Disperzní soustavy a jejich vlastnosti

Transkript

1 Disperzní soustavy a jejich vlastnosti

2 Disperzní soustavy Dispergované ástice Disperzní prost edí

3 Typy disperzních soustav Disperzní prost edí Tuhé Disperg. ástice Tuhé Kapalné Plynné Název soustavy Slitiny, sklo Tuhé emulse (máslo) Houby, frity Kapalné Tuhé Kapalné Plynné Suspenze, roztoky Emulze, roztoky ny, roztoky plyn Plynné Tuhé Kapalné Plynné Kou e, aerosoly Mlha, aerosoly Sm si plyn

4 Kapalné disperzní soustavy < 1 nm analytické soustavy, pravé roztoky nm koloidní soustavy > 500 nm hrubé disperze Rozdíly: viditelnost dispergovaných ástic, sedimentace, difuze, optické vlastnosti

5 Vlastnosti kapalných disperzních soustav Charakteristika Pravý roztok Koloidní disperze Hrubá disperze Velikost ástic < 1nm nm 500 nm Viditelnost ástic Ne Elektr.mikroskop Opt.mikroskop Sedimentace Ne i Ano Difuze Rychlá ultracentrifugaci Nemá význam Kolig. vlastnosti Významné Pomalá nevýznamané Transparentnost Ano Málo významné Ne (zákal) Ne (opalescence)

6 Pravé roztoky vznikají samovolným rozpoušt ním jedné látky v druhé schopnost látek rozpoušt t se v daném rozpoušt dle - rozpustnost rozpustnost závisí na chemické povaze rozpoušt né látky a rozpoušt dla, na teplot a u plyn též na tlaku p i rozpoušt ní se uplat ují nevazebné interakce Similia Similibus Solvuntur nej ast jším rozpoušt dlem je voda organická rozpoušt dla: nap. hexan, benzen, diethylether, tetrachlormethan

7 Molarita x Molalita

8 Molární koncentrace (molarita) - c c = n mol/l V rozt V rozt = objem roztoku n = po et mol (látkové množství)

9 Molální koncentrace (molalita) - c m m rozp = hmotnost rozpoušt dla n c = mol/kg m m rozp Hodnota molality nezávisí na teplot a udává konstantní pom r mezi po tem molekul solutu a rozpoušt dla (popisuje reálné vlastnosti roztoku)

10 Pro tedy více používáme molaritu? Protože zjišt ní molarity je snadn jší: zjiš ujeme navážku (p epo tenou na po et mol ) v objemu roztoku (objem roztoku snadno zm íme) U z ed ných vodných roztok, kdy hustota roztoku se blíží 1 kg.dm -3, je rozdíl mezi molalitou a molaritou zanedbatelný.

11 Kolik ml 66% kyseliny dusi né (hustota=1,4 g/ml) je pot eba na p ípravu 3000 ml jejího 5M roztoku?

12 Vyberte správnou odpov : K neutralizaci 16 ml roztoku kyseliny chlorovodíkové o látkové koncentraci c = 0,5 mol/l se spot ebuje práv a) 60 ml roztoku NaOH o c = 0,2 mol/l b) 40 ml roztoku NaOH o c = 0,25 mol/l c) 20 ml roztoku NaOH o c = 0,4 mol/l d) 16 ml roztoku NaOH o c = 0,25 mol/l

13 K neutralizaci 250 ml roztoku KOH (c = 0,2 mol/l) je zapot ebí: a) 250 ml roztoku kyseliny sírové o koncentraci c = 0,40 mol/l b) 200 ml roztoku kyseliny sírové o koncentraci c = 0,25 mol/l c) 400 ml roztoku kyseliny sírové o koncentraci c = 0,25 mol/l d) 250 ml roztoku kyseliny sírové o koncentraci c = 0,10 mol/l

14 Chování nízkomolekulárních látek p i rozpoušt ní nerozpoušt jí se rozpoušt jí a št pí se na ionty neelektrolyty št pí se áste slabé elektrolyty št pí se úpln silné elektrolyty

