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
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 (2007-2013), Άξονας Προτεραιότητας 7: «Ενίσχυση της Διά Βίου Εκπαίδευσης Ενηλίκων στις 8 Περιφέρειες Σύγκλισης» με κωδικό MIS 296121 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.
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: 978-960-538-972-7 Κωδικός Έκδοσης: ΚΦΕ 52/Γ Copyright 2015 για την Ελλάδα και όλο τον κόσμο ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ Πάροδος Αριστοτέλους 18, 26335 Περιβόλα Πατρών Τηλ.: 2610 367300, Φαξ: 2610 367650 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.
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
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 2002-2003 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.
Περιεχόμενα Πρόλογος...15 Μέρος Α Θερμοδυναμική Δ. Γαβριήλ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Η ενέργεια και ο πρώτος θερμοδυναμικός νόμος Εισαγωγικές Παρατηρήσεις...21 1.1 Βασικές έννοιες...24 1.1.1 Θερμοδυναμικό σύστημα...24 1.1.2 Μικροσκοπική και μακροσκοπική άποψη του συστήματος...27 1.1.3 Καταστάσεις ισορροπίας...28 1.1.4 Ιδιότητες, καταστάσεις, φάσεις, διεργασίες και κύκλοι...29 1.1.5 Διάκριση των καταστατικών ιδιοτήτων από τις συναρτήσεις της διαδρομής...30 1.1.6 Εκτατικές και εντατικές ιδιότητες...30 1.1.7 Φάσεις, διεργασίες και κύκλοι...32 1.1.8 Είδη διεργασιών...36 1.1.9 Μηδενικός νόμος της θερμοδυναμικής...36 1.2 Ενέργεια, έργο και θερμότητα...39 1.2.1 Είδη έργου...40 1.2.2 Έργο p V αντιστρεπτής μεταβολής...41 1.2.3 Έργο p V μη αντιστρεπτής μεταβολής...46 1.2.4 Υπολογισμός της θερμότητας...47 1.3 Εσωτερική ενέργεια...50 1.3.1 Η εσωτερική ενέργεια ως καταστατική συνάρτηση...50
8 ΧΗΜΙΚΗ ΔΥΝΑΜΙΚΗ 1.3.2 Υπολογισμός της εσωτερικής ενέργειας στην περίπτωση των αερίων...51 1.4 Πρώτος θερμοδυναμικός νόμος...56 1.5 Ενθαλπία...61 1.6 Απαραίτητες σχέσεις για την επίλυση των προβλημάτων...69 1.7 Θερμοχημεία...70 1.7.1 Ενθαλπία αντίδρασης...70 1.7.2 Θερμοχημικοί νόμοι...72 1.7.3 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...99 2.1 Δεύτερος θερμοδυναμικός νόμος...101 2.1.1 Διατύπωση του δεύτερου νόμου...101 2.1.2 Κύκλος του Carnot Αρχικές διατυπώσεις του δεύτερου νόμου...102
