Fyzikální chemie - GF199

• 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: neurčen / neurčen (neurčen)
• Minimální obsazenost: neomezen
• 4EU+: ne
• Virtuální mobilita / počet míst pro virtuální mobilitu: ne
• Stav předmětu: vyučován
• Jazyk výuky: čeština
• Způsob výuky: prezenční
• Způsob výuky: prezenční
• 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. Petra Pullmannová, Ph.D.
• Kategorizace předmětu: Farmacie >
• Korekvizity : GF105

Anotace

čeština

Fyzikální chemie je interdisciplinární předmět využívající poznatků fyziky, chemie, elektrochemie a kvantové mechaniky pro popis vlastností sloučenin na molekulární úrovni. Tento předmět poskytuje studentům potřebné teoretické základy oboru a znalosti principů fyzikálně-chemických měřicích metodik. Jedná se o přípravný předmět, který má za cíl připravit studenty pro výuku navazujících disciplín obecně přírodovědného základu i disciplín čistě farmaceutických. Témata: Úvod do předmětu, Mezimolekulové síly a stavy hmoty, Fyzikální vlastnosti látek, Fotochemie, Termodynamika, Chemické rovnováhy, Fázové rovnováhy, Reakční kinetika, Elektrochemie, Koloidní systémy

Poslední úprava: Pullmannová Petra, Mgr., Ph.D. (24.09.2021)

angličtina

Physical chemistry is a multidisciplinary subject employing the knowledge of physics, chemistry, electrochemistry and quantum mechanics for the description of substances on the molecular level. This subject provides a necessary theoretical basis and enables students to acquire knowledge of principles of physical-chemical methods of measurement. This subject affords a fundamental knowledge necessary in study of follow-up subjects from the area of natural sciences as well as pharmaceutical disciplines. Topics: Introduction to the subject, Intermolecular forces and states of matter, Physico-chemical properties of substances, Photochemistry, Thermodynamics, Chemical equilibrium, Phase equilibrium, Reaction kinetics, Electrochemistry, Colloidal systems.

Poslední úprava: Pullmannová Petra, Mgr., Ph.D. (24.09.2021)

Podmínky zakončení předmětu

čeština

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 (každý po 25-ti bodech). Pro úspěšné absolvování testu je potřeba získat minimálně 20 bodů.

Poslední úprava: Pullmannová Petra, Mgr., Ph.D. (24.09.2021)

angličtina

Following conditions need to be fulfilled to gain the credit:

1. Completing all the tasks in the practical classes. Tasks missed for any reason need to be replaced in specially specified terms.
2. Successful submission of protocols from completed tasks.
3. Passing the credit test. The credit test consists of 2 computational tasks (for 25 points each, i.e. 50 points altogether). To pass the test, a student needs to obtain at least 20 points.

Poslední úprava: Pullmannová Petra, Mgr., Ph.D. (24.09.2021)

Literatura

Povinná:

• Kubíček, Vladimír. Výpočty z fyzikální chemie I. Praha: Karolinum, 2010, 71 s. ISBN 978-80-246-1806-7.
• Kubíček, Vladimír. Praktická cvičení z fyzikální chemie. Praha: Karolinum, 2013, 58 s. ISBN 978-80-246-2203-3.
• Lázníčková, Alice, Kubíček, Vladimír. Základy fyzikální chemie : vybrané kapitoly pro posluchače Farmaceutické fakulty. Praha: Karolinum, 2014, 168 s. ISBN 978-80-246-2791-5.

Poslední úprava: prepocet_literatura.php (19.09.2024)

Sylabus

čeština

Úvod do předmětu

• Náplň Fyzikální chemie a její vztah k chemickým, biologickým a farmaceutickým disciplínám.

Mezimolekulové síly a stavy hmoty

• vazebné a nevazebné interakce

• krystalografie, rentgenová difrakce, polymorfie, izomorfie

• izotropie, anizotropie, kapalné krystaly.

