Physical Chemistry - GAF199
Anglický název: Physical Chemistry
Zajišťuje: Katedra biofyziky a fyzikální chemie (16-16110)
Fakulta: Farmaceutická fakulta v Hradci Králové
Platnost: od 2024
Semestr: letní
Body: 0
E-Kredity: 5
Způsob provedení zkoušky: letní s.:písemná
Rozsah, examinace: letní s.:28/28, Z+Zk [HS]
Počet míst: neomezen / 60 (neurčen)
Minimální obsazenost: neomezen
4EU+: ne
Virtuální mobilita / počet míst pro virtuální mobilitu: ne
Kompetence:  
Stav předmětu: vyučován
Jazyk výuky: angličtina
Způsob výuky: prezenční
Úroveň:  
Vysvětlení: (F,1.r.)
Poznámka: odhlásit z termínu zkoušky při nesplněné rekvizitě
předmět je možno zapsat mimo plán
povolen pro zápis po webu
Garant: Mgr. Jana Pavlíková Přecechtělová, Ph.D.
Kategorizace předmětu: Farmacie >
Korekvizity : GAF105
Termíny zkoušek   Rozvrh LS   
Anotace -
Fyzikální chemie je interdisciplinární předmět využívající poznatků fyziky, chemie, elektrochemie a kvantové mechaniky pro popis vlastností sloučenin na úrovni molekulární i makroskopické. Tento předmět poskytuje studentům potřebné teoretické základy oboru a znalosti principů fyzikálně-chemických měřicích metod. Jedná se o přípravný předmět, který má za cíl připravit studenty pro výuku navazujících disciplín obecně přírodovědného základu i disciplín čistě farmaceutických. Témata: Interakce elektromagnetického záření s hmotou, Spektroskopie - principy, Iontové rovnováhy, Jevy na fázovém rozhraní, Elektrochemie a elektrochemické metody, Koloidika a polymery, Reakční kinetika, Nerovnovážné systémy, Biologické membrány a transport látek přes membránu, Principy smyslového vnímání.
Poslední úprava: Pavlíková Přecechtělová Jana, Mgr., Ph.D. (15.02.2025)
Podmínky zakončení předmětu -

Podmínkou udělení zápočtu je splnění následujících podmínek:

1. Absolvování všech úloh v praktických cvičeních, které posluchači přísluší podle rozvrhu. Úlohy zameškané z jakéhokoli důvodu je třeba nahradit ve zvlášť určených termínech.

2. Úspěšné odevzdání protokolů z absolvovaných úloh.

3. Úspěšné absolvování zápočtového testu. Zápočtový test sestává ze dvou výpočtových příkladů (oba hodnoceny po 25-ti bodech). Pro úspěšné absolvování testu je potřeba získat minimálně 20 bodů.

Poslední úprava: Pavlíková Přecechtělová Jana, Mgr., Ph.D. (15.02.2025)
Literatura -

Povinná:

  • Kubíček, Vladimír. Physical Chemistry Calculations. Praha: Karolinum, , 82 s. ISBN .

Doporučená:

  • Atkins, P. W.. Physical chemistry. Oxford: Oxford University Press, 2022, 976 s. ISBN .
  • Sinko, Patrick J.. Martin's physical pharmacy and pharmaceutical sciences : physical chemical and biopharmaceutical principles in the pharmaceutical sciences. Philadelphia: Wolters Kluwer, 2023, 714 s. ISBN 978-1-975174-85-9.

Poslední úprava: Pavlíková Přecechtělová Jana, Mgr., Ph.D. (15.02.2025)
Sylabus -

Interakce elektromagnetického záření s hmotou

1. Elektromagnetické záření: elektromagnetická vlna, elektromagnetické spektrum, vlastnosti elektromagnetického vlnění,.

2. Rychlost šíření elektromagnetického záření, světelný paprsek.

3. Huygensův princip.

4. Odraz světla.

5. Lom světla, Abbého refraktometr.

6. Ohyb světla, disperze světla.

7. Rentgenová difrakce, Braggův zákon, rentgenová krystalografie.

8. Geometrická (paprsková) optika; zrcadla, čočky.

9. Youngův experiment.

10. Polarizované světlo, kruhový polarimetr.

11. Kvantová optika, energie fotonu.

12. Fotoelektrický jev.

 

