Fizi. zička hemija 1. Stanja materijalnih sistema. Stanja materijalnih sistema. Gasovito stanje. Gasovito stanje

Transcript

1 Stnj teijlnih siste Fizi zičk heij Stnj teijlnih siste Fizičko stnje ili so stnje se odnosi n odeđene uslove koji se sustn ože oisti u sislu njenog fizičkog oblik (gsovitog tečnog ili čvstog) i zeine itisk teetue i količine sustne. jši odel sustni je n ti stnj teijlnih siste: gsovito tečno i čvsto stnje Ktedzfizičku heiju i elektoheiju Gs sku olekul koji oseduje odeđenu kinetičku enegiju Molekuli se keću volinijski zličiti bzin Sudju se eđusobno i s zidovi sud u koe se nlze Pošto su stojnj izeđu olekul gs velik u odnosu n dienzije olekul njveći deo zeine koju gs zuzi je zn osto. Posledie su: l gustin velik stišljivost eđusovno ešnje u svi odnosi

2 Idelno i elno gsovito stnje Idelni gs: olekuli iju lu zeinu olekuli oseduju so enegiju tnlstonog ketnj u sv ti v ne deluju eđuolekulske sile niti soljn sil i sudu s zido sud olekuli se vćju nzd u unutšnjost sud sudi izeđu olekul su elstični elni gs: si olekuli zuziju jedn deo zeine izeđu olekul ostoje ivlčne sile (dokz je kondenzij gs i elzk u tečno stnje) Ošt jednčin kinetičke teoije gsovitog stnj odel hotičnog ketnj olekul Petostvke: gs se sstoji od olekul se i ečnik d koji se hotično neekidno keću volinijski u svi vi zličiti bzin i čeu se sudju eđusobno i s zidovi sud u koe se gs nlzi veličin olekul je zneljiv ečnik olekul gs je nogo nji od osečnog eđuolekulskog stojnj odnosno stojnj koje olekul eđe izeđu dv sud ne ostoje intekije izeđu olekul osi eđusobnih sud. 8

3 Pitisk gs (odel koke) l stni zein boj olekul s olekul oen u količini ketnj olekul u vu x: u x ( u x ) u x vee: t l / u x l u bzin ketnj olekul (vektosk veličin) u u x + u y + u z oen u količini ketnj u jedinii veen u vu x: u x /(l/u x ) u x /l 9 0 ukun oen u količini ketnj u jedinii veen: u x + u l y du F dt + u z d( u) dt u F- sil (oen količine ketnj u jedinii veen) -s olekul -ubznje u-bzin t-vee u- količin ketnj ili iuls l ukun oen količine ketnj u jedinii veen z ostni olekul je u /l to je jednko sili F: u F l Ukun ovšin koke 6l itisk isoljen od stne olekul F 6l u u 6l l

4 l z ( -zein ol idelnog gs) L L- Avogdov konstnt Lu ošt jednčin kinetičke teoije gsovitog stnj L M u L u / -kinetičk enegij ε k jednog olekul idelnog gs Lu / -kinetičk enegij E k jednog ol idelnog gs Lε k ε k E k Mu z n olov gs koji zuziju zeinu i /n osnovn jednčin kinetičke teoije gsov nlε k ne k d MAKSELO ZAKO O ASPODELI ZIA MOLEKULA GASA intenzitet bzine olekul koji se keće u ti v: ( u + u u ) / + + x y udeo f olekul koji i bzine u usko osegu od do + : z / / k f () d 4π e d k π L k L M s olekul k onov konstnt (8 0-8 J K - ) -te. ukun boj olekul u sisteu d / -udeo olekul s osego intenzitet bzin od +

5 d / M M / f () d 4π e d π : d d d f () 7 K njveovtniji intenzitet bzine Meksvelov zkon sodele ikzuje boj olekul koji iju intenzitete bzin izeđu vednosti i + ute ukunog boj olekul njihove se teetue i intenzitet bzine. / d M M / f () 4π e d π 7 K 7 K + d sodel intenzitet bzin z olekule gs sledi iz: d d 0 M / k intenzitet sednje bzine 0 / M M / f () d 4 e d π π 0 / / / 8 8k π M π k M ( ) / ( ) 0 f () d sednj vednost kvdt intenzitet bzine / / M k koen sednje vednosti kvdt intenzitet bzine ( s ) /

