Chemia fizyczna

matematyka i fizyka na poziomie szkoły średniej + kurs matematyki i fizyki na I roku studiów.

przedmiot obligatoryjny

Zajęcia z udziałem nauczyciela - razem 100 h

(wykład 30h, pracownia 45h, ćwiczenia 15h, konsultacje 10h)

Praca własna studenta: przygotowanie do zajęć (w tym raporty), kolokwiów i egzaminu 75h

W1: Zna stany skupienia materii – K_W08

W2: Zna równania stanu – K_W08

W3: Zna zasady termodynamiki – K_W08

W4: Zna oddziaływania międzycząsteczkowe – K_W08

W5: Zan równowagi fazowe – K_W08

W6: Zna teorię kinetyki chemicznej – K_W08

W7: Zna podstawy elektrochemii – K_W08

U1: Posiada umiejętności wykonywania pomiarów podstawowych wielkości chemicznych oraz potrafi opracować wyniki eksperymentów

fizykochemicznych – K_U05

K1: Posiada umiejętność analitycznego myślenia: samodzielnie i efektywnie pracuje z dużą ilością informacji, dostrzega zależności

pomiędzy zjawiskami i poprawnie wyciąga wnioski posługując się zasadami logiki. – K_K01

K2: Wykazuje wytrwałość i konsekwencję: pracuje systematycznie i ma pozytywne podejście do trudności stojących na drodze do

realizacji założonego celu; dotrzymuje terminów; rozumie konieczność systematycznej pracy nad wszelkimi projektami – K_K06

Metody dydaktyczne podające:

- wykład informacyjny (konwencjonalny) z wykorzystaniem prezentacji multimedialnych + rozwiązywanie zadań ilustrujących omawiany materiał.

Metody dydaktyczne poszukujące:

- laboratorium: zajęcia laboratoryjne związane są z treściami programowymi przerabianymi na wykładzie. Student wykonuje zadania samodzielnie po przygotowaniu w oparciu o dostępną instrukcję oraz zalecaną literaturę.

- wykład informacyjny (konwencjonalny)
- wykład problemowy

Właściwości gazów, cieczy i ciał stałych. Podstawy termodynamiki równowagowej: zasady termodynamiki, kryteria zachowania się układów, potencjał chemiczny składnika, termodynamika reakcji chemicznych. Przemiany i równowagi fazowe. Zjawiska powierzchniowe. Elektrochemia: przewodnictwo elektrolitów, ogniwa galwaniczne, półogniwa, polaryzacja elektrod, korozja elektrochemiczna. Kinetyka chemiczna: podstawowe pojęcia, mechanizmy i równania kinetyczne reakcji, kataliza, reakcje enzymatyczne, fotochemiczne.

W ramach przedmiotu chemia fizyczna realizowane jest 30 godz. wykładu, i 45 godz. laboratorium.

Wykład obejmuje następujące treści

1. Wprowadzenie (zakres przedmiotu, podstawy matematyczne)

2. Stany skupienia

3. Stan gazowy

1) prawa gazowe,

2) równanie stanu gazu doskonałego;

3) równania stanu gazów rzeczywistych (van der Waalsa, wirialne);

3) zasada stanów odpowiadających sobie;

4) skraplanie gazów;

5) teoria kinetyczna gazów;

6) dyfuzja, efuzja.

4. Termodynamika: I zasada termodynamiki

1) podstawowe pojęcia (układ, ciepło, praca, energia);

2) energia wewnętrzna układu;

3) I zasada termodynamiki;

4) wyznaczanie zmian energii wewnętrznej (bomba kalorymetryczna), pojemność cieplna;

5) adiabata;

6) entalpia;

7) wyznaczanie zmian entalpii (kalorymetr), pojemność cieplna;

8) interpretacja pojemności cieplnej na poziomie molekularnym;

9) entalpia przemian fizycznych;

10) stan standardowy;

11) entalpia reakcji chemicznych;

12) prawo Hessa;

13) równanie Kirchhoffa.

5. Termodynamika: II zasada termodynamiki

1) cykl Carnota;

2) entropia (kierunek procesu samorzutnego; entropia i druga zasada termodynamiki; zmiana entropii);

3) obliczanie zmian entropii;

4) entropia absolutna i III zasada termodynamiki;

5) entropia i samorzutność reakcji;

6) konsekwencje II zasady termodynamiki – energia swobodna, entalpia swobodna, warunki samorzutności procesu;

6. Termodynamika: funkcje termodynamiczne

1) związek między funkcjami termodynamicznymi;

2) wielkości ekstensywne, intensywne;

3) cząstkowe wielkości molowe;

4) ważne równania termodynamiczne (równanie Gibbsa-Duhema i in.).

