C3420 Physical Chemistry

Faculty of Science
Spring 2017
Extent and Intensity
3/0/0. 3 credit(s) (plus extra credits for completion). Type of Completion: zk (examination).
Teacher(s)
doc. Mgr. Jana Pavlů, Ph.D. (lecturer)
doc. RNDr. Pavel Brož, Ph.D. (lecturer)
Mgr. Martina Mazalová, Ph.D. (assistant)
Guaranteed by
doc. Mgr. Jana Pavlů, Ph.D.
Department of Chemistry – Chemistry Section – Faculty of Science
Supplier department: Department of Chemistry – Chemistry Section – Faculty of Science
Timetable
Mon 20. 2. to Mon 22. 5. Tue 8:00–9:50 C12/311, Thu 16:00–16:50 C12/311
Prerequisites
C1020 General Chemistry && (! C4660 Basic Physical Chemistry ) && (! C4020 Advanced Physical Chemistry ) && ! NOWANY ( C4660 Basic Physical Chemistry , C4020 Advanced Physical Chemistry )
Basic university level knowledge of chemistry and mathematics (contained in courses: C1020, M0001).
Course Enrolment Limitations
The course is also offered to the students of the fields other than those the course is directly associated with.
fields of study / plans the course is directly associated with
Course objectives (in Czech)
A. Porozumění základním konceptům fyzikální chemie s ohledem na jejich obvyklé dotace ve středoškolské látce a úlohách chemické olympiády;

B. Postupné budování abstrakce (tomu je podřízena časová následnost jednotlivých témat);

C. Poskytnutí fyzikálně-chemického základu využitelného v simultánně probíhajících a navazujících VŠ kurzech
Syllabus (in Czech)
  • 1. Skupenství. Plynné, kapalné, pevné. 1.1 Vlastnosti plynů. Pojem tlaku, měření tlaku, pojem teploty, nultý zákon termodynamiky. 1.1.1 Ideální plyn. Boyleův zákon, Charlesův zákon, Gay-Lussacův zákon a Avogadrův princip. Funkce jedné proměnné. Stavová rovnice ideálního plynu, pojem funkce dvou proměnných. 1.1.2 Reálné plyny. Mezimolekulové interakce, viriální stavová rovnice, van der Waalsova rovnice reálného plynu.

    2. Termodynamika I 2.1 Základní koncepty. Teplo, práce a energie. Pojem vnitřní energie a příklad výpočtu pro jednoatomový plyn. Pojem stavové a nestavové veličiny. 2.2 První zákon termodynamiky. Expanzní práce, pojem přírůstku (diferenciálu) dráhy, objemu a práce, pojem určitého integrálu. Pojem vratné změny. 2.3 Entalpie a její změna, vztah ke změně vnitřní energie. 2.4 Předávání tepla: kalorimetrie, tepelná kapacita a molární tepelná kapacita. Změna entalpie a vnitřní energie s teplotou. Entalpie a vnitřní energie transformace. 2.5 Termochemie. Standardní změny entalpie, Hessův zákon, standardní tvorné entalpie. Kirchhoffova rovnice.

    3. Termodynamika II 3.1 Druhý zákon termodynamiky. Směr spontánní změny. Pojem disperze energie, entropie jako reverzibilní změna tepla při dané teplotě, druhá věta termodynamiky. Boltzmannův vztah pro entropii. Výpočet změny entropie pro izotermickou expanzi ideálního plynu, Carnotův cyklus, Clausiova nerovnost. Účinnost tepelného stroje. 3.2 Třetí zákon termodynamiky. 3.3 Zaměření na systém. Helmholtzova (A) a Gibbsova (G) energie. Přírůstky G, A pro konstantní teplotu a kritéria spontánní změny pro konstantní T, V a konstantní T, p. Maximální dostupná práce a maximální neexpanzní práce. Výpočet standardní reakční Gibbsovy energie, termodynamické cykly. 3.4 Spojení první a druhé věty termodynamiky. Vratná změna vnitřní energie uzavřeného systému. Fundamentální rovnice chemické termodynamiky. Změna Gibbsovy energie s teplotou a tlakem. 3.5 Chemický potenciál čisté látky.

