PřF:C4020 Physical Chemistry II

C4020 Physical Chemistry II

Faculty of Science
Autumn 2020

Extent and Intensity

2/0/0. 2 credit(s) (fasci plus compl plus > 4). Type of Completion: zk (examination).

Teacher(s)

doc. Mgr. Markéta Munzarová, Dr. rer. nat. (lecturer)
doc. Mgr. Dominik Heger, Ph.D. (lecturer)
Mgr. Hugo Semrád, Ph.D. (seminar tutor)

Guaranteed by

doc. Mgr. Markéta Munzarová, Dr. rer. nat.
Department of Chemistry – Chemistry Section – Faculty of Science
Supplier department: Department of Chemistry – Chemistry Section – Faculty of Science

Timetable

Mon 14:00–15:50 B11/205

Prerequisites

C4660 Physical Chemistry I
Prior study of basic physical chemistry assumed (e.g. C4660).

Course Enrolment Limitations

The course is also offered to the students of the fields other than those the course is directly associated with.

fields of study / plans the course is directly associated with

there are 16 fields of study the course is directly associated with, display

Course objectives

The goal of the course C4020 is to instruct students in basic understanding of quantum theory principles, techniques and applications, atomic and molecular structure, statistical thermodynamics, molecular motions, rates of chemical reactions including complex ones, and of molecular reaction dynamics.

Learning outcomes

After completing this course, students will be able to:
- do energy level calculations for simple quantum systems
- write down and solve kinetic equations for basic types of reactions
- understand phase diagrams of mixtures
- employ symmetry for the classification of orbital interactions

Syllabus

1. Quantum theory (Atkins 7+8), MM ,
Blackbody radiation and Planck's relationship for energy. Částicová povaha EM záření a vlnová povaha částic. Částice v potenciálové jámě: Schrödingerova rovnice, vlnové funkce a hladiny energie, Bornova pravděpodobnostní interpretace, normování. Hladiny energie pro harmonický oscilátor. Hladiny energie částice na sféře, degenerace.
2. Struktura a spektra atomů (Atkins 9), MM
Spektrální linie atomu H, energie vázaných stavů a hlavní kvantové číslo n. Význam pojmu atomový orbital, orbital 1s: radiální část vlnové funkce a radiální distribuční funkce. Kvantová čísla l a ml , orbitaly 2s-3d. Atomy s více elektrony: význam pojmu orbital, stínění a efektivní náboj, Slaterova pravidla. Závislost energie na l,
3. Struktura molekul (Atkins 10), MM.
Bornova-Oppenheimerova aproximace a křivka potenciální energie. Teorie molekulových orbitalů: molekulový ion H2+. Interakce dvou AO: vazebné orbitaly a protivazebné orbitaly. Izoplochy a symetrické nálepky MO. Interakční diagram a míra interakce vs. překryv. Zaplňování hladin a pojem řád vazby. Orbitaly typu  a . Přehled MO homonukleárních biatomických molekul, obsazení hladin a vazebné délky, energie a vibrační frekvence.
4. Symetrie molekul (Atkins 11), MM
Prvky a operace symetrie a jejich notace: rotace a vlastní osa, zrcadelní a rovina, inverze a její střed, nevlastní rotace a nevlastní osa, identita a celý prostor. Pojem grupa symetrie. Klasifikace vybraných molekul podle symetrie: Grupy C1, Cs, C2, Cnv, Cnh, Dnh, D2d, Td, Oh. Reprezentace a charaktery, tabulka charakterů. Symetrie a orbitální interakce.
5. Statistická termodynamika (Atkins 15), MM
Okamžitá konfigurace, váha konfigurace (W), výpočet váhy distribuce. Vztah pro ln W pomocí Stirlingovy aproximace. Boltzmannovo rozdělení: pojem dominantní konfigurace, podmínka konstantní energie a konstantního počtu částic, závislost populace na energii. Molekulová partiční funkce, její zápis pro rigidní rotor a interpretace.
6. Pohyb molekul v plynech (Atkins 20.1.1), DH
Tlak ideálního plynu mikroskopicky. Předpoklady kinetického modelu. Střední kvadratické rychlosti. Od Boltzmannova rozdělení energií k Maxwellovu rozdělení rychlostí. Maxwellova distribuce pro různé M a T. Nejpravděpodobnější rychlost a střední rychlost.
7. Transportní vlastnosti ideálního plynu, difuze (Atkins 20.1.4+20.3), DH
Pojem difuze. Tok a jeho souvislost s gradientem koncentrace: 1. Fickův zákon difuze. Difúzní koeficient a střední volná dráha. 2. Fickův zákon difuze.
8. Chemická kinetika – 2. pohled (Atkins 21+22.3.2), DH
Plochy potenciální energie (Atkins 22.3.2). Princip mikroskopické reversibility. Typické reakční mechanismy a přesná řešení jejich rychlostních rovnic pro paralelní, následné a vratné reakce. Řešení rychlostních rovnic využívající přiblížení: pseudo první řád, předřazená rovnováha. Ustálený stav, kinetické a termodynamické řízení reakcí.
9. Chemická kinetika – 3. Pohled (Atkins 21.1+23.1) (DH)
Konkrétní řešení kinetických problémů: Lindemanův mechanismus unimolekulárního rozkladu. Homogenní katalýza – pomocí principu předřazené rovnováhy a aproximace ustáleného stavu. Enzymy: Mechanismus Michaelise a Mentenové.
10. Jednoduché směsi: 2. pohled (Atkins 5.3), MM
Diagramy s tlakem par: složení páry, interpretace diagramů, pákové pravidlo. Diagramy teplota-složení: destilace směsí, azeotropy, nemísitelné kapaliny. Fázové diagramy rovnováhy kapalina-kapalina: rozdělení na fáze, kritické rozpouštěcí teploty, destilace částečně mísitelných kapalin. Fázové diagramy rovnováhy kapalina-pevná fáze.
11. Aktivity iontů. Chemická rovnováha: 2. pohled (Atkins 5.4.4, 6.2), DH
Aktivity iontů v roztoku: střední aktivitní koeficienty, Debye-Hückelův limitní zákon. Jak reagují rovnováhy na změny tlaku. Odezva rovnováh na změny teploty: Van’t Hoffova rovnice.

Literature

required literature

Atkins Peter, de Paula Julio: Fyzikální chemie, VŠCHT Praha (1. vydání, 2013) , ISBN: 978-80-7080-830-6.

recommended literature

ATKINS, P. W. and Julio DE PAULA. Atkins' physical chemistry. 9th ed. Oxford: Oxford University Press, 2010, xxxii, 972. ISBN 9780199543373. info

not specified

KLOUDA, Pavel. Fyzikální chemie : studijní text pro SPŠCH. 2., upr. a dopl. vyd. Ostrava: Pavel Klouda, 2002, 139 s. ISBN 8086369064. info
ATKINS, P. W. and Julio DE PAULA. Atkins' physical chemistry. 8th ed. Oxford: Oxford University Press, 2006, xxx, 1064. ISBN 0198700725. info
ATKINS, P. W. and Julio DE PAULA. Atkins' physical chemistry. 7th ed. Oxford: Oxford University Press, 2002, xxi, 1150. ISBN 0198792859. info
ATKINS, P. W. Physical chemistry. 6th ed. Oxford: Oxford University Press, 1998, 1014 s. ISBN 0198501013. info
MOORE, Walter J. Fyzikální chemie. 2. vyd. Praha: Nakladatelství technické literatury, 1981, 974 s. info

Bookmarks