Kursplan för Fysikalisk kemi

Kursplan fastställd 2021-02-26 av programansvarig (eller motsvarande).

Kursöversikt

  • Engelskt namnPhysical chemistry
  • KurskodKFK053
  • Omfattning7,5 Högskolepoäng
  • ÄgareTKKMT
  • UtbildningsnivåGrundnivå
  • HuvudområdeKemiteknik
  • InstitutionKEMI OCH KEMITEKNIK
  • BetygsskalaTH - Mycket väl godkänd (5), Väl godkänd (4), Godkänd (3), Underkänd

Kurstillfälle 1

  • Undervisningsspråk Svenska
  • Anmälningskod 53123
  • Max antal deltagare60
  • Sökbar för utbytesstudenterNej
  • Endast studenter med kurstillfället i programplan.

Poängfördelning

0106 Tentamen 6 hp
Betygsskala: TH		 6 hp
  • 14 Mar 2022 fm J
  • 08 Jun 2022 em J
  • 19 Aug 2022 fm J
0206 Laboration 1,5 hp
Betygsskala: UG		 1,5 hp

I program

Examinator

  • Nikola Markovic
Gå till kurshemsidan (Öppnas i ny flik)

Behörighet

Grundläggande behörighet för grundnivå
Sökande med en programregistrering på ett program där kursen ingår i programplanen undantas från ovan krav.

Särskild behörighet

Samma behörighet som det kursägande programmet.
Sökande med en programregistrering på ett program där kursen ingår i programplanen undantas från ovan krav.

Kursspecifika förkunskaper

Grundläggande kemi, en- och flervariabelanalys och linjär algebra. 

Syfte

Kursen avser att ge fördjupade kunskaper i kemins teoretiska grunder och utgående från kvantmekanik och statistisk mekanik beskriva kemisk bindning, molekylspektra, dynamiska förlopp och termodynamiska egenskaper. Kursen skall också ge ökad färdighet i experimentell metodik och teknisk/vetenskaplig rapportering.

Lärandemål (efter fullgjord kurs ska studenten kunna)

  • skriva ned cellscheman och reaktionsformler för elektrokemiska celler och kunna beräkna cellpotential, aktivitetsfaktorer och termodynamiska storheter
  • redogöra för kvantmekanikens principer och fenomen som kvantisering av energi och rörelsemängdsmoment, våg-partikeldualismen, osäkerhetsrelationen, tunneleffekten och den fysikaliska tolkningen av vågfunktionen
  • skriva ned Hamiltonoperatorn motsvarande en klassisk Hamiltonfunktion i kartesiska koordinater, kunna visa att en given vågfunktion är en lösning till Schrödingerekvationen, kunna normera vågfunktionen och visa att lösningar motsvarande olika egenvärden är ortogonala samt kunna beräkna förväntansvärden av olika observabler
  • redogöra för de kvantmekaniska lösningarna till väteatomen (orbitalernas form, energinivåerna och kvanttalens betydelse), känna till begreppet spinn samt kunna utnyttja orbitalapproximationen och aufbauprincipen för att analysera flerelektronatomers elektroniska egenskaper
  • redogöra för Born-Oppenheimerapproximationen och kunna linjärkombinera atomorbitaler till molekylorbitaler (LCAO-MO) för diatomära molekyler, samt känna till variationsmetoden och hur den kan utnyttjas i detta sammanhang
  • redogöra för Hückelapproximationen och kunna skriva ned motsvarande sekulardeterminant samt, utgående från orbitalernas energi, beräkna π-elektronenergin för en given molekyl och förklara begreppen delokaliseringsenergi och aromatisk stabilitet
  • beskriva elektroniska tillstånd och spektroskopiska övergångar för atomer och diatomära molekyler med termsymboler, känna till begreppen singlett- och triplettillstånd samt spinn-bankoppling och hur dessa kan påverka elektroniska spektra
  • beskriva de olika processer genom vilket en elektroniskt exciterad molekyl kan deexciteras samt kunna redogöra för principen bakom laserverkan
  • analysera vibrations-rotationsupplösta IR- och Ramanspektra för diatomära molekyler med modellen stel rotor/harmonisk oscillator, kunna analysera dissociation med Morse-oscillatormodellen samt ha kvalitativ kunskap om polyatomära molekylers vibrationsspektra i IR och Raman
  • redogöra för bakgrunden till Boltzmannfördelningen och begreppet kanonisk ensemble och kunna använda Boltzmannfördelningen för att beräkna sannolikheten för olika energitillstånd
  • beräkna den molekylära tillståndssumman för ett generellt energispektrum, kunna tolka resultatet fysikaliskt, samt kunna beräkna bidragen till tillståndssumman från translation, rotation, vibration och elektroniska frihetsgrader för en given molekyl
  • redogöra för den kanoniska tillståndssumman och kunna utnyttja denna för att beräkna termodynamiska storheter
  • redogöra för olika bidrag till intermolekylär växelverkan och hur de kan beskrivas
  • redogöra för hur en reaktions ordning, hastighetskonstant och aktiveringsenergi kan bestämmas och tillämpa dessa kunskaper på givna experimentella data
  • ställa upp hastighetsekvationer för en given reaktionsmekanism, i förekommande fall förenkla problemet med steady-state-approximationen, speciellt för raka kedjereaktioner, enzymkinetik och fotofysikaliska processer
  • redogöra för Langmuirs adsorptionsisoterm och kunna utnyttja denna vid analys av kinetiska problem rörande heterogen katalys
  • redogöra för grundläggande teorier för kemisk reaktionshastighet i gasfas och lösning och kunna tillämpa dessa i enkla fall
  • redogöra för hur reaktionsdynamik kan studeras experimentellt (molekylstrålar) och teoretiskt (trajektorieberäkningar, kvantdynamnik)
  • utföra enklare laborativa mätningar samt kunna analysera, diskutera och skriftligt rapportera resultaten från dessa

