Chemia Fizyczna

Dr inż. Małgorzata Przybyt

Instytut Podstaw Chemii Żywności

Zespół Biofizyki Chemicznej

Pokój 409

Dlaczego musimy znać podstawy chemii

fizycznej ?



Wyjaśnia i interpretuje obserwacje dotyczące

fizycznych i chemicznych własności substancji



Jest bazą dla wszystkich innych działów chemii :

nieorganicznej, organicznej, biochemii, analitycznej



Daje ilościowy opis własności substancji i reakcji

chemicznych



Jest bazą współczesnych technik analitycznych jak

metody spektroskopowe, elektrochemiczne i inne



Jest podstawą metod pozwalających na poznanie

struktury i własności cząsteczek chemicznych od

najprostszych jak np. O

2

do tak złożonych jak DNA.

Chemia fizyczna jest trudna, ale gdy ją

zrozumiemy,

to

docenimy

jej

użyteczność !!!!

Jak osiągnąć sukces na egzaminie

czyli garść przydatnych porad

Nauczenie się, zaliczenie ćwiczeń rachunkowych i

zdanie egzaminu z chemii fizycznej sprawia większości

studentów dużo trudności. Aby zmniejszyć problemy z

tym związane, garść praktycznych porad.



Wykład jest wskazówką do tego, czego należy się

nauczyć samodzielnie. Robiąc notatki nie skupiać się

nad

dokładnym

przerysowaniem

pokazywanych

rysunków, a lepiej notować, co one oznaczają. W tym

celu dostajecie materiały pomocnicze.



Ucząc się wyprowadzeń, zwracać uwagę na wstępne

założenia, jaki układ w danym momencie opisujemy itp.



Wzory są nie po to, aby je zapamiętać same w sobie.

Trzeba zawsze wiedzieć, do czego dany wzór służy, co

opisuje i co oznaczają wielkości w nim występujące.



Nie uczyć się na pamięć rysunków w sposób

fotograficzny.



Nauczyć się liczyć na własnym kalkulatorze.



Nauczyć się greckiego alfabetu (załączony w

materiałach).



W chemii fizycznej prawie każda wielkość posiada

jednostki. Zwracać na nie baczną uwagę i zawsze

zapisywać

w

odpowiednim

miejscu.

Zawsze

przeprowadzać rachunek jednostek. Nigdy nie

dodawać czy odejmować wielkości bez uzgodnienia

najpierw jednostek.



Pisząc kolokwium czy zdając egzamin dokładnie

czytać treść poleceń.



Korzystać z polecanych podręczników, a nie ze

skserowanych notatek wątpliwej jakości.



Jeśli będziecie każdy samodzielnie dla siebie pisać

ściągi (których zresztą nie wolno używać), to jednak

coś zostanie w głowie. Gdy będziecie korzystać ze

skserowanych ściąg kolegów, to nie zostanie w głowie

nic. Czyli ucząc się, robić sobie notatki.



Samodzielnie rozwiązywać zadania z arkusza, a

nie korzystać z gotowych rozwiązań zrobionych

przez nie wiadomo kogo.



Większość krążących pomiędzy studentami

skserowanych ściąg, streszczeń wykładów itp.

materiałów

zawiera

koszmarne

błędy

i

uproszczenia.

Wniosek – tylko samodzielna praca ze

zrozumieniem przyniesie sukces.

Gazy

W XIX wieku sformułowano prawa
opisujące własności gazów na podstawie
szeregu wyników eksperymentalnych. Są
to :



Prawo Boyle’a-Mariotte’a



Prawo Gay-Lussaca



Prawo Charlesa



Hipoteza Avogadro



Prawo Daltona

Prawo Boyle’a-Mariotte’a

p

1

V

lub

V

1

p

const

T

i

const

m

lub

const

n











const

pV

Prawo Gay-Lussaca





273,15

1

o

t

1

V

V

const

p

i

const

m

lub

const

n



















const

T

V



Prawo Charlesa





273,15

1

o

t

1

p

p

const

V

i

const

m

lub

const

n



















const

T

p



Teoria kinetyczno-molekularna

gazów

Założenia :



Wymiary cząsteczek są znikomo małe w

porównaniu z odległościami pomiędzy nimi.
Można traktować je jako punkty materialne.



