dr nż. Marlena Gąsor-Głogowska 1 CHP001004C - Fzykochema materałów Lteratura: 1. Oblczena chemczne. Skrypt do ćwczeń rachunkowych z chem. M. Łukasewcz, O. Mchalsk, J. Szymońska. Wydawnctwo Unwersytetu Rolnczego w Krakowe, Kraków 2015 2. "Ćwczena rachunkowe z chem analtycznej". Praca zborowa pod redakcją Z. Galusa, Wydawnctwo Naukowe PWN, Warszawa 2017 3. "Oblczena w chem analtycznej". A. Cygańsk, B. Ptaszyńsk, J. Krystek, Wydawnctwo Naukowo-Technczne, Warszawa 2004 4. "Oblczena rachunkowe z chem analtycznej ". F. Buhl, K. Kana, B. Mkuła, Wydawnctwo Unwersytetu Śląskego, Katowce 2004 5. "Oblczena w chem neorgancznej". A. Jabłońsk, T. Palewsk, L. Pawlak, W. Walkowak, B. Wróbel, B. Zółek, W. Żyrnck. Ofcyna Wydawncza Poltechnk Wrocławskej, Wrocław 2002 Zakres materału: 1. Podstawowe pojęca chemczne. Lczność mater. 2. Stechometra wzorów chemcznych, równań chemcznych meszann. 3. Sposoby wyrażana stężeń roztworów. 4. Sła jonowa roztworu aktywność jonów. 5. Iloczyn jonowy wody, ph, p a H 6. Dysocjacja elektroltów. 7. Równowag jonowe w roztworach słabych kwasów zasad. 8. Równowag jonowe w roztworach buforowych. 9. Rozpuszczalność zwązków trudno rozpuszczalnych loczyn rozpuszczalnośc. Należy: 1. powtórzyć/poszukać w lteraturze: cyfry znaczące, dokładność oblczeń, 2. zaopatrzyć sę nosć ze sobą: na zajęca: układ okresowy perwastków, kalkulator (z funkcją lczena logarytmów).
dr nż. Marlena Gąsor-Głogowska 2 Warunk normalne Przelczena jednostek 1 cm 3 = 10-3 dm 3 = 1 ml 1 kg/m 3 = 10-3 g/cm 3 1 dm 3 = 10 3 cm 3 = 1 l 1 g/cm 3 = 10 3 kg/m 3 T 273,15 K (0 C), p 1013,25 hpa = 1 atm Warunk standardowe T 273,15 K (0 C), p 1000 hpa (wg. IUPAC) T 293, 15 K (20 C), p 101,325 kpa (wg. NIST) Jednostka masy atomowej Mol - 1/12 masy atomu zotopu węgla 12 C m u = 1,6605402 * 10-24 [g] = 1 [u] = 1 [Da] - podstawowa jednostka lośc mater w układze SI - 1 mol to lczba atomów, cząsteczek, jonów tp. równa lczbe atomów znajdujących sę w 0,012 kg nukldu 12 C Lczba Avogadra - lczba ndywduów zawartych w 1 mol mater N A = 6,0221367 * 10 23 [mol -1 ] Masa molowa - masa jednego mola danego rodzaju cząsteczek, [g/mol] Objętość molowa gazu dealnego w warunkach normalnych 22,414 [dm 3 /mol] Ułamek wagowy Ułamkem wagowym (w 1 ) -tego składnka nazywamy stosunek masy (m ) tego składnka do masy całego roztworu: w m m Suma ułamków wagowych poszczególnych składnków roztworów jest równa jednośc. Procent wagowy / stężene procentowe m m p 100% [%] w Procent wagowy jest równy lczbe gramów danego składnka w 100g roztworu. Stężene molowe Stężene molowe (c ) -tego składnka w danym roztworze jest to stosunek lcznośc (n ) tego składnka do objętośc (V) całego roztworu: n c [mol/dm 3 ] V Roztwór jednomolowy to roztwór zawerający 1 mol danej substancj w objętośc 1 dm 3.
