2 1 כימיה פיסיקלית 69167-2004 סיל בוס קור ס 1. תרמודינמיקה א- תכונות הגזים ב- החוק הראשון של התרמודינמיקה: מושגים ומנגנונים ג- החוק השני והשלישי: מושגים ומנגנונים ד- דיאגרמת פזות ה- שיווי משקל כימי 2. קינטיקה a. קצב ראקציות כימיות b. מנגנונים וקטליזות ד"ר דני פורת Tel: 02-6586948 e-mail: porath@chem.ch.huji.ac.il Rm: Los Angeles 031 Course book: Physical Chemistry P. Atkins & J. de Paula (7 th ed) Course site: http://chem.ch.huji.ac.il/surface-asscher/gabriel/phys_chem.html Physical chemistry stands in the same relation to the subdivisions of chemistry in which philosophy stands toward all the sciences. Its main object is to unify thought within the science of chemistry; therefore, it it might well be named, the philosophy of chemistry - S.L. Bigelow, 1912 References Atkins, P.W., Physical Chemistry, Oxford University Press Castellan, G.W., Physical Chemistry, Addison Wesley Levine, I.R., Physical Chemistry, McGraw-Hill Laidler & Meiser, Physical Chemistry, Houghton Mifflin Co. Alberty, R.A. and Silbey, R., Physical Chemistry, Wiley 4 3 6 5 כימיה פיסיקלית: מחקר כמותי ותיאורטי של תכונות ומבנה החומר נושאים המטופלים במסגרת הכימיה פיסיקלית: תרמודינמיקה: מעבר בין מצבים, חילופי אנרגיה ושינויים בתכונות הפיסיקליות, הכרוכים במעברים אלו קינטיקה: הקצב של תהליכים כימיים מכניקה קוונטית: טיפול בהתנהגות הפיסיקלית ברמה המולקולרית מכניקה סטטיסטית: מקשרת בין התכונות המולקולריות ותכונות החומר ככלל
קריטריונים כמותיים ואיכותיים: נוזלים ומוצקים ע"י ניתן לתאר גזים, אלו הן הגדרות התנהגותם במיכל אופרטיביות לתיאור מודל מסגרת ליצור ניתן הקרבה בחינת ע"י אלו התנהגויות אלו הן הגדרות והתנועה של החלקיקים מיקרוסקופיות סיל בוס קור ס 1. תרמודינמיקה א- תכונות הגזים ב- החוק הראשון של התרמודינמיקה: מושגים ומנגנונים ג- החוק השני והשלישי: מושגים ומנגנונים ד- דיאגרמת פזות ה- שיווי משקל כימי 2. קינטיקה a. קצב ראקציות כימיות b. מנגנונים וקטליזות 8 7 שעור מס' 1 תכונות גזים אידיאליים קריאה מלווה מומלצת : 3-15 Atkins, pp 1. המצב הגזי א- לחץ ב- מדידת לחץ ג- טמפרטורה 2. חוקי הגזים א- חוקי גזים אינדיווידואלים ב- חוק הגז האידיאלי ג- תערובת גזים ד- החלק המולרי ולחץ חלקי מצבי ם של חומר ישנם ארבעה מצבים של חומר: מוצק, נוזל, גז ופלזמה 10 9 גז: תאור הגז אוסף של חלקיקים (אטומים או מולקולות) בתנועה אקראית ורציפה שמהירויותיהם תלויות בטמפרטורה משתני המצב: משתנים חלקיקי הגז מרוחקים זה מזה ונעים במסלולים המושפעים במידה מועטה על ידי החלקיקים האחרים, למעט בעת התנגשות נפח ] 3 [m לחץ [Pa] [K] הגז מאד דחיס וחלקיקי הגז ימלאו כל נפח שימצאו בו טמפרטורה גזים יוצרים תערובת הומוגנית בעת ערבוב עם גזים אחרים הרכב [moles] גזים תופסים כאלפית מנפח המכל 12 11
