CHEMIA FIZYCZNA

Wykład obejmuje zagadnienia obejmujące termodynamikę chemiczną (zagadnienia związane z zerową, I, II, III zasadą termodynamiki), właściwości termodynamicznych układów wieloskładnikowych (roztworów), właściwości fazowe układów jednoskładnikowych i wieloskładnikowych, właściwości gazów, właściwości układów w których zachodzi reakcja chemiczna oraz elektrochemię.

Wykład:

Podstawowe pojęcia w termodynamice (układ i otoczenie, typy układów, funkcja stanu, parametry stanu). Energia wewnętrzna. Sposoby przekazywania energii (praca i ciepło). I zasada termodynamiki. Przemiany izobaryczne i izochoryczne. Entalpia. Pojemność cieplna. Efekty cieplne przemian chemicznych – termochemia. Prawo Hessa. Prawo Kirchhoffa. Procesy samorzutne i niesamorzutne. Entropia. II zasada termodynamiki. Statystyczna interpretacja entropii – mikrostan i makrostan. Energia swobodna, entalpia swobodna. Kryteria samorzutności i równowagi w zależności od warunków zewnętrznych. III zasada termodynamiki. Zerowa zasada termodynamiki. Temperatura. Funkcje termodynamiczne układów chemicznych. Potencjał chemiczny. Wielkości cząstkowe molowe. Twierdzenie Eulera o funkcjach jednorodnych. Wielkości intensywne i ekstensywne. Równanie Gibbsa-Duhema. Funkcje standardowe, funkcje mieszania. Aktywność i współczynnik aktywności. Termodynamiczna klasyfikacja roztworów. Układy odniesienia dla współczynnika aktywności. Funkcje nadmiarowe. Układy jednoskładnikowe wielofazowe. Reguła faz Gibbsa. Potencjał chemiczny substancji w pobliżu przejścia fazowego. Przejścia fazowe I i II rodzaju wg klasyfikacji Ehrenfesta. Diagramy fazowe kryształ-ciecz-gaz układów jednoskładnikowych. Przebieg linii równowag na diagramach - równanie Clausiusa-Clapeyrona. Punkt potrójny. Fazy stabilne i metastabilne. Stabilność termodynamiczna i kinetyczna. Przechładzanie. Krystaliczne i amorficzne ciała stałe. Mono- i enancjotropia. Układy wieloskładnikowe wielofazowe. Równowagi gaz – ciecz i ciecz – kryształ w układach wieloskładnikowych. Prawo Raoulta, prawo Henry’ego. Zeo- i azeotropy. Eutektyki, perytektyki, topnienie kongruentne i niekongruentne. Dyskusja przemian fazowych w oparciu o diagramy. Krystalizacja i destylacja. Prawo podziału Nernsta. Ekstrakcja. Gazy. Równania stanu: van der Waalsa, wirialne. Współczynnik kompresji. Zmienne zredukowane. Zasada stanów odpowiadających sobie. Zredukowane równania stanu. Termiczne równanie stanu jako źródło informacji o właściwościach termodynamicznych substancji. Współczynnik Joule’a-Thomsona. Płyn nadkrytyczny. Ekstrakcja nadkrytyczna. Powinowactwo chemiczne. Stan równowagi. Prawo działania mas. Wzór Nernsta (elektrochemia równowagowa). Konwencja sztokholmska. Półogniwo wodorowe. Tradycyjna klasyfikacja półogniw. Potencjały Volty i Galvaniego.

