Chemická kinetika. Reakce 1. řádu rychlost přímo úměrná koncentraci složky

Transkript

1 Chemická kinetika

2 Chemická kinetika Reakce 0. řádu reakční rychlost nezávisí na čase a probíhá konstantní rychlostí v = k (rychlost se rovná rychlostní konstantě) velmi pomalé reakce (prakticky se nemění koncentrace reaktantů)

3 Chemická kinetika Reakce 1. řádu rychlost přímo úměrná koncentraci složky

4 Chemická kinetika Poločas rozpadu čas, za ktery se přeměni práve polovina z počátečního množstvi výchozi látky

5 Chemická kinetika Využití poločasu rozpadu: Radiokarbonová metoda datování NC 1960 (W. F. Libby) Datování archeologických nálezů (organických) Stanovení obsahu 14 C (poločas rozpadu 5730 let) Doba rozpadu Rozpadnuvší uhlík 5730 let 50 % let 75 % let 87.5 % let % let % let % let

6 Chemická kinetika Reakce 2. řádu rychlost přímo úměrná kvadrátu koncentraci složky

7 Chemická kinetika Reakce 2. řádu Poločas

8 Skupenské stavy

9 Skupenské stavy látek Všechny látky jsou tvořeny atomy, molekulami, nebo ionty, které jsou v neustálém pohybu a které na sebe působí soudržnými silami, závislými na vnějších podmínkách. čtyři skupenské stavy: 1. tuhé 2. kapalné 3. plynné 4. plazma

10 Skupenské stavy látek Liší se od sebe stupněm uspořádanosti stavebních částic a velikostí sil působících mez částicemi Velikost soudržných sil neuspořádaný stav Stupeň uspořádanosti uspořádaný stav nízká plyny - střední kapaliny tekuté krystaly vysoká skla, amorfní látky krystalické látky

11 Plynné skupenství velké vzdálenosti mezi částicemi částice se pohybují rychle a chaoticky prakticky se neuplatnují síly mezi částicemi nereagující plyny tvoří homogenní směs (ideální roztok) snadno stlačitelné plyn vyplní beze zbytku prostor, který má k dispozici

12 Kapalné skupenství částice jsou poměrně blízko sebe přitažlivé síly mají značnou velikost přitažlivé síly nebrání pohybu částic malá stlačitelnost kapalin malá tepelná roztažnost kapalin kapalina zachovává svůj objem (nedrží tvar) povrchové napětí a viskozita

13 Pevné skupenství částice blízko sebe velké přitažlivé síly mezi částicemi částice mohou vykonávat jen vibrační pohyb tuhé látky drží tvar a objem nejsou stlačitelné krystalická nebo amorfní struktura

14 Pevné skupenství Nejdéle běžící experiment (T. Parnell) od roku 1927 jedna kapka = několik let duben 2014 = devátá kapka viskozita asfaltu je 2.3x1011 větší než vody ignc 2005

15 Skupenské přeměny ΔH [kj.mol -1 ] - teplo potřebné k přeměně skupenství skupenské teplo (tání, vypařování, sublimace)

16 Fázový diagram Znázornění rovnovážných stavů mezi jednotlivými skupenskými stavy dané látky K kritický bod (374 C, 22,13M Pa) T trojný bod (0 C, 610 Pa)

17 Plynné skupenství nezachovává ani tvar ani objem (vyplňuje poskytnutý prostor, gravitace) nemá hladinu (bez povrchové energie) relativně velké vzdálenosti mezi částicemi malý vliv kohezních sil relativně snadná stlačitelnost nízká viskozita malá hustota volná translace, rotace a vibrace (rotační a vibrační spektra)

18 Plynné skupenství Jednoduše vyjadřitelné vztahy mezi tlakem, objemem a teplotou Ideální plyn nezkapalnitelný, nulový objem při nulové teplotě nulový objem částic (zanedbatelný oproti celkovému objemu plynu) zanedbání mezimolekulových sil ideální srážky bez vzájmných interakcí částic dokonale pružné nárazy na stěnu nádoby částice mají pouzekinetickou energii

