651-0002/01 – Physical chemistry (FCH)

Gurantor departmentDepartment of Chemistry and Physico-Chemical ProcessesCredits6
Subject guarantorprof. Ing. Bedřich Smetana, Ph.D.Subject version guarantorprof. Ing. Bedřich Smetana, Ph.D.
Study levelundergraduate or graduateRequirementCompulsory
Year2Semesterwinter
Study languageCzech
Year of introduction2023/2024Year of cancellation
Intended for the facultiesFMTIntended for study typesBachelor
Instruction secured by
LoginNameTuitorTeacher giving lectures
DOB30 prof. Ing. Jana Dobrovská, CSc.
ZAL041 Ing. Monika Kawuloková, Ph.D.
SME06 prof. Ing. Bedřich Smetana, Ph.D.
DOC01 Ing. Simona Zlá, Ph.D.
Extent of instruction for forms of study
Form of studyWay of compl.Extent
Full-time Credit and Examination 2+4
Part-time Credit and Examination 18+6

Subject aims expressed by acquired skills and competences

Cílem předmětu je získání znalostí z fyzikální chemie, z oblasti termodynamiky/kinetiky a umět je aplikovat. Cílem je umět definovat fyzikální, chemické a fyzikálně-chemické děje, termodynamické a kinetické pojmy a zákony. Umět používat získané teoretické poznatky také na výpočetních a laboratorních cvičeních. Ověřit si platnost vybraných fyzikálně-chemických zákonů v rámci laboratorních cvičení. Umět demonstrovat a využívat nabyté znalosti na vybrané procesy: chemické, fyzikální a fyzikálně-chemické. Cílem je seznámit studenty s možnostmi využití termodynamických veličin a funkcí a naučit je používat tyto veličiny a funkce pro popis chování systémů a dějů z teoretického i praktického hlediska. Cílem je také získání vybraných znalostí z oblasti termo-fyzikálního chování. Cílem je získání schopností sledovat, popsat/charakterizovat chemické, fyzikální a fyzikálně-chemické procesy a shrnout, objasnit a interpretovat základní principy, děje a procesy. Sledovat a umět popsat souvislosti mezi výsledným chováním systémů/průběhem dějů a vlivem klíčových faktorů jako je teplota a tlak.

Teaching methods

Lectures
Individual consultations
Tutorials
Experimental work in labs

Summary

The matter of the subject is thermodynamics and chemical kinetics with theoretical cross-over in to the field of selected applications.

Compulsory literature:

[1] Atkins, P., de Paula, J. Physical Chemistry 9th Edition, Oxford University Press, New York, 2010.

Recommended literature:

[1] Brdička, R. Základy fysikální chemie: vysokoškolská učebnice 2. vyd., Academia, Praha, 1977. [2] Silbey, R., J., Alberty, R., A., Bawendi, M., G. Physical chemistry 4th Edition. Wiley, USA, 2004. [3] Gaskell, D., R. Introduction to Thermodynamics of Materials, 3rd. Ed., Taylor and Francis, New York-London 1995, ISBN 1-56032-432-5.

Way of continuous check of knowledge in the course of semester

Credit, written and oral part of examination.

E-learning

Other requirements

zkouší zkouší zkouší zkouší zkouší zkouší

Prerequisities

Subject has no prerequisities.

Co-requisities

Subject has no co-requisities.

Subject syllabus:

