Fizikai kémia és radiokémia B.Sc. B Sc
László Krisztina 18-93
[email protected] F ép. I. lépcsőház 1. emelet 135 http://oktatas.ch.bme.hu/oktatas/konyvek/fizkem/kornymern
Követelmények: y 2+0+1 f - részvétel az előadások 67 %-án - 3 db érvényes ZH (min. 50%) - 4 elfogadott laborjegyzőkönyv szerda 9:15-12:00 F ép. I. lh. 1. em. 137 csütörtök 2:152:15 5:00 szerda: csütörtök:
okt. 20. nov. 4.
Ajánlott Ajá l tankönyvek: k k Atkins: Fizikai Kémia I. Zrínyi Miklós: A fizikai kémia alapjai I. Nagy Lajos György: Radiokémia és izotóptechnika (1997)
1
FIZIKAI KÉMIA ÉS RADIOKÉMIA ELŐADÁSOK Javasolt ZH időpontok: október 5. november 2, december 7. pótZH egy héttel később, pótZH: megbeszélt időpontban
1. Termodinamika alapjai gázok folyadékok elegyek 2 Kémiai egyensúlyok 2. 3. Radiokémia
a 3. ZH-ban + laborkérdések is
2
TERMODINAMIKA
Fizikai kémia A kémiai jelenségek okait és összefüggéseit a fizika törvényei alapján pj kutatja j és értelmezi
Természetben lejátszódó folyamatok – iránya – egyensúly – egyensúlyhoz vezető folyamatokat befolyásoló tényezők energetikai kölcsönhatások az anyag energiaállapotainak átalakulása során
3
A termodinamikai rendszer fogalma
fal
TD rendszer: a környezettől h á f lül határfelülettel l elválasztott l ál rész, é amelynek tulajdonságait vizsgáljuk
4
TD rendszerek csoportosítása Kölcsönhatás a rendszer és környezete között energia és anyagtranszport
Energiaáram
Anyagáram
9
9
:
9
:
:
NYÍLT „lombik”
természeti folyamatok nyitott lombik ± Q ± m
ZÁRT m=áll. n? ΔV=0 ΔV≠0 dugattyús henger W, Q
ELSZIGETELT hőszigetelt merev (!) falú edény
A rendszer állapota A rendszer makroszkopikus jellemzése
A mérhető fizikai tulajdonságok összessége
állapothatározók / állapotjelzők nyomás hőmérséklet térfogat kémiai komponensek mennyisége aránya extenzív intenzív függ a rendszer kiterjedésétől és tiszta agnál additív
energia tömeg térfogat
p T V m, n c, x, …
nem függ a rendszer méretétől és nem additív
nyomás hőmérséklet fajlagos állapotjelzők: sűrűség koncentráció móltérfogat Vm
5
nyomás 1 Pa = 1
p=nyomóerő/felület N/m2
légkör: 1 bar = 105 Pa
kPa MPa kPa,
1 atm = 1,013· 105 Pa
Egyensúly: az állapothatározók időben állandók
(nincsen makroszkopikus folyamat) De! az egyensúly dinamikus
Nem-egyensúlyi rendszer: az állapothatározók időben változnak a rendszer egyensúly felé tart
1 Hgmm ≅ 1 torr 1 atm = 760 torr 1 bar standard nyomás, pØ parciális nyomás
pi=yipö
hő é ékl t hőmérséklet
T
°C, K 0 K = -273,15 °C víz hármaspontja: 273,160000 K (a TD hőmérsékletskála rögzített pontja)
6
A rendszer megváltozása izoterm izobár izochor/izosztér adiabatikus
(T=áll) (p=áll.) (V=áll.) (ΔQ=0: nincsen hőcsere a környezettel)
Állapotegyenlet az egyensúlyi rendszer állapotjelzői közti kapcsolat – kísérleti tapasztalat – mikroszkopikus modellek
reverzibilis változás (absztrakt határeset): ' azonos közbülső egyensúlyi állapotokon át a változók igen kis megváltoztatásával visszafordítható ∞ lassúságú
pV = nRT R = 8,314 J/molK y hatványsor ⎞ nRT ⎛ nB n 2C p= 1 + + + ... ⎟ Viriál egyenlet ⎜ V ⎜ V ⎟ V2 ⎝ ⎠
irreverzibilis
diagram táblázat
7
Állapotfüggvény az állapothatározók olyan többváltozós egyértékű függvénye, melynek értéke csak az adott állapottól, megváltozása pedig g p függ gg csak a kezdeti és a végállapottól matematikai tulajdonsága: teljes differenciál
⎛∂ df ( x, y ) = ⎜ ⎝ ∂ U, H, A, G
⎛∂ f ( x, y ) ⎞ ⎟ dx + ⎜ ∂x ⎠y ⎝
f ( x, y ) ∂ 2 f ( x, y ) = ∂ x∂ y ∂ y∂ x
f ( x, y ) ⎞ ⎟ dy ∂y ⎠x
Útfüggvény: értéke a kezdeti és a végállapot között megtett úttól függ W, Q δW, δQ joule, J; kJ W: a rendszer határfelületén fellépő energiatranszport mennyisége, melyet a kölcsönhatáshoz tartozó nem hőmérsékleti intenzív állapotjelző inhomogenitása, mint hajtóerő hoz létre
2
ΔU, dU
Q: a rendszer határfelületén fellépő anyagtranszport nélküli
energiatranszport, melyet a hőmérsékleti inhomogenitás, mint hajtóerő hoz létre
joule, J; kJ S
J/K
8
A munka
G G Wmech = F ⋅ A δWtérf = − pAs dx = − pdV előjelkonvenció
F
δWtérf = − pdV
Vv
Wtérf = − ∫ pdV Vk
p
p
izoterm
izobár izochor
Vk Vv
Wtérf
1
Vv
Vv
nRT = − ∫ pdV = − ∫ dV = V Vk Vk
V = −nRT ln v Vk ∫ x dx = ln x + c
A munka fajtái
izoterm munka
A munka fajtái
V
Vk
Vv
Térfogati* Elektrosztatikus Felületi Kémiai . . .
intenzív -p ϕ γ
×
extenzív V Q As
δW W -pdV ϕdQ γdAs
V
Wtérf = Wtérf ,izobár + Wtérf ,izosztér = = − p(Vv − Vk ) + 0 = = − pΔV intenzív
×
izobár munka extenzív
9
Hőcserével járó folyamatok: 1- melegítés/hűtés Q=C·m· (T2-T1) [C]=J/(kg·K) fajlagos hőkapacitás/fajhő 0 °C C víz: 4190 J/(kg J/(kg·K) K) réz: 390 J/(kg·K) [Cm]=J/(mol·K) T2
Q ∫ Cm dT Q=n· T1
1 δQ Cm = · n dT
2- fázisátalakulások: párolgáshő – kondenzációs hő olvadáshő l dá hő - fagyáshő f á hő szublimációs hő – kondenzációs hő
előjel, moláris értékek
Q=Cm·n· (T2-T1)
1 δQ Cm,p = · p n dT
1 δQ Cm,V = · V n dT
3- kémiai reakciók
Cm ,p = a + bT + cT −2 + d ⋅ T 2 Cm,p Cm,V Cm,p > Cm,V
állandó nyomáson végzett melegítés során térfogati munkavégzés is van, a befektetett energiának azt is fedezni kell
10
