C3420 Fyzikální chemie

Přírodovědecká fakulta
jaro 2021
Rozsah
3/0/0. 3 kr. (plus ukončení). Ukončení: zk.
Vyučující
doc. Mgr. Jana Pavlů, Ph.D. (přednášející)
doc. RNDr. Pavel Brož, Ph.D. (přednášející)
Garance
doc. Mgr. Jana Pavlů, Ph.D.
Ústav chemie - Chemická sekce - Přírodovědecká fakulta
Dodavatelské pracoviště: Ústav chemie - Chemická sekce - Přírodovědecká fakulta
Rozvrh
Po 1. 3. až Pá 14. 5. Po 12:00–13:50 online_CH1, Út 13:00–13:50 online_CH1
Předpoklady
C1020 Obecná chemie && (! C4660 Fyzikální chemie I ) && (! C4020 Fyzikální chemie II ) && ! NOWANY ( C4660 Fyzikální chemie I , C4020 Fyzikální chemie II )
Základní znalosti z vysokoškolské obecné chemie a matematiky (obsaženo v předmětech: C1020, M0001)
Omezení zápisu do předmětu
Předmět je nabízen i studentům mimo mateřské obory.
Mateřské obory/plány
Cíle předmětu
A. Porozumění základním konceptům fyzikální chemie s ohledem na jejich obvyklé dotace ve středoškolské látce;

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

C. Poskytnutí fyzikálně-chemického základu využitelného v simultánně probíhajících a navazujících VŠ kurzech
Výstupy z učení
Student bude po absolvování předmětu schopen:

- se orientovat v jednotlivých oblastech fyzikální chemie, jako je termodynamika, kinetika a struktura látek a popsat souvislosti mezi poznatky z těchto oblastí;

- výstižně vysvětlit pojmy a principy fyzikální chemie;

- popsat vztahy mezi fyzikálními veličinami prostřednictvím matematických vzorců a grafů;
- odvodit některé z matematických vztahů používaných ve fyzikální chemii;
- vysvětlit možnosti využití poznatků fyzikální chemie v praxi;
- aplikovat získané poznatky při řešení praktických úkolů a otázek v chemii;
- navrhnout způsob výuky fyzikálně-chemických témat na středních školách;
Osnova
  • 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 kvocientu, 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.
Literatura
    doporučená literatura
  • ATKINS, P. W. a Julio DE PAULA. Fyzikální chemie. Vyd. 1. Praha: Vysoká škola chemicko-technologická v Praze, 2013. xxvi, 915. ISBN 9788070808306. info
  • JEAN, Yves a François VOLATRON. An introduction to molecular orbitals. Edited by Jeremy K. Burdett. New York: Oxford University Press, 1993. xiv, 337. ISBN 0195069188. info
Výukové metody
přednášky, diskuze

V případě, kdy opatření týkající se COVID-19 neumožní kontaktní výuku, bude způsob výuky upraven následovně: výuka bude vedena online v prostředí programu MS Teams nebo prostřednictvím nahraných přednášek (slovně komentovaných elektronických prezentací). Přednášky budou v případě zájmu doplněny o online konzultace.
Metody hodnocení
Zkouška odpovídající rozsahem osnově předmětu může být realizována jednou ze dvou forem: 1) prezenční nebo 2) distanční.

ad 1) Písemná a ústní zkouška rozsahem odpovídající osnově předmětu. Písemná část (nikoli elektronická) je tvořena testem v délce 15+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.

ad 2) Distanční forma pomocí online testu a následného ústního zkoušení prostřednictvím MS Teams. Test bude realizován prostřednictvím odpovědníku v IS MU. Následovat bude ústní zkoušení v internetové aplikaci MS Teams podle zveřejněného harmonogramu. Z důvodu distanční formy nebude součástí zkoušení písemná příprava a zkoušený bude přímo odpovídat na zadané dotazy k nastudované látce.
Další komentáře
Předmět je vyučován každoročně.
Nachází se v prerekvizitách jiných předmětů
Předmět je zařazen také v obdobích jaro 2016, jaro 2017, jaro 2018, jaro 2019, jaro 2020.
  • Statistika zápisu (nejnovější)
  • Permalink: https://is.muni.cz/predmet/sci/jaro2021/C3420