PODSTAWY CHEMII - Strona główna AGHhome.agh.edu.pl/~radecka/doc/IB_wyk1_17.pdf19.10.2017...
Transcript of PODSTAWY CHEMII - Strona główna AGHhome.agh.edu.pl/~radecka/doc/IB_wyk1_17.pdf19.10.2017...
PODSTAWY CHEMII
INŻYNIERIA BIOMEDYCZNAWykład 1
19.10.2017 Inżynieria Biomedyczna, I rok 2
PODSTAWY CHEMII
Wykładowca
Prof. dr hab. inż. Marta Radecka,
B-6, III p. 306, tel (12) (617) 25-26
e-mail: [email protected]
Strona www:
http://galaxy.uci.agh.edu.pl/~radecka/
http://www.agh.edu.pl/
Pracownicy
Strony domowe pracowników
Marta Radecka
19.10.2017 Inżynieria Biomedyczna, I rok 3
PODSTAWY CHEMII
Do czego służą wykłady i jak się zdaje egzamin?
Program wykładów i laboratorium odpowiada dokładnie „zawartości” egzaminu
Egzamin pisemny
żeby do niego przystąpić, trzeba zaliczyć laboratorium
każdy ma prawo zdawać egzamin trzykrotnie Student ma prawo do trzykrotnego przystąpienia do egzaminu w zaplanowanych
terminach, w tym jeden raz w terminie podstawowym i dwa razy w terminie poprawkowym. Nieusprawiedliwiona nieobecność na egzaminie w danym terminie powoduje utratę tego terminu.
Student, który nie uzyskał zaliczenia w terminie podstawowym ma prawo po jego uzyskaniu przystąpić do egzaminu w terminach poprawkowych. Jeżeli student nie uzyskał zaliczenia do czasu terminów poprawkowych egzaminu, brak zaliczenia nie usprawiedliwia nieobecności na egzaminie i skutkuje utratą wszystkich terminów egzaminów, które odbyły się przed uzyskaniem zaliczenia. Jeżeli z przyczyn losowych student nie wykorzystał przysługujących mu terminów, Dziekan w porozumieniu z prowadzącym przedmiot, wyznacza dodatkowe terminy egzaminów.
Regulamin studiów akademii Górniczo-Hutniczej Im. Stanisława Staszica
(obowiązujący od 1 października 2015 r)
Zaliczenie przedmiotu
Skala ocenPrzy zaliczeniach zajęć i egzaminach oraz wystawianiu oceny końcowej stosuje się i wpisuje do indeksu następujące oceny:
a) 91 – 100% bardzo dobry (5.0);
b) 81 – 90% plus dobry (4.5);
c) 71 – 80% dobry (4.0);
d) 61 – 70% plus dostateczny (3.5);
e) 50 – 60% dostateczny (3.0);
f) poniżej 50% niedostateczny (2.0).
Ocena końcowa
0.6 oceny egzaminu + 0.4 oceny laboratorium
19.10.2017Inżynieria Biomedyczna, I rok 4
19.10.2017 Inżynieria Biomedyczna, I rok 5
Najważniejsze podręczniki
* A.Bielański - Chemia ogólna i nieorganiczna* A.Bielański - Podstawy chemii nieorganicznej* F.A.Cotton, G. Wilkinson, P.L.Gaus - Chemia
nieorganiczna. Podstawy.* J.D.Lee - Zwięzła chemia nieorganiczna* P.A. Cox – Chemia nieorganiczna. Krótkie wykłady
* dla bardziej ambitnych:
* R.G.Wells - Strukturalna chemia nieorganiczna* L. Jones, P. Atkins – Chemia ogólna* Wszelkie inne podręczniki mające w nazwie - chemia
ogólna lub chemia nieorganiczna
19.10.2017 Inżynieria Biomedyczna, I rok 6
Chemia jest nauką przyrodniczą
Definicja:chemia jest nauką, która zajmuje się składem, strukturą i właściwościami substancji oraz reakcjami, w których jedna substancja zmienia się w inną
Zasady nowoczesnej chemii:poszukiwanie prawidłowości w zachowaniu się różnych
substancjiposzukiwanie modeli, które tłumaczą obserwacjemodele powinny tłumaczyć zachowanie innych
