כימיה פיסיקלית כימיה פיסיקלית סילבוס קורס

כימיה פיסיקלית - 69167 דני פורת ד"ר Tel: 02-6586948 e-mail: porath@chem.ch.huji.ac.il Office: Los Angeles 027 Course book: Physical Chemistry P. Atkins & J. de Paula (7 th ed) Course site: http://chem.ch.huji.ac.il/surface-asscher/elad/daniclass.html http://chem.ch.huji.ac.il/~porath/physical_chemistry/ 1 כימיה פיסיקלית - 69167 דני פורת ד"ר Tel: 02-6586948 e-mail: porath@chem.ch.huji.ac.il Office: Los Angeles 027 Course book: Physical Chemistry P. Atkins & J. de Paula (7 th ed) 2 סילבוס קורס תרמודינמיקה.1 הגזים א-תכונות ומנגנונים מושגים הראשון של התרמודינמיקה: החוק ב- ומנגנונים מושגים השני והשלישי: החוק ג- פזות ד-דיאגרמת משקל כימי ה-שיווי קינטיקה.2 ראקציות כימיות א-קצב וקטליזות ב-מנגנונים 3 1

4 כימיה פיסיקלית References Atkins, P.W., Physical Chemistry, Oxford University Press, 7 th edition Chang, R., physical Chemistry 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 כימיה פיסיקלית 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 5 כימיה פיסיקלית פיסיקלית: כימיה כמותי ותיאורטי של מחקר ומבנה החומר תכונות וכמותי-מתמתי פיסיקלי וכמותי תיאור תופעות טבע שונות של 6 2

כימיה פיסיקלית המטופלים במסגרת הכימיה פיסיקלית: נושאים תרמודינמיקה: אנרגיה ושינויים חילופי בין מצבים, מעבר במעברים אלו הכרוכים הפיסיקליות, בתכונות קינטיקה: של תהליכים כימיים הקצב קוונטית: מכניקה בהתנהגות הפיסיקלית ברמה המולקולרית טיפול סטטיסטית: מכניקה בין התכונות המולקולריות ותכונות מקשרת ככלל החומר דני פורת 7 - כימיה פיסיקלית 69167-2004 כימיה פיסיקלית כמותיים ואיכותיים: קריטריונים ומוצקים ע ע"יייי נוזלים לתאר גזים, ניתן הן הגדרות אלו במיכל התנהגותם אופרטיביות ליצור מסגרת מודל לתיאור ניתן בחינת הקרבה ע"י אלו ע התנהגויות הן הגדרות אלו של החלקיקים והתנועה מיקרוסקופיות 8 סילבוס קורס תרמודינמיקה.1 הגזים א-תכונות ומנגנונים מושגים הראשון של התרמודינמיקה: החוק ב- ומנגנונים מושגים השני והשלישי: החוק ג- פזות ד-דיאגרמת משקל כימי ה-שיווי קינטיקה.2 ראקציות כימיות קצב.a וקטליזות מנגנונים.b 9 3

שעור מס' 1 תכונות גזים אידיאליים Atkins, pp 3-15 3 קריאה מלווה מומלצת : הגזי המצב.1 א-לחץ לחץ ב-מדידת טמפרטורה ג- הגזים חוקי.2 אינדיווידואלים גזים א-חוקי הגז האידיאלי ב-חוק גזים תערובת ג- חלקי ולחץ המולרי ד-החלק 10 מצבים של חומר ארבעה מצבים של חומר: ישנם ופלזמה גז נוזל, מוצק, 11 12 גזזז::::ז תאור הגז או (אטומים של חלקיקים אוסף אקראית ורציפה בתנועה מולקולות) בטמפרטורה תלויות שמהירויותיהם הגז מרוחקים זה מזה ונעים חלקיקי המושפעים במידה מועטה במסלולים למעט ידי החלקיקים האחרים, על התנגשות בעת וחלקיקי דחוס!) (לא מאד דחיס הגז ימלאו כל נפח שימצאו בו הגז יוצרים תערובת הומוגנית בעת גזים עם גזים אחרים ערבוב תופסים כאלפית מנפח המכל גזים 4