15 Elektrolyty Látky, které p i interakci s molekulami polárního rozpoušt dla disociují na ionty Silné elektrolyty: AB (s) " A + (aq) + B - (aq) Disociace je úplná Slabé elektrolyty: AB (s) D A + (aq) + B - (aq) + AB(aq) Disociace je áste ná H 2 O H 2 O

16 Srovnejte znaménko u rovnic disociace: Silný elektrolyt " Slabý elektrolyt D

17 Elektrolyty Silné silné kyseliny silné hydroxidy Slabé slabé kyseliny slabé zásady všechny soli

18 Chování silného elektrolytu

19 Chování slabého elektrolytu

20 Roztoky elektrolyt

21 Pojem kyseliny a zásady (podle Brønsteda) Kyselina: látka, která odšt puje H + HA " H + + A - kyselina konjugovaná báze Zásada (báze): látka, která váže H + B + H + " BH + báze konjugovaná kyselina

22 Konjugovaný pár konjugovaný pár HA + B " A - + BH konjugovaný pár

23 Výpo ty ph silných kyselin a zásad Silné kyseliny a silné hydroxidy jsou silnými elektrolyty. Ve zjednodušených výpo tech p edpokládáme, že ve vod zcela disociují HA + H 2 O H 3 O + + A - U jednosytné kyseliny je pak koncentrace H + stejná jako celková koncentrace c HA a ph lze po ítat jako ph = - log H 3 O + = - log c HA Obdobn platí pro silné zásady poh = - log OH - = - log c B 14 = ph + poh

24 Vypo ítejte ph kyseliny chlorovodíkové o látkové koncentraci 0,01 mol/l. Vypo ítejte ph roztoku Ca(OH) 2 o látkové koncentraci 0,01 mol/l.

25 Roztok kyseliny chlorovodíkové o koncentraci c = 0,01 mol/l byl z ed n dvakrát. Hodnota ph tohoto z ed ného roztoku je: a)1,7 b) 2,50 c) 2,30 d) 4,00

26 Vodný roztok kyseliny chlorovodíkové s hodnotou ph = 2,6 byl z ed n ty ikrát. Koncentrace vodíkových iont v takto ed ném roztoku je: a) 0,40 mol.dm -3 b) 0, mol.dm -3 c) 1, mol.dm -3 d) 2, mol.dm -3

27 ph slabých kyselin a zásad Jaké ph má ocet? Jaké ph má roztok kyseliny askorbové? Pro mohu pít roztok kyseliny uhli ité a ne roztok kyseliny chlorovodíkové?

28 Disociace slabých kyselin a zásad Slabá jednosytná kyselina Slabá jednosytná zásada HA + H 2 O H 3 O + + A - B + H 2 O BH + + OH - rovnovážná konstanta K c = [ H 3 [H 3 K A = O + ].[ A [ HA].[ H 2 O] O + ] [A [HA] ] ] K c K B = [ BH [ B].[ H 2 O] [BH ].[ OH disocia ní konstanta (protoniza ní konstanta) = + ] [OH [B] + ] ]

29 K A, K B disocia ní (protoniza ní) konstanty pk = - log K Co nám íká hodnota pk A (pk B )? síla kyseliny nebo zásady 1-3..st edn silná pk 4-8.slabé >8.velmi slabé

30 pk A hodnoty slabých kyselin Kyselina pk A1 pk A2 pk A3 (COOH) 2 1,25 4,29 HNO 2 3,39 H 3 PO 4 2,16 7,2 12,29 CH 3 COOH 4,76 H 2 CO 3 6,35 10,3 H 2 S 7,07 12,2 H 3 BO 3 9,24 12,7 askorbová 4,17 11,57

31 pk B hodnoty slabých zásad Báze pk B pk a konj. kys. guanidin 1,50 12,5 methylamin 3,36 10,64 amoniak 4,75 9,25 imidazol 6,90 7,1 pyridin 8,82 5,18 anilin 9,38 4,62 kofein 13,40 0,6 ím siln jší je báze, tím slabší je konjugovaná kyselina

