Základy fyzikální chemie

Základy fyzikální chemie Martin Keppert Katedra materiálového inženýrství a chemie [email protected] A 329

O čem to bude     

Stavové chování plynů a kapalin Termodynamika, termochemie Chemická rovnováha Chemická kinetika Fázové rovnováhy ve směsích, separační procesy

 molekulová termodynamika, kvantová chemie, transportní jevy…

Učební pomůcky Fyzikální chemie – bakalářský kurz, J. Novák a kol., VŠCHT Praha, 2005

Fyzikální chemie povrchů a koloidních soustav, L. Bartovská, M. Šišková, VŠCHT Praha, 2005 Breviář fyzikální chemie I a II, I. Malijevská a kol., VŠCHT Termodynamika materiálů, J. Leitner, P. Voňka, VŠCHT Různé učebnice fyzikální chemie – Moore, Atkins… web:

www.vscht.cz/eso

Absolvování předmětu  zápočet: test, 2 příklady – 19.5.  zkouška: pohovor nad elaborátem a otázkou z přednášek

And gone forever Through the head

From the book

Směsi látek  směs - systém obsahující alespoň dvě čisté látky (chemická individua)

 disperzní směs: jedná složka tvoří spojité disperzní prostředí, další složky jsou v ní rozptýleny – disperzní podíl

Disperzní směsi

Dělení směsí podle počtu fází fáze: část systému, která má stejné fyzikální (teplota) a chemické vlastnosti (složení) heterogenní směs: disperzní prostředí i disperzní podíl(y) tvoří více fází fáze odděluje fázové rozhraní homogenní směs (roztok) – tvořená pouze jednou fází – nevidíme fázové rozhraní (ani mikroskopem), částice disperzního podílu jsou jednotlivé atomy (molekuly, ionty) plynné směsi (plyn v plynu) – vždy homogenní

kapalné a pevné roztoky:

H2SO4+H2O Au+Ag

Kapalné roztoky

kapalné rozpouštědlo + disperzní podíl ve formě jednotlivých iontů (nebo molekul) rozpustnost – vlastnost látky, velmi rozdílné hodnoty pevná látka NaCl

rozpouštědlo voda

roztok

ionty v roztoku se obklopují hydrátovým obalem – několik molekul vody putujících společně s iontem

Disperzní směsi

Disperzní směsi

roztok vodíku v paladiu: molekuly H2 vyplňují dutiny v krystalu paladia

Pevné roztoky

disperzní prostředí je pevná látka, v níž jsou rozptýleny jednotlivé atomy/molekuly disperzního podílu -pokud disperzní podíl vytváří větší útvary – vlastní krystaly, viditelné (např. pod mikroskopem), už se nejedná o pevný roztok, ale o heterogenní směs

C Fe

(část) oceli – roztok C v Fe

mosaz (slitina Cu+Zn) – různé krystaly o různém (ale definovaném) obsahu Cu a Zn - heterogenní směs

Disperzní směsi

Dělení směsí podle velikosti částic disperzního podílu disp. prostředí: H2O

analytické disperze: částice <10-9 m = homogenní směsi - disperzní podíl nevidíme ani mikroskopem

hrubá disp.: pěna, bubliny (plyn v kapalině) kvasinky

koloidní disperze: velikost částic 10-6-10-9 m mléko, pivo – disp. podíl lze sledovat dobrým mikroskopem, nelze odfiltrovat, rozptylují světlo hrubé disperze: částice >10-6 m kalná voda, prašný vzduch disperzní podíl lze odfiltrovat, lze pozorovat mikroskopem, eventuelně očima

koloidní disperze: bílkoviny, cukry, tuky analytická disperze: ethanol, minerální ionty

Disperzní směsi

Dělení směsí podle skupenství podíl

plynný

kapalný

pevný aerosoly

prostředí plynné

mlha, dým

kapalné

suspenze pěna

pevné

emulze

sol: koloid

tuhý sol tuhá pěna

Když jsou částice disperzního podílu koloidní…

Látkové množství krok stranou 





látkové množství n [mol]

definice:

Ni ni  NA

reálné výpočty:

počet částic látky i Avogadrova konstanta 6,022 . 1023

mi ni  Mi

hmotnost látky i molární hmotnost látky i - z periodické tabulky

(Chemické) Složení směsí Praktický výpočet látkového množství

n=m/M

Hmotnostní zlomek

wi = mi/mtotal

[mol]