dr nż. Marlena Gąsor-Głogowska 3 Ułamek molowy Ułamek molowy (x ) określa stosunek lcznośc (n ) danego składnka do sumy lcznośc wszystkch składnków roztworu: x n n Suma ułamków molowych poszczególnych składnków roztworu jest równa jednośc. Jeśl ułamek molowy pomnożyć przez 100% otrzymamy procent molowy. Procent objętoścowy Aktywność Procenty objętoścowe wyrażają stosunek objętośc danego składnka przed zmeszanem (V ) do sumy objętośc wszystkch składnków meszanny gazowej, jeżel objętośc były merzone w jednakowych warunkach cśnena temperatury. P ( obj.) V V 100% Suma objętośc wszystkch składnków tylko dla gazów dealnych jest równa objętośc roztworu. Dla gazów dealnych stężene wyrażone w procentach objętoścowych jest równe stężenu wyrażonemu w procentach molowych. - w roztworach mocnych elektroltów (mocne kwasy zasady są w roztworach wodnych całkowce zdysocjowane rozpadają sę na jony), uwzględna sę wzajemne oddzaływane jonów obecnych w roztworze. W mejsce stężeń wprowadza sę aktywność: gdze: a x = f x. c x a x aktywność jonu x [mol/dm 3 ] c x stężene jonu x [mol/dm 3 ] f x współczynnk aktywnośc Sła jonowa roztworu (moc jonowa) - mara występujących w roztworze oddzaływań mędzy jonam gdze: Współczynnk aktywnośc = 0,5 c. z 2 - sła jonowa r-ru [mol/dm 3 ] c stężene poszczególnych jonów w roztworze [mol/dm 3 ] z ładunek jonu - współczynnk aktywnośc zależy od mocy jonowej roztworu oraz ładunku danego jonu (teora Debye a Hückela): gdze: A B stałe wynkające z właścwośc rozpuszczalnka, zależne od T pomaru
dr nż. Marlena Gąsor-Głogowska 4 a średn promeń uwodnonego jonu z ładunek jonu - dla wody o T = 25 C stała A = 0,509, stała B = 3,287. 10 9. Wartośc parametru a wynoszą 3 11. 10-10 (welkość promen uwodnonych jonów 3-11 Å) - dla roztworów rozceńczonych (~ μ < 0,1) (prawo granczne Debye a Hückela), dla jonów jednowartoścowych, gdy μ < 0,05 dla jonów dwuwartoścowych, gdy μ < 0,014 dla jonów trójwartoścowych, gdy μ < 0,005 - dla roztworów bardzo rozceńczonych (μ < 0,01), można stosować wzór: - log f x = 0,5z 2 Wartośc loczynu a B dla wybranych jonów [5]: Jon loczyn a B Sn 4+, Ce 4+, Th 4+, Zr 4+ 3,6 H +, Al 3+, Fe 3+, Cr 3+ 3,0 Mg 2+, Be 2+ 2,6 L +, Ca 2+, Cu 2+, Zn 2+, Sn 2+, Mn 2+, Fe 2+, N 2+, Co 2+ 2,0 Sr 2+, Ba 2+, Cd 2+, Hg 2+, S 2-, CH 3 COO - 1,6 Na +, H 2 PO 4-, Pb 2+, CO 2-2- 3, SO 4 1,3 OH -, F -, SCN -, HS -, ClO - 4, Cl -, Br -, I -, NO - 3, K +, NH + 4, Ag + 1,0 Iloczyn jonowy wody - woda ulega równeż dysocjacj (jest to bardzo słaby elektrolt): H 2 O = H + + OH - - jony wodorowe (H + ) ne stneją w roztworze wodnym, gdyż przyłączają sę natychmast do cząsteczek wody, tworząc jony hydronowe (H 3 O + ). - *stała równowag reakcj dysocjacj wody ma postać: - w nezbyt stężonych roztworach stężene nezdysocjowanej wody [H 2 O] można uznać za welkość stałą, równą stężenu czystej wody (55,4 M). Wówczas: gdze: K w loczyn jonowy wody K w = K. [H 2 O] = [H + ][OH - ] = const - postać logarytmczna loczynu jonowego wody: pk w = p c H + p c OH