6 d d f () ( ) / : : : 9 : 5 nisk teetu / d M M / f () 4π e π ( ) / oj olekul sednj teetu visok teetu Odnos izeđu zličitih intenzitet bzin z olekul vodonik Mksvelov sodel bzin i njen oen s teetuo velik oln s d f () 4π M / M / e π Jednčin stnj idelnog gs oj olekul sednj oln s l oln s onst. Stnje svkog uzok neke sustne ože d se definiše ko zno vednosti sledećih veličin: - zein uzok P- itisk uzok - teetu uzok i n- količin sustne u uzoku Mksvelov sodel bzin zvisi od olne se olekul M. Molekuli s lo M i veliki deo njih ože d se keće bzin veći od s. sodel je zntno už z olekule s većo M i njveći deo njih se keće bzin bliski s. 4

7 obet oyle u XII veku jednčin idelnog gsnog stnj n univezln gsn konstnt 84 J K - ol - /n Hiotetičk sustn koj se okov jednčini idelnog gsnog stnj n svi itisi je ideln gs. Izz z izveden iz kinetičkog odel je zvo jednčin idelnog gsnog stnj: nek Ek Lk n Ek n n n olov jednčin idelnog gsnog stnj ol Klejonov jednčin. ojl-miotov zkon konstntnoj teetui itisk odeđene količine gs je obnuto ooionln njegovoj zeini nek E k onst. ( ) n d ( ) d d d 0 d + d d onst. Zein gs se snjuje s osto itisk. Z gs koji se okov ojlovo zkonu i koji se nlzi n onst. gfičk zvisnost je hiebol. Svk kiv se odnosi n ojedinčnu što znči d je izote.

8 eks. gfik ideln gs Dob ove ojlovog zkon je tnje gfik zvisnosti -/ (n onst.) kd bi teblo dobiti vu liniju. Zvisnost od z neke gsove n 75 K Gničn zkon z le itiske. Gej-Liskov zkon konstntno itisku zein gs se lineno ovećv s teetuo Osnovn jednčin kinetičke teoije gsov: ne k ne k E k t ( ) ( ) + t z onst. t 0 eltivni ištj zeine o steenu (koef. zeinskog šienj gs): α 0 0 t ( ) ( ) + ( ) α t ( ) ( + t) t α Gničn zkon z visoke i le Zein koju zuzi gs n konstntnoj teetui lineno zvisi od teetue. Kd se nt gfik - t u steeni Celzijus svi gsovi iju volinijsku zvisnost koj se ože ekstolisti n 0 z t -75 C. Ov ekstolij ukzuje d je -75 C njniž teetu koju je oguće ostići.

9 . Avogdov zkon jednke zeine svih gsov n istoj teetui i itisku iju isti boj olekul osle uvođenj oj olne zeine /n Avogdov zkon ože d se izzi: olne zeine n odeđenoj teetui i itisku su iste z sve gsove Avogdov konstnt L 60 0 ol - Lu / n nlu u A: : Osnovn jednčin kinetičke teoije gsov: ( ) A A n ( ) u n A AuA onst. A A AuA AuA A z A A A u / u L 60 0 ol - 4. Dltonov zkon Ukun itisk gsne seše n konstnoj teetui jednk je zbiu ijlnih itisk i ojedinih sstojk seše A Σ i Osnovn jednčin kinetičke teoije gsov: Seš gsov A... A ne ( n E + n E...) k A k + A k A nae ne k A k Pošto vži ojl-miotov zkon sledi: A

