1. Látkové soustavy, složení soustav

1. Látkové soustavy, složení soustav

Chemie 1. Látkové soustavy

Ústav procesní a zpracovatelské techniky FS ČVUT v Praze

1

1. Látkové soustavy, složení soustav 1. Základní pojmy 1.1 Hmota 1.2 Látky 1.3 Pole 1.4 Soustava 1.5 Fáze a fázové přeměny 1.6 Stavové veličiny 1.7 Složka

2. Hmotnost a látkové množství 3. Složení látkových soustav



2

1. Základní pojmy 1.1 Hmota • každý hmotný objekt má nejrůznější vlastnosti • pro každý hmotný objekt jsou charakteristické 2 vlastnosti • setrvačnost

hmotnost

• schopnost konat práci

energie

setrvačnost

• schopnost setrvávat v okamžitém stavu • charakterizující veličina - hmotnost

schopnost konat práci

• vlastnost, která umožňuje hmotnému objektu samovolně měnit svůj stav i stav objektů, které s ním přicházejí do styku • charakterizující vlastnost - energie



3

Formy hmoty

Látky a pole

• Neexistuje látka bez určitého pole ani pole bez látky. Př. Tělesa ⇒ gravitační pole Elektromagnetické pole ⇒ elementární hmota fotonů záření – fotony mají m0 = 0

• Možnost vzájemného přechodu jedné formy hmoty v druhou. Hmota (m, E) Látky (m0 > 0) Př.

Pole (m0 = 0)

Interakce elektronu a pozitronu (elementární částice) při srážce: ⇒ přeměna na elektromagnetické pole – dva fotony záření γ Atomový výbuch:


hmota ⇒ záření γ


4

1.2 Látky Př.

ocelové trubky

ocelové kolejnice

ocelové plechy

3 různé hmotné objekty – tělesa Proč? všechny mají hmotnost a schopnost konat práci

?????? 3 různé látky ?????? NE – pouze jedna látka – ocel Proč? Chemie 1. Látkové soustavy


5

Látka • Materiální náplň tělesa po abstrahování jeho velikosti a tvaru Při zkoumání látkových vlastností (např. ρ, cp, λ, …) se opomíjí všechno, co závisí na velikosti a tvaru tělesa. Skupenství – rozdělení látek podle vnitřního uspořádání • Tuhé (s)

• Plynné (g)

• Kapalné (l)

• Plazma

1.3 Pole • Forma hmoty, která zprostředkovává vzájemné působení těles • Spojitě rozloženo v celém prostoru • Není prostorově ohraničeno Př.

Gravitační pole

F =κ ⋅

m1 ⋅ m2 r2

gravitační konstanta κ = 6,67.10-11 N.m2.kg-2

Elektromagnetické pole Jaderné pole Chemie 1. Látkové soustavy


6

1.4 Soustava Nutno vymezit, co budeme zkoumat a posuzovat Soustava Okolí Hraniční plocha

• část prostoru s látkovou náplní oddělená od okolí skutečnými nebo myšlenými stěnami Tyto plochy mají nebo jim přisuzujeme určité vlastnosti.

Soustava

Okolí • prostor vně uvažované soustavy Př.

Posluchárna se studenty Soustava: posluchárna se studenty Hraniční plochy: • Stěny posluchárny • Okna • Dveře (otevřené)

Přisuzované vlastnosti: „Nepropustné“ pro hmotu a energii Propustné pro energii Propustné pro hmotu a energii

Okolí: vše okolo – budova, ulice, …. Chemie 1. Látkové soustavy


7

Př.

Student Soustava: student Hraniční plochy:

Přisuzované vlastnosti:

• Kůže

Propustné pro hmotu i energii

• Nosní dírky

Propustné pro hmotu a energii

Okolí: posluchárna Př. Láhev zpola plná a zpola prázdná Soustava: celá láhev hraniční plochy: stěny lahve (hmotné) Směs vzduchu a vodní páry

Voda


Soustava: kapalná fáze hraniční plochy: stěny lahve (hmotné) mezifázové rozhraní (myšlená) Soustava: plynná fáze


8

Rozdělení soustav podle vztahu k okolí A. Rozdělení podle vztahu k okolí • Izolované soustavy • Uzavřené soustavy • Otevřené soustavy

