ELTE Fizikai Kémiai Tanszék

2006/2007 tanév

Fizikai kémia

tematika kémia tanárszakos hallgatók részére

Mennyiségek a fizikai kémiában

Anyagmennyiség, reakciókoordináta. Extenzív, intenzív, fajlagos, moláris, kolligatív mennyiségek. Matematikai műveletek mennyiségekkel. Mértékegységek.

Halmazok

- Rendszer (homogén, inhomogén, heterogén). Komponens, fázis, szabadsági fok, fázistörvény. Állapotjelzők, állapotfüggvények. Az állapotváltozások típusai. Állapotegyenletek.

- Tökéletes gáz. Kinetikus elmélet. Nyomás, hőmérséklet. A belső energia részei: transzlációs, forgási, rezgési, elektrongerjesztési energia és ezek kvantáltsága, nullapont-energia. Szabadsági fokok, ekvipartició tétele. Ütközési számok, közepes szabad úthossz. Sebesség- és energiaeloszlás. Barometrikus magasságformula. Reális gázok, kompressziós tényező. A van der Waals-egyenlet és diszkussziója, viriálegyenlet. Kritikus állapot, redukált állapotjelzők, redukált állapotegyenlet, megfelelő állapotok tétele.

- Folyadékok szerkezete és állapotegyenlete. Szilárd testek, amorf anyagok szerkezete. Erő és energia kétatomos rendszerben.

Termodinamika (termoszatika)

- Főtételek. Nulladik főtétel. Az energiamegmaradás törvénye, I. főtétel, a belső energia megváltozása, munka, hő. A kölcsönhatások összevetése. Belső energia (termikus és kötési). Térfogati és egyéb munka. A térfogati munka kiszámítása különböző állapotváltozásokra. Reverzíbilis és irreverzíbilis térfogati munka. Entalpia. Hőkapacitások (C_p és C_V) a hőkapacitás hőmérséklet-függése. A belső energia és az entalpia hőmérséklet-függése. Standard állapot. Gázok, folyadékok, szilárd anyagok hőkapacitása. Az entalpiaváltozás mérése. A belső energia térfogatfüggése, Gay-Lussac- és Joule-Thomson-kísérlet C_p - C_V értéke. A belső energia és az entalpia változása az állapotjelzőkkel és a reakciókoordinátával. Kémiai reakciók termodinamikai függvényei (D_rU, D_rH), átalakulási entalpia. Hess-tétel, Kirchoff-tétel. Born-Haber-ciklus.

- Irreverzíbilitás, energiadisszipáció. II. főtétel. Entrópia. Az energiaátalakítások hatásfoka, Carnot-folyamat tökéletes gázzal és tetszés szerinti anyaggal. Hűtőgép és hőszivattyú. A rendszer entrópiaváltozása reverzíbilis és irreverzíbilis folyamatok során. Zárt és nyitott rendszerek entrópiaváltozása. Az entrópia változása az állapotjelzőkkel és a reakciókoordinátával. Kémiai szempontból fontos folyamatok (kiterjedés, melegítés, fázisátmenet) entrópiaváltozása. Az entrópia statisztikus értelmezése, termodinamikai valószínűség. III. főtétel. Az entrópia kiszámítása és mérése.

- Termodinamikai potenciálfüggvények, szabadenergia, szabadentalpia. Moláris szabadentelpia, kémiai potenciál. Szabadenergia és a szabadentalpia függése az állapotjelzőktől és a reakciókoordinátától. A kémiai reakciók szabadentalpia-változása (D_rG). Gibbs-Helmholtz-egyenlet. Az irreverzíbilitás és a maximális egyéb munka kapcsolata a potenciálfüggvényekkel. Maximális munka és maximális hő. A folyamatok végbemenetelének termodinamikai feltételei. A termodinamikai egyensúly általános kritériumai, a folyamatok iránya. Nyitott rendszerek, a stacionárius folyamatok anyag-, energia- és entrópiamérlege.

Egykomponensű rendszerek egyensúlyai

- A tökéletes gázok és a reális gázok termodinamikai leírása, fugacitás. A fugacitás és a kompressziós tényező kapcsolata. A folyadékok termodinamikai leírása. Párolgás, gőznyomás, párolgáshő. A gőznyomás hőmérsékletfüggése, Clausius-Clapeyron-egyenlet. Forrás, forráspontszabályok. Szublimációs, olvadási/fagyási egyensúly. Egykomponensű rendszerek fázisdiagramja, hármaspont. Polimorf átalakulás. Szabadsági fokok száma, a fázistörvény alkalmazása. Felületi feszültség, felületi munka, felületek termodinamikai leírása. Eötvös-törvény. Görbült felületek gőznyomása.

