Inledande kemi (18,5 hp) KZ2004 Kursen Inledande kemi består av två moment 1) Kemisk jämvikt 10 hp (teori 6,5 hp och laborationer 3,5 hp) och 2) Molekylstruktur 8,5 hp (teori 5 hp och laborationer 3,5 hp). Kursbok: A. Burrows, J. Holman, A. Parsons, G. Pilling, G. Price, Chemistry3 introducing inorganic, organic and physical chemistry (2nd Edition, 2013), Oxford University Press. ISBN 978-0-19-969185-2 Föreläsningarnas innehåll och motsvarande avsnitt i läroboken. IKJ-F1 Fundamentala aspekter. Vad är kemi? 1.1 1.3, 1.8 Kemiska byggstenar: atomer, joner, molekyler. Molbegreppet. Växelverkan mellan byggstenarna: bindning och intermolekylära interaktion. Lewis formlar och molekylstruktur. 1.4 1.5 Kemiska reaktioner: vilka finns? Balansering. Utbyte. Koncentration, volym, substansmängd. IKJ-F2. Fundamentala aspekter, forts. 1.6 Energiändringar i kemiska reaktioner. Inre energi och entalpi. Standardvillkor. 1.7 Aggregationstillstånd 1.9 Introdution i kemisk jämvikt. Le Chatelier prinicipenr IKJ-F3. Gaser 8.1 Gaser: när förekommer ett kemiskt ämne som gas? Varianter av gaslagar. 8.2 Allmänna gaslagen. 8.3 Gasblandningar, partialtryck 8.4 Kinetisk gasteori. Mikroskopisk modell för tryck. 8.5 Hastighetsfördelningar. 8.6. Ideala gaser och verkliga (icke-ideala) gaser. IKS-F1-2. Introduktion: Elektromagnetiskt spektrum elektronen vågfunktionen. Makroskopisk Mikroskopisk bild av kemi 3.1 Den klassiska bilden av atomen fram till Rutherfords atommodell. 3.2 Elektromagnetisk strålning och kvantiserade tillstånd. Våglängd, frekvens, färg. Våg-partikeldualism 3.3 Atomspektra enligt Bohr 3.4 Elektronens natur: vågpartikel-dualism 3.5 Vågfunktioner och atomorbitaler: fundamentala, nya begrepp. Fundera MYCKET! IKS-F3. Orbitaler Mångelektronsystem Periodiska systemet 3.6 Flerelektronvågfunktioner. Elektronspinn. Aufbau principen för elektronstrukturen i periodiska systemet. Valenselektroner och kärnelektroner. Hunds regel. Skärmning, Slaters regler och effektiv kärnladdning. 3.7 Atomegenskaper och periodiska systemet. Joniseringsenergi och elektronaffinitet. 3.8 Kärnkemi olika typer av radioaktiv strålning (kursivt) IKS-F4. Kemisk bindning: tvåatomiga molekyler 4.1 Dissociationsentalpi, bindningsenergi, bindningsavstånd 4.2 Lewis-modellen 4.3 Elektronegativitet, användbart begrepp: Pauling och Mulliken. 4.4 Introduktion till valensbindningsteori
IKS-F5. Tvåtomiga molekyler, forts. 4.5 Valensbindningsteori, orbitalöverlapp, kovalent bindning 4.6 Molekylorbitalteori, MO 4.7 H 2 -molekylen, bindande och antibindande MO, symmetrietiketter 4.8 Molekylorbitalenergidiagram och förutsägelsen av olika egenskaper om man känner till elektronstrukturen. 4.9 Linjärkombination av p-orbitaler 4.10 F 2 och O 2 samt en del egenheter med bindningen i dessa molekyler - egenskaper 4.11 Flera homonukleära diatomiga molekyler och deras bindning (kursivt) 4.12 Heteronukleära diatomiga molekyler och deras bindning IKS-F6-7. Fleratomiga molekyler 5.1 Lewismodellen, oktettregeln, formell laddning och oxidationstal 5.2 VSEPR, viktigt, bra och rätt lätt, men inte alltid korrekt 5.3 Polära kovalenta bindningar och bakgrund till varför de blir polära. 5.4 VB för fleratomiga molekyler, hybridisering 5.5 Resonansstabilisering 5.6 MO för bindningar i fleratomiga molekyler, kursivt 5.7 mera MO, kursivt IKS-F8. Introduktion till spektroskopi 10.1 Spektroskopi på molekylära föreningar 10.2 Energitillstånd och spektroskopi, kvantisering, partikel i en låda 10.3 Absorption eller emission, Lambert-Beers lag, Boltzmannfördelning, urvalsregler IKS-F9-10. Vibration- och rotationsspektroskopi 10.5 Vibrationsspektroskopi, IR tom Isotopic substitution och 12.2 10.4 Rotationsspektroskopi, mikrovågsugnar (kursivt) IKS-F11. Elektronspektroskopi 10.6 UV, VIS spektroskopi, elektronövergångar, färg IKS-F12-13. 10.7 och 12.3 NMR spektroskopi, MRI 12.1-12.4 Molekylärkaraktärisering IKS-F14. Repetition/konsultation IKJ-F4. Lite oorgansik molekylkemi. Oxyder, halogenider, trender i periodiska systemet, Oxidationstal och Lewisformler fördjupat. (utvalda delar från kaptiel 27). IKJ-F5. Energi och termokemi. Entalpi, inre energi och kalorimetri 13.1 System och omgivning, värme och arbete, extensiva och intensiva storheter. 13.2 Entalpi. Värmeinnehåll. 13.3 Standardtillstånd. Hess lag. Bildningsenergier och bindningsenergi. IKJ-F6. Energi och termokemi, forts. 13.4 Entalpi som funktion av temperatur. Värmekapacitet.
