Moduł oferowany także w ramach programów studiów:
Informacje ogólne:
Nazwa:
Chemia fizyczna
Tok studiów:
2019/2020
Kod:
NIMN-1-307-s
Wydział:
Metali Nieżelaznych
Poziom studiów:
Studia I stopnia
Specjalność:
-
Kierunek:
Inżynieria Metali Nieżelaznych
Semestr:
3
Profil:
Ogólnoakademicki (A)
Język wykładowy:
Polski
Forma studiów:
Stacjonarne
Strona www:
 
Prowadzący moduł:
dr hab. inż. Pacławski Krzysztof (paclaw@agh.edu.pl)
Treści programowe zapewniające uzyskanie efektów uczenia się dla modułu zajęć

1. Wprowadzenie do przedmiotu. 2. Równanie stanu gazu doskonałego i rzeczywistego. 3. Termodynamika chemiczna: zerowa, I, II i III zasada termodynamiki. 4. Równania fundamentalne termodynamiki. 5. Równowaga chemiczna. 6. Równowaga faz. 7. Fizykochemia powierzchni: adsorpcja, napięcie powierzchniowe, lepkość. 8. Kinetyka chemiczna. 9. Dyfuzja w roztworach ciekłych i ciałach stałych. 10. Roztwory elektrolitów. 11. Elektrochemia: ogniwa, baterie, akumulatory. 12. Elektroliza i elektrorafinacja.