Többkomponensű rendszerek, elegyek

- Összetételi változók (móltört, tömegtört, koncentráció, tömegkoncentráció, molalitás). Az elegyek szerkezete. Extenzív mennyiségek összegezése elegyítéskor. Additív és kolligatív mennyiségek. Intenzív mennyiségek megváltozása elegyedéskor. Parciális moláris mennyiségek. Többlet- (excess-) mennyiségek. Az entalpia megváltozása elegyedéskor, elegyedési entalpia, elegyek entalpiája. Az elegyképződés termodinamikája: az entrópia és a szabadentalpia megváltozása elegyedéskor. Kémiai potenciál elegyekben. Reális elegyek, aktivitás (relatív, abszolút). Standard állapot, standard kémiai potenciál

Többkomponensű rendszerek egyensúlyai

- Az egyensúlyok termodinamikai leírása. Folyadékelegyek gőznyomása, Raoult-törvény. Ideális és reális elegyek gőznyomása. Gőznyomás-, forráspont- és egyensúlyi görbék különböző típusai. Azeotróp, Konovalov-törvények. Desztilláció. Korlátoltan elegyedő és nem elegyedő rendszerek egyensúlya, összetétele, gőznyomása. Vízgőz-desztilláció. Oldatok. Oldatok fázisegyensúlyai, oldhatóság. Gőznyomáscsökkenés, fagyáspontcsökkenés, forráspont-emelekedés, ozmózisnyomás. Határtörvények híg oldatokban. Oldhatósági és megoszlási egyensúlyok. A Henry-törvény és a Raoult-törvény. Az oldhatóság hőmérséklet- és nyomásfüggése. Kétkomponensű szilárd-folyadék heterogén rendszerek egyensúlya. Fázisdiagram-típusok. Háromkomponensű rendszerek összetételének ábrázolása, háromkomponensű rendszerek fázisdiagramja.

Kémiai egyensúlyok

- Reakcióegyenletek általános alakja, reakciókoordináta, termodinamikai mennyiségek megváltozása a reakciók során. A kémiai reakciók végbemenetelének termodinamikai feltétele. A rendszer szabadentalpiájának változása a reakció előrehaladásával egyensúlyra vezető és egyensúlyra nem vezető reakcióknál. Reakciók szabadentalpia-változása, affinitás, reakcióizoterma. Reakciók standard szabadentalpia-változása., standard affinitása.

- Termodinamikai egyensúlyi állandó. K_a, K_x, K_p, K_c, K_m és kapcsolatuk. Standard állapotok.

- Az egyensúlyi állandó hőmérséklet- és nyomásfüggése. A van^’t Hoff-egyenlet. A tömeghatás törvénye és a Le Chatelier-Brown-elv termodinamikai magyarázata. Az egyensúlyi, egyensúlyra vezető, megfordítható reakciók és az egyensúly eltolásának termodinamikai értelmezése.

- Az egyensúlyi állandó kiszámítása termodinamikai és elektrokémiai adatokból. Az egyensúlyi állandó megmérésének lehetőségei. A disszociációállandó és a disszociációfok kapcsolata. Egyensúlyi összetétel kiszámítása homogén egyensúlyoknál. Bruttó reakció egyensúlyi állandója, szimultán egyensúlyok.

- Heterogén kémiai egyensúlyok. Bomlási nyomás és hőmérséklet.

- A reakciók iránya a _rG^o - T diagramok alapján, Ellingham-diagram. Energiatermelés biokémiai folyamatokban, nagyenergiájú kötések.

Transzportfolyamatok

- Extenzív és intenzív mennyiségek a transzportfolyamatokban. Az irreverzíbilis termodinamika alapjai. Onsager-törvények. Kereszteffektusok. Entrópiatermelés, az energiadisszipáció és az entrópiatermelés sebessége. Hővezetés, elektromos áram.

- Diffúzió. Fick I. és Fick II. törvénye. A diffúzió mechanizmusa különböző halmazállapotú rendszerekben.

- Belső súrlódás, gázok és folyadékok belső súrlódása. A belső súrlódás hőmérséklet-függése. Einstein-Stokes-törvény.

- Fázisátalakulások sebessége. A párolgás, a forrás, a kristályosodás és az oldódás sebessége.

Reakciókinetika

- A reakciók sebességét leíró mennyiségek. Reakciórend, sebességi állandó, felezési idő. Differenciális és integrált sebességi egyenletek. Első- és másodrendű reakciók kinetikai leírása. A sztöhiometriai szám, a molekularitás és a reakciórend kapcsolata. A reakciórend meghatározásának módszerei.

- Összetett reakciók: sorozatos, párhuzamos és egyensúlyra vezető reakciók. Stacionárius állapot, Bodenstein-elv. Több lépésből álló összetett reakciók. A B C típusú reakciók. Oszcilláló reakciók.

- A reakciósebesség hőmérséklet-függése. Arrhenius-egyenlet, aktiválási energia. Reakciósebességi elméletek. Aktivált ütközési elmélet. Átmeneti komplexum elmélet, aktiválási entrópia. Potenciálfelületek, reakciókinetikai reakciókoordináta. Sorozatos és párhuzamos reakciók sebességének hőmérséklet-függése.

