Date post: | 18-Dec-2014 |
Category: |
Education |
Upload: | department-of-chemistry-fp-tul |
View: | 3,279 times |
Download: | 3 times |
Technické plyny | chemie shrnutí,
zápočet
CHE13
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
CO2
Nadkritická oblast: extrakce, pěnidla polymerů
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
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.
http://w
ww
.kch.t
ul.cz/m
ate
rials
/ch
em
ie-p
ro-s
trojn
i-fa
ku
ltu
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
21
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
není
dipól
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
Klepnutím lze upravit styl předlohy
nadpisů. Chemické složení
• Druh atomů
Vazby atomů
• Molekulární síly
Mezimolekulární síly
• Nevazebné interakce
Konečné zpracování materiálu
Co určuje vlastnosti materiálů
Klepnutím lze upravit styl předlohy
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–
|
X
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–
(PUR)
• 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
• Špatné vodiče tepla a elektřiny
diamant grafit
atomy
uhlíku
Tuhé látky: kovalentní krystaly
• V uzlových bodech mřížky molekuly
• Slabé mezimolekulární interakce
• Obvykle měkké, nízký bod tání
• Špatné vodiče tepla a elektřiny
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
N2
CH4
SF6
H2O
HF
NH3
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 ->>>
+7
-1
+5
-3 +2
XX
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
HgSO4
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
0 > 0
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+2
/ 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.
Ukázka testu: teorie
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
Ukázka testu: teorie
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.
Ukázka testu: teorie
Katedra chemie FP TUL: http://www.kch.tul.cz
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
Katedra chemie FP TUL: http://www.kch.tul.cz