Opis efektów uczenia się dla modułu zajęć
Kod MEU Student, który zaliczył moduł zajęć zna i rozumie/potrafi/jest gotów do Powiązania z KEU Sposób weryfikacji i oceny efektów uczenia się osiągniętych przez studenta w ramach poszczególnych form zajęć i dla całego modułu zajęć
Wiedza: zna i rozumie
M_W001 1. Zna i rozumie podstawowe prawa i zależności z zakresu termodynamiki chemicznej. IMN1A_W05, IMN1A_W01 Egzamin
M_W002 2. Zna i rozumie podstawowe definicje i równania z zakresu kinetyki chemicznej. IMN1A_W01 Egzamin
M_W003 3. Zna i rozumie podstawowe prawa i zależności z zakresu elektrochemii. IMN1A_W01 Egzamin
Umiejętności: potrafi
M_U001 4. Potrafi stosować zasady termodynamiki oraz równania fundamentalne do obliczeń wielkości termodynamicznych (entalpia, entropia, energia Gibbsa) i ich podstawowych zależności funkcyjnych. IMN1A_U03, IMN1A_U02, IMN1A_U01 Kolokwium
M_U002 5. Potrafi stosować równania z zakresu kinetyki chemicznej do wyznaczania parametrów kinetycznych procesów oraz do przewidywania szybkości zmian składników reakcji podczas przemian. IMN1A_U01 Kolokwium
M_U003 6. Potrafi stosować prawa i równania z zakresu elektrochemii do obliczeń, pozwalających na zaplanowanie warunków elektrolizy lub zaprojektowanie ogniwa elektrochemicznego. IMN1A_U03, IMN1A_U02, IMN1A_U01 Kolokwium
M_U004 7. Posiada umiejętność wyszukiwania danych fizykochemicznych w oparciu o źródła literaturowe i zastosować je w obliczeniach. IMN1A_U02, IMN1A_U01 Kolokwium
M_U005 8. Potrafi interpretować podstawowe typy diagramów fazowych układów metalicznych. IMN1A_U02, IMN1A_U01 Egzamin
Kompetencje społeczne: jest gotów do
M_K001 9. Jest gotów do wykonania przygotowawczych prac obliczeniowych z zakresu termodynamiki, kinetyki i elektrochemii, i w związku z tym do planowania prac laboratoryjnych prowadzących do rozwiązania określonego problemu. IMN1A_K01 Wykonanie ćwiczeń laboratoryjnych
M_K002 10. Jest gotów do pracy w zespole, w celu rozwiązania określonego problemu analitycznego lub badawczego. IMN1A_K01 Wykonanie ćwiczeń laboratoryjnych
Liczba godzin zajęć w ramach poszczególnych form zajęć:
SUMA (godz.)
Wykład
Ćwicz. aud
Ćwicz. lab
Ćw. proj.
Konw.
Zaj. sem.
Zaj. prakt
Zaj. terenowe
Zaj. warsztatowe
Prace kontr. przejść.
Lektorat
60 30 15 15 0 0 0 0 0 0 0 0
Matryca kierunkowych efektów uczenia się w odniesieniu do form zajęć i sposobu zaliczenia, które pozwalają na ich uzyskanie
Kod MEU Student, który zaliczył moduł zajęć zna i rozumie/potrafi/jest gotów do Forma zajęć dydaktycznych
Wykład
Ćwicz. aud
Ćwicz. lab
Ćw. proj.
Konw.
Zaj. sem.
Zaj. prakt
Zaj. terenowe
Zaj. warsztatowe
Prace kontr. przejść.
Lektorat
Wiedza
M_W001 1. Zna i rozumie podstawowe prawa i zależności z zakresu termodynamiki chemicznej. + + + - - - - - - - -
M_W002 2. Zna i rozumie podstawowe definicje i równania z zakresu kinetyki chemicznej. + + + - - - - - - - -
M_W003 3. Zna i rozumie podstawowe prawa i zależności z zakresu elektrochemii. + + + - - - - - - - -
Umiejętności
M_U001 4. Potrafi stosować zasady termodynamiki oraz równania fundamentalne do obliczeń wielkości termodynamicznych (entalpia, entropia, energia Gibbsa) i ich podstawowych zależności funkcyjnych. + - + - - - - - - - -
M_U002 5. Potrafi stosować równania z zakresu kinetyki chemicznej do wyznaczania parametrów kinetycznych procesów oraz do przewidywania szybkości zmian składników reakcji podczas przemian. + - + - - - - - - - -
M_U003 6. Potrafi stosować prawa i równania z zakresu elektrochemii do obliczeń, pozwalających na zaplanowanie warunków elektrolizy lub zaprojektowanie ogniwa elektrochemicznego. + - + - - - - - - - -
M_U004 7. Posiada umiejętność wyszukiwania danych fizykochemicznych w oparciu o źródła literaturowe i zastosować je w obliczeniach. + - + - - - - - - - -
M_U005 8. Potrafi interpretować podstawowe typy diagramów fazowych układów metalicznych. + - + - - - - - - - -
Kompetencje społeczne
M_K001 9. Jest gotów do wykonania przygotowawczych prac obliczeniowych z zakresu termodynamiki, kinetyki i elektrochemii, i w związku z tym do planowania prac laboratoryjnych prowadzących do rozwiązania określonego problemu. - - + - - - - - - - -
M_K002 10. Jest gotów do pracy w zespole, w celu rozwiązania określonego problemu analitycznego lub badawczego. - - + - - - - - - - -
Nakład pracy studenta (bilans punktów ECTS)
Forma aktywności studenta Obciążenie studenta
Sumaryczne obciążenie pracą studenta 177 godz
Punkty ECTS za moduł 6 ECTS
Udział w zajęciach dydaktycznych/praktyka 60 godz
Przygotowanie do zajęć 45 godz
przygotowanie projektu, prezentacji, pracy pisemnej, sprawozdania 20 godz
Samodzielne studiowanie tematyki zajęć 45 godz
Egzamin lub kolokwium zaliczeniowe 2 godz
Dodatkowe godziny kontaktowe 5 godz
Szczegółowe treści kształcenia w ramach poszczególnych form zajęć (szczegółowy program wykładów i pozostałych zajęć)
Wykład (30h):
Chemia fizyczna – zagadnienia

