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.

Zjawiska powierzchniowe. Definicja napięcia powierzchniowego i napięcia międzyfazowego. Molekularne wyjaśnienie napięcia powierzchniowego. Prężność par nad powierzchnią zakrzywioną. Zjawiska kapilarne. Nadmiar powierzchniowy Gibbsa. Adsorpcja – modele Freundlicha i Langmuira. Ciśnienie powierzchniowe. Histereza adsorpcji. Definicja pracy adhezji i pracy kohezji.

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:

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. Równania stanu: van der Waalsa, wirialne. Współczynnik kompresji. Zmienne zredukowane. Zasada stanów odpowiadających sobie. Zredukowane równania stanu. Współczynnik Joule’a-Thomsona. Płyn nadkrytyczny. Powinowactwo chemiczne. Stan równowagi. Prawo działania mas . Wzór Nernsta (elektrochemia równowagowa).

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. J. Szarawara, Termodynamika chemiczna stosowana, WNT, Warszawa, 1997

Egzamin:

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

Ocena dobra - student wykorzystuje wiedzę do rozwiązywania zagadnień typowych oraz rozwiązuje z pomocą egzaminatora 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 egzaminatora wykorzystuje wiedzę do rozwiązywania zagadnień typowych z zakresu chemii fizycznej,

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

Ocenianie ciągłe:

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.

Kolokwium pisemne:

Ocena bardzo dobra -student samodzielnie 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 rozwiązuje zagadnienia problemowe z zakresu chemii fizycznej, wymagające korzystania z wiedzy z innych dziedzin chemii oraz fizyki i matematyki, popełnia nieliczne błędy niewynikające z braków merytorycznych np. pomyłka w obliczeniach,

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

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 nieliczne błędy merytoryczne oraz rachunkowe,

Ocena dostateczna - student rozumie i potrafi wyjaśnić podstawowe pojęcia i prawa fizykochemiczne, rozwiązuje zagadnienia typowe z zakresu chemii fizycznej, popełniając błędy

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

Powyższemu opisowi odpowiada następująca skala procentowa:

poniżej 55% - ndst

55 -69% - dost

70-75% - +dost

76-88% - dobry

89-94% - +dobry

95 – bardzo dobry

Odpowiedź ustna:

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 rozwiązuje zagadnienia problemowe z zakresu chemii fizycznej, wymagające korzystania z wiedzy z innych dziedzin chemii oraz fizyki i matematyki, popełnia nieliczne błędy, niewynikające 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.

Sprawozdanie:

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.