משתנים המצב: משתני [m 3 ] [Pa] נפח לחץ [K] טמפרטורה [moles] הרכב 13 נפח 1 m 1 m 1 m ממדים: ] 3 3 [m 3 or cm אורך [1000 cm 3 ] ליטר מולרי נפח V V m = n 14 F הגדרה: A ככח מוגדר לחץ מופעל לחץ שטח עליו הוא ליחידת הגז הוא ההתנגשויות ע"י ע המופעל הכח מקור פוסקות של חלקיקי הגז בדפנות הכלי הבלתי הם מוכלים בו P = h קבוע כחחחח העצום של ההתנגשויות יוצר המספר המתורגם ללחץ אפקטיבי קבוע אפקטיבי יחידות: Atmosphere/bar/mm Hg/Torr 1 Pascal (Pa)=1 N/m 2 =1 kg/(m * sec 2 )=1 j/m 3 15 5

אטמוספרי וברומטר: לחץ לחץ האויר על כחחחח מפעיל גרביטציה) (גרביטציה של כדור הארץ המשיכה כחחחח ניוטון 10 5 של כחחחח מפעיל 1 מ 2 אויר עם חתך של עמוד 100 kpa אויר זה יוצר לחץ של עמוד 760 mm 16 דוגמא... לחץ אטמוספרי בגבהים שונים 17 טבלת יחידות לחץ Name Pascal Bar atmosphere Torr Millimeter of mercury Pound per square intch Symbol 1 Pa 1 bar 1 atm 1 torr 1 mmhg 1 psi Value 1 Nm -2, 1 kgm -1 s -2 10 5 Pa 101,325 Pa (101325/760)Pa=133.32 Pa 133.322 Pa 6.894 kpa 18 6

שיווי משקל מכני 19 לחץ ושיווי משקל מכני לחץ אטמוספרי מדידות בעזרת ברומטר: מתבצעות עמודת ע"י המופעל ע הלחץ נוזל: p=ρgh לחץ בכלי סגור מדידות בעזרת מנומטר: מתבצעות עמודת ע"י המופעל ע הלחץ נוזל: p=ρgh 20 מדידת לחץ לחץ אטמוספרי מדידות בעזרת ברומטר: מתבצעות עמודת ע"י המופעל ע הלחץ נוזל: p=ρgh לחץ בכלי סגור מדידות בעזרת מנומטר: מתבצעות עמודת ע"י המופעל ע הלחץ נוזל: p=ρgh 21 7

הגדרה: טמפרטורה המצביעה על כוון זרימת האנרגיה דרך תכונה המעביר חום קיר זרימת האנרגיה הוא מהאזור בעל כוון הגבוהה יותר אל האזור בעל הטמפרטורה הנמוכה יותר הטמפרטורה שינוי מצב כאשר גופים יש דיאתרמי מחסום טמפרטורה שונה מובאים למגע בעלי שינוי מצב כאשר גופים אין - אדיאבטי מחסום טמפרטורה שונה מובאים למגע בעלי 22 טמפרטורה משקל תרמי: שיווי כאשר אין שינוי מצב כששני אובייקטים נוצר דיאתרמי למגע דרך מחסום מובאים 23 טמפרטורה: מדידות מדידת טמפרטורה חום") ("מד בעזרת תרמומטר מתבצעות חום: מד עמודת נוזל בשפופרת שהתפשטותה מתכונתית לשינוי למשל בטמפרטורה צלזיוס: [C [ o סקלת מצבי מגע עם מים שבין טמפרטורות) (טמפרטורות הגבהים הפרש למאה מרווחים מחולק ומים בנקודת הקיפאון, רותחים שכל אחד מהם מייצג הפרש של מעלה אחת שווים התרמודינמית: K] [ o הסקלה המייצגת התפשטות של גז אידיאלי סקלה 24 T[K] = T[ o C]+273.15 => 1 o C = 1 K 8

חוק האפס של התרמודינמיקה במגע ב ב' וגוף ב', תרמי עם גוף ב במגע גוף א א' אם בשווי משקל תרמי הוא גוף ג ג' אזי ג', עם גוף ג תרמי גוף א א' עם 25 חוק האפס של התרמודינמיקה שתי מערכות למגע תרמי: נביא יקרה לטמפרטורה של כל אחת מהמערכות? מה של שתי המערכות תגיע לטמפרטורה הטמפרטורה לשיווי משקל תרמי כלומר,T f סופית 26 חוק האפס של התרמודינמיקה ונמתין...: נביא שלוש מערכות למגע תרמי כעת 1 ו- 3 : את ונצמיד 2 נרחיק את מערכת כעת 27 שינוי בטמפרטורה...אין 9

