Chemical Principles

Syllabus

Úvod

Chemie v přírodních vědách; Časová osa; Studijní materiály, požadavky ke kontrole studia

Vědecká metoda

Teorie, model, zákon, hypotéza

Hmota a energie

Definice a historie; Relevantní fyzikální veličiny, jednotky, symboly, rovnice a grafy; pravidla zapisování

Standardní model částicové fyziky

Částice hmoty a polní částice. Bosony a fermiony, spin; Leptony a kvarky; Silné, slabé, elektromagnetické a gravitační interakce; Ekvivalence hmoty a energie

Atomové jádro

Struktura atomového jádra; Radioaktivita, jaderné reakce

Počátky kvantové mechaniky

Objev elektronu, náboj a hmotnost elektronu; Vlnový charakter světla; Záření černého tělesa; Fotoelektrický jev; Rutherfordův experiment

Exkurze do kvantové mechaniky, atom vodíku

Duální charakter světla a částic mikrosvěta; De Broglieho vztah; Princip neurčitosti; Schrödingerova rovnice; Bohrův model atomu; Axiomatický charakter kvantové mechaniky; Částice v potenciálové jámě; Atomové orbitaly atomů vodíkového typu; Absorpční a emisní spektra atomu vodíku

Vícelektronové atomy

Spin elektronu; Orbitální energie; Výstavbový princip; Periodické vlastnosti prvků

Chemická vazba

Nábojové hustoty; Elektronový oktet; Typy vazeb; Kvantově-mechanická interpretace chemické vazby; Bornova-Oppenheimerova aproximace, hyperplocha potenciální energie a disociační křivka; Nejjednodušší molekula - ; Překryvy atomových orbitalů, typy molekulových orbitalů; Molekulové orbitaly, metoda MO LCAO; Interakční diagram; Molekula H2; Kovalentní vazba, iontová vazba, polární vazba; Hybridizace; Molekuly N2 a LiH; Slabé vazebné interakce; Dipólový a kvadrupólový moment, polarizace a polarizovatelnost; Vodíková vazba; Klasifikace van den Waalsových interakcí; Molekula Ar2; Elektronová struktura pevných látek

Spektroskopie

Elektrické a magnetické vlastnosti látek; Určování struktury látek; Lom světla; Optická aktivita; Interakce látek se zářením; Difrakce; Rozptyl; Absorpce; Rotační spektra; Vibrační spektra; Elektronová spektra; Ramanova spektra; Nukleární magnetická rezonance

Plyny

Experimentální pozorování vedoucí k modelu ideálního plynu; Ideální plyn; Atomistická interpretace chování plynů; Difuze, efuze, Grahamův zákon; Kinetická teorie ideálního plynu; Maxwellovo-Boltzmannovo rozdělení rychlostí; Střední volná dráha molekul; Distribuce energií; Reálné plyny, kompresibilita, vdW rovnice; Kondenzace

Kondenzovaná fáze

Hustota, struktura kapalin, radiální distribuční funkce; Tlak páry nad kapalinou; Povrchové napětí kapalin; Amorfní vs. krystalické látky, typy krystalů; Izomorfie a polymorfie; Tenze par nad pevnou látkou; Fázový diagram; Povrchy krystalů; STM

Reakční kinetika

Hyperplocha potenciální energie; Reakční cesta, reakční profil, aktivační bariery; Reakční mechanismus; Třídění chemických reakcí; Chemická kinetika; Rychlost chemické reakce, chemická kinetika; Guldbergův-Waagův zákon; Reakce prvního, druhého a nultého řádu; Zvratné reakce, následné reakce a bočné reakce; Arrheniova rovnice; Srážková teorie reakčních rychlostí; Teorie absolutních reakčních rychlostí; Katalýza

Termodynamika I

Energie, práce, teplo; Definice termodynamických systémů; Intenzivní a extenzivní veličiny; Termodynamická rovnováha; Termodynamická teplota; Statistická termodynamika; Boltzmannova distribuce energií; Objemová práce; Reverzibilní a ireverzibilní procesy; První věta termodynamiky; Jouleův experiment; Tepelné kapacity; Enthalpie; Termochemie, Hessův zákon; Standardní slučovací a spalná tepla

Termodynamika 2

Adiabatická expanze ideálního plynu; Poissonova rovnice; Druhá věta TD (Thomson vs. Clausius); Entropie; Carnotův cyklus; Fluktuačně disipační teorém; Volná energie; Gibbsova energie; Definice absolutní nuly

Rovnováha

Chemický potenciál; Fugacita, aktivita; Gibbsův zákon fází; Fázové rovnováhy, fázový diagram; Soustava kapalina-plyn; Henryho zákon, Raultův zákon; Neomezeně mísitelné kapaliny; Izotermický fázový diagram; Izobarický fázový diagram; Destilace; Soustava pevná látka-kapalina; Koligativní vlastnosti, změna teploty tání a varu, osmóza; Rovnováhy na fázovém rozhraní; Fyzisorpce, chemisorpce, adsopční izoterma; Chemické rovnováhy; van’t Hoffova reakční izoterma; Rovnovážná konstanta; Le Chatelierův princip

Elektrochemie

Silné a slabé elektrolyty; Solvatační a hydratační obal; Ideální a reálné roztoky elektrolytů; Teorie silných elektrolytů

Annotation

V případě distanční výuky - probíhá přednáška i cvičení on-line v rozvrhovaných časem. Přednáška probíhá v prostředí ZOOM (Meeting ID 912 0734 4338), cvičení probíhají v GoogleClassroom. Více informací v https://drive.google.com/drive/u/1/folders/15y-zT8QsaqxlUVy9Kf3vRcb4crM6bi9N (přístupno pouze s natur.cuni.cz loginem).

Přednáška je určená zejména pro studenty 1. ročníku oborů Chemie a Medicinální chemie a volitelně pro studenty biologie se zájmem o hlubší porozumění chemických principů. Cílem přednášky je seznámit studenty s jednotlivými chemickými disciplínami a jejich vzájemným propojením, přičemž detaily jednotlivých kapitol jsou součástí specializovaných přednášek v následujících semestrech bakalářského studia. Přednáška rovněž seznámí studenty s postavením chemie v širším kontextu přírodních věd a s překryvem a propojením chemie a dalších přírodovědných disciplín, zejména fyziky a biologie. Přednáška minimalizuje použití integrálního a diferenciálního počtu v první polovině semestru, jednoduché úvahy využívající zcela základní integrální a diferenciální počet jsou využívány ve druhé části semestru.

Přednáška je koncipována tak, aby se zbytečně nepřekrývala s jinými předměty 1. ročníku bakalářského studia chemie, konkrétně Anorganickou chemií (MC240P56) a Chemickými výpočty (MC240P87), proto nepokrývá následující podkapitoly obvykle vyučované v předmětech chemické principy či obecná chemie: veličiny a jednotky, součin rozpustnosti, kyseliny a zásady, voda a pH, hydrolýza solí a pufry, symetrie a krystalová struktura.