dr nż. Marlena Gąsor-Głogowska 5 gdze: p c H = -log [H 3 O - ] wykładnk ze stężena jonów wodorowych p c OH = -log [OH - ] wykładnk ze stężena jonów wodorotlenowych - jedyne dla roztworów rozceńczonych p c H = p a H - przyjmuje sę, że wartośc stężenowego termodynamcznego loczynu jonowego wody są sobe równe. W T = 25 C K w = K wa = 10-14 - wyrażene na loczyn jonowy wody można przedstawć w postac: * Stała równowag reakcj pk w = ph + poh = 14 - współczynnk opsujący stan równowag odwracalnych reakcj chemcznych - dla reakcj ma + nb = pc + qd stała równowag: gdze: [C] [D] stężena molowe produktów [A] [B] stężena molowe substratów - w ujęcu termodynamcznym: gdze: Stała dysocjacj a aktywność molowa v współczynnk stechometryczny Mocne kwasy jednoprotonowe* w roztworach wodnych są całkowce zdysocjowane zgodne z równanem: HA + H 2 O H 3 O + + A - W przypadku słabych kwasów jednoprotonowych, dysocjujących według równana: HA + H 2 O H 3 O + + A - stan równowag w roztworze określa stała dysocjacj: jeśl: to: [H 3 O + ] = [A - ] = X (przy pomnęcu autodysocjacj wody *) [HA] = C HA - X gdze: - stopeń dysocjacj [-,%] lub
dr nż. Marlena Gąsor-Głogowska 6 Stopeń dysocjacj - stosunek lczby (lub stężena) cząsteczek zdysocjowanych do lczby (lub stężena) wszystkch cząsteczek wprowadzonych do roztworu: - stopeń dysocjacj można oblczyć z równana kwadratowego: C HA 2 + K a - K a = 0 - jeśl < 0,05, stopeń dysocjacj można oblczyć ze wzoru: * uwaga ** uwaga - mocne kwasy dwuprotonowe dysocjują według równana: H 2 A + H 2 O H 3 O + + HA - HA - + H 2 O H 3 O + + A 2- - natomast słabe kwasy dwuprotonowe dysocjują według równana: H 2 A + H 2 O H 3 O + + HA - HA - + H 2 O H 3 O + + A 2- - dla kwasów trzyprotonowych wyróżnamy 3 etapy dysocjacj. Każdy etap dysocjacj kwasu weloprotonowego opsuje nna stała dysocjacj. - jeśl roztwory mocnych kwasów są bardzo rozceńczone (C HA < 4,5 * 10-7 M) należy w oblczenach uwzględnć jony [H 3 O + ] powstałe w wynku dysocjacj wody. Całkowte stężene jonów wodorowych można oblczyć z zależnośc: gdze: K w - loczyn jonowy wody [H + ] 2 - [H + ]C HA - K w = 0 W przypadku mocnych zasad postępujemy analogczne! Roztwory buforowe - układ zawerający sprzężony kwas zasadę o stężenach analtycznych wystarczająco dużych, aby utrzymać blsko stałe ph, pommo rozceńczena, czy dodana do układu newelkej lośc mocnego kwasu lub zasady - roztwory: słabej zasady jej sol z mocnym kwasem słabego kwasu jego sol z mocną zasadą dwóch sol słabego kwasu welozasodowego z mocną zasadą lub dwóch sol słabej zasady dysocjującej welostopnowo z moznym kwasem
