Disperzní soustavy a jejich vlastnosti
Disperzní soustavy Dispergované ástice
Disperzní prost edí
Typy disperzních soustav Disperzní prost edí
Disperg. ástice
Název soustavy
Tuhé
Tuhé Kapalné Plynné
Slitiny, sklo Tuhé emulse (máslo) Houby, frity
Kapalné
Tuhé Kapalné Plynné
Suspenze, roztoky Emulze, roztoky ny, roztoky plyn
Plynné
Tuhé Kapalné Plynné
Kou e, aerosoly Mlha, aerosoly Sm si plyn
Kapalné disperzní soustavy < 1 nm analytické soustavy, pravé roztoky
1-500 nm
> 500 nm
koloidní soustavy
hrubé disperze
Rozdíly: viditelnost dispergovaných ástic, sedimentace, difuze, optické vlastnosti
Vlastnosti kapalných disperzních soustav Charakteristika Pravý roztok
Koloidní disperze
Hrubá disperze
Velikost ástic
1-500 nm
500 nm
Elektr.mikroskop
Opt.mikroskop
< 1nm
Viditelnost ástic Ne Sedimentace
Ne
Difuze
Rychlá
ultracentrifugaci
Nemá význam
Kolig. vlastnosti
Významné
Pomalá
nevýznamané
Málo významné
Ne (zákal)
Transparentnost Ano
i
Ne (opalescence)
Ano
Pravé roztoky • vznikají samovolným rozpoušt ním jedné látky v druhé • schopnost látek rozpoušt t se v daném rozpoušt dle rozpustnost • rozpustnost závisí na chemické povaze rozpoušt né látky a rozpoušt dla, na teplot a u plyn též na tlaku • p i rozpoušt ní se uplat ují nevazebné interakce • Similia Similibus Solvuntur • nej ast jším rozpoušt dlem je voda • organická rozpoušt dla: nap . hexan, benzen, diethylether, tetrachlormethan
Molarita x Molalita
Molární koncentrace (molarita) - c
n c= Vrozt V rozt = objem roztoku n = po et mol (látkové množství)
mol/l
Molální koncentrace (molalita) - cm
n cm = mrozp
mol/kg
mrozp= hmotnost rozpoušt dla
Hodnota molality nezávisí na teplot a udává konstantní pom r mezi po tem molekul solutu a rozpoušt dla (popisuje reálné vlastnosti roztoku)
Pro tedy více používáme molaritu ? Protože zjišt ní molarity je snadn jší: zjiš ujeme navážku (p epo tenou na po et mol ) v objemu roztoku (objem roztoku snadno zm íme)
U z ed ných vodných roztok , kdy hustota roztoku se blíží 1 kg.dm-3, je rozdíl mezi molalitou a molaritou zanedbatelný.
Kolik ml 66% kyseliny dusi né (hustota=1,4 g/ml) je pot eba na p ípravu 3000 ml jejího 5M roztoku?
Vyberte správnou odpov : K neutralizaci 16 ml roztoku kyseliny chlorovodíkové o látkové koncentraci c = 0,5 mol/l se spot ebuje práv a) 60 ml roztoku NaOH o c = 0,2 mol/l b) 40 ml roztoku NaOH o c = 0,25 mol/l c) 20 ml roztoku NaOH o c = 0,4 mol/l d) 16 ml roztoku NaOH o c = 0,25 mol/l
K neutralizaci 250 ml roztoku KOH (c = 0,2 mol/l) je zapot ebí:
a) b) c) d)
250 ml roztoku kyseliny sírové o koncentraci c = 0,40 mol/l 200 ml roztoku kyseliny sírové o koncentraci c = 0,25 mol/l 400 ml roztoku kyseliny sírové o koncentraci c = 0,25 mol/l 250 ml roztoku kyseliny sírové o koncentraci c = 0,10 mol/l
Chování nízkomolekulárních látek p i rozpoušt ní
nerozpoušt jí se
rozpoušt jí a št pí se na ionty
neelektrolyty št pí se áste slabé elektrolyty
št pí se úpln silné elektrolyty