7. Nieidealność gazów, mieszanin gazów, roztworów ciekłych

1) potencjał chemiczny składnika mieszaniny;

2) lotność i współczynnik lotności (gazy);

3) aktywność i wsp. aktywności;

4) potencjał chemiczny substancji niejonowej w roztworze;

5) potencjał chemiczny elektrolitu w roztworze;

6) potencjał elektrochemiczny jonów w roztworze;

7) potencjał chemiczny rozpuszczalnika.

8. Równowagi fazowe – układy jednoskładnikowe

1) przejścia fazowe I-go i II-go rodzaju;

2) opis teoretyczny przejścia fazowego I-go rodzaju;

3) wykres fazowy i punkty charakterystyczne;

4) analiza termiczna;

5) reguła faz Gibbsa;

6) przykłady wykresów fazowych

9. Równowagi fazowe – układy dwuskładnikowe

1) reguła faz Gibbsa;

2) roztwory lotnych cieczy (destylacja frakcjonowana, roztwory azeotropowe);

3) wykresy fazowe układów ciecz-ciecz;

4) wykresy fazowe układów ciecz-cialo stałe;

5) analiza termiczna;

6) wykresy fazowe układów zawierających związki amfifilowe.

10. Równowagi fazowe – układy trójskładnikowe

1) reguła faz Gibbsa;

2) trójkąt Gibbsa;

3) przykłady wykresów fazowych;

4) prawo podziału Nernsta.

11. Roztwory – właściwości koligatywne

1) obniżenie prężności pary nad roztworem (prawo Raoulta, prawo Henry’ego);

2) podwyższenie temperatury wrzenia, obniżenie temperatury krzepnięcia;

3) ciśnienie osmotyczne, osmometria.

12. Roztwory – rozpuszczalność substancji

1) rozpuszczanie (wpływ budowy molekularnej substancji);

2) iloczyn rozpuszczalności, wpływ różnych czynników na rozpuszczalność substancji.

13. Roztwory elektrolitów – równowaga

1) metody wyznaczania współczynników aktywności – omówienie metody izopiestycznej;

2) teoria Debye'a – Hückela (chmura jonowa, grubość chmury jonowej, graniczne prawo Debye’a-Hückla);

3) równowagi w roztworach elektrolitów (iloczyn jonowy wody, teoria kwasów i zasad Brønsteda-Lowry'ego, stałe dysocjacji kwasu, zasady);

4) amfolity (zwykłe, obojnacze, punkt izoelektryczny);

5) miareczkowanie alkacymetryczne;

6) bufory, pojemność buforowa;

7) wskaźniki kwasowo-zasadowe;

14. Reakcje chemiczne – termodynamika

1) entalpia swobodna reakcji;

2) samorzutność reakcji;

3) reakcje sprzężone;

4) stałe równowagi chemicznej;

5) wpływ T, p na stałe równowagi,

6) reguła przekory Le Chateliera-Brauna.

15. Kinetyka chemiczna, cz. 1

1) szybkość reakcji chemicznej;

2) prawa kinetyczne;

3) rząd reakcji;

4) reakcja elementarna, molekularność;

5) nieodwracalne reakcje n-tego rzędu, n = 0, 1, 2; równania różniczkowe i całkowe, okres półtrwania;

6) reakcje odwracalne i równowaga;

7) reakcje szeregowe;

8) reakcje równoległe;

9) tworzenie równań różniczkowych dla kilku reakcji ze sobą powiązanych;

10) wyznaczanie rzędu reakcji;

11) techniki eksperymentalne;

12) teoria zderzeń;

13) teoria absolutnej szybkości reakcji;

14) wyprowadzanie równań kinetycznych;

15) przybliżenie równowagowe;

16) mechanizm Lindemanna-Christiansena;

17) reakcje łańcuchowe;

18) rozgałęzione reakcje łańcuchowe, wybuchy;

19) reakcje oscylacyjne;

20) reakcje fotochemiczne.

16. Kinetyka chemiczna, cz. 2: kataliza

1) rodzaje katalizy;

2) kataliza homogeniczna;

3) reakcje enzymatyczne;

4) inhibicja konkurencyjna w katalizie enzymatycznej;

5) kataliza heterogeniczna;

6) adsorpcja;

7) kinetyka Langmuira-Hinshelwooda;

8) dezaktywacja katalizatora.

