curs 1 cfc
Post on 04-Apr-2018
229 Views
Preview:
TRANSCRIPT
-
7/30/2019 Curs 1 CFC
1/28
www.yahoogroups.com/group/materiale_chimie/join
http://www.yahoogroups.com/group/materiale_chimie/joinhttp://www.yahoogroups.com/group/materiale_chimie/join -
7/30/2019 Curs 1 CFC
2/28
Chimia fizic reprezint disciplina care are ca obiectiv principal utilizarealegilor din fizic pentru explicarea fenomenelor chimice.
Obiectul studiat este sistemul. Pentru partea de termodinamic, obiectul destudiu va fi sistemul termodinamic, reprezentat de un corp sau un ansamblu de
corpuri avnd ca limit n raport cu restul corpurilor o suprafa real sauimaginar. Corpurile vecine sistemului poart denumirea generic de mediuexterior.
Un sistem termodinamic areun numrminim de parametri care
i determin starea. Aceti
parametri pot fi modificai
independent i se numescvariabile independente sau
parametri de stareai sistemului.
-
7/30/2019 Curs 1 CFC
3/28
n afara acestora, sistemul este caracterizat i de alte mrimi fizice. Acestea
depind de parametrii fundamentali i se numesc mrimi(funcii) de stare.
Trecerea unui sistem termodinamic de la anumite valori ale variabilelor
independente la alte valori modific starea sistemului i poart denumirea de
proces.
Procesul efectuat de sistem se poate desfura cu vitez infinit mic i
atunci el este reversibil. Procesul reversibil constituiens o succesiune de stri
de echilibru. Parametrii sistemului variaz cu cantiti infinit mici. Schimbnd
semnul de variaie pentru unii parametri, procesul i inverseaz sensul de
desfurare.
Dacvariaia parametrilor se face prin cantiti finite, msurabile, viteza dedesfurare a procesului este i ea finit,msurabili procesul este ireversibil.
Concluzie: trecerea unui sistem dintr-o stare iniial ntr-una finali invers
are loc pe acelai traseu dac procesul este reversibil i pe trasee diferite, dac
procesul este ireversibil.
-
7/30/2019 Curs 1 CFC
4/28
CAPITOL I. STRI DE AGREGARE
Strile de agregare pot fi tratate:
1) din punct de vedere fenomenologic - se urmresc doar proprietilefizico-chimice accesibile msurrii directe, pentru a stabili relaiile existente ntreproprieti,fr a ine seama de structura substanelor. Din acest punct de vedere,gazele sunt substane ce nu au volum i nici form proprie, manifestnd tendinade a umple uniform spaiul accesibil. Lichidele au volum propriu dar nu iform iar
solidele au iformi volum propriu, darprezint o anizotropie a proprietilor.
2) din punct de vedere statistic - substanele sunt formate din molecule,atomi, ioni care se miciinteracioneaz, iarproprietilesubstanelorse deducdin structura lorintern, din micareaiinteraciunea particulelor.
Pentru a caracteriza astfel strile de agregare trebuie inut cont c particuleleau dou forme de energie: cinetic (datorat agitaiei termice determinat detemperatur) i potenial (datorat forelor de interaciune dintre particuleleconstituente). Aceste fore de interaciune se numesc fore de coeziune(electrovalena,covalena, legturametalic, forele van der Waals i legtura dehidrogen).
-
7/30/2019 Curs 1 CFC
5/28
Starea de agregare depinde de raportul celordou energii. n strile lichidi
solid(stri condensate), proprietile sunt determinate n primul rnd de forele de
coeziune, pe cnd la starea gazoas, substanele sunt foarte puin influenate de
structur.
Substanele din natur sunt rezultatul a dou aciuni antagoniste: una de
mprtiere, de dezordonare, iar cealalt de ordonare i adunare. Exist de fapt
doustri extreme ale substanelor:
a. starea de ordineperfect =cristalul ideal;
b. starea de dezordinetotal =gazul ideal.
n primul caz, poziia fiecrei particule este exact determinat de particulele
vecine, iar n al doilea caz, particulele se rspndesc n spaiu fr s se
influeneze reciproc.
ntre cele dousituaii extreme se gsesc mai multe stri intermediare, dup
cum se manifest cele dou tendine. Posibilitatea de a adopta o stare mai
ordonatvariaz de la o stare la alta, iar aceast posibilitate crete cu scderea
temperaturii icreterea presiunii.
