PODSTAWY CHEMII

INŻYNIERIA BIOMEDYCZNAWykład 1

13.05.23 Inżynieria Biomedyczna, I rok 2

PODSTAWY CHEMII

WykładowcaProf. dr hab. inż. Marta Radecka,

B-6, III p. 306, tel (12) (617) 25-26 e-mail: radecka@agh.edu.pl Strona www:http://galaxy.uci.agh.edu.pl/~radecka/

http://www.agh.edu.pl/Pracownicy

Strony domowe pracownikówMarta Radecka

13.05.23 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 2012 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 końcowa0.6 oceny egzaminu + 0.4 oceny laboratorium

13.05.23Inżynieria Biomedyczna, I rok 4

13.05.23 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

13.05.23 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 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

13.05.23 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 Koloidy

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

13.05.23 Inżynieria Biomedyczna, I rok 8

HARMONOGRAM ZAJĘĆ

13.05.23 Inżynieria Biomedyczna, I rok 9

http://galaxy.uci.agh.edu.pl/~radecka/Zajęcia nr1-6:06.10; 13.10; 20.10; 27.10; 03.11; 10.11.2015Grupy 1,2,3 godzina 8.00-9.30Grupy 4,5,6 godzina 9.45-11.15Grupy 7,8,9 godzina 11.30-13.00Grupy 10,11 godzina 13.15-14.45

Grupa 1,2,3,7,8,9Zajęcia nr 7-10:17.11; 01.12; 15.12 2015; 12.01 2016Grupa 1,2,3 godzina 8.00-11.00Grupa 7,8,9 godzina 11.30-14.30

Grupa 4,5,6,10,11Zajęcia nr 7-10:24.11; 08.12. 22.12 2015; 19.01 2016 Grupa 4,5,6 godzina 8.00-11.00Grupa 10,11 godzina 11.30-14.30

 

13.05.23 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 ( )

Reakcja odwracalna może przebiegać w obu kierunkach ()

Reakcje nieodwracalne przebiegają tak długo, aż wyczerpie się jeden lub kilka substratów

c

13.05.23 Inżynieria Biomedyczna, I rok 11

A reakcje odwracalne ?

Równowaga

Dla reakcji chemicznej opisanej równaniem:

Szybkość reakcji:

Szybkość reakcji chemicznej

13.05.23 Inżynieria Biomedyczna, I rok 12

dDcCbBaA

dtdc

d1

dtdc

c1

dtdc

b1

dtdc

a1v DCBA

Szybkość reakcji często można przedstawić za pomocą równania (empirycznego) kinetycznego:

βB

αAckcv

dtdci

k- stała reakcji, , - rząd reakcji

Gdzie szybkość zmian stężenia reagenta i

13.05.23 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

22 βD

αC22 cckv

11 βB

αA11 cckv

CZAS

SZYB

KOŚĆ

RE

AKCJ

I

1v

2v

1v

2v

21 VV

13.05.23 Inżynieria Biomedyczna, I rok 14

Prawo równowagi

W stanie równowagi termodynamicznej ustala się stan równowagi dynamicznej: prędkość reakcji prostej i odwrotnej jest taka sama

dDcCbBaA

21 vv

2211 βD(R)

αC(R)2

βB(R)

αA(R)1 cckcck

11

22

βB(R)

αA(R)

βD(R)

αC(R)

2

1

cccc

kkK

αi(R)c Stężenie reagenta

i w stanie równowagi

13.05.23 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, dla reakcji odwracalnej, stosunek iloczynu stężeń produktów do iloczynu stężeń substratów jest stały, przy czym wszystkie stężenia są podniesione do potęg będących współczynnikami stechiometrycznymi.

11

22

βB(R)

αA(R)

βD(R)

αC(R)

cccc

K

13.05.23 Inżynieria Biomedyczna, I rok 16

Stała równowagi K (różny zapis)

Kaaaa

bB

aA

dD

cC

d Dc Cb Ba A

pbB

aA

dD

cC K

pppp

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

RTVnp RT,

Vnp

cał

22

cał

11

p1, p2… ciśnienia cząstkowe (parcjalne)

n-liczba moliR- stała gazowa R=8.314 J/(mol·K)T-temperatura bezwzględna [K]

13.05.23 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

ppK

13.05.23 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

13.05.23 Inżynieria Biomedyczna, I rok 20

dDcCbBaA bBo

aAo

dDo

cCo

aaacQ

Pozwala przewidzieć w która stronę przebiega Pozwala przewidzieć w która stronę przebiega reakcjareakcja

•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”

13.05.23 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) dmmol][K,][O][HO ][HK

OHO21H 222

1/ 23c1/ 2

22

2c(2) dmmol][K,][O][H

O ][HK

2c (2 )c (1) )(KK

Jaka jest relacja pomiędzy Kc i Kp ?

13.05.23 Inżynieria Biomedyczna, I rok 22

gggg d Dc Cb Ba A

pbB

aA

dD

cC K

pppp

cba

dc

K[B][A][D][C]

RT

Vnp RT,

Vnp B

BA

A RTVnp RT,

Vnp D

DC

C

[A] [B] [C] [D]

b)ad(cp

b)ad(cbB

aA

dD

cC

C

(RT)K

(RT)ppppK

Δ ncp (R T )KK gdzie ∆n=(c+d)-(a+b)

Jeżeli ∆n=0 to Kp=Kc

13.05.23 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

O2H

2OH

ppp

T=300K

13.05.23 Inżynieria Biomedyczna, I rok 24

O równowadze raz jeszcze (2) ClAggClA (s)

cK ][Cl][Ag -5101.8K<<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

13.05.23 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 ChatelieraJeśli 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) ...

13.05.23 Inżynieria Biomedyczna, I rok 26

Przesunięcie stanu równowagi: zmiana koncentracji

Jeżeli koncentracja jednego ze składników ulegnie zmianiekoncentracja pozostałych reagentów zmienia siętak 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 SUBSTRATÓWrównowaga 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

13.05.23 27

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

pppK2NH3HN

Wzrost ciśnienia (zmniejszenie objętości)

13.05.23 28

Efekt zmiany ciśnienia (równowaga w gazach)

3HN

2NH

p3(g)2(g)2(g)22

3

ppp

K2NH3HN

spadek ciśnienia (zwiększenie objętości)

4 mole gazu

przesunięcie w lewo w stronę większej ilości

moli gazów

2 mole gazu

13.05.23 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 temperaturystan równowagi przesuwa się w lewo (w kierunku tworzenia substratów):

K maleje jak T rośnieSpadek temperaturystan równowagi przesuwa się w prawo (w kierunku tworzenia produktów):

K rośnie jak T maleje

QC OOC 2 ( g )2 ( g )( s ) ][O][COK

2(g)

2(g)c

][ C O,][ O 2 (g)2 (g)

][ C O,][ O 2 (g)2 (g)

Obniżenie TWzrost T

13.05.23 Inżynieria Biomedyczna, I rok 30

Wpływ temperatury na równowagę chemiczną (2)reakcje endotermiczne (Q>0)

Q2NOON 242

]O[N][NOK42

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