Chemia fizyczna, wykład

chemia

obowiązkowe

Wykład ma na celu zapoznanie studenta z podstawowymi pojęciami z których korzystają inne działy chemii takie jak chemia nieorganiczna, chemia organiczna, technologia, biochemia, zapoznanie z prawami rządzącymi procesami fizykochemicznymi oraz wyjaśnieniem podstaw, na których bazują nowoczesne fizykochemiczne metody badawcze.

w sali
zdalnie

Treści wykładu dotyczą podstawowej wiedzy fizykochemicznej, niezbędnej do zrozumienia i matematycznego opisu procesów fizykochemicznych oraz interpretacji fenomenologicznej i molekularnej tych procesów.

Zakres tematyczny:

Termodynamika

Przedmiot termodynamiki chemicznej, pojęcie układu fizycznego i otoczenia, podstawowe pojęcia mechaniki klasycznej. Gaz doskonały, Parametry stanu. Model kwantowy gazu doskonałego. Energia wewnętrzna. Liczba mikrostanów (prawdopodobieństwo termodynamiczne), entropia. Rozkład Boltzmanna, energia wewnętrzna gazu doskonałego, entropia gazu doskonałego.

Równanie Sackura-Tetrodego. Równowaga termiczna -termodynamiczna definicja temperatury, równowaga mechaniczna - termodynamiczna definicja ciśnienia, równowaga związana z wymianą składników - termodynamiczna definicja potencjału chemicznego. Pojęcie różniczki zupełnej, różniczka zupełna entropii i energii wewnętrznej.

Pierwsza zasada termodynamiki. Ciepło, praca, praca objętościowa. Przykłady procesów odwracalnych i nieodwracalnych. Druga zasada termodynamiki, produkcja entropii.

Energia wewnętrzna, a ciepło procesu. Układ w kontakcie z otoczeniem o stałym ciśnieniu - entalpia. Entalpia, a ciepło procesu. Funkcje termodynamiczne reakcji chemicznej. Relacja między energią wewnętrzną reakcji i entalpią reakcji.

Układ w kontakcie z otoczeniem o stałej temperaturze - energia swobodna. Układ w kontakcie z otoczeniem o stałej temperaturze i ciśnieniu - entalpia swobodna. Energia swobodna, a samorzutność procesów. Entalpia swobodna, a samorzutność procesów. Transformacja Legendre'a. Nowe funkcje termodynamiczne jako transformaty Legendre'a energii wewnętrznej.

Pochodne cząstkowe funkcji termodynamicznych, relacje Maxwella. Energia wewnętrzna jako funkcja temperatury i objętości. Entalpia jako funkcja temperatury i ciśnienia. Relacja pomiędzy Cp i Cv. Entropia jako funkcja (T,V) i (T,p). Funkcje termodynamiczne gazu doskonałego. Obliczanie ciepła reakcji z danych termodynamicznych. Pomiary kalorymetryczne. Wyznaczanie entropii substancji.

Potencjał chemiczny, molowy potencjał chemiczny. Relacja pomiędzy (molowym) potencjałem chemicznym i entalpią swobodną. Funkcje termodynamiczne układu otwartego. Wielkości ekstensywne i intensywne. Zmiany entalpii swobodnej podczas reakcji chemicznej. Warunek równowagi reakcji chemicznej. Prawo działania mas, równanie van't Hoffa.

Kinetyka chemiczna:

Szybkość reakcji – definicja, równania kinetyczne, stała szybkości reakcji, różniczkowa postać równań kinetycznych. Rozwiązania równań różniczkowych dla reakcji 0, 1, 2 i n-tego rzędu, czas połowicznej przemiany.

Zapisywanie równań kinetycznych reakcji złożonych. Reakcje równoległe następcze i równowagowe (przeciwbieżne).

Przybliżenie stanu stacjonarnego (reakcja następcza, reakcja następcza z równowagą wstępną). Kinetyka enzymatyczna w modelu Michaelisa-Menten. Zależność stałej szybkości od temperatury.

