Physical Chemistry - GAF199

• Anglický název: Physical Chemistry
• Zajišťuje: Katedra biofyziky a fyzikální chemie (16-16110)
• Fakulta: Farmaceutická fakulta v Hradci Králové
• Platnost: od 2023
• 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 / 90 (neurčen)
• Minimální obsazenost: neomezen
• 4EU+: ne
• Virtuální mobilita / počet míst pro virtuální mobilitu: ne
• Stav předmětu: vyučován
• Jazyk výuky: angličtina
• 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. Jana Pavlíková Přecechtělová, Ph.D.
• Kategorizace předmětu: Farmacie >
• Korekvizity : GAF105
• Je prerekvizitou pro: GAF308

Anotace

čeština

Poslední úprava: Mgr. Jana Pavlíková Přecechtělová, Ph.D. (18.02.2024)

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: Úvod do předmětu, Mezimolekulové síly a stavy hmoty, Fyzikální vlastnosti látek, fotochemie, Termodynamika, Chemické rovnováhy, Fázové rovnováhy, Reakční kinetika, Elektrochemie, Koloidní systémy.

angličtina

Poslední úprava: Mgr. Jana Pavlíková Přecechtělová, Ph.D. (18.02.2024)

Physical chemistry is a multidisciplinary subject employing the knowledge of physics, chemistry, electrochemistry and quantum mechanics for the description of substances on both the molecular and the macroscopic 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.

Podmínky zakončení předmětu

čeština

Poslední úprava: Mgr. Jana Pavlíková Přecechtělová, Ph.D. (18.02.2024)

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.

angličtina

Poslední úprava: Mgr. Jana Pavlíková Přecechtělová, Ph.D. (18.02.2024)

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 two computational tasks (both tasks for 25 points each, i.e. 50 points altogether). To pass the test, student need to obtain at least 20 points.

Literatura

čeština

Poslední úprava: Mgr. Jana Pavlíková Přecechtělová, Ph.D. (18.02.2024)

Povinná:

• Lázníčková A., Kubíček V.. Physical Chemistry. : Charles University, Faculty of Pharmacy, 1998, s. ISBN .
• Kubíček V., Lázníčková A.. Practical Training by Physical Chemistry. : Charles University, Faculty of Pharmacy, 2001, s. ISBN .

Doporučená:

• Atkins, P. W.. Physical chemistry. Oxford: Oxford University Press, 1990, 995 s. ISBN .

angličtina

Poslední úprava: Ing. Vladimír Kubíček, CSc. (12.10.2021)

Obligatory:

• Lázníčková A., Kubíček V.. Physical Chemistry . : Charles University, Faculty of Pharmacy, 1998, s. ISBN .
• Kubíček V., Lázníčková A.. Practical Training by Physical Chemistry . : Charles University, Faculty of Pharmacy, 2001, s. ISBN .

Recommended:

• Atkins, P. W.. Physical chemistry . Oxford: Oxford University Press, 1990, 995 s. ISBN .

Sylabus

čeština

Poslední úprava: Mgr. Jana Pavlíková Přecechtělová, Ph.D. (18.02.2024)

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,

• izotropie, anizotropie, polymorfie, izomorfie, 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

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

• fotochemické reakce.

Termodynamika

• 1. věta termodynamiky, pojem vnitřní energie a enthalpie, standartní stav, definice termochemických parametrů, termochemické zákony, závislost reakčního tepla na teplotě

• 2. věta termodynamiky, pojem entropie, vratné a nevratné děje, Gibbsova a Helmholtzova funkce, spojené formulace 1. a 2. věty, chemický potenciál, 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.

Fázové rovnováhy

• Gibssův zákon fází, typy soustav

• jednosložkové rovnováhy, Clapeyronova a Clausiova-Clapeyronova rovnice

• dvousložkové soustavy, Henryho zákon, omezeně mísitelné kapaliny

• rozpustnost tuhých látek, soustava tuhá látka - rozpouštědlo, taveniny

• Raoultův zákon a jeho využití, kryoskopie a ebulioskopie, osmotický tlak

• třísložkové soustavy, Nernstův rozdělovací zákon, extrakce

• trojúhelníkový diagram, soustava tří kapalin

• jevy na fázovém rozhraní, principy chromatografických metod

• základní metodiky termické analýzy.

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

• vliv teploty a dalších faktorů na reakční rychlost

• kinetika simultánních reakcí

• heterogenní reakce, katalýza
• teorie chemické kinetiky.

Elektrochemie

• Rovnováhy v roztocích elektrolytů, charakteristika elektrolytů, stupeň disociace

• Arrheniova teorie

• specifická a molární vodivost elektrolytů

• aktivita, aktivitní koeficient, iontová síla, Debye-Hückelův limitní vztah

• disociace 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 sraženin, součin rozpustnosti

• transportní děje v roztocích elektrolytů, vodivost elektrolytů, Kohlrauschův zákon, Arrheniův vztah

• potenciál elektrody v roztoku vlastních iontů, oxidačne-redukční potenciál, typy elektrod

• galvanické články a měření EMN, kapalinový potenciál, fyziologický potenciál

• elektrolýza, Faradayovy zákony, polarizace, princip polarografie a příbuzné moderní elektrochemické metody.

Koloidní systémy

• 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

• kapalné povrchy, povrchové a mezipovrchové napětí

• adsorpce v kapalném mezifází, povrchově aktivní látky, systém hydrofilně-lipofilní

• elektrická dvojvrstva, Nernstův a zeta potenciál, vliv elektrolytů.

 

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

• 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

angličtina

Poslední úprava: Mgr. Jana Pavlíková Přecechtělová, Ph.D. (18.02.2024)

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

• isotropy, anisotropy, polymorphism, isomorphism, 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,

• 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, dependence of the reaction heat on temperature

• 2^nd law of thermodynamics, reversible and irreversible processes, entropy, 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.

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
• theories of the rate constant

Electrochemistry

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

• Arrhenius classical theory

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

• dissociation 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,

• electrode potential metal/metal-ion system, oxidation-reduction potential, types of electrodes,

• galvanic cells, measurement of EMV, junction potential, physiologic potential

• electrolysis, Faraday´s laws, polarization, principle of classical polarography and related voltametric 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