Chimie physique 1

LCHM1351  2020-2021  Louvain-la-Neuve

Chimie physique 1
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5.0 crédits
45.0 h + 19.0 h
1q

Enseignants
Leyssens Tom;
Langue
d'enseignement
Français
Thèmes abordés
Aspect phénoménologique de la thermodynamique : structure de la matière, 1ère et 2ème lois de la thermodynamique, changement d'état : matériaux purs, mélanges, diagrammes de phase, réaction chimique, modèles thermochimiques. Aspects phénoménologiques de la cinétique chimique : constante de vitesse et ordres de réaction, cinétiques simples et complexes, réaction et diffusion, processus de surface. Aspects microscopiques de la thermodynamique et théorie cinétique : thermodynamique statistique : nombre de complexions, différentes distributions, fonction de partition (tr-rot.-vib.), dérivation des fonctions thermodynamiques, théories cinétiques : théorie du complexe activé, surface de potentiel et dynamique de collision. Exercices : Les exercices permettront de concrétiser et de mettre en pratique les notions de thermodynamique et de cinétique chimique enseignées. Le recours aux micro-ordinateurs est un élément important de cet apprentissage, permettant de considérer des problèmes d'une complexité normale.
Acquis
d'apprentissage
L'objectif de ce cours est d'amener les étudiants à acquérir les connaissances de base de la chimie physique et à les appliquer à l'étude de divers cas concrets. Un exposé systématique des bases de la thermodynamique classique et statistique ainsi que de la cinétique chimique, indispensable à la formation générale d'un chimiste ou biochimiste guidera l'étudiant dans son apprentissage et l'amènera à résoudre les problèmes qui se posent dans la vie professionnelle.

La contribution de cette UE au développement et à la maîtrise des compétences et acquis du (des) programme(s) est accessible à la fin de cette fiche, dans la partie « Programmes/formations proposant cette unité d’enseignement (UE) ».

Contenu

La Chimie Physique est la partie de la chimie qui s’intéresse à comprendre pourquoi et comment les changements chimiques (ex. les réactions) ou physico-chimiques (ex. transition de phase) ont lieu.  Classiquement la chimie physique est divisée en trois branches selon les aspects de compréhension visés.

  • La thermodynamique formelle : en décrivant macroscopiquement les différents états avant et après le changement (ex. réactifs et produits), et en se basant sur trois principes de base, on essaie de découvrir pq les transformations ont lieu, qu’estce que ce changement implique pour le système et l’environnement, … On ne se soucie pas de ce qui se passe lors du changement, ni des changements au niveau moléculaire.
  • La cinétique : s’intéresse à ce qui se passe lors du changement d’un état à un autre. La compréhension du chemin suivi, permettra éventuellement de l’influencer par des facteurs externes. La cinétique se base sur des observations expérimentales pendant les changements.
  • La thermodynamique statistique : est la partie de la Chimie Physique qui essaie de lier les propriétés macroscopiques et changement du système, aux variations qui ont lieu au niveau microscopique. A travers les traitements statistiques, on essaie d’expliquer les variations en état (thermo formelle) et les changements (cinétique) d’un point de vu moléculaire, ce qui est souvent plus parlant au ‘chimiste’. 
Méthodes d'enseignement

Les concepts de base de chaque chapitre seront expliqués lors d’un cours magistral. En parallèle, une série d’exercices est proposée aux étudiants. Ces exercices peuvent être fait à la propre initiative de l’étudiant et en parallèle durant des séances d’exercices. Des examens des années précédentes sont disponible sur moodle.

Modes d'évaluation
des acquis des étudiants

L’évaluation porte sur les connaissances ainsi que sur les capacités développées au cours.