Spektroskopie - principy

1. Spektroskopie. Spektrum.

2. Lambert-Beerův zákon, absorbance, transmitance.

3. Atomová spektroskopie: interpretace pomocí Bohrova modelu atomu, absorpční spektra, emisní spektra.

4. Úvod do molekulové spektroskopie: elektronové, vibrační a rotační energetické hladiny. Oblasti elektromagnetického spektra a spektroskopické techniky, které je využívají.

5. UV-VIS spektroskopie: molekulové orbitaly, diagram molekulových orbitalů v molekule vodíku, elektronové přechody, vlivy substituentů, konjungace a rozpouštědla, komplementární barvy.

6. Úvod do vibrační spektroskopie: potenciál a energetické hladiny harmonického a anharmonického oscilátoru.

7. Infračervená spektroskopie (IČ): výběrové pravidlo pro infračervené přechody, normální mody víceatomových molekul, oblast charakteristických vibrací a oblast otisku palce v infračerveném spektru.

8. Ramanova spektroskopie: výběrové pravidlo pro Ramanovy přechody, Stokesův a anti-Stokesův posun, výběrové pravidlo pro Ramanovy přechody.

9. Luminiscenční spektroskopie: fluorescence, fosforescence, Jablonskiho diagram, multiplicita stavu.

10. NMR spektroskopie v kontextu ostatních spektroskopických metod - čím se NMR liší?

 

Iontové rovnováhy I a II

1. Charakteristika elektrolytů, stupeň disociace, Arrheniova teorie. Arrheniův vztah pro stupeň disociace.

2. Aktivita, aktivitní koeficient, iontová síla roztoků, Debye-Hűckelova teorie. Vztahy pro výpočet aktivitních koeficientů.

3. Disociace slabých kyselin a zásad, výpočet jejich pH, Ostwaldův zřeďovací zákon.

4. Hydrolýza solí, hydrolytická konstanta, výpočet pH solí.

5. Pufry, mechanismus působení, Hendersonovy - Hasselbalchovy rovnice.

6. Autoprotolýza vody, pH, teorie kyselin a zásad (Arrhenius, Bronsted-Lowry, Lewis).

7. Amfoterní elektrolyty, isoelektrický bod.

8. Acidobazické indikátory.

9. Součin rozpustnosti, rozpustnost sraženin.

 

Jevy na fázovém rozhraní

1.  Pevná a kapalná fázová rozhraní.

2. Povrchové napětí.

3. Adsorpce v kapalném mezifází, povrchově aktivní látky, systém hydrofilně-lipofilní.

4. Jevy na fázovém rozhraní částic, vliv elektrolytů, principy chromatografických metod.

5. Pozitivní a negativní adsorpce na povrchu kapaliny.

6. Mezifázové napětí.

7. Napětí působící v místě styku tří fází.

8. Kontaktní úhel.

9. Rozprostírací koeficient.

 

Elektrochemie, elektrochemické metody I a II

1. Vodivost elektrolytů, její koncentrační závislost, Kohlrauschův zákon o nezávislém putování iontů. Pohyblivost iontů v elektrickém poli.

2. Měření vodivosti, využití vodivostních měření.

3. Vznik elektrodového potenciálu. Nernstova rovnice. Tabelace elektrodových potenciálů.

4. Potenciometrie a její využití.

5. Typy elektrod, Donnanův potenciál. 

6. Galvanické články a měření EMN. Vztah mezi EMN° a Gibbsovou energií.

7. Elektrolýza, Faradayovy zákony.

8. Látkový tok, difúze (Fickův zákon).

9. Další transportní děje v roztocích, Nernstova - Planckova rovnice.

 