10 d ρ gdh oetsk foul (oen itisk u olju zeljine teže) h h h h 0 0 A + d dh 0 Odnje itisk s visino h + dh Z onst. f (h) d oen itisk si stub vzduh esek i visine dh d ρ gdh Z ideln gs je: Z ideln gs je: M d gdh n M d Mg d Mg dh dh 0 Mg h 0 M ρ ln ex( Mgh/ ) 0 h 0 E ( E ) ex / 0 z ol k L E ( k ) ex / kko je 0 ε ε L z olekul n n ( k ) ex / 0 ε konentij n h 0 konentij n h 0 n n L ( k ) ex / 0 ε 0 boj olekul u jedinii zeine n teetui i visini h 0 i čeu je dogovoo utvđeno d je n h 0 ε 0. boj olekul u jedinii zeine s otenijlno enegijo ε n teetui U ošte obliku olnov zkon se ože nisti: ( k ) i 0 ex ε / i

11 olnov zkon dje ogućnost d se koisteći sttističku teodiniku izčunju teodiničke osobine bilo kog siste z čije olekule su oznti odgovjući eti: isvnje tečnosti l g. So olekuli tečnosti koji iju enegiju veću od osečne ε i elze u gsovitu fzu. heijsk ekij ogu d eguju so ektnti koji iju enegiju veću od E koj je otebn d se odig ekij. EEGESKE KAAKEISIKE MOLEKULA IDEALOG GASA MOOAOMSKI IDEALI GAS E Ek Etns DOAOMSKI IDEALI GAS E E E + E + E + E tns Ek u Molekuli iju so kinetičku enegiju tns steen slobode tnslije u tnslton bzin ot vib el 0 E ot Iw E vib k + μ u + ω ugon bzin μ + edukovn s olekul Ukun enegij dvotoskog idelnog gs E + + steen slobode otije 7 steen slobode vibije - stojenje izeđu to u olekulu I oent ineije MOLAI OPLOI KAPACIE IDEALOG GASA -količin tolote (enegij u J) koju teb dovesti ol-u gs d bi u se teetu ovećl z steen tolotni kitet i stlnoj zeini C v δ qv d tolotni kitet i stlno itisku C δ q d q C d qv Cv d + b + + d + + b v

12 C > C v S MOOAOMSKI IDEALI GAS Molekuli ogu d iju so kinetičku enegiju qv Ek E l Δ S l ( ) ( ) v W Δ z - W d šienj ol- idelnog gs i onst. zbog njegovog zgevnj z steen. v 84 J ol - K - E E k E qv δ d tns E ( / ) v v v v v + + C f (t) 5 DOAOMSKI IDEALI GAS visoki teetu 7 E Etns + Eot + Evib + + E ( 7 / ) v v v v + + niski teetu E 0 5 vib E Etns + Eot 5 v 5 + 7

13 UČESAOS SUDAA MOLEKULA I SEDJI SLOODI PU π d sud ( s - ) intenzitet sednje bzine olekul boj olekul ečnik d sfe utij oluečnik d π d ( ) ovšin o.esek sfee utij ne sud Z π d b.sud u s - učestnost sud Kećući se sednjo bzino u jedinii veen eđe koz osto zeine sfe utij olekul π d ( s - ) - sednj eltivn bzin olekul e ostli olekuli ( s - ) Z - boj sud koje učini jedn olekul s istoodni olekuli ( s - ) β Z π d π d Z - ukun boj sud izeđu olekul ( s - ) 0 ( ) ( ) + ( ) ( ) osβ ( ) ( ) [ osβ ] Z π d l - sednji slobodni ut l Z π d π d

14 ASPOA SOJSA GASOA Usled ostojnj gdijent odgovjuće veličine nek fizičk veličin se enosi iz jedne tčke u dugu enegij (koz tolotnu ovodljivost) s (difuzijo) oent ineije ili oent ketnj (eko viskoznosti) ISKOZOS GASOA F x - oto koji se fluid suotstvlj tečenju u u u 0 du F η A dx - sve ove tnsotne ojve odzuevju sude olekul F du τ η A dx τ η G G η - koefiijent viskoznosti (P s) τ G - tngenijlni non - gdijent bzine x - boj olekul u s - ( l ) Q du u + l dx zlik bzin izeđu dv sloj P i Q du u + l u l dx du dx - sednj bzin olekul - boj olekul koji se keću goe-dole ( s - ) I P u - s olekul l du dx - ukun oen količine ketnj u jed. veen u y z Poen količine ketnj jednog olekul izeđu dv sloj P i Q u jed.ve du l dx du F dt du F η dx d( u) dt l du dx ρ

