651-2201/01 – Fyzikální chemie (FCH)
| Garantující katedra | Katedra chemie a fyzikálně-chemických procesů | Kredity | 8 |
| Garant předmětu | prof. Ing. Jana Dobrovská, CSc. | Garant verze předmětu | prof. Ing. Jana Dobrovská, CSc. |
| Úroveň studia | pregraduální nebo graduální | Povinnost | povinný |
| Ročník | 2 | Semestr | zimní |
| | Jazyk výuky | čeština |
| Rok zavedení | 2022/2023 | Rok zrušení | |
| Určeno pro fakulty | FMT | Určeno pro typy studia | bakalářské |
Cíle předmětu vyjádřené dosaženými dovednostmi a kompetencemi
- používat základní termodynamické veličiny (entalpie, entropie, Gibbsova
energie) pro popis chování systémů
- popsat chemické rovnováhy - sledovat závislost rovnovážné konstanty na
vnějších faktorech (vliv teploty, tlaku)
- popsat fázové rovnováhy – podmínky fázové rovnováhy, Gibbsův fázový
zákon, fázové rovnováhy čistých látek
- definovat a používat základní pojmy chemické kinetiky – rychlost chemické
reakce, kinetické rovnice, reakční řád, rychlostní konstanta, sledovat
závislost reakční rychlosti na teplotě, na tlaku
- popsat základní články heterogenních reakcí – difúze, adsorpce; určení
limitujícího článku heterogenního procesu
- aplikovat získané teoretické poznatky na výpočetních a laboratorních
cvičeních a na různé procesy chemické praxe.
Vyučovací metody
Přednášky
Individuální konzultace
Cvičení (v učebně)
Experimentální práce v laboratoři
Anotace
Obsahem předmětu je chemická termodynamika (termodynamický popis soustav a dějů, popis chemických a fázových rovnováh) a chemická kinetika (kinetická analýza homogenních a heterogenních reakcí).
Povinná literatura:
Doporučená literatura:
Další studijní materiály
Forma způsobu ověření studijních výsledků a další požadavky na studenta
PREZENČNÍ STUDIUM
Podmínky pro udělení zápočtu na cvičení:
- 100 % účast na teoretických cvičeních a 1 omluvená neúčast – 3 body
- 2 omluvené neúčasti - 1 bod
- účast na teoretickém cvičení menší než 79% ( více než 3 neúčasti)
poskytuje možnost neudělení zápočtu
- úspěšné absolvování dvou samostatných výpočtových písemek – hodnocení
13 + 13 = max. 26 bodů
- absolvování 8 laboratorních cvičení, odevzdání a obhájení protokolů –
max. 16 bodů ( toto bodové ohodnocení představuje jak hodnocení vlastní
teoretické přípravy na danou laboratorní úlohu, tak práci v laboratoři a
hodnocení obsahové a formální stránky laboratorního protokolu včetně
jeho obhajoby)
- oprava písemky – lze opravit maximálně jednu písemku maximálně jedenkrát.
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. 4 body za písemku) a laboratorního cvičení, tzn. student musí absolvovat obě výpočtové písemky a splnit podmínky laboratorního cvičení.
Bodové hodnocení zkoušky: zkouška kombinovaná
- písemná část zkoušky - max. 15 bodů
- ústní část zkoušky - max. 40 bodů
V celkovém zisku bodového ohodnocení zkoušky musí být obsaženo jak nenulové hodnocení výpočtové zkouškové písemky (min. 5 bodů za písemku), 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.
KOMBINOVANÉ STUDIUM
Seznam podmínek pro udělení zápočtu:
- povinná účast na cvičení - 5 bodů
- vypracování zadaného výpočtového programu - 25 bodů
Bodování za zápočet:
Min. počet bodů - 15
Max. počet bodů - 30
Bodování za zkoušku
Ústní zkouška (min. počet bodů - 25, max. počet bodů - 70)
E-learning
Další požadavky na studenta
Další požadavky nejsou definovány.
Prerekvizity
Předmět nemá žádné prerekvizity.
Korekvizity
Předmět nemá žádné korekvizity.
Osnova předmětu
Přednášky:
1. Úvod do předmětu. Plynný skupenský stav. Ideální plyn, základní zákony. Chování reálných plynů, kompresibilitní faktor, viriální koeficienty, kritický stav plynu, van der Waalsova rovnice. Tepelné kapacity látek, výpočet, změny s teplotou a v průběhu chemické reakce.
2. Chemická termodynamika. Základní pojmy. I. věta termodynamická, formulace a význam. Práce ideálního plynu. Teplo za stálého tlaku a objemu, termodynamická stavová funkce entalpie. Termodynamická definice molových tepel. Výpočet ohřevu a ochlazování látek. Reakční tepla. Termochemické zákony, výpočet reakčních tepel.
3. Závislost reakčního tepla na teplotě, Kirchhoffovy zákony a jejich použití. Teoretické reakční teplota. II. věta termodynamická – formulace a význam. Tepelný stroj, Carnotův cyklus. Termodynamická stavová funkce entropie. Entropie z hlediska statistické termodynamiky.