-
7/30/2019 Curs 1 CFC
6/28
Gazele reale se abat de starea de gaz ideal din cauza tendinelorde
ordonare.
Starea lichid are trsturi ce o apropie mult de cea solid; n lichide
exist o ordine la micdistan, la aproximativ 3-4 diametre moleculare,
daragitaiatermicmpiedic formarea unei reele.
Starea solid adevrat are particulele componente prinse fie
ntr-un cristal propriu-zis, ceea ce determin forme geometrice vizibile
macro sau microscopic, fie n agregate policristaline, ale crorcristale nu
sunt perceptibile.
Plasma este un gaz n care atomii se afl n stare ionizat, ca
urmare a pierderii unuia sau mai multor electroni, ce coexistmpreun
cu restul gazului. n plasm gsim: fotoni, electroni, ioni (ncrcai
pozitiv) i atomi sau molecule (neutre).
-
7/30/2019 Curs 1 CFC
7/28
Fenomenul este acelai n toate situaiile: din nveliul electronic al
atomului sunt smuli unul sau mai muli electroni, atomul rmnnd
ncrcat pozitiv (ion), adic se produce ionizarea atomului.
n funcie de temperatura la care are loc fenomenul de
descompunere n prile componente, plasma este fierbinte sau rece.
Plasma fierbinte se obine prin nclzirea gazului la temperaturi foarte
mari, cuprinse ntre valorile 15 000o - 70 000oK. Plasma rece se obine
prin: - iluminare cu radiaii ultraviolete; - iluminare cu radiaii X;
- descrcareelectric n gaze (n tuburi fluorescente).
-
7/30/2019 Curs 1 CFC
8/28
gaz
lichid
solid
plasma
-
7/30/2019 Curs 1 CFC
9/28
Starea gazoas
Volumul unei probe de gaz poate fi determinat doar prin trei parametri:
presiune, temperatur i numr de molecule. Meninnd constani unii
dintre parametri, se obin relaii numite legile gazelor. Principalele
caracteristici ale strii gazoase sunt:
micarea foarte intens a moleculelor care determin o variaie
continu a distanelorintermoleculare;
difuzia foarte mare, cu tendina de a ocupa ntreg volumul (gazele iau
forma i volumul vasului n care se gsesc);
variaiapronunat a volumului cu presiunea i temperatura;
densitatea extrem de mic;
compresibilitatea ridicat.
-
7/30/2019 Curs 1 CFC
10/28
Gazele, pure sau n amestec, sunt sisteme termodinamice cu legi
relativ bine stabilite. Pentru raportatea proprietilorsistemelor gazoase la
un sistem gazos de referin s-a introdus noiunea de gaz perfect (ideal),
cu proprietile :
inexistenainteraciunilorintermoleculare;
moleculele nu se atrag reciproc i nici nu se resping;
moleculele nu sunt atrase sau respinse de pereii vasului;
moleculele au dimensiuni neglijabile.
Aceste ipoteze sunt ideale. Sistemul gaz perfect" este un sistem
idealizat, darprezint avantajul c are legi bine stabilite. Restul gazelor
(reale) respect aceste legi cu o bun aproximaie, n cadrul multor
procese fizice i chimice.
-
7/30/2019 Curs 1 CFC
11/28
Legi particulare i legea general a gazelor perfecte
Considerm un sistem gazos cu un singur component i o singur faz.
Pentru asemenea sisteme sunt caracteristice urmtoarele variabile:
presiune(p), temperatur (T) i volum molar (Vm).
ntre aceste variabile exist o interdependen, doar dou dintre ele
putnd varia independent:
Vm = Vm (p, T)
p = p (Vm, T)
T = T (p, Vm).
Ecuaiatermic de stare f (p, T, Vm) = 0 va avea forme concrete pentru
fiecare tip de sistem. Pentru sistemul "gaz perfect", ecuaia termic are
cteva expresii particulare i o expresie general.
-
7/30/2019 Curs 1 CFC
12/28
Legea Boyle Mariotte
R. Boyle (1662) i E. Mariotte (1676) audescoperit, independent unul de cellalt,urmtoarearelaie:
(p Vm) T=cst = constantEdme Mariotte(1620 1684)
Robert Boyle(1627 1691)
Legea presupune c temperatura este constant, deci sistemuleste termostatat.
