619-3001/01 – Vybrané kapitoly z fyzikální chemie (VKFCH)
| Garantující katedra | Katedra fyzikální chemie a teorie technologických procesů | Kredity | 7 |
| Garant předmětu | prof. Ing. Kamila Kočí, Ph.D. | Garant verze předmětu | prof. Ing. Bedřich Smetana, Ph.D. |
| Úroveň studia | pregraduální nebo graduální | Povinnost | povinný |
| Ročník | 1 | Semestr | zimní |
| | Jazyk výuky | čeština |
| Rok zavedení | 2015/2016 | Rok zrušení | 2019/2020 |
| Určeno pro fakulty | FMT | Určeno pro typy studia | navazující magisterské |
Cíle předmětu vyjádřené dosaženými dovednostmi a kompetencemi
- sledovat a popisovat fázové rovnováhy ve vícesložkových soustavách
- charakterizovat roztoky - empirické zákony, termodynamické funkce a modely roztoků
- stanovit hodnoty parciálních molárních veličin
- analyzovat fázové diagramy binárních kapalných soustav
- aplikovat termodynamické funkce na roztoky elektrolytů
- charakterizovat možnosti využití elektrochemických článků – popis
elektrochemických soustav - elektrody, elektrolýza, galvanické články)
- aplikovat získané teoretické poznatky na teoretických a laboratorních
cvičeních a v chemické praxi
Vyučovací metody
Přednášky
Individuální konzultace
Cvičení (v učebně)
Experimentální práce v laboratoři
Anotace
Termodynamika roztoků s nenabitými částicemi (empirické zákony, roztoky ideální, zředěné, reálné, termodynamické modely, fázové diagramy), binární kapalné směsi omezeně mísitelné a nemísitelné. Vlastnosti elektrolytů a heterogenních elektrochemických soustav (elektrody, galvanické články, elektrolyzéry), popis a aplikace elektrochemických metod (metody založené na elektrodovém ději, metody založené na měření elektrických vlastností roztoku).
Termodynamika reálných plynných směsí.
Povinná literatura:
[1] NOVÁK,J. a kol. Fyzikální chemie: bakalářský a magisterský kurz. Praha:
VŠCHT, 2011. 490 s. Elektronická verze:
http://www.vscht.cz/fch/cz/pomucky/FCH4Mgr.pdf
[2] KELLÖ,V., TKÁČ,A. Fyzikálna chemia. Bratislava: Alfa, 1977. 778 s.
[3] BUREŠ, M., ČERNÝ, Č., CHUCHVALEC, P. Fyzikální chemie II. Praha: VŠCHT,
1994. 335 s.
[4] DUDEK,Rostislav; PEŘINOVÁ, Kristina; KALOUSEK Jaroslav. Teorie
technologických procesů [online] 2012. Dostupné z WWW:
<http://www.person.vsb.cz/archivcd/FMMI/TTP/index.htm>.
Doporučená literatura:
[1] ATKINS,P.W. Fyzikálna chémia. Bratislava: STU, 1999.
[2] MOORE,W.J. Fyzikální chemie. Praha: SNTL. 1979. 974 s.
[3] ADAMCOVÁ,Z. a kol. Příklady a úlohy z fyzikální chemie. Praha: SNTL,
1989. 666 s.
[4] LISÝ, M., VALKO, L.Príklady a úlohy z fyzikálnej chémie. Bratislava:
Alfa, 1979. 813 s.
[5] DVOŘÁK,J., KORYTA,J. Elektrochemie. Praha: SNTL. 1983. 410 s.
[6] LEITNER, J., VOŇKA, P. Termodynamika materiálů. Praha:VŠCHT, 1997.
211 s.
Elektronická verze: http://www.vscht.cz/ipl/termodyn/termmatskr.htm
Forma způsobu ověření studijních výsledků a další požadavky na studenta
Podmínky pro získání zápočtu:
- 100 % účast na teoretických cvičeních - 2 body
- účast na teoretických cvičeních menší než 86% (více než 1 neúčast)
poskytuje možnost neudělení zápočtu
- úspěšné absolvování dvou samostatných výpočtových písemek – hodnocení (14 + 14) = max. 28 bodů
- oprava písemky – lze opravit maximálně jednu písemku maximálně jedenkrát.
