2011-10-04
PODSTAWY CHEMII
INŻYNIERIA BIOMEDYCZNA
Wykład 1
PODSTAWY CHEMII
Wykładowca
Prof. dr hab. inż. Marta Radecka,
A-0, III p. 304, tel (12) (617) 25-26
e-mail: [e-mail]
Strona www:
http://galaxy.uci.agh.edu.pl/~radecka/
http://www.agh.edu.pl/
Pracownicy
Strony domowe pracowników
Marta Radecka
2011-10-04 Inżynieria Biomedyczna, I rok
2
1
2011-10-04
PODSTAWY CHEMII
Do czego służą wykłady i jak się zdaje egzamin?
Program wykładów i laboratorium odpowiada dokładnie
 zawartości egzaminu
Egzamin pisemny
üð żeby do niego przystÄ…pić, trzeba zaliczyć laboratorium
üð każdy ma prawo zdawać egzamin trzykrotnie
Student ma prawo do trzykrotnego przystÄ…pienia 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 utratÄ™ 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
paz
dziernika 2009 r.)
2011-10-04 Inżynieria Biomedyczna, I rok
3
Zaliczenie przedmiotu
Skala ocen
Przy 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
2011-10-04 Inżynieria Biomedyczna, I rok
4
2
2011-10-04
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
2011-10-04 Inżynieria Biomedyczna, I rok
5
Chemia jest naukÄ… przyrodniczÄ…
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
substancji
poszukiwanie modeli, które tłumaczą obserwacje
modele powinny tłumaczyć zachowanie innych
substancji i jeśli to możliwe obejmować relacje
ilościowe
modele powinno dać się weryfikować doświadczalnie
2011-10-04 Inżynieria Biomedyczna, I rok
6
3
2011-10-04
Program wykładów
Równowagi w roztworach elektrolitów
Elementy termodynamiki
Elementy elektrochemii
TrochÄ™ mechaniki kwantowej (wiÄ…zania chemiczne)
Stany materii, reguła faz
Kinetyka reakcji
Jak zdążymy !!!
ZwiÄ…zki kompleksowe
2011-10-04 Inżynieria Biomedyczna, I rok
7
Program laboratorium
Stężenia roztworów + stechiometria
Równowaga chemiczna, Kolokwium nr 1,
Dysocjacja elektrolityczna + pH roztworu, Kolokwium nr 2
Równowagi w roztworach związków trudnorozpuszczalnych,
Kolokwium nr 3
Roztwory buforowe, hydroliza , Kolokwium nr 4
Kolokwium nr 5, elementy analizy chemicznej, pobranie
szła i przygotowanie szła
Elementy analizy jakościowej
Elementy analizy ilościowej
2011-10-04 Inżynieria Biomedyczna, I rok
8
4
2011-10-04
HARMONOGRAM ZAJ
Ć
http://galaxy.uci.agh.edu.pl/~radecka/
Zajęcia nr1-6:
11.10; 18.10; 25.10; 08.11; 15.11; 22.11. 2011
Grupy 1,2,3 godzina 8.00-9.30
Grupy 4,5,6 godzina 9.45-11.15
Grupy 7,8,9 godzina 11.30-13.00
Grupy 10,11,12 godzina 13.15-14.45
Grupa 1,2,3,7,8,9
Zajęcia nr 7-10:
29.11.; 13.12.2011; 03.01.; 17.01.2012
Grupa 1,2,3 godzina 8.00-11.00
Grupa 7,8,9 godzina 11.15-14.15
Grupa 4,5,6,10,11,12
Zajęcia nr 7-10:
06.12; 20.12 2011; 10.01.;24.01 2012
Grupa 4,5,6 godzina 8.00-11.00
Grupa 10,11,12 godzina 11.15-14.15
2011-10-04 Inżynieria Biomedyczna, I rok
9
Podział reakcji
Wszystkie reakcje chemiczne można podzielić na odwracalne i
nieodwracalne:
Reakcja nieodwracalna przebiega tylko w jednym kierunku - od
substratów do produktów (®ð )
Reakcja odwracalna może przebiegać w obu kierunkach («ð)
Reakcje nieodwracalne
przebiegają tak długo,
aż wyczerpie się jeden
lub kilka substratów
10
2011-10-04 Inżynieria Biomedyczna, I rok
5
2011-10-04
A reakcje odwracalne ?