Laboratorium:

Ćwiczenia praktyczne: Siła elektromotoryczna ogniwa galwanicznego. Potencjał standardowy elektrody. Napięcie rozkładowe elektrolitu. Kulometria. Przewodnictwo równoważnikowe elektrolitów. Termodynamika reakcji elektrodowych - zależność temperaturowa SEM. Liczby przenoszenia jonów. Miareczkowanie konduktometryczne. Elektroforeza swobodna. Izoterma adsorpcji. Adsorpcja barwnika z roztworu na węglu aktywnym. Izoterma rozpuszczalności w układzie trójskładnikowym (diagram Gibbsa). Jonity - pojemność wymieniacza. Prawo podziału Nernsta - wyznaczanie współczynnika podziału. Mieszalność krytyczna. Analiza termiczna – wyznaczanie krzywych ostygania stopów. Wyznaczanie pojemności cieplnej układu. Ciepło reakcji zobojętniania. Ciepło rozpuszczania soli. Entalpia parowania trudno wrzących cieczy. Wyznaczanie entalpii parowania wody. Wyznaczanie objętości nadmiarowych. Wyznaczanie wielkości pozornych - densytometria oscylacyjna.

Konwersatorium:

Zajęcia poświęcone rozwiązywaniu zadań obliczeniowych i problemowych z następujących tematów: Podstawowe pojęcia w termodynamice. I zasada termodynamiki. Energia wewnętrzna. Entalpia. Pojemność cieplna. Efekty cieplne przemian chemicznych – termochemia. Prawo Hessa. Prawo Kirchhoffa. Entropia. II zasada termodynamiki. Procesy samorzutne i niesamorzutne. Potencjał chemiczny. Wielkości cząstkowe molowe. Wielkości intensywne i ekstensywne. Aktywność i współczynnik aktywności. Termodynamiczna klasyfikacja roztworów. Układy odniesienia dla współczynnika aktywności. Funkcje nadmiarowe. Układy jednoskładnikowe wielofazowe. Reguła faz Gibbsa. Potencjał chemiczny substancji w pobliżu przejścia fazowego. Przejścia fazowe I i II rodzaju wg klasyfikacji Ehrenfesta. Diagramy fazowe kryształ-ciecz-gaz układów jednoskładnikowych. Przebieg linii równowag na diagramach - równanie Clausiusa-Clapeyrona. Punkt potrójny. Fazy stabilne i metastabilne. Stabilność termodynamiczna i kinetyczna. Przechładzanie. Krystaliczne i amorficzne ciała stałe. Mono- i enancjotropia. Układy wieloskładnikowe wielofazowe. Równowagi gaz – ciecz i ciecz – kryształ w układach wieloskładnikowych. Prawo Raoulta, prawo Henry’ego. Zeo- i azeotropy. Eutektyki, perytektyki, topnienie kongruentne i niekongruentne.