Elektrolyty Látky, které p i interakci s molekulami polárního rozpoušt dla disociují na ionty
H2O
Silné elektrolyty: AB (s) "
A+ (aq) + B-(aq)
Disociace je úplná H2O
Slabé elektrolyty: AB (s) D A+ (aq) + B-(aq) + AB(aq) Disociace je áste ná
Srovnejte znaménko u rovnic disociace:
Silný elektrolyt
"
Slabý elektrolyt
D
Elektrolyty Silné
Slabé
silné kyseliny
slabé kyseliny
silné hydroxidy
slabé zásady
všechny soli
Chování silného elektrolytu
Chování slabého elektrolytu
Roztoky elektrolyt
Pojem kyseliny a zásady (podle Brønsteda) látka, která odšt puje H+
Kyselina: HA
"
H+ +
kyselina
Akonjugovaná báze
látka, která váže H+
Zásada (báze): B + H+ báze
"
BH+ konjugovaná kyselina
Konjugovaný pár
konjugovaný pár
HA
+ B
"
konjugovaný pár
A-
+
BH
Výpo ty pH silných kyselin a zásad
Silné kyseliny a silné hydroxidy jsou silnými elektrolyty. Ve zjednodušených výpo tech p edpokládáme, že ve vod zcela disociují
HA + H2O → H3O+ + AU jednosytné kyseliny je pak koncentrace H+ stejná jako celková koncentrace cHA a pH lze po ítat jako
pH = - log H3O+ = - log cHA Obdobn platí pro silné zásady
pOH = - log OH - = - log cB
14 = pH + pOH
Vypo ítejte pH kyseliny chlorovodíkové o látkové koncentraci 0,01 mol/l.
Vypo ítejte pH roztoku Ca(OH)2 o látkové koncentraci 0,01 mol/l.
Roztok kyseliny chlorovodíkové o koncentraci c = 0,01 mol/l byl z ed n dvakrát. Hodnota pH tohoto z ed ného roztoku je: a)1,7 b) 2,50 c) 2,30 d) 4,00
Vodný roztok kyseliny chlorovodíkové s hodnotou pH = 2,6 byl z ed n ty ikrát. Koncentrace vodíkových iont v takto ed ném roztoku je: a) 0,40 mol.dm-3 b) 0,63 . 10-3 mol.dm-3 c) 1,00 . 10-2 mol.dm-3 d) 2,5 . 10-3 mol.dm-3
pH slabých kyselin a zásad
Jaké pH má ocet ? Jaké pH má roztok kyseliny askorbové? Pro mohu pít roztok kyseliny uhli ité a ne roztok kyseliny chlorovodíkové ?
Disociace slabých kyselin a zásad Slabá jednosytná kyselina HA + H2O
Slabá jednosytná zásada
H3O+ + A-
BH+ + OH-
B + H2O
rovnovážná konstanta +
−
[ H 3O ].[ A ] Kc = [ HA].[ H 2O ]
+
−
[ BH ].[OH ] Kc = [ B ].[ H 2O ]
disocia ní konstanta (protoniza ní konstanta) +
−
[H 3O ] ⋅ [A ] KA = [HA]
+
−
[BH ] ⋅ [OH ] KB = [B]
KA, KB – disocia ní (protoniza ní) konstanty
pK = - log K Co nám íká hodnota pKA (pKB) ? • síla kyseliny nebo zásady
1- 3…………..st edn silná pK
∼
4-8…………….slabé >8…………….velmi slabé
pKA hodnoty slabých kyselin Kyselina
pKA1
pKA2
(COOH)2
1,25
4,29
HNO2
3,39
H3PO4
2,16
CH3COOH
4,76
H2CO3
6,35
10,3
H2S
7,07
12,2
H3BO3
9,24
12,7
askorbová
4,17
11,57
7,2
pKA3
12,29
pKB hodnoty slabých zásad Báze
pKB
pKa konj. kys.
guanidin
1,50
12,5
methylamin
3,36
10,64
amoniak
4,75
9,25
imidazol
6,90
7,1
pyridin
8,82
5,18
anilin
9,38
4,62
kofein
13,40
0,6
ím siln jší je báze, tím slabší je konjugovaná kyselina
Vztah KA a KB ( pKA a pKB)
KA . KB = Kv = 1. 10-14
pKA+ pKB = 14
Zjednodušené výpo ty pH slabých kyselin a zásad Slabá jednosytná kyselina o celkové koncentraci cHA H3O+ + A-
HA + H2O
[H ] ⋅ [A ] KA = [HA] +
−
[H ] ⋅ [A ] KA = [HA] +
−
Pro úpravu vztahu zavedeme 2 zjednodušení: 1.