סקלות: [ o C] וצלסיוס [K] קלווין סיכום טמפרטורה חום: מעבר של טמפרטורה אבל ניתן להגדרה או צורה אינו חום םום טמפרטורה במושגי כימות (אוווו הוא צורת אנרגיה העוברת בין גופים חום תנועה ע"י הפרש טמפרטורות ביניהם ע עקב אזורים) אקראית של אטומים או מולקולות) (תנועה תרמית בעל אזור) (אזור זרימת האנרגיה הוא מהגוף כוון בעל אזור) (אזור הגבוהה יותר אל הגוף הטמפרטורה הנמוכה יותר הטמפרטורה הטמפרטורה בתוך המערכת שווה לטמפרטורה כאשר עם סביבתה בש"מ המערכת אזי החיצונית, 28 הרכב המצב: משתני n i = n [n i ] מולים x i = 1 [x i ] מולי שבר p i = p [p i ] חלקי לחץ 29 קינטיקה תרמודינמיקה, סיכום מושגים נוזל, גזזזז מוצק, צבירה: מצבי הרכב טמפרטורה, נפח, המצב: משתני לחץ: האפס של התרמודינמיקה חוק יחידות P = F A 30 10

חוקי הגזים האינדיווידואלים אמפירית): (אמפירית המצב של הגזים משוואת PV=nRT בויל: PV=Const חוק הגז יחסי הפוך לחץ וכמות חומר קבועים, בטמפרטורה לנפחו: בויל תקף רק לגזים בגבול של חוק נמוך לחץ איזותרמה: המייצג מדידה בטמפרטורה קבועה קו הלחץ-נפח בעקומת 1627-1691 1 1 P = constant V = constant V P 31 חוקי הגזים האינדיווידואלים בויל: PV=Const, p~1/v חוק ההתנגשויות בדפנות קטן ואיתו מספר הנפח גדל, כאשר מספר הנפח קטן, כאשר לחץ הגז ולהפך, קטן בדפנות גדל ואיתו גדל לחץ הגז ההתנגשויות 32 חוקי הגזים האינדיווידואלים :(1802 1802) גאי-לוסק )/גאי /(1787 1787) צ'רלס חוק קוק גדל באופן ליניארי עם הטמפרטורה הנפח נמוך, בלחץ פורח כדור מתנפח, בלון הגדרת האפס המוחלט V = constant T P = constant T איזוכורה: איזוברה/איזוכורה איזוברה 33 לחץ-טמפרטורה הנפח/לחץ קבוע בעקומת הנפח לחץ/נפח המייצג קו 11

חוקי הגזים האינדיווידואלים לוסק: גאי-לוסק רלס/גאי צ'רלס חוק קוק V = constant T V = constant T 34 חוקי הגזים האינדיווידואלים נוסף): (ניסוח גאי-לוסק רלס/גאי צ'רלס חוק קוק P = constant T P T = constant 35 חוקי הגזים האינדיווידואלים קבועים) וטמפ' (בלחץ אבוגדרו: V=Const x n עקרון גדל באופן ליניארי עם כמות החומר לכל גז הנפח נמוך, בלחץ 1627-1691 מולרי: נפח שתופס מול מולקולות הנפח זה דומה לכל הגזים נפח נוסף) (נסוח ) אבוגדרו: עקרון תנאי לחץ וטמפרטורה באותם אידיאלי) (אידיאלי שווים של גז נפחים אינטראקציות) (אין גז של מולים את אותו מספר מכילים 36 12

בויל: רלס: צ'רלס אבוגדרו: במשולב: מכאן: מתקבל סיכום חוקי הגזים 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 37 חוק הגז האידיאלי אמפירית): (אמפירית המצב של הגזים משוואת חוקי הגזים מוביל למשוואה הניסיונית: סכום 38 PV=nRT הגזים קבוע R לקבל את קבוע הגזים מ מ: ניתן אידיאלי גז R=PV/nT אידיאלי גז המקיים את משוואת הגזים בכל מצב נקרא גז אמיתי גז שבו אינטראקציות בין אטומים או מולקולות גורמות לסטייה גז משוואת המצב עפ"י אידיאלית מהתנהגות אמיתי מקיים את משוואת הגזים בלחץ השואף לאפס גז בדר"ככככ חוק הגז האידיאלי המצב של הגזים: ממשוואת R הגזים קבוע PV=nRT R 8.31447 JK -1 mol -1 8.20574x10-2 L atm K -1 mol -1.... 39 13

