podst chemii 10 07 08

background image

1

Bodźce reakcji chemicznej

O chemii mieszanin ...

Kilka ważnych pojęć

UKŁAD

- wyraźnie oddzielona (granicami) część

otaczającej nas rzeczywistości materialnej;

FAZA

- homogeniczna (jednorodna) część układu,

wykazująca określone własności fizyczne i ograniczona
określonymi powierzchniami, nadajemy jej nazwę od stanu
skupienia;

UKŁAD HOMOGENICZNY

= układ jednofazowy

UKŁAD HETEROGENICZNY

= układ wielofazowy

SKŁADNIK UKŁADU

- jedna z substancji

niezbędnych do odtworzenia układu

SKŁADNIKI NIEZALEśNE

- najmniejsza liczba

skladników, z których można zbudować cały układ. Oblicza
si
ę ją odejmując od całkowitej liczby składników liczbę
niezależnych reakcji chemicznych

Kilka ważnych pojęć (2)

*

ROZTWÓR

- układ wieloskładnikowy, jednofazowy

(homogeniczny);

*

ROZTWÓR DOSKONAŁY

– składniki nie oddziaływują

ze sobą;

*

ROZTWÓR RZECZYWISTY

– uwgzlędniamy

oddziaływania składników;

*

ROZTWORY

mogą być stałe, ciekłe i gazowe;

*

ROZPUSZCZALNIK

(zazwyczaj!) - ta substancja, której

roztwór zawiera najwięcej (która ma najwyższe

stężenie

);

*

PARAMETRY UKŁADU

- wielkości, które go

charakteryzują niezależnie od miejsca pomiaru -

T

(temperatura) i

p

(ciśnienie)

Dlaczego ....

... pewne reakcje chemiczne zachodzą

samorzutnie ("same z siebie"), a inne nie ?

... prąd elektryczny płynie pomiędzy biegunami

ogniwa elektrycznego ?

... Wisła płynie z Krakowa do Gdańska, a nie z

Gdańska do Krakowa ?

Dlaczego rzeki zwykle płyną do morza ?

Wodospad Niagara widziany z Kanady

Salto Churún Meru na rzece
Churún (Wenezuela), najwy

ż

szy

wodospad

ś

wiata (1054 m),

odkryty w 1935 przez lotnika
ameryka

ń

skiego J.Angela

Dlaczego rzeki czasem nie płyną do morza ?

background image

2

Dlaczego ....

... pewne reakcje chemiczne zachodzą

samorzutnie ("same z siebie"), a inne nie ?

... wygląda na to, że jedne substancje mają

wyższy potencjał chemiczny, a inne niższy ...

... prąd elektryczny płynie pomiędzy biegunami

ogniwa elektrycznego ?

... bo jeden z biegunów ma wyższy potencjał

elektryczny, a drugi niższy

... Wisła płynie z Krakowa do Gdańska, a nie z

Gdańska do Krakowa ?

... bo Kraków leży wyżej nad „poziomem morza”,

a potencjał mechaniczny w polu grawitacyjnym
zależy od wysokości V=m

⋅⋅⋅⋅

g

⋅⋅⋅⋅

h

Potencjał chemiczny

o

UWAGA !

Nie należy zapominać, że zawsze

rozpatrujemy jeden potencjał względem drugiego

o

Bodźcem reakcji chemicznych

jest różnica potencjałów

chemicznych pomiędzy:

substratami reakcji

(które mają wyższy potencjał)

produktami reakcji

(które mają niższy potencjał)

G

– potencjał chemiczny

∆∆∆∆

G

– róznica potecnjałów chemicznych

Potencjał chemiczny zależy od:

rodzaju substancji chemicznej
i stanu jej skupienia

ilości substancji

temperatury

ciśnienia

Potencjał chemiczny jednego mola

i

i

i

a

RT

p

T

ln

)

,

(

0

+

=

µ

µ

i

i

i

p

RT

p

T

ln

)

,

(

0

+

=

µ

µ

Dla jednego mola i-tej substancji (w mieszaninie):

gdzie:

µ

i

-

potencjał molowy,

a

i

-

aktywność i-tej substancji,

Aktywność substancji czystej (nie w mieszaninie), która
nie znajduje się w stanie gazowym wynosi 1 (a

i

= 1)

dla gazów doskonałych:

dla substancji w roztworach rozcieńczonych:

i

i

i

c

RT

p

T

ln

)

