Οργάνωση και Αλληλεπιδράσεις σε Μοριακό Επίπεδο

Transcript

1 Οργάνωση και Αλληλεπιδράσεις σε Μοριακό Επίπεδο Αναδευτήρας Θερμόμετρο Μονωτικό κάλυμμα Μείγμα αντιδρώντων Συσκευή θερμιδομέτρου Δημήτριος Γαβριήλ Λέκτορας Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης Γεώργιος Καραϊσκάκης Καθηγητής Πανεπιστημίου Πατρών Τόμος Γ Χημική Δυναμική

2

3

4 Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του υποέργου 2 με τίτλο «Ανάπτυξη έντυπου εκπαιδευτικού υλικού για τα νέα Προγράμματα Σπουδών» της Πράξης «Ελληνικό Ανοικτό Πανεπιστήμιο» η οποία έχει ενταχθεί στο Επιχειρησιακό Πρόγραμμα «Εκπαίδευση και Διά Βίου Μάθηση» (ΕΠΕΔΒΜ) του ΕΣΠΑ ( ), Άξονας Προτεραιότητας 7: «Ενίσχυση της Διά Βίου Εκπαίδευσης Ενηλίκων στις 8 Περιφέρειες Σύγκλισης» με κωδικό MIS και η οποία συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο - ΕΚΤ) και από εθνικούς πόρους, μέσω του Προγράμματος Δημοσίων Επενδύσεων (ΠΔΕ) του ΥΠΑΙΘ. Χημική Δυναμική Σημείωση Το ΕΑΠ είναι υπεύθυνο για την επιμέλεια έκδοσης και την ανάπτυξη των κειμένων σύμφωνα με τη Μεθοδολογία της εξ Αποστάσεως Εκπαίδευσης. Για την επιστημονική αρτιότητα και πληρότητα των συγγραμμάτων την αποκλειστική ευθύνη φέρουν οι συγγραφείς, κριτικοί αναγνώστες και ακαδημαϊκοί υπεύθυνοι που ανέλαβαν το έργο αυτό.

5 ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ Σχολή Θετικών Επιστημών και Τεχνολογίας Πρόγραμμα Σπουδών ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΙΔΙΚΕΥΣΗ ΚΑΘΗΓΗΤΩΝ ΦΥΣΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ Θεματική Ενότητα ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΚΑΙ ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΣΕ ΜΟΡΙΑΚΟ ΕΠΙΠΕΔΟ Τόμος Γ Χημική Δυναμική Συγγραφή ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ ΓΑΒΡΙΗΛ Λέκτορας Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης ΓΕΩΡΓΙΟΣ ΚΑΡΑΪΣΚΑΚΗΣ Καθηγητής Πανεπιστημίου Πατρών Κριτική Ανάγνωση ΓΕΩΡΓΙΟΣ ΚΑΡΑΪΣΚΑΚΗΣ Καθηγητής Πανεπιστημίου Πατρών ΑΘΑΝΑΣΙΑ ΚΟΛΙΑΔΗΜΑ Επίκουρη Καθηγήτρια Πανεπιστημίου Πατρών Ακαδημαϊκός Υπεύθυνος για την ανάπτυξη του έντυπου διδακτικού υλικού του ΠΣ ΓΕΩΡΓΙΟΣ ΚΑΡΑΪΣΚΑΚΗΣ Καθηγητής Πανεπιστημίου Πατρών Συντονιστής για την ανάπτυξη του έντυπου διδακτικού υλικού της ΘΕ ΓΕΩΡΓΙΟΣ ΚΑΡΑΪΣΚΑΚΗΣ Καθηγητής Πανεπιστημίου Πατρών Ειδικός στη Μεθοδολογία της Ανοικτής και εξ Αποστάσεως Εκπαίδευσης ΓΕΩΡΓΙΟΣ ΚΟΥΛΑΟΥΖΙΔΗΣ Γλωσσική Επιμέλεια ΑΝΝΑ ΒΛΑΧΟΔΗΜΟΥ Τεχνική Επιμέλεια Καλλιτεχνική Επιμέλεια Σελιδοποίηση ΒΙΒΛΙΟΤΕΧΝΙΑ ΠΑΠΠΑΣ ΦΩΤΙΟΣ - ΔΟΥΒΟΥ ΣΕΒΑΣΤΗ Ο.Ε. ISBN: Κωδικός Έκδοσης: ΚΦΕ 52/Γ Copyright 2015 για την Ελλάδα και όλο τον κόσμο ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ Πάροδος Αριστοτέλους 18, Περιβόλα Πατρών Τηλ.: , Φαξ: To παρόν έργο πνευματικής ιδιοκτησίας προστατεύεται κατά τις διατάξεις του Ελληνικού Νόμου (Ν. 2121/1993 όπως έχει τροποποιηθεί και ισχύει σήμερα) και τις διεθνείς συμβάσεις περί πνευματικής ιδιοκτησίας. Απαγορεύεται απολύτως η άνευ γραπτής αδείας του εκδότη, κατά οποιονδήποτε τρόπο ή μέσο, αντιγραφή, φωτοανατύπωση και εν γένει αναπαραγωγή, εκμίσθωση ή δανεισμός, μετάφραση, διασκευή, αναμετάδοση στο κοινό σε οποιαδήποτε μορφή (ηλεκτρονική, μηχανική κ.λπ.) και η εν γένει εκμετάλλευση του συνόλου ή μέρους του έργου.