13.5 Inre energi. Energiprincipen (termodynamikens första huvudsats). 13.6 Kalorimetri. Mätning av entalpi och inre energiändringar. IKJ-F7. Entropi. 14.1 Spontana processer, statistisk beskrivning av entropibegreppet. 14.2 Termodynamisk beskrivning av entropi (termodynamikens andra huvudsats). Entropiändringar vid fasövergångar. Entropi som funktion av temperatur. 14.3 Absoluta entropier (termodynamikesn tredje huvudsats). Absoluta nollpunkten. 14.4 Entropiändringar vid kemiska reaktioner. Reaktionsentropi IKJ-F8. Gibbs energi. 14.4 Entropi som indikator för sponatana processer. 14.5 Gibbs energi och relationen till entropibegreppet 14.6 Faktorer som påverkar Gibbs energi. Aktivitetsbegreppet. Ellinghamdiagram. IKJ-F9. Jämvikt. 15.1 Gibbs energi och jämvikt. Jämviktskonstanten definierad av aktiviteter. 15.2 Reaktionskvoten och relationen till Gibbs energi 15.3 Jämviktskonstanten och relationen till Gibbs energi 15.4 Sammansättning vid en jämvikt 15.5 Jämviktslägets och jämviktskonstantens temperaturberoende IKJ-F10. Elektrokemi. 16.1 Vad är elektrokemi? Grundbegrepp. Oxidation. Reduktion. Pluspol. Minuspol 16.2 Joner i lösningar och dess rörlighet 16.3 Elektrokemiska celler. Standardreduktionspotentialer. Cellpotentialer. Spontanitet av en redoxreaktion. IKJ-F11. Elektrokemi, forts. 16.4 Termodynamik av elektrokemiska celler. Samband mellan cellpotential och Gibbs energiändring. Koncentrationsberoendet av cellpotentialen. Nernst ekvationen. Koncentrationsceller. Korrosion. 16.5 Elektrolys. Styrd spontanitet. Batterier IKJ-F12. Kinetik. 9.1 Betydelsen av kinetik, reaktionerna tidskala 9.2 Reaktionshastighet och faktorer som påverkar den 9.3 Hur mäter man reaktionshastigheter? 9.4 Elementära reaktioner. Kvantitativ kinetik beskrivning av reaktionshastighetens koncentrationsberoendet. Reaktionsordning. Hastighetslagar. Halveringstid IKJ-F13. Kinetik, forts. 9.5 Komplexa (sammansatta) reaktioner. Hur bestämer man reaktionsordningen? 9.6 Komplexa reaktioner. Reaktionsmekanismer. 9.7 Temperaturens inverkan på reaktionshastigheten. Aktiveringsenergi. Arrheniusekvationen. 9.8-9.9 Reaktionsprofiler och katalys. IKJ-F14. Syror och baser 7.1 Begrepp och definitioner av syra och bas. Arrhenius. Brönsted-Lowry. Konjugerade syra-bas par. Betydelsen av lösningsmedlet. 7.7 Syra och basiska oxider 7.2 Styrkan av syror och baser. ph skalan. Vattens självjonisering. Syra-bas reaktioner och dess jämvikt. 7.3 Buffertar IKJ-F15. Syror och baser, forts.
