vår 2019

KJE-1005 Grunnleggende fysikalsk kjemi: Kvantekjemi, termodynamikk og kinetikk - 10 stp

Sist endret: 18.03.2019

Ansvarlig fakultet

Fakultet for naturvitenskap og teknologi

Studiested

Tromsø |

Søknadsfrist

1. juni for emner som tilbys i høstsemesteret. 1. desember for emner som tilbys i vårsemesteret.

Emnetype

Teoretisk og praktisk. Emnet er tilgjengelig som enkeltemne eller valgemne uavhengig av studieprogram. Emnet tilbys med forbehold om at et minimum antall studenter registrerer seg for emnet.

Opptakskrav

Generell studiekompetanse eller realkompetanse + Matematikk R1 eller (S1+S2) og enten Matematikk (R1+R2) eller Fysikk (1+2) eller Kjemi (1+2) eller Biologi (1+2) eller Informasjonsteknologi( 1+2) eller Geologi (1+2) eller Teknologi og forskningslære (1+2).

Søknadskode 9336 enkeltemner i realfag.

For opptak fra og med studieåret 2018/2019 gjelder følgende opptakskrav: Generell studiekompetanse eller realkompetanse + Matematikk (R1+R2) og i tillegg Fysikk (1+2) eller Kjemi (1+2) eller Biologi (1+2) eller Informasjonsteknologi( 1+2) eller Geologi (1+2) eller Teknologi og forskningslære (1+2).

Innhold

Fysikalsk kjemi fokuserer på kjemiske problemstillinger med metoder og lover fra fysikken og omfatter «termodynamikk», «kvantemekanikk» og «kinetikk». Termodynamikk (fra gresk: "therme" betyr "varme", og "dynamis" betyr "kraft") ble utviklet for å beskrive prosesser som omdanner energi fra høy temperatur til mekanisk arbeid, og er vesentlig for forståelsen av f. eks. energi og likevekt av kjemiske reaksjoner. Kvantekjemi er den grunnleggende teori bak beskrivelsen av atomer, molekyler og hvordan deres elektroner forårsaker kjemisk egenskaper.  Kinetikk (fra gresk "kinetikos" som betyr "bevegelse") forklarer og beskriver matematisk hvor rask kjemiske prosesser foregår (alt fra eksplosjonshastighet til bergartdannelse over flere millioner år).  Videre forklarer termodynamikken om (og hvilke) kjemiske reaksjoner som skjer, kinetikk beskriver reaksjonshastighet, og kvantekjemi forklarer opprinnelsene av begge to ut ifra egenskaper av molekyler og deres elektroner. Statistisk mekanikk gir oss sammenhengen mellom mikroskopiske og makroskopiske egenskaper til systemene vi studerer. Følgende tema blir gjennomgått:

  • Termodynamikkens lover
  • Enkle gassmodeller
  • Varmekapasitet og termokjemi
  • Joule-Tomson effekt og varmepumper
  • Entalpi, entropi
  • Gibbs energi, kjemisk potensial
  • Faselikevekter
  • Oppdagelse av kvantemekanikk
  • Schrödingers ligning
  • Enkle bølgefunksjoner, sannsynlighet
  • Kvantemekanikk og elektronisk struktur av molekyler
  • Statistisk mekanikk
  • Elektrolyttløsninger
  • Likevekt i kjemisk reaksjoner
  • Reaksjonshastigheter og mekanismer
  • Arrhenius hastighetsloven
  • Katalyse

Anbefalte forkunnskaper

KJE-1001 Introduksjon til kjemi og kjemisk biologi, MAT-1001 Kalkulus 1

Hva lærer du

Kunnskaper og forståelse:

Studenten skal få grunnleggende og matematiske kunnskaper innen termodynamikk, kinetikk, og kvantekjemi, og etter fullført kurs skal studentene:

  • kunne nevne og forklare termodynamikkens tre hovedsetningene
  • kunne forklare sentrale begrep innen termodynamikk som fri energi, entropi, entalpi, og kjemisk potensial
  • kunne forklare sammenhengen mellom likevekt og kjemisk potensial
  • kunne definere reversible og irreversible prosesser i forhold til entropi
  • kunne definere kritisk punkt, kritisk væske, og beskrive bruk av kritisk CO2, f. eks. som løsningsmiddel
  • forstå fasediagrammer for noen rene komponenter og binære blandinger
  • forstå begrepene aktivitet og aktivitetskoeffisient
  • forstå kolligative egenskaper og utføre beregninger angående fryse- og kokepunktforandringer
  • forstå begrepene konduktans, konduktivitet og molar konduktivitet, og sammenheng med kjemisk potensiaI
  • identifisere de grunleggende kvantemekaniske lovene
  • forklare hva er bølgefunksjon og sanssynlighetsfordeling er og deres sammenheng.
  • identifisere de ulike delene av Schrödingers ligning og deres betydning
  • anvende kvantemekaniske lover for å forklare elektronisk struktur av molekyler.
  • anvende statistisk mekanikk for å forklare sammenhengen mellom molekylære og makroskopiske termodynamiske egenskaper
  • forstå reaksjonsmekanismer og hastighetsbestemmende trinn
  • forstå hvordan reaksjonshastigheten avhenger av temperaturen

Ferdigheter Studenten skal kunne:

  • bruke enkle gassmodeller for å forklare egenskaper i sammenheng med krefter mellom molekyler
  • beregne virkningsgrad for en Carnot-maskin
  • beregne Gibbs energi, entropi, og entalpiendring for en kjemisk reaksjon fra tabellverdier, faseforandringer og temperatur avhengighet
  • beregne Joule-Tomsons inversjonstemperatur og beskrive egnethet for f. eks. varmepumper
  • anvende Clapeyrons og Clausius-Clapeyrons ligninger for å forklare fasenovergangsegenskaper
  • gjøre beregninger fra ideelle og eksperimentelle damptrykks- og kokepunktsdiagrammer
  • beregne bølgefunksjoner for en partikkel i en boks
  • bruke enkle bølgefunksjoner for å beregne enkle elektronisk egenskaper
  • beskrive viktige kvantemekaniske aspekter av nanoteknologi
  • gjennomføre enkle statiske beregninger på samlinger av molekyler
  • skrive og løse hastighetslover i reaksjonskinetikk

Kompetanse: Studenten skal kunne:

  • betrakte anvendt kjemiske problemstillinger presist og kvantitativt fra et termodynamisk synspunkt
  • betrakte elektroner ut fra en kvantemekanisk synsvinkel
  • utføre praktiske laboratorieøvelser, evaluere resultater kvantitativt, og skrive en rapport
  • formidle faglige begreper i termodynamikk og kinetikk
  • formidle bakgrunn til forskjellige praktiske prosesser som f. eks. avkjøling, varmepumper, osv.
  • videreutvikle vunnet forståelsen av kjemi på et presist og matematisk nivå gjennom videre studier

Undervisnings- og eksamensspråk

Undervisningsspråket vil være norsk. Pensumlitteraturen vil hovedsakelig være på engelsk.

Undervisning

36 timer forelesninger, 18 timer seminarer og 24 timer praktisk laboratoriearbeid (4 øvelser).

Eksamen

Emnet avsluttes med en skriftlig eksamen (5 t). Bokstavkarakterer (A-F). Adgang til eksamen forutsetter godkjent laboratoriekurs.

Kandidater som får karakteren F (stryk) kan melde seg opp til kontinuasjonseksamen påfølgende semester.

Eksamensdato

Skriftlig prø
ve 29.05.2019

Eksamensdato er foreløpig og vil kunne bli endret. Endelig eksamensdato kunngjøres på uit.no/eksamen og i studentweb primo mai for vårsemesteret og primo november for høstsemesteret

Timeplan

Studiepoengreduksjon

K-140 Fysikalsk kjemi I 10 stp

Pensum

Atkins' Physical Chemistry, 10th Edition, P. Atkins & J. De Paula, Kapittel 1-5, 7-8, 19, delvis 6, 9, 10, 16, 20 og 21. Kapittel delene i pensum er i året: 6A, 6B, 16A, 16B, 20A-E, 20H, 21A-D (men ikke 21C.2b, 21C.3, 21D.2).