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 9 2.1.3 Θερμοδυναμική κλίμακα θερμοκρασιών...105 2.1.4 Εξαγωγή της έννοιας της εντροπίας από τον κύκλο του Carnot Φυσική σημασία...105 2.1.5 Υπολογισμός της μεταβολής της εντροπίας...111 2.1.6 Ανισότητα του Clausius...113 2.2 Τρίτος θερμοδυναμικός νόμος...117 2.2.1 Διατυπώσεις του τρίτου νόμου...117 2.2.2 Υπολογισμός της μεταβολής της εντροπίας σε μετατροπές φάσεων...119 2.2.3 Υπολογισμός της μεταβολής της εντροπίας σε χημικές αντιδράσεις...120 Ασκήσεις Κεφαλαίου...124 Σύνοψη...126 Λίστα Ελέγχου Γνώσεων...128 Βιβλιογραφία...129 Οδηγός για Περαιτέρω Μελέτη...129 Απαντήσεις σε Ασκήσεις Αυτοαξιολόγησης...130 Απαντήσεις Δραστηριοτήτων...131 Απαντήσεις Ασκήσεων Κεφαλαίου...135 Κατάλογος σχημάτων...137 Κατάλογος πινάκων...137 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Καταστάσεις ισορροπίας Εισαγωγικές Παρατηρήσεις... 139 3.1 Συνθήκες ισορροπίας και αυθόρμητες μεταβολές...142 3.2 Ενέργειες Helmholtz και Gibbs...147
10 ΧΗΜΙΚΗ ΔΥΝΑΜΙΚΗ 3.2.1 Μετασχηματισμοί Legendre...148 3.2.2 Εξισώσεις Maxwell...150 3.2.3 Διερεύνηση των συναρτήσεων A και G...152 3.2.4 Εξάρτηση της συνάρτησης Gibbs από τη θερμοκρασία και την πίεση...156 3.2.5 Εξάρτηση της συνάρτησης Gibbs από τη σύσταση του συστήματος...158 3.3 Ισορροπία φάσεων...160 3.3.1 Συνθήκη ισορροπίας φάσεων...160 3.3.2 Νόμος των φάσεων του Gibbs...162 3.3.3 Διερεύνηση του νόμου των φάσεων...163 3.3.4 Εφαρμογή του νόμου των φάσεων σε απλό σύστημα ενός συστατικού...165 3.3.5 Ισορροπία ατμών/υγρού για σύστημα ενός συστατικού...169 3.4 Χημική ισορροπία...173 3.4.1 Συνθήκη χημικής ισορροπίας...173 3.4.2 Εξάρτηση της σταθεράς χημικής ισορροπίας από τη θερμοκρασία...177 Ασκήσεις Κεφαλαίου...182 Σύνοψη...186 Λίστα Ελέγχου Γνώσεων...188 Βιβλιογραφία...189 Οδηγός για Περαιτέρω Μελέτη...190 Απαντήσεις σε Ασκήσεις Αυτοαξιολόγησης...191 Απαντήσεις Δραστηριοτήτων...194 Απαντήσεις Ασκήσεων Κεφαλαίου...199 Κατάλογος σχημάτων...201 Κατάλογος πινάκων...201
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 11 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Μεταφορά γνώσης στην εκπαιδευτική διαδικασία Εισαγωγικές Παρατηρήσεις...203 4.1 Σχέδιο μαθήματος θερμοδυναμικής...205 4.1.1 Προτεινόμενο σχέδιο θεωρητικού μαθήματος θερμοδυναμικής...205 4.2 Σχέδιο πειράματος θερμοδυναμικής...214 4.2.1 Προτεινόμενο σχέδιο εργαστηριακής άσκησης...214 Βιβλιογραφία...223 Οδηγός για Περαιτέρω Μελέτη...223 Μέρος Β Χημική Κινητική Γ. Καραϊσκάκης ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Ταχύτητα χημικής αντίδρασης Εισαγωγικές Παρατηρήσεις...227 1.1 Ορισμός ταχύτητας χημικής αντίδρασης...229 1.1.1 Ορισμός της ταχύτητας με βάση τη μεταβολή ποσότητας...229 1.1.2 Ορισμός της ταχύτητας με βάση τη μεταβολή συγκέντρωσης...233 1.1.3 Ορισμός της ταχύτητας με βάση τη μεταβολή μερικής πίεσης...234 1.1.4 Ορισμός της ταχύτητας με βάση την έκταση της χημικής αντίδρασης...235 1.2 Κινητικές εξισώσεις...237 1.2.1 Τάξη και μοριακότητα χημικής αντίδρασης...237 1.2.2 Η σταθερά ταχύτητας της αντίδρασης...239
