Chimie Physique (Ch2ChiPhys)

Objectifs :

Le cours a pour objectif d'initier l'étudiant aux notions de base de la chimie physique en mettant l'accent sur les représentations macroscopiques et microscopiques (moléculaires) des observations expérimentales. A cet effet, il est demandé de pouvoir maîtriser les formalismes mathématiques décrivant les divers aspects quantitatifs et qualitatifs des phénomènes abordés. Le cours passe en revue la thermodynamique chimique et ses principales applications, les grands principes de spectroscopie atomique et moléculaire, la cinétique chimique et une introduction à la catalyse.  

Compétences :

connaissances scientifiques et rigueur
Capacité de compréhension face à un problème
Capacité d'élaboration d'une réponse à un problème
Capacité d'abstraction

Prérequis :

Chimie générale (1ère année)

Mathématiques (1ère année)

Physique (1ère année)    

Contenu du cours :

Chapitre 1 : Introduction à la thermodynamique

Définition de la thermodynamique - Description des états de la matière - Système thermodynamique - Variables thermodynamiques - Réversibilité thermodynamique

Chapitre 2 : Propriétés des gaz

Gaz parfaits - Équation d'état - Mélanges de gaz et pression partielle - Comportement des gaz réels - Etat critique - Équations d'état des gaz réels

Chapitre 3 : Le premier principe

Echanges d'énergie - Énergie interne U - Travail et chaleur - Enthalpie H - Capacités calorifiques Cv et Cp - Compression et détente adiabatiques des gaz

Chapitre 4 : Thermochimie

Enthalpie de réaction - État standard - Enthalpie standard de formation et de combustion - Enthalpie des transformations physiques - Transformations atomiques et moléculaires - Détermination des chaleurs de réaction - Enthalpie de liaisons - Énergie réticulaire - Variation de l'enthalpie avec la température

Chapitre 5 : Le deuxième principe

Transformations spontanées et non-spontanées - Entropie et deuxième principe - Variation d'entropie de processus typiques - Entropies absolues et troisième principe - Entropie de réaction

Chapitre 6 : Enthalpie libre et énergie libre

Enthalpie libre G de Gibbs - Énergie libre A de Helmholtz - Calcul de l'enthalpie libre et de ses variations - Conditions standard - Activité - Potentiel chimique

Chapitre 7 : Diagrammes de phases des corps purs

Équilibre liquide / gaz - Relation de Clapeyron - Équilibre solide / liquide - Diagrammes d'état - Stabilité des phases - Position et pente des frontières de phases -  Règle des phases et variance

Chapitre 8 : Mélanges simples

Propriétés molaires partielles - Description thermodynamique des mélanges - Solutions idéales et solutions diluées - Propriétés colligatives - Solubilité

Chapitre 9 : Diagrammes de phases

Diagrammes de tension de vapeur - Diagrammes température/composition - Distillation fractionnée - Diagrammes de phase liquide/liquide - Diagrammes de phase solide/liquide

Chapitre 10 : Équilibres

Équilibre chimique - Loi des équilibres - Expression de ∆G - Constante d'équilibre - Déplace-ment d'un équilibre : loi de Le Chatelier

Chapitre 11 : Représentation moléculaire

Niveau microscopique et niveau macroscopique - Mouvements moléculaires - Énergies associées aux mouvements - Distribution de Maxwell-Boltzmann - Interprétation moléculaire de l'entropie - Spectres d'émission et d'absorption - Loi de Beer-Lambert

Chapitre 12 :  Spectroscopie de rotation et de vibration

Spectroscopie de rotation - Niveau d'énergie rotationnelle - Spectroscopie de vibration - Niveau d'énergie vibrationnelle - Modes normaux de vibration - Spectroscopie de vibration à haute résolution - Spectroscopie Raman

Chapitre 13 : Structure électronique

Structure électronique des atomes et états atomiques - Structure électronique des molécules - Combinaisons linéaires d'orbitales atomiques - Orbitales liantes et antiliantes - Structures des molécules diatomiques - Structures des molécules polyatomiques

Chapitre 14 : Spectroscopie UV- visible

Spectroscopie électronique - Transitions spectrales et règles de sélection - Principe de Franck-Condon - Fluorescence et phosphorescence - Spectroscopie photoélectronique

Chapitre 15 : Théorie cinétique des gaz

Vitesses des molécules de gaz - Pression d'un gaz - Distribution des vitesses - Collisions moléculaires

Chapitre 16 : Cinétique chimique empirique

Vitesses de réaction -  Lois de vitesses et constantes de vitesses - Ordre d'une réaction

Lois de vitesse intégrées - Demi-vies - Loi d'Arrhénius

Chapitre 17 : Cinétique chimique moléculaire

Origine des paramètres d'Arrhénius - Théorie des collisions - Théorie de l'état de transition - Explications des lois de vitesses - Réactions élémentaires - Réactions consécutives - Étape cinétiquement déterminante - Approximation de l'état stationnaire - Réactions unimoléculaires - Réactions en chaîne - Explosions - Réactions photochimiques

Chapitre 18 : Introduction à la catalyse

Catalyse homogène - Catalyse hétérogène - Etude des surfaces - Adsorption - Isothermes d'adsoprtion - Activité catalytique des surfaces

Méthode d'enseignement :

Exposés

Lectures recommandées :

- ATKINS, P.W.

Eléments de Chimie Physique, DeBoeck, 1999

- ATKINS, P.W.

Chimie Physique, DeBoeck, 2000

- ARNAUD, P.

Chimie Physique, Dunod, 2002

- ENGEL, T. , REID, Ph.

Physical Chemistry,  Pearson Education, 2006

Méthode d'évaluation :

Examen écrit