CHE13 Technické plyny. Závěr výuky.

transcript

Technické plyny | chemie shrnutí,

zápočet

Katedra chemie FP TUL: http://www.kch.tul.cz

Technické plyny | chemie shrnutí Jan Grégr & Martin Slavík

Skupenské stavy látek

• Plyny jako zdroje energie

• vodík, acetylen, metan…

• Inertní plyny

• dusík, argon, další vzácné plyny

• Speciální plyny

• amoniak, freony

Technické plyny

Doprava technických plynů

Tlakové lahve

Zkapalněné

Technické plyny

Hydráty methanu

http://en.wikipedia.org/wiki/Methane_clathrate

"Burning ice". Methane, released by

heating, burns; water drips.

Inset: clathrate structure (University of

Göttingen, GZG. Abt. Kristallographie).

Source: United States Geological Survey.

CH4 • 5,75H2O

Methane clathrates are restricted to the

shallow lithosphere (i.e. < 2,000 m depth).

Furthermore, necessary conditions are found only

either in polar continental sedimentary

rocks where surface temperatures are less than

0 °C; or in oceanic sediment at water depths

greater than 300 m where the bottom

water temperature is around 2 °C.

Fázový diagram vymezuje podmínky za kterých látka existuje

v tuhé, kapalné popř. plynné fázi.

při 1 atm

CO2 (s) CO2 (g)

Změna skupenství: fázový diagram

http://www.teamonslaught.fsnet.co.uk/co2_info.htm

Fázový diagram

Nadkritická oblast: extrakce, pěnidla polymerů

Fázový diagram

Extrakce nadkritickou tekutinou

http://en.wikipedia.org/wiki/Supercritical_fluid_extraction

SFE = Supercritical fluid extraction

Výborné smáčení povrchů

Příprava a výroba: rostlinné extrakty, oleje, kofein…

Křivka zahřívání

TGA: Termogravimetrie

http://en.wikipedia.org/wiki/Thermogravimetric_Analysis

A comparison of the thermal stability of four high performance

synthetic fibers using TGA. A Perkin-Elmer TGA 7 was used between

50 and 800°C. The heating was 20°C/min and the flow gas (air) was

controlled at 20 mL/min.

TGA trace of calcium oxalate

monohydrate (CaC2O4•H2O)

Differential scanning calorimetry = DSC

kritická teplota, teplota,

nad kterou daná látka nemůže za žádných

okolností existovat v kapalném skupenství

Minimální tlak, který je při kritické teplotě nutný pro

zkapalnění látky se označuje jako kritický tlak.

Kritické veličiny: zkapalňování

Který plyn je možné za

normální teploty zkapalnit?

http://www.wolframalpha.com/

Stlačené plyny

Stlačené plyny plnící tlak většiny plynů 19,61 MPa.

závity ventilů pro všechny hořlavé

plyny jsou levotočivé

pro nehořlavé plyny pravotočivé

výjimka acetylén

Klepnutím lze upravit styl předlohy

nadpisů. www.kch.tul.cz

nadpisů.

http://w

.kch.t

ul.cz/m

Změny při zkoušení (proti loňsku)

Nové otázky: chemická rovnováha,

kinetika, termochemie, elektrochemie

Nové příklady: termochemie

Doplňková ústní otázka

Povinné vědomosti (nězabudky) Pokud je nebude vědět, nezachrání Vás ani 100 % v písemné části

následují…

Strukturní vzorce

Akany, alkeny, alkyny, benzen

Halogenderiváty, kyslíkaté sloučeniny,

nitrosloučeniny, deriváty benzenu

Vlastnosti látek podle typu vazby

Kovalentní, iontová, kovová, polymerní…

DG = -RT lnK

DG = -nFDE

dG = dH – T. dS

neproběhne

proběhne

http://mccord.cm.utexas.edu/courses/ch301/review4F11.php

Gibbsova energie

Více…

C+O2= CO2

Pro DG > 0 samovolný

rozklad oxidů teplem

Čím níže, tím více

posunutá rovnováha

k produktům, tj. oxidům.