substancji i jeśli to możliwe obejmować relacje ilościowe
modele powinno dać się weryfikować doświadczalnie
19.10.2017 Inżynieria Biomedyczna, I rok 7
Program wykładów
Równowagi w roztworach elektrolitów
Elementy termodynamiki
Elementy elektrochemii
Trochę mechaniki kwantowej budowa atomu, cząsteczki,
wiązania chemiczne
Stany materii, reguła faz
Kinetyka reakcji
Program laboratorium
Część „rachunkowa”
1. stężenia roztworów + stechiometria
Kolokwium nr1; równowaga chemiczna + dysocjacja elektrolityczna
Kolokwium nr2; pH roztworu + równowagi w roztworach związków trudnorozpuszczalnych,
Kolokwium nr3; roztwory buforowe+hydroliza; elementy analizy chemicznej, pobranie i przygotowanie szkła
Część „eksperymentalna”
Elementy analizy jakościowej
Elementy analizy ilościowej
19.10.2017 Inżynieria Biomedyczna, I rok 8
HARMONOGRAM ZAJĘĆ
19.10.2017 Inżynieria Biomedyczna, I rok 9
http://galaxy.uci.agh.edu.pl/~radecka/
Grupa 1,2,3,6,7
10.10; 24.10; 7.11; 21.11; 5.12; 19.12.2017; 16.01 2018
Grupy 1,2,3 godzina 8.00-11.00
Grupy 6,7, godzina 11:30-14.30
Grupa 4,5,8,9,10
17.10; 31.10; 14.11; 28.11; 12.12.2017;9.01; 23.01.2018
Grupy 4,5,8 godzina 8.00-11.00
Grupy 9,10 godzina 11:30-14.30
19.10.2017 Inżynieria Biomedyczna, I rok 10
Podział reakcji
Wszystkie reakcje chemiczne można podzielić na odwracalne i nieodwracalne:
Reakcja nieodwracalna przebiega tylko w jednym kierunku - od substratów do produktów ( )
Reakcje nieodwracalneprzebiegają tak długo,aż wyczerpie się jedenlub kilka substratów
c
19.10.2017 Inżynieria Biomedyczna, I rok 11
A reakcje odwracalne ?
Reakcja odwracalna może przebiegać w obu kierunkach ()
Równowaga
Dla reakcji chemicznej opisanej równaniem:
Szybkość reakcji:
Szybkość reakcji chemicznej
19.10.2017 Inżynieria Biomedyczna, I rok 12
dDcCbBaA
dt
dc
d
1
dt
dc
c
1
dt
dc
b
1
dt
dc
a
1v DCBA
Szybkość reakcji często można przedstawić za pomocą równania (empirycznego) kinetycznego: b
B
a
Ackcv
dt
dci
k- stała reakcji, a, b - rząd reakcji
Gdzie szybkość zmian stężenia reagenta i
19.10.2017 Inżynieria Biomedyczna, I rok 13
Szybkość reakcji odwracalnej
gdzie k1 i k2 - stałe szybkości reakcji, zależne tylko od rodzaju reakcji, temperatury i ciśnienia całkowitego (dla reakcji w fazie gazowej)
dDcCbBaA
d
D
c
C22 cckv
b
B
a
A11 cckv
CZAS
SZ
YB
KO
ŚĆ
R
EA
KC
JI
1v
2v
1v
2v
21 VV
19.10.2017 Inżynieria Biomedyczna, I rok 14
Prawo równowagi
W stanie równowagi termodynamicznej ustala się stanrównowagi dynamicznej: prędkość reakcji prostej i odwrotnejjest taka sama
dDcCbBaA
21 vv
d
D(R)
c
C(R)2
b
B(R)
a
A(R)1 cckcck
b
B(R)
a
A(R)
d
D(R)
c
C(R)
2
1
cc
cc
k
kK
α
i(R)c Stężenie reagenta iw stanie równowagi
19.10.2017 Inżynieria Biomedyczna, I rok 15
Stała K, zwana stałą równowagi, zależy tylko od temperatury. Nie zależy od ilości (stężeń)
substratów/produktówWAŻNE
Prawo równowagi
W stanie równowagi, W STAŁEJ TEMPERATURZE, dlareakcji odwracalnej, stosunek iloczynu stężeń produktówdo iloczynu stężeń substratów jest stały, przy czymwszystkie stężenia są podniesione do potęg będącychwspółczynnikami stechiometrycznymi.