Innehåll

Kursen inleds med elektrokemi, vilken fungerar som en länk tillbaka till kursen i termodynamik. Sedan följer en inledande genomgång av grundläggande kvantmekanik där begrepp som de Broglievåglängd, Schrödingerekvationen, vågfunktionen och osäkerhetsrelationen diskuteras. En analys av de viktiga modellerna partikel i låda, harmonisk oscillator och stel rotor följer. Väteatomen behandlas ingående och det periodiska systemets struktur diskuteras. En beskrivning av molekylers elektronstruktur följer med fokus på diatomära molekyler och LCAO-MO-metoden. Polyatomära konjugerade system behandlas med Hückelmetoden. Analys av vibrations- och rotationsspektra för i första hand diatomära molekyler följs av en diskussion av elektroniska spektra. Utgående från de kvantmekaniskt bestämda energinivåerna följer sedan en statistisk beskrivning av viktiga termodynamiska samband via begreppet tillståndssumma. Intermolekylära krafter diskuteras kortfattat varefter grundläggande kinetiska samband repeteras innan mer komplexa processer analyseras (bl.a. kedjereaktioner, fotokemiska reaktioner och ytprocesser). Kursen avslutas med en diskussion av kemisk reaktionsteori.

Organisation

Föreläsningar, räkneövningar och laborationer. Viktiga kursmoment illustreras med följande obligatoriska laborationer;
  1. Beräkning av elektronstruktur (HyperChem)
  2. Bestämning av dissociationsenergin för I2
  3. Elektrokemisk bestämning av löslighetsprodukt och ligandtal
  4. Bestämning av hastighetskonstant för reaktionen mellan väteperoxid och jodidjon
  5. Bestämning av livslängden för singlettexciterad naftalen

Litteratur

Meddelas senare via kurshemsidan.

Examination inklusive obligatoriska moment

Skriftlig tentamen med beräknings- och teoriuppgifter samt godkänt laborationsmoment.

Kursens examinator får examinera enstaka studenter på annat sätt än vad som anges ovan om särskilda skäl föreligger, till exempel om en student har ett beslut från Chalmers om pedagogiskt stöd på grund av funktionsnedsättning.