T = cst - p1, Vm1- p2, Vm2- .........
de unde rezultc: p1 Vm1 = p2 Vm2 = p Vm= constant .
Definiie. La temperatur constant, produsul presiunii ivolumului unui gaz este constant.
Aceast lege se mai numeteilegea dilatrii izoterme.
-
7/30/2019 Curs 1 CFC
13/28
-
7/30/2019 Curs 1 CFC
14/28
Legea Gay Lussac
Definiie.Volumul uneicantiti(1 mol) de gaz la
presiuneconstantvariaz cu temperatura.
(Vm)p = cst = cst T sau (Vm / T)p = cst = cst
Aceast lege se mai numete i legea dilatrii
izobare.
Joseph-LouisGay-Lussac
(1778-1850)Parametrul T (temperatura) rezult ca mrime de stare din principiul
"0" al termodinamicii, care se refer la schimbul de cldur dintre corpurile
aflate n contact termic i la starea de echilibru termic.
Temperatura este legat i de micarea de agitaie termic, cu
caracter perfect dezordonat.
Cu ajutorul parametrului T i a legii Gay - Lussac se poate stabili o
origine absolut pentru scala de msur a temperaturii:
-
7/30/2019 Curs 1 CFC
15/28
Prelungind dou drepte la presiuni constante, dar diferite, ele se
intersecteaz pe abscis n punctul A. Segmentul OA, msurat n 0C,
reprezint - 273,15 uniti.
Punctul A este originea scalei de msurare a temperaturilor absolute(Kelvin).
T (K) = t + 273,15 (0C)
Pentru gazul perfect, agitaia termicnceteaz la 0 grade Kelvin
(- 273,150C) i moleculele sedimenteaz.
Diagram volum molar- temperatur
-
7/30/2019 Curs 1 CFC
16/28
-
7/30/2019 Curs 1 CFC
17/28
Legea lui Charles
Este tot o lege experimental, ca i primele dou.
Definiie. La volum constant, presiunea unei
anumitecantitide gazvariaz cu temperatura.
(p)Vm = cst
= cst T sau (p / T)Vm = cst
= cst
Aceast lege se mai numete i legea dilatrii izocore.
Jacques AlexandreCesar Charles(1746 - 1823)
-
7/30/2019 Curs 1 CFC
18/28
-
7/30/2019 Curs 1 CFC
19/28
Legea lui Avogadro
n 1811, Amedeo Avogadro a emis ipoteza c
particulele componente ale gazelor simple, cahidrogen, oxigen, azot i clor, sunt molecule
biatomice i nu atomi, dar n lipsa teoriilor despre
legturile ntre atomi, aceast presupunere nu a
fost admis la vremea respectiv.
Amedeo Avogadro(1776-1856)
Definiie. Volume egale de gaze diferite, msurate n aceleai
condiii de presiune i temperatur, conin acelai numr demolecule NA = 6,0225 10
23.
Acest numrpoart numele de numrullui Avogadro.
-
7/30/2019 Curs 1 CFC
20/28
Aceast lege are o serie de consecine:
diatomicitatea unor gaze (cu excepia gazelor rare); monoatomicitatea gazelor rare i a metalelor; legea se aplic att gazelor ct i vaporilor; n condiii normale, volumul ocupat de un mol din orice gaz are
valoarea de 22,4 litri, numit volum molar (Vm).
numrul de molecule cuprins ntr-un volum molar de gaz biatomic
(sau de atomi, n cazul unui gaz monoatomic), n condiii normale de
presiune itemperatur, este egal cu NA = 6,0225 1023.
-
7/30/2019 Curs 1 CFC
21/28
-
7/30/2019 Curs 1 CFC
22/28
Legea lui Dalton
J. Dalton a formulat o lege referitoare la amestecurile
de gaze. n conformitate cu aceasta, fiecare component
gazos al unui amestec de gaze perfecte exercit
aceeai presiune pe care ar exercita-o dac ar fi singur
n volumul respectiv al amestecului.Aceast presiune se numete presiune parial.
Definiie. Presiunea unui amestec de gaze este egal cu sumapresiunilorpariale ale gazelor componente luate separat.
p = pi
unde p = presiunea total, pi = presiuni pariale.Presiunea parial a fiecrei componente dintr-un amestec de gaze
este proporional cu fraciunea de volum ocupat de acea component.
