Fizikai kémia és radiokémia B.Sc. László Krisztina 18-93 klaszlo@mail.bme.hu F ép. I. lépcsőház 1. emelet 135 http://oktatas.ch.bme.hu/oktatas/konyvek/fizkem/kornymern Követelmények: 2+0+1 f - részvétel az előadások 67 %-án - 3 db érvényes ZH (min. 50%) - 4 elfogadott laborjegyzőkönyv szerda 9:15-12:00 F ép. I. lh. 1. em. 137 csütörtök 2:15-5:00 szerda: okt. 20. csütörtök: nov. 4. Ajánlott tankönyvek: k Atkins: Fizikai Kémia I. Zrínyi Miklós: A fizikai kémia alapjai I. Nagy Lajos György: Radiokémia és izotóptechnika (1997) 1
FIZIKAI KÉMIA ÉS RADIOKÉMIA ELŐADÁSOK Javasolt ZH időpontok: október 5. november 2, december 7. pótzh: egy héttel később, megbeszélt időpontban 1. Termodinamika alapjai gázok folyadékok elegyek 2. Kémiai egyensúlyok 3. Radiokémia a 3. ZH-ban + laborkérdések is 2
TERMODINAMIKA Fizikai kémia A kémiai jelenségek okait és összefüggéseit a fizika törvényei alapján kutatja és értelmezi Természetben lejátszódó folyamatok iránya egyensúly egyensúlyhoz vezető folyamatokat befolyásoló tényezők energetikai kölcsönhatások az anyag energiaállapotainak átalakulása során 3
A termodinamikai rendszer fogalma fal TD rendszer: a környezettől határfelülettel l elválasztott rész, amelynek tulajdonságait vizsgáljuk 4
Energiaáram TD rendszerek csoportosítása Kölcsönhatás a rendszer és környezete között energia és anyagtranszport Anyagáram NYÍLT ZÁRT ELSZIGETELT lombik természeti folyamatok m=áll. n? hőszigetelt nyitott lombik ± Q ± m merev (!) Δ=0 falú edény Δ 0 dugattyús henger W, Q A rendszer állapota A rendszer makroszkopikus jellemzése A mérhető fizikai tulajdonságok összessége állapothatározók / állapotjelzők nyomás hőmérséklet térfogat kémiai komponensek mennyisége aránya extenzív - intenzív függ a rendszer kiterjedésétől és tiszta agnál additív energia tömeg térfogat p T m, n c, x, nem függ a rendszer méretétől és nem additív nyomás hőmérséklet fajlagos állapotjelzők: sűrűség koncentráció móltérfogat m 5
nyomás 1 Pa = 1 N/m 2 légkör: 1 bar = 10 5 Pa 1 atm = 1,013 10 5 Pa 1 Hgmm 1 torr 1 atm = 760 torr kpa, MPa 1 bar standard nyomás, p Ø parciális nyomás p i =y i p ö p=nyomóerő/felület Egyensúly: az állapothatározók időben állandók (nincsen makroszkopikus folyamat) De! az egyensúly dinamikus Nem-egyensúlyi rendszer: az állapothatározók időben változnak a rendszer egyensúly felé tart hőmérséklet ékl T C, K 0 K = -273,15 C víz hármaspontja: 273,160000 K (a TD hőmérsékletskála rögzített pontja) 6
izoterm izobár izochor/izosztér adiabatikus A rendszer megváltozása (T=áll) (p=áll.) (=áll.) (ΔQ=0: nincsen hőcsere a környezettel) Állapotegyenlet az egyensúlyi rendszer állapotjelzői közti kapcsolat kísérleti tapasztalat mikroszkopikus modellek reverzibilis változás (absztrakt határeset): azonos közbülső egyensúlyi állapotokon át a változók igen kis megváltoztatásával visszafordítható lassúságú irreverzibilis p = nrt R = 8,314 J/molK hatványsor 2 nrt nb n C p = 1 + + +... iriál egyenlet 2 diagram táblázat 7
Állapotfüggvény az állapothatározók olyan többváltozós egyértékű függvénye, melynek értéke csak az adott állapottól, megváltozása pedig csak a kezdeti és a végállapottól függ matematikai tulajdonsága: teljes differenciál f ( x, y) f ( x, y) df ( x, y) = dx + dy x y y (, ) (, ) 2 f xy 2 f xy = x y y x U, H, A, G ΔU, du joule, J; kj x Útfüggvény: értéke a kezdeti és a végállapot között megtett úttól függ W, Q δw, δq joule, J; kj W: a rendszer határfelületén fellépő energiatranszport mennyisége, melyet a kölcsönhatáshoz tartozó nem hőmérsékleti intenzív állapotjelző inhomogenitása, mint hajtóerő hoz létre Q: a rendszer határfelületén fellépő anyagtranszport nélküli energiatranszport, melyet a hőmérsékleti inhomogenitás, mint hajtóerő hoz létre S J/K 8
A munka F δ W = pa dx = pd térf térf p izoterm p izobár Wmech = F s izochor előjelkonvenció δ W = pd = v W pd térf k A munka fajtái Térfogati* -p Elektrosztatikus ϕ Q Felületi γ A s Kémiai... intenzív extenzív δww -pd ϕdq γda s v v k v nrt Wtérf = pd = d = k v térf térf,izobár térf,izosztér k = nrt ln 1 dx = ln x + c x v k k W = W + W = = p( ) + 0 = izoterm munka = pδ izobár munka A munka fajtái intenzív extenzív v k 9
Hőcserével járó folyamatok: 1- melegítés/hűtés Q=C m (T 2 -T 1 ) [C]=J/(kg K) fajlagos hőkapacitás/fajhő 0 CC víz: 4190 J/(kg K) réz: 390 J/(kg K) [C m ]=J/(mol K) Q=C m n (T 2 -T 1 ) T 2 Q=n C dt T 1 m m,p 1 δq C m= n dt 1 δ Q C m,p= n dt C = a+ bt + ct + d T p 2 2 1 δ Q C m,= n dt 2- fázisátalakulások: párolgáshő kondenzációs hő olvadáshő - fagyáshő szublimációs hő kondenzációs hő előjel, moláris értékek 3- kémiai reakciók C m,p <?> C m, C m,p > C m, állandó nyomáson végzett melegítés során térfogati munkavégzés is van, a befektetett energiának azt is fedezni kell 10