19 Ideální plyn Boyleův-Mariottův zákon izotermický děj Gay-Lussacův zákon izobarický děj Charlesův zákon izochorický děj Avogadrův zákon objem plynu vs. látkové množství

20 Ideální plyn Boyleův-Mariottův zákon izotermy T 1 > T 2 > T 3 p.v = konst. p 1.V 1 = p 2.V 2 izotermický děj T 3 T 1 Gay-Lussacův zákon V T = konst. V 1 = T 1 V T 2 2 izobarický děj p 2 p 1 p 1 < p 2 izobary

21 Ideální plyn Charlesův zákon zákon p = konst. T p 1 p = 2 T T 1 2 izochorický děj V 1 V 1 < V 2 izochory V 2

22 Ideální plyn Pro látkové množství jiné než 1 mol nabývá stavová rovnice pv = nrt nebo pv = m M RT Avogadrův zákon Stejné objemy plynů, které mají stejnou teplotu a tlak, obsahují stejný počet molekul. V = konst.n Všechny výše uvedené zákony jsou zcela pravdivé pouze v případě, že p=0. Jsou však zárověň dostatečně věrohodné i za normálního tlaku.

23 Ideální plyn Výše uvedené zákony lze spojit: pv T = konst. p1v1 p2v = T1 T2 Vztažením rovnice na 1 mol (objem V m ) stavová rovnice ideálního plynu 2 p V R = T pv m R T = pv = RT m R molární plynová konstanta m = 8,31Pa.m.K.mol Pa. 22, ,15K m.mol Standardní teplota (273, 15 K) a tlak (101,325 kpa)

24 Ideální plyn Stavová rovnice platí i pro směsi vzájemně nereagujících plynů (A, B, C ) P.V S = (n A + n B + n C + )R.T V s je objem plynné směsi a P je celkový tlak soustavy P = (n A + n B + n C +...)RT V S = n A RT V S + n B RT V S + n C RT V S +... Z rovnice plyne Daltonův zákon celkový tlak plynné směsi je dán součtem parciálních tlaků všech jejich složek. P = p A + p B p n = Σ p x

25 p B = x B. P p B = ϕ B. P Ideální plyn Parciální tlak složky plynné směsi je tlak, který by tato složka měla, kdyby sama vyplňovala celý objem směsi. p = A n Porovnáme-li parciální tlak některé ze složek s tlakem celkovým: p B P = (n A S Zjistíme, že je přímo úměrný molárnímu (objemovému) zlomku plynné složky ve směsi A.R.T V n RT B VS = + n + n +...)RT B C V S n A + n B n B + n C = +... X B

26 Ideální plyn Kinetická teorie plynu nejjednodušší příklad vztahu mezi makroskopickými (bulk) a mikroskopisckými vlastnostmi model ideálního plynu molekuly jsou hmotné body zanedbatelné veliskosti, které jsou v neustálém chaotickém pohybu a nepůsobí na sebe jinými silami než při srážkách se sousedními molekulami rozdílné rychlosti mají za následek jejich různé kinetické energie

27 Ideální plyn Kinetická teorie plynu: Teplota plynu kinetická energie molekul plynu distribuce rychlostí (Maxwellovo rozdělení) střední aritmetická rychlost molekul (aritmetický průměr) nejpravděpodobnější rychlost - v p (nejpočetněji zastoupená) střední kvadratická rychlost molekul - v rms (vypočtená ze střední hodnoty kinetické energie)

28 Ideální plyn Kinetická teorie plynu: Tlak plynu kinetická energie molekul plynu nárazy na stěny tepelný pohyb částic tlak úměrný hustotě molekul fluktuace tlaku fluktuace čestnosti nárazů, distribuce rychlostí molekul v je střední kvadratická rychlost, m je hmotnost, N je pocet molekul