4. Výpočet změn entropie za různých podmínek. Absolutní entropie. Nernstův tepelný teorém. Termodynamické potenciály – Helmholtzova a Gibbsova energie. Rozhodování o průběhu a rovnováze dějů. Afinita.
5. Vztahy mezi termodynamickými stavovými funkcemi, Maxwellovy rovnice. Gibbs–Helmholtzovy rovnice a jejich použití. Parciální molární veličiny – definice, vlastnosti. Gibbs–Duhemova rovnice. Chemický potenciál a jeho význam.
6. Chemické rovnováhy. Rovnice reakční izotermy. Vyjadřování rovnovážných konstant pro homogenní a heterogenní chemické reakce. Výpočet rovnovážného složení, stupeň přeměny. Vliv teploty na rovnováhu chemické reakce, rovnice reakční izobary a izochory. Vliv tlaku na rovnováhu chemické reakce. Princip Le Chaterier–Braunův.
7. Termodynamika a mechanismus základních technologických reakcí: Termická disociace sloučenin, disociační teplota a napětí. Nepřímá redukce kovů. Přímá redukce kovů, Boudouardova reakce. Topochemické reakce.
8. 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.
9. 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. Aktivity a aktivitní koeficienty ve vícesložkových soustavách.
10. Termodynamické funkce roztoků. Parciální molární veličiny. Diferenciální a integrální veličiny. Směšovací a dodatkové veličiny. Termodynamické funkce a modely roztoků – model ideálního, reálného, regulárního, atermálního roztoku. Gibbs-Duhemova rovnice a její aplikace. Rozpustnost plynů v kovech.
11. Koligativní vlastnosti roztoků – snížení tlaku par nad roztokem netěkavé látky, ebulioskopický efekt, kryoskopický efekt, osmotický tlak. Fázové diagramy binárních kapalných směsí při různé mísitelnosti složek. Princip destilace, rektifikace. Rozdělovací rovnováhy, Nernstův rozdělovací zákon, extrakce.
12. Termodynamické podmínky pro vznik zárodků nové fáze, homogenní a heterogenní nukleace. Krystalizace z tavenin, hybná síla krystalizace.
Teoretické 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 způsobu převodu tepla (izobarická a izochorická tepelná kapacita), na velikosti soustavy (molární a specifická tepelná kapacita) a na teplotě. Změna tepelné kapacity při chemické reakci.
3. Ohřev a ochlazování látek za izobarických podmínek se zohledněním izotermické fázové přeměny. Reakční teplo, termochemické zákony, standardní reakční entalpie, slučovací entalpie, spalná entalpie a jejich vzájemné souvislosti.
4. Reakční entalpie podle Hessova zákona. Závislost standardní reakční entalpie na teplotě, reakční entalpie pro chemickou reakci s izotermickou fázovou přeměnou látek a bez této přeměny.
5. Změna entropie při ohřevu a ochlazování látek, standardní reakční entropie a její závislost na teplotě. Standardní reakční Gibbsova energie a její závislost na teplotě.
6. Samostatná výpočtová práce I.
7. Chemické rovnováhy – různé formy rovnovážných konstant pro reakce homogenní a heterogenní, rovnovážný stupeň přeměny a jeho aplikace při výpočtu rovnovážného složení a výpočtu rovnovážné konstanty.
8. Chemické rovnováhy – reakční izoterma. Reakční izobara – závislost rovnovážné konstanty na teplotě.
9. Fázové rovnováhy v jednosložkové dvoufázové soustavě – Clapeyronova a Clausius-Clapeyronova rovnice. Teplotní závislost molární výparné entalpie. Teplota a tlak v trojném bodě.
10. Koncentrace roztoků a jejich vzájemné přepočty. Raoultův a Henryho zákon, ideální a velmi zředěný roztok. Reálné roztoky neelektrolytů, různé pojetí aktivit vzhledem k různé volbě standardních stavů (aktivita vzhledem k Raoultovu a Henryho zákonu). Koligativní vlastnosti roztoků.
11. Termodynamické podmínky vzniku ideálního, reálného a regulárního roztoku. Sievertsův zákon.
12. 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.
1. Stanovení teplotní závislosti tlaku nasycených par kapaliny a její molární výparné entalpie.
2. Adsorpce kyseliny šťavelové na aktivním uhlí.
3. Stanovení rozdělovacího koeficientu.
4. Stanovení hustoty vodných roztoků glycerolu v závislosti na koncentraci metodou ponorného tělíska a pyknometricky.
5. Termický rozklad uhličitanů.
6. Fázový diagram třísložkové soustavy.
7. Stanovení parciálních molárních objemů v tuhých binárních slitinách kovů
8. Rozpustnost látek
Hodnocení obsahové a formální úrovně protokolů, zápočet.
Podmínky absolvování předmětu
Výskyt ve studijních plánech
Výskyt ve speciálních blocích
Hodnocení Výuky