Nad teplotou pro křivku

CO2 můžeme kov

vyredukovat uhlíkem z

koksu.

Nad teplotou pro křivku

Al2O3 lze použít Aluminotermii (Al)

Al2O3 stabilnější

než oxidy výše

Ellinghamův diagram

Elektrochemická řada kovů

Pourbaixovy diagramy

zlato zinek hliník

Marcel Pourbaix

1904-1908

Pourbaixovy diagramy zachycují redukčně-

oxidační a acidobazické rovnovážné

diagramy pro zvolené ionty. Umožňují

předpovědět nebo vysvětlit korozi, pasivaci

či odolnost daného prvku.

Oxidační prostředí

Redukční prostředí

Vznik vazby

1s2 2s2 2p6

dipól

CF4 je nepolární CHF3 je polární

HCl je polární

Polární kovalentní vazba

Polymery ‒ makromolekulární látky

n CH2=CH2 → –[CH2–CH2 ]–n

…CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2…

Více…

jiné vlastnosti, než vstupní látka

(dáno vysokou molekulovou

hmotností polymeru)

Síla kyselin a zásad

Silná kyselina

Slabá kyselina

Velmi slabá kyselina

Nové příklady Určete reakční enthalpii ΔH°298 pro reakci.

Bude se teplo uvolňovat nebo spotřebovávat?

CH4 (g) + O2 (g) → CO2 (g) + H2O (l)

CO2 (g) ∆H° sluč. = - 393,1 kJ mol-1

H2O (l) ∆H° sluč. = - 285,9 kJ mol-1

CH4 (g) ∆H° sluč. = - 74,8 kJ mol-1

O2 (g) ∆H° sluč. = 0 kJ mol-1 (v zadání nemusí být uvedeno, jedná se o prvek!)

Řešení:

Uvedenou reakci je nejprve nutno vyčíslit:

CH4 (g) + 2O2 (g) = CO2 (g) + 2H2O (l)

∆Hr° = [1∙∆Hsluč.(CO2)) + (2∙∆Hsluč.(H2O))] - [(1∙∆Hsluč (CH4)) + (2 ∙∆Hsluč.(O2))]

= [(- 393,1) + 2 . (- 285,9)] – [ 1 . (- 74,8) + 2 . 0 ] = - 890,1 kJ.mol-1

Standardní reakční teplo uvedené reakce je -890,1 kJ.mol-1. Hodnota vypočteného

reakčního tepla je záporná, jedná se o reakci exotermickou (teplo se uvolňuje).

http://nanotechnologie.vsb.cz/Studiummgr/Priklady_chemie.pdf

Analogicky ze spalných tepel

DH0 = n(DH0)spal. - n(DH0)spal. reakt. prod.

DH0 = n(DH0)sluč. - n(DH0)sluč. prod. reakt.

Opakování

nadpisů. Chemické složení

• Druh atomů

Vazby atomů

• Molekulární síly

Mezimolekulární síly

• Nevazebné interakce

Konečné zpracování materiálu

Co určuje vlastnosti materiálů

nadpisů. Hlavní rozlišení: (důležitější pro strojaře než elektronegativita)

kovy – nekovy

Vlastnosti atomů na „rozhraní“ mezi kovy a nekovy

Příklad: Hliník – Křemík

Hliník – kov – nízký bod tání, měkký, elektricky dobře vodivý

fluorid hlinitý – krystalická iontová látka

oxid hlinitý – krystalický, velmi tvrdý, podíl iontovosti vazby stačí na to, aby jeho

tavenina se mohla elektrolyzovat

Křemík – polokov, vyšší bod tání, křehký, polovodič

fluorid křemičitý – plyn

oxid křemičitý – krystalický, poměrně tvrdý a křehký, nevede elektrický proud ani