Fyzikální vlastnosti látek, fotochemie

• Polarita látek, dipólový moment, relativní permitivita

• absorpce elektromagnetického záření, Lambertův-Beerův zákon

• atomová spektra absorpční a emisní

• absorpce světla molekulami v UV, VIS a IČ oblasti elektromagnetického záření

• hmotnostní spektrometrie

• emisní molekulová spektra (Ramanův jev, fluorescence a fosforescence)

• fotochemické reakce.

Termodynamika

• 0. věta termodynamiky, teplota.

• 1. věta termodynamiky, pojem vnitřní energie a enthalpie, standardní stav, definice termochemických parametrů, termochemické zákony.

• 2. věta termodynamiky, pojem entropie, vratné a nevratné děje, Gibbsova a Helmholtzova funkce, spojené formulace 1. a 2. věty, obecná podmínka rovnováhy.

• 3. věta termodynamiky.

 Chemické rovnováhy

• Rovnovážná konstanta, rovnovážný stupeň konverze a jeho ovlivnění reakčními podmínkami, le Chatelierův princip.

• Standardní změna Gibbsovy energie při reakci, závislost rovnovážné konstanty na teplotě, van´t Hoffovy rovnice.

Fázové rovnováhy

• Gibssův zákon fází, jednosložkové soustavy, fázový diagram, Clausiova-Clapeyronova rovnice.

• Dvousložkové soustavy (kapalina – plyn, kapalina – kapalina, kapalina – tuhá fáze), Henryho zákon.

• Rozpustnost tuhých látek, soustava tuhá látka - rozpouštědlo.

• Raoultův zákon a jeho využití, koligativní vlastnosti, kryoskopie a ebulioskopie, osmotický tlak.

• Třísložkové soustavy, Nernstův rozdělovací zákon, extrakce.

• Termická analýza – diferenční skenovací kalorimetrie.

Reakční kinetika

• rychlost reakce, molekularita a řád reakce, reakční mechanismus,

• jednoduché jednosměrné reakce, reakce 0., 1. 2. a n-tého řádu, rychlostní konstanta, poločas reakce, stanovení řádu reakce

• závislost reakční rychlosti na teplotě: Arrheniova rovnice, aktivační energie, reakční koordináta, rychlost určující krok

• další faktory ovlivňující rychlost chemických reakcí, katalýza

• kineticky a termodynamicky řízené reakce.

Elektrochemie, iontové rovnováhy

• Rovnováhy v roztocích elektrolytů, charakteristika elektrolytů, stupeň disociace
  
  
• Arrheniova teorie
  
  
• specifická a molární vodivost elektrolytů
  
  
• aktivita, aktivitní koeficient, iontová síla, Debye-Hückelův limitní vztah
  
  
• autoprotolýza vody, pojem pH ve vodných a nevodných prostředích, teorie kyselin a zásad
  
  
• disociace slabých kyselin a zásad, výpočet jejich pH, Ostwaldův zřeďovací zákon
  
  
• tlumivé roztoky (pufry), mechanismus působení, Hendersonova-Hasselbalchova rovnice, kapacita pufrů
  
  
• hydrolýza solí, hydrolytická konstanta a výpočet pH solí
  
  
• amfoterní elektrolyty, izoelektrický bod
  
  
• acidobazické indikátory
  
  
• rozpustnost málo rozpustných solí, součin rozpustnosti

Elektrochemie, elektrochemické metody

• vodivost elektrolytů, Kohlrauschův zákon, Arrheniův vztah
  
  
• Nernstova rovnice, potenciál elektrody v roztoku vlastních iontů, standardní redukční potenciál
  
  
• Potenciometrie, typy elektrod, využití potenciometrie (měření pH, potenciometrická titrace)
  
  
• Membránové elektrody, Donnanův potenciál, skleněná elektroda
  
  
• elektrolýza, Faradayovy zákony, galvanické články
  
  
• látkový tok k elektrodě (difúze – Fickův zákon), transportní děje v roztocích (Nernstova - Planckova rovnice)
  
  
• elektrická dvojvrstva, základy elektrochemických metod.