,

(

0

+

=

µ

µ

Dla ogólnie zapisanej reakcji odwracalnej:

D

d

C

c

B

b

A

a

+

→

+

substratów

produktów

G

G

G

=

i

i

i

n

G

µ

=

A

A

A

a

RT

p

T

ln

)

,

(

0

+

=

µ

µ

potencjał 1 mola

liczba moli

i

i

i

a

RT

p

T

ln

a

)

,

(

a

a

0

+

=

µ

µ

potencjał a moli:

...

podobnie dla b moli substancji B, c moli substancji C
oraz
d moli substancji D ...

a

ln

ln

a

A

A

a

RT

a

RT

=

B

A

D

C

G

µ

µ

µ

µ

+

=

b

a

d

c

Różnica potecjałów chemicznych produktów i substratów:





+

+

=

b

a

d

c

0

0

0

0

ln

b

a

d

c

B

A

D

C

B

A

D

C

a

a

a

a

RT

G

µ

µ

µ

µ

∆∆∆∆

G

0

(T,p)

- standardowa różnica potencjału,

zależna tylko od rodzaju substratów i
produktów oraz temperatury i ci
śnienia,
niezale
żna od aktywności poszczególnych
substancji

Warunki samorzutnego zachodzenia reakcji

∆∆∆∆

G < 0

reakcja zachodzi (może zachodzić, bo
potencjał produktów jest niższy niż potencjał
substratów) -

żnica potencjałów jest

“motorem” zachodzenia reakcji

∆∆∆∆

G > 0

reakcja nie zachodzi (nie może zachodzić, bo
potencjał substratów jest niższy niż potencjał
produktów - może zachodzić reakcja odwrotna)

∆∆∆∆

G = 0

reakcja nie zachodzi w żadną stronę -
potencjały substratów i produktów są sobie
równe; produkty i substraty pozostają w
równowadze

background image

3

W stanie równowagi

∆∆∆∆

G = 0





+

=

b

a

d

c

0

ln

)

,

(

B

A

D

C

a

a

a

a

RT

p

T

G

G





=

RT

G

a

a

a

a

B

A

D

C

0

b

a

d

c

exp

Nie zależy od aktywności

substratów i produktów

Zależy od rodzaju reakcji,

temperatury i ciśnienia

K

a

a

a

a

B

A

D

C

=

b

a

d

c

D

d

C

c

B

b

A

a

+

→

+

dla zwykłej reakcji odwracalnej

Prawo działania mas

1864

Cato Guldberg (1836-1902)
Peter Waage (1833-1900)

Równowaga chemiczna inaczej

W ogólnym przypadku reakcji odwracalnej:

v

a

b

1

1

= ⋅

k a

a

A

B

v

c

d

2

2

=

⋅ ⋅

k a

a

C

D

gdzie

k

1

i

k

2

- stałe szybkości reakcji, zależne tylko od

rodzaju reakcji, temperatury i ciśnienia całkowitego

(dla reakcji w fazie gazowej)

k

k

E

RT

A

=



0

exp

D

d

C

c

B

b

A

a

+

+

v

1

v

2

W stanie równowagi ...

k

a

a

k a

a

C

D

A

B

2

1

= ⋅

c

d

a

b

v

v

1

2

=

a

a

a

a

k

k

C

D

A

B

c

d

a

b

=

1

2

Stała K, zwana stałą równowagi, zależy tylko od

temperatury

(i

ciśnienia całkowitego

dla reakcji w fazie

gazowej). Nie zależy od ilości (aktywności, stężeń)

substratów/produktów

a

a

a

a

K

C

D

A

B

c

d

a

b

=

Stałe równowagi

a

a

a

a

K

C

c

D

d

A

a

B

b

=

p

p

p

p

K

C

c

D

d

A

a

B

b

p

c

c

c

c

K

C

c

D

d

A

a

B

b

c

to jest ogólne prawo równowagi ...

to jest prawo równowagi dla reakcji w
gazach, przy niezbyt wysokich
ciśnieniach (p

A

, p

B

, p

C

, p

D

-ciśnienia

poszczególnych gazów)

to jest prawo równowagi dla reakcji w
mieszaninach (roztworach), przy
niezbyt wysokich stężeniach (c

A

, c

B

,

c

C

, c

D

- stężenia poszczególnych

składników)

Konsekwencje równowagi chemicznej ...