12 ΧΗΜΙΚΗ ΔΥΝΑΜΙΚΗ 1.3 Η εξίσωση Arrhenius...242 Ασκήσεις Κεφαλαίου...249 Σύνοψη...252 Λίστα Ελέγχου Γνώσεων...254 Βιβλιογραφία...255 Οδηγός για Περαιτέρω Μελέτη...255 Απαντήσεις σε Ασκήσεις Αυτοαξιολόγησης...256 Απαντήσεις Δραστηριοτήτων...259 Απαντήσεις Ασκήσεων Κεφαλαίου...262 Κατάλογος σχημάτων...264 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Προσδιορισμός κινητικών εξισώσεων Εισαγωγικές Παρατηρήσεις...265 2.1 Η διαφορική μέθοδος...267 2.1.1 Η τεχνική της απομόνωσης...268 2.2 Η μέθοδος της ολοκλήρωσης...271 2.2.1 Αντιδράσεις μηδενικής τάξης...271 2.2.2 Αντιδράσεις πρώτης τάξης...273 2.2.3 Αντιδράσεις δεύτερης τάξης...277 2.2.4 Αντιδράσεις τρίτης τάξης...281 2.2.5 Αντιδράσεις n-οστής τάξης...282 Ασκήσεις Κεφαλαίου...285 Σύνοψη...288 Λίστα Ελέγχου Γνώσεων...289 Βιβλιογραφία...290
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 13 Οδηγός για Περαιτέρω Μελέτη...291 Απαντήσεις σε Ασκήσεις Αυτοαξιολόγησης...292 Απαντήσεις Δραστηριοτήτων...297 Απαντήσεις Ασκήσεων Κεφαλαίου...301 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Κινητικές εξισώσεις από τους μηχανισμούς αντιδράσεων Εισαγωγικές Παρατηρήσεις...303 3.1 Εισαγωγή...306 3.2 Αμφίδρομες αντιδράσεις...308 3.3 Παράλληλες αντιδράσεις...312 3.4 Διαδοχικές αντιδράσεις...315 3.5 Η μέθοδος της σταθερής κατάστασης...318 3.6 Ενζυμικές αντιδράσεις...321 3.7 Αλυσιδωτές αντιδράσεις...328 3.8 Φωτοχημικές αντιδράσεις...331 3.9 Ο μηχανισμός των Lindemann-Hinshelwood...333 Ασκήσεις Κεφαλαίου...335 Σύνοψη...340 Λίστα Ελέγχου Γνώσεων...341 Βιβλιογραφία...342 Οδηγός για Περαιτέρω Μελέτη...343 Απαντήσεις σε Ασκήσεις Αυτοαξιολόγησης...344 Απαντήσεις Δραστηριοτήτων...348 Απαντήσεις Ασκήσεων Κεφαλαίου...352 Κατάλογος σχημάτων...354
14 ΧΗΜΙΚΗ ΔΥΝΑΜΙΚΗ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Οι θεωρίες των χημικών αντιδράσεων Εισαγωγικές Παρατηρήσεις...355 4.1 Η θεωρία των συγκρούσεων...357 4.2 Η θεωρία της μεταβατικής κατάστασης...362 Ασκήσεις Κεφαλαίου...371 Σύνοψη...373 Λίστα Ελέγχου Γνώσεων...373 Βιβλιογραφία...374 Οδηγός για Περαιτέρω Μελέτη...375 Απαντήσεις σε Ασκήσεις Αυτοαξιολόγησης...376 Απαντήσεις Δραστηριοτήτων...380 Απαντήσεις Ασκήσεων Κεφαλαίου...382 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Μεταφορά γνώσης στην εκπαιδευτική διαδικασία Εισαγωγικές Παρατηρήσεις...383 5.1 Σχέδιο μαθήματος χημικής κινητικής...385 5.1.1 Προτεινόμενο σχέδιο μαθήματος χημικής κινητικής...385 5.2 Σχέδιο εργαστηριακής άσκησης χημικής κινητικής...390 5.2.1 Προτεινόμενα σχέδια εργαστηριακών ασκήσεων...390 Βιβλιογραφία...414 Οδηγός για Περαιτέρω Μελέτη...415