651-0002/02 – Fyzikální chemie (FCH)
| Garantující katedra | Katedra chemie a fyzikálně-chemických procesů | Kredity | 7 |
| Garant předmětu | prof. Ing. Bedřich Smetana, Ph.D. | Garant verze předmětu | prof. Ing. Bedřich Smetana, Ph.D. |
| Úroveň studia | pregraduální nebo graduální | Povinnost | povinný |
| Ročník | 2 | Semestr | zimní |
| | Jazyk výuky | angličtina |
| Rok zavedení | 2023/2024 | Rok zrušení | |
| Určeno pro fakulty | FMT | Určeno pro typy studia | bakalářské |
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:
Doporučená literatura:
Forma způsobu ověření studijních výsledků a další požadavky na studenta
Zápočet, písemná a ústní část zkoušky.
E-learning
Další požadavky na studenta
přednáší, zkouší, poskytuje konzultace
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
Výskyt ve studijních plánech
Výskyt ve speciálních blocích
Hodnocení Výuky
Předmět neobsahuje žádné hodnocení.