6 ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ Σχολή Θετικών Επιστημών και Τεχνολογίας Πρόγραμμα Σπουδών ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΙΔΙΚΕΥΣΗ ΚΑΘΗΓΗΤΩΝ ΦΥΣΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ Θεματική Ενότητα ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΚΑΙ ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΣΕ ΜΟΡΙΑΚΟ ΕΠΙΠΕΔΟ Τόμος Γ Χημική Δυναμική ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ ΓΑΒΡΙΗΛ Λέκτορας Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης ΓΕΩΡΓΙΟΣ ΚΑΡΑΪΣΚΑΚΗΣ Καθηγητής Πανεπιστημίου Πατρών ΠΑΤΡΑ 2015

7 Βιογραφικά Ο Δημήτριος Γαβριήλ είναι Λέκτορας στο Τμήμα Χημείας του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης από το 2014, με γνωστικό αντικείμενο τη Φυσικοχημεία. Είναι κάτοχος πτυχίου και διδακτορικού διπλώματος (1999) του Τμήματος Χημείας του Πανεπιστημίου Πατρών. Το ήταν μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Τμήμα Χημείας του Πανεπιστημίου Leiden (Ολλανδία). Η έρευνά του εστιάζεται σε φυσικοχημικές μετρήσεις που σχετίζονται με διεπιφανειακές αλληλεπιδράσεις και χαρακτηρισμό υλικών με χρωματογραφικές τεχνικές. Είναι συγγραφέας 37 επιστημονικών δημοσιεύσεων στα παραπάνω ερευνητικά πεδία. Ο Γεώργιος Καραϊσκάκης είναι Καθηγητής στο Τμήμα Χημείας του Πανεπιστημίου Πατρών από το 1990, με ειδικότητα στη Φυσικοχημεία. Είναι κάτοχος πτυχίου (1971) και διδακτορικού διπλώματος (1977) του Τμήματος Χημείας του Πανεπιστημίου Πατρών. Η έρευνά του εστιάζεται στη φυσικοχημεία των διεπιφανειών και στο χαρακτηρισμό κολλοειδών υλικών και μακρομορίων και βρίσκει εφαρμογή σε σημαντικούς κλάδους της επιστήμης, όπως στο «περιβάλλον», στα «υλικά» και στα «τρόφιμα». Είναι συγγραφέας 6 διδακτικών συγγραμμάτων, πάνω από 120 επιστημονικών δημοσιεύσεων και έχει παρουσιάσει περισσότερες από 80 εργασίες σε διεθνή επιστημονικά συνέδρια στα παραπάνω ερευνητικά πεδία.

8 Περιεχόμενα Πρόλογος...15 Μέρος Α Θερμοδυναμική Δ. Γαβριήλ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Η ενέργεια και ο πρώτος θερμοδυναμικός νόμος Εισαγωγικές Παρατηρήσεις Βασικές έννοιες Θερμοδυναμικό σύστημα Μικροσκοπική και μακροσκοπική άποψη του συστήματος Καταστάσεις ισορροπίας Ιδιότητες, καταστάσεις, φάσεις, διεργασίες και κύκλοι Διάκριση των καταστατικών ιδιοτήτων από τις συναρτήσεις της διαδρομής Εκτατικές και εντατικές ιδιότητες Φάσεις, διεργασίες και κύκλοι Είδη διεργασιών Μηδενικός νόμος της θερμοδυναμικής Ενέργεια, έργο και θερμότητα Είδη έργου Έργο p V αντιστρεπτής μεταβολής Έργο p V μη αντιστρεπτής μεταβολής Υπολογισμός της θερμότητας Εσωτερική ενέργεια Η εσωτερική ενέργεια ως καταστατική συνάρτηση...50