32 Vztah K A a K B ( pk A a pk B ) K A. K B = K v = pk A + pk B = 14

33 Zjednodušené výpo ty ph slabých kyselin a zásad Slabá jednosytná kyselina o celkové koncentraci c HA HA + H 2 O H 3 O + + A - K A = [H + ] [A [HA] ]

34 K A = [H + ] [A [HA] ] Pro úpravu vztahu zavedeme 2 zjednodušení: 1. Koncentrace disociovaných molekul u slabé kyseliny je velmi malá ve srovnání s nedisociovanými: cha>> H + [HA] = (cha [H+]) [HA] cha 2. Z jedné molekuly vzniká disociací stejný po et kationt a aniont : [H+] = [A-] K A = [H [ c + ] HA 2 ]

35 K A = [H [c + HA ] 2 ] ph slabé kyseliny závisí na její H + = K A.c HA koncentraci a pk A hodnot ph = - log H + = - log K.c A HA ph = pk A 2 log c HA

36 Slabá jednosytná báze: B + H 2 O BH + + OH - K B = [BH ] [OH [B] + ] poh = p B 2 log K c B ph = p B 2 log K + c B

37 Disociace vícesytných slabých kyselin (nap. H 2 S, H 2 CO 3, H 3 PO 4 ) H 2 A + H 2 O HA - + H 3 O + K A1 = [H O 3 + [H ] 2 [HA A] ] HA - + H 2 O A 2- + H 3 O + [H O [H ] + 3 K = A 2 - A [A ] 2 ]

38 Hodnoty pk A se obvykle výrazn liší Kyselina pk A1 pk A2 pk A3 H 2 C 2 O 4 1,25 4,29 - H 3 PO 4 2,16 7,20 12,29 H 2 SO 4 silná 1,92 - askorbová 4,17 11,57 - Pokud koncentrace kyseliny není p íliš nízká a rozdíl v pk je v tší jak 3, ionizaci do dalšího stupn lze zanedbat a uvažovat, že ve vodném roztoku evažují ionty z disociace do 1. stupn (neplatí tedy pro kys. sírovou)

39 Vyberte z nabídnutých odpov dí takovou dvojici ástic, kterou lze podle Brönstedovy teorie považovat za konjugovaný pár: a) NH 4 +,OH - b) NH 3, H 3 O + c) H 2 0, H 3 O + d) H 2 O, NH 3 Vyberte z uvedených slou enin tu, jejíž vodný roztok má vlastnosti silného elektrolytu: a) NH 4 Cl b) NH 3 c) CH 3 COOH d) H 2 CO 3 Lze ozna it n kterou z nabídnutých zásad za siln jší než ostatní uvedené? a) amoniak, K b = 1, b) methylamin, K b = 4, c) dimethylamin, K b = 5, c) trimethylamin, K B = 5,

40 Ur ete mezi uvedenými kyselinami slabou kyselinu: a) HBr b) H 2 SO 4 c) HNO 3 d) H 3 BO 3 Která ze ty uvedených látek po rozpušt ní v destilované vod zp sobí, že roztok bude reagovat alkalicky? a) (NH 4 ) 2 SO 4 b) CH 3 OH c) Na 2 SO 4 d) NaHCO 3 Má n který ze ty vodných roztok nabídnutých látek (jejich látková koncentrace je stejná) slab kyselou reakci? a) CH 3 OH b) NaHCO 3 c) HCOONa d) C 6 H 5 OH

41 Tlumivé roztoky (pufry) Látky, pomocí kterých lze: nastavit p esnou hodnotu ph udržet dané ph v ur itých mezích tlumit výkyvy ph zp sobené omezeným ídavkem kyseliny i zásady.