Równowaga
2011-10-04 Inżynieria Biomedyczna, I rok
11
Szybkość reakcji chemicznej
Dla reakcji chemicznej opisanej równaniem:
aA +ð bB ®ð cC +ð dD
Szybkość reakcji:
dcB dcC dcD
1 dcA 1 1 1
v =ð -ð =ð -ð =ð =ð
a dt b dt c dt d dt
dci
Gdzie szybkość zmian stężenia reagenta i
dt
k- stała reakcji,
Szybkość reakcji często można
að, bð - rzÄ…d reakcji
przedstawić za pomocą równania
(empirycznego) kinetycznego:
Ä… ²
v =ð kcAcB
2011-10-04 Inżynieria Biomedyczna, I rok
12
6
2011-10-04
Szybkość reakcji odwracalnej
v1
aA +ð bB ®ð cC +ð dD
v2
Ä…1 ²1
v1 =ð k1cA cB
Ä…2 ²2
v2 =ð k2cC cD
v1
V1 =ð V2
gdzie k1 i k2 - stałe
szybkości reakcji, zależne
tylko od rodzaju reakcji,
temperatury i ciśnienia
całkowitego (dla reakcji w
fazie gazowej)
v2
CZAS
2011-10-04 Inżynieria Biomedyczna, I rok 13
Prawo równowagi
aA +ð bB «ð cC +ð dD
W stanie równowagi termodynamicznej ustala się stan
równowagi dynamicznej: prędkość reakcji prostej i odwrotnej
jest taka sama
v1 =ð v2
Ä…1 ²1 Ä…2 ²2
k1cA(R)cB(R) =ð k2cC(R)cD(R)
Ä…
ci(R) Stężenie reagenta i
w stanie równowagi
Ä…1 ²1
k1 cC(R)cD(R)
K =ð =ð
Ä…2 ²2
k2 cA(R)cB(R)
2011-10-04 Inżynieria Biomedyczna, I rok
14
7
SZYBKOŚĆ REAKCJI
2011-10-04
Prawo równowagi
Ä…1 ²1
cB(R)cD(R)
K =ð
Ä…2 ²2
cA(R)cB(R)
W stanie równowagi, W STAA
EJ TEMPERATURZE, dla
reakcji odwracalnej, stosunek iloczynu stężeń produktów
do iloczynu stężeń substratów jest stały, przy czym
wszystkie stężenia są podniesione do potęg będących
współczynnikami stechiometrycznymi.
Stała K, zwana stałą równowagi, zależy tylko od
temperatury. Nie zależy od ilości (stężeń)
substratów/produktów
WAŻNE
2011-10-04 Inżynieria Biomedyczna, I rok
15
Stała równowagi K (różny zapis)
aA +ð bB «ð cC +ð dD
c d
aC ×ð aD to jest ogólne prawo równowagi
=ð K
...(prawo działania mas, a-aktywność)
a b
aA ×ð aB
to jest prawo równowagi dla reakcji w
c d
gazach, przy niezbyt wysokich
pC ×ð pD
ciśnieniach (pA, pB, pC, pD  ciśnienia
@ð Kp
a b
cząstkowe poszczególnych gazów)
pA ×ð pB
to jest prawo równowagi dla reakcji w
mieszaninach (roztworach), przy niezbyt
[C]c ×ð [D]d
@ð Kc wysokich stężeniach ([A], [B], [C], [D] -
[A]a ×ð [B]b
stężenia poszczególnych składników)
2011-10-04 Inżynieria Biomedyczna, I rok
16
8
2011-10-04
Prawo Daltona (ciśnienie cząstkowe gazu)
Dla mieszaniny gazów, ciśnienie całkowite jest sumą
ciśnień jakie wywierałby każdy gaz, gdyby znajdował
siÄ™ sam w tym naczyniu:
pcaÅ‚ =ð p1 +ð p2 +ð p4 +ð ....
p1, p2&
R- stała gazowa
ciśnienia cząstkowe
n1 n1
(parcjalne)
R=8.314 J/(mol·K)
p1 =ð RT, p2 =ð RT
Vcał Vcał
T-temperatura
bezwzględna [K]
Zapisywanie stałej równowagi K
Układ homogeniczny (substraty i produkty reakcji występują w
tym samym stanie skupienia)
2N2O5(g) «ð 4NO2(g) +ð O2(g)
[NO2]4 ×ð[O2]
K =ð
[N2O5]2
Układ heterogeniczny (substraty i produkty reakcji występują
w różnym stanie skupienia)
2C(s) +ð O2(g) «ð 2CO(g)
[CO]2
[CO]2
K =ð
K =ð
[C]2[O2]
[O2]
Ciała stałe i ciecze nigdy nie występują w wyrażeniu na stałą
równowagi
2011-10-04 Inżynieria Biomedyczna, I rok
18
9
2011-10-04
Własności równowagi
Układy w równowadze są
DYNAMICZNE (stała i taka sama prędkość
reakcji prostej i odwrotnej)
ODWRACALNE
Równowagę można osiągnąć z każdego
kierunku
2011-10-04 Inżynieria Biomedyczna, I rok
19
Jeszcze o stałej równowagi
Jednostki stężenia:
[ ] mol/dm3 otrzymujemy Kc
Dla skÅ‚adników 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
2H2 +ð O2 «ð 2H2O
[H2O]2 -ð1
Kc(1) =ð ,[Kc] =ð (ðmol ×ð dm3)ð
[H2]2 ×ð[O2]
Kc(1) =ð (Kc(2))2
1
H2 +ð O2 «ð H2O
2
[H2O] -ð1/2
Kc(2) =ð ,[Kc] =ð (ðmol ×ð dm3)ð
[H2] ×ð[O2]1/2
2011-10-04 Inżynieria Biomedyczna, I rok
20
10
2011-10-04
Jaka jest relacja pomiędzy Kc i Kp ?
aAg +ð bBg «ð cCg +ð dDg
nC nD
nA nB
[C]c ×ð[D]d
=ð Kc pA =ð V RT, pB =ð V RT pC =ð V RT, pD =ð V RT
[A]a ×ð[B]b
[A] [B] [C] [D]
c d
c d
pC ×ð pD
pC ×ð pD
KC =ð (RT)-ð(c+ðd-ða-ðb) =ð
a b
=ð Kp
pA ×ð pB
a b
pA ×ð pB
=ð Kp(RT)-ð(c+ðd-ða-ðb)
gdzie "n=(c+d)-(a+b)
Kp =ð Kc(RT)"n
Jeżeli "n=0 to Kp=Kc
2011-10-04 Inżynieria Biomedyczna, I rok
21
O równowadze raz jeszcze: wartość K (1)
Kiedy reakcja  faworyzuje tworzenie produktów a kiedy
substratów?
2H2(g) +ð O2(g) «ð 2H2O(g)
T=300K
2
pH O
2
Kp =ð =ð 1.5 ×ð1080
2 K>>1
pH ×ð pO
2 2
W stanie równowagi koncentracja produktów jest
dużo większa niż koncentracja substratów
Reakcja silnie faworyzuje tworzenie
produktów
2011-10-04 Inżynieria Biomedyczna, I rok
22
11
2011-10-04
O równowadze raz jeszcze (2)
Å»ð AgCl(s) «ð Ag+ð +ð Cl-ð
K<<1
[Ag+ð] ×ð[Cl-ð]
Kc =ð
=ð 1.8 ×ð10-5
W stanie równowagi koncentracja produktów
jest mniejsza niż substratów
Reakcja silnie faworyzuje tworzenie substratów
& ..a w przypadku reakcji odwrotnej?
Ag+ð +ð Cl-ð «ðÅ»ð AgCl(s)
-ð1
Kodw =ð Kc =ð 5.6 ×ð104 Reakcja silnie faworyzuje tworzenie produktów
2011-10-04 Inżynieria Biomedyczna, I rok
23
Równowaga i bodz
ce zewnętrzne
Stan równowagi może być przesunięty jeżeli zmienimy:
koncentrację składników
ciśnienie zewnętrzne (w przypadku reagentów
gazowych)
temperaturÄ™
Reguła przekory Le Chateliera
Jeśli w warunkach równowagi zmienimy jeden z
parametrów reakcji (temperaturę lub ciśnienie),
to równowaga reakcji przesunie się w taki
Henri Le Chatelier
sposób, by zmniejszyć działanie bodz
ca (układ
1850-1936
przeciwstawi siÄ™ zmianie) ...
2011-10-04 Inżynieria Biomedyczna, I rok
24
12
2011-10-04
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
TWORZENIE GAZU, STR
CANIE
USUWANIE PRODUKTÓW
- często stosowane jako siła napędowa  zakończenia reakcji
2011-10-04 Inżynieria Biomedyczna, I rok
25
Efekt zmiany ciśnienia (równowaga w gazach)
2
pNH
3
N2(g) +ð 3H2(g) «ð 2NH3(g) Kp =ð
3
pN ×ð pH
2 2
Wzrost ciśnienia (zmniejszenie objętości)
4 mole gazu 2 mole gazu
przesunięcie w prawo
w stronę mniejszej ilości
moli gazów
26
2011-10-04
13
2011-10-04
Efekt zmiany ciśnienia (równowaga w gazach)
2
pNH
3
N2(g) +ð 3H2(g) «ð 2NH3(g) Kp =ð
3
pN ×ð pH
2 2
spadek ciśnienia (zwiększenie objętości)
4 mole gazu 2 mole gazu
przesunięcie w lewo
w stronę większej ilości moli
27
gazów
2011-10-04
Wpływ temperatury na równowagę chemiczną (1)
reakcje egzotermiczne (Q<0)
Zmiana temperatury ®ð zmiana K
[CO2(g)]
C(s) +ð O2(g) «ð CO2(g) +ð Q
Kc =ð
[O2(g)]
Spadek T
Wzrost T
Zmiana T: nowe położenie stanu równowagi, nowe K
Wzrost temperatury
[O2(g)] ­ð,[CO2(g)] Å»ð
stan równowagi przesuwa się w lewo:
K maleje jak T rośnie
Spadek temperatury
stan równowagi przesuwa siÄ™ w prawo: [O2(g)] Å»ð,[CO2(g)] ­ð
K rośnie jak T maleje
2011-10-04 Inżynieria Biomedyczna, I rok
28
14
2011-10-04
Wpływ temperatury na równowagę chemiczną (2)
reakcje endotermiczne (Q>0)
N2O4 «ð 2NO2 +ð Q
bezbarwny brÄ…zowy
[NO2]2
Kc =ð
[N2O4]
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
2011-10-04 Inżynieria Biomedyczna, I rok
29
15