Jevy na fázovém rozhraní, koloidika

• kapalné povrchy, povrchové napětí
  
  
• adsorpce v kapalném mezifází, povrchově aktivní látky, systém hydrofilně-lipofilní
  
  
• jevy na fázovém rozhraní částic, vliv elektrolytů, principy chromatografických metod
  
  
• rozdělení a charakterizace koloidních systémů, lyofilní, lyofobní a asociační koloidy

• optické, kinetické a elektrické vlastnosti koloidů

• suspenze, mezifázové vlastnosti, tvorba suspenzí, sedimentace

• emulze, typy emulzí, teorie jejich tvorby a stabilita

• micely, kritická micelární koncentrace

 

Praktická cvičení

• Určení relativní molekulové hmotnosti Rastovou metodou

• Určení binodální křivky v ternární soustavě s jedním párem omezeně mísitelných kapalin

• Určení rozdělovacího koeficientu látky

• Studium kinetiky rozkladu acetylsalicylové kyseliny (kinetika I. řádu)

• Studium kinetiky rozkladu octanu etylnatého v alkalickém prostředí (kinetika II. řádu)

• Stanovení disociační konstanty slabé kyseliny potenciometricky

• Stanovení disociační konstanty slabé kyseliny nebo báze konduktometricky

• Měření elektrodového potenciálu a formálního oxidačně-redukčního potenciálu

• Stanovení kritické micelární koncentrace

• Určení disociační konstanty acidobazického indikátoru spektrofotometricky

 

Semináře a výpočty modelových příkladů

• koncentrace roztoků

• pH slabých a středně silných kyselin a zásad, pH pufrů, disociace látek v závislosti na pH

• rozpustnost, součin rozpustnosti

• elektrodový potenciál, oxidačně-redukční potenciál

• osmotický tlak

• rychlost reakce, poločas reakce, Arrheniova rovnice

• Clausiova-Clapeyronova rovnice, rovnovážná konstanta, van’t Hoffova reakční izobara, van’t Hoffova reakční izoterma

• termodynamická schůdnost reakce

• rozdělovací koeficient

• základní termodynamické veličiny

Poslední úprava: Pullmannová Petra, Mgr., Ph.D. (29.09.2023)

angličtina

Introduction to the subject

• A content of physical chemistry and its relation to pharmaceutical disciplines.

Intermolecular forces and states of matter

• binding and non-binding interactions

• crystallography, X-ray diffraction, polymorphism, isomorphism

• isotropy, anisotropy, liquid crystals.

Physico-chemical properties of substances, photochemistry

• Polarity of substances, dipole moment, relative permitivity,

• absorption of electromagnetic radiation, Lamber-Beer´s law,

• atomic absorption and emission spectra

• light absorption by molecules in UV, VIS and IR region,

• mass spectrometry

• molecular emission spectra (Raman phenomenon, fluorescence and phosphorescence)

• photochemical reactions.

Thermodynamics

• 1^st law of thermodynamics, internal energy and enthalpy, standard state, thermochemistry, reaction heats, thermochemical laws, standard heats of formation and combustion

• 2^nd law of thermodynamics, entropy, reversible and irreversible processes, Helmholtz and Gibbs energies, chemical potential, conception of absolute entropy

• 3^rd law of thermodynamics.

Chemical equilibrium

• Equilibrium constant, equilibrium degree of conversion and its control by reaction conditions, LeChatelier principle

• standard change of Gibbs energy during a reaction, temperature dependence of equilibrium constant, van´t Hoff equations

Phase equilibrium

• Gibbs phase rule, types of systems

• one component equilibrium, Clapeyron and Clausius-Clapeyron equations

• two component systems, Henry´s law, sparingly miscible liquids

• solubility of solid substances, system solid substance - solvent, melts

• Raoult´s law and its application, cryoscopy and ebullioscopy, osmotic pressure

• three component systems, Nernst distribution law, extraction

• ternary diagram, system of three liquids

• interfacial phenomena, principles of chromatography

• basic methodology of thermal analysis.

