Chemia fizyczna

Podstawy termodynamiki równowagowej; zasady termodynamiki, kryteria zachowania się układów. Potencjał chemiczny składnika. Równowaga reakcji chemicznej. Równowaga przemian fazowych. Właściwości gazów, cieczy i ciał stałych. Właściwości fazy powierzchniowej. Przewodnictwo elektrolitów. Ogniwa, półogniwa. Polaryzacja elektrod. Korozja elektrochemiczna. Kinetyka chemiczna; Podstawowe pojęcia, mechanizmy i równania kinetyczne reakcji. Kataliza.

W ramach przedmiotu chemia fizyczna realizowane jest 75 godz. wykładu, 90 godz. laboratorium i 45 godz. ćwiczeń rachunkowych.

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) entropie absolutne 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 wsp. 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 (woda, siarka, ditlenek węgla, węgiel, hel).

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;

3) parametr rozpuszczalności.

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 (przykłady miareczkowań kwasów wieloprotonowych, ich mieszanin, mieszanin z solą zasadą);

6) bufory, pojemność buforowa;

7) wskaźniki kwasowo-zasadowe;

14. Roztwory elektrolitów – transport

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).

15. 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.

16. Reakcje chemiczne – kinetyka, 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) jak tworzyć równania różniczkowe dla kilku reakcji ze sobą powiązanych;

10) wyznaczanie rzędu reakcji;

11) techniki eksperymentalne;

12) teoria zderzeń (Lewis 1918 r.) ;

13) teoria absolutnej szybkości reakcji;

14) reakcje kontrolowane przez dyfuzję;

15) wyprowadzanie równań kinetycznych;

16) przybliżenie równowagowe;

17) mechanizm Lindemanna-Christiansena;

18) reakcje łańcuchowe;

19) polimeryzacja rodnikowa;

20) kinetyka kopolimeryzacji;

21) rozgałęzione reakcje łańcuchowe, wybuchy;

22) spalanie;

16. Reakcje chemiczne – kinetyka, 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;

9) porównanie katalizy hetero- z homogeniczną.

17. Reakcje chemiczne – kinetyka, cz. 3

1) kinetyka reakcji jonowych;

2) reakcje oscylacyjne;

3) reakcje fotochemiczne.

18. 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.

19. 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.

20. 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

Elektrochemia

1. Wprowadzenie do elektrochemii.

- Ogniwa galwaniczne (reakcje cząstkowe, półogniwa).

- Reakcje elektrodowe (ogniwo, elektrolizer).

2. Konwencja sztokholmska.

- Założenia konwencji IUAPC.

- Standardowa Elektroda Wodorowa.

- Notacja ogniw i półogniw.

- Potencjały redukcji (standardowy potencjał pary erdoks).

3. Ogniwa i półogniwa odwracalne.

- Rodzaje półogniw (półogniwa gazowe, półogniwa drugiego rodzaju, półogniwa erdoks).

- Rodzaje ogniw i ich właściwości.

4. Termodynamiczny opis ogniwa elektrochemicznego.

5. Potencjał elektrochemiczny i Nernsta.

- Wyprowadzenie równań na potencjał elektrochemiczny z termodynamicznego opisu półogniwa.

- Wyprowadzenie Równania Nernsta.

6. Prąd Wymiany i Równanie Butlera-Volmera.

- Pojęcie prądu wymiany.

- Nadnapięcie w elektrolizie.

- Wyprowadzenia równania Butlera-Volmera.

- Równania Tafela.

7. Korozja.

- Pojęcie korozji elektrochemicznej.

- Mechanizm korozji żelaza.

- Termodyanamiczny i kinetyczny opis korozji metali.

- Diagram Evana.

- Diagram Pourbaix.

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,

8. Przewodnik do ćwiczeń laboratoryjnych dla studentów chemii, Red. J. Ceynowa, P. Adamczak, Wydawnictwo Naukowe UMK, Toruń 2013.

