл энергии активации.

Кинетика сложных реакций. Обратимые, параллельные и последовательные реакции первого порядка. Приближенные методы описания кинетики сложных реакций. Метод квазиравновесных концентраций. Метод стационарных и квазистационарных концентраций. Обоснование кинетических условий для реализации МСК и МКСК.

Цепные реакции. Основные понятия и стадии цепных реакций. Неразветвленные цепные реакции на примере Н₂ +Br₂ → 2HBr . Разветвленные цепные реакции на примере О₂ +Н₂ → Н₂О. Схемы указанных реакций представлены в раздаточном материале.

Теория трех пределов воспламенения.

Теории химической кинетики.

Элементарный химический акт.

Теория активных столкновений (ТАС). Гипотеза Аррениуса об активных молекулах. Основные положения молекулярно-кинетической теории: средняя кинетическая энергия молекулы, средняя скорость молекулы, фактор Больцмана. Основные положения ТАС. Расчет числа столкновений одинаковых и разных молекул, понятие цилиндра столкновений. Вывод кинетических уравнений. Смысл предэкспонециального множителя в уравнении Аррениуса. Энергия активации. Стерический фактор, его физический смысл.

Рассмотрение мономолекулярной реакции в рамках ТАС (схема Линдемана).

Достоинства и недостатки ТАС.

Теория активированного комплекса (ТАК). Понятие активированного комплекса. Механизм образования активированного комплекса на примере реакции H₂+ D → HD + H. Зависимость энергии системы от межатомного расстояния. Энергетическая поверхность. Координата реакции. Энергетический профиль реакции. Механизм образования активированного комплекса на примере реакции H₂+ D → HD + H. Зависимость энергии системы от межатомного расстояния. Энергетическая поверхность. Координата реакции. Энергетический профиль реакции. Свойства активированного комплекса, его отличие от обычных молекул. Число внутренних степеней свободы. Основные положения ТАК. Термодинамический аспект ТАК. Энтропия активации и трактовка стерического фактора. Вывод основного уравнения ТАК. Частотный фактор. Трансмиссионный коэффициент. Понятие энергии активации в ТАК, её связь с аррениусовской энергией активации. Энтропия активации и трактовка стерического фактора. Стандартное состояние. Сравнение ТАС и ТАК.

Реакции в растворах. Особенности жидкого агрегатного состояния вещества. Современные представления о структуре жидкости. Эффект «клетки». Сольватация. Применение ТАС к реакциям в растворах, границы применимости. Применение ТАК к реакциям в растворах: моно- и бимолекулярные реакции. Соотношение Бренстеда-Бьеррума. Закономерности протекания гомо- и гетеролитических реакций в растворах.

Особенности ионных реакций в растворах. Влияние ионной силы на кинетику реакций. Соотношение Бренстеда-Бьеррума. Первичный солевой эффект. Влияние среды в зависимости от заряда активированного комплекса. Вторичный солевой эффект.

Катализ. Явление катализа. Катализатор, определение. Основные характеристики катализатора: активность и селективность (интегральная и дифференциальная). Промоторы. Каталитические яды. Старение катализаторов.

Гомогенные каталитические реакции. Основные типы гомогенных каталитических реакций. Сущность явления катализа. Вывод основного кинетического уравнения. Предельные случаи. Кислотно-основной катализ. Понятие кислоты и основания (Аррениус, Бренстед и Лоури, Льюис). Специфический кислотный катализ. Общий кислотный катализ. Общее уравнение кислотно-основного катализа, его возможные варианты. Протонирующая способность среды. Функция кислотности Гаммета. Сверхкислоты.

Гетерогенные каталитические реакции. Отличие от гомогенных каталитических реакций. Удельная поверхность. Понятие активного центра, типы активных центров на примере кислотно-основных катализаторов, катализаторов на основе оксидов переходных элементов, металлических катализаторов. Роль дефектов поверхности в активности катализаторов. Основные стадии гетерогенной каталитической реакции. Адсорбция: физическая и химическая (хемосорбция). Адсорбционная теория Лэнгмюра: основные положения. Вывод уравнения изотермы адсорбции (кинетический и термодинамический).

Энергетический профиль гетерогенной каталитической реакции. Кинетическое уравнение для мономолекулярной реакции (механизм Лэнгмюра - Хиншельвуда). Зависимость кинетики гетерогенной каталитической реакции от силы адсорбции участников реакции. Макрокинетика. Области протекания гетерогенной каталитической реакции, их характерные особенности (внешняя диффузионная, внутренняя диффузионная, кинетическая области).

Раздел "Строение вещества".

1.Введение в квантовую механику. Характер законов классической и квантовой механик. Фотоэффект. Эффект Комптона Опыты Девиссона и Джермера Опыты Франка и Герца. Двойственная природа материи. Уравнение Де - Бройля, принцип дополнительности Бора, принцип неопределённости Гейзенберга

2. Постулаты квантовой механики. Волновая функция и вероятностный характер описания состояний микросистемы. Операторы и действия над ними. Собственные значения и собственные функции операторов, свойства операторов. Коммутирующие и не коммутирующие операторы. Временное и стационарное уравнение Шрёдингера для стационарных систем. Постулат о среднем (ожидаемом) значении физических величин.

3. Простейшие системы квантовой механики. Одномерный и трехмерный потенциальным ящик. Связь числа квантовых чисел с размерностью пространства. Вырожденные и не вырожденные состояния. Одномерный гармонический осциллятор. Силовая постоянная связи. Ротатор. Расчет момента инерции и длинны связи

4 Строение атома. Атом водорода. Основные этапы решения уравнения Шрёдингера для атома водорода. Приближение Борна-Оппенгеймера Результаты решения уравнения Шрёдингера для атома водорода. Волновая функция и ее составляющие. Радиальные и угловые составляющие волновых функций. Квантовые числа и их физический смысл. Определение АО и ее краткая запись. Способы представления АО. Граничные поверхности,

контурные диаграммы, полярные диаграммы. Атомные орбитали s, p, d, f . Анализ радиальной и угловой составляющих для этих АО. Радиальная функция распределения. Вырождение состояний в атоме водорода по квантовому числу l . Спин электрона. Спин –орбиталь электрона.

Спектр атомарного водорода. Спектральные серии. Расчет переходов в спектральных сериях атома водорода.

5 Уравнение Шрёдингера для многоэлектронных атомов и методы его решения. Приближение Слейтера. Идея водородоподобности. Атомные орбитали. Снятие вырождения по побочному квантовому числу. Распределение АО по энергии. Правила Клечковского. Распределение электронов по атомным орбиталям. Принцип Паули. Спин - орбиталь. Полная волновая функция атома (спин-орбиталь) и формы ее представления - электронная конфигурация, атомный терм и слейтеровский детерминант.

6. Учёт взаимодействия между электронами. Атомные термы в приближении Рассел – Саундерса. Правила Гунда. Основное и возбужденное состояния атома и их термы. Понятие о валентности атомов. Расщепление термов в магнитном поле. Спектры многоэлектронных атомов. Правила отбора Периодическая система Д.И. Менделеева. Природа периодичности свойств элементов.