dr nż. Marlena Gąsor-Głogowska 7 - stała dysocjacj kwasowej określa równowagę mędzy sprzężonym kwasem zasadą w układze: - w roztworze buforowym otrzymanym przez zmeszane roztworu słabego kwasu HA (o stężenu analtycznym C HA ) sprzężonej z nm zasady A - (o stężenu analtycznym C B ): [HA] C HA [A - ] C B zatem: K a = [H + ] (C B /C HA ) stężene jonów wodorowych możemy oblczyć z zależnośc: ph = pk a + log C B - log C HA - w roztworze buforowym otrzymanym przez zmeszane roztworu słabej zasady B (o stężenu analtycznym C B ) sprzężonego z nm kwasu AH + (o stężenu analtycznym C HA ): [B] C B [AH + ] C HA zatem: K b = [OH - ] (C HA /C B ) stężene jonów wodorowych także możemy oblczyć z zależnośc: ph = pk a + log C B - log C HA poneważ [OH - ] = K w /[H + ] oraz K b = K w /K a Pojemność buforowa -β, lczba mol mocnej zasady lub kwasu, która mus być dodana do 1 ltra roztworu, aby spowodować zmanę ph o jedną jednostkę Iloczyn rozpuszczalnośc - dla reakcj wytrącana trudno rozpuszczalnego osadu: nm m+ + mx n- M n X m jest to stała równowag chemcznej, która opsuje stan równowag mędzy osadem trudno rozpuszczalnej sol (M m X n ) a stężenem jej jonów roztworze: gdze: M - katon X - anon I r = [M m+ ] n [X n- ] m - jeśl w mejsce stężeń jonów tworzących osad wprowadzć ch aktywność, otrzymamy wówczas wyrażene na termodynamczny loczyn rozpuszczalnośc, uwzględnający wpływ obecnośc elektroltów w roztworze. Rozpuszczalność zwązków słabo rozpuszczalnych w czystej wodze - strącane osadu trudno rozpuszczalnej sol zachodz wtedy, gdy loczyn stężeń jonów przekracza wartość loczynu rozpuszczalnośc
dr nż. Marlena Gąsor-Głogowska 8 - dla roztworów nasyconych (pozostających w równowadze z osadem) o stałej temperaturze, rozpuszczalność defnuje sę jako stosunek lcznośc zwązku w roztworze do objętośc roztworu: R = n/v [mol/dm 3 ] lub też jako masę zwązku przypadającą na 100 g (1000 g) wody lub roztworu. - jeżel jony M n+ X m- ne hydrolzują (lub też ch hydrolzę pomjamy) to rozpuszczalność zwązku słabo rozpuszczalnego można wyrazć jako: R = [M m+ ]/n = [X n- ]/m - zależność mędzy loczynem rozpuszczalnośc I r a rozpuszczalnoścą molową R (w mol/l) wyraża sę wzorem: I r = [M m+ ] n [X n- ] m = (nr) n. (mr) m = n n. m m. R m+n Rozpuszczalność zwązków słabo rozpuszczalnych w roztworach zawerających nne elektrolty Dodatek elektroltu ne zawerającego jonów wspólnych ze słabo rozpuszczalnym zwązkem M m X n powoduje wzrost rozpuszczalnośc tego zwązku. Zjawsko to (tzw. efekt solny) jest zwązane ze zmaną sły jonowej roztworu, od której zależą współczynnk aktywnośc jonów. Jeśl dodamy elektroltu posadającego wspólne jony z osadem (jeżel zanedbamy wpływ zmany sły jonowej roztworu oraz zakładamy, że jony ne ulegają hydrolze, czy kompleksowanu), wówczas loczyn rozpuszczalnośc będze mał postać: I r = [M m+ ] n [X n- ] m = (C M + nr') n. (mr') m I r = [M m+ ] n [X n- ] m = (nr') n. (C x + mr') m gdy stężene jonów pochodzących z dysocjacj slnego elektroltu >> nr ', to: I r = (C M ) n. (mr') m I r = (nr') n. (C x ) m