1. P.W. Atkins, Chemia fizyczna, Wyd. Naukowe PWN, Warszawa, 2007,

2. H. Buchowski, W. Ufnalski, Podstawy termodynamiki, wykłady z chemii fizycznej, WNT, Warszawa,

1998,

3. H. Buchowski, W. Ufnalski, Gazy ciecze płyny, wykłady z chemii fizycznej, WNT, Warszawa, 1994,

4. H. Buchowski, W. Ufnalski, Roztwory, wykłady z chemii fizycznej, WNT, Warszawa, 1998,

5. L. Sobczyk, A. Kisza, K. Gatner, A. Koll, Eksperymentalna chemia fizyczna, PWN, Warszawa, 1982,

6. Platforma zdalnego nauczania: http://el.us.edu.pl/upgow/course/category.php?id=9.

7. K. Pigoń, Z. Ruziewicz, Chemia fizyczna, PWN, Warszawa, 2006,

8. K. Gumiński, Termodynamika, PWN, Warszawa, 1982,

9. A. Kisza, Elektrochemia I Jonika, wykłady z chemii fizycznej, WNT, Warszawa, 2000.

10. A. Kisza, Elektrochemia. Jonika I, wykłady z chemii fizycznej, WNT, Warszawa, 2000,

11. A. Kisza, Elektrochemia. Elektrodyka II, wykłady z chemii fizycznej, WNT, Warszawa, 2001,

12. K. Pigoń, Z. Ruziewicz, Chemia fizyczna, Podstawy fenomenologiczne t. I, Wyd. Naukowe PWN SA, Warszawa, 2007,

13. Platforma zdalnego nauczania: http://el.us.edu.pl/upgow/course/category.php?id=9

14.A. Adamson „Zadania z Chemii Fizycznej”, PWN 1978,

15. K. Pigoń, Z. Ruziewicz, Chemia fizyczna, PWN, Warszawa, 2006,

16. K. Gumiński, Termodynamika, PWN, Warszawa, 1982.

17. Platforma zdalnego nauczania: http://el.us.edu.pl/upgow/course/category.php?id=9

Potrafi objaśnić w stopniu podstawowym pojęcia z chemii fizycznej

Zna zasady termodynamiki i wynikające z nich podstawowe relacje dotyczące procesów równowagowych z zakresu statyki chemicznej, elektrochemii, zjawisk powierzchniowych i przemian fazowych

Zna podstawowe metody obliczeniowe i statystyczne stosowane do rozwiązywania typowych problemów z zakresu chemii fizycznej i opracowywania wyników eksperymentalnych oraz potrafi wyliczyć przykłady zastosowań tychże metod w chemii fizycznej

Rozwiązuje podstawowe zadania rachunkowe z chemii fizycznej dotyczące procesów równowagowych

Potrafi zaproponować metodę wyznaczenia określonej wielkości fizykochemicznej substancji

Potrafi zbudować prosty zestaw do pomiaru wielkości fizykochemicznych wykorzystując standardowy sprzęt

dostępny w laboratorium

Opracowuje sprawozdania z zakresu chemii fizycznej w wykorzystaniem rachunku błędów i statystyki matematycznej jako

metod pozwalających ocenić wiarygodność uzyskanych wyników

W dyskusji używa języka naukowego, typowego dla nauk chemicznych

Ma świadomość odpowiedzialności za wspólnie realizowane zadania, związane z pracą zespołową

oraz za bezpieczeństwo pracy w laboratorium fizykochemicznym

Jest świadom poziomu swojej wiedzy i rozumie potrzebę uczenia się przez całe życie

Sposób ustalania oceny końcowej modułu:

średnia arytmetyczna ocen z egzaminu, konwersatorium i laboratorium.

Egzamin:

Egzamin ustny. Student losuje zestaw trzech pytań. W zestawie znajduje się jedno pytanie problemowe, jedno pytanie sprawdzające umiejętność kojarzenia informacji z różnych działów chemii fizycznej niezbędnych do rozwiązywania zagadnień typowych oraz jedno pytanie dotyczące podstawowych związków pomiędzy budową molekularną, a właściwościami makroskopowymi materii. Na przygotowanie ma 15 minut. W tym czasie część odpowiedzi może zamieścić na kartce. Odpowiedź ustna trwa od 15 do 20 minut. Polega na odpowiedzi na wylosowane pytania i dyskusji z egzaminatorem.

Konwersatorium:

Podstawą zaliczenia konwersatorium jest zaliczenie wszystkich sprawdzianów pisemnych. W ramach sprawdzianu student otrzymuje zestaw pytań i problemów do rozwiązania: pięciu w przypadku kolokwium trwającego 90 minut lub trzech w przypadku sprawdzianu trwającego 45 minut. Zestaw zawiera zadania o różnym stopniu trudności, sprawdzające umiejętności rozwiązywania złożonych zagadnień problemowych, zagadnień typowych z chemii fizycznej, zastosowania podstawowych praw i pojęć oraz przedstawienia ich treści. Student ma prawo do poprawy sprawdzianu dwukrotnie: przed pierwszym terminem egzaminu (wtedy poprawiane są tylko sprawdziany niezaliczone) oraz sesji poprawkowej (gdzie student zobowiązany jest do ponownego zaliczenia całości materiału).

Ponadto oceniana jest aktywność studentów na zajęciach.