    4. Fázové rovnováhy a směsi 4.1 Fázové diagramy čistých látek. 4.1.1 Pojem fáze, fázový přechod, kritéria fázové stability. Závislost chemického potenciálu na teplotě a tlaku, změna teploty tání s tlakem. 4.1.2 Fázový diagram čisté látky, Gibbsovo fázové pravidlo, koexistenční křivky. Typy fázových přechodů. 4.2 Jednoduché směsi. Popis složení v termodynamice. Parciální molární objemy složek ve směsi (příklad vody a etanolu). Parciální molární Gibbsova funkce – chemický potenciál. 4.2.1 Směsi plynů. Gibbsova energie mísení ideálních plynů, složení páry z Daltonova zákona. 4.2.2 Směsi kapalin. Ideální roztok, tlak nasycené páry pro směs (příklad benzen-toluen), Raoultův zákon, Henryho zákon. Gibbsova energie mísení kapalin, dodatkové funkce. Koligativní vlastnosti roztoků: Ebulioskopický a kryoskopický efekt, osmotický tlak. 4.3 Fázové diagramy dvousložkových systémů. Binární ideální roztok: interpretace fázových diagramů, pákové pravidlo, destilace směsí. 4.4 Reálné roztoky. Aktivita, molární zlomek a aktivitní koeficient složky v roztoku. Elektrolyty. Střední aktivitní koeficient elektrolytu. Debyeův-Hückelův limitní zákon.

    5. Chemická rovnováha 5.1 Spontánní chemické reakce. Minimum Gibbsovy energie, rozsah reakce. Průběh funkce jedné proměnné, pojem směrnice, směrnice pro funkci rostoucí, klesající a pro funkci v extrému. Reakční Gibbsova energie. Popis rovnováhy pro přeměnu ideálního plynu a obecnou reakci. Reakční koeficient x kvocient. Závislost reakční Gibbsovy energie na reakčním koeficientu, termodynamická rovnovážná konstanta. Zápis a výpočet rovnovážné konstanty. Určení stupně disociace v rovnováze. Molekulární interpretace rovnovážné konstanty. 5.2 Odpověď rovnováhy na změnu podmínek. Ovlivnění rovnováhy změnou tlaku. Le Chatelierův princip. Ovlivnění exotermních a endotermních reakcí teplotou. Van ’t Hoffova reakční izoterma a izobara. Měření reakční entalpie. Hodnota K při různých teplotách.

    6 Elektrochemie. 6.1 Rovnovážná elektrochemie. Základní pojmy. Poloreakce, elektrody a jejich typy, katoda a anoda. Zápis reakcí. Články. Druhy a zápis článků. Elektromotorická síla a vztah k reakční Gibbsově energii (Nernstova rovnice). Využití Nernstovy rovnice. Články v rovnováze: standardní potenciál, výpočet rovnovážné konstanty ze standardního potenciálu článku. Aplikace standardních potenciálů: (a) elektrochemická řada napětí, konverze energie v biologických článcích - dýchací řetězec a oxidační fosforylace; (b) výpočet rovnovážných konstant; (c) elektrochemické určení Gibbsovy a Helmholtzovy energie a entropie. Druhy elektrod a potenciometrie. 6.2 Dynamická elektrochemie. Děje na elektrodách. Butlerova-Volmerova rovnice. Polarizace. Elektrolýza. Faradayovy zákony. Galvanické články. Akumulátory. Palivové články. Koroze.

    7. Molekuly v pohybu. 7.1 Molekulový pohyb v plynech. Tlak a molekulové rychlosti, Maxwellova distribuce rychlostí, srážková frekvence, střední volná dráha, srážkový tok. Efúze. Transportní vlastnosti ideálního plynu: tok, tok částic ve směru koncentračního gradientu, 1. Fickův zákon difúze, difúzní koeficient. 7.2 Molekulový pohyb v kapalinách. 7.3 Roztoky elektrolytů. Vodivosti roztoků elektrolytů, molární vodivost - její výpočet a vztah k vodivosti, Kohlraushův zákon, mobilita (pohyblivost) iontů, Debye-Hückelova-Onsagerova teorie, iontové kanály. 7.4 Difúze v roztocích. Termodynamický pohled: síla koncentračního gradientu. 1. a 2. Fickův zákon difúze, difúze s konvekcí, statistický přístup.

    8. Rychlosti chemických reakcí I. 8.1 Empirická chemická kinetika. Základní pojmy a principy: Definice reakční rychlosti a rychlost reakce. Rychlosti spotřeby reaktantů a tvorby produktů. Rychlostní rovnice a rychlostní konstanta. Molekularita a řád reakce. Poločas reakce. 8.2 Klasifikace chemických reakcí. Reakce izolované a simultánní. 8.3 Kinetika základních chemických reakcí. 8.4 Metody sledování průběhu reakce. 8.5 Chemické reaktory. 8.6 Teplotní závislost reakční rychlosti: Arrheniova rovnice. Reakční koordináta, srážková teorie a teorie aktivovaného komplexu.

    9. Rychlosti chemických reakcí II. 9.1 Kinetika složitějších reakcí. Řetězové reakce. Fotochemické reakce. Katalytické reakce a inhibice. Adsorpce. Enzymové reakce.