Reaction kinetics

• reaction rate, molecularity, mechanisms and order of a reaction,

• simplex reactions, reactions of 0^th, 1^st, 2^nd and n-th order of reaction, rate constant, reaction half-life, determination of an order of reaction

• effect of temperature and other factors on reaction rate

• kinetics of simultaneous reactions

• heterogeneous reaction, catalysis

Electrochemistry

• equilibria electrolyte solutions, characteristics of electrolytes, degree of dissociation

• Arrhenius classical theory

• activity, activity coefficient, ionic strength, Debye-Hückel equations for activity coefficients

• autoprotolysis of water, pH in aqueous and non-aqueous media, theories of acids and bases

• dissociation of weak acids and bases, calculation of their pH, Ostwald´s law

• buffers, mechanism of their action, Henderson-Hasselbalch equations, buffer capacity

• hydrolysis of salts, hydrolytic constant and calculation of pH of salt solutions

• amphoteric electrolytes, isoelectric point

• acid-base indicators

• solubility of precipitates, solubility product

• transport processes electrolyte solutions, conductivity of electrolytes, Kohlrausch law, Arrhenius relation,

• Nernst equation, electrode potential of metal/metal-ion system, standard reduction potential, types of electrodes, Donnan potential, osmotic pressure

• galvanic cells, measurement of electromotive force

• electrolysis, Faraday´s laws
  
  
• polarization of electrodes, net movement of molecules (diffusion),  introduction to electrochemical methods.

Colloidal systems

• Classification of dispersed systems

• lyophilic, lyophobic and associating colloids

• optical, kinetic and electrical properties of colloids

• suspensions, liquid surfaces, surface and interface tension, sedimentation

• emulsions, types of emulsions, surface and interfacial tension,

• adsorption at liquid interfaces, surface-active substances, hydrophile-lipophile balance,

• electric double layer, Nernst and zeta potential, influence of electrolytes.

 

Practical training

• Determination of the relative molecular weight by Rast method
  
  
• Determination of the phase diagram in a ternary system containing a single pair of sparingly miscible liquids
  
  
• Determination of the distribution coefficient of a substance between two immiscible liquids
  
  
• Kinetic measurement of the acetylsalicylic acid decomposition (1st order kinetics)
  
  
• Kinetic measurement of the basic decomposition of ethyl acetate (2nd order kinetics)
  
  
• Potentiometric determination of the dissociation constant of a weak acid
  
  
• Conductimetric determination of the dissociation constant of a weak acid or a weak base
  
  
• Measurement of electrode potentials
  
  
• Determination of the critical micellar concentration
  
  
• Spectrophotometric determination of the dissociation constant of an acid-base indicator

 

Seminars, solution of model problems

• Concentration of solutions
  
  
• pH of strong and weak acids and bases, pH of buffers, pH dependence of dissociation of substances
  
  
• electrode potential, oxidation-reduction potential
  
  
• osmotic pressure
  
  
• reaction rate, half-life of reaction, Arrhenius equation
  
  
• Clausius-Clapeyron equation, equilibrium constant, van’t Hoff´s reaction isobar, van’t Hoff´s reaction isotherm
  
  
• thermodynamic feasibility of a reaction
  
  
• distribution coefficient
  
  
• basic thermodynamic quantities

Poslední úprava: Pullmannová Petra, Mgr., Ph.D. (29.09.2023)

Studijní opory

https://intranet.faf.cuni.cz/Studijni-materialy/KBFCH/?path=fyzik%c3%a1ln%c3%ad+chemie

E-learning Moodle: Fyzikální chemie

https://dl1.cuni.cz/course/view.php?id=3610

Vacík, J. Obecná chemie; Přírodovědecká fakulta Univerzity Karlovy, 2017.

Poslední úprava: Pullmannová Petra, Mgr., Ph.D. (29.09.2023)