Přednášky: 1. Úvod do předmětu. Základní pojmy, soustava, termodynamické vlastnosti soustavy, termodynamický děj, termodynamické stavové veličiny a funkce. Plynný skupenský stav. Ideální a reálný plyn. Základní zákony pro ideální plyn a popis chování reálných plynů. Stavové rovnice. 2. Chemická termodynamika. Tepelné kapacity látek, výpočet, změny s teplotou a v průběhu chemické reakce. I. věta termodynamická, formulace a význam. Práce ideálního plynu. Teplo za stálého tlaku a objemu. Entalpie a vnitřní energie. Termodynamická definice molových tepel. 3. Ohřev a ochlazování látek. Reakční tepla. Termochemické zákony. Výpočet reakčních tepel. Závislost reakčního tepla na teplotě - Kirchhoffovy zákony a jejich použití. Teoretické reakční teplota. 4. II. věta termodynamická, její formulace a význam. Tepelný stroj, Carnotův cyklus. Entropie, její význam a změny pro vybrané procesy (děje). Termodynamické potenciály, Helmholtzova a Gibbsova energie, jejich význam pro rovnováhu a průběh dějů. Afinita. Spojení I. a II. VT, vztahy mezi termodynamickými stavovými funkcemi. Maxwellovy rovnice. Teplotní závislost Helmholtzovy a Gibbsovy energie, Gibbs-helmholtzovy rovnice a jejich použití. 5. Parciální molární veličiny, definice, vlastnosti. Chemický potenciál a jeho význam. Gibbs–Duhemova rovnice. Chemické rovnováhy. Rovnice reakční izotermy, pravá termodynamická rovnovážná konstanta. Vyjadřování rovnovážných konstant pro homogenní a heterogenní chemické reakce. Stupeň přeměny a výpočet rovnovážného složení. Vliv teploty a tlaku na rovnováhu chemické reakce. Rovnice reakční izotermy, izobary a izochory. Princip akce a reakce (Le Chaterier–Braunův). 7. Fázové rovnováhy. Gibbsův zákon fází, fáze, skupenství, složka, stupeň volnosti. Jednosložková soustava, fázový diagram, trojný bod. Rovnováha jednosložkové dvoufázové soustavy, Clapeyronova a Clausius–Clapeyronova rovnice. Rovnováha dvousložkové soustavy. III. věta termodynamická. 9. Chemická kinetika a její význam. Kinetika homogenních chemických reakcí. Základní pojmy, rychlost chemické reakce, Guldberg–Waagův zákon, kinetická interpretace rovnováhy, molekularita a řád chemické reakce, mechanismus. Kinetika reakcí1.řádu, poločas reakce. Kinetika reakcí 2. a vyšších řádů. 10. Mechanismus simultánních chemických reakcí, reakce protisměrné, souběžné a následné, matematické řešení. Závislost reakční rychlosti na teplotě (Arrheniova rovnice). Teorie reakční rychlosti, srážková teorie a teorie absolutních reakčních rychlostí. Závislost reakční rychlosti na tlaku. 11. Kinetika heterogenních chemických reakcí, články heterogenní kinetiky. Difúze, molekulární difúze, I. a II. Fickův zákon, následná a souběžná difúze, principy řešení. Vliv teploty na difúzní procesy. Adsorpce, fyzikální a chemická. Adsorpce plynů na tuhé fázi. Adsorpční izotermy, Freundlichova, Langmuirova, BET. Jednodušší aplikace spojování článků heterogenní kinetiky. 12. Termická disociace uhličitanů, oxidů, sulfidů, nitridů. Disociační teplota a napětí. Přímá a nepřímá redukce oxidů. Termodynamika a kinetika disociace a redukce. Boudouardova reakce. Topochemické reakce. Oxidace kovů. 13. Roztavené kovy a oxidické systémy. Struktura roztaveného kovu (základní teorie). Struktura roztavených oxidických systémů (molekulární a iontová teorie. Fyzikální vlastnosti roztavených systémů (viskozita, difúze, adsorpce a povrchové napětí). 14. Homogenní a heterogenní nukleace. Krystalizace. Nekovové fáze v kovu (termodynamika a kinetika jejich vznikuvzniku). Interakce plynů s roztaveným kovem. Sievertsův zákon. Teoretická cvičení: 1. Úvod - seznámení s časovým harmonogramem cvičení, podmínkami pro získání zápočtu a doporučenou literaturou. Zákony pro ideální plyn a ideální plynné směsi, stavové rovnice pro reálný plyn. 2. Definice tepelné kapacity, její závislost na teplotě. Izobarická a izochorická tepelná kapacita. Molární a specifická tepelná kapacita. Pravá tepelná kapacita a střední hodnota tepelné kapacity. Změna tepelné kapacity při chemické reakci. 3. Ohřev a ochlazování látek (izobarický a izochorický ohřev). Ohřev látek s izotermní fázovou přeměnou. Kalorimetrická rovnice. 4. Reakční teplo, termochemické zákony (Lavoisierův a Hessův). Standardní reakční entalpie, slučovací entalpie, spalná entalpie a jejich vzájemné souvislosti. 5. Závislost reakční entalpie na teplotě (Kirchhoffovy rovnice). Reakční entalpie pro chemickou reakci s izotermickou fázovou přeměnou látek a bez této přeměny. 6. Změna entropie při ohřevu a ochlazování látek. Standardní reakční entropie a její závislost na teplotě. Standardní reakční Gibbsova energie a její závislost na teplotě. 7. Samostatná výpočtová práce I. 8. Chemické rovnováhy. Rovnovážné konstanty pro reakce homogenní a heterogenní. Rovnovážný stupeň přeměny a jeho aplikace při výpočtu rovnovážného složení a výpočtu rovnovážné konstanty. 9. Chemické rovnováhy. Rovnice reakční izotermy, izobary a izochory. Simultánní rovnováhy. Termická disociace sloučenin. přímá a nepřímá redukce sloučenin 10. Fázové rovnováhy v jednosložkové dvoufázové soustavě. Gibbsův fázový zákon. Aplikace Clapeyronovy a Clausius-Clapeyronovy rovnice. 11. Kinetika homogenních chemických reakcí. Výpočet reakční rychlosti (sledování časového průběhu reakce). Kinetické rovnice pro reakci 1. a 2. řádu. Závislost rychlostní konstanty na teplotě (Arrheniova rovnice). 12 Koncentrace roztoků a jejich vzájemné přepočty. Raoultův a Henryho zákon, ideální a velmi zředěný roztok. 13 Reálné roztoky neelektrolytů, různé pojetí aktivit. Rozpustnost plynů v kovech, Sievertsův zákon. 14. Samostatná výpočtová práce II. Laboratorní cvičení Součástí je seznámení studentů s bezpečností práce v laboratoři, s laboratorními úlohami, základními informacemi o průběhu cvičení a s požadavky pro zpracování protokolu. 1) Stanovení spalného tepla organických látek. 2) Stanovení rovnovážné konstanty disociace slabého elektrolytu. 3) Stanovení teplotní závislosti tlaku nasycených par kapaliny a její molární výparné entalpie. 4) Fázový diagram třísložkové soustavy. 5) Termický rozklad uhličitanů. 6) Adsorpce kyseliny šťavelové na aktivním uhlí. 7) Povrchové napětí vybraných kapalin metodou maximálního tlaku v bublince. 8) Stanovení hustoty vodných roztoků glycerolu v závislosti na koncentraci metodou ponorného tělíska a pyknometricky.