42 Pufry jsou nej ast ji: sm s slabé kyseliny a její soli se silnou zásadou (kys. octová a octan sodný) sm s slabé zásady a její soli se silnou kyselinou (amoniak a chlorid amonný) sm s solí vícesytné kyseliny (hydrogenfosfore nan a dihydrogenfosfore nan sodný)

43 Hodnota ph pufru Pro kyselý pufr K A = + [H ] [A [HA] ] [H [H + + ] ] = = K K A A [HA] [A c c A S ] po úprav ph = pk + A log c c S A Hendersonova- Hasselbalchova rovnice

44 Pro zásaditý pufr poh = pk + B log c c S B ph = 14 pk B log c c S B Henderson-Hasselbalchova rovnice v obecném tvaru ph = pk + A log c c B A

45 Oxidace a redukce

46 Význam oxida -reduk ních reakcí Oxida -reduk ní (redoxní) reakce jsou sou ástí našeho každodenního života metabolismus živin fotosyntéza bun ná respirace spalování paliv koroze kov

47 Definice Oxidace A red -ne - A ox i oxidaci látka odevzdává elektrony Redukce B ox + ne - B red Oba d je probíhají vždy sou asn i redukci látka elektrony p ijímá

48 Oxidoreduk ní d j A red + B ox A ox + B red A ox /A red B ox /B red redoxní páry (srovnejte s acidobazickými d ji konjugované páry) Složky redoxního páru se mohou lišit nejen po tem elektron, ale i po tem atom vodíku, kyslíku p íp. jiných prvk

49 íklady redoxních pár MnO 4- /MnO 2 O 2 /H O Fe 3+ /Fe 2+ Cr 2 O 2-7 /Cr 3+ pyruvát/laktát chinon/difenol disulfid/thiol aldehyd/alkohol

50 Jak poznáme, zda reakce je oxida reduk ní? i oxidoreduk ní reakci se m ní oxida ní íslo prvku Oxida ní íslo - elektrický náboj, který by atom získal, kdybychom elektrony každé vazby vycházející z tohoto atomu id lili atomu elektronegativn jšímu

51 Pravidla pro ur ování oxida ních ísel volný atom, nebo atom v molekule prvku (nap.cu, O 2, P 4 ) má oxida ní íslo 0 a vazba mezi atomy téhož druhu nep ispívá k oxida nímu íslu oxida ní íslo jakéhokoliv jednoatomového iontu se rovná jeho náboji (nap. Fe 3+ má oxida ní íslo +III) které prvky mají ve všech nebo ve v tšin slou enin stejná oxida ní ísla: vodík má oxida ní íslo +I, pouze v hydridech kov je H -I, kyslík má ox. íslo II, jen v peroxidech je O -I, u alkalických kov je ox. íslo vždy +I, u kov alk.zemin +II

52 Oxida ní íslo síry v kyselin sírové H 2 SO 4 2x (+I) 4x (-II) X = +2 + (-8) = +6

53 Ze zkušenosti známe, že n které látky p sobí jako oxida ní inidla, jiné jako reduk ní inidla. Oxida ní inidla - KMnO 4, H 2 O 2, K 2 Cr 2 O 7, Cl 2,... Reduk ní inidla - C, H 2, Fe, Zn...

54 Typy oxida ních reakcí ztráta elektronu Zn + Cu 2+ Zn 2+ + Cu navázání kyslíku (oxygenace) C + O 2 CO 2 odšt pení 2H (dehydrogenace) H 3 C CH COOH -2H H 3 C C COOH OH O laktát pyruvát

55 Typy reduk ních reakcí dodání elektronu Zn + Cu 2+ Zn 2+ + Cu odšt pení kyslíku (deoxygenace) CO 2 CO + ½O 2 navázání 2H (hydrogenace) H 3 C C O COOH +2H H3 C CH OH COOH

56 a) Cu + HNO 3 Cu(NO 3 ) 2 + NO + H 2 O b) Cr 2 O Br - + H + Cr 3+ + Br 2 + H 2 O Vyberte správné tvrzení o oxida reduk ních reakcích: a)oxida ní inidlo v reakci snadno poskytuje elektrony b) Prvek inidlem redukovaný zvyšuje své oxida ní íslo c) Reduk ní inidlo v reakci p edává jiné látce své elektrony d) Oxidovaný prvek nabývá v reakci záporné oxida ní íslo

57 Který z následujících výrok o reakci zinku s dusi nanem st íbrným (vzniká v ní st íbro a dusi nan zine natý) je správný? a) Ag + je v reakci oxidován na kovové Ag b) Ag + má malou afinitu k elektron m c) Ag + je v reakci oxida ním inidlem d) zinek p ijímá snadno elektrony