15 η ρ l l iz oznteη l π d η ρ π d viskoznost idelnog gs ne zvisi od boj olekul što znči d viskoznost ne zvisi od itisk gs π d OPLOA POODLJIOS - enos kinetičke enegije duž teetunog gdijent fluks enegije q z (J - s - ) q z χ d χ dx d dx - koefiijent teičke ovodljivosti χ v l ρ l v η ρ η > 0 tolotni tok je negtivn (useen k estu niže teetue) v tolotni kite gs i onst. DIFUZIJA - enos se duž konentionog gdijent ojv enos jednčin () Difuzij je enošenje (šienje) olekul jedne sustne u oblst u kojoj je ethodno bil nek dug sustn. Molekuli obe sustne se keću i svk sustn difunduje u onu dugu. (b) Efuzij je ojv istinj olekul gs koz le otvoe viskoznost tolotn ovodljivost Količin ketnj (u) kinetičk enegij (½ u ) η ρ l χ ρ l v d φ D dx D l koefiijent difuzije D ( s - ) difuzij s () D l

16 otenijln enegij ideln gs: l >> d EALI GASOI MEĐUMOLEKULSKE IEAKCIJE odbijnje ivlčenje stojnje odbojne sile li doet vžne su n li stojnji n. n visoki ivlčne sile dug doet vžne su n sednji stojnji (nekoliko ečnik olekul) Poen otenijlne enegije dv olekul s njihovi stojnje Ideln gs: okov se Klejonovoj jednčini n eln gs: ne okov se Klejonovoj jednčini Z Z n 0 Z - ideln gs Z oln zein gs oln zein idelnog gs Z 0 / Z koefiijent stišljivosti (koesibilnosti) Z 0 niski - z nele ikzne gsove Z (skoo ideln gs) A DE ALSOA JEDAČIA Unosi u Klejonovu jednčinu koekije z zeinu i itisk Koekij z zeinu Z Ideln gs visoki - z sve gsove Z > (teže se koiuju; doiniju odbojne sile) -nb b b isključen zein (snjen slobodn osto) b () ol - Z > n svi z H t 0 C / MP Z - ideln gs n svi sednji - z neke gsove Z < (doiniju ivlčne sile lkš stišljivost) Z je e nestišljivosti ol 4 π isključen zein 4 4 ( ) π 8 π ( b) zein koju isključuje olekul 4 b 4 π 4 olekul z jedn olekul

17 Koekij z itisk zvisi i od fekvenije sud s zidovi i od sile svkog tog sud F n ρ snjenje itisk sile ivlčenj usovju olekule i oni će: ndevlsove sile odvlče olekul gs od zid osude k unutšnjosti sud eđe (nj učestnost sud) i slbije d se sudju s zidovi sud (odnosno enegij koj se oslobđ i sudu olekul s zido će biti nj nego kod idelnog gs) olekul u unutšnjosti gs se nlzi u unifono olju sil + ( b) n + ( nb) n z n olov gs ndevlsov jednčin + ( b) Odstunje onšnj gs od idelnog ieno ndevlsove jednčine b + b + iski itisi zein gs je velik tko d se + b b ože zneiti b + ngib b > / b / b < / (H He) (gs se onš ko ideln gs) (CH 4 CO ) + b b + Z Ideln gs / MP

18 isoki itisi b + + b CH 4 + b + b 00 K 000 K ozitivn ngib b b + > b + b K ( b ) ideln gs b b + + b + b negtivn ngib b b + < Znjući vednosti konstnti i b z svki gs se ože odediti ngib ve u koodintno sisteu ko i odediti tčk tj. vednost z koju n onst. ngib enj znk. OJLOA EMPEAUA b + z CH 4 ( ože i z neki dugi gs) z zličite teetue niske teetue / > b 00 K očetni ngib je negtivn 000 K s osto / od 640 K ( b ) visoke teetue / < b ngib ostje ozitivn z i niske b ngib 0 b / b b tečnost / / P 5 P L J CO gs kitičn kitičn t. t. M kondenzij (CE) * kitičn zein * kitični itisk Kondenzij gs etvnje u tečno stnje (09 C) * kitičn teetu - njviš teetu iznd koje gs ne ože d se etvoi u tečnost koliko visok itisk bio uotebljen di kondenzije n l g ojlov teetu n kojoj se i niski itisi elni gs onš ko ideln Isod isekidne linije ME*C je oblst u kojoj su isutni i tečnost i