b
B(R)
a
A(R)
d
D(R)
c
C(R)
cc
ccK
19.10.2017 Inżynieria Biomedyczna, I rok 16
Stała równowagi K (różny zapis)
Kaa
aab
B
a
A
d
D
c
C
d Dc Cb Ba A
pb
B
a
A
d
D
c
C Kpp
pp
to jest ogólne prawo równowagi...(prawo działania mas, a-aktywność)
to jest prawo równowagi dla reakcji w gazach, przy niezbyt wysokich ciśnieniach (pA, pB, pC, pD –ciśnienia cząstkowe poszczególnych gazów)
to jest prawo równowagi dla reakcji w mieszaninach (roztworach), przy niezbyt wysokich stężeniach ([A], [B], [C], [D] -stężenia poszczególnych składników)
cba
dc
K[B][A]
[D][C]
Prawo Daltona (ciśnienie cząstkowe gazu)
Dla mieszaniny gazów, ciśnienie całkowite jest sumą ciśnień jakie wywierałby każdy gaz, gdyby znajdował się sam w tym naczyniu:
....pppp 421cał
RTV
np RT,
V
np
cał
22
cał
11
p1, p2…
ciśnienia cząstkowe (parcjalne)
n-liczba moli
R- stała gazowa
R=8.314 J/(mol·K)
T-temperatura bezwzględna [K]
19.10.2017 Inżynieria Biomedyczna, I rok 18
Zapisywanie stałej równowagi K
Układ homogeniczny (substraty i produkty reakcji występują w tym samym stanie skupienia)
Układ heterogeniczny (substraty i produkty reakcji występują w różnym stanie skupienia)
(g)2(g)(s) 2COO2C
][O[C]
[CO]K
22
2
][O
[CO]K
2
2
Ciała stałe i ciecze nigdy nie występują w wyrażeniu na stałą równowagi
2(g)2(g)(g)2 O4NOO2N 5
252
42
]O[N
]O[][NOK 2
2O
2CO
p
pK
19.10.2017 Inżynieria Biomedyczna, I rok 19
Własności równowagi
Układy w równowadze są
DYNAMICZNE (stała i taka sama prędkość reakcji prostej i odwrotnej)
ODWRACALNE
Równowagę można osiągnąć z każdego kierunku
W stanie równowagi występują wszystkie reagenty
Jeżeli K>>1 w stanie równowagi dominują produkty
Jeżeli znamy wartość K i stężenia aktualne to można określić: Czy układ jest w stanie równowagi
W którą stronę biegnie reakcja
Równoważnik reakcji
19.10.2017 Inżynieria Biomedyczna, I rok 20
dDcCbBaA b
Bo
a
Ao
d
Do
c
Co
aa
aaQ
Pozwala przewidzieć w która stronę przebiega reakcja
• Jeżeli K>Q to reakcja biegnie w stronę produktów
• Jeżeli K<Q to reakcja biegnie w stronę substratów
• Jeżeli K=Q to reakcja „w stanie równowagi”
19.10.2017 Inżynieria Biomedyczna, I rok 21
Jeszcze o stałej równowagi
Jednostki stężenia:
[ ] mol/dm3 otrzymujemy Kc
Dla składników gazowych, p=(n/V)·RT
p jest proporcjonalne do stężenia,
Jeżeli p wyrażone jest w atmosferach otrzymujemy Kp
Kc i Kp mają różne wartości
(chociaż ilości składników są takie same)
Jednostka stałej K zależy od współczynników stechiometrycznych reakcji oraz sposobu wyrażenia koncentracji składników
O2 HO2 H 222
13c
22
2
22
c (1) d mm o l][ K,][O][H
O ][HK
OHO2
1H 222
1/ 23c1/ 2
22
2c (2 ) d mm o l][ K,
][O][H
O ][HK
2c ( 2 )c ( 1 ) )( KK
Jaka jest relacja pomiędzy Kc i Kp ?
19.10.2017 Inżynieria Biomedyczna, I rok 22
gggg d Dc Cb Ba A
pb
B
a
A
d
D
c
C Kpp
pp
cba
dc
K[B][A]
[D][C]
RTV
np RT,
V
np B
BA
A RTV
np RT,
V
np D
DC
C
[A] [B] [C] [D]
b)ad(c
p
b)ad(c
b
B
a
A
d
D
c
CC
(RT)K
(RT)pp
ppK
Δ ncp ( R T )KK gdzie ∆n=(c+d)-(a+b)
Jeżeli ∆n=0 to Kp=Kc
19.10.2017 Inżynieria Biomedyczna, I rok 23
O równowadze raz jeszcze: wartość K (1)
Kiedy reakcja „faworyzuje” tworzenie produktów a kiedy substratów?
