dr inż. Beata Brożek-Płuska LABORATORIUM LASEROWEJ SPEKTROSKOPII MOLEKULARNEJ Politechnika Łódzka Międzyresortowy Instytut Techniki Radiacyjnej 93-590 Łódź Wróblewskiego 15 tel:(48-42) 6313162, 6313162, 6313188 fax:(48-42) 6840043 mitr.p.lodz.pl/raman/brozek beata.brozek-pluska@p.lodz.pl brozek@mitr.p.lodz.pl
I-19 budynek WBiNOŻ wejście od ul. Stefanowksiego 4/10, budynek W5, I piętro, pokój 126 I-18 budynek WChem wejście od ul. Żeromskiego 116, budynek A27, lab. II piętro, pokój prowadzącego 311, dr hab. inż. Beata Kolesińska
Chemia jest nauką o materii i zmianach jakim może ona podlegać, jednym z zadań chemii jest ustalenie związku między własnościami makroskopowymi materii a zachowaniem się atomów, cząsteczek, jonów, których jest ona zbudowana. Najogólniejszy opis materii polega na wyróżnieniu 3 stanów skupienia: gazów, cieczy i ciał stałych. GAZ stanowi płynny stan materii, wypełniającej całą objętość zbiornika, w którym się znajduje CIECZ jest płynnym stanem materii charakteryzującym się dobrze zdefiniowaną powierzchnią, w polu grawitacyjnym ciecz wypełnia dolną część zbiornika, w którym została zamknięta CIAŁO STAŁE zachowuje kształt niezależny od kształtu zbiornika, w którym się znajduje.
Gaz składa się z cząstek znajdujących się w ciągłym szybkim i chaotycznym ruchu. Cząstka przemieszcza się na odległość kilkakrotnie (czasem wielokrotnie) większą od jej wymiarów, zanim dojdzie do jej zderzenia z inną cząstką, i przez większość czasu cząstki są tak znacznie oddalone, że oddziałują na siebie bardzo słabo. Dominującym obrazem jest obraz ruchliwego chaosu. Ciecz składa się z cząstek stykających się wzajemnie, lecz zdolnych do przemieszczania się względem siebie. Cząstki znajdują się w ciągłym ruchu, jednak droga jaką pokonują przed zderzeniem z cząstką sąsiednią, stanowi zaledwie ułamek ich średnicy. Dominującym obrazem jest obraz ruchu jednak takiego, w którym cząstki rozpychają się wzajemnie. Ciało stałe zbudowane jest z cząstek pozostających ze sobą w kontakcie i nie mogących się wzajemnie przemieszczać. Chociaż cząstki wykonują drgania wokół swych średnich położeń, są one zasadniczo zlokalizowane na określonych pozycjach. Obrazem tej fazy jest zespół prawie nieruchomych, regularnie ułożonych cząstek.
Całe nasze życie spędzamy otoczeni gazem, w postaci powietrza, a lokalne zmiany jego właściwości są tym, co nazywamy "pogodą".
Opis stanów materii Termin "stan" ma w chemii kilka różnych znaczeń i ważne jest, by o nich wszystkich pamiętać. Z pierwszym znaczeniem zetknęliśmy się, gdy mowa była o "stanach skupieni i w tym sensie użyliśmy określenia "stan gazowy". W drugim znaczeniu termin stan będzie wyrażać opis pewnej wybranej części materii określający charakteryzujące ją wartości: objętości, ciśnienia, temperatury i ilości substancji. Tak więc 1 kg wodoru w zbiorniku o objętości 10 l pod określonym ciśnieniem i w określonej temperaturze znajduje się w określonym stanie. Stan tej samej masy gazu zamkniętej w zbiorniku o objętości 5 l jest inny. Dwie próbki tej samej substancji są w tym samym stanie jedynie wówczas, gdy mają taką samą masę, objętość, ciśnienie i temperaturę. OBJĘTOŚĆ Próbka zajmuje V = 100 cm 3, gdy próbka zajmuje 100 cm 3 przestrzeni
CIŚNIENIE Ciśnienie, p, przedstawia siłę działającą na jednostkową powierzchnię Uderzenia cząsteczek gazu o ścianę naczynia powodują wywarcie na nią siły i tym samym pojawienie się ciśnienia. Jeżeli jakiś przedmiot znajduje się we wnętrzu gazu, na całą jego powierzchnię działa ciśnienie. W ten sposób atmosfera ziemska wywiera ciśnienie na wszystkie ciała i ciśnienie to jest największe na poziomie morza, gdyż największa jest tam gęstość powietrza, a tym samym największa liczba cząsteczek zderzających się z powierzchnią ciała. Ciśnienie atmosferyczne jest znaczne; jest ono równe ciśnieniu jakie wywierałby 1kg ołowiu (lub jakiegokolwiek innego materiału) położony na powierzchnię 1 cm 2. Układ znajduje się w równowadze mechanicznej ze swym otoczeniem, jeżeli oddziela je ruchoma ściana, a ciśnienie zewnętrzne jest równe ciśnieniu gazu w układzie Przez całe nasze życie niesiemy to ciężkie brzemię, uciskające każdy centymetr kwadratowy naszego ciała.
