Úvod • vyučující Jana Pavlů (budova A12/222, houserova@chemi.muni.cz) Pavel Brož (budova A12/232, broz@chemi.muni.cz) http://fyzchem.sci.muni.cz/ • organizace výuky přednáška (přestávka, zpoždění, jídlo, pití) sylabus (rozdělení témat, 6.-9. P. Brož) prezentace (ppt ano, tabule ne) literatura (Atkins) zkouška (písemná + ústní) seminář (není povinný, příklady na Isu - vytisknout) • Začátek čtvrteční hodiny 23. 2. 2017 posunut o 15 minut na 16:15 Skupenství, plyny • 1. Skupenství Plynné, kapalné, pevné. 1.1 Vlastnosti plynů. Pojem tlaku, měření tlaku, pojem teploty, nultá věta termodynamiky. 1.1.1 Ideální plyn. Boylův zákon, Charlesův zákon, Guy-Lusacův zákon a Avogadrův princip. Funkce jedné proměnné. Stavová rovnice ideálního plynu, pojem funkce dvou proměnných. 1.1.2 Reálné plyny. Mezimolekulové interakce, viriální stavová rovnice, van der Waalsova rovnice reálného plynu. 2 Fyzikální chemie • Definice • Úkol • kvantitativní vztahy, modely, vyjádřit měřitelné vlastnosti • Historie • 1752 Lomonosov • 60-80. léta 19 stol. • 1876Gibbs „On the equilibrium of heterogeneous substances" • 1887 Zeitschrift fur phisikalische chemie • Objekt výzkumu (rovnováha, pohyb, struktura) 1. Skupenství Skupenství Značka Interakce, síly, p Pohyb Tvar, V Plynné g Kapalné i Pevné s tekutina plazma Solid Liquid G?.' http://www.oxnotes.com/states-of-matter-igcse-chemistry.html http://www.zschemie.euweb. cz /latky/latky 14.html 4 1.1 Vlastnosti plynů „časticový" pohled Plyn Částice m, V Interakce +,- Srážky reálný ideální kdy se plyn chová ideálně? typické vlastnosti plynů (mísitelnost, zaujímají celý objem nádoby, stlačitelnost, hustota, tekutost, odpaření, sublimace) fyzikální popis - p, V, n, T Pa = kg m _ kg 2 2 2 m s m s / 1 kg 1 m2 j a = g = 10 m/s2 m.a 1.10 „ p =-=-P a A 1 1.1 Vlastnosti plynů tlak Pa = kg. m/s2 1 atm = 101 325 Pa 1 Torr = atm. p/760 = 101 325/760 = 133,3 Pa 1 bar = 105 Pa look at how few atoms are pressing down on the guy at the top of the mountain lower pressure igher pressure Toricelli Toricelliho vakuum P atm =Ph= hpg = = 0.75*13.6*103 * 9.81 = 105 Pa Hg Mercury Atmospheric pressure I -Vacuum Height h = 76 cm (or 760 mm) at 0°c CORRESPONDS TO 1 ATM http://chem-guide.blogspot.cz/2010/03/gaseous-state.html 6 1.1 Vlastnosti plynů mechanická rovnováha When a region of high pressure is separated from a region of low pressure by a movable wall, the wall will be pushed into one region or the other, as in (a) and (c). However, if the two pressures are identical, the wall will not move (b). The latter condition is one of mechanical equilibrium between the two regions. Movable wall (a) High pressure Low pressure I 1 r Motion Equal pressures Low pressure High pressure (c) Atkins P. W.: Physical Chemistry 7 1.1 Vlastnosti plynů teplota tepelná rovnováha, měření teploty, teploměrná látka adiabatická a diatermická přepážka 100°C 0DC Equilibrium Equilibrium https://share.ehs.uen.org/node/9371 Atkins P. W.: Physical Chemistry Thermometer, C t http://www.splung.eom/content/sid/6/pa ge/zerothlaw 1.1 Vlastnosti plynů teplota nultá věta termodynamiky pokud dvě tělesa mají stejnou teplotu, pak jsou v tepelné rovnováze pokud je těleso 1 v tepelné rovnováze s tělesem 2 a 2 s tělesem 3, pak je v teplelné rovnováze i těleso 2 a 3 stupnice Celsiova Kelvinova (termodynamická, absolutní) Farenheitova T[°C] = L *J + 4U_40 NH4CI+H20 0 °F L8 lidské tělo 98 °F = (r[°C] + 40)* 1.8 - 40 ledová voda 32 °F - 40° F = -40° C standardy STP standard temperature and pressure 0 °C 105Pa SATP stand, ambient temperature and pressure 25 °C 105 Pa 1.1.1 Ideální plyn i I původ tlaku Volume = 1 L 1 Hal Volume = 0.5 L stav 1 vztah stav2 v1 v2 Pí P2 Pí P2 Boyleův-(Mariotův) zákon ■- 1 •u £ :=- i/j '/H 0 i Compressing the gas https://reich- chemistry. wikispaces. com/Charles+condlin+ and+Grimner 10 20 30 40 Pressure in kilograms per square centimeter izoterma P(inHg) V (in.3) PV 140 - 12.0 117.5 1410 120 - 16.0 87.2 1400 100 - 20.0 70.7 1410 rri c 80 - V 24.0 58.8 1410 ST 60 - 32.0 44.2 1410 40 - V/2 40.0 35.3 1410 20 - 48.0 29.1 1400 0 (a) Data from Boyle's experiment —I-1- 20 30 40 P(inHg) (b) Volume vs. pressure 140 120 -100 80 -60 40 H 20 0 y = ax + b V=a—+0 P Vp = a = honst. 