v tavenině

Chemické složení – druh atomů

Uvedli jsme v druhé přednášce…

Nutné respektovat, že existují přechodné typy mezi třemi základními typy

vazeb a podle toho se materiály liší ve vlastnostech

Vyšší podíl iontovosti – vyšší body tání, vyšší křehkost

Vyšší podíl kovové vazby – vyšší elektrická a tepelná vodivost, nižší křehkost

Vyšší podíl kovalentnosti – nižší body tání, měkčí materiály více nevodivé

Pozor na výjimky: sloučeniny

„makromolekulární“

se mohou odlišovat

od látek s malými molekulami

Vazby atomů

… …

Polymery n CH2=CH2 → –[CH2–CH2]n–

polyethylen

polypropylen

polyamid 6,6

polyakrylonitril

Polymery Typ polymeru skupina

příprava příklad

polyolefiny –CH2–CH2– CH2=CH2 (PE, PP, PB)

vinylové polymery –CH2–CH2–

CH2=CHX (PVC, PTFE,

PVAC, PVA)

polyamidy –CO–NH– reakcí –COOH + H2N– (PA)

polyestery

–CO–O– reakcí –COOH + HO– (PET, PC, UP)

polyethery –O– reakcí –OH + HO– (POM, PPO)

polyuretany

–O–CO–NH– reakcí –OH + O=C=N–

• V uzlových bodech mřížky anionty a kationty

• Silné elektrostatické interakce (iontová vazba)

• Obvykle tvrdé, křehké, vysoký bod tání

• Špatné vodiče tepla a elektřiny

CsCl ZnS CaF2

Tuhé látky: iontové krystaly

• V uzlových bodech mřížky atomy

• Pevné kovalentní vazby

• Obvykle tvrdé, vysoký bod tání

diamant grafit

uhlíku

Tuhé látky: kovalentní krystaly

• V uzlových bodech mřížky molekuly

• Slabé mezimolekulární interakce

• Obvykle měkké, nízký bod tání

Tuhé látky: molekulové krystaly

• V uzlových bodech mřížky atomy kovu

• Kovová vazba mezi atomy

• Různá tvrdost i body tání

• Dobré vodiče tepla a elektřiny

Průřez krystalem kovu

jádro a vnitřní

elektrony

mobilní “elektronový oblak”

z valenčních elektronů

Tuhé látky: kovové krystaly

krystalický

křemen (SiO2)

nekrystalické

křemenné sklo

V amorfní tuhé látce nelze najít opakované, dobře definované

prostorové uspořádání. Prostorovou strukturou se podobají

amorfní tuhé látky kapalině. Na křivce zahřívání nevykazují

bod tání (tají v rozmezí teplot).

Amorfní látky

Vysokoteplotní supravodiče

Vodíkové můstky: vysvětlují vyšší bod varu vody než sirovodíku

Nižší sílu kyseliny fluorovodíkové než má HCl, HBr a HI

Vyšší body varu alkoholů než mají étery stejného sumárního složení

Mezimolekulární síly

• Speciální případ dipól-dipólové interakce.

• Velmi silná interakce, nejsilnější z tzv. van der Waalsových interakcí

(vodíková vazba, dipól-dipól, Londonovy síly).

- Vodíková vazba se projevuje u molekul kde je H vázán na

elektronegativní prvek (zvláště F, O, N).

Srovnání bodů

varu podobných

sloučenin prvků

4.-7. periody

Vodíková vazba

K vypaření 1 molu vody je třeba 41 kJ (intermolekulární)

K rozrušení všech vazeb O-H v 1 molu vody je třeba 930

kJ (intramolekulární)

H-vazba, srovnání vazebných sil

Nepolární molekuly Polární molekuly

Polární kovalentní vazba

Rozpustnost

Podobné se rozpouští

v podobném

Eluotropní řada

Polární

Nepolární Rozpouštědlo

Relativní

permitivita

Rozpustnost ve

vodě [g/l]