19 Kitične teetue gsov / C n l g Ako se etostvi d D jednčin vži i z oguće je izčunti vednosti konstni i b iz ove jednčine n osnovu kitičnih vednosti z odeđeni gs Povećnje teetue + b + ( b) b 0. ( + b) + b 0 : + b + b 0 b + b + 0 Z kitičnu tčku * E D C ( ) 0 ( ) 0 + i + b + 0 tečnost / 0 5 P J b 0 gs kitičn t. M kondenzij (CE) + b b ( ) b b b b b

20 Iz b i ( ) b 7b 7 7 b Iz b + b 7b b z oznte i b i I obnuto z oznte i i b z ol gs b 4 L olekul d L d L L b olekul π π 8 b 8 Iz izz 8 iz i b Mogućnost d se iz b izčun ečnik olekul d EDUKOAA JEDAČIA SAJA I KOESPODEA SAJA Kd se u D jednčinu uvedu vednosti z b i izžene eko i : 8 + : b 8 + edukovne veličine 8 + edukovn jednčin stnj ože se ieniti n sve gsove i tečnosti ošto ne sdži konstnte kkteistične z zličite sustne. Dv gs koj se nlze n istoj edukovnoj teetui i od isti edukovni itisko nlze se u koesondentni stnji d i toe oni oju d zuziju istu edukovnu zeinu. Posledi jednčine o koesondenti stnji je d je koefiijent stišljivosti (koesibilnosti) Z / z sve sustne funkij i tj. ( ) f Z ( )( ) Z 8 Z 8

21 Iz i ogu d se izčunju i iz njih dlje Z iz čeg sledi IIJALI KOEFICIJEI IIJALA JEDAČIA SAJA Jedn od jednčin stnj Izveden je iz iste ostvke ko i ndevlsov jednčin Eiijsk jednčin ne zvisi od vste gs ( ) Z f Anlizini su nogi gsovi (H CH 4 C H 6 C H 8 CO H O ) i odstunj su % Koefiijenti C... su viijlni koefiijenti; je dugi viijlni koefiijent C je teći i tko dlje iijlni koefiijenti su su zličiti z zličite gsove i funkij su teetue. C C u većini slučjev << ože d se znei ( ) C( ) D( )... Z ( ) uošćen oblik Z + ( ) Z Z ( ) + ( ) () > 0 elni gs; odbojne intekije ( ) ( ) ( ) + ( ) Z ( ) ( ) ( ) ( ) () < 0 elni gs; ivlčne intekije Z () > 0 odbojne intekije () 0 idelni gs () < 0 ivlčne intekije () 0 idelni gs

22 ečno stnje ečno stnje fizičk stnj ovećnje enegije EOIJE EČOG SAJA GEOMEIJSKI MODEL EČOSI- EALO MODEL čvsto stnje tečno stnje gs lz zt so stuktuu tečnosti sttičn je. n. : Zn (s) jedn to je okužen s njbližih to Zn (l) jedn to je okužen s njbližih to idelni ed idelni need Sličnosti l i s l zlik u gustini (nočito u blizini f ) l zlik u zeini Δ v H 0 Δ fus H Difkij X-zk: dje odtke o stojnju i soedu česti u l Pokzn lokln ueđenost česti ečno stnje ečno stnje MOLEKULSKO DIAMIČKA MEODA (ALDE I EJAJ) EJIGO MODEL teoij tčkstih znin ili kinetičk teoij (teoij znčjne stuktue) Polzi od sličnosti kistl i tečnosti. U l ostoje tčkste znine veličine to/olekul je koodinioni boj +. Posledi: tečnost ne ože d izdži sile sinj tečnost čvst sustn Molekuli su gltke elstične kugle i ogu d se keću isto bzino nsuie u svi vi u skldu s jutnovi zkoni. oj kugli i ukun enegij u ztvoeno sisteu su konsttni i utnje se nliziju ooću kojute.