W reakcji odwracalnej zawsze ustala się

równowaga zależna od temperatury i ciśnienia:

3

O

Fe

2

2

2NH

3H

N

3

2

 →

+

p

p

p

K T p

NH

H

N

p

3

2

2

2

3

=

( ,

)

całk

zmiana ciśnienia jednego ze składników po ustaleniu się

równowagi spowoduje zmianę wszystkich pozostałych

ciśnień,

gdyż stała równowagi K nie ulegnie zmianie

Reguła przekory

• Reakcja otrzymywania

amoniaku jest reakcj

ą

egzotermiczn

ą

, a reakcja jego

rozkładu reakcj

ą

endotermiczn

ą

3H

N 2NH

2

2

3

ciepło

+

+

Q

(

)

p

p

p

K T p

NH

H

N

p

3

2

2

2

3

=

( ,

)

całk

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) ...

Reguła przekory Le Chateliera

background image

4

Reguła przekory w praktyce ...

Je

ś

li po ustaleniu si

ę

stanu równowagi reakcji :

3H

N 2NH

2

2

3

ciepło

+

+

Q

(

)

podwyższymy temperaturę

, to stan równowagi przesunie się

w lewo, a stała równowagi ulegnie zmniejszeniu ...

3H

N 2NH

2

2

3

ciepło

+

+

Q

(

)

obniżymy temperaturę

, to stan równowagi przesunie się w

prawo, a stała równowagi ulegnie zwiększeniu ...

3H

N 2NH

2

2

3

ciepło

+

+

Q

(

)

Reguła przekory w praktyce ...

Je

ś

li po ustaleniu si

ę

stanu równowagi reakcji :

3H

N 2NH

2

2

3

ciepło

+

+

Q

(

)

obniżymy ciśnienie

, to stan równowagi przesunie się w lewo,

a stała równowagi ulegnie zmniejszeniu ...

3H

N 2NH

2

2

3

ciepło

+

+

Q

(

)

podwyższymy ciśnienie

, to stan równowagi przesunie się w

prawo, a stała równowagi ulegnie zwiększeniu ...

3H

N 2NH

2

2

3

ciepło

+

+

Q

(

)

Równowagi w roztworach

elektrolitów

Szczególne wła

ś

ciwo

ś

ci wody

H

H

H

H

O

+

-

Różnica elektroujemności

O

-

H

~ 1,2;

Wiązania atomowe spolaryzowane –

wspólne pary

elektronowe wiązań O-H przesunięte w stronę tlenu i jego
wolnych par;

Moment dipolowy wody

µ = 1,85 D

(1 D = 3,33·10

-30

C·m)

Stała dielektryczna wody

ε = 80

(w 20ºC)

Wi

ą

zanie wodorowe – ascocjacja

cz

ą

steczek wody

H

H

O

H

H

O

H

H

O

+

-

+

-

+

-

Wiązanie wodorowe
tworzy się w połączeniach
wodoru z pierwiastkami o
wysokiej elektroujemności

N

H

H

N

H

H

H

F

H

F

100

0

-100

-200

T[ºC]

Temperatura

topnienia

Temperatura

wrzenia

Skutki występowania wiązania wodorowego

He

Ne

Ar

Kr

Xe

Rn

HF

HCl

HBr

HI

H

2

O

H

2

S

H

2

S e

H

2

T e

NH

3

PH

3

CH

4

He

Ne

Ar

Kr

Xe

Rn

HF

HCl

HBr

HI

H

2

O

H

2

S

H

2

S e

H

2

T e

NH

3

PH

3

CH

4

Własności

wodorków

niektórych

pierwiastków

odpowiadają

znacznie wyższej

masie

cząsteczkowej niż

wynika to z ich

wzoru

background image

5

Elektrolity

Substancje, które przewodzą prąd elektryczny w
roztworach wodnych lub w stanie stopionym

NOŚNIKAMI ŁADUNKU (PRĄDU)
ELEKTRYCZNEGO S
Ą JONY

Jony

– atomy lub grupy atomów obdarzone ładunkiem

elektrycznym

Kationy

mają ładunek dodatni

Aniony

mają ładunek ujemny

Dysocjacja elektrolityczna

Dysocjacja elektrolityczna

jest to rozpad elektrolitu na

jony pod wpływem cząsteczek rozpuszczalnika (wody) –
Arrhenius 1886

Svante

Arrhenius

1859 - 1927

Nobel 1903

-

+

-

-

-

-

-

+

+

+

+

+

+

-

+

-

Hydratacja jonów

(Solwatacja jonów)

Substancje jonowe, np.