- absolvování 5 laboratorních cvičení, odevzdání a obhájení protokolů – max. 15 bodů (toto bodové
ohodnocení představuje hodnocení jak vlastní teoretické přípravy na zadanou laboratorní úlohu, tak
hodnocení práce v laboratoři a hodnocení obsahové a formální stránky laboratorního protokolu
včetně jeho obhajoby)
Bodové hodnocení zápočtu:
- zápočet min. bodů 20
- zápočet max. bodů 45
V celkovém zisku bodového ohodnocení zápočtu musí být obsaženo nenulové hodnocení obou výpočtových písemek (min. 5 bodů za 1 písemku) a laboratorního cvičení (min. 8 bodů), tzn. student musí absolvovat obě výpočtové písemky a splnit podmínky laboratorního cvičení (musí absolvovat 5 laboratorních úloh).
Bodové hodnocení zkoušky: zkouška kombinovaná
- písemná část zkoušky - max. 15 bodů
- teoretická část zkoušky - max. 40 bodů
V celkovém zisku bodového ohodnocení zkoušky musí být obsaženo jak nenulové hodnocení výpočtové zkouškové písemky (min. 5 bodů) tak nenulové hodnocení vlastní ústní zkoušky, tzn. student musí absolvovat obě části zkoušky.
Bodové hodnocení předmětu se získá součtem bodů za cvičení a za absolvování zkoušky, výsledná klasifikace je dána podmínkami ve Studijním a zkušebním řádu VŠB TUO.
E-learning
Další požadavky na studenta
Další požadavky na studenta nejsou definovány.
Prerekvizity
Předmět nemá žádné prerekvizity.
Korekvizity
Předmět nemá žádné korekvizity.
Osnova předmětu
1. Roztoky. Klasifikace roztoků. Roztoky neelektrolytů, roztoky ideální a reálné. Empirické zákony popisující roztoky – Raoultův zákon a Henryho zákon. Reálné roztoky, volba standardního stavu pro složky roztoku, odchylky vzhledem k Raoultovu a Henryho zákonu, různé pojetí aktivit, aktivitní koeficient. Vícesložkové soustavy, interakční součinitel.
2. Termodynamické funkce roztoků. Parciální molární veličiny. Diferenciální a integrální veličiny. Směšovací, dodatkové a rozpouštěcí veličiny. Určování parciálních molárních veličin. Termodynamické modely roztoků – model ideálního, reálného, regulárního, atermálního roztoku. Gibbs-Duhemova rovnice a její význam. Závislost aktivity a aktivitního koeficientu na teplotě.
3. Koligativní vlastnosti roztoků neelektrolytů. Snížení tlaku par rozpouštědla nad roztokem, ebulioskopický a kryoskopický efekt, osmotický tlak, osmóza. Fázové diagramy binárních kapalných směsí. Neomezeně mísitelné kapalné směsi (izobarické a izotermické diagramy, diagramy rovnovážného složení fází, soustavy ideální a reálné), omezeně mísitelné kapalné směsi (izobarické diagramy) a nemísitelné kapalné směsi (izobarické diagramy).
4. Destilace a rektifikace. Průběh procesu na izobarickém fázovém diagramu, azeotropy, význam. Izotermicko-izobarické diagramy kapalných ternárních soustav. Rozdělovací rovnováhy, Nernstův rozdělovací zákon, extrakce. Terminologie elektrochemie. Elektrolyty silné a slabé, proces rozpouštění elektrolytů, nábojové číslo iontu, teorie elektrolytické disociace, disociační konstanta, disociační stupeň.
5. Elektrolýza. Faradayovy zákony, redukční děje na katodě, oxidační děje na anodě, proudový výtěžek elektrolýzy, význam a uplatnění v technologii. Coulometrie. Převodová čísla iontů, pohyblivost iontů, stanovení převodových čísel, Hittorfova metoda, metoda pohyblivého rozhraní.
6. Vodivost roztoků elektrolytů. Měrná a molární vodivost elektrolytu, její závislost na koncentraci. Limitní molární vodivost elektrolytu. Teorie iontové vodivosti, Kohlrauschův zákon o nezávislé vodivosti iontů. Závislost iontové vodivosti na vybraných činitelích. Měření vodivosti a využití vodivostních měření (Ostwaldův zřeďovací zákon, stanovení součinu rozpustnosti, konduktometrické titrace).
7. Silné elektrolyty. Příčina odchylek od ideálního chování. Osmotický koeficient. Aktivita a aktivitní koeficient, souvislost středních a iontových veličin. Iontová síla roztoku. Debye-Hückelova teorie silných elektrolytů. Vodivostní koeficient, elektroforetický efekt, relaxační efekt. Součin rozpustnosti a možnosti ovlivnění rozpustnosti málo rozpustných elektrolytů.