Conditions for subject completion

Full-time form (validity from: 2023/2024 Winter semester, validity until: 2023/2024 Summer semester)
Task nameType of taskMax. number of points
(act. for subtasks)
Min. number of pointsMax. počet pokusů
Credit and Examination Credit and Examination 100 (100) 51 3
        Credit Credit 45  20 3
        Examination Examination 55  51 3
Mandatory attendence participation: Podmínky: - 100 % účast a 1 omluvená neúčast: 1b - úspěšné absolvování dvou samostatných výpočtových prací: hodnocení 14 + 14 = max. 28 bodů (min. 5b + 5b) - absolvování 8 laboratorních cvičení, odevzdání a obhájení protokolů: max. 16 bodů (min. 5b) Zápočet: - zápočet min. bodů 20 - zápočet max. bodů 45 Zkouška (kombinovaná): - písemná část zkoušky (test): max. 15 bodů (min. 5 b) - ústní část zkoušky - max. 40 bodů (min. 10 b)

Show history

Conditions for subject completion and attendance at the exercises within ISP: Study will be realized with respect to the possibilities of the student, teachers and laboratories. Study will be based on the conditions which are specified for the students without ISP.

Show history

Occurrence in study plans

Academic yearProgrammeBranch/spec.Spec.ZaměřeníFormStudy language Tut. centreYearWSType of duty
2025/2026 (B0715A270004) Materials Engineering K Czech Ostrava 2 Compulsory study plan
2025/2026 (B0715A270004) Materials Engineering P Czech Ostrava 2 Compulsory study plan
2024/2025 (B0715A270004) Materials Engineering P Czech Ostrava 2 Compulsory study plan
2024/2025 (B0715A270004) Materials Engineering K Czech Ostrava 2 Compulsory study plan
2024/2025 (B0713A070001) Thermal energetics engineering P Czech Ostrava 2 Compulsory study plan
2024/2025 (B0713A070001) Thermal energetics engineering K Czech Ostrava 2 Compulsory study plan
2023/2024 (B0713A070001) Thermal energetics engineering K Czech Ostrava 2 Compulsory study plan
2023/2024 (B0713A070001) Thermal energetics engineering P Czech Ostrava 2 Compulsory study plan

Occurrence in special blocks

Block nameAcademic yearForm of studyStudy language YearWSType of blockBlock owner

Assessment of instruction

Předmět neobsahuje žádné hodnocení.