dr nż. Marlena Gąsor-Głogowska 9 Nazwy nektórych zwązków chemcznych: CO 2 - dtlenek węgla / tlenek węgla (IV) CO - tlenek węgla / tlenek węgla (II) SO 3 trtlenek sark / tlenek sark (VI) SO 2 - dtlenek sark / tlenek sark (IV) NO 3 trtlenek azotu / tlenek azotu (III) N 2 O 5 - pentatlenek dazotu / tlenek azotu (V) NO 2 dtlenek azotu / tlenek azotu (IV) N 2 O 3 - trtlenek dazotu / tlenek azotu (III) NO tlenek azotu / tlenek azotu (II) N 2 O tlenek dazotu / tlenek azotu (I) H 2 O 2 - dtlenek dwodoru / nadtlenek wodoru H 2 O oksydan / woda / tlenek wodoru Cl 2 O 7 heptatlenek dchloru / tlenek chloru (VII) Cl 2 O 5 pentatlenek dchloru / tlenek chloru (V) Cl 2 O 3 trtlenek dchloru / tlenek chloru (III) Cl 2 O tlenek dchloru / tlenek chloru (I) Mn 2 O 7 heptatlenek dmanganu / tlenek manganu (VII) MnO 2 dtlenek manganu / tlenek manganu (IV) Cr 2 O 3 - trtlenek dchromu / tlenek chromu (III) CuO tlenek medz / tlenek medz (II) Cu 2 O - tlenek dmedz / tlenek medz (I) OF 2 dfluorek tlenu AsH 3 arsan / arsenowodór NH 3 azan / amonak / trhydroazot PH 3 fosfan / fosforowodór HBr bromowodór HCl chlorowodór HCN cyjanowodór HF - fluorowodór HJ jodowodór H 2 S sulfan / sarkowodór HSCN kwas tocyjanowy / rodankowy H 3 SbO 4 kwas antymonowy (V) H 3 AsO 3 kwas arsenowy (III) H 3 AsO 4 kwas arsenowy (IV) HNO 2 kwas azotowy (III) HNO 3 kwas azotowy (V) H3BO3 kwas borowy/ ortoborowy (III) HClO kwas chlorowy (I) HClO 2 kwas chlorowy (III) HClO 3 kwas chlorowy (V) HClO 4 kwas chlorowy (VII) HCrO 2 kwas chromowy (III) H 2 CrO 4 kwas chromowy (VI) HOCN kwas cyjanowy HPO 3 kwas metafosforowy (V) H 3 PO 3 kwas fosforowy (III) H 3 PO 4 kwas fosforowy (V) / ortofosforowy H 4 P 2 O 7 kwas profosforowy/ ortodwufosforowy (V) HIO kwas jodowy (I) HIO 2 kwas jodowy (III) HIO 4 kwas metajodowy (VII) H 4 SO 4 kwas ortokrzemowy (IV) H 2 SO 3 kwas metakrzemowy (IV) HMnO 4 kwas manganowy (VII) H 2 MnO 4 kwas manganowy (VI) H 2 SeO 4 kwas selenowy (VI) H 2 SO 3 kwas sarkowy (IV) H 2 SO 4 kwas sarkowy (VI) H 2 S 2 O 7 kwas dsarkowy (VI) H 2 S 2 O 3 kwas tosarkowy (VI) H 2 CO 3 / H 2 O CO 2 kwas węglowy (IV) HCOOH kwas mrówkowy CH 3 COOH kwas octowy H 2 C 2 O 4 kwas szczawowy C 6 H 5 OH - fenol NH 4 OH / H 2 O NH 3 wodorotlenek amonu Ba(OH) 2 wodorotlenek baru Be(OH) 2 wodorotlenek berylu Zn(OH) 2 wodorotlenek cynku Al(OH) 3 wodorotlenek glnu Mg(OH) 2 wodorotlenek magnezu Mn(OH) 2 wodorotlenek manganu (II) Cu(OH) 2 wodorotlenek medz (II) Pb(OH) 2 wodorotlenek ołowu (II) Hg(OH) 2 wodorotlenek rtęc KOH wodorotlenek potasu NaOH wodorotlenek sodu AgOH wodorotlenek srebra Ca(OH) 2 wodorotlenek wapna Fe(OH) 2 wodorotlenek żelaza (II) Fe(OH) 3 wodorotlenek żelaza (III) MgCl 2 dchlorek magnezu / chlorek magnezu CuSO 4 sarczan (VI) medz (II) K 2 Cr 2 O 7 dchroman (VI) potasu / heptaoksydodchroman potasu KMnO 4 nadmanganan potasu / manganan (VII) potasu K 4 Fe(CN) 6 heksacyjanożelazan (II) potasu