29 Ideální plyn Ekvipartiční princip Ve vzorku plynu o teplotě T mají všechny kvadratické příspěvky k celkové energii molekuly stejnou střední hodnotu (1/2)kT kvadratický příspěvek zavisí na druhé mocnině polohy nebo rychlosti jednoatomový plyn

30 Počasí lokální změny tlaku, teploty a složení troposféry udávají počasí horizontální rozdíly tlaku způsobují proudění vzduchu (vítr) pohyb vzduchu nahromadění jeho molekul (oblasti s vyšším tlakem - tlakové výše, anticyklony) a nebo snižení množství jeho molekul (oblasti s nižším tlakem, cyklony) konstantní tlak izobary, hřeben vysokého tlaku a brázda nízkého tlaku

31 Reálné plyny Skutečné plyny se zákony ideálního modelu řídí jen přibližně. Nelze zanedbat rozměry molekul, ani silové působení mezi nimi. odpudivé síly (krátkého dosahu) mezi molekulami vyvolávají expanzi vysoké tlaky a malý objem přitažlivé síly (relativně dlouhý dosah) vyvolávají kompresi molekuly blízko sebe za nízkých tlaků velký objem, molekuly dostatečně vzdáleny (plyn se prakticky chová ideálně) při středních tlacích přitažlivé síly převládají a napomáhají přibližování molekul (plyn více stalčitelný) za vysokých tlaků odpudivé síly převládají (menší stlačitelnost)

32 Reálný plyn Kompresibilní faktor Z poměr skutečného (změřeného) molárního objemu plynu a molárního objemu ideálního plynu pv m =ZRT kde V m =V/n Viriálová stavová rovnice druhý, třetí viriálový koeficient koeficienty zavisí na teplotě z měření stavového chování

33 Reálný plyn Kompresibilní faktor Boyleova teplota teplota, při které za nizkých tlaků nebo velkých molárních objemů platí Z 1

34 Reálný plyn Míra odchylek od ideálního chování je shrnuta v kompresibilním faktoru Viriálová rovnice je empirické rozšíření rovnice ideálního plynu pomocí izoterm reálných plynů lze charakterizovat pojmy tlak par a kritické chování plyn může být zkapalněn zvyšováním tlaku pouze tehdy, je-li jeho teplota rovna kritické nebo menší

35 Kondenzace podobnost s chováním idel. plynu mizí pokud ke zkapalnění dojde za T c nedojde k vytvoření fázového rozhraní veličiny odpovídající kritickému bodu kritické veličiny (V c, p c, T c ) zcela zkapalněný plyn tlak par (tlak nasycených par) zmenšení objemu nevede ke zvýšení tlaku zřetelné rozhraní mezi dvěma fázemi plyn kondenzuje

36 Kondenzace

37 Reálný plyn Van der Waalsova stavová rovnice 2 n a V p + 2.(V nb) = nrt a, b... korekční veličiny pro daný plyn konstantní pro různé plyny různé korekce na vlastní objem molekul odpudivé síly korekce na mezimolekulární síly (tzv. kohezní tlak) - přitažlivé síly Popisuje chování reálných plynů včetně jejich chování v kritické oblasti. Vlastnosti reaálných plynů lze obecně vystihnout tak, že se jejich stav. rovnice vyjádří pomocí redukovaných veličin.

38 Teorém korespondujících stavů Mají-li dvě látky, ať už v plynném nebo kapalném stavu, stejnou redukovanou teplotu a redukovaný tlak, mají i stejný redukovaný objem. Mají-li látky stejnou redukovanou teplotu a redukovaný tlak (nebo redukovanou teplotu a redukovaný objem), mají i stejný kompresibilní faktor. Dobře funguje jen pro příbuzné látky