C4020 Fyzikální chemie II

Přírodovědecká fakulta
podzim 2020
Rozsah
2/0/0. 2 kr. (příf plus uk plus > 4). Ukončení: zk.
Vyučující
doc. Mgr. Markéta Munzarová, Dr. rer. nat. (přednášející)
doc. Mgr. Dominik Heger, Ph.D. (přednášející)
Mgr. Hugo Semrád, Ph.D. (cvičící)
Garance
doc. Mgr. Markéta Munzarová, Dr. rer. nat.
Ústav chemie – Chemická sekce – Přírodovědecká fakulta
Dodavatelské pracoviště: Ústav chemie – Chemická sekce – Přírodovědecká fakulta
Rozvrh
Po 14:00–15:50 B11/205
Předpoklady
C4660 Fyzikální chemie I
Absolvování předmětu C4660 Základy fyzikální chemie.
Omezení zápisu do předmětu
Předmět je nabízen i studentům mimo mateřské obory.
Mateřské obory/plány
Cíle předmětu
Cílem předmětu C4020 je poskytnout studentům základní porozumění principům, technikám a aplikacím kvantové mechaniky, struktuře atomů a molekul, principům statistické termodynamiky, popisu pohybu molekul, rychlosti chemických reakcí a reakční dynamiky.
Výstupy z učení
Student bude po absolvování tohoto předmětu schopen:
- Provádět výpočty dovolených hladin energie pro jednoduché kvantové systémy
- zapsat a řešit kinetické rovnice pro základní typy reakcí
- rozumět fázovým diagramům směsí
- využívat symetrii ke klasifikaci orbitálních inetrakcí
Osnova
  • 1. Kvantová teorie (Atkins 7+8), MM ,
  • Záření černého tělesa a Planckův vztah pro energii. 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.
Literatura
    povinná literatura
  • Atkins Peter, de Paula Julio: Fyzikální chemie, VŠCHT Praha (1. vydání, 2013) , ISBN: 978-80-7080-830-6.
    doporučená literatura
  • ATKINS, P. W. a Julio DE PAULA. Atkins' physical chemistry. 9th ed. Oxford: Oxford University Press, 2010, xxxii, 972. ISBN 9780199543373. info
    neurčeno
  • 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. a Julio DE PAULA. Atkins' physical chemistry. 8th ed. Oxford: Oxford University Press, 2006, xxx, 1064. ISBN 0198700725. info
  • ATKINS, P. W. a 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
Záložky
https://is.muni.cz/ln/tag/PříF:C4020!
Výukové metody
Předmět tvoří 13 přednášek. Silně se doporučuje absolvovat simultánně s přednáškou také seminář C4020.
Metody hodnocení
Prezenční písemný test nebo distanční ústní zkouška přes MsTeams, dle volby studenta.
Forma (distanční nebo prezenční) bude upřesněna s ohledem na aktuální situaci.
Obě formy zkoušky budou založeny na zadání otázek a úloh v rozsahu 6ti stran po jednotlivých tématech. Obě budou hodnoceny plným počtem bodů v případě zcela správné odpovědi, polovinou bodů v případě částečně správně odpovědi, resp. nulovým ziskem při žádné nebo výrazně nesprávné odpovědi.
Pro úspěšné složení ZK bude potřeba získat z testu nebo ústní zkoušky 50% bodů celkem a 25% bodů za každou stranu. Pokud bude splněn bodový limit 50% bodů celken a limit 25% bodů bude splněn v 5ti oblastech ze 6ti, bude možné ústní dozkoušení z problematické kapitoly.
Test/ústní výkon bude též oznámkován dle šablony 50-59% E, 60-69% D, 70-79% C, 80-89% B, 90-100% A.
Navazující předměty
Informace učitele
Doporučuje se zapsat společně s předmětem C4040 Pokročilá fyzikální chemie - seminář.
Další komentáře
Studijní materiály
Předmět je vyučován každoročně.
předmět předpokládá znalosti fyzikální chemie v rozsahu C4660.
Nachází se v prerekvizitách jiných předmětů
Předmět je zařazen také v obdobích jaro 2008 - akreditace, jaro 2011 - akreditace, jaro 2000, podzim 2010 - akreditace, jaro 2001, jaro 2002, jaro 2003, jaro 2004, jaro 2005, jaro 2006, jaro 2007, jaro 2008, jaro 2009, jaro 2010, podzim 2010, jaro 2011, podzim 2011, podzim 2011 - akreditace, podzim 2012, podzim 2013, podzim 2014, podzim 2015, podzim 2016, podzim 2017, podzim 2018, podzim 2019, podzim 2021, podzim 2022, podzim 2023, podzim 2024.