חוק הגז האידיאלי אמפירית): (אמפירית המצב של הגזים משוואת PV=nRT nr=pv/t משוואת הגזים: עפ"י אפשריים מצבים 40 תנאים סטנדרטיים SATP Standard Ambient Temperature and Pressure PV=nRT T=298.15 K, P=1 bar (=10 5 Pa) => Vm=RT/P= 24.789 L mol -1 STP Standard Temperature and Pressure PV=nRT T=0 o C, P=1 atm => Vm=RT/P= 22.414 L mol -1 המצב מאפשרת חישוב שינוי המצב של כמות משוואת או הנפח: הטמפרטורה של גז כאשר משתנים הלחץ, נתונה 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 41 דוגמא... הלחץ כאשר הטמפרטורה עולה מ מ- 300 ל- 500? O C מהו 167 42 14

תערובת גזים P t = P 1 + P 2 + P 3 + 43 תערובת גזים הגזים ללחץ בתערובת (גזזז))))ז תרומת כל מרכיב מהי הכולל? דלתון: חוק המופעל על ידי תערובת גזים הוא סכום הלחצים הלחץ של הגזים השונים החלקיים חלקי של גז אידיאלי: + 3 P total = P 1 + P 2 + P לחץ טמפ' שהיה מפעיל לו מילא את אותו נפח לבדו באותה הלחץ 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 44 מיים: גז מעל איסוף תערובת גזים גז ובודקים את כמותו על ידי הלחץ החלקי מסנתזים P total = P gas + P water 45 15

דוגמא: שימוש בחוק דלתון כל מרכיב אם באטמוספרות) (באטמוספרות הלחץ הכולל מהו כגז אידיאלי? מתנהג נתון: V=10 L, n 1 =1.0 mol N 2, n 2 =3.0 mol H 2, T=298 K פתרון: שיטת P=P A +P B =(n A +n B )(RT/V), R=8.206x10-2 L atm K -1 mol -1 פתרון: P=(1 mol+3 mol)x[(8.206x10-2 L atm K -1 mol -1 )(298 K)/10 L] =9.78 atm הלחץ כאשר מוסיפים לתערובת הנ"לללל: חשבו 46 n 3 =1.0 mol N 2, n 4 =2.0 mol O 2 P=17.1 atm פתרון: החלק המולרי ולחץ חלקי המולרי: החלק הוא: j של מרכיב החלק X j =n j /n, n=n A +n B +.. חלקי: לחץ P j = X j P P=P A +P B + =(X A +X B + )P היטב רק עבור מוגדר P j חלקי לחץ אידיאלי גז בין האינטרקציות אמיתי בגז הגז יגרמו לסטייה של מולקולות הכולל מסך הלחצים החלקיים הלחץ 47 דוגמא: חישוב לחצים חל קיים המסה היחסי של הרכב אויר יבש בגובה פני הים חלק אוא הוא: Ar:1.3 N 2 :75.5, O 2 :23.2, הלחץ החלקי של כל מרכיב כאשר הלחץ הכולל מהו הוא אוא 1.0? atm פתרון: n j =m j /M j תלויים במסה הכוללת ולכן נניח: בלתי המולריים החלקים M=100 gr n(n 2 )=0.755x(100 gr/28.02 grxmol -1 )=(0.755x100)/28.02 mol=2.690 mol n(o 2 )=0.232x(100 gr/32.00 grxmol -1 )=(0.232x100)/32.00 mol=0.725 mol n(ar)=0.013x(100 gr/39.95 grxmol -1 )=(0.013x100)/39.95 mol=0.033 mol 48 n=3.45 mol 16

פתרון: דוגמא: חישוב לחצים חל קיים החלק המולרי הלחץ החלקי [אטמ'] Ar 0.0096 0.0096 אזי:, CO 2 לוקחים בחשבון כאשר N 2 0.780 0.780 O 2 0.210 0.210 N 2 :75.5, O 2 :23.15, Ar:1.28, CO 2 :0.046?0.9 atm הלחצים החלקיים עבור לחץ כולל של מהם פתרון: atm] [0.703, 0.189, 0.0084, 0.00027 49 סיכום חוקי הגזים המצב של גז אידיאלי: nt משוואת V = R P דלתון: + 3 P t = P 1 + P 2 + P חוק גזים תערובת חלקי של גז לחץ http://www.oup.co.uk/best.textbooks/chemistry/pchem7/living_graphs/p701e02.html 50 תרמודינמיקה.1 הגזים א-תכונות סילבוס קורס ומנגנונים מושגים הראשון של התרמודינמיקה: החוק ב- ומנגנונים מושגים השני והשלישי: החוק ג- פזות ד-דיאגרמת משקל כימי ה-שיווי קינטיקה.2 ראקציות כימיות קצב.a וקטליזות מנגנונים.b 51 17