Koloidika, polymery

1. Typy rozdělení a charakterizaci koloidních systémů.

2. Lyofilní, lyofobní a asociační koloidy.

3. Optické, kinetické a elektrické vlastnosti koloidů.

4. Suspenze, mezifázové vlastnosti, tvorba suspenzí, sedimentace

5. Emulze, typy emulzí, teorie jejich tvorby a stabilita.

8. Micely, kritická micelární koncentrace.

9. Sedimentace částic.

10. Monomerní složení polymerů.

11. Struktura polymerů a kopolymerů.

12. Krystalické a amorfní oblasti polymerů.

13. Fyzikální vlastnosti polymerů.

14. Skelný přechod polymerů.

15. Rozpustnost polymerů.

 

Reakční kinetika

1. Průměrná a okamžitá rychlost chemické reakce, jednotky rychlosti, rychlostní konstanta a její jednotky, dílčí a celkový řád reakce.

2. Reakce 0. řádu: diferenciální a integrovaný tvar rychlostní rovnice, graf závislosti okamžité koncentrace a rychlosti na čase, grafické stanovení rychlostní konstanty, výpočet a grafické stanovení poločasu reakce.

3. Reakce 1. řádu: diferenciální a integrovaný tvar rychlostní rovnice, graf závislosti okamžité koncentrace a logaritmu okamžité koncentrace na čase, grafické stanovení rychlostní konstanty, výpočet a grafické stanovení poločasu reakce.  

4. Reakce 2. řádu: diferenciální a integrovaný tvar rychlostní rovnice, graf závislosti okamžité koncentrace a převrácené hodnoty okamžité koncentrace na čase, grafické stanovení rychlostní konstanty, výpočet a grafické stanovení poločasu reakce

5. Závislost reakční rychlosti na teplotě, Arrheniova rovnice: exponenciální a linearizovaný tvar, aktivační energie, reakční koordináta, rychlost určující krok.

6. Kineticky a termodynamicky řízené reakce.

 

Nerovnovážné systémy

1. Nerovnovážný, stacionární a rovnovážný systém.

2. Proud veličiny, tok veličiny, gradient veličiny.

3. Transportní děje.

4. Křížové efekty v systémech, kde existuje více než jeden gradient.

5. Difúze v kapalném prostředí.

6. 1. Fickův zákon.

7. Stokesova-Einsteinova rovnice.

8. 2. Fickův zákon.

9. Difúze v jiném než kapalném prostředí.

10. Rozpouštění tuhé látky.

11. Termodynamicky nestabilní systémy.

 

Biologické membrány a transport látek přes membránu

1. Membrány – struktura, funkce.

2. Lipidová dvojvrstva.

3. Lipidy v biologických membránách.

4. Lipozomy.

5. Peroxidace lipidů.

6. Bílkoviny v biologických membránách.

7. Aktivní a pasivní transport látek přes membránu.

8. Difúze prostá, přes membránu, difúze nabitých částic.

9. Rozdělovací koeficient.

10. Osmóza.

11. Donnanova rovnováha.

12. Aktivní a vezikulární transport.

13. Sekundární aktivní transport.

14. Systém kompartmentů.

 

Principy smyslového vnímání

1. Smyslové vnímání, obecná stavba receprotu, smysly.

2. Weberův-Fechnerův zákon a Stevensův zákon.

3. Zrak. Oční světlolomný aparát, akomodace, zraková ostrost.

4. Trichromatická teorie vidění.

5. Molekulární mechanismus vidění, fotochemická reakce.

6. Oční vady.

7. Zvuk, slyšení, teorie slyšení.

8. Akustická impedance.

9. Struktura vnějšího, středního a vnitřního ucha.

10. Cortiho orgán.

11. Vady sluchu.

 

Praktická cvičení

  1. Určení rozdělovacího koeficientu látky.

  2. Stanovení disociační konstanty slabé kyseliny potenciometricky.

  3. Stanovení disociační konstanty slabé kyseliny nebo báze konduktometricky.

  4. Spektrofotometrie: stanovení molárního absorpčního koeficientu.

  5. Optiké měřící metody: refraktometrie a polarimetrie.
Poslední úprava: Pavlíková Přecechtělová Jana, Mgr., Ph.D. (15.02.2025)
Výsledky učení -

   

Předmět Fyzikální chemie navazuje na znalosti a dovednosti získané v předmětech: Obecná a bioanorganická chemie a Fyzikální farmacie I.