B. Rozdělení soustav podle míry stejnorodosti • Homogenní soustavy • Heterogenní soustavy



9

A. Rozdělení soustav podle vztahu k okolí • Izolované soustavy - soustava nevyměňuje s okolím ani energii ani hmotu Př. zavřená mrazící taška Př. zavřená termoska s horkým čajem

• Uzavřené soustavy - soustava vyměňuje s okolím energii, nevyměňuje hmotu Př. hrnec na plotně s pokličkou (Papinův hrnec (dokud nepíská)) Př. uzavřená láhev s minerálkou

• Otevřené soustavy - soustava vyměňuje s okolím energii i hmotu Př. hrnec na plotně bez pokličky / hrnec na plotně s pokličkou (Papinův hrnec (když píská)) Př. otevřená láhev s minerálkou Chemie 1. Látkové soustavy


10

Př. Lednička Zapnutá lednička

Vypnutá lednička

Otevřená lednička

uzavřená soustava

izolovaná soustava

otevřená soustava

K čemu je toto rozlišování ? Př. Nevratnost × vratnost děje resp. uskutečnitelnost × neuskutečnitelnost děje lze posuzovat podle entropie, ale pouze entropie adiabaticky izolované soustavy. Chemie 1. Látkové soustavy


11

B. Rozdělení soustav podle míry stejnorodosti • Homogenní soustavy

- ve všech částech stejné nebo spojitě se měnící

• Heterogenní soustavy

- obsahuje plochy na nichž se vlastnosti mění skokem

• Homogenní soustavy - ve všech částech stejné nebo spojitě se měnící Voda ve sklenici



Bojler

12

• Heterogenní soustavy

- obsahuje plochy na nichž se vlastnosti mění skokem ; tyto plochy se nazývají fázová rozhraní - homogenní části soustavy se nazývají fáze

Whisky s ledem



13

1.5 Fáze a fázové přeměny Fáze • Homogenní, fyzikálně odlišitelná, oblast v heterogenní soustavě oddělená od ostatních oblastí soustavy fázovým rozhraním. • Na fázovém rozhraní se vlastnosti mění skokem. H2O p = 0,1 MPa

led voda pára

ρ(-20°C) = 920 kg/m3 ρ (20°C) = 998 kg/m3 ρ (100°C) = 0,590 kg/m3

cp (-20°C) = 2,135 kJ/kg.K cp (20°C) = 4,182 kJ/kg.K cp (100°C) = 2,02 kJ/kg.K

Fázové přeměny • Látky mohou vlivem vnějších podmínek měnit svou strukturu. • Změny, při kterých dochází ke změně struktury se nazývají fázové přeměny. Př.

Tání ledu s → l Vypařování vody l → g Chemie 1. Látkové soustavy

Přeměna grafitu (šesterečná) → diamant (kubická)


14

1.6 Stavové veličiny Jak popsat definovanou soustavu ? Jak popsat její vlastnosti ? Pomocí nějakých veličin ⇒ veličiny popisující stav soustavy ⇒ stavové veličiny Rozdělení stavových veličin • extenzívní

- jsou úměrné velikosti soustavy - při dělení na menší podsystémy se hodnota veličin mění Př. objem V, hmotnost m, látkové množství n

→ • intenzívní

- nejsou úměrné velikosti soustavy - veličiny, jejichž hodnoty se při dělení na menší podsystémy nemění Př. tlak p, teplota T, složení ci, hustota ρ

→ !!!!! Veličina vzniklá kombinací stavových veličin je opět stavová veličina !!!!! Chemie 1. Látkové soustavy


15

1.7 Složka Složka – chemický jedinec přítomný v dané fázi. Př.

Voda H2O, kyslík O2, uhlík C, metan CH4, etanol C2H5OH, uhličitan vápenatý CaCO3

voda H2O

metan CH4

amoniak NH3

Vztah mezi počtem fází, počtem složek a počtem stavových veličin • Existuje vztah mezi počtem fází f, počtem složek s a počtem stavových veličin v, které jsou potřeba k popisu dané soustavy. Gibbsovo pravidlo fází Chemie 1. Látkové soustavy

v=s+2-f Ústav procesní a zpracovatelské techniky FS ČVUT v Praze

16

2. Hmotnost a látkové množství Množství látky lze vyjádřit:

• hmotností m • látkovým množstvím n

Hmotnost m Definice: 1 kg je hmotnost mezinárodního prototypu kilogramu, který je uložen u Mezinárodního úřadu pro váhy a míry v Sèvres.