NaCl, MgSO

4

, CsF ...

Dysocjacja elektrolityczna (2)

+

*

-

*

H

)

F

H

+

F

-

Substancje, w

których występuje

wiązanie

kowalencyjne

spolaryzowane:

HF, HCl ...

a H

2

O .. ??

Dysocjacja elektrolityczna (3)

• Jeśli elektrolit rozpada się na jony, a jego stężenie

początkowe wynosi c

0

:

+

+

 →

A

K

KA

O

H

2

po dysocjacji

c

0

-c

i

c

i

c

i

Jeśli c

i

= c

0

, to rozpad na jony jest całkowity.

Jeżeli zaś c

i

< c

0

, to:

gdzie

α

- stopień dysocjacji (0

#

α

#1),

c

i

- stężenie jonów powstałych w dysocjacji,

c

0

- początkowe stężenie elektrolitu (także

c

)

0

0

n

n

c

c

i

i

=

=

α

Pozdział elektrolitów

* α ≈ 1 (100 %)

, dysocjacja jest całkowita, takie

elektrolity noszą nazwę mocnych

* 0< α <0,1

(poniżej 10 %) dysocjacja jest częściowa,

takie elektrolity noszą nazwę słabych

* Do elektrolitów mocnych należy większość soli, część

kwasów i zasad, do słabych kwasy i zasady
organiczne i część mineralnych

* Jeśli rozpada się cząsteczka obojętna, suma ładunków

po prawej stronie równania reakcji musi również być
równa zeru

KA

K

A

← →

+

+

K A

K

A

2

2

2

← →

+

+

K A

K

A

2

3

3

2

2

3

← →

+

+

Wyznaczanie stopnia dysocjacji

Stopień dysocjacji elektrolitu można wyznaczyć

doświadczalnie. Dwie metody jego wyznaczania to:

1. Pomiar ciśnienia osmotycznego

2. Pomiar przewodnictwa elektrycznego

O obu metodach będziemy mówić nieco szerzej w

terminie póżniejszym

background image

6

Równowagi w roztworach elektrolitów

• Dysocjację elektrolitów

mocnych

, która jest całkowita,

można traktować jako

reakcję nieodwracalną

• Dysocjację elektrolitów

słabych

, która

nie

jest

całkowita, można traktować jako

reakcję odwracalną

można zatem zapisać stałą równowagi reakcji dysocjacji:

KA

K

A

H O

2



+

+

i

i

i

c

c

c

c

KA

A

K

K

=

=

+

0

]

[

]

[

]

[

Równowagi w roztworach elektrolitów (2)

Prawo rozcieńczeń Ostwalda

c

c

c

c

c

c

c

A

K

A

K

=

=

=

=

+

+

α

α

;

α

α

α

α

α

α

=

/

/

=

=

+

1

)

1

(

)

1

(

2

c

c

c

c

c

c

c

K

A

K

d

α

α

=

1

2

c

K

d

c

K

c

K

d

d

α

α

;

2

w przybliżeniu, jeśli

α<<1

:

Wilhelm Ostwald

1852-1932

Nobel 1909

Równowagi w roztworach elektrolitów (3)

Stała dysocjacji nie zależy od stężenia !

Stała dysocjacji zależy od:

rodzaju substancji (w bardzo dużym stopniu)

temperatury (w dużym stopniu; rośnie wraz z
temperatur
ą)

ciśnienia (w niewielkim stopniu)

Stopień dysocjacji elektrolitu słabego zależy od:

rodzaju substancji (w bardzo dużym stopniu)

stężenia (ze wzrostem stężenia maleje)

temperatury (ze wzrostem temperatury rośnie)

Dla elektrolitów mocnych

nie wolno

pisać stałej

dysocjacji, gdyż dysocjację należy traktować jako
reakcj
ę nieodwracalną (dzielenie przez zero!)