W stanie równowagi koncentracja produktów jest dużo większa niż koncentracja substratów
(g)22(g)2(g) O2HO2H
pK K>>1
Reakcja silnie faworyzuje tworzenie produktów
80105.1
22
2
O
2
H
2
OH
pp
p
T=300K
19.10.2017 Inżynieria Biomedyczna, I rok 24
O równowadze raz jeszcze (2)
ClAggClA (s)
cK ][Cl][Ag -5101.8 K<<1
W stanie równowagi koncentracja produktów jest mniejsza niż substratów
Reakcja silnie faworyzuje tworzenie substratów
…..a w przypadku reakcji odwrotnej?
(s)AgClClAg
41codw 105.6KK
Reakcja silnie faworyzuje tworzenie produktów
19.10.2017 Inżynieria Biomedyczna, I rok 25
Równowaga i bodźce zewnętrzne
Stan równowagi może być przesunięty jeżeli zmienimy:
koncentrację składników
ciśnienie zewnętrzne (w przypadku reagentów gazowych)
temperaturę
Henri Le Chatelier1850-1936
Reguła przekory Le Chateliera
Jeśli w warunkach równowagi zmienimy jeden z parametrów reakcji (temperaturę lub ciśnienie), to równowaga reakcji przesunie się w taki sposób, by zmniejszyć działanie bodźca (układ przeciwstawi się zmianie) ...
19.10.2017 Inżynieria Biomedyczna, I rok 26
Przesunięcie stanu równowagi: zmiana koncentracji
Jeżeli koncentracja jednego ze składników ulegnie zmianie
koncentracja pozostałych reagentów zmienia się
tak aby wartość stałej równowagi pozostała niezmieniona (w T=const)
K jest stałe-jedynie przesunięcie położenia stanu równowagi
DODANIE PRODUKTÓW
równowaga przesuwa się w stronę tworzenia substratów
DODANIE SUBSTRATÓW
równowaga przesuwa się w stronę tworzenia produktów
USUWANIE PRODUKTÓW
- często stosowane jako siła napędowa „zakończenia reakcji”
TWORZENIE GAZU, STRĄCANIE
(g)2(g)(s) 2COO2C
][O
[CO]K
2
2
19.10.201727
4 mole gazu 2 mole gazu
przesunięcie w prawo
w stronę mniejszej ilości
moli gazów
Efekt zmiany ciśnienia (równowaga w gazach)
3HN
2NH
p3(g)2(g)2(g)
22
3
pp
pK2NH3HN
Wzrost ciśnienia (zmniejszenie objętości)
19.10.201728
Efekt zmiany ciśnienia (równowaga w gazach)
3
HN
2
NH
p3(g)2(g)2(g)
22
3
pp
pK2NH3HN
spadek ciśnienia (zwiększenie objętości)
4 mole gazu
przesunięcie w lewo
w stronę większej ilości moli gazów
2 mole gazu
19.10.2017 Inżynieria Biomedyczna, I rok 29
Wpływ temperatury na równowagę chemiczną (1)reakcje egzotermiczne (Q<0)
Zmiana temperatury zmiana K
Zmiana T: nowe położenie stanu równowagi, nowe K !!!
Wzrost temperatury
stan równowagi przesuwa się w lewo
(w kierunku tworzenia substratów):
K maleje jak T rośnie
Spadek temperatury
stan równowagi przesuwa się w prawo
(w kierunku tworzenia produktów):
K rośnie jak T maleje
2(g)2(g)(s) COOC ][O
][COK
2(g)
2(g)
c
][ C O,][ O 2 ( g )2 ( g )
][ C O,][ O 2 ( g )2 ( g )
Obniżenie T
Wzrost T
19.10.2017 Inżynieria Biomedyczna, I rok 30
Wpływ temperatury na równowagę chemiczną (2)reakcje endotermiczne (Q>0)
242 2NOON
]O[N
][NOK
42
22
c
bezbarwny brązowy
Ze wzrostem T stan równowagi przesuwa się w stronę tworzenia produktów ( w kierunku reakcji endotermicznej).
Ze wzrostem T dla reakcji endotermicznej następuje wzrost stałej równowagi K