Molární zlomek xi, objemový zlomek φi Molární koncentrace (molarita)

ci = ni/V

Molalita [mol/kg]

mi = ni/mrozpouštědlo

Parciální tlak

pi = xi . Ptotal

Hustota

ρ = m/V

[mol/l]

[Pa] [kg/m3]

Smrtelná dávka KCN je 0,08 mmol/kg hmotnosti osoby. Kolik gramů čistého KCN je nebezpečných pro osobu vážící 80 kg? MKCN = 65 g/mol

Převody hmotnostních a molárních zlomků Molární xi → Hmotnostní wi

wi 

x iMi n

xM j

j1

Hmotnostní wi → Molární xi

wi Mi xi  n wj

M j1

j

j

Rozpustnost argonu ve vodě při 20 °C je udávána v tabulkách jako 3,8 cm3 ve 100 cm3 vody. Přepočtěte tento údaj na:

a) hmotnostní zlomek Ar ve vodě b) molární zlomek Ar ve vodě c) molární koncentraci Ar ve vodě data: uvažujte ideální chování plynu pV=nRT MAr = 39,9 g/mol; MH2O = 18 g/mol

Objemový zlomek ethanolu ve slivovici φET je 0,5. Vypočítejte jeho hmotnostní zlomek wET v tomto nápoji. Hustota slivovice je 0,92 g/cm3, hustota čistého ethanolu je 0,79 g/cm3.

Teplota  Nultá věta termodynamická: teplota je veličina, která určuje směr toku tepla mezi dvěma tělesy, která jsou v tepelném kontaktu (makroměřítko) Postulát existence teploty

Teplota v kinetické teorii plynu  Mikroměřítko: teplota je míra translačního pohybu částic – jejich kinetické energie (tepelný pohyb), u molekul také míra rotace a vibrací vazeb v molekulách u

8 R  T  M

Střední rychlost molekul 1000 m/s až jednotky cm/s

(pro O2: 1511 K

Chemická vazba – dynamická záležitost

0 K)

Absolutní teplotní stupnice William Thomson Absolutní 0: atomy a molekuly se nepohybují Baron Kelvin prostorem, jen vibrují kolem své rovnovážné 1824-1907 polohy – minimální energie, energie nulového bodu, nejnižší možná vnitřní energie (nemůžeme zjistit, jestli se částice zastavila – Heisenbergův princip neurčitosti – nelze v jeden okamžik stejně přesně určit polohu a rychlost částice)

Třetí věta termodynamická (stále ještě postulát): teplota absolutní 0 K nelze dosáhnout – základ absolutní teplotní stupnice

Velmi nízké teploty  „chlazení atomů“ – chytání do elektromagnetické pasti (MOT magneto-optical trap), aby se nemohli pohybovat (nízká rychlost = nízká teplota) Dopplerovo (laserové) chlazení: ve vakuu, jen s velmi nízkou koncentrací „zájmového plynu“ (Na, Ca) pomocí tří laserových paprsků a magnetického pole se atomy plynu zpomalují (optický sirup) Rb: 0.18 μK (0.18 E-6 K)  záporná absolutní teplota

Historie měření teploty  Egyptské kuřecí líhně: Teploměrem byla směs másla a sádla: když tuhla, začalo se topit, když se roztekla, začalo se chladit

Historie – kapalinové teploměry a……koeficient izobarické teplotní roztažnosti kapalin

V2  V1 1  a  t 2  t1   Kapalinové teploměry – po 1630 (kapiláry)  Voda – nevhodná – teplotní anomálie vody 

Jean Rey – 1731 – vodní teploměr pro lékařské účely

 Fahrenheit 1714 rtuť    

0 °F 32 °F 96 °F 212 °F

= = = =

eutektikum voda/NaCl (-17,78 °C) tání ledu tělesná teplota [°F] = [°C] × 9⁄5 + 32 var vody

Réaumur 1730 líh (O °Ré led a 80 °Ré var vody)

Celsiova stupnice Švédská týmová práce (cca 1774): Anders Celsius (astronom) Carl Linné (botanik) Daniel Ekström (vedoucí dílen) Pehr Elvius (sekretář akademie věd)

Anders Celsius 1701-1744

1744-1954:

0 °C tání ledu 100 °C var vody při normálním tlaku

Od 1954:

absolutní nula (0 K) trojný bod VSMOW

-273,15 °C 0,01 °C

VSMOW: Vienna Standard Mean Ocean Water t (ºC) = T (K) - 273.15

Bimetalový teploměr Cu

Fe

Termostaty – termoregulační hlavice topení

Odporový teploměr - termistor  Elektrický odpor kovů závisí na teplotě - roste s teplotou cca lineárně  Obvykle Pt drát, použití od -200 do 650 ˚C (Pt100) -

Aby se dal měřit odpor, musí být v obvodu zdroj proudu

Cívka – čím delší drát, tím větší změna odporu

Odporový teploměr NTC - negastor Princip jako termistor – ale čidlo je polovodič – odpor klesá s teplotou (roste koncentrace nosičů náboje) NTC…negative temperature coefficient Čidlo – polovodivé oxidy (Fe2O3, TiO2, CuO) Použití – velmi široké podle složení (od 4 K)

Termočlánek Využití termoelektrického jevu – na spojení dvou kovů vzniká elektrický potenciál (důsledek rozdílné energie elektronů v různých materiálech) – jeho velikost závisí na teplotě (stovky stupňů) Voltmetr – převod napětí na teplotu pomocí tabulky nebo je zabudován v přístroji

Voda s ledem – 0 ˚C Laboratoř (cca 25 ˚C)

Termočlánek

Typ S = Pt+Pt10Rh (do 1700 ˚C) Typ K = Ni10Cr+NiMnAl (do 1000 ˚C) (chromel+alumel)

Baterie termočlánků - výroba elektřiny v meziplanetárních sondách

Využití infračerveného (IR) záření Infračervené záření: λ = 700 – 300,000 nm Vyšší vlnová délka = nižší energie než viditelné, UV a X-ray Energie srovnatelná s vibracemi molekul Emise IR závisí na teplotě předmětu Detekce IR – látky měnící s teplotou silně svůj elektrický odpor (V2O5, směsné oxidy Ti, Pb, La…)

„laserový teploměr“

Tlak  síla působící na jednotku plochy

F 2 p  N m  Pa  A 1 bar = 100 000 Pa 1 atm = 101 325 Pa 1 torr (1 mm Hg) = 133.3 Pa normální tlak: 101 325 Pa psi = pound per square inch

1 psi = 6895 Pa

Měření tlaku Tlakoměry:

a) manometry – měří přetlak oproti atmosferickému tlaku b) barometry – měří atmosferický tlak (absolutní) c) vakuometry – měří podtlak d) diferenční tlakoměry – měří rozdíl tlaků

Atmosferický tlak – vyvolán hmotností atmosféry nad povrchem Země (u země největší – klesá cca 9 Pa/m – měření nadmořské výšky – nastavení podle aktuálního tlaku vzduchu) 101325 Pa – střední hodnota na 45° severní šířky při 15 °C

Torricelliho pokus – hydrostaický tlakoměr Vakuum

760 mm Hg (Torr) = 101325 Pa

Hg

Evangelista Torricelli 1608-1647

Měření tlaku – diferenční tlakoměr Použití pro měření průtoků kapalin a plynů: vyšší rychlost proudění = nižší tlak (Bernoulliho rovnice)

diference tlaků

Měření tlaku – deformační tlakoměry

Vlnovec naplněn plynem o známém objemu – deformuje se podle tlaku okolí

Bourdonova trubice – deformuje se podle přivedeného tlaku – mechanický převod na stupnici

Membránový manometr tlak v referenčním prostoru: vakuum: měří se absolutní tlak atmosférický: měří se přetlak

Snímání: mechanické nebo kapacitní (kapacita kondenzátoru mezi elektrodou a kovovou membránou)

Měření tlaku – elektrické tlakoměry (převodník tlaku, pressure transducer) tenzometrické snímače – změna elektrického odporu v závislosti na deformaci (vyvolané tlakem)

manometr

tenzometrická membrána

barometr

Měření tlaku – elektrické tlakoměry (převodník tlaku, pressure transducer) piezoelektrický snímač – piezoelektrika (např. SiO2 a BaTiO3) reagují na mechanickou deformaci vznikem elektrického náboje

http://uprt.vscht.cz/ucebnice/mrt/F0-ram.htm