Elektrolity mocne (1)

Elektrolity mocne są całkowicie zdysocjowane
(niezależnie od ich stężenia) - Bjerrum 1918

Pomiar stopnia dysocjacji w elektrolitach mocnych
prowadzi zawsze do otrzymania wartości α <1

Możliwe wyjaśnienia:

nie ma elektrolitów całkowicie zdysocjowanych;

pomiar jest zaburzony przez jakieś zjawisko (a)

Elektrolity są całkowicie zdysocjowane, np. nie ma
niezdysocjowanych cząsteczek NaCl, istnieją tylko
jony

Na

+

i

Cl

-

. Zatem coś wpływa na pomiary ...

Elektrolity mocne (2)

+

-

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

Rozcieńczony roztwór elektrolitu

słabego: jony prawie nie

oddziaływują ze sobą

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

Elektrolity mocne (3)

+

-

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

Większe stężenie jonów – na

właściwości wpływają oddziaływania

pomiędzy jonami ...

-

+

+

+

-

background image

7

Elektrolity mocne (4)

×

W roztworze o niewielkim stężeniu i małym stopniu
dysocjacji, jony znajduj
ą się "daleko od siebie" i można
zaniedba
ć ich oddziaływania ...

×

Taki roztwór nosi nazwę roztworu doskonałego, a jego
potencjał chemiczny mo
żna wyrazić jako funkcję stężenia:

×

W roztworze rzeczywistym potencjał chemiczny wymaga
uwzgl
ędnienia oprócz stężenia również oddziaływań
międzyjonowych:

i

i

i

c

RT

p

T

ln

)

,

(

0

+

=

µ

µ

i

i

i

a

RT

p

T

ln

)

,

(

0

+

=

µ

µ

Elektrolity mocne (5)

W elektrolitach mocnych istnieje związek aktywności ze
stężeniem:

a

i

= f

i

·c

i

gdzie

f

i

jest współczynnikiem aktywności i stanowi miarę

oddziaływań pomiędzy jonami.

UWAGA ! ponieważ f

i

również zależy od stężenia, więc

aktywność nie jest proporcjonalna do stężenia !

jeżeli

c

i

0

to

f

i

1

, zaś

a

i

c

i

,

a roztwór rzeczywisty

roztwór doskonały

Czy można zmierzyć lub obliczyć f

i

dla i-tego jonu ?

Elektrolity mocne (6)

Średni współczynnik aktywności jest średnią
geometryczną poszczególnych współczynników:

+

±

=

f

f

f

stąd

a

i

= f

±±±±

·c

i

Teoria elektrolitów mocnych opracowana przez Debye’a i
Hückla pozwala na obliczenie średniego współczynnika
aktywności przy użyciu tzw. prawa granicznego:

I

A

z

z

f

=

+

±

log

gdzie A – stała (dla roztworów wodnych A=0,509 w 25ºC,
z

+

i z

-

sa ładunkami jonów, a I – siłą jonową roztworu

Elektrolity mocne (7)

=

i

i

i

z

c

I

2

2

1

Uwaga! Sumowanie obejmuje wszystkie rodzaje jonów
obecne w roztworze.

Ruch jonów w roztworze rzeczywistym – obok
przypadkowych zderzeń – utrudniają dwa zjawiska:

-

efekt elektroforetyczny

("tarcie" otoczek

solwatacyjnych);

-

efekt relaksacyjny

(powstawanie i destrukcja

otoczek solwatacyjnych - "atmosfer jonowych")

Efekt elektroforetyczny

+

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

Efekt relaksacyjny

+

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-


Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
podst chemii 10 07 08
podst chemii 05 07 08 id 365984 Nieznany
podst chemii 11 07 08
podst chemii 09 07 08
podst chemii 01 07 08
podst chemii 12 07 08
podst chemii 04 07 08
podst chemii 13 07 08
podst chemii 12 07 08
podst chemii 02 07 08 id 365977 Nieznany
podst chemii 03 07 08
chemia lato 10 07 08

więcej podobnych podstron