C4020 Physical Chemistry II

Faculty of Science
Autumn 2020
Extent and Intensity
2/0/0. 2 credit(s) (fasci plus compl plus > 4). Type of Completion: zk (examination).
Taught online.
Teacher(s)
doc. Mgr. Markéta Munzarová, Dr. rer. nat. (lecturer)
doc. Mgr. Dominik Heger, Ph.D. (lecturer)
Mgr. Hugo Semrád (seminar tutor)
Guaranteed by
doc. Mgr. Markéta Munzarová, Dr. rer. nat.
Department of Chemistry - Chemistry Section - Faculty of Science
Supplier department: Department of Chemistry - Chemistry Section - Faculty of Science
Timetable
Mon 14:00–15:50 B11/205
Prerequisites
C4660 Physical Chemistry I
Prior study of basic physical chemistry assumed (e.g. C4660).
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
there are 16 fields of study the course is directly associated with, display
Course objectives
The goal of the course C4020 is to instruct students in basic understanding of quantum theory principles, techniques and applications, atomic and molecular structure, statistical thermodynamics, molecular motions, rates of chemical reactions including complex ones, and of molecular reaction dynamics.
Learning outcomes
After completing this course, students will be able to:
- do energy level calculations for simple quantum systems
- write down and solve kinetic equations for basic types of reactions
- understand phase diagrams of mixtures
- employ symmetry for the classification of orbital interactions
Syllabus
  • 1. Quantum theory (Atkins 7+8), MM ,
  • Blackbody radiation and Planck's relationship for energy. Částicová povaha EM záření a vlnová povaha částic. Částice v potenciálové jámě: Schrödingerova rovnice, vlnové funkce a hladiny energie, Bornova pravděpodobnostní interpretace, normování. Hladiny energie pro harmonický oscilátor. Hladiny energie částice na sféře, degenerace.
  • 2. Struktura a spektra atomů (Atkins 9), MM
  • Spektrální linie atomu H, energie vázaných stavů a hlavní kvantové číslo n. Význam pojmu atomový orbital, orbital 1s: radiální část vlnové funkce a radiální distribuční funkce. Kvantová čísla l a ml , orbitaly 2s-3d. Atomy s více elektrony: význam pojmu orbital, stínění a efektivní náboj, Slaterova pravidla. Závislost energie na l,
  • 3. Struktura molekul (Atkins 10), MM.
  • Bornova-Oppenheimerova aproximace a křivka potenciální energie. Teorie molekulových orbitalů: molekulový ion H2+. Interakce dvou AO: vazebné orbitaly a protivazebné orbitaly. Izoplochy a symetrické nálepky MO. Interakční diagram a míra interakce vs. překryv. Zaplňování hladin a pojem řád vazby. Orbitaly typu  a . Přehled MO homonukleárních biatomických molekul, obsazení hladin a vazebné délky, energie a vibrační frekvence.
  • 4. Symetrie molekul (Atkins 11), MM
  • Prvky a operace symetrie a jejich notace: rotace a vlastní osa, zrcadelní a rovina, inverze a její střed, nevlastní rotace a nevlastní osa, identita a celý prostor. Pojem grupa symetrie. Klasifikace vybraných molekul podle symetrie: Grupy C1, Cs, C2, Cnv, Cnh, Dnh, D2d, Td, Oh. Reprezentace a charaktery, tabulka charakterů. Symetrie a orbitální interakce.
  • 5. Statistická termodynamika (Atkins 15), MM
  • Okamžitá konfigurace, váha konfigurace (W), výpočet váhy distribuce. Vztah pro ln W pomocí Stirlingovy aproximace. Boltzmannovo rozdělení: pojem dominantní konfigurace, podmínka konstantní energie a konstantního počtu částic, závislost populace na energii. Molekulová partiční funkce, její zápis pro rigidní rotor a interpretace.
  • 6. Pohyb molekul v plynech (Atkins 20.1.1), DH
  • Tlak ideálního plynu mikroskopicky. Předpoklady kinetického modelu. Střední kvadratické rychlosti. Od Boltzmannova rozdělení energií k Maxwellovu rozdělení rychlostí. Maxwellova distribuce pro různé M a T. Nejpravděpodobnější rychlost a střední rychlost.
  • 7. Transportní vlastnosti ideálního plynu, difuze (Atkins 20.1.4+20.3), DH
  • Pojem difuze. Tok a jeho souvislost s gradientem koncentrace: 1. Fickův zákon difuze. Difúzní koeficient a střední volná dráha. 2. Fickův zákon difuze.