7.4 Titreringar 7.5 Indikatorer 7.6 Specificering som funktion av ph. Jämviktskonstanten för syror och baser, fraktionsdiagram och logaritmiska diagram. 7.8 Lewis syra-bas begrepp. Utvidgning av syra-bas konceptet till koordinationskemin IKJ-F16. Fasjämvikter och lösningar. 17.1 Fasjämvikter med en-komponentsystem. Ångtryck. Fasdiagram. 17.2 Fasövergångar. Clausius-Clapyron ekvation. 17.3 Intermolekylära växelverkningar. Väte-bryggor 17.4 Fasjämvikter med två-komponentsystem. Lösningar. Destillation. Kokpunkts-diagram. Kolligativa egenskaper. Osmotiskt tryck. Räkneövningar - innehåll: IKS-RÖ1 IKS-RÖ6 RÖ1 RÖ2 RÖ3 RÖ4 RÖ5 RÖ6 Elektromagnetiskt spektrum, elektronen, vågfunktioner, atomorbitaler, skärmning. Joniseringsenergi, elektronaffinitet, periodiska systemets uppbyggnad, Lewismodellen, valensbindningsmodellen, kovalent bindning, polär kovalent bindning, bindande och antibindande kombinationer, molekylorbitaler och beroendet av symmetrikombinationer på ingående orbitaler. Bindningstal, formell laddning, oxidationstal, VSEPR, VB, resonans och oktettregeln., atomer, periodiska systemet Spektroskopi, UV, VIS, IR, Mikrovåg Spektroskopi, UV, VIS, IR, Mikrovåg Repetition Räkneövningar - innehåll: IKJ-RÖ1 IKJ-RÖ6 RÖ1 RÖ2 RÖ3 RÖ4 RÖ5 RÖ6 Stökiometri, balansering av reaktioner, koncentrationer, utspädningar, nomenklatur av kemiska ämnen,kemiska formler, strukturformel, Lewisformel, bestämning av oxidationstal och formella laddningar, redoxreaktioner Enkel termokemi, gravimetriska analyser, tillämpning av gaslagar Kalorimetri, värmekapacitet, entalpi, bindningar som bryts och bildas. Entropi, jämvikter, jämviktsläge, jämviktskonstant, löslighet, Gibbs energi Elektrokemi Elektrokemi
RÖ7 RÖ8 RÖ9 Kinetik, differentiella och integrerade hastighetsmetoder, halveringstid och aktiveringsenergi Syra-bas, jämvikts- och ph beräkningar (analytiskt och med log diagram) Repetition Beskrivning av laborationer IKJ-L1. (Synteser-I) Fällningssyntes av BaSO 4 med Ba 2+ (aq);oac - (aq) och Mn 2+ (aq);so 4 2- (aq). Kvalitetstest genom att kontrollera hur mycket Mn som finns kvar på fällningen av bariumsulfat. Oxidation av kvarvarande Mn(II) till Mn(VI) som är starkt grönfärgad. IKJ-L2. (Synteser-II) Två olika synteser, lättlösliga ämnen som kristalliserar ur vattenlösning och syntes av svårlösliga ämnen genom s.k. utfällning. IKS-L1. Spektroskopi Tolkning av spektra. Plancks strålningslag, kontinuerliga svartkroppsstrålare samt diskreta spektra. Analys av spektra. IKS-L2. Orbital Konstruktion av radialdelar (av vågfunktionen) i några orbitaler och tolkning av resultatet. Bestämning av sannolikheten för att hitta elektronen på olika avstånd från atomkärnan. IKS-L3. Spektrofotometri Spektrofotometrisk bestämning av Mn. Analys av en svagt färgad Mn2+(aq) lösning genom oxidation till MnO4 - (aq) och mätning med absorptionsspektrofotometri. Lambert Beers lag. IKS-L4. Kvant Elektronövergångar i konjugerade färgämnen observeras med UV/VIS spektroskopi och tolkas med hjälp av partikel i lådan modellen. Existensen av kvantiserade energinivåer introduceras som en konsekvens av några randvillkor på vågfunktionen. IKS-L5. Kemisk bindning eller reservlab. IKJ-L3. (Kalorimetri) Bestämning av bildningsentalpi för magnesiumoxid, klassisk laboration med uppmätande av temperaturkurvor, bestämning av entalpiändring med vetskap om värmekapacitet samt kombination av olika delreaktioners ΔH med hjälp av Hess lag för att få ΔH för summareaktionen. IKJ-L4 och L5. (Elektrokemi-I och -II) Elektrokemiska celler, några olika (Ag, Cu, Zn) med beräkningar för såväl cellspänning som de ingående halvcellernas potentialer. Koncentrationsceller, bestämning av komplexbildningskonstanter, löslighetsprodukter samt kinhydronelektroden för att mäta ph. Korrosion och korrosionsskydd. IKJ-L6. (Kinetik) Oxidation av tartratjoner med väteperoxidlösning. Reaktionen katalyseras av Co 2+ (aq). Försöket genomförs vid olika temperaturer och en approximativ aktiveringsenergi bestäms. Sönderfall av tiosulfatjoner, bestämning av reaktionsordning m.a.p. [S 2 O 3 2- (aq)] respektive [H + (aq)]. IKJ-L7 och 8. (Syra-bas-I och -II) Titreranalys av stark bas med stark syra, med noga ställd HCl-lösning (0.1000 mol/dm 3 ) och NaOH-
lösning som studenterna själva blandar till, förslagsvis under den föregående laborationen. Gör baslösningen i en polyetenflaska genom att lösa 4.0 g NaOH i en dm 3 vatten. Titreranalys av "okänd" tvåprotonig svag syra med nyss ställda OH - (aq)-lösning. Bestämning av syrans molekylvikt och pka-värden. Uppskatta även approximativa felgränser i dessa parametrar. Identifiering av syran ifrån molmassa och syrakonstanter. Tillverkning av buffertar med olika ph-värden, samt studier av några olika indikatorers färger vid dessa ph.