651-0002/01 – Fyzikální chemie (FCH)

Garantující katedraKatedra chemie a fyzikálně-chemických procesůKredity6
Garant předmětuprof. Ing. Bedřich Smetana, Ph.D.Garant verze předmětuprof. Ing. Bedřich Smetana, Ph.D.
Úroveň studiapregraduální nebo graduálníPovinnostpovinný
Ročník2Semestrzimní
Jazyk výukyčeština
Rok zavedení2023/2024Rok zrušení
Určeno pro fakultyFMTUrčeno pro typy studiabakalářské
Výuku zajišťuje
Os. čís.JménoCvičícíPřednášející
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.
Rozsah výuky pro formy studia
Forma studiaZp.zak.Rozsah
prezenční Zápočet a zkouška 2+4
kombinovaná Zápočet a zkouška 18+6

Cíle předmětu vyjádřené dosaženými dovednostmi a kompetencemi

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.

Vyučovací metody

Přednášky
Individuální konzultace
Cvičení (v učebně)
Experimentální práce v laboratoři

Anotace

Obsahem předmětu je chemická termodynamika a chemická kinetika s teoretickým přesahem do oblasti vybraných technologických aplikací.

Povinná literatura:

[1] Moore, W., J. Fyzikální chemie: příručka pro vysoké školy chemickotechnologické, SNTL, Praha, 1981. [2] Kellö, V., Tkáč, A. Fyzikálna chémia: vysokoškolská učebnica, Alfa, Bratislava, 1977. [3] Novák, J. a kol. Fyzikální chemie: bakalářský a magisterský kurz. VŠCHT, Praha, 2008. [4] Peřinová, K., Smetana, B., Zlá, S., Kostiuková, G. Teoretické základy fyzikální chemie v příkladech, VŠB, Ostrava, 2018. [5] Atkins, P., de Paula, J. Physical Chemistry 9th Edition, Oxford University Press, New York, 2010. [6] Dudek, R., Peřinová K., Kalousek, J. Teorie technologických procesů. Ostrava: Vysoká škola báňská - Technická univerzita Ostrava, 2012. ISBN 978-80-248-2571-7. Dostupné z: https://www.vsb.cz/e-vyuka/cs/subject/619-2010/01. [7] Dobrovská, J., Peřinová. K. Teoretické základy technologických procesů v příkladech, VŠB-TUO, 2018. Dostupné z: https://www.vsb.cz/e-vyuka/cs/subject/619-2010/01.

Doporučená literatura:

[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.

Forma způsobu ověření studijních výsledků a další požadavky na studenta

Zápočet, písemná a ústní část zkoušky.

E-learning

Další požadavky na studenta

zkouší zkouší zkouší zkouší zkouší zkouší

Prerekvizity

Předmět nemá žádné prerekvizity.

Korekvizity

Předmět nemá žádné korekvizity.

Osnova předmětu

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.

Podmínky absolvování předmětu

Kombinovaná forma (platnost od: 2023/2024 zimní semestr)
Název úlohyTyp úlohyMax. počet bodů
(akt. za podúlohy)
Min. počet bodůMax. počet pokusů
Zápočet a zkouška Zápočet a zkouška 100 (100) 51
        Zápočet Zápočet 30  15 3
        Zkouška Zkouška 70  25 3
Rozsah povinné účasti: Podmínky: - účast na výpočtovém soustředění: 5 bodů - vypracování a odevzdání zadaného výpočtového programu: max. 25 bodů (min. 10b) Zápočet: - zápočet min. bodů 15 - zápočet max. bodů 30 Zkouška: - ústní teoretická zkouška: max. 70 bodů (min. 25b).

Zobrazit historii

Podmínky absolvování předmětu a účast na cvičeních v rámci ISP: Studium bude realizováno s ohledem na možnosti studenta, vyučujících a laboratoří. Studium bude vycházet z podmínek studentů, kteří nemají ISP.

Zobrazit historii

Výskyt ve studijních plánech

Akademický rokProgramObor/spec.Spec.ZaměřeníFormaJazyk výuky Konz. stř.RočníkZLTyp povinnosti
2025/2026 (B0715A270004) Materiálové inženýrství K čeština Ostrava 2 povinný stu. plán
2025/2026 (B0715A270004) Materiálové inženýrství P čeština Ostrava 2 povinný stu. plán
2024/2025 (B0715A270004) Materiálové inženýrství P čeština Ostrava 2 povinný stu. plán
2024/2025 (B0715A270004) Materiálové inženýrství K čeština Ostrava 2 povinný stu. plán
2024/2025 (B0713A070001) Tepelně energetické inženýrství P čeština Ostrava 2 povinný stu. plán
2024/2025 (B0713A070001) Tepelně energetické inženýrství K čeština Ostrava 2 povinný stu. plán
2023/2024 (B0713A070001) Tepelně energetické inženýrství K čeština Ostrava 2 povinný stu. plán
2023/2024 (B0713A070001) Tepelně energetické inženýrství P čeština Ostrava 2 povinný stu. plán

Výskyt ve speciálních blocích

Název blokuAkademický rokForma studiaJazyk výuky RočníkZLTyp blokuVlastník bloku

Hodnocení Výuky

Předmět neobsahuje žádné hodnocení.