pentan 1.84 0.04

hexan 1.90 0.14

benzen 2.30 1.80

diethylether 4.30 74.2

chloroform 4.80 10.0

pyridin 12.4 mísitelný

aceton 20.7 mísitelný

ethanol 24.3 mísitelný

voda 81.0 mísitelný

Prací účinek mýdla – vznik micel

Periodická tabulka

1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f

Energie orbitalů ->>>

Stabilizace pH pufrem HCl H+ + Cl-

HCl + CH3COO- CH3COOH + Cl-

Účinek katalyzátoru na energii reakce

k = A • exp( -Ea/RT ) Ea k

rychlostkatalyzovaná > rychlostnekatalyzovaná

Ea,katalyzovaná< Ea,nekatalyzovaná

Vlastnosti látek ze struktury

CrBr2 H2O2

NaMnO4 PCB H2

CH3OCH2CH3 hexafluorpropan AgO

PTFE PbO2 CCl4

V uvedeném seznamu označte: C – žíraviny, T – toxické a vysoce toxické

látky, O – oxidovadla, R – redukovadla, N – Látky nebezpečné pro životní

prostředí; H – hořlaviny; K – těkavé látky

Seřaďte látky podle těkavosti

toluen benzen xylen naftalen

Homologické řady

CH3OH -> CH3CH2OH -> CH3CH2CH2OH ->…

CH4 -> C2H6 -> C3H8 -> C4H10 -> C5H12 ->…

Teploty varu, tání, rozpustnosti, mísitelnost, ...

CH3CH2OH -> CH3CHO -> CH3COOH -> CO2+H2O

Oxidace

KMnO4; Cr3+; Cr2+; H2SO4; HNO3; NaCl; PbO2; H2O2

fluor, chlorid chromnatý, jód, manganistan sodný, peroxid sodíku

Které látky lze použít jako bezpečnou desinfekci?

Elektrochemické řady

Karel Slavoj Amerling (Strnad Klatovský): Orbis pictus (1852), http://www.panska.cz/amerling/

Beketovova (elektrochemická) řada kovů

Neušlechtilé (elektropozitivní) kovy Ušlechtilé (elektronegativní) kovy

Zvyšuje se schopnost oxidace elementárních kovů do kladných

oxidačních čísel

Li Rb K Cs Ba Sr Ca Na Mg Be Al Mn Ti Zn Cr Fe Cd In Tl Co Ni Sn Pb H2 Bi Cu Os Ru Ag Hg Pt Au

Kov stojící vlevo je schopen kov (v kladném oxidačním stavu) stojící vpravo

zredukovat a sám se oxiduje

Kov (v kladném oxidačním stavu) stojícíí

vpravo je schopen kov stojící vlevo zoxidovat

a sám se redukuje

ANO Zn + CuSO4 --› Cu + ZnSO4

ANO Mg + ZnSO4 --› Zn + MgSO4

NE Cu + ZnSO4 -//-› Zn + CuSO4

NE Zn + MgSO4 -//-› Mg + ZnSO4

Li Rb K Cs Ba Sr Ca Na Mg Be Al Mn Ti Zn Cr Fe Cd In Tl Co Ni Sn Pb H2 Bi Cu Os Ru Ag Hg Pt Au

Kov stojící vlevo - před vodíkem je schopen vodík (v kladném oxidačním stavu)

zredukovat (např. z kyselin) a sám se oxiduje. Kovy stojící velmi daleko před

vodíkem ho zredukují i z vody

Kov (v kladném oxidačním stavu) stojící

vpravo - za vodíkem je schopen vodík

zoxidovat a sám se redukuje

ANO Zn + 2HCl --› H2 + ZnCl2

ANO CuO + H2 --› Cu + H2O

ANO 2Na + 2H2O --› H2 + 2NaOH

NE Cu + 2 HCl -//-› H2 + CuCl2

NE MgO + H2 -//-› Mg + H2O

ANO 3Cu + 8HNO3 --› NO + 3Cu(NO3)2 + 4H2O reakce probíhá, ale není proti smyslu Beketovovy řady, neboť měď

neredukuje vodík (!), ale dusík

NE 2Al + 6HNO3 -//-› 3H2 + 2Al(NO3)3 reakce neprobíhá, ale není proti smyslu Beketovovy řady, [hliník je

pokryt vrstvičkou oxidu hlinitého (tzv. pasivace)]

Standardní elektrochemický potenciál E0

E0 < 0 0 E

Slučování s kyslíkem

Reakce s H3O+ z disociované kyseliny

Reakce s H3O+ z vody

Výskyt v přírodě

Elektrochemické řady Systém Poloreakce Potenciál [V]