9. J. Demichowicz-Pigoniowa, Obliczenia fizykochemiczne, Oficyna

Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1997,

Podstawy termodynamiki równowagowej; zasady termodynamiki, kryteria zachowania się układów. Potencjał chemiczny składnika. Równowaga reakcji chemicznej. Równowaga przemian fazowych. Właściwości gazów, cieczy i ciał stałych. Właściwości fazy powierzchniowej. Przewodnictwo elektrolitów. Ogniwa, półogniwa. Polaryzacja elektrod. Korozja elektrochemiczna. Kinetyka chemiczna; Podstawowe pojęcia, mechanizmy i równania kinetyczne reakcji. Kataliza.

W ramach przedmiotu chemia fizyczna realizowane jest 75 godz. wykładu, 90 godz. laboratorium i 45 godz. ćwiczeń rachunkowych.

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) entropie absolutne 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 wsp. 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 (woda, siarka, ditlenek węgla, węgiel, hel).

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;

3) parametr rozpuszczalności.

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 (przykłady miareczkowań kwasów wieloprotonowych, ich mieszanin, mieszanin z solą zasadą);

6) bufory, pojemność buforowa;

7) wskaźniki kwasowo-zasadowe;

14. Roztwory elektrolitów – transport

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).

15. 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.

16. Reakcje chemiczne – kinetyka, 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) jak tworzyć równania różniczkowe dla kilku reakcji ze sobą powiązanych;

10) wyznaczanie rzędu reakcji;

11) techniki eksperymentalne;

12) teoria zderzeń (Lewis 1918 r.) ;

13) teoria absolutnej szybkości reakcji;

14) reakcje kontrolowane przez dyfuzję;

15) wyprowadzanie równań kinetycznych;

16) przybliżenie równowagowe;

17) mechanizm Lindemanna-Christiansena;

18) reakcje łańcuchowe;

19) polimeryzacja rodnikowa;

20) kinetyka kopolimeryzacji;

21) rozgałęzione reakcje łańcuchowe, wybuchy;

22) spalanie;

16. Reakcje chemiczne – kinetyka, 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;

9) porównanie katalizy hetero- z homogeniczną.

17. Reakcje chemiczne – kinetyka, cz. 3

1) kinetyka reakcji jonowych;

2) reakcje oscylacyjne;

3) reakcje fotochemiczne.

18. 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.

19. 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.

20. 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

Elektrochemia

1. Wprowadzenie do elektrochemii.

- Ogniwa galwaniczne (reakcje cząstkowe, półogniwa).

- Reakcje elektrodowe (ogniwo, elektrolizer).

2. Konwencja sztokholmska.

- Założenia konwencji IUAPC.

- Standardowa Elektroda Wodorowa.

- Notacja ogniw i półogniw.

- Potencjały redukcji (standardowy potencjał pary erdoks).

3. Ogniwa i półogniwa odwracalne.

- Rodzaje półogniw (półogniwa gazowe, półogniwa drugiego rodzaju, półogniwa erdoks).

- Rodzaje ogniw i ich właściwości.

4. Termodynamiczny opis ogniwa elektrochemicznego.

5. Potencjał elektrochemiczny i Nernsta.

- Wyprowadzenie równań na potencjał elektrochemiczny z termodynamicznego opisu półogniwa.

- Wyprowadzenie Równania Nernsta.

6. Prąd Wymiany i Równanie Butlera-Volmera.

- Pojęcie prądu wymiany.

- Nadnapięcie w elektrolizie.

- Wyprowadzenia równania Butlera-Volmera.

- Równania Tafela.

7. Korozja.

- Pojęcie korozji elektrochemicznej.

- Mechanizm korozji żelaza.

- Termodyanamiczny i kinetyczny opis korozji metali.

- Diagram Evana.

- Diagram Pourbaix.

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,

8. Przewodnik do ćwiczeń laboratoryjnych dla studentów chemii, Red. J. Ceynowa, P. Adamczak, Wydawnictwo Naukowe UMK, Toruń 2013.