Przy ocenie prac pisemnych stosowana jest następująca skala procentowa:

poniżej 55% - ndst

55 -69% - dost

70-75% - +dost

76-88% - dobry

89-94% - +dobry

95 – bardzo dobry

Laboratorium:

Podstawą zaliczenia ćwiczeń laboratoryjnych jest zaliczenie wszystkich elementów zajęć. Ocena końcowa z ćwiczeń laboratoryjnych jest średnia ważoną ocen z kolokwiów teoretycznych, sprawozdań i oceniania ciągłego:

ocena końcowa = 0.6 x kol.teoret + 0.3 x spraw. + 0.1 x ocen.ciągłe

Kolokwium teoretyczne (ustne lub pisemne):

Student otrzymuje zestaw 3-5 pytań/problemów do rozwiązania. Odpowiedź ustna trwa od 15 do 20 minut i polega na odpowiedzi na pytania oraz dyskusji z prowadzącym. Odpowiedź pisemna trwa około 30 minut i polega na odpowiedzi na pytania oraz rozwiązaniu wszystkich zawartych w zestawie zadań.

Ocenianie ciągłe:

Na ocenianie ciągłe składa się krótkie kolokwium wstępne, umiejętność przygotowania aparatury pomiarowej, poprawność wykonania ćwiczenia oraz znajomość odpowiedzi na pytania dotyczące wykonywanego ćwiczenia zadawane w trakcie zajęć.

Krótkie kolokwium wstępne - czas trwania ok. 5 minut na początku zajęć, podczas którego student otrzymuje 2 pytania dotyczące praktycznych i teoretycznych aspektów wykonania ćwiczenia.

Sprawozdanie:

Sprawozdanie pisemne z wykonanego ćwiczenia student sporządza w oparciu o wytyczne w instrukcji ćwiczenia z pomocą podanej literatury przedmiotu.

Sprawozdanie powinno zawierać następujące elementy: wstęp teoretyczny związany z realizowanym zagadnieniami, opis metodyki oraz sposobu postępowania podczas pomiarów, opracowanie wyników pomiarów ich analizę, rachunek błędów oraz analizę statystyczną, porównanie z literaturą oraz dyskusję wyników i wnioski.

Student składa sprawozdanie pisemne prowadzącemu laboratorium w terminie do 2 tygodni od dnia wykonania ćwiczenia. Prowadzący do dwóch tygodni informuje studenta o jego zaliczeniu bądź konieczności poprawy. Student składa poprawione sprawozdanie w terminie jednego tygodnia. Student ma możliwość dwukrotnej poprawy. Po dwukrotnym zwrocie sprawozdania, student zobowiązany jest do ponownego wykonania ćwiczenia.

Kryteria ocen dla egzaminu i kolokwium ustnego:

Ocena bardzo dobra – student samodzielnie opisuje zjawiska fizykochemiczne, rozwiązuje zagadnienia problemowe z zakresu chemii fizycznej, wymagające korzystania z wiedzy z innych dziedzin chemii oraz fizyki i matematyki, nie popełnia błędów,

Ocena dobra plus - student samodzielnie opisuje zjawiska fizykochemiczne, rozwiązuje zagadnienia problemowe z zakresu chemii fizycznej, wymagające korzystania z wiedzy z innych dziedzin chemii oraz fizyki i matematyki, popełnia nieliczne, drugorzędne błędy nie wynikające z braków merytorycznych

Ocena dobra - student wykorzystuje wiedzę do rozwiązywania zagadnień typowych oraz rozwiązuje z pomocą prowadzącego zagadnienia problemowe z zakresu chemii fizycznej, wymagające korzystania z wiedzy z innych dziedzin chemii oraz fizyki i matematyki popełniając nieliczne błędy,

Ocena dostateczna plus - student wykorzystuje wiedzę do rozwiązywania zagadnień typowych z zakresu chemii fizycznej, wymagające korzystania z wiedzy z innych dziedzin chemii oraz fizyki i matematyki popełniając przy tym błędy,