17. Zjawiska powierzchniowe

1) warstwa międzyfazowa;

2) napięcie powierzchniowe, międzyfazowe;

3) powierzchnie zakrzywione;

4) zwilżanie;

5) filmy powierzchniowe;

6) adsorpcja na granicy faz ciecz – gaz;

7) adsorpcja na powierzchni ciał stałych.

18. Lepkość

1) definicja lepkości;

2) lepkość roztworów – wielkości pokrewne;

3) lepkościowo średnia masa cząsteczkowa;

4) przepływ w kapilarze - równanie Hagena-Poiseuille’a;

5) pomiar lepkości;

6) reologiczne zachowanie materiałów.

19. Oddziaływania międzycząsteczkowe

1) oddziaływania między jonami;

2) oddziaływania między trwałymi dipolami – energia Keesoma;

3) oddziaływania między dipolami indukowanymi – energia Debye’a;

4) oddziaływania między cząsteczkami obojętnymi elektrycznie – energia dyspersyjna (energia Londona);

5) atomowe siły odpychania;

6) oddziaływania międzycząstkowe.

20. Elektrochemia: transport w roztworach elektrolitów

1) równanie transportowe jonów (równanie Nernsta-Plancka) i jego składowe, współczynnik dyfuzji, ruchliwość;

2) podstawowe wielkości (gęstość prądu, przewodność elektrolityczna, liczba przenoszenia jonu, przewodność molowa elektrolitu);

3) wyznaczanie przewodnictwa elektrolitu, stała sondy konduktometrycznej;

4) zależność przewodności elektrolitycznej, przewodności molowej od stężenia elektrolitu;

5) teoria Debye'a-Hückela-Onsagera przewodnictwa elektrolitów;

6) efekty Wiena;

7) pomiar liczby przenoszenia jonu metodą Hittorfa;

8) dyfuzja elektrolitu (I i II prawo Ficka).

21. Elektrochemia równowagowa: ogniwa galwaniczne

1) ogniwa, półogniwa;

2) reakcje połówkowe i sumaryczna ogniwa;

3) konwencja sztokholmska.

4) rodzaje elektrod, rodzaje półogniw;

5) notacja ogniw i półogniw;

6) szereg potencjałów standardowych półogniw;

7) termodynamiczny opis ogniwa elektrochemicznego;

8) równanie Nernsta;

22. Elektrochemia: przepływ prądu

1) prąd wymiany i równanie Butlera-Volmera;

2) nadnapięcie w elektrolizie;

3) równania Tafela;

23. Korozja elektrochemiczna.

1. P.W. Atkins, Chemia Fizyczna, PWN, Warszawa, 2001,

2, K. Pigoń, Z Ruziewicz, Chemia fizyczna, 1.Podstawy

fenomenologiczne, PWN, Warszawa, 2005,

3. A.G. Whittaker, A.R. Mount, M.R. Heal, Krótkie wykłady, Chemia

fizyczna, PWN, Warszawa, 2003,

4. P.W. Atkins, Podstawy chemii fizycznej, PWN, Warszawa, 1999,

5. A. Barański, A. Basiński ..., Chemia Fizyczna, PWN, Warszawa 1980,

6. F. Pruchnik, Kataliza homogeniczna, PWN, Warszawa, 1993.

Seria: Wykłady z chemii fizycznej, WNT, Warszawa:

H. Buchowski, W. Ufnalski, Fizykochemia gazĂłw i cieczy, 1998;

H. Buchowski, W. Ufnalski, Roztwory, 1995;

W. Ufnalski, Równowagi chemiczne, 1995;

H. Buchowski, W. Ufnalski, Podstawy termodynamiki, 1994,1998;

A. Molski, Wprowadzenie do kinetyki chemicznej, 2001,

A. Kisza, Elektrochemia I, Jonika, 2000,

A. Kisza, Elektrochemia II, Elektrodyka, 2001,

7. L. Sobczyk, A. Kisza, K. Gatner, A. Koll, Eksperymentalna chemia

fizyczna, PWN, Warszawa 1982.

Wykład - warunkiem zaliczenia egzaminu jest:

1) zaliczenie wszystkich składowych bloku;

2) uzyskanie min. 50 % punktów z 9 losowo wybranych pytań po jednym z danego obszaru chemii fizycznej (Gazy, I zasada termodynamiki i termochemia, Entropia i II zasada termodynamiki, Równowaga chemiczna, Równowagi fazowe, Roztwory, Kinetyka chemiczna, Elektrochemia, Zjawiska powierzchniowe).

brak