Látkové množství n • vyjadřuje počet částic 1 mol

- takové množství látky, které obsahuje stejný počet částic (např. atomů, molekul, iontů), kolik je obsaženo ve 12 g izotopu uhlíku 126C.

1 kmol

- takové množství látky, které obsahuje stejný počet částic (např. atomů, molekul, iontů), kolik je obsaženo ve 12 kg izotopu uhlíku 126C.



17

Avogadrova konstanta NA • udává počet atomů obsažených ve 12 g 126C.

NA = 6,022.1023 částic / mol = 6,022.1026 částic / kmol + NaCl

Na+

+

Cl -

1 kmol NaCl

1 kmol Na+

+

1 kmol Cl -

6,022.1026 částic

6,022.1026 částic

+

6,022.1026 částic

58,44 kg

22,99 kg

+

35,45 kg

Molová hmotnost M • udává hmotnost jednotkového látkového množství • vztah mezi mol. hm. M, hmotností m a látkovým množstvím n



g/mol ; kg/kmol

m M = n 18

3. Složení látkových soustav • Jednou z významných veličin je složení soustavy. • Složení soustavy udává, jaké množství kterých složek soustava obsahuje. Čistá látka

- v soustavě přítomen pouze jeden druh molekul – jeden chemický jedinec, tj. jedna složka.

Směs

- v soustavě přítomno více druhů molekul – více chemických jedinců, tj. více složek.

Vyjádření množství složek • absolutně - absolutní množství jednotlivých složek (2 kg látky A, 5 kg látky B,..) • relativně

(intenzívní veličina) - relativní množství jednotlivých složek - podíl jednotlivé složky k : celkovému množství složek : referenční složce (inert)



19

Přehled užívaných koncentrací 1. Hmotnostní koncentrace (hmotnostní podíl) cmi =

hmotnost složky i hmotnost celé soustavy

mi

=

Σmi

1

Σ c mi = 1

1

Σ cv i = 1

1

Σ cn i = 1

2. Objemová koncentrace (objemový podíl) cvi =

objem složky i objem celé soustavy

Vi

=

ΣVi

3. Molová koncentrace (molový podíl) cni =

látkové množství složky i látkové množství celé soustavy


=

ni

Σni


20

4. Hmotnostně objemová koncentrace cmvi =

hmotnost složky i objem celé soustavy

mi

=

ΣVi

kg/m3

×

kmol/m3

×

5. Molově objemová koncentrace cnvi =

látkové množství složky i objem celé soustavy

ni

=

ΣVi

6. Molově hmotnostní koncentrace cnmi

=

látkové množství složky i hmotnost celé soustavy


=

ni

Σmi


kmol/kg

×

21

Pozn.

cni

- kapalná fáze xi - plynná fáze yi

Další typy koncentrací ppm

- parts per milion

počet částic v množství 106 částic počet kg v množství 106 kg počet kmol v množství 106 kmol

ppb

- parts per bilion

počet částic v množství 109 částic počet kg v množství 109 kg počet kmol v množství 109 kmol

Vztažení k referenční složce • molalita

nk / nrozpouštědlo

• měrná vlhkost

x = mH2O / msuchý vzduch



22

Příklad Při mytí lahví se používá roztok NaOH o koncentraci 0,9 mol. %. Hustota roztoku je 3 1019,6 kg/m . 1) Jaké je hmotnostní, molověobjemové, hmotnostněobjemové a molověhmotnostní složení roztoku (tj. koncentrace složek). 2) Kolik kg vody a kg NaOH je potřeba 3 k přípravě 15 m mycího roztoku. Molové hmotnosti: MH2O = 18 kg.kmol-1, MNaOH = 40 kg.kmol-1 Chemie 1. Látkové soustavy


Radek Šulc @ 2008

23

1. Látkové soustavy, složení soustav

Recommend Documents