PODSTAWY

CHEMII

NIEORGANICZNEJ

Prof. Piotr Drożdżewski

(pok. 204, A-3)

Konsultacje:

Wtorek, godz. 11:15 – 13:00

Środa, godz. 11:15 – 13:00

WPC2002w

POLITECHNIKA WROCŁAWSKA

Wydział Chemiczny

1. P. Mastalerz, Elementarna chemia nieorganiczna, Wyd.

Chemiczne, Wrocław, 1997.

2. I. Barycka, K. Skudlarski, Podstawy chemii, Wyd. Pol.

Wrocławskiej,

Wrocław, 2001.

3. P.A. Cox, Chemia nieorganiczna – krótkie wykłady, Wyd.

Naukowe

PWN, Warszawa, 2003.

4. F.A. Cotton, G. Wilkinson, P.L. Gaus, Chemia nieorganiczna –

podstawy, Wyd. Naukowe PWN, Warszawa, 1995.

5. J.E. Brady, General Chemistry, Principles and Structure,

John Wiley & Sons, New York, 1990.

Literatura PODSTAWOWA

Literatura NAJLEPSZA (!)

Literatura UZUPEŁNIAJĄCA

W.P. Student – WŁASNE, DOBRE, NOTATKI Z WYKŁADU (rękopis)

A. Bielański – PODSTAWY CHEMII NIEORGANICZNEJ – PWN

2004 (2002, 1998, 1994)

Podręczny UKŁAD OKRESOWY PIERWIASTKÓW

Obowiązuje znajomość i rozumienie całego układu okresowego pierwiastków!

Warunki zaliczenia kursu WPC2002w:

PODSTAWY

CHEMII NIEORGANICZNEJ

W czasie sesji egzaminacyjnej odbędą się 2
egzaminy pisemne obejmujące wyłożoną teorię i
od 1 do 2 zadań.

Zadania (problemy obliczeniowe) obejmują:

•stechiometrię połączoną z reakcją utleniająco-redukcyjną,

•elektrochemię,

•równowagi w wodnych roztworach elektrolitów,

•związki kompleksowe.

Wykład 1 – Roztwory i równowagi fazowe

FAZA – jednorodna część układu

oddzielona od reszty powierzchnią
graniczną

RÓWNOWAGI FAZOWE

na przykładzie czystych rozpuszczalników

Układ homogeniczny – wszystkie części mają takie same
właściwości

(układ jednofazowy)

Układ heterogeniczny – poszczególne części mają różne
właściwości

(układ wielofazowy)

Składniki układu (fazy): - substancje chemiczne wchodzące w skład układu

FAZA jednoskładnikowa – substancja czysta

FAZA wieloskładnikowa – roztwór

SUBSTANCJE

CZYSTE

MIESZANINY

PROSTE

ZŁOŻONE

JEDNORODNE

homogeniczne

NIEJEDNORODNE

heterogeniczne

PIERWIASTKI

ZWIĄZKI

CHEMICZNE

ROZTWORY

- rozdrobnienie

składników i ich
przemieszanie
sięga aż do
pojedynczych
cząsteczek,
atomów

ODRĘBNE FAZY

- nawet najmniejsze

cząstki
mieszaniny to
skupiska wielu
cząsteczek lub
atomów

- Stały skład,
- Ściśle określone
właściwości

- Zmienny skład,
- Właściwości
zależne od składu

Wykład 1 – Roztwory i równowagi fazowe

Przemiana fazowa (przejście fazowe) to taka zmiana
układu fizycznego lub chemicznego, której towarzyszy
skokowa zmiana parametrów układu, np. stanu skupienia,
właściwości fizycznych

Wykład 1 – Roztwory i równowagi fazowe

PRZEMIANY FAZOWE

WYKRES FAZOWY WODY

t

w

[C]

okres

1 bar = 10

5

Pa

Wykład 1 – Roztwory i równowagi fazowe

1 bar = 10

5

Pa

STOPNIE SWOBODY (s) –
parametry układu

t – temperatura
p – ciśnienie
c – stężenie

które można zmieniać w
niewielkim zakresie, nie
wywołując zmiany liczby faz
(f)

