Fyzikálna chémia: Základy a interakcie

Fyzikálna chémia

• Hraničná veda skúmajúca vzťah medzi štruktúrou molekúl, vlastnosťami chemických zlúčenín, chemickými reakciami a fyzikálnymi javmi.
• Zahŕňa štúdium javov ako rozpustenie chlorovodíka vo vode alebo reakcia vodíka s dusíkom.
• Existujú dva prístupy: syntetický (od štruktúry k chemickým reakciám) a analytický (od materiálu k vysvetleniu výsledkov).

Oblasti vo fyzikálnej chémii

• Chemická rovnováha (základňa chemickej termodynamiky)
• Rýchlosť chemických reakcií (chemická kinetika)

Predmet štúdia

• Skupenské stavy látok
• Základy termodynamiky
• Chemická kinetika
• Chemické rovnováhy
• Fázové rovnováhy
• Elektrochémia
• Elektrické, magnetické a optické vlastnosti látok

Interakcie medzi časticami

• Chemické a fyzikálne interakcie
  • Chemické väzby
  • Medzimolekulové interakcie – Van der Waalsove sily (priťahovanie a odpudzovanie)

Príťažlivé interakcie

• Dipól – dipól: Polárne molekuly majú stály dipólový moment, priťahujú sa elektrostatickými silami.
• Vodíková väzba: Väzba medzi vodíkom a silne elektronegatívnym prvkom (F, O, N).
• Dipól – indukovaný dipól: Nepolárna molekula v blízkosti permanentného dipólu.
• Disperzné sily – Londonove sily: Príťažlivé sily medzi nepolárnymi molekulami.

Plyny

• Nemajú stály tvar ani objem.
• Molekuly sa pohybujú s vysokou rýchlosťou a narážajú na seba.

Ideálny plyn

• Modelový systém, kde sú molekuly pružné guľôčky zanedbateľnej veľkosti.
• Vzájomne nepôsobia žiadnymi silami.
• Ideálne správanie sa prejavuje pri malých molekulách (vodík, hélium)
• Zníženie tlaku zmenšuje vzájomné interakcie molekúl.
• Zvýšenie teploty spôsobuje rýchlejší pohyb molekúl.

Stavové veličiny

• Teplota: t [°C], T [K]
• Tlak: p [Pa]
• Objem: V [m³]

Stavová rovnica ideálneho plynu

• Definuje vzťah medzi stavovými veličinami.
• Konštanta R = 8,314 J.K⁻¹.mol⁻¹ sa vypočíta pomocou p = 101 325 Pa, T = 273,15 K, Vm = 22,41 × 10⁻³ m³.mol⁻¹

Jednoduché stavové zmeny

• Izotermický dej: T = konst., Boyle-Mariotteov zákon: pV = konst.
• Izobarický dej: p = konst., Gay-Lussacov zákon.
• Izochorický dej: V = konst., Charlesov zákon.

Zmesi ideálnych plynov

• Daltonov zákon: Súčet parciálnych tlakov sa rovná celkovému tlaku.
• Amagatov zákon: Podiel látkového množstva zložky a objemu.

Molárna hmotnosť zmesi

• Vypočíta sa pre každú zložku zmesi.

Reálne plyny

• Majú konečný objem a pôsobia na seba príťažlivými silami.
• Stavová rovnica reálneho plynu: Van der Waalsova rovnica.

Van der Waalsova rovnica

• Korekcia na interakcie molekúl.
• Korekcia na vlastný objem molekúl.

Izotermy reálneho plynu

• Modifikácia Boyleovho zákona pre reálne plyny.
• Pri nízkych teplotách sa súčin pV zníži.

Skvapalňovanie plynov

• Stláčanie plynov pri nižšej teplote vyžaduje menší tlak.
• Podkritická teplota znemožňuje ďalšie skvapalnenie.

Fyzikálna chémia

• Hraničná veda, ktorá skúma súvislosť medzi štruktúrou molekúl, chemickými vlastnosťami, chemickými reakciami a fyzikálnymi javmi.
• Príklady: rozpúšťanie chlorovodíka vo vode, reakcia vodíka s dusíkom.

Prístupy vo Fyzikálnej chémii

• Syntetický: Štúdium od štruktúry molekúl až po skupenské stavy a chemické reakcie.
• Analytický: Štúdium hmoty vo forme chemických látok a vysvetľovanie experimentálnych výsledkov.

Oblasti vo Fyzikálnej chémii

• Chemická rovnováha (jadro chemickej termodynamiky).
• Rýchlosť chemických reakcií (chemická kinetika).

Predmet štúdia

• Skupenské stavy látok.
• Základy termodynamiky.
• Chemická kinetika.
• Chemické rovnováhy.
• Fázové rovnováhy.
• Elektrochémia.
• Elektrické, magnetické a optické vlastnosti látok.

Interakcie medzi časticami

• Chemická a fyzikálna povaha interakcií:
  • Chemické väzby.
  • Medzimolekulové interakcie – van der Waalsove sily (príťažlivé a odpudivé).

Príťažlivé interakcie

• Dipól - dipól:
  • Polárne molekuly majú stály dipólový moment.
  • Priťahovanie elektrostatickými silami.
• Vodíková väzba:
  • Väzba medzi vodíkom a silne elektronegatívnym prvkom (F, O, N).
• Dipól - indukovaný dipól:
  • Nepolárna molekula v blízkosti permanentného dipólu.
• Disperzné sily – Londonove sily:
  • Príťažlivé sily medzi nepolárnymi molekulami.

Plyny

• Majú variabilný tvar a objem.
• Molekuly sa pohybujú vysokou rýchlosťou a narážajú na seba.

Ideálny plyn

• Molekuly sú pružné guličky zanedbateľnej veľkosti.
• Molekuly na seba nepôsobia žiadnymi silami.
• Ideálne správanie pri malých molekulách (vodík, hélium).
• Zníženie tlaku: menej vzájomných interakcií molekúl.
• Zvýšenie teploty: molekuly sa pohybujú rýchlejšie.

Stavové veličiny

• Teplota (T [°C], T [K]).
• Tlak (p [Pa]).
• Objem (V [m³]).

Stavová rovnica ideálneho plynu

• Vzťah medzi stavovými veličinami p, V, T.
• Rovnica: pV = nRT.
• R – plynová konštanta (8,314 J.K⁻¹.mol⁻¹).

Jednoduché stavové zmeny

• Izotermický dej: T = konst., Boyle-Mariotteov zákon: pV = konst.
• Izobarický dej: p = konst., Gay-Lussacov zákon: V/T = konst.
• Izochorický dej: V = konst., Charlesov zákon: p/T = konst.

Zmesi ideálnych plynov

• Daltonov zákon: Súčet parciálnych tlakov sa rovná celkovému tlaku.
• Amagatov zákon: Podiel látkového množstva zložky a objemu sa rovná podielu parciálneho tlaku a celkového tlaku.

Molárna hmotnosť zmesi

• Stredná molárna hmotnosť zmesi ideálnych plynov.

Reálne plyny

• Majú konečný objem a pôsobia na seba príťažlivé sily.
• Stavová rovnica reálneho plynu (Van der Waalsova rovnica).

Van der Waalsova rovnica

• Korekcia na interakciu molekúl.
• Korekcia na vlastný objem molekúl.

Izotermy reálneho plynu

• Boylov zákon pre reálne plyny.
• Pri nízkych teplotách – zníženie súčinu pV.

Skvapalňovanie plynov

• Stláčanie