Wykłady obejmują następujące zagadnienia:
1. Równania stanu i elementy termodynamiki: Stan układu, Zerowa zasada termodynamiki, Gaz doskonały (równanie stanu), Mieszanina gazu doskonałego i prawo Daltona, Teoria kinetyczna gazów, Gaz rzeczywisty (r. Van der Waalsa), Praca g. doskonałego w różnych warunkach, Doświadczenia Joula, Ciepło, Energia wewnętrzna i I zasada termodynamiki, Entalpia (H), Pojemność cieplna, Związek Cp i Cv dla g. doskonałego, Termochemia, Zależność H od temperatury, Zmiany H dla reakcji chemicznych, Ogólne zasady pomiarów kalorymetrycznych, Procesy samorzutne i odwracalne, Entropia (S), Teoremat Clausiusa, II zasada termodynamiki, Zmiany S w procesach odwracalnych i nieodwracalnych, Entropia mieszania g. doskonałych, Entropia i prawdopodobieństwo statystyczne, Kalorymetryczne wyznaczanie S, III zasada termodynamiki, Zmiany S dla reakcji chemicznych, Kombinacja I i II z. termodynamiki dla układu zamkniętego, Energia Helmholtza (A), Energia Gibbsa (G), Kryteria samorzutności procesów, Relacje Maxwella, Wpływ temperatury i ciśnienia na e. Gibbsa, Równanie Gibbsa-Helmholtza, Lotność, Równania fundamentalne dla układów otwartych, Potencjał chemiczny, Aktywność, Równanie Gibbsa-Duhema.
2. Równowaga chemiczna i fazowa: Stała równowagi, Związek stałej równowagi z f. termodynamicznymi, Izobara van’t Hoffa, Faza, Stopnie swobody i reguła faz Gibbsa, Diagramy fazowe ukł. 1-składnikowych, Punkt potrójny, p. krytyczny, równanie Clausiusa-Clapeyrona, Równowagi fazowe w układach 2-składnikowych (diagramy p=(skład), T=f(skład)), Roztwory idealne (prawo Raoulta, p. Henry’ego) i rzeczywiste, Destylacja,
Diagram Ellinghama,
3. Fizykochemia powierzchni: Adsorpcja (izotermy adsorpcji Freudlicha, Langmuira i BET), Napięcie powierzchniowe (zwilżanie, kąt zwilżania, r. Eötvösa), Lepkość.
4. Kinetyka chemiczna: Podstawowe definicje (szybkość reakcji, stałą szybkości reakcji, rząd reakcji, równanie kinetyczne, ścieżka i mechanizm reakcji, reakcje złożone), Różniczkowe i całkowe postaci równań szybkości reakcji I, II i III rzędu, Elementy kinetyki reakcji w układach heterogenicznych, Energia aktywacji (równanie Arrheniusa), Entalpia swobodna aktywacji (r. Eyringa), Katalizatory i inhibitory, Kinetyka reakcji katalitycznej.
5. Dyfuzja w roztworach ciekłych i ciałach stałych, I i II prawo Ficka, Konwekcja, Efuzja.
6. Elektrochemia: Roztwory elektrolitów (r. wodne, niewodne i sole stopione), Dysocjacja elektrolityczna, Elektrolity słabe i mocne, Przewodnictwo elektrolitów, Reakcje elektrochemiczne, Procesy elektrodowe, Potencjał równowagowy elektrody, Polaryzacja elektrod, SEM ogniwa, Elektrochemiczne źródła energii (ogniwa, baterie, akumulatory, Ogniwa paliwowe, Fotoogniwa), Elektroliza, Elektrorafinacja, Korozja elektrochemiczna.

Ćwiczenia audytoryjne (15h):
Chemia fizyczna – ćwiczenia

Plan ćwiczeń audytoryjnych obejmuje rozwiązywanie zadań i problemów obliczeniowych dla poniższych zagadnień:
1. Praca, ciepło i zmiana energii wewnętrznej w przemianach gazu doskonałego. 

2. Entalpia czystego składnika oraz reakcji chemicznej jako funkcja temperatury. 

3. Entropia czystego składnika oraz reakcji chemicznej jako funkcja temperatury.
4. Entalpia swobodna reakcji chemicznych. Kierunek przemian samorzutnych.
5. Związek stałej równowagi z entalpią swobodną reakcji – obliczanie składu równowagowego mieszanin reakcji homo- i heterogenicznych. 