- Mono- és bimolekulás reakciók rendűsége, Lindemann-Hinshelwood-mechanizmus. Molekula-, atom- és gyökreakciók. Falhatás. Oldatreakciók sajátosságai. Láncreakciók. Robbanások, robbanások p-T-diagramja. Égés, láng, detonáció.

- A heterogén kémiai reakciók kinetikája. Felületi reakciók és a diffúziókontrollált reakciók rendűsége.

- Homogén katalízis. Katalitikus és autokatalitikus reakciók kinetikai leírása. Enzimreakciók kinetikája, Michaelis-Menten-mechanizmus. Promotor és inhibitor. Heterogén katalízis. Adszorpció és aktivált adszorpció.

- Nem termikus aktiválású folyamatok. A foton energiája. Fotokémia. Szenzibilizáció, fotoszintézis, fényképezés. Radiokémiai alapismeretek.

Elektrokémia

- Elektrolitok oldott állapota, elektrolitos disszociáció, szolvátburok és ionatmoszféra. Disszociációállandó és disszociációfok. A víz disszociációja, vízionszorzat. A pH és definíciói. Oldhatósági szorzat. Az elektrolit aktivitása, közepes aktivitás. Ionerősség, az ionerősség törvénye.

- Az áram elektrolitikus vezetése. Mozgékonyság, fajlagos vezetés. Az ionok és az elektrolit moláris fajlagos vezetése. Az ion moláris fajlagos vezetése és az ion sugarának kapcsolata. Elektrolitok diffúziója. Diffúziós potenciál. Membránegyensúly, membránpotenciál. A transzportfolyamatok hajtóereje elektrolitoldatokban. Elektrokémiai potenciál. Az áramvezetés és a diffúzió iránya. Az elektrolitoldatok fajlagos és moláris fajlagos vezetésének koncentrációfüggése. Az ionok független vándorlásának törvénye. Erős elektrolitok oldatának szerkezete és vezetése, vezetési effektusok. Olvadékok, nem vizes oldatok vezetése. A hőmérséklet hatása a vezetésre. Átviteli szám. Az anódtér és a katódtér koncentrációjának megváltozása áramáthaladás következtében.

- Galváncella, elektród. A cellareakció potenciálja, elektromotoros erő. Az elektród egyensúlyának feltétele. A cellareakció potenciálja és a cellareakció egyensúlyi állandójának kapcsolata. Összefüggés a cellareakció potenciálja valamint a cellareakció entalpiaváltozása, entrópiaváltozása és szabadentalpia-változása között. A galváncella által termelt munka és hő. Elektródok, egyensúlyi potenciál, elektródreakció potenciálja. Standardpotenciál. Az elektródok kémiai és elektromos szerkezete, elektrokémiai kettõs réteg. Elsőfajú elektródok, gázelektródok. Másodfajú elektródok, normálelem. Keverékelektródok, amalgámelektródok. Redoxielektródok, redoxipotenciál, szerves redoxielektródok. A víz elektrokémiai egyensúlyi diagramja, a redoxipotenciál határai vizes oldatban. Ionszelektív elektródok, üvegelektród. A pH mérése hidrogén-, kinhidron- és üvegelektróddal. Átviteles és átvitel nélküli koncentrációs elemek.

- Elektródfolyamatok sebessége. Polarizáció, túlfeszültség, csereáram. Tafel-egyenlet. Az átlépési polarizáció és magyarázata. Polarizációs görbék. Passzivitás, korrózió és korrózióvédelem. Elektrolízis. Diffúziós áram, diffúziós határáram, polarográfia. Az elektrolízis gyakorlati alkalmazásai, elektrokémiai reaktorok. Elektrokémiai áramforrások, primer elemek, akkumulátorok, tüzelőanyag-elemek.

Irodalom

P. W. Atkins: Fizikai kémia I-III., (3. kiadás), Tankönyvkiadó, Budapest, 2002.

Berecz Endre: Fizikai kémia (2. kiadás), Tankönyvkiadó, 1988.

Inzelt György: Az elektrokémia korszerű elmélete és módszerei I, II., Nemzeti Tankönyvkiadó, Budapest,1999.

Kiss László: Bevezetés az elektrokémiába, Nemzeti Tankönyvkiadó, Budapest, 1997.

M. J. Pilling, P. W. Seakins: Reakciókinetika, Nemzeti Tankönyvkiadó, Budapest, 1997

Riedel Miklós: Fizikai kémiai előadások I-IV. rész 2002.

Riedel Miklós: Fizikai kémiai példatár, ELTE Eötvös Kiadó, 1996.

Riedel Miklós: A fizikai kémiai definíciók és jelölések, Tankönyvkiadó, 1990.

Túri László: Fizikai-kémiai előadás másodéves tanárszakos hallgatók számára

(http://phys.chem.elte.hu/tanareloadas/Osz/idobeoszt-reszl.htm és http://phys.chem.elte.hu/tanareloadas/Tavasz/idobeoszt-reszl.htm)