Koncentrace disociovaných molekul u slabé kyseliny je velmi malá ve srovnání s nedisociovanými: cHA>> H+
[HA] = (cHA – [H+])
⇒ [HA] ≅ cHA
2. Z jedné molekuly vzniká disociací stejný po et kationt a aniont :
[H+] = [A-] +
2
[H ] KA = [cHA ]
+
2
[H ] KA = [cHA ]
H = K A .cHA +
pH slabé kyseliny závisí na její koncentraci a pKA hodnot
pH = - log H+ = - log pH = 1 2 pK A −
1
2
log cHA
K A .cHA
Slabá jednosytná báze: B + H2 O
BH+ + OH-
[BH + ] ⋅ [OH − ] KB = [B]
pOH = 1 2 pK B −
1
pH = 14 − 1 2 pK B +
2
1
log cB 2
log cB
Disociace vícesytných slabých kyselin (nap . H2S, H2CO3, H3PO4) HA- + H3O+
H2A + H2O [H 3O + ] ⋅ [HA − ] K A1 = [H 2 A]
HA- + H2O
A2- + H3O+
K A2
2−
[H 3O ] ⋅ [A ] = [H A- ] +
Hodnoty pKA se obvykle výrazn liší Kyselina
pKA1
pKA2
pKA3
H2C2O4
1,25
4,29
-
H3PO4
2,16
7,20
12,29
H2SO4
silná
1,92
-
askorbová
4,17
11,57
-
Pokud koncentrace kyseliny není p íliš nízká a rozdíl v pK je v tší jak 3, ionizaci do dalšího stupn lze zanedbat a uvažovat, že ve vodném roztoku evažují ionty z disociace do 1. stupn (neplatí tedy pro kys. sírovou)
Vyberte z nabídnutých odpov dí takovou dvojici ástic, kterou lze podle Brönstedovy teorie považovat za konjugovaný pár: a) NH4 +,OH- b) NH3 , H3O+ c) H20 , H3O+ d) H2O , NH3 Vyberte z uvedených slou enin tu, jejíž vodný roztok má vlastnosti silného elektrolytu: a) NH4Cl b) NH3 c) CH3COOH d) H2CO3 Lze ozna it n kterou z nabídnutých zásad za siln jší než ostatní uvedené? a) amoniak, Kb= 1,8 . 10-5 b) methylamin, Kb = 4,4 . 10-4 c) dimethylamin, Kb = 5,1 . 10-4 c) trimethylamin, KB = 5,3 . 10-5
Ur ete mezi uvedenými kyselinami slabou kyselinu: a) HBr b) H2SO4 c) HNO3 d) H3BO3 Která ze ty uvedených látek po rozpušt ní v destilované vod zp sobí, že roztok bude reagovat alkalicky? a) (NH4)2SO4 b) CH3OH c) Na2SO4 d) NaHCO3 Má n který ze ty vodných roztok nabídnutých látek (jejich látková koncentrace je stejná) slab kyselou reakci? a) CH3OH b) NaHCO3 c) HCOONa d) C6H5OH
Tlumivé roztoky (pufry) Látky, pomocí kterých lze: • nastavit p esnou hodnotu pH • udržet dané pH v ur itých mezích • tlumit výkyvy pH zp sobené omezeným ídavkem kyseliny i zásady.