REGUŁA FAZ GIBBSA

f + s = n + 2

n – liczba

niezależnych
składników

Wykład 1 – Roztwory i równowagi fazowe

WYKRES FAZOWY WODY

T

K

= 647,2 K (374 C)

P

K

= 22,14 MPa (218 Atm)

T = 273,1575 K (0,0075 C)
P = 0,6105 kPa (0,006 Atm)

P = 3·10

9

Pa (~30000 Atm)

T = 403 K (

130 C

) –

"gorący lód" !

?

Wykład 1 – Roztwory i równowagi fazowe

WYKRESY FAZOWE INNYCH SUBSTANCJI

Siarka (S)

Węgiel (C)

Hel (He)

Ditlenek węgla
(CO

2

)

ciecz nadkrytyczna

(superkrytyczna)

Wykład 1 – Roztwory i równowagi fazowe

?

A

B

Temp.

Przemiana ciekłego CO

2

w ciecz superkrytyczną

CIECZ

GAZ

menisk

(granica faz)

Temp.

zanikanie

menisku

wyrównywanie

gęstości

cieczy i gazu

ciecz

superkrytyczna

Superkrytyczny CO

2

– połączenie właściwości cieczy i gazu,

bardzo dobry rozpuszczalnik, łatwo wnika w inne substancje
(ekstrakcja kofeiny z ziaren kawy, pranie chemiczne, polimery i inne).

Wykład 1 – Roztwory i równowagi fazowe

SOLE STOPIONE – CIECZE JONOWE

JAKO ROZPUSZCZALNIKI

Sole lub mieszaniny soli o budowie jonowej i
stosunkowo niskiej temperaturze topnienia.

Wykład 1 – Roztwory i równowagi fazowe

Właściwości:

•

zdolność rozpuszczania różnych substancji

• bardzo mała prężność par

• niepalność,

• stabilność termiczna (nawet do 600 K),

• szeroki zakres występowania w stanie ciekłym

Przykład: elektrolityczne otrzymywanie glinu w stopionym kriolicie (Na

3

AlF

6

)

Al

2

O

3

w Na

3

AlF

6

T ≈ 1200 K

LiNO

3

(44) + KNO

3

(56) – 125 C

ZnCl

2

(60) + NaCl (20) + KCl (20) – 203 C

CuCl (54) + AgCl (46) – 260 C
NaCl (52) + CaCl

2

(48) – 500 C

T

top..

Al

2

O

3

– 2318 K

SOLE STOPIONE – CIECZE JONOWE

JAKO ROZPUSZCZALNIKI

Ciecze jonowe –

sole związków organicznych

– rozpuszczalniki

projektowane
(często ciekłe w temperaturze poniżej 100 C)

Wykład 1 – Roztwory i równowagi fazowe

Przykłady:

fluorek tetrametyloamonowy t

top.

= 45

C

benzoesan tetrabutyloamonowy t

top.

= 54

C

Zastosowania: głównie w syntezie organicznej –

"green solvents"

Ciekawostka: obracający się zbiornik z cieczą

jonową jako lustro teleskopu

ROZTWORY

Roztwór – układ jednofazowy, wieloskładnikowy.

Rozpuszczalnik – substancja która w roztworze zachowuje swój

pierwotny stan skupienia, lub występuje w
największej ilości.