Ocena dostateczna - student rozumie i potrafi wyjaśnić podstawowe pojęcia i prawa fizykochemiczne, z pomocą prowadzącego wykorzystuje wiedzę do rozwiązywania zagadnień typowych z zakresu chemii fizycznej,

Ocena niedostateczna- student nie rozumie i nie potrafi wyjaśnić podstawowych pojęć i praw fizykochemicznych

Kryteria ocen dla sprawozdań:

Ocena bardzo dobra - samodzielnie wykonane sprawozdanie zawiera wszystkie konieczne elementy. Student samodzielnie opisuje zjawiska fizykochemiczne, korzysta swobodnie z wiedzy z innych dziedzin chemii oraz fizyki, matematyki i rachunku błędów, potrafi wskazać źródła rozbieżności i błędów; sprawozdanie nie zawiera błędów, jest wykonane bardzo starannie od strony edytorskiej,

Ocena dobra plus - samodzielnie wykonane sprawozdanie zawiera wszystkie konieczne elementy. Student samodzielnie opisuje zjawiska fizykochemiczne, korzysta swobodnie z wiedzy z innych dziedzin chemii oraz fizyki, matematyki i rachunku błędów, potrafi wskazać źródła rozbieżności i błędów; sprawozdanie zawiera nieliczne błędy edytorskie,

Ocena dobra - samodzielnie wykonane sprawozdanie zawiera wszystkie konieczne elementy. Student opisuje zjawiska fizykochemiczne, korzysta z wiedzy z innych dziedzin chemii oraz fizyki, matematyki i rachunku błędów, potrafi wskazać źródła rozbieżności i błędów; sprawozdanie zawiera nieliczne błędy,

Ocena dostateczna plus - sprawozdanie zawiera wszystkie konieczne elementy. Student opisuje zjawiska fizykochemiczne z pomocą prowadzącego, po konsultacjach wykorzystuje również wiedzę z innych dziedzin chemii oraz fizyki, matematyki i rachunku błędów, potrafi wskazać źródła rozbieżności i błędów; sprawozdanie zawiera błędy, które zostają wyeliminowane po konsultacjach z prowadzącym,

Ocena dostateczna - sprawozdanie zawiera wszystkie konieczne elementy. Student opisuje zjawiska fizykochemiczne z pomocą prowadzącego, po konsultacjach wykorzystuje również wiedzę z innych dziedzin chemii oraz fizyki, matematyki i rachunku błędów; sprawozdanie zawiera błędy, które zostają wyeliminowane po konsultacjach z prowadzącym,

Ocena niedostateczna- sprawozdanie nie jest kompletne, student nie rozumie i nie potrafi przeprowadzić podstawowych obliczeń fizykochemicznych.

Kryteria ocen dla oceniania ciągłego:

Ocena bardzo dobra - student samodzielnie wykonuje ćwiczenie konsultując się z prowadzącym tylko w momentach istotnych dla poprawnego przebiegu ćwiczenia; zna i rozumie realizowane zagadnienie, działanie aparatury, metodykę pomiaru. Prawidłowo planuje i wykonuje eksperyment, na bieżąco ocenia zgodność otrzymanych wyników z intuicją.

Ocena dobra - student wykonuje ćwiczenie konsultując się z prowadzącym w miarę potrzeby. Zna i rozumie realizowane zagadnienie, działanie aparatury, metodykę pomiaru. W miarę prawidłowo planuje i wykonuje eksperyment, na bieżąco ocenia zgodność otrzymanych wyników z intuicją po konsultacji z prowadzącym,

Ocena dostateczna - student wykonuje ćwiczenie po konsultacjach z prowadzącym. Rozumie realizowane zagadnienie, działanie aparatury, metodykę pomiaru. W miarę prawidłowo planuje i wykonuje eksperyment, na bieżąco ocenia zgodność otrzymanych wyników z intuicją po konsultacji z prowadzącym,

Ocena niedostateczna - student nie jest w stanie prawidłowo wykonać ćwiczenia nawet po konsultacji z prowadzącym.