9 8 ΧΗΜΙΚΗ ΔΥΝΑΜΙΚΗ Υπολογισμός της εσωτερικής ενέργειας στην περίπτωση των αερίων Πρώτος θερμοδυναμικός νόμος Ενθαλπία Απαραίτητες σχέσεις για την επίλυση των προβλημάτων Θερμοχημεία Ενθαλπία αντίδρασης Θερμοχημικοί νόμοι Μετατροπή έργου σε θερμότητα Πείραμα Joule-Thomson...75 Ασκήσεις Κεφαλαίου...78 Σύνοψη...81 Λίστα Ελέγχου Γνώσεων...84 Βιβλιογραφία...85 Οδηγός για Περαιτέρω Μελέτη...86 Απαντήσεις σε Ασκήσεις Αυτοαξιολόγησης...87 Απαντήσεις Δραστηριοτήτων...90 Απαντήσεις Ασκήσεων Κεφαλαίου...94 Κατάλογος σχημάτων...96 Κατάλογος πινάκων...97 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Η εντροπία και οι αυθόρμητες μεταβολές Εισαγωγικές Παρατηρήσεις Δεύτερος θερμοδυναμικός νόμος Διατύπωση του δεύτερου νόμου Κύκλος του Carnot Αρχικές διατυπώσεις του δεύτερου νόμου...102

10 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Θερμοδυναμική κλίμακα θερμοκρασιών Εξαγωγή της έννοιας της εντροπίας από τον κύκλο του Carnot Φυσική σημασία Υπολογισμός της μεταβολής της εντροπίας Ανισότητα του Clausius Τρίτος θερμοδυναμικός νόμος Διατυπώσεις του τρίτου νόμου Υπολογισμός της μεταβολής της εντροπίας σε μετατροπές φάσεων Υπολογισμός της μεταβολής της εντροπίας σε χημικές αντιδράσεις Ασκήσεις Κεφαλαίου Σύνοψη Λίστα Ελέγχου Γνώσεων Βιβλιογραφία Οδηγός για Περαιτέρω Μελέτη Απαντήσεις σε Ασκήσεις Αυτοαξιολόγησης Απαντήσεις Δραστηριοτήτων Απαντήσεις Ασκήσεων Κεφαλαίου Κατάλογος σχημάτων Κατάλογος πινάκων ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Καταστάσεις ισορροπίας Εισαγωγικές Παρατηρήσεις Συνθήκες ισορροπίας και αυθόρμητες μεταβολές Ενέργειες Helmholtz και Gibbs...147

11 10 ΧΗΜΙΚΗ ΔΥΝΑΜΙΚΗ Μετασχηματισμοί Legendre Εξισώσεις Maxwell Διερεύνηση των συναρτήσεων A και G Εξάρτηση της συνάρτησης Gibbs από τη θερμοκρασία και την πίεση Εξάρτηση της συνάρτησης Gibbs από τη σύσταση του συστήματος Ισορροπία φάσεων Συνθήκη ισορροπίας φάσεων Νόμος των φάσεων του Gibbs Διερεύνηση του νόμου των φάσεων Εφαρμογή του νόμου των φάσεων σε απλό σύστημα ενός συστατικού Ισορροπία ατμών/υγρού για σύστημα ενός συστατικού Χημική ισορροπία Συνθήκη χημικής ισορροπίας Εξάρτηση της σταθεράς χημικής ισορροπίας από τη θερμοκρασία Ασκήσεις Κεφαλαίου Σύνοψη Λίστα Ελέγχου Γνώσεων Βιβλιογραφία Οδηγός για Περαιτέρω Μελέτη Απαντήσεις σε Ασκήσεις Αυτοαξιολόγησης Απαντήσεις Δραστηριοτήτων Απαντήσεις Ασκήσεων Κεφαλαίου Κατάλογος σχημάτων Κατάλογος πινάκων...201