Rodzaje roztworów: (wg. stanu skupienia)

R

O

Z

P

U

S

Z

C

Z

A

LN

IK

SUBSTANCJA ROZPUSZCZONA

GAZ

CIECZ

C. STAŁE

GAZ

CIECZ

C. STAŁE

PRZYKŁADY

Powietrze

O

2

w wodzie

H

2

w palladzie

C

2

H

5

OH

w wodzie

NaCl

w wodzie

woda

w maśle

węgiel w żelazie,

szkło

(mgła, areozol)

(dym,kurz)

Wykład 1 – Roztwory i równowagi fazowe

Na

+

Cl

-

Cl

-

Na

+

Na

+

Na

+

Cl

-

Cl

-

Procesy towarzyszące rozpuszczaniu

Wykład 1 – Roztwory i równowagi fazowe

Na

+

Cl

-

Cl

-

Na

+

Na

+

Na

+

Cl

-

Cl

-

+

+

−

+

+

−

+

+

−

+

+

−

+

+

−

+

+

−

+

+

−

+

+

−

+

+

−

+

+

−

+

+

−

+

+

−

1.

Odrywani
e
jonów od
kryształu

2.

Hydratacj
a
jonu

(solwatacja
)

Procesy towarzyszące rozpuszczaniu

3. Dyfuzja

jonów
w głąb
roztwor
u

Wykład 1 – Roztwory i równowagi fazowe

ENTALPIA (ciepło) ROZPUSZCZANIA

ΔH

rozp.

= ΔH

zr.w.

+ ΔH

hydr.

ΔH

zr.w.

– zrywanie wiązań –

proces
ENDOTERMICZNY

ΔH

hydr.

– hydratacja –
tworzenie wiązań

proces
EGZOTERMICZNY

ΔH

hydr.

> ΔH

zr.w.

ΔH

hydr.

< ΔH

zr.w.

rozpuszczanie egzotermiczne

rozpuszczanie endotermiczne

Zależność rozpuszczalności

(R) od temperatury

(Reguła Przekory)

Wykład 1 – Roztwory i równowagi fazowe

WYBRANE WŁAŚCIWOŚCI FIZYCZNE ROZTWORÓW

1. Prężność par rozpuszczalnika nad roztworem

Prawo Roaulta

Francois Marie Raoult (1830-1901)

P

rozp.

= x

rozp.

P

rozp.

0

2. Obniżenie temperatury krzepnięcia roztworu

Efekt krioskopowy

Δt

k.

= k

k.·

m

i.

k

k

– stała kriosopowa

H

2

O - 1,86

K·kg/mol

Efekt ebulioskopowy Δt

e.

= k

e.·

m

i.

k

e

– stała ebulioskopowa

m

i

–

stężenie molalne

.

H

2

O - 0,513

K·kg/mol

Efekty krio- i ebulioskopowy można wykorzystać do
wyznaczenia masy molowej substancji rozpuszczonej.

Wykład 1 – Roztwory i równowagi fazowe

3. Osmoza - gr. osmós "ciśnienie" - dyfuzja cząsteczek

rozpuszczalnika,
(np. wody) przez membranę półprzepuszczalną, (np. błonę
komórkową) oddzielającą dwa roztwory

Wykład 1 – Roztwory i równowagi fazowe

WYBRANE WŁAŚCIWOŚCI FIZYCZNE ROZTWORÓW

3. Osmoza - gr. osmós "ciśnienie" - dyfuzja cząsteczek

rozpuszczalnika,
(np. wody) przez membranę półprzepuszczalną, (np. błonę
komórkową) oddzielającą dwa roztwory

P

0

> P

roztw.

Wykład 1 – Roztwory i równowagi fazowe

h

Ciśnienie hydrostatyczne

P

h

= g h d = π

π

– ciśnienie osmotyczne

WYBRANE WŁAŚCIWOŚCI FIZYCZNE ROZTWORÓW

Wykład 1 – Roztwory i równowagi fazowe

Ciśnienie osmotyczne -

π

n

π = c R T = V R T

π V = n R T

Równanie Van’t Hoffa

Jacobus Henricus van 't Hof

(1852 – 1911)

Nobel 1901

Wielkość ciśnienia osmotycznego:

0,01 M roztwór cukru daje

π

= 250 kPa

(2,5 m słupa H

2

O)

Pomiar ciśnienia osmotycznego
wykorzystuje się do wyznaczania mas
molowych

Ważna rola osmozy w biologii.