6. Związek stałej równowagi z temperaturą – zastosowanie izobary van’t Hoffa w szacowaniu wartości stałej równowagi.
7. Wykorzystanie równania Clausiusa–Clapeyrona do konstrukcji diagramu fazowego p=f(T) dla układu 1-składnikowego
8. Destylacja w układzie 2-składnikowym. Obliczenia i konstrukcja diagramu dla układu o nieograniczonej wzajemnej rozpuszczalności składników.
9. Potencjały równowagowe elektrod.
10. Siła elektromotoryczna i praca ogniwa elektrochemicznego.
11. Prawo Faradaya. Elektroliza roztworów jonów metali.
12. Kinetyka w układach homogenicznych – wyznaczanie wartości rzędu reakcji, stałej szybkości reakcji, energii aktywacji reakcji chemicznej. 


Ćwiczenia laboratoryjne (15h):
Tematyka i lista ćwiczeń laboratoryjnych

Lista ćwiczeń laboratoryjnych obejmuje zagadnienia omawiane na wykładach z przedmiotu Chemia Fizyczna. W ramach przyznanego limitu godzinowego, 1 zespół ćwiczeniowy wykonuje losowo wybrane 5 ćwiczeń, wg grafiku podanego przed zajęciami. Tematy ćwiczeń są następujące:
1. Lepkość.
2. Napięcie powierzchniowe w układzie faza ciekła – faza gazowa.
3. Ciepło rozpuszczania i neutralizacji.
4. Reguła Hessa. Wyznaczenie ciepła rozpuszczania trudno rozpuszczalnych wodorotlenków.
5. Temperatura przejścia – analiza termiczna.
6. Cechowanie termopary.
7. Układ dwuskładnikowy. Równowaga ciało stałe – ciecz.
8. Prawo podziału.
9. Adsorpcja na powierzchni fazy stałej.
10. Kinetyka reakcji katalitycznego rozkładu wody utlenionej – kataliza heterogeniczna.
11. Stała i stopieñ dysocjacji kwasów i zasad, stała i stopieñ hydrolizy soli.
12. Indykatory, roztwory buforowe, kolorymetryczne oznaczanie pH.
13. Przewodnictwo elektrolitów – analiza konduktometryczna.
14. Potencjały równowagowe elektrod – siła elektromotoryczna ogniwa.
15. Kulometria i wydajność prądowa elektrolizy.
16. Kinetyka kwasowego roztwarzania metali – inhibitory;
17. Korozja kontaktowa z depolaryzacja wodorową i depolaryzacją tlenową;

Pozostałe informacje
Metody i techniki kształcenia:
  • Wykład: 1. Treści prezentowane na wykładzie są przekazywane w formie prezentacji ustnej wspomaganej klasycznym wykładem tablicowym lub prezentacją multimedialną 2. Studenci uczestnicząc w zajęciach poznają kolejne treści nauczania zgodnie z syllabusem przedmiotu. 3. Studenci mogą na bieżąco zadawać pytania w celu wyjaśnienia wątpliwości.
  • Ćwiczenia audytoryjne: 1. Treści prezentowane na ćwiczeniach są przekazywane w formie ustnej wspomaganej klasyczną pracą przy tablicy lub prezentacją multimedialną 2. Studenci rozwiązują zadania przy tablicy po zaprezentowaniu analogicznych przykładów przez prowadzącego. 3. Prowadzący na bieżąco dokonuje stosownych wyjaśnień i moderuje dyskusję z grupą nad omawianym zagadnieniem. 4. Sprawdzian postępów w przyswajaniu kolejnych partii materiału jest przeprowadzany w formie kolokwium.
  • Ćwiczenia laboratoryjne: 1. Praca w zespołach 2-osobowych w celu wykonania doświadczeń przewidzianych instrukcją do danego ćwiczenia. 2. Samodzielne opracowanie sprawozdania z wykonanych ćwiczeń. 3. Praca własna w celu przyswojenia materiału i zagadnień związanych z ćwiczeniem.
Warunki i sposób zaliczenia poszczególnych form zajęć, w tym zasady zaliczeń poprawkowych, a także warunki dopuszczenia do egzaminu:

WYKŁAD:
1. Obecność 50 % w semestrze
2. Uzyskanie pozytywnej oceny z egzaminu (student może przystąpić do egzaminu pod warunkiem uzyskania zaliczenia z ćwiczeń audytoryjnych z chemii fizycznej)
3. Studenci, którzy spełnili warunek obecności na wykładach (p. 1) mają możliwość napisania lub poprawy egzaminu w dwóch dodatkowych terminach ustalonych zgodnie z regulaminem studiów w AGH.