Li+1 / Li Li+1 + e---› Li - 3,04

K+1 / K K+1 + e---› K - 2,93

Ba+2 / Ba Ba+2 + 2e---› Ba - 2,92

Ca+2 / Ca Ca+2 + 2e---› Ca - 2,84

Na+1 / Na Na+1 + e---› Na - 2,71

Mg+2 / Mg Mg+2 + 2e---› Mg - 2,36

Al+3 / Al Al+3 + 3e---› Al - 1,68

Mn+2 / Mn Mn+2 + 2e---› Mn - 1,18

Cr+2 / Cr Cr+2 + 2e- --› Cr - 0,90

Zn+2 / Zn Zn+2 + 2e- --› Zn - 0,76

Cr+3 / Cr Cr+3 + 3e- --› Cr - 0,74

SO3 -2 / S SO3

-2 + 6H+ + 4e- --› S + 3 H2O - 0,66

S -2 / S S + 2e- --› S -2 - 0,48

Fe+2 / Fe Fe+2 + 2e- --› Fe - 0,44

/ Sn Sn+2

+ 2e- --› Sn - 0,14

Fe+3 / Fe Fe+3 + 3e- --› Fe - 0,04

H+ / H2(g) 2H+1 + 2e- --› H2 +0,00

Cu+2 / Cu Cu+2 + 2e- --› Cu +0,34

Cu+1 / Cu Cu+1 + e- --› Cu +0,52

OH -1 / O2 O2 + 2e- --› 2 OH -1 +0,54

I -1 / I2 I2 + 2e- --› 2 I -1 +0,54

Hg2+2/ Hg Hg2

+2 + 2e- --› 2Hg +0,79

Ag+1 / Ag Ag+1 + e- --› Ag +0,80

Hg+2/ Hg Hg+2 + 2e- --› Hg +0,85

Br -1 / Br2 Br2 + 2e- --› 2 Br -1 +1,09

Pt+2 / Pt Pt+2 + 2e- --› Pt +1,19

Cl-1 / Cl2 Cl2 + 2e- --› 2 Cl -1 +1,36

Au+3 / Au Au+3 + 3e- --› Au +1,42

H2O2 / H2O H2O2 + 2H+ + 2e- --› 2 H2O +1,77

F -1 / F2 F2 + 2e- --› 2 F -1 +2,87

Redukční

činidla

Oxidační

činidla

http://www.webelements.com

FeCl2 + KMnO4 → …

Cr2+ + KMnO4 → …

Mn2+ + K2Cr2O7 → …

Připravte 325 ml 24 % vodného roztoku

NaOH. Kolik g NaOH a kolik ml vody

potřebujeme. Hustota 24 % roztoku je

r = 1,2629 g/cm3.

m(NaOH) = 98,5 g; m (H2O) = 410,4 g

Příklady

Máme 3,75 l H2SO4 , koncentrace je 50 %

a hustota r = 1,3951 g/cm3. Kolik vody

musíme přidat, abychom získali 28 %

kyselinu o hustotě r =1,2023 g/cm3. Jaký

bude celkový objem 28 % kyseliny?

m (H2O) = 4110 g; m(celk.) = 9340 g;

V(celk.) = 7770 cm3 (ml)

Příklady

Úterý a čtvrtky F-F02 09:00--12:00 a 12:00--15:00

První část – písemná na 45 minut – je potřeba mít

alespoň 50 % správně (vzorce a výpočty).

Druhá část písemná 25 minut (teorie)

Celkem – nad 50 % správně = 3 (dobře),

nad 75 % = 2 (velmi dobře), nad 90 % = 1 (výborně)

Příklady

Napište vzorce sloučenin: uhličitan vápenatý, kyselina

dusičná, chlorid stříbrný, fluorovodík, kyselina sírová,

síran železnatý, sulfid manganatý, bromid sodný,

oktan, acetylen (etyn).