La côte finale sera basée sur la connaissance et démonstration des concepts et la capacité d’utiliser ces concepts afin de résoudre des exercices ou des problèmes réelles.  La pondération est la suivante :

- Connaissance et reproduction des démonstrations et concepts (20%)

- Résolution/ interprétions d’une mise en situation/ problème plus complexe (80%)

Cette partie de l’évaluation aura lieu lors d’un examen écrit en Janvier.

Autres infos
Contenu
  1. Properties of gases
    1. Definitions
    2. Ideal gas
    3. Real gas
  2. 1st law of thermodynamics
2.1 Work and heat
2.2 Energy conservaiton (1st law)
        2.3 Work reconsidered
2.4 Heat reconsidered
2.5 Enthalpy
        2.6 Thermochemistry
        2.7 State functions
                       
3. Entropy (2nd and 3rd law)
3.1 Spontaneous change
3.2 Entropy a state function
3.3 2nd law of thermodynamics
3.4 Estimating entropy changes
3.5 Entropy varies with T and p
3.6 3rd law of thermodynamics: S at 0K
4. The total system
4.1 Free energy
4.2 G and A state functions
                4.3  T and p effects on G
                4.4 G varies with composition
5. Phase equilibria
5.1 Definitions
5.2 Single component phase diagram
                5.3 Gibb’s energy related to phase diagrams
                5.4 A theoretical basis for T-P phase diagrams
                5.5 Supercritical fluids
6. Phase equilibria – liquid/liquid
6.1 Definitions
6.2 Ideal solutions
                6.3 Fractional distillation
                6.4 Non-ideal solutions
                6.5 Non-miscible solutions
7. Phase equilibria – solid/liquid
7.1 Definitions
7.2 Melting of alloys
                7.3 How to make phase diagrams
                7.4 Complete miscibility
                7.5 Complete immiscibility
                7.6 Partial miscibility
 
8. Phase equilibria – solutions
8.1 Definitions
8.2 gases in solution
                8.3 solid compounds in solution
                8.4 solution thermodynamics
               
9. Statistical thermodynamics
9.1 The energy of a molecule
9.2 The Boltzmann distribution
10. Thermodynamic properties from Statistical thermodynamics
10.1 Internal energy U
10.2 pressure p
10.3 Enthalpy
10.4 B revisited
10.5 Entropy
10.6 Helmholtz free energy A
10.7 Gibb’s free energy G
10.8 Cv, Cp
10.9 Chemical potential
10.10 The partition function
 
11. The partition function, a molecular point of view
11.1 Particles without interaction
11.2 The molecular partition function
11.3 q and thermodynamic properties
11.4 q taken apart
11.5 perfect mono-atomic gas
11.6 perfect bi-atomic gas
11.7 Perfect poly-atomic gas
 
12. Statistical thermodynamics and equilibrium
12.1 Chemical equilibrium
12.2  Chemical potential
12.3 Return to the equilibrium
 
Chemical kinetics
  1. Introduction
1.1 kinetics an experimental science
1.2 the rate equation
1.3 elementary vs complex reactions
     2. Extracting information from kinetic data
2.1 0 order kinetics
2.2 1st order kinetics
2.3 2nd order kinetics
2.4 comparison
2.5 higher order kinetics
3. establishing a rate equation
3.1 Integrated rate equation
3.2 Half life
3.3 Intial rate
3.4 Arrhenius and the temperature effect
4. Experimental techniques
4.1 ex-situ techniques
4.2 in-situ techniques
Ressources
en ligne

Les concepts de base de chaque chapitre seront expliqués lors d’un cours magistral. En parallèle, une série d’exercices est proposée aux étudiants. Ces exercices peuvent être fait à la propre initiative de l’étudiant et en parallèle durant des séances d’exercices. Des examens des années précédentes ainsi que l'ensemble des slides sont disponible sur moodle.

Faculté ou entité
en charge


Programmes / formations proposant cette unité d'enseignement (UE)

Intitulé du programme
Sigle
Crédits
Prérequis
Acquis
d'apprentissage
Bachelier en sciences chimiques