Pufry jsou nej ast ji: • sm s slabé kyseliny a její soli se silnou zásadou (kys. octová a octan sodný) • sm s slabé zásady a její soli se silnou kyselinou (amoniak a chlorid amonný) • sm s solí vícesytné kyseliny (hydrogenfosfore nan a dihydrogenfosfore nan sodný)
Hodnota pH pufru Pro kyselý pufr
[HA] [H ] = K A ⋅ [A − ] cA + [H ] = K A ⋅ cS +
cS pH = pK A + log cA
[H + ]⋅ [A − ] KA = [HA]
po úprav
HendersonovaHasselbalchova rovnice
Pro zásaditý pufr
cS pOH = pK B + log cB cS pH = 14 − pK B − log cB Henderson-Hasselbalchova rovnice v obecném tvaru cB pH = pK A + log cA
Oxidace a redukce
Význam oxida
-reduk ních reakcí
Oxida -reduk ní (redoxní) reakce jsou sou ástí našeho každodenního života • metabolismus živin • fotosyntéza • bun ná respirace • spalování paliv • koroze kov
Definice Oxidace Ared - n e- → Aox i oxidaci látka odevzdává elektrony
Redukce Box + n e- → Bred i redukci látka elektrony p ijímá
Oba d je probíhají vždy sou asn
Oxidoreduk ní d j
Ared + Box Aox/Ared
Box/Bred
Aox + Bred redoxní páry
(srovnejte s acidobazickými d ji – konjugované páry)
Složky redoxního páru se mohou lišit nejen po tem elektron , ale i po tem atom vodíku, kyslíku p íp. jiných prvk
íklady redoxních pár MnO4-/MnO2 O2/HO Fe3+/Fe2+ Cr2O72-/Cr3+ pyruvát/laktát chinon/difenol disulfid/thiol aldehyd/alkohol
Jak poznáme, zda reakce je oxida reduk ní? i oxidoreduk ní reakci se m ní oxida ní íslo prvku
Oxida ní íslo - elektrický náboj, který by atom získal, kdybychom elektrony každé vazby vycházející z tohoto atomu id lili atomu elektronegativn jšímu
Pravidla pro ur ování oxida ních ísel § volný atom, nebo atom v molekule prvku (nap .Cu, O2, P4) má oxida ní íslo 0 a vazba mezi atomy téhož druhu nep ispívá k oxida nímu íslu § oxida ní íslo jakéhokoliv jednoatomového iontu se rovná jeho náboji (nap . Fe3+ má oxida ní íslo +III) § které prvky mají ve všech nebo ve v tšin slou enin stejná oxida ní ísla: vodík má oxida ní íslo +I, pouze v hydridech kov je H-I, kyslík má ox. íslo –II, jen v peroxidech je O-I, u alkalických kov je ox. íslo vždy +I, u kov alk.zemin +II
Oxida ní íslo síry v kyselin sírové
H2SO4 2x (+I)
4x (-II)
X = +2 + (-8) = +6
Ze zkušenosti známe, že n které látky p sobí jako oxida ní inidla, jiné jako reduk ní inidla.
Oxida ní inidla - KMnO4, H2O2, K2Cr2O7, Cl2,… …...
Reduk ní inidla - C, H2, Fe, Zn…...
Typy oxida ních reakcí • ztráta elektronu Zn + Cu2+ → Zn2+ + Cu • navázání kyslíku (oxygenace) C + O2 → CO2 • odšt pení 2H (dehydrogenace) H3C CH COOH OH
laktát
-2H
H3C C O
pyruvát
COOH
Typy reduk ních reakcí • dodání elektronu Zn + Cu2+ → Zn2+ + Cu • odšt pení kyslíku (deoxygenace) CO2 → CO + ½ O2 • navázání 2H (hydrogenace) H3C C O
COOH
+2H
H3C CH COOH OH
a) Cu + HNO3
Cu(NO3)2+ NO + H2O
b) Cr2O72- + Br- + H+
Vyberte správné tvrzení o oxida
Cr3+ + Br2 + H2O
reduk ních reakcích:
a)Oxida ní inidlo v reakci snadno poskytuje elektrony b) Prvek inidlem redukovaný zvyšuje své oxida ní íslo c) Reduk ní inidlo v reakci p edává jiné látce své elektrony d) Oxidovaný prvek nabývá v reakci záporné oxida ní íslo
Který z následujících výrok o reakci zinku s dusi nanem st íbrným (vzniká v ní st íbro a dusi nan zine natý) je správný? a) Ag+ je v reakci oxidován na kovové Ag b) Ag+ má malou afinitu k elektron m c) Ag+ je v reakci oxida ním inidlem d) zinek p ijímá snadno elektrony
Energetika chemických reakcí
Systém (soustava) ást prostoru odd lená od svého okolí • izolovaný – žádná komunikace s okolím • uzav ený – vým na energie možná • otev ený – vým na hmoty, energie (a informací) okolí systému
okolí systému
systém
okolí systému
okolí systému okolí systému
Energie • schopnost systému konat práci • systém = t leso, stroj, sm s reagujících slou enin (reak ní sm s), živý organismus • fyzikální veli ina, jednotka joule (J) • rozm r J = kg m2/s2
Vnit ní energie (U) • abstraktní veli ina, kterou v praxi neužíváme • sou et kinetické i potenciální energie všech ástic systému • nelze zjistit absolutní hodnotu, pouze zm nu (∆U )
Jakým zp sobem m že systém m nit svoji vnit ní energii? ∆U = ∆ energie tepelná + ∆ energie netepelná teplo
∆U = ∆Q
práce
+
∆W
1. v ta termodynamická vyjad uje zákon zachování energie Sou et všech druh energie v izolovaném systému se nem ní, bez ohledu na procesy probíhající uvnit . Alternativní formulace:
Energie nem že být vytvo ena ani zni ena, že být pouze p em na z jedné formy na druhou.