  • 8. Chemická kinetika – 2. pohled (Atkins 21+22.3.2), DH
  • Plochy potenciální energie (Atkins 22.3.2). Princip mikroskopické reversibility. Typické reakční mechanismy a přesná řešení jejich rychlostních rovnic pro paralelní, následné a vratné reakce. Řešení rychlostních rovnic využívající přiblížení: pseudo první řád, předřazená rovnováha. Ustálený stav, kinetické a termodynamické řízení reakcí.
  • 9. Chemická kinetika – 3. Pohled (Atkins 21.1+23.1) (DH)
  • Konkrétní řešení kinetických problémů: Lindemanův mechanismus unimolekulárního rozkladu. Homogenní katalýza – pomocí principu předřazené rovnováhy a aproximace ustáleného stavu. Enzymy: Mechanismus Michaelise a Mentenové.
  • 10. Jednoduché směsi: 2. pohled (Atkins 5.3), MM
  • Diagramy s tlakem par: složení páry, interpretace diagramů, pákové pravidlo. Diagramy teplota-složení: destilace směsí, azeotropy, nemísitelné kapaliny. Fázové diagramy rovnováhy kapalina-kapalina: rozdělení na fáze, kritické rozpouštěcí teploty, destilace částečně mísitelných kapalin. Fázové diagramy rovnováhy kapalina-pevná fáze.
  • 11. Aktivity iontů. Chemická rovnováha: 2. pohled (Atkins 5.4.4, 6.2), DH
  • Aktivity iontů v roztoku: střední aktivitní koeficienty, Debye-Hückelův limitní zákon. Jak reagují rovnováhy na změny tlaku. Odezva rovnováh na změny teploty: Van’t Hoffova rovnice.
Literature
    required literature
  • Atkins Peter, de Paula Julio: Fyzikální chemie, VŠCHT Praha (1. vydání, 2013) , ISBN: 978-80-7080-830-6.
    recommended literature
  • ATKINS, P. W. and Julio DE PAULA. Atkins' physical chemistry. 9th ed. Oxford: Oxford University Press, 2010. xxxii, 972. ISBN 9780199543373. info
    not specified
  • KLOUDA, Pavel. Fyzikální chemie : studijní text pro SPŠCH. 2., upr. a dopl. vyd. Ostrava: Pavel Klouda, 2002. 139 s. ISBN 8086369064. info
  • ATKINS, P. W. and Julio DE PAULA. Atkins' physical chemistry. 8th ed. Oxford: Oxford University Press, 2006. xxx, 1064. ISBN 0198700725. info
  • ATKINS, P. W. and Julio DE PAULA. Atkins' physical chemistry. 7th ed. Oxford: Oxford University Press, 2002. xxi, 1150. ISBN 0198792859. info
  • ATKINS, P. W. Physical chemistry. 6th ed. Oxford: Oxford University Press, 1998. 1014 s. ISBN 0198501013. info
  • MOORE, Walter J. Fyzikální chemie. 2. vyd. Praha: Nakladatelství technické literatury, 1981. 974 s. info
Bookmarks
https://is.muni.cz/ln/tag/PříF:C4020!
Teaching methods
Thirteen lectures. Enrollment in the corresponding seminar course C4020 is strongly recommended.
Assessment methods
Written exam or on-line oral exam.
Language of instruction
Czech
Follow-Up Courses
Further comments (probably available only in Czech)
Study Materials
The course is taught annually.
General note: předmět předpokládá znalosti fyzikální chemie v rozsahu C4660.
Listed among pre-requisites of other courses
Teacher's information
It is recommended to enroll simultaneously in seminar C4020.
The course is also listed under the following terms Spring 2008 - for the purpose of the accreditation, Spring 2011 - only for the accreditation, Spring 2000, Autumn 2010 - only for the accreditation, Spring 2001, Spring 2002, Spring 2003, Spring 2004, Spring 2005, Spring 2006, Spring 2007, Spring 2008, Spring 2009, Spring 2010, Autumn 2010, Spring 2011, Autumn 2011, Autumn 2011 - acreditation, Autumn 2012, Autumn 2013, Autumn 2014, Autumn 2015, Autumn 2016, autumn 2017, Autumn 2018, Autumn 2019.
  • Enrolment Statistics (recent)
  • Permalink: https://is.muni.cz/course/sci/autumn2020/C4020