Chemia fizyczna

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

Wykład:

I część

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. 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.

II część

Funkcje termodynamiczne układów chemicznych. Potencjał chemiczny. Wielkości cząstkowe molowe. Pojęcie rzędu funkcji jednorodnej. Twierdzenie Eulera o funkcjach jednorodnych. Wielkości intensywne i ekstensywne. Termodynamiczne funkcje standardowe i funkcje mieszania. Potencjał chemiczny składnika w mieszaninie gazów doskonałych. Potencjał chemiczny składnika w wieloskładnikowym układzie rzeczywistym. Definicja aktywności i współczynnika aktywności. Termodynamiczna klasyfikacja roztworów. Układy odniesienia dla współczynnika aktywności.

Układy jednoskładnikowe wielofazowe. Stany skupienia substancji. Warunek równowagi dla układu jednoskładnikowego wielofazowego. Reguła faz Gibbsa. Pojęcie stopnia swobody. Potencjał chemiczny substancji w pobliżu przejścia fazowego. Przejścia fazowe I rodzaju. Przebieg linii równowag na diagramach - równanie Clausiusa-Clapeyrona. Diagramy fazowe kryształ-ciecz-gaz układów jednoskładnikowych. Punkt potrójny i punkt krytyczny. Płyn nadkrytyczny. Ekstrakcja nadkrytyczna. Fazy stabilne i metastabilne. Przechładzanie. Krystaliczne i amorficzne ciała stałe. Mono- i enancjotropia.

Układy wieloskładnikowe wielofazowe. Warunek równowagi dla układu wieloskładnikowego wielofazowego. Równowagi gaz – ciecz w układach wieloskładnikowych. Prężność par nad roztworem doskonałym – prawo Raoulta. Izotermy kondensacji układu stosującego się do prawa Raoulta. Prężność par nad roztworem idealnym – prawo Henry’ego. Prężność par nad roztworem rzeczywistym. Diagramy fazowe zeo- i azeotropów. Zeotrop dodatni i ujemny. Azeotrop dodatni i ujemny. Skład cieczy i pozostającej z nią w równowadze pary. Destylacja. Pojęcie półki teoretycznej. Równowagi ciecz – kryształ w układach wieloskładnikowych. Diagramy fazowe eutektyków i perytektyków. Topnienie kongruentne i niekongruentne. Prawo podziału Nernsta. Ekstrakcja.

Układy w których zachodzi reakcja chemiczna. Definicja powinowactwa chemicznego. Warunki samorzutności i równowagi sformułowane z wykorzystaniem powinowactwa chemicznego. Stan równowagi. Warunek równowagi dla zerowej pracy nieobjętościowej. Prawo działania mas. Stała równowagi.

Kinetyka. Rząd reakcji, cząsteczkowość reakcji, mechanizm reakcji, przyrost postępu reakcji, szybkość reakcji chemicznej, stała szybkości, równania kinetyczne, połówkowy czas reakcji. Równanie Arrheniusa. Energia aktywacji. Katalizator.

Elektrochemia. Warunek równowagi dla niezerowej pracy nieobjętościowej i jego zastosowanie do ogniw galwanicznych. Wzór Nernsta (elektrochemia równowagowa). Konwencja sztokholmska dotycząca znaku SEM. Półogniwo wodorowe. Tradycyjna klasyfikacja półogniw: półogniwa odwracalne względem kationu, półogniwa odwracalne względem anionu, półogniwa redox, półogniwa gazowe. 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. Kinetyka reakcji inwersji sacharozy. Stała szybkości jodowania acetonu. Izoterma rozpuszczalności w układzie trójskładnikowym (diagram Gibbsa). Jonity - pojemność wymieniacza.

Prawo podziału Nernsta - wyznaczanie współczynnika podziału. Analiza termiczna – wyznaczanie krzywych ostygania stopów. Mieszalność krytyczna. Wyznaczanie entalpii parowania wody. Ciepło reakcji zobojętniania. Ciepło rozpuszczania soli. Wyznaczanie pojemności cieplnej układu. Wyznaczanie objętości mieszania.

Konwersatorium:

I część

Zajęcia poświęcone rozwiązywaniu zadań obliczeniowych i problemowych z następujących tematów: Podstawowe pojęcia w termodynamice. Praca i ciepło jako sposoby przekazywania energii. I zasada termodynamiki. Energia wewnętrzna. Entalpia. Pojemność cieplna. Efekty cieplne przemian chemicznych – termochemia. Prawo Hessa. Prawo Kirchhoffa. Entropia. II zasada termodynamiki.

Entalpia swobodna. Gazy. Równania stanu: gazu doskonałego, van der Waalsa, wirialne. Współczynnik kompresji. Zmienne zredukowane. Zasada stanów odpowiadających sobie. Współczynnik Joule’a-Thomsona.

II część

Zajęcia poświęcone rozwiązywaniu zadań obliczeniowych i problemowych z następujących tematów:

Funkcje termodynamiczne układów chemicznych. Wielkości cząstkowe molowe. Funkcje mieszania.

Układy jednoskładnikowe wielofazowe. Przejścia fazowe I rodzaju. Reguła faz Gibbsa. Potencjał chemiczny substancji w pobliżu przejścia fazowego. Diagramy fazowe kryształ-ciecz-gaz układów jednoskładnikowych. Przebieg linii równowag na diagramach - równanie Clausiusa-Clapeyrona. Punkt potrójny, punkt krytyczny. Fazy stabilne i metastabilne. 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.

Kinetyka. Rząd reakcji, cząsteczkowość reakcji, mechanizm reakcji, przyrost postępu reakcji, szybkość reakcji chemicznej, stała szybkości, równania kinetyczne, połówkowy czas reakcji. Równanie Arrheniusa. Energia aktywacji.

Elektrochemia. Procesy zachodzące w ogniwach. Siła elektromotoryczna ogniwa. Wzór Nernsta.

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

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

10. L. Komorowski, A. Olszowski, Chemia fizyczna 4, Laboratorium fizykochemiczne, PWN, Warszawa, 2013.

11. W. Ufnalski, Wprowadzenie do termodynamiki chemicznej, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, W-wa 2004

12. P. W. Atkins, C. A. Trapp, M. P. Cady, C. Giunta, Chemia fizyczna. Zbiór zadań z rozwiązaniami, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2001

13. K. Gumiński, Termodynamika, PWN Warszawa 1982

14. R. Hołyst, A. Poniewierski, A. Ciach, Termodynamika dla chemików, fizyków i inżynierów, ISBN 83-7072-337-3, dostępna w sieci postaci nieodpłatnego e-booka

15. A. Molski, Wprowadzenie do kinetyki chemicznej, wykłady z chemii fizycznej, WNT, Warszawa, 2001.

16. Materiały umieszczone na platformie Moodle oraz w zespołach na platformie Teams

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 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.

Jak w karcie kierunku.