1 m משתני המצב: [m 3 or cm 3 ] 3 אורך ליטר ] 3 [1000 cm נפח לחץ P = F A הגדרה: ליחידת שטח עליו הוא ככח לחץ מוגדר מופעל מקור הכח המופעל ע"י הגז הוא ההתנגשויות הבלתי פוסקות של חלקיקי הגז בדפנות הכלי בו הם מוכלים h 1 m 1 m V V m = n נפח מולרי המספר העצום של ההתנגשויות יוצר כח קבוע אפקטיבי המתורגם ללחץ אפקטיבי קבוע יחידות: Atmosphere/bar/mm Hg/Torr 14 1 Pascal (Pa) = 1 N/m 2 = 1 kg/(m * sec) 13 לחץ לחץ אטמוספרי וברומטר: כח המשיכה של כדור הארץ (גרביטציה) מפעיל כח על האויר טבלת יחידו ת לחץ עמוד אויר עם חתך של 1 מ 2 מפעיל כח של 10 5 ניוטון עמוד אויר זה יוצר לחץ של 100 kpa 760 mm 16 15 שיווי מ שקל מכני לחץ ושיווי משקל מ כני מדידות לחץ אטמוספרי מתבצעות בעזרת ברומטר: הלחץ המופעל ע"י עמודת נוזל: p=ρgh מדידות לחץ בכלי סגור מתבצעות בעזרת מנומטר: הלחץ המופעל ע"י עמודת נוזל: p=ρgh 18 17
20 19 מדידת לחץ מדידות לחץ אטמוספרי מתבצעות בעזרת ברומטר: הלחץ המופעל ע"י עמודת נוזל: p=ρgh מדידות לחץ בכלי סגור מתבצעות בעזרת מנומטר: הלחץ המופעל ע"י עמודת נוזל: הגדרה: טמ פרטורה תכונה המצביעה על כוון זרימת האנרגיה דרך קיר המעביר חום כוון זרימת האנרגיה הוא מהאזור בעל הטמפרטורה הגבוהה יותר אל האזור בעל הטמפרטורה הנמוכה יותר מחסום דיאתרמי יש שינוי מצב כאשר גופים בעלי טמפרטורה שונה מובאים למגע מחסום אדיאבטי - אין שינוי מצב כאשר גופים בעלי טמפרטורה שונה מובאים למגע p=ρgh 22 שיווי משקל תרמי: טמ פרטורה נוצר כאשר אין שינוי מצב כששני אובייקטים מובאים למגע דרך מחסום דיאתרמי מדידת טמ פ רטורה מדידות טמפרטורה: מתבצעות בעזרת תרמומטר (מד חום) מד חום: עמודת נוזל בשפופרת שהתפשטותה מתכונתית לשינוי בטמפרטורה סקלת צלזיוס: C] [ o הפרש הגבהים (טמפרטורות) רותחים ומים בנקודת הקיפאון, שבין מצבי מגע עם מים מחולק למאה מרווחים שווים שכל אחד מהם מייצג הפרש של מעלה אחת הסקלה התרמודינמית: K] [ o סקלה המייצגת התפשטות של גז אידיאלי T[K] = T[ o C]+273.15 => 1 o C = 1 K 21 חוק האפס של התרמוד ינמיקה אם גוף א' במגע תרמי עם גוף ב', וגוף ב' במגע תרמי עם גוף ג', אזי גוף ג' הוא בשווי משקל תרמי עם גוף א' חוק האפס של התרמוד ינמיקה נביא שתי מערכות למגע תרמי: הטמפרטורה של שתי המערכות תגיע לטמפרטורה סופית, T f כלומר לשיווי משקל תרמי 24 23