9. J. Demichowicz-Pigoniowa, Obliczenia fizykochemiczne, Oficyna

Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1997,

Podstawy termodynamiki równowagowej; zasady termodynamiki, kryteria zachowania się układów. Potencjał chemiczny składnika. Równowaga reakcji chemicznej. Równowaga przemian fazowych. Właściwości gazów, cieczy i ciał stałych. Właściwości fazy powierzchniowej. Przewodnictwo elektrolitów. Ogniwa, półogniwa. Polaryzacja elektrod. Korozja elektrochemiczna. Kinetyka chemiczna; Podstawowe pojęcia, mechanizmy i równania kinetyczne reakcji. Kataliza.

W ramach przedmiotu chemia fizyczna realizowane jest 75 godz. wykładu, 90 godz. laboratorium i 45 godz. ćwiczeń rachunkowych.

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) entropie absolutne 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 wsp. 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 (woda, siarka, ditlenek węgla, węgiel, hel).

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;

3) parametr rozpuszczalności.

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 (przykłady miareczkowań kwasów wieloprotonowych, ich mieszanin, mieszanin z solą zasadą);

6) bufory, pojemność buforowa;

7) wskaźniki kwasowo-zasadowe;

14. Roztwory elektrolitów – transport

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).

15. 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.

16. Reakcje chemiczne – kinetyka, 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) jak tworzyć równania różniczkowe dla kilku reakcji ze sobą powiązanych;

10) wyznaczanie rzędu reakcji;

11) techniki eksperymentalne;

12) teoria zderzeń (Lewis 1918 r.) ;

13) teoria absolutnej szybkości reakcji;

14) reakcje kontrolowane przez dyfuzję;

15) wyprowadzanie równań kinetycznych;

16) przybliżenie równowagowe;

17) mechanizm Lindemanna-Christiansena;

18) reakcje łańcuchowe;

19) polimeryzacja rodnikowa;

20) kinetyka kopolimeryzacji;

21) rozgałęzione reakcje łańcuchowe, wybuchy;

22) spalanie;

16. Reakcje chemiczne – kinetyka, 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;

9) porównanie katalizy hetero- z homogeniczną.

17. Reakcje chemiczne – kinetyka, cz. 3

1) kinetyka reakcji jonowych;

2) reakcje oscylacyjne;

3) reakcje fotochemiczne.

18. 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.

19. 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.

20. 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

Elektrochemia

1. Wprowadzenie do elektrochemii.

- Ogniwa galwaniczne (reakcje cząstkowe, półogniwa).

- Reakcje elektrodowe (ogniwo, elektrolizer).

2. Konwencja sztokholmska.

- Założenia konwencji IUAPC.

- Standardowa Elektroda Wodorowa.

- Notacja ogniw i półogniw.

- Potencjały redukcji (standardowy potencjał pary erdoks).

3. Ogniwa i półogniwa odwracalne.

- Rodzaje półogniw (półogniwa gazowe, półogniwa drugiego rodzaju, półogniwa erdoks).

- Rodzaje ogniw i ich właściwości.

4. Termodynamiczny opis ogniwa elektrochemicznego.

5. Potencjał elektrochemiczny i Nernsta.

- Wyprowadzenie równań na potencjał elektrochemiczny z termodynamicznego opisu półogniwa.

- Wyprowadzenie Równania Nernsta.

6. Prąd Wymiany i Równanie Butlera-Volmera.

- Pojęcie prądu wymiany.

- Nadnapięcie w elektrolizie.

- Wyprowadzenia równania Butlera-Volmera.

- Równania Tafela.

7. Korozja.

- Pojęcie korozji elektrochemicznej.

- Mechanizm korozji żelaza.

- Termodyanamiczny i kinetyczny opis korozji metali.

- Diagram Evana.

- Diagram Pourbaix.

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,

8. Przewodnik do ćwiczeń laboratoryjnych dla studentów chemii, Red. J. Ceynowa, P. Adamczak, Wydawnictwo Naukowe UMK, Toruń 2013.