    10. Struktura I 10.1 Částice, elementární částice a jejich vlastnosti, bosony a fermiony, Fermiho Diracova a Boseho Einsteinova statistika. Fyzikální pole, typy interakcí. Energie částic. 10.2 Jádro. Vazebná energie jádra, potenciálová bariera. Magnetické vlastnosti jader, kvantová čísla jaderného spinu, hladiny energie jaderného spinu v magnetickém poli, Larmorova frekvence. 10.3 Nukleární magnetická rezonance, přechody mezi vlastními stavy a intenzity linií, chemický posun: delta-škála, stínění, spin-spinová interakce: dubletu 1:1, tripletu 1:2:1 a kvartet 1:3:3:1. Aplikace NMR v medicíně: Magnetic Resonance Imaging.

    11. Struktura II 11.1 Úvod do kvantové teorie. Selhání klasické mechaniky. Elektromagnetické záření, frekvence a energie záření, spektrum záření. Dualismus vlna-částice, fotoelektrický jev, difrakce elektronu. Vlnová funkce a její vlastnosti, Bornova interpretace, hustota pravděpodobnosti, normalizace, Schrödingerova rovnice, Hamiltonův operátor, vlastní funkce a vlastní hodnoty operátoru. 11.2 Elektronová struktura atomů. 11.2.1 Atom vodíku. Atomové orbitaly a význam kvantových čísel, energetické hladiny jednotlivých AO, vlnová funkce: radiální a úhlová část. 11.2.2 Ionty typu vodíku. 11.2.3 Atomy s více elektrony. Mnohaelektronová a jednoelektronová vlnová funkce, energie orbitalů, Pauliho a výstavbový princip, Hundovo pravidlo, výměnná interakce a výměnná energie. Stínění. 11.3 Vlastnosti prvků: poloměry a energie AO, ionizační energie. 11.4 Atomová spektra.

    12. Struktura III 12.1 Elektronová struktura molekul. Bornova-Oppenheimerova aproximace, křivka a hyperplocha potenciální energie, disociační energie vazby. 12.1.1 Teorie valenční vazby, překryv AO, hybridní orbitaly. 12.1.2 Teorie molekulových orbitalů (MO), metoda LCAO MO: vazebný a protivazebný MO z hlediska energie a distribuce elektronové hustoty, překryvový integrál, MO a jejich symetrie vůči inverzi. Interakční diagramy molekul: H2+, H2, He2; HHe+; A2; AB. Obsazování MO. 12.2 Molekulová spektra. 12.2.1 Elektronová spektra molekul. Barva, frekvence a energie viditelného světla. Intenzity čar a Lambertův-Beerův zákon. 12.2.2 Vibrační struktura. Vibrace dvouatomové molekuly v harmonické a anharmonické aproximaci, výběrová pravidla. Franckův-Condonův princip přechodu. Typy vibrací, normální módy vibrace a jejich počet. 12.2.3 Rotační struktura vibračních spekter. Polyatomické molekuly, typické vibrační frekvence funkčních skupin. 12.2.4 Osudy elektronicky excitovaných stavů: fluorescence a fosforescence.

    13. Další metody studia struktury 13.1 Rentgenová difrakce. 13.2 Mikroskopie.
Literature
    recommended literature
  • ATKINS, P. W. and Julio DE PAULA. Fyzikální chemie. Vyd. 1. Praha: Vysoká škola chemicko-technologická v Praze, 2013, xxvi, 915. ISBN 9788070808306. info
  • JEAN, Yves and François VOLATRON. An introduction to molecular orbitals. Edited by Jeremy K. Burdett. New York: Oxford University Press, 1993, xiv, 337. ISBN 0195069188. info
Assessment methods (in Czech)
Písemná a ústní zkouška rozsahem odpovídající osnově předmětu. Písemná část (nikoli elektronická) je tvořena testem v délce 60 minut. Obsaženy jsou úkoly otevřené i uzavřené (s výběrem možností), výpočetní i teoretické. Studenti mají k dispozici pouze psací potřeby. Po úspěšném složení písemné části zkoušky následuje část ústní, jejíž těžiště spočívá v rozpravě nad testem.
Language of instruction
Czech
Further Comments
Study Materials
The course is taught annually.
Listed among pre-requisites of other courses
The course is also listed under the following terms Spring 2016, spring 2018, Spring 2019, Spring 2020, Spring 2021, Spring 2022, Spring 2023, Spring 2024, Spring 2025.
  • Enrolment Statistics (Spring 2017, recent)
  • Permalink: https://is.muni.cz/course/sci/spring2017/C3420