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

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-Thomson-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 hastighetslov
• Katalyse

Generell studiekompetanse eller realkompetanse + Matematikk R1 (eller Matematikk S1 og S2) og ett av følgende krav:

Matematikk R2 eller Fysikk 1+2 eller Kjemi 1+2 eller Biologi 1+2 eller Informasjonsteknologi 1+2 eller Geofag 1+2 eller Teknologi og forskningslære 1+2.

Krav forkunnskaper: KJE-1001, eller tilsvarende.

Anbefalt forkunnskap: MAT-1001, eller tilsvarende.

Søknadskode 9197 enkeltemner i realfag.

Studenten skal ha grunnleggende kunnskaper innen termodynamikk, kinetikk og kvantekjemi. Dette innebærer at studenten

Kunnskaper og forståelse

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

Ferdigheter

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

Kompetanse

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