Cząsteczki są w ciągłym, chaotycznym

ruchu.



Cząsteczki nie oddziaływują na siebie na

odległość, jedynie dochodzi do doskonale
elastycznych zderzeń.

l

N

W sześcianie o boku

l

zamkniętych jest

N

cząsteczek, każda o masie

m

poruszająca się ze

średnią szybkością

v

.

Całkowita zmiana
pędu pojedynczej
cząsteczki wynosi :

pv

2

p



x,
v

x

z,
v

z

y,
v

y

v

Zasada ekwipartycji (równego
podziału) energii

z

,

kin

y

,

kin

x

,

kin

kin

2

z

2

y

2

x

2

z

y

x

E

E

E

E

2

mv

2

mv

2

mv

2

mv

v

v

v

v



























Na każdy stopień
swobody ruchu
cząsteczki przypada
energia wynosząca

½k

B

T

.

Teoria kinetyczno-molekularna gazów

Prędkości charakterystyczne w

rozkładzie Maxwella Boltzmanna

v

2

v

Przykładowe zderzenia dwu cząsteczek

v

2

Wobec tego średnia prędkość
dwu cząsteczek względem
siebie wynosi :



2

Zderzenia wybranej cząsteczki z

innymi cząsteczkami

2

1

v

2

Z









N

Zjawiska przenoszenia w gazach



Przenoszenie pędu – lepkość



Przenoszenie energii kinetycznej –

przewodnictwo

cieplne



Przenoszenie masy - dyfuzja

Przenoszenie pędu - lepkość

A

v

v+d
v

Aby wprawić w ruch dolną warstwę względem
górnej, trzeba przyłożyć siłę określoną

wzorem

Newtona

:

dx

dv

A

F 



d
x

Przenoszenie pędu - lepkość

A

v

v+

v

W czasie
:



v

t





Pomiędzy warstwami przewędruje w każdą
stronę, unosząc ze sobą swój pęd ¼ wszystkich
cząsteczek z danej warstwy.

zmiana pędu = popęd siły

t

F

m

A

2

dx

dv

4

1

















 N

Przenoszenie pędu - lepkość

2

2

1

2

2

v

m

m

v















N

T





Wnioski :

Lepkość nie zależy od ciśnienia.

Lepkość rośnie wraz z temperaturą.

Przenoszenie energii kinetycznej –

przewodzenie ciepła

 

A

2

V

V

3

1

N

2

3

c

v

A

c

v















T





Wnioski :

Współczynnik przewodzenia ciepła nie zależy
od ciśnienia.

Współczynnik przewodzenia ciepła rośnie
wraz z temperaturą.

Zachowanie współczynnika przewodzenia

ciepła przy bardzo niskich ciśnieniach

 

A

c

v

V

3

1







Średnia droga swobodna
bardzo rośnie, gdy
ciśnienie gazu spada.
Wtedy jej wartość może
stać się porównywalna z
rozmiarami naczynia i
przewodnictwo cieplne
raptownie maleje.



p



Pojedyncza

cząsteczka ma

objętość :

3

3

cz

2

3

4

r

3

4

V











 









1 mol cząsteczek
może zająć
najgęściej
upakowany,
objętość :

3

A

cz

A

r

3

4

N

4

V

N

4

b







Oddziaływania pomiędzy

rzeczywistymi cząsteczkami

12

6

r

B

r

A

E







odległość pomiędzy
cząsteczkami

E

przewaga
przyciągania

przewaga
odpychania

0

Siły odpychające są
istotne tylko dla
bardzo małych
odległości
pomiędzy
cząsteczkami,
wobec tego : 6

r

A

E 



Izotermy van der Waalsa

Zredukowane równanie van der

Waalsa















 



































3

8

3

1

3

T

T

V

V

p

p

2

kr

kr

kr

W punkcie krytycznym współczynnik ściśliwości

8

3

z

kr



Prawo stanów odpowiadających

sobie

Jeśli dwa parametry zredukowane
różnych gazów są sobie równe, to
pozostałe parametry zredukowane też są
sobie równe.