9. J. Demichowicz-Pigoniowa, Obliczenia fizykochemiczne, Oficyna

Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1997,

Podstawy termodynamiki równowagowej; zasady termodynamiki, kryteria zachowania się układów. Potencjał chemiczny składnika. Równowaga reakcji chemicznej. Równowaga przemian fazowych. Właściwości gazów, cieczy i ciał stałych. Właściwości fazy powierzchniowej. Przewodnictwo elektrolitów. Ogniwa, półogniwa. Polaryzacja elektrod. Korozja elektrochemiczna. Kinetyka chemiczna; Podstawowe pojęcia, mechanizmy i równania kinetyczne reakcji. Kataliza.

W ramach przedmiotu chemia fizyczna realizowane jest 75 godz. wykładu, 90 godz. laboratorium i 45 godz. ćwiczeń rachunkowych.

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) entropie absolutne 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 wsp. 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 (woda, siarka, ditlenek węgla, węgiel, hel).

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;

3) parametr rozpuszczalności.

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 (przykłady miareczkowań kwasów wieloprotonowych, ich mieszanin, mieszanin z solą zasadą);

6) bufory, pojemność buforowa;

7) wskaźniki kwasowo-zasadowe;

14. Roztwory elektrolitów – transport

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).

15. 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.

16. Reakcje chemiczne – kinetyka, 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) jak tworzyć równania różniczkowe dla kilku reakcji ze sobą powiązanych;

10) wyznaczanie rzędu reakcji;

11) techniki eksperymentalne;

12) teoria zderzeń (Lewis 1918 r.) ;

13) teoria absolutnej szybkości reakcji;

14) reakcje kontrolowane przez dyfuzję;

15) wyprowadzanie równań kinetycznych;

16) przybliżenie równowagowe;

17) mechanizm Lindemanna-Christiansena;

18) reakcje łańcuchowe;

19) polimeryzacja rodnikowa;

20) kinetyka kopolimeryzacji;

21) rozgałęzione reakcje łańcuchowe, wybuchy;

22) spalanie;

16. Reakcje chemiczne – kinetyka, 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;

9) porównanie katalizy hetero- z homogeniczną.

17. Reakcje chemiczne – kinetyka, cz. 3

1) kinetyka reakcji jonowych;

2) reakcje oscylacyjne;

3) reakcje fotochemiczne.

18. 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.

19. 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.

20. 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

Elektrochemia

1. Wprowadzenie do elektrochemii.

- Ogniwa galwaniczne (reakcje cząstkowe, półogniwa).

- Reakcje elektrodowe (ogniwo, elektrolizer).

2. Konwencja sztokholmska.

- Założenia konwencji IUAPC.

- Standardowa Elektroda Wodorowa.

- Notacja ogniw i półogniw.

- Potencjały redukcji (standardowy potencjał pary erdoks).

3. Ogniwa i półogniwa odwracalne.

- Rodzaje półogniw (półogniwa gazowe, półogniwa drugiego rodzaju, półogniwa erdoks).

- Rodzaje ogniw i ich właściwości.

4. Termodynamiczny opis ogniwa elektrochemicznego.

5. Potencjał elektrochemiczny i Nernsta.

- Wyprowadzenie równań na potencjał elektrochemiczny z termodynamicznego opisu półogniwa.

- Wyprowadzenie Równania Nernsta.

6. Prąd Wymiany i Równanie Butlera-Volmera.

- Pojęcie prądu wymiany.

- Nadnapięcie w elektrolizie.

- Wyprowadzenia równania Butlera-Volmera.

- Równania Tafela.

7. Korozja.

- Pojęcie korozji elektrochemicznej.

- Mechanizm korozji żelaza.

- Termodyanamiczny i kinetyczny opis korozji metali.

- Diagram Evana.

- Diagram Pourbaix.

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,

8. Przewodnik do ćwiczeń laboratoryjnych dla studentów chemii, Red. J. Ceynowa, P. Adamczak, Wydawnictwo Naukowe UMK, Toruń 2013.

9. J. Demichowicz-Pigoniowa, Obliczenia fizykochemiczne, Oficyna

Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1997,