58 Energetika chemických reakcí

59 Systém (soustava) ást prostoru odd lená od svého okolí izolovaný žádná komunikace s okolím uzav ený vým na energie možná otev ený vým na hmoty, energie (a informací) okolí systému okolí systému systém okolí systému okolí systému okolí systému

60 Energie schopnost systému konat práci systém = t leso, stroj, sm s reagujících slou enin (reak ní sm s), živý organismus fyzikální veli ina, jednotka joule (J) rozm r J = kg m 2 /s 2

61 Vnit ní energie (U) abstraktní veli ina, kterou v praxi neužíváme sou et kinetické i potenciální energie všech ástic systému nelze zjistit absolutní hodnotu, pouze zm nu ( U )

62 Jakým zp sobem m že systém m nit svoji vnit ní energii? U = energie tepelná + energie netepelná teplo práce U = Q + W

63 1. v ta termodynamická vyjad uje zákon zachování energie Sou et všech druh energie v izolovaném systému se nem ní, bez ohledu na procesy probíhající uvnit. Alternativní formulace: Energie nem že být vytvo ena ani zni ena, že být pouze p em na z jedné formy na druhou.

64 Práce p i chemických reakcích m že být objemová i konstantním tlaku: W = - p V V organismu jsou objemové zm ny p i biochemických em nách zanedbatelné

65 Entalpie* (H) vyjad uje tepelný obsah soustavy za konst. tlaku a objemu U = Q + W Systém koná obj. práci za konst. tlaku: U = Q -p V Vým na tepla s okolím: Q = H = U + p V i nekonání obj. práce: p V = 0 H = U * z tiny, en = do, thalpos = teplo

66 Zm na enthalpie p i chemické reakci odpovídá reak nímu teplu H = H 2 - H 1 = Q p Za b žných biochemických podmínek (konst. tlak a objem) žeme zm nu vnit ní energie soustavy ur it z množství uvoln ného nebo spot ebovaného tepla ( H = U)

67 H udává rozdíl mezi energií vazeb produkt a reaktant H <0 exotermní reakce, produkty jsou energeticky výhodn jší, mají nižší energii (vazby jsou v nich pevn jší než reaktanty) H > 0 endotermní reakce, produkty mají vyšší energii

68 Zm ny entalpie n kterých em n mají speciální názvy Standardní slu ovací teplo ( H 298 ) slu prvky 1 mol slou eniny Standardní spalné teplo ( H 298 ) spal 1 mol látky + n O 2 produkty spalování

69 Termochemické zákony 1. Laplace v-lavoisier v zákon Hodnota reak ního tepla p ímé nebo protism rné reakce je stejná, m ní se však hodnota jeho znaménka (+/-). 2. Hess v zákon Výsledná hodnota reak ního tepla nezáleží na pr hu chemické reakce, ale pouze na jeho po áte ním a kone ném stavu. V termochemických rovnicích je d ležité vyjad ovat skupenství všech látek, které se reakce zú astní, protože zm ny skupenství jsou spojeny s vým nou tepla. Skupenství látek: pevné = solidus (s), kapalné = liquidus (l), plynné = gasseus (g), vodný roztok = aquatic (aq) Standardní slu ovací teplo Teplo, p i kterém vzniká 1 mol látky p ímo z prvk, reak ní látky musí být ve standardním stavu. Standardní slu ovací tepla prvk a vody jsou rovna nule. Vzorec výpo tu reak ního tepla: Standardní spalné teplo Teplo, p i kterém se spálí 1 mol látky v nadbytku kyslíku. Vzorec výpo tu reak ního tepla:

70 Obsah energie v istých (100%) živinách Chemická energie živin odpovídá spalnému teplu Energetická hodnota Živina (kj/g) Tuky Sacharidy Biologická Fyzikální Bílkoviny* 17 * V kalorimetru spáleny na CO 2, H 2 O a N 2. V t le katabolizovány na CO 2,H 2 O a CO(NH 2 ) 2. 24