John Dalton(17661844)
-
7/30/2019 Curs 1 CFC
23/28
-
7/30/2019 Curs 1 CFC
24/28
Ecuaia de stare a gazelor ideale
Legile enunate anterior pot conduce la o relaie general ntre volumul,presiunea i temperatura unui gaz, numitecuaia lui Clapeyron.
pV = RTAceastecuaie permite calcularea uneia dintre mrimile de stare (p, V sau T)atunci cnd sunt cunoscute celelalte doumrimi. Relaia este valabil pentru unmol de gaz. Pentru nmoli de gaz, expresia devine:
pV = nRT
Constanta de proporionalitateR se mai numete constanta universal a gazelori este independent de natura gazului. Ea este egal cu8,314 J/mol K.Ecuaia general de stare a gazelor ideale are o serie de alte forme utile.Considernd n (numr de moli) = raportul dintre masa gazului m(g) i masamolar M,
ecuaia devine:pVM= mRT
mprind ambii termeni la volumul gazului, rezult:pM= RT
unde = densitatea gazului.
-
7/30/2019 Curs 1 CFC
25/28
Gaze reale
Aplicnd legile anterioare gazelor reale, se constat abateri cu att mai mari cuct presiunea la care se lucreaz este mai mare.
Gazele reale se deosebesc de cele perfecte prin existena forelorintermoleculare i a volumului molecular propriu.Pentru un gaz ideal, pV = RT, deci :
Pentru gazele reale,
unde z este un factor de compresibilitate, care variaz i el n funcie depresiunea aplicat.
Dac se reprezint grafic pV / RT n funcie de presiune pentru un gazreal, se observc la o anumit temperatur nu mai au loc abateri ale gazuluireal de la gazul ideal. Aceasttemperatur se numetetemperatura Boyle.
-
7/30/2019 Curs 1 CFC
26/28
Johannes Diderik
van der Waals(1837 1923)
Primul care a explicat abaterea gazelor reale de lacomportarea gazelor perfecte a fost van der Waals. Elconsidera c se pot aplica legile gazelor ideale i n cazulgazelor reale, dac:
Corecii:1) la presiuni mari, volumul propriu al moleculelor de
gaz nu este neglijabil i el trebuie sczut din volumul V pecare l-ar ocupa gazul ideal.
Vm = V - b ,unde b este volumul inaccesibil agitaiei termice i este
constant.2) ntre moleculele gazului exist fore de atracie,pentru c la presiuni mari, volumul gazului este mai micdect volumul calculat pentru un gaz ideal, deci presiunea
unde pi este presiunea intern.Van der Waals a admis cpi depinde de gradul de condensare i anume esteinvers proporional cu ptratul volumului ocupat de gaz, sau direct proporionalcu ptratuldensitii gazului la presiunea aplicat. S-a introdus termenul:
a / V2 , unde a = cst [atm l2 mol-2]
efectiv a gazului real va fi o sum de dou presiuni: pe = p + pi
-
7/30/2019 Curs 1 CFC
27/28
sau
,
pentru c termenul rezultat din calcule este neglijabil.
Cnd = 0 , rezult c gazul se comport ca un gaz ideal.
Temperatura Boyle va fi deci:
Constantele a ib sunt specifice fiecreisubstane. Introducnd acestecorecii legii generale a gazelor, se obineecuaia lui van der Waalspentrugazele reale:
-
7/30/2019 Curs 1 CFC
28/28
Domeniul de existen pentru starea gazoas poate fi definit n
funcie de temperatur i presiune. Unele gaze pot fi lichefiate la
temperatur obinuit, prin comprimare. Altele (H2, O2, N2) nu pot filichefiate astfel, orict de mare ar fi presiunea. Acestea se mai numesc
gaze permanente.
Fiecare gaz are o temperatur deasupra creia nu poate fi lichefiat,
numit temperatur critic (Tc), creia i corespunde o presiune
critic (pc)i un volum critic (Vc).
Exemple: H2O : Tc = 3740C ; pc = 218,5 atm ; Vc = 57 cm3
CO 2 : Tc = 310C ; pc = 73 atm ; Vc = 95 cm3O 2 : Tc = - 1180C ; pc = 49,7 atm ; Vc = 74 cm3
Cel mai greu compresibil gaz este heliul:
He : Tc = - 267,80C ; pc = 2,26 atm ; Vc = 60 cm3.
top related