23 ečno stnje Polzeći od Ejingove teoije tčkstih znin oguće je objsniti osobine tečnosti:. ečljivost η. Stišljivost i koefiijent teičkog šienj koji je veći u l nego u s. Difuzij: D je ut veći u l nego u s 4. utonovo vilo i ičdsovo vilo 5. iskoznost 6. on e tečnosti ečno stnje 4. Δ Δ v fus S S Δ v H b Δ fus H f 9 J ol 9 J ol K K utonovo vilo ičdsovo vilo Pi elsku iz s u l kid se / heijskih vez i od česti se zenjuje znino. Z ovo skidnje se toši odeđen enegij Pi elsku iz l u g kid se svih heijskih vez bi i enegij teblo d bude ut već. Ako se znei d je b t 9 J ol - K - : 9 J ol - K - ečno stnje 5. G b d τ F η A F A du dx τ η G τ η G ) jutnovske tečnosti (fluidi) - vod ognski stvči zblženi stvoi ognskih olie le olne se b) enjutnovske tečnosti η ) Diltntne tečnosti η τ τ stoi olie susenzije eulzije G ečno stnje Pozejev zkon t 4 π Λ 8η l K 4 4 π Λ t π g h η ρ t 8 l 8 l η ρ K t diničk viskoznost (P s) η ϑ ρ kinetičk viskoznost ( s- ) Ostvldov viskoziet l Δ ρgh h b) Plstične tečnosti

24 ečno stnje Stoksov zkon F η 6π u ( ) 0 6π u g l u t Heleov viskoziet viskoziet s kuglo Mei se vee z koje kugl ozntog ečnik i gustine eđe odeđeni ut koz tečnost čij se viskoznost odeđuje s kugle 0 s tečnosti koju istisne kugl oluečnik kugle bzin ketnj kugle koz tečnost ečno stnje Zvisnost viskoznosti od teetue iskoznost tečnosti od s osto teetue η A ex Δ E ΔE lnη ln A + on e tečnosti Δv H Aex vis vis Aenijusov jednčin Θ 05 kp b noln teetu ključnj ečnosti isvju. on e je itisk koji vši n tečnost n onst. on e zvisi od ečno stnje ečno stnje MEĐUMOLEKULSKE SILE U EČOSI. Elektosttičke sile izeđu jon E ~ -. Intekije jon indukovni diol E ~ -4. Diol diol intekije E ~ Diol indukovni diol intekije E ~ Londonove (disezione) sile izeđu olekul E ~ Odbojne sile E F F ~ -7 snžne kohezione sile D ivlčne sile Potenijln enegij ukuno odbijnje ivlčenje Unutšnji itisk fluid je vnotež izeđu ivlčnih i odbojnih sil E i Ideln gs i 0 eln gs i zntn ečnosti i jko veliki jke kohezione sile

25 ečno stnje ečno stnje ODOIČA EZA Z olekule u koji se nlze gue: FH OH i H Jče su nego što bi se očekivlo n osnovu D sil. Jčin veze kod ovih olekul je nekd čk i ½ kovlentne veze. H koji se jvlj u gu FH OH i H... ože d veže to tj. d nčini veze. Dug vez je seijlni ti veze vodoničn vez. Piei H O H O H H O H H Molekuli vode ovezni u ojeve H O H Kkteistike: jčin ~ 40 kj ol - i odeđenu oijentiju z zliku od D vez osledi je elektosttičkih sil ostvuje se izeđu olekul kod kojih je H to kovlentno vezn z to koji je elektonegtivn (O F...) O H O o-nitofenol O ečno stnje b b H O 00 C HF 0 C H S -6 C HCl -85 C H Se -4 C H -67 C H e - C HJ -5 C