26 סקלות: קלווין [K] וצלסיוס C] [ o 25 חוק האפס של התרמוד ינמיקה כעת נביא שלוש מערכות למגע תרמי: כעת נרחיק את מערכת 2:...אין שינוי בטמפרטורה סיכום טמ פר טורה חום אינו צורה של טמפרטורה אבל ניתן להגדרה במושגי טמפרטורה חום הוא צורת אנרגיה העוברת בין גופים אזורים) עקב הפרש טמפרטורות ביניהם (או בעל (אזור) כוון זרימת האנרגיה הוא מהגוף בעל (אזור) הטמפרטורה הגבוהה יותר אל הגוף הטמפרטורה הנמוכה יותר שווה המערכת בתוך הטמפרטורה כאשר בש"מ עם אזי המערכת לטמפרטורה החיצונית, סביבתה הרכב משתני המצב: n i = n מולים ] i [n x i שבר מולי ] i [x 1 = p i לחץ חלקי ] i = p [p משוואת המצב של הגזים (אמפירית): PV=Const חוק בויל: 1 V = constant P בטמפרטורה קבועה, לחץ הגז יחסי הפוך לנפחו: עמודת נוזל בשפופרת שהתפשטותה מתכונתית לשינוי בטמפרטורה חוק בויל תקף רק לגזים בגבול של לחץ נמוך איזותרמה: קו המייצג טמפרטורה קבועה בעקומת הלחץ-נפח 28 27 חוק בויל: V/P=Const x T חוק צ'רלס/גאי-לוסק: בלחץ נמוך, הנפח גדל באופן ליניארי עם הטמפרטורה בלחץ נמוך, הנפח גדל באופן ליניארי עם הטמפרטורה בלון מתנפח, כדור פורח V = constant T הגדרת האפס המוחלט V T = constant איזוברה: 30 קו המייצג לחץ קבוע בעקומת הנפח-טמפרטורה 29
חוק צ'רלס/גאי-לוסק: עקרון אבוגדרו: V=Const x n (בלחץ וטמפ' קבועים) בלחץ נמוך, הנפח גדל באופן ליניארי עם כמות החומר לכל גז נפח מולרי: הנפח שתופס מול מולקולות נפח זה דומה לכל הגזים עקרון אבוגדרו: (נסוח נוסף) נפחים שווים של גז באותם תנאי לחץ וטמפרטורה מכילים את אותו מספר מולים של גז 32 V = constant T V = constant T 31 עקרון אבוגדרו: V=Const x n (בלחץ וטמפ' קבועים) תרמודינמיקה, קינטיקה סיכום מוש ג ים מצבי צבירה: מוצק, נוזל, גז משתני המצב: נפח, טמפרטורה, הרכב P = F A לחץ: חוק האפס של התרמודינמיקה יחידות 34 33 סיכום חוקי הגזי ם חוק הגז האי דיאלי בויל: צ'רלס: אבוגדרו: במשולב: מתקבל מכאן: משוואת המצב של הגזים (אמפירית): סכום חוקי הגזים מוביל למשוואה הניסיונית: R קבוע הגזים גז אידיאלי גז המקיים את משוואת הגזים בכל מצב נקרא גז אידיאלי גז אמיתי בדר"כ גז מקיים את משוואת הגזים בלחץ השואף לאפס ניתן לקבל את קבוע הגזים מ: R=PV/nT PV=Const (n,t=const) V~T (n,p=const) V~n (P,T=Const) nt V P nt V = R P http://www.oup.co.uk/best.textbooks/chemistry/pchem7/living_graphs/p701e02.html 36 35
חוק הגז האי דיאלי חוק הגז האי דיאלי קבוע הגזים R ממשוואת המצב של הגזים: משוואת המצב של הגזים (אמפירית): מצבים אפשריים עפ"י משוואת הגזים: R 8.31447 JK -1 mol -1 8.20574x10-2 L atm K -1 mol -1.... 