ĆWICZENIA AUDYTORYJNE:
1. Obecność 90% w semestrze
2. Średnia 3.0 z trzech kolokwiów w semestrze

ĆWICZENIA LABORATORYJNE:
1. Obecność 100% w semestrze.
2. Oddanie indywidualnych sprawozdań z wykonanych prac laboratoryjnych, wg poleceń zawartych w instrukcjach do tych ćwiczeń oraz wskazówek prowadzącego.
3. Uzyskanie pozytywnej oceny z odpowiedzi ustnej na pytania związane z tematyką danego ćwiczenia
4. Studenci, którzy spełnili warunek obecności na ćwiczeniach (p. 1) i oddali w terminie wszystkie sprawozdania (p. 2) mają możliwość poprawy odpowiedzi ustnej w dwóch dodatkowych terminach, jednak nie później niż przed zakończeniem zajęć dydaktycznych w semestrze. Termin odpowiedzi jest ustalany z prowadzącym.

Zasady udziału w zajęciach:
  • Wykład:
    – Obecność obowiązkowa: Nie
    – Zasady udziału w zajęciach: 1. Aktualny wpis na 3 semestr, I stopnia na Kierunku: Inżynieria Materiałowa (Wydział Metali Nieżelaznych AGH) 2. Rejestracja audiowizualna wykładów wymaga zgody prowadzącego.
  • Ćwiczenia audytoryjne:
    – Obecność obowiązkowa: Tak
    – Zasady udziału w zajęciach: 1. Aktualny wpis na 3 semestr, I stopnia na Kierunku: Inżynieria Materiałowa (Wydział Metali Nieżelaznych AGH) 2. Rejestracja audiowizualna ćwiczeń wymaga zgody prowadzącego. 3. Studenci przystępując do ćwiczeń są zobowiązani do przygotowania się w zakresie wskazanym przez prowadzącego (np. poprzez rozwiązywanie podanych wcześniej zestawów zadań). 4. Aktywne i merytoryczne uczestnictwo podczas obliczeń tablicowych oraz wypowiedzi ustne mogą być oceniane i wpłynąć na ocenę końcową z tej formy zajęć.
  • Ćwiczenia laboratoryjne:
    – Obecność obowiązkowa: Tak
    – Zasady udziału w zajęciach: 1. Aktualny wpis na 4 semestr, I stopnia na Kierunku: Inżynieria Materiałowa (Wydział Metali Nieżelaznych AGH) 2. Studenci wykonują ćwiczenia laboratoryjne zgodnie z instrukcją do ćwiczeń, udostępnioną przez prowadzącego. 3. Student jest zobowiązany do przygotowania się w przedmiocie wykonywanego ćwiczenia, co może zostać zweryfikowane w formie ustnej lub pisemnej przed rozpoczęciem zajęć. 4. Przed przystąpieniem do kolejnych ćwiczeń student jest zobowiązany posiadać sprawozdanie z zajęć poprzednich.
Sposób obliczania oceny końcowej:

SEMESTR 3:
Ocena końcowa (OK) = ocena z ćwiczeń audytoryjnych (OA) x 0.5 + ocena z egzaminu (OE) x 0.5
OK = 0.5xOA + 0.5(OE)

SEMESTR 4:
Ocena końcowa (OK) = ocena z laboratorium (OL)
OK = OL
OL – stanowi średnią arytmetyczną z ocen cząstkowych poszczególnych sprawozdań

Sposób i tryb wyrównywania zaległości powstałych wskutek nieobecności studenta na zajęciach:

WYKŁAD:
Posiadanie notatek z zaległych wykładów oraz zapoznanie się z ich treścią. Przyswojenie zaległych wiadomości weryfikowane jest na egzaminie.

ĆWICZENIA AUDYTORYJNE:
Posiadanie notatek z zaległych ćwiczeń oraz zapoznanie się z ich treścią. Przyswojenie zaległych wiadomości weryfikowane jest na kolejnych kolokwiach.