Práce p i chemických reakcích m že být objemová i konstantním tlaku: W = -p V V organismu jsou objemové zm ny p i biochemických em nách zanedbatelné
Entalpie* (H) vyjad uje tepelný obsah soustavy za konst. tlaku a objemu ∆U = ∆Q + ∆W Systém koná obj. práci za konst. tlaku: ∆U = ∆Q - p∆V Vým na tepla s okolím: ∆Q = ∆H = ∆U + p∆V i nekonání obj. práce: p∆V = 0 *z
tiny, en = do, thalpos = teplo
⇒
∆H = ∆U
Zm na enthalpie p i chemické reakci odpovídá reak nímu teplu
∆H = H2 - H1 = Qp Za b žných biochemických podmínek (konst. tlak a objem) žeme zm nu vnit ní energie soustavy ur it z množství uvoln ného nebo spot ebovaného tepla (∆H = ∆U)
∆H udává rozdíl mezi energií vazeb produkt a reaktant ∆H < 0 exotermní reakce, produkty jsou energeticky výhodn jší, mají nižší energii (vazby jsou v nich pevn jší než reaktanty) ∆H > 0 endotermní reakce, produkty mají vyšší energii
Zm ny entalpie n kterých em n mají speciální názvy • Standardní slu ovací teplo ( H°298)slu prvky → 1 mol slou eniny • Standardní spalné teplo ( H°298)spal 1 mol látky + n O2 → produkty spalování
Termochemické zákony 1. Laplace v-Lavoisier v zákon • Hodnota reak ního tepla p ímé nebo protism rné reakce je stejná, m ní se však hodnota jeho znaménka (+/-). 2. Hess v zákon • Výsledná hodnota reak ního tepla nezáleží na pr hu chemické reakce, ale pouze na jeho po áte ním a kone ném stavu. • V termochemických rovnicích je d ležité vyjad ovat skupenství všech látek, které se reakce zú astní, protože zm ny skupenství jsou spojeny s vým nou tepla. • Skupenství látek: • pevné = solidus (s), kapalné = liquidus (l), plynné = gasseus (g), vodný roztok = aquatic (aq) Standardní slu ovací teplo • Teplo, p i kterém vzniká 1 mol látky p ímo z prvk , reak ní látky musí být ve standardním stavu. Standardní slu ovací tepla prvk a vody jsou rovna nule. • Vzorec výpo tu reak ního tepla:
• •
Standardní spalné teplo Teplo, p i kterém se spálí 1 mol látky v nadbytku kyslíku. Vzorec výpo tu reak ního tepla:
Obsah energie v istých (100%) živinách Chemická energie živin odpovídá spalnému teplu
Živina
Energetická hodnota (kJ/g) Biologická
Fyzikální
Tuky
38
38
Sacharidy
17
17
Bílkoviny*
17
24
* V kalorimetru spáleny na CO2, H2O a N2. V t le katabolizovány na CO2, H2O a CO(NH2)2.