38 37 דוגמא... תנאים סטנד רטיים 2 SATP Standard Ambient Temperature and Pressure T=298.15 K, P=1 bar (=10 5 Pa) => Vm=RT/P= 24.789 L mol -1 STP Standard Temperature and Pressure T=0 o C, P=1 atm => Vm=RT/P= 22.414 L mol -1 משוואת המצב מאפשרת חישוב שינוי המצב של כמות נתונה של גז כאשר משתנים הלחץ, הטמפרטורה או הנפח: P 1 V 1 /T 1 =nr P 2 V 2 /T 2 =nr => P 1 V 1 /T 1 = P 2 V 2 /T 2 40 39 תערובת גז י ם בתערובת הגזים ללחץ (גז) מהי תרומת כל מרכיב הכולל? חוק דלתון: הלחץ המופעל על ידי תערובת גזים הוא סכום הלחצים P total = P 1 + P 2 + P 3 + החלקיים של הגזים השונים לחץ חלקי של גז אידיאלי: הלחץ שהיה מפעיל לו מילא את אותו נפח לבדו באותה טמפ' RT RT Pi = ni Ptotal = ( n1 + n2 + n3 + L) V דוגמא: V N 2 -> 80 kpa, H 2 -> 25 kpa => P tot =105 kpa P=P A +P B + =ΣP j, P j =n j RT/V דוגמא... לחץ אטמוספרי בגבהים שונים 42 41
תערובת גז י ם איסוף גז מעל מיים: תערובת גז י ם P t = P 1 + P 2 + P 3 + מסנתזים גז ובודקים את כמותו על ידי הלחץ החלקי P total = P gas + P water 44 43 46 דוגמא: שי מ וש בחוק דל תון מהו הלחץ האטמוספרי אם כל מרכיב מתנהג כגז אידיאלי? נתון: V=10 L, n 1 =1.0 mol N 2, n 2 =3.0 mol H 2, T=298 K שיטת פתרון: P=P A +P B =(n A +n B )(RT/V), R=8.206x10-2 L atm K -1 mol -1 45 פתרון: P=(1 mol+3 mol)x[(8.206x10-2 L atm K -1 mol -1 )/10 L] =9.78 atm חשבו הלחץ כאשר מוסיפים לתערובת הנ"ל: n 3 =1.0 mol N 2, n 4 =2.0 mol O 2 P=17.1 atm פתרון: החלק המולרי: החלק ה מול רי ולחץ ח ל קי החלק של מרכיב j הוא: X j =n j /n, n=n A +n B +.. P j = X j P לחץ חלקי: לחץ חלקי P j מוגדר היטב רק עבור גז אידיאלי בגז אמיתי האינטרקציות בין מולקולות הגז יגרמו לסטייה של הלחץ הכולל מסך הלחצים החלקיים P=P A +P B + =(X A +X B + )P 48 47 דוגמא: חישוב לחצים חלקיים חלק המסה היחסי של הרכב אויר יבש בגובה פני הים N 2 :75.5, O 2 :23.2, Ar:1.3 הוא: מהו הלחץ החלקי של כל מרכיב כאשר הלחץ הכולל n j =m j /M j הוא?1.0 atm פתרון: החלקים המולריים בלתי תלויים במסה הכוללת ולכן נניח: M=100 gr n(n 2 )=0.755x(100 gr/28.02 mol -1 )=(0.755x100)/28.02 mol=2.690 mol n(o 2 )=0.232x(100 gr/32.00 mol -1 )=(0.232x100)/32.00 mol=0.725 mol n(ar)=0.013x(100 gr/39.95 mol -1 )=(0.013x100)/39.95 mol=0.033 mol פתרון: דוגמא: חישוב לחצים חלקיים N 2 0.780 0.780 O 2 0.210 0.210 Ar 0.0096 0.0096 החלק המולרי הלחץ החלקי [אטמ'] כאשר לוקחים בחשבון, CO 2 אזי: N 2 :75.5, O 2 :23.15, Ar:1.28, CO 2 :0.046 מהם הלחצים החלקיים עבור לחץ כולל של 0.9? atm פתרון: atm] [0.703, 0.189, 0.0084, 0.00027 n=3.45 mol
1. תרמודינמיקה א- תכונות הגזים סיל בוס קור ס ב- החוק הראשון של התרמודינמיקה: מושגים ומנגנונים ג- החוק השני והשלישי: מושגים ומנגנונים ד- דיאגרמת פזות ה- שיווי משקל כימי 2. קינטיקה a. קצב ראקציות כימיות b. מנגנונים וקטליזות 49