ĆWICZENIA LABORATORYJNE:
Dopuszczalna jest jedna nieobecność studenta na ćwiczeniach laboratoryjnych, która może zostać usprawiedliwiona, po odrobieniu przez niego zaległego ćwiczenia na zajęciach dodatkowych, przewidywanych po zakończeniu planowych ćwiczeń laboratoryjnych. Zajęcia te odbędą się pod koniec trwającego semestru VI (o dacie zajęć poinformuje prowadzący).

Wymagania wstępne i dodatkowe, z uwzględnieniem sekwencyjności modułów :

1. Udział w zajęciach wykładowych, ćwiczeniach audytoryjnych oraz ćwiczeniach laboratoryjnych jest możliwy dla studentów, którzy posiadają aktualny wpis na 3 semestr I stopnia studiów na Kierunku: Recykling i Metalurgia (Wydział Metali Nieżelaznych, AGH).
2. Udział studenta w ćwiczeniach laboratoryjnych jest możliwy po spełnieniu następujących warunków:
a) znajomość treści instrukcji do ćwiczeń oraz sposobu wykonania ćwiczenia – weryfikowane przed zajęciami przez prowadzącego.
b) oddanie przed rozpoczęciem kolejnych ćwiczeń sprawozdań (każdy indywidualnie) z wykonanych prac laboratoryjnych, wg poleceń zawartych w instrukcjach do tych ćwiczeń oraz wskazówek prowadzącego.

Zalecana literatura i pomoce naukowe:

1. P.W. Atkins: Chemia Fizyczna, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2001.
2. R.A. Alberty, R.J. Silbey: Physical Chemistry, John Wiley, 1995.
3. K. Pigoń, Z. Ruziewicz – Chemia fizyczna, PWN, W-wa, 1980
4. A.G. Whittaker, A.R. Mount, M.R.Heal – Chemia fizyczna (krótkie wykłady), PWN, W-wa 2006
5. P.W. Atkins – Podstawy chemii fizycznej, PWN, W-wa, 1999
6. V.S. Bagotsky – Fundamentals of Electrochemistry, wyd. J. Wiley & Sons inc., New Jersey, 2006

ZBIORY ZADAŃ:
1. P.W. Atkins , Chemia fizyczna, Zbiór zadań z rozwiązaniami, PWN Wa-wa 2001
2. A. Cygański, B. Ptaszyński, J. Krystek: Obliczenia w chemii analitycznej, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 2004.
3. A.W. Adamson, Zadania z chemii fizycznej, PWN Wa-wa 1978
4. J. Demidowicz-Pigoniowa, Obliczenia fizykochemiczne, Wrocław 1997
5. W. Ufnalski, Obliczenia fizykochemiczne, WNT Wa-wa 1997
6. A. Krupkowski, Podstawowe zagadnienia teorii procesów metalurgicznych (książka zawiera tablice danych termodynamicznych), PWN Wa-wa 1974 Kraków

INSTRUKCJE DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH:
1. J. Sędzimir, W. Ziółkowski: Ćwiczenia laboratoryjne z chemii fizycznej, skrypt uczelniany AGH, Kraków 1991, wersja elektroniczna: http://www.chfie.agh.edu.pl/cf.php

Publikacje naukowe osób prowadzących zajęcia związane z tematyką modułu:

1. K. Pacławski, K. Fitzner: Kinetics of Gold(III) Chloride Complexes Reduction Using Sulfur(IV). Metallurgical and Materials Transactions B, 35B (2004) 1071-1085.
2. K. Pacławski, J. Gapiński: Static and dynamic light scattering method for analysis of gold colloidal growth in aqueous solution. Archives of Metallurgy and Materials, 53 (2007) 121-128.
3. K. Pacławski, D.A. Zajac, M. Borowiec, Cz. Kapusta, K. Fitzner: EXAFS Studies on the Reaction of Gold(III) Chloride Complex Ions with Sodium Hydroxide and Glucose. The Journal of Physical Chemistry A, 114 (2010) 11943–11947.

Informacje dodatkowe:

Sprawy i zagadnienia związane z uczestnictwem w zajęciach lub opracowaniem sprawozdań z wykonanych ćwiczeń laboratoryjnych, można konsultować również poza godzinami konsultacji, po wcześniejszym uzgodnieniu z prowadzącym (ustnie lub przez e-mail).