Napište názvy sloučenin: HBr, Cu2S, KMnO4,

FeCO3, CuSO4, Cr2O3, PbSO4, Al2O3, C3H8, HCOOH.

Jaké látkové množství, kolik molů n, je 150g mědi Cu.

M(Cu) = 63,54 g/mol.

Jaký objem zaujímá 10 molů methanu. VM = 22,4

dm3/mol.

Ukázka testu

Neutralizací kyseliny sírové hydroxidem sodným

vznikne síran sodný a voda. Napište a vyčíslete

reakční rovnici. Vypočítejte kolik kg síranu sodného

připravíme neutralizací 2 kg hydroxidu sodného

kyselinou sírovou.Vypočítejte jaký objem kyseliny

sírové o koncentraci 45% potřebujeme pro reakci

odměřit. M(H2SO4) = 98,08 g/mol, M(NaOH) =

40,00 g/mol, M(Na2SO4) = 142,048 g/mol, hustota

H2SO4 (45%) = 1,347 g/cm3.

Z 96% kyseliny sírové (r = 1,8355 g/cm3) připravte

ředěním vodou 875 cm3 kyseliny o koncentraci

20%, (r = 1,1394 g/cm3). Jaký objem 96 %

kyseliny a vody potřebujeme odměřit.

Ukázka testu

Vypočítejte, kolik g KNO3 obsahuje 525 ml roztoku

KNO3 s koncentrací látkového množství c = 0,25

mol/dm3, M(KNO3) = 101,103 g/mol

Tepelný rozklad sideritu FeCO3 probíhá podle

následujících rovnice:

FeCO3 → FeO + CO2

Vypočítejte, kolik oxidu železnatého vznikne

rozkladem čtyř tun sideritu.

M[FeCO3] = 115,86 g/mol

M[FeO] = 71,85 g/mol

Ukázka testu

Z následujících kyselin vyberte slabé kyseliny

a napište jejich vzorce: kyselina sírová, kyselina

uhličitá, kyselina chlorovodíková, kyselina

mravenčí, kyselina dusičná, kyselina křemičitá,

kyselina octová, kyselina chloristá, kyselina

šťavelová.

U následujících sloučenin určete typ chemické

vazby a odhadněte jejich základní fyzikální

vlastnosti: NaCl, HF, SCl2, NH3, AgBr, Cu5Zn3

(slitina).

Ukázka testu: teorie

Kolik elektrod potřebujeme pro měření pH a čím

se liší.

Co si představujete pod pojmem látkové

množství. Jak se nazývá jednotka látkového

množství. Jak byste ji definovali nebo popsali.

Jaký je princip katodické ochrany kovových

předmětů proti korozi.

Které jsou současné hlavní fosilní suroviny pro

Průmysl organické chemie. Jaké jsou jejich

přednosti a nedostatky.

Základní rozdělení plastů je na: termoplasty,

reaktoplasty a eleastomery. Zařaďte do těchto

skupin: teflon, polyetylen, epoxid, polyamid,

polystyren, fenolická pryskyřice, polypropylen,

polyetylentereftalát.

Uveďte příklady reaktoplastů. Jaké mají

mechanické vlastnosti a jak se chovají při

zahřívání?

Uveďte plasty které lze konstrukčně využít pro

teploty nad 100˚C

Z následujících kyselin vyberte slabé kyseliny

a napište jejich vzorce: kyselina sírová, kyselina

uhličitá, kyselina chlorovodíková, kyselina

mravenčí, kyselina dusičná, kyselina křemičitá,

kyselina octová, kyselina chloristá, kyselina

šťavelová.

Geobacter metallireducens http://microbewiki.kenyon.edu/index.php/Geobacter_metallireducens

Biologická fixace dusíku http://cs.wikipedia.org/wiki/Biologick%C3%A1_fixace_dus%C3%ADku

Volné radikály a stárnutí http://apps.faf.cuni.cz/Gerontology/mechanisms/theory/theory_contemporary.asp

Bionika http://www.kmt.tul.cz/edu/zt/index_htm_files/Bionika.pdf

Zajímavosti

CHE13 Technické plyny. Závěr výuky.

Education