Studující po absolvování předmětu umí použít následující termíny ve správném kontextu: elektromagnetické záření, vlnová délka, frekvence, energie fotonu, Snellův zákon, refraktometrie, geometrická (paprsková optika), disperze a difrakce záření, polarizované světlo, polarimetrie, absorpce, Lambertův-Beerův zákon, UV-VIS spektroskopie, atomová, infračervená, Ramanova a luminiscenční spektroskopie, povrchové napětí, fázové rozhraní, adsorpce, povrchově aktivní látka, mezifázové napětí, kontaktní úhel, rozprostírací koeficient, stupeň disociace elektrolytu, vodivost (specifická, molární, limitní molární), konduktometrie, Arrheniův vztah pro vodivost slabých elektrolytů, Kohlrauschova rovnice, aktivita, Ostwaldův zřeďovací zákon, Debyeův-Hückelův limitní vztah, iontová síla, autoprotolýza vody, disociace slabých kyselin a zásad, disociační konstanta, pH, acidobazický indikátor, rozpustnost, Hendersonova-Hasselbachova rovnice, tlumivý roztok, hydrolýza solí, amfolyt, amfiont, izoelektrický bod, rychlost reakce, řád reakce, kinetika 0., 1. a 2. řádu, rychlostní konstanta reakce, Arrheniova rovnice, aktivační energie, proud, tok, a gradient veličiny, difúze, 1. a 2. Fickův zákon, rychlost rozpouštění, termodynamická nestabilita, elektrodový děj, elektrodový potenciál, Nernstova rovnice, standardní vodíková elektroda, standardní redukční potenciál, samovolné oxidačně-redukční reakce, galvanický článek, potenciometrie, elektroda, membránová elektroda, Donnanův potenciál, látkový tok k elektrodě, Nernstova - Planckova rovnice, elektrická dvojvrstva, koloidní systém, specifický povrch, micela, kritická micelární koncentrace, zeta potenciál, rychlost sedimentace, polymer, kopolymer, krystalická a amorfní látka, skelný přechod, buněčná membrána, lipidová dvojvrstva, lipozom, peroxidace lipidů, pasivní a aktivní transport, rozdělovací koeficient, osmóza, exocytóza, endocytóza, kompartment, receptor, smyslové orgány, světlolomný aparát oka, akomodační šíře, zraková ostrost, trichromatická teorie vidění, fotochemická reakce rodopsinu, krátkozrakost, dalekozrakost, astigmatizmus, zvuk, příčné a podélné vlnění, intenzita zvuku, hladina intenzity zvuku, akustická vlna, akustická impedance, struktura ucha, Cortiho orgán, teorie slyšení, vady sluchu.

 

Výsledky učení:

Studující na základě získaných znalostí a dovedností:

Ø  definují základní pojmy ve fyzikální farmacii;

Ø  vysvětlí principy základních fyzikálně-chemických měřících metod;

Ø  orientují se ve fungování komplexních systémů a jevů;

Ø  vypočítají a připraví roztok o zadané koncentraci;

Ø  provedou podle návodu měření refraktometrické, polarimetrické, pomocí UV-VIS spektrofotometru, konduktometrické, potenciometrické (měření pH), stanoví Nernstův rozdělovací koeficient;

Ø  vypočítají v příkladech po zadání hodnot potřebných veličin koncentraci látky, molární absorpční koeficient; molární vodivost, disociační stupeň, disociační konstantu, pH pomocí Hendersonovy-Hasselbachovy rovnice, Nernstův rozdělovací koeficient;

Ø  vyhodnotí, graficky znázorní a interpretují experimentální data získaná pomocí výše popsaných metod;

Ø  navrhnou vhodnou metodu pro stanovení indexu lomu, měrné optické otáčivosti, koncentrace látky, vodivosti roztoku, disociační konstanty, pH roztoku a rozdělovacího koeficientu látky.

Poslední úprava: Pavlíková Přecechtělová Jana, Mgr., Ph.D. (31.03.2025)