CIŚNIENIE Tablica 1.1. Jednostki ciśnienia i współczynniki przeliczeniowe Jednostka SI: paskal Pa 1 Pa = 1 N X m -2 bar 1 bar = 10 5 Pa atmosfera 1 atm = 101,325 kpa tor Tr 760 Tr = 1 atm 1 Tr = 133,32 Pa
Temperatura W języku potocznym pojęcie temperatury, T, jest dobrze zadomowione rozumiemy ją jako miarę tego, jak "ciepły" lub "zimny" jest dany przedmiot, jednak nadanie temu pojęciu precyzyjnego znaczenia nie jest wcale sprawą prostą. Temperatura ciała jest wielkością, która określa kierunek przepływu energii, gdy ciało znajduje się w kontakcie z innym: energia ("ciepło") przepływa od ciała o temperaturze wyższej do ciała o temperaturze niższej. Gdy dwa ciała mają tę samą temperaturę, nie zachodzi między nimi przepływ ciepła i mówimy wówczas, ż znajdują się one w równowadze termicznej.
Temperatura skala Kelvina Litera K stojąca przy wartości liczbowej np. 273,15 K to jednostka skali Kelvina - kelwin - nazwana tak na cześć Williama Thomsona (1824-1907), znanego bardziej jako lord Kelvin. Skala Kelvina nazywana również bezwzględną skalą temperatur to skala temperatur powszechnie stosowana w badaniach naukowych na całym świecie. Kelwin to także podstawowa jednostka temperatury w układzie SI, zdefiniowana jako 1/273,15 część temperatury termodynamicznej punktu potrójnego wody. Temperaturę równą 0 K, określaną mianem temperatury zera bezwzględnego, przyjmuje się za dolną graniczną wartość temperatury.
Ilość substancji Masa, m ciała jest miarą ilości materii w tym ciele. Tak więc 2 kg ołowiu zawiera dwa razy więcej materii niż 1 kg ołowiu, zresztą dwa razy więcej materii niż 1 kg czegokolwiek. Mężczyzna zawiera na ogół więcej materii niż kobieta. Jednostką masy w układzie SI jest kilogram (kg) przy czym 1kg został zdefiniowany jako masa pewnego bloku ze stopu platynowoirydowego przechowywanego w Sevres pod Paryżem.
Dla chemika bardziej przydatna jest zazwyczaj znajomość liczby atomów cząsteczek czy jonów w próbce niż sama znajomość jej masy. Chemicy wprowadzili więc jednostkę - mol (symbol: mol). (nazwa ta wywodzi się z łacińskiego słowa moles, które - jakby na ironię oznacza ciężar, brzemię"). 1mol cząstek jest równy liczbie atomów zawartych w (dokładnie) 12 g węgla 12 C. Z dokładnością wystarczającą zazwyczaj można przyjąć 1 mol = 6,02214. 10 23 cząstek
Stała Avogadra stała fizyczna liczbowo równa liczbie atomów, cząsteczek lub innych cząstek materii zawartych w jednym molu tej materii. Oznaczana jest przez N A lub L a jej wartość wynosi: N A =6,02214. 10 23 mol -1 Liczba Avogadra jest tożsamościowo równa jednemu molowi.
Równania stanu v - objętość, jaką zajmuje próbka, p - ciśnienie, pod jakim się znajduje T - jej temperaturę, n - ilość substancji, jaką zawiera Równanie stanu gazu doskonałego pv=nrt przykład prawa granicznego Tablica 1.2. Wartości stałej gazowej w różnych jednostkach R = 8,31451 J. K -1. mol -1 8,31451 kpa l K -1. mol -1 8,20578 10-2 I atm. K -1. mol -1 62,364 l Tr. K -1. mol -1 1,98722 cal K -1. mol -1
PRAWO BOYLA w ustalonej temperaturze ciśnienie wywierane przez daną ilość gazu jest odwrotnie proporcjonalne do jego objętości izoterma p 1/V http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/15/boyles_law_animated.gif
PRAWO CHARLES A objętość określonej ilości gazu w warunkach stałego ciśnienia jest proporcjonalna do temperatury V T http://en.wikipedia.org/wiki/file:charles_and_gay-lussac%27s_law_animated.gif
PRAWO AVOGADRA PRAWO DALTONA w danej temperaturze i pod danym ciśnieniem równe objętości rożnych gazów zawierają te same liczby cząsteczek p = k i=1 p i V n Ciśnienie wywierane przez mieszaninę gazów jest równe sumie ciśnień wywieranych przez składniki mieszaniny, gdyby każdy z nich był umieszczany osobno w tych samych warunkach objętości i temperatury, jest ono zatem sumą ciśnień cząstkowych.
PRAWO AVOGADRA w danej temperaturze i pod danym ciśnieniem równe objętości rożnych gazów zawierają te same liczby cząsteczek V n PRAWO DALTONA p = Ciśnienie wywierane przez mieszaninę gazów jest równe sumie ciśnień wywieranych przez składniki mieszaniny, gdyby każdy z nich był umieszczany osobno w tych samych warunkach objętości i temperatury, jest ono zatem sumą ciśnień cząstkowych. k i=1 p i ciśnienie cząstkowe V = k i=1 V i objętość cząstkowa