12 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 11 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Μεταφορά γνώσης στην εκπαιδευτική διαδικασία Εισαγωγικές Παρατηρήσεις Σχέδιο μαθήματος θερμοδυναμικής Προτεινόμενο σχέδιο θεωρητικού μαθήματος θερμοδυναμικής Σχέδιο πειράματος θερμοδυναμικής Προτεινόμενο σχέδιο εργαστηριακής άσκησης Βιβλιογραφία Οδηγός για Περαιτέρω Μελέτη Μέρος Β Χημική Κινητική Γ. Καραϊσκάκης ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Ταχύτητα χημικής αντίδρασης Εισαγωγικές Παρατηρήσεις Ορισμός ταχύτητας χημικής αντίδρασης Ορισμός της ταχύτητας με βάση τη μεταβολή ποσότητας Ορισμός της ταχύτητας με βάση τη μεταβολή συγκέντρωσης Ορισμός της ταχύτητας με βάση τη μεταβολή μερικής πίεσης Ορισμός της ταχύτητας με βάση την έκταση της χημικής αντίδρασης Κινητικές εξισώσεις Τάξη και μοριακότητα χημικής αντίδρασης Η σταθερά ταχύτητας της αντίδρασης...239

13 12 ΧΗΜΙΚΗ ΔΥΝΑΜΙΚΗ 1.3 Η εξίσωση Arrhenius Ασκήσεις Κεφαλαίου Σύνοψη Λίστα Ελέγχου Γνώσεων Βιβλιογραφία Οδηγός για Περαιτέρω Μελέτη Απαντήσεις σε Ασκήσεις Αυτοαξιολόγησης Απαντήσεις Δραστηριοτήτων Απαντήσεις Ασκήσεων Κεφαλαίου Κατάλογος σχημάτων ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Προσδιορισμός κινητικών εξισώσεων Εισαγωγικές Παρατηρήσεις Η διαφορική μέθοδος Η τεχνική της απομόνωσης Η μέθοδος της ολοκλήρωσης Αντιδράσεις μηδενικής τάξης Αντιδράσεις πρώτης τάξης Αντιδράσεις δεύτερης τάξης Αντιδράσεις τρίτης τάξης Αντιδράσεις n-οστής τάξης Ασκήσεις Κεφαλαίου Σύνοψη Λίστα Ελέγχου Γνώσεων Βιβλιογραφία...290

14 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 13 Οδηγός για Περαιτέρω Μελέτη Απαντήσεις σε Ασκήσεις Αυτοαξιολόγησης Απαντήσεις Δραστηριοτήτων Απαντήσεις Ασκήσεων Κεφαλαίου ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Κινητικές εξισώσεις από τους μηχανισμούς αντιδράσεων Εισαγωγικές Παρατηρήσεις Εισαγωγή Αμφίδρομες αντιδράσεις Παράλληλες αντιδράσεις Διαδοχικές αντιδράσεις Η μέθοδος της σταθερής κατάστασης Ενζυμικές αντιδράσεις Αλυσιδωτές αντιδράσεις Φωτοχημικές αντιδράσεις Ο μηχανισμός των Lindemann-Hinshelwood Ασκήσεις Κεφαλαίου Σύνοψη Λίστα Ελέγχου Γνώσεων Βιβλιογραφία Οδηγός για Περαιτέρω Μελέτη Απαντήσεις σε Ασκήσεις Αυτοαξιολόγησης Απαντήσεις Δραστηριοτήτων Απαντήσεις Ασκήσεων Κεφαλαίου Κατάλογος σχημάτων...354

15 14 ΧΗΜΙΚΗ ΔΥΝΑΜΙΚΗ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Οι θεωρίες των χημικών αντιδράσεων Εισαγωγικές Παρατηρήσεις Η θεωρία των συγκρούσεων Η θεωρία της μεταβατικής κατάστασης Ασκήσεις Κεφαλαίου Σύνοψη Λίστα Ελέγχου Γνώσεων Βιβλιογραφία Οδηγός για Περαιτέρω Μελέτη Απαντήσεις σε Ασκήσεις Αυτοαξιολόγησης Απαντήσεις Δραστηριοτήτων Απαντήσεις Ασκήσεων Κεφαλαίου ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Μεταφορά γνώσης στην εκπαιδευτική διαδικασία Εισαγωγικές Παρατηρήσεις Σχέδιο μαθήματος χημικής κινητικής Προτεινόμενο σχέδιο μαθήματος χημικής κινητικής Σχέδιο εργαστηριακής άσκησης χημικής κινητικής Προτεινόμενα σχέδια εργαστηριακών ασκήσεων Βιβλιογραφία Οδηγός για Περαιτέρω Μελέτη...415