8. Rovnováhy v roztocích slabých elektrolytů. Iontový součin vody. Výklad pojmu kyselina a báze (Arrheniova, Brönstedova a Lewisova teorie). Klasifikace rozpouštědel. Měření pH a acidobazické indikátory. Disociace slabých kyselin a zásad. Hydrolýza. Pufry (Henderson – Hasselbachova rovnice, pufrační kapacita, význam). Amfolyty.
9. Elektrody. Potenciály v elektrochemii - elektrodový (řada napětí kovů), redoxní, kapalinový, membránový. Klasifikace elektrod, popis, funkce, uplatnění – elektrody 1.druhu, elektrody 2.druhu, redoxní elektrody a iontově-selektivní elektrody.
10. Galvanické články. Klasifikace článků, elektromotorické napětí a jeho měření. Chemické články s převodem a bez převodu iontů, koncentrační články elektrodové a elektrolytové, koncentrační články s převodem a bez převodu iontů. Termodynamika galvanického článku.
11. Galvanické články (pokračování). Teorie kapalinového potenciálu. Elektromotorické napětí článků s kapalinovým potenciálem. Význam galvanických článků. Elektrochemické zdroje proudu.
12. Potenciometrie. Přímá potenciometrie - stanovení pH, stanovení součinu rozpustnosti, aktivitních koeficientů, disociační konstanty. Potenciometrická titrace - sledování a popis potenciometrické oxidačně redukční titrace, titrační křivka, potenciál v bodě ekvivalence.
13. Elektrodové procesy. Polarizace elektrod. Chemická a koncentrační polarizace, možnosti eliminace a význam. Rozkladné napětí a přepětí. Přepětí vodíku, Tafelova rovnice, význam. Přepětí kyslíku. Základy polarografie. Základy elektrochemické koroze.
14. Reálné plyny. Stavové rovnice, grafické zobrazení, kompresibilitní faktor, kompresibilitní diagram, termodynamické stavové funkce plynů, fugacita reálných plynů a možnosti výpočtu, Joule-Thomsonův efekt, inverzní teplota. Termodynamika kapalin. Vnitřní tlak kapalin, povrchová energie, povrchové napětí.
Výpočtová cvičení
- Úvod, koncentrace roztoků, Raoultův a Henryho zákon.
- Reálné roztoky neelektrolytů, různé pojetí aktivit, termodynamické funkce
roztoků, určení parciálních molárních veličin.
- Koligativní vlastnosti roztoků. Mísitelné, omezeně mísitelné a nemísitelné
binární kapalné směsi.
- Samostatná výpočtová práce I.
- Elektrolýza, převodová čísla iontů. Vodivost elektrolytů. Silné
elektrolyty, souvislost mezi iontovými a středními veličinami, Debye-
Hückelův zákon. Součin rozpustnosti.
- Rovnováhy v roztocích slabých elektrolytů, pufrační kapacita.
- Potenciály elektrod, elektromotorické napětí galvanického článku a
výpočtové aplikace pro určení fyzikálně chemických veličin.
- Samostatná výpočtová práce II.
Laboratorní cvičení
- Bezpečnost práce v laboratoři, seznámení s laboratorními úlohami, základní
informace o průběhu cvičení a formulace požadavků pro zpracování protokolu.
- Stanovení parciálních molárních veličin v kapalných soustavách.
- Měření viskozity Höpplerovým viskozimetrem.
- Potenciometrické stanovení disociační konstanty slabých kyselin.
- Stanovení pH a pufrační kapacity pufrů, závislost pufrační kapacity na
složení pufrů .
- Elektrolýza vodných roztoků elektrolytů.
- Stanovení stupně asociace kyseliny benzoové v xylenu.
- Stanovení součinu rozpustnosti a rozpouštěcího tepla obtížně rozpustných
elektrolytů konduktometricky.
- Určení středních aktivitních koeficientů měřením elektromotorického napětí.
- Chinhydrónová elektroda a stanovení jejího standardního potenciálu měřením
elektromotorického napětí.
- Rozpustnost látek.
- Vodivostní stanovení termodynamické disociační konstanty slabé kyseliny.
- Stanovení kapalinového a membránového potenciálu.
- Hodnocení obsahové a formální úrovně protokolů, zápočet.
Podmínky absolvování předmětu
Výskyt ve studijních plánech
Výskyt ve speciálních blocích
Hodnocení Výuky