Elektrochemia

Roztwory idealne i rzeczywiste. Oddziaływania jon-jon w roztworach elektrolitów (elementy teorii Debye- Hückela). Oddziaływania jon-rozpuszczalnik w roztworach elektrolitów (teoria Borna). Oddziaływania jonów z zewnętrznym polem elektrycznym (prawo Ohma, przewodnictwo właściwe i molowe roztworów elektrolitów, pojęcie ruchliwości jonów, zależność przewodnictwa właściwego i molowego od stężenia elektrolitu).

Procesy przeniesienia elektronu w roztworach, przeniesienie elektronu w obecności fazy przewodzącej (metalu), elektroda w stanie równowagi (potencjał redoks elektrody). Wytrącenie elektrody ze stanu równowagi - procesy kontrolowane kinetycznie i dyfuzyjnie. Ogniwa galwaniczne (schemat ogniwa i zasady zapisu, siła elektromotoryczna , związek SEM z funkcjami termodynamicznymi reakcji zachodzącej w ogniwie).

1. Atkins, P.W., et al., Chemia fizyczna. 2016: Wydawnictwo Naukowe PWN SA.

2. Pigoń, K., Ruziewicz, Z., Chemia fizyczna: Podstawy fenomenologiczne. 1. 2007: Wydawnictwo Naukowe PWN.

3. Hołyst, R., A. Poniewierski, A. Ciach, Termodynamika dla chemików, fizyków i inżynierów. 2005: Wydawnictwo Uniwersytetu Kardynała Stefana Wyszyńskiego.

4. Shroeder D.V., An introduction to thermal physics. 2000: Addison Wesley Longman.

5. Jackowska, K., Repetytorium – Elektrochemia, 2017: Wydział Chemii UW, Zakład Dydaktyczny Chemii Fizycznej.

Po zakończeniu wykładu student:

- umiejętnie posługuje się podstawowymi pojęciami z zakresu termodynamiki chemicznej, termochemii, statyki i kinetyki chemicznej, elektrochemii, zjawisk powierzchniowych,

- umie wyjaśnić podstawy wielu zjawisk i procesów zachodzących w przyrodzie, zna związki przyczynowo skutkowe

- wie jak zastosować odpowiednie wzory do jakościowego i ilościowego opisu wielu zjawisk fizykochemicznych,

- umie przewidzieć kierunek zachodzących procesów po zmianie parametrów fizykochemicznych takich jak temperatura, ciśnienie, potencjał, stężenie

- wie jakie metody doświadczalne może zastosować do badania reakcji i procesów fizykochemicznych

- umie z danych doświadczalnych wyznaczyć wielkości fizykochemiczne i parametry przebiegających reakcji

Uczęszczanie na zajęcia jest obowiązkowe. Dopuszczalne są 2 nieusprawiedliwione nieobecności (w przypadku większej liczby nieobecności konieczne jest zwolnienie lekarskie).

Wykład podzielony jest na dwa bloki, które kończą się pisemnymi kolokwiami cząstkowymi. Kolokwia cząstkowe oceniane są następująco: I - 20 pkt, II – 20 pkt, a więc w sumie student/ka może uzyskać 40 pkt. Student/ka który/a uzyskał/a co najmniej 38 punktów z kolokwiów cząstkowych zostaje zwolniony/a z egzaminu z oceną 5!. Pozostałe osoby przystępują do egzaminu z całości materiału, przy czym maksymalna liczba punktów, które można uzyskać za egzamin wynosi 60. Punktacja za całe zajęcia jest sumą punktów za kolokwia cząstkowe oraz egzamin – maksymalnie można uzyskać 40+60=100 pkt.

Punkty przeliczane są na ocenę w następujący sposób:

0 – 50,00 – ndst

50,01 –60.00 – dst

60,01 –70.00 – dst+

70,01 –80.00 – db

80,01 –90.00 – db+

90,01 –98.00 – bdb

98,01 –100.00 – bdb!

W przypadku niezaliczenia zajęć, student zdaje pisemny egzamin poprawkowy z całości materiału (w sesji poprawkowej). Maksymalna liczba punktów z egzaminu poprawkowego wynosi 100. Punkty przeliczane są na ocenę w sposób analogiczny jak powyżej.

nie dotyczy