Kursplan för
Molekylär växelverkan och dynamik
Molecular Interactions and Dynamics
KFK090, 7,5 högskolepoäng, G2 (Grundnivå, fördjupad)
Gäller för: Läsåret 2013/14
Beslutad av: Utbildningsnämnd C
Beslutsdatum: 2013-04-15
Allmänna uppgifter
Huvudområde: Teknik.
Obligatorisk för: K2
Valfri för: N4-nbm, N4-m, Pi4, Pi4-bs, Pi4-bm
Undervisningsspråk: Kursen ges på svenska
Syfte
Syftet med kursen är att ge studenterna en inblick i hur
intermolekylära interaktioner styr makroskopiska systems statiska
och dynamiska egenskaper.
Mål
Kunskap och förståelse
För godkänd kurs skall studenten
- kunna beskriva och klassificera vilka olika molekylära
egenskaper som ger upphov till den intermolekylära
interaktionen.
- kunna använda och förstå bakgrunden till några olika
termodynamiska modeller som framtagits för att beskriva följande
fenomen: Fasomvandlingar, blandningsluckor, azeotroper,
fördelningsjämvikter samt jonlösningars ickeidealitet.
- kunna beskriva de viktigaste delarna i den kinetiska
gasteorin.
- kunna ge en molekylär beskrivning av orsakerna till
transportfenomenet diffusion.
- kunna beskriva de viktigaste egenskaperna hos vatten och för
vatten som lösningsmedel.
- visa fundamental förståelse av de viktigaste egenskaperna och
begreppen för polymerer och polymerlösningar, så som
fasbeteenden, random flights, persistenslängd, elasticitet,
kollaps och exkluderad volym.
Färdighet och förmåga
För godkänd kurs skall studenten
- med hjälp av Bragg-Williamsmodellen kunna modellera olika
kännetecknande parametrar för blandningar av två ämnen, så som
Henrys konstant, aktivitetskoefficienter,
fördelningskoefficienter, osmotiskt tryck och
kokpunktsändring.
- kunna beräkna olika bidrag till interaktionen mellan två
molekyler, så som mono- och dipolmoment samt
dispersionskrafter.
- med hjälp av enkla gittermodeller kunna modellera några olika
fenomen så som fasövergångar, destillation, blandningsluckor och
adsorption på ytor.
- praktiskt och teoretiskt kunna uppskatta olika bidrag till
löslighet, så som solvatisering enligt Born-ekvationen och
jon-joninteraktionen enligt Debye-Hückelteorin.
- behärska de enklaste modellerna av struktur och dynamik hos
polymerer.
- kunna skriva enkla men fullständiga
laborationsredogörelser.
Värderingsförmåga och förhållningssätt
För godkänd kurs skall studenten
- kunna diskutera vardagsfenomen, så som fasseparation mellan
olja och vatten, utifrån enkla men
sunda statistisk-termodynamiska resonemang.
- kunna diskutera biologiskt relevanta frågeställningar
utifrån de grundläggande modeller som ges på kursen.
- kunna värdera giltigheten hos de modeller som ges på
kursen.
Kursinnehåll
Kursen visar hur intermolekylär växelverkan ger upphov till
struktur på mikroskopisk och mesoskopisk nivå samt hur den
kvalitativt kan förklara och förutsäga materiens makroskopiska
egenskaper. Detta ger en molekylär förklaring till stora delar av
termodynamiken och makroskopiska transportprocesser samt ger de
verktyg som behövs för att man skall kunna förutsäga hur
molekylära manipulationer påverkar ett materials makroskopiska
egenskaper.
Särskild vikt läggs vid egenskaper hos polymerer som ägnas
två föreläsningar. Två föreläsningar ägnas också åt
vattens egenskaper och unika betydelse för solvatisering av och
interaktionen mellan såväl små som stora molekyler.
Vidare behandlar kursen molekylers rörelse i vätskor
(diffusion) och ger därmed den molekylära grunden för
makroskopiska transportprocesser och reaktionskinetiken för
katalysatorer.
Innehållsmässigt består kursen av följande moment:
- Beskrivning av fas- och fördelningsjämvikter med
Bragg-Williamsmodellen.
- Beskrivning av kooperativa processer, t.ex. helixbildning i
polymerer.
- Klassisk elektrostatik och intermolekylär växelverkan med
tillämpningar på bl.a. adsorption, vätskor, elektrolytlösningar
och elektrokemiska jämvikter.
- Beskrivning av egenskaper hos flytande vatten och vatten som
lösningsmedel, inklusive den hydrofoba effekten.
- Mikroskopisk beskrivning av diffusion, inkluderande bl.a.
Brownsk rörelse och kinetisk gasteori.
- Fundamental beskrivning av reaktionskinetik:
aktiveringstillsånd, Eyrings och Arrhenius ekvationer samt
diffusionskontrollerade hastighetskonstanter.
- Introduktion till modellering av egenskaper hos polymerer och
polymerlösningar: basal Flory-Hugginsteori för kemiska
potentialen, random flights, elasticitet, kollaps och exkluderad
volym.
Kursen innehåller laborationer som illustrerar de olika
egenskaper som bidrar till molekylers löslighet, diffusion i gaser
samt bestämning av några molekylära egenskaper: däribland
dipolmoment och laddning.
Kursens examination
Betygsskala: TH
Prestationsbedömning: Examination sker genom en skriftlig tentamen. För slutbetyg krävs också att kursens fyra obligatoriska laborationer är godkända.
Delmoment
Kod: 0114. Benämning: Molekylär växelverkan och dynamik.
Antal högskolepoäng: 7,5. Betygsskala: TH.
Kod: 0214. Benämning: Laborationer.
Antal högskolepoäng: 0. Betygsskala: UG. Prestationsbedömning: Laborationerna redovisas skriftligt eller muntligt. För godkänt skall de skriftliga rapporterna vara enkla men korrekta med sedvanlig struktur och innehåll. Delmomentet omfattar: Kursen innehåller tre "våta" laborationer och en demonstrationslaboration i datorsimulering.
Antagningsuppgifter
Förutsatta förkunskaper: FMAA01 Endimensionell analys, FMA420 Linjär algebra, KFK080 Termodynamik.
Begränsat antal platser: Nej
Kursen överlappar följande kurser: KFKA05, KFKF01
Kurslitteratur
- Dill, K and Bromberg, S: Molecular driving forces. Statistical thermodynamics in Chemistry, Physics, Biology and Nanoscience. 2nd edition. Garland Science, 2010, ISBN: 9780815344308.
Kontaktinfo och övrigt
Kursansvarig: Kristofer Modig, kristofer.modig@bpc.lu.se
Hemsida: http://www.cmps.lu.se/bpc/teaching/