60 0.02 0.04 0.06 VP(inHg) (c) Volume vs. 1 /pressure —I-1 0.08 0.10 a = t g a b = úsek na ose y 10 1.1.1 Ideální plyn Charlesův zákon Volume (V1) Temperature ( Volume (V2) V. J Temperature (T2) II http://ygraph.com/chart/2162 100 200 300 Temperature in keluins Increasing the temperature í https://reich- chemistry.wikispaces.com/Charles+condlin+and+Grimner izobara y = ax + b V = aT + 0 VIT = a - konst. VlITl= konst. = V2/T2 VL=TL V2 T2 1.1.1 Ideální plyn Guy-Lusacův zákon Volume (V1) Volume (V2) Temperature ( ' • ' \ V. ™ Temperature (T2) II http://ygraph.com/chart/2162 V:< Va< V3< V, izochora p IT = a - konst. pí/Tí= konst. = p2IT2 Pl -Ti Pl T2 12 1.1.1 Ideální plyn Avogadrův princip stejné objemy plynů mají za stejné T a p stejný počet částic 0°C, 1 atm Vm = 22,414 l/mol 25 °C, 105 Pa Vm = 24,798 l/mol 1 mol C02 st STP = 22.4 L 1 stavová rovnice ideálního plynu (i.g.) pV = nRT pVm = RT 1.1.1 Ideální plyn funkce 2 proměnných pV = nRT / / * r** Exlrí polatiť J D P' m essure ng , p izotermy Temperature, T izobary -ji j ............ / / .- y y S Extrépolatií v screas )lume. ng v Temperature, T izochory P = nRT V V = nRT P P = nRT V A tkins P. W.: Physical Chemistry 14 1.1.1 Ideální plyn funkce 2 proměnných pV = nRT Atkins P.W.: Physical Chemistry p = konst • T kons t Guy-Lusacův zákon P = V Boyleův zákon V = konst. T Charlesův zákon http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Kinetic/idegas.htmt5 1.1.1 Reálný plyn ? jak se liší ideální plyn od reálného interakce > _ CD Tu '+-> £Z CD -t-j o- objem kompresibilitní faktor T = 0°C A perfect gas has Z= 1 at all pressures. Notice that, although the curves approach 1 as p^O, they do so with different slopes. 200 400 600 800 p/atm Obrázky: A tkins P. W.: Physical Chemistry ^ 6 1.1.1 Reálný plyn viriální stavová rovnice pVm=RT{l + B'p + Cp2+..) N i_? o o w— C O tn e a E 0 o 1 Higher temperature , i \ i v 1 \jT ....................L XB.oyle. tempe jT 1 \ .1 rattíre V. i ...................\................. Perfect gas Lower temperal i ure Synoptic Table 1 A* Second virial coefficients, BUtm* mol-1) Temperature 273 K 600 K Ar -2J.7 LL9 co2 -149.7 -12.4 -10.5 21.7 Xe -L53.7 -19.6 Pressure, p * More values are given in the Data section. The compression factor, Z, approaches 1 at low pressures, but does so with different slopes. For a perfect gas, the slope is zero, but real gases may have either positive or negative slopes, and the slope may vary with temperature. At the Boyle temperature, the slope is zero and the gas behaves perfectly over a wider range of conditions than at other temperatures. Obrázky: A tkins P. W.: Physical Chemistry 17 1.1.1 Reálný plyn kondenzace 140 Boyleův zákon Vp = a = kons t. 0.2 0.4 0.6 l//(dm3mol ') kritický bod, kritická teplota, kritický tlak superkritická kapalina Synoptic Table 1.5* Critical constants of gases pc/atni Vc/(cm3raol-1) Tc/K TB/K At 48.0 75.3 150.7 0.292 411.5 co2 72.9 94.0 304.2 0.274 714.8 He 2.26 57.8 5.2 0.305 22.64 o2 50.14 78.0 154.8 0.308 405.9 * More values are given in the Data section. 4 The name comes from the Latin word for force. The coefficients are sometimes denoted 5„ B,,.... Atkins P. W.: Physical Chemistry 18 1.1.1 Reálný plyn kondenzace Boyleův zákon Vp = a = konst. kritický bod, kritická teplota, kritický tlak superkritická kapalina http://168.176.60.11/cursos/ingenieria/2017279/html/ unidad_ 4/u_ 4_cont_ 1.html 19 1.1.1 Reálný plyn van der Waalsova stavová rovnice korekce objemu P = nRT V-nb korekce na přitažlivé síly p ~ c- n V koeficienty vdW rovnice • empirické • pro i.g. -> 0 • korelují s veličinami, které souvisejí s + a - silami • lze z nich vypočítat Tc, pc, Vc nRT p =--a V-nb Synoptic Table 1.6* van der Waals coefficients a/fiittn dm6 mol-2) MlO-2dm3mor-1) Ar 1.337 3.20 co2 3.610 4.29 He 0.0341 2.38 Xe 4 J 37 5.16 More values are given in the Data section. Atkins P. W.: Physical Chemistry 20