Chemia fizyczna

Celem przedmiotu jest zapoznanie Studentów z podstawami chemii fizycznej. Zagadnienia omawiane na przedmiocie obejmują elementy termodynamiki, w tym zapoznanie z pojęciem układu i otoczenia, pracy i ciepła, fazy i składnika a także parametrów i funkcji stanu. Studenci poznają podstawowe właściwości płynów, a także przemiany fazowe. Omawiana jest równowaga w układach jednoskładnikowych wielofazowych a także wybrane zagadnienia z równowagi w układach wieloskładnikowych wielofazowych. Studenci zapoznają się z podstawami kinetyki chemiczne i katalizy homogenicznej i heterogenicznej.

Wykłady

Tematyka zajęć:

Podstawowe pojęcia termodynamiczne takie jak układ, otoczenie, praca, ciepło, energia, faza, składnik,. parametry stanu. Podstawy funkcji termodynamicznych i funkcji stanu. Zastosowanie funkcji stanu do opisu właściwości gazów i cieczy. Zjawisko parowania i ciepło parowania. Reguła faz Gibbsa i warunki równowagi fazowej. Pojęcie prężności pary nasyconej i temperatury wrzenia.

Wpływ dodatku substancji nielotnej na prężność pary nasyconej. Zjawiska koligatywne. Ebulioskopia, krioskopia, ciśnienie osmotyczne. Równowaga w układach wieloskładnikowych wielofazowych. Podstawy równowagi w układzie gaz-ciecz. Wpływ temperatury i ciśnienia na rozpuszczalność gazów w cieczach. Równowaga w układach ciecz-par, prawo Raoulta i odstępstwa. Zjawisko azeotropii.

Ilościowy opis równowagi ciecz-ciecz. Wykresy Gibbsa, binody, konody. Wpływ temperatury na równowagę ciecz-ciecz. Ilościowy opis równowagi ciecz-ciało stałe.

Podstawy kinetyki chemicznej. Pojęcie szybkości reakcji, rzędowości reakcji, cząsteczkowości reakcji. Równanie szybkości reakcji. Energia aktywacji. Reakcje równoległe i następcze.

Zjawiska powierzchniowe (sorpcja, napięcie powierzchniowe i fazowe) w układach gaz-ciecz, ciecz-ciecz, gaz(ciecz)-ciało stałe Pojęcie powierzchni wewnętrznej i zewnętrznej. Kataliza heterogeniczna. Pojęcie szybkości procesu i możliwe etapy limitujące szybkość procesu. Centrum aktywne katalizatora. Definicja szybkości dla reakcji katalizowanych.

Ćwiczenia laboratoryjne

Tematyka zajęć:

Podstawowe parametry stanu. Wyznaczanie gęstości i lepkości roztworów, pH. Wpływ temperatury i stężenia na wartości tych parametrów i wielkości fizycznych.

Destylacja prosta, Wyznaczanie temperatury wrzenia wybranej mieszaniny wieloskładnikowej. Wyznaczanie składu cieczy i pary pozostającej ze sobą w równowadze. Porównanie wyników doświadczalnych z teoretycznymi, opartymi na prawie Raoulta (układ doskonały).

Ekstrakcja ciecz-ciało stałe. Wpływ stopnia rozdrobnienia ciała stałego na wydajność ekstrakcji. Wykorzystanie napięcia powierzchniowego (zjawisk powierzchniowych) i jego zależności od stężenia do określania wydajności procesu ekstrakcji białek z materiału roślinnego.

Ekstrakcja ciecz-ciecz. Miareczkowanie do zmętnienia. Wyznaczanie współczynnika podziału Nernsta. Wpływ temperatury na współczynnik podziału Nernsta.

Wyznaczanie stałej szybkości reakcji wymiany jonowej. Wpływ temperatury na szybkość reakcji. Wyznaczanie energii aktywacji.

Podstawowa

1. Krzysztof Pigoń, Zdzisław Ruziewicz, Chemia fizyczna, PWN, 2005

2. Witold Tomassi, Helena Jankowska, Chemia fizyczna, WNT, 1980

Uzupełniająca

1. Lucjan Sobczyk, Adolf Kisza, Kazimierz Gatner, Aleksander Koll, Eksperymentalna chemia fizyczna, PWN, 1982

2 Tadeusz Drapała, Chemia fizyczna z zadaniami, PWN, 1982

WIEDZA - absolwent zna i rozumie:

Zna podstawowe pojęcia termodynamiki, parametry termodynamiczne i ich podział na intensywne i ekstensywne. Zna podstawowe funkcje termodynamiczne (potencjał Gibbsa, entalpia, entropia, energia swobodna). Rozumie różnicę pomiędzy parametrami i funkcjami termodynamicznymi a także zna podstawowe właściwości funkcji termodynamicznych (w tym niezależność wartości funkcji od drogi prowadzenia procesu).

Zna podstawowe właściwości fazy gazowej i ciekłej. Rozumie różnicę pomiędzy płynami doskonałymi i rzeczywistymi. Zna regułę faz Gibbsa. Rozumie warunki równowagi fazowej. Rozumie podstawowe przemiany fazowe, definiuje prężność pary nasyconej, temperaturę wrzenia. Zna i rozumie zjawiska koligatywne i powierzchniowe.

Zna podstawy równowagi w układach wieloskładnikowych, wielofazowych. Zna i rozumie podstawy równowagi w układzie gaz-ciecz oraz ciecz-para. Rozumie różnicę pomiędzy mieszaniną doskonałą (prawo Raoulta) i azeotropową. Zna i rozumie podstawy równowagi w układzie ciecz-ciecz i ciecz-ciało stałe. Rozumie zjawisko ograniczonej rozpuszczalności cieczy i zna podstawy ekstrakcji.

Zna pojęcie szybkości reakcji i klasyfikację kinetyczną reakcji chemicznych. Zna i rozumie pojęcie energii aktywacji i stałej szybkości reakcji. Zna podstawy katalizy jednofazowej i wielofazowej.

UMIEJĘTNOŚCI - absolwent potrafi:

Potrafi wyznaczyć doświadczalnie podstawowe parametry stanu dla układów ciekłych. Potrafi opisać właściwości fizykochemiczne wybranych układów ciekłych. Potrafi zinterpretować otrzymane wyniki pomiarów. Potrafi zestawić odpowiednie stanowisko pomiarowe na podstawie instrukcji do ćwiczenia.

Potrafi przeprowadzić proces destylacji prostej. Potrafi określić temperaturę wrzenia mieszaniny dwuskładnikowej i wyznaczyć skład równowagowy. Na podstawie danych dostępnych w poradniku fizykochemicznym potrafi wykonać obliczenia składu równowagowego. Umie na podstawie własnych danych doświadczalnych i wyniku obliczeń określić czy badany układ jest doskonały czy wykazuje odstępstwa od prawa Raoulta.

Potrafi przygotować materiał badawczy i przeprowadzić proces ekstrakcji ciecz-ciało stałe. Na podstawie wyników pomiarów potrafi wyjaśnić wpływ stopnia rozdrobnienia ciała stałego na wydajność ekstrakcji. Potrafi wymienić parametry mające wpływ na wydajność i szybkość ekstrakcji a także zinterpretować otrzymane wyniki pomiarów.

Potrafi przygotować materiał badawczy i przeprowadzić proces ekstrakcji ciecz-ciecz. Potrafi przygotować próbki do pomiarów metodą spektrofotometryczną. Na podstawie wyników pomiarów potrafi obliczyć współczynnik podziału Nernsta. Wyjaśnia wpływ temperatury i ilości stopni ekstrakcji na wydajność tego procesu. Potrafi wymienić parametry mające wpływ na wydajność i szybkość ekstrakcji a także zinterpretować otrzymane wyniki pomiarów.

Potrafi przygotować materiał badawczy i przeprowadzić reakcję wymiany jonowej. Na podstawie wyników opisuje wpływ temperatury i ilości reagentów na szybkość reakcji chemicznej. Na podstawie wyników pomiarów potrafi obliczyć stałe szybkości reakcji a także energię aktywacji. Umie zastosować proste metody obliczeniowe do estymacji parametrów równania kinetycznego. Wyjaśnia wpływ temperatury na szybkość reakcji.

KOMPETENCJE SPOŁECZNE - absolwent jest gotów do:

Wykazuje zdolność do pracy w zespole przyjmując w nim różne role. Umiejętnie zarządza czasem.

Wykłady

Zaliczenie wykładów na podstawie pozytywnej oceny z pisemnego sprawdzianu z wiedzy i umiejętności (wykonania obliczeń, interpretacji wykresów fazowych) (ocena pozytywna powyżej 50%) – udział w ocenie końcowej modułu 50%

Ćwiczenia laboratotyjne

Zaliczenie ćwiczeń na podstawie pozytywnych ocen będących średnimi z:

- 5 pisemnych indywidualnych sprawozdań z ćwiczeń; udział w ocenie końcowej modułu 40%

- 5 pisemnych sprawdzianów z ćwiczeń (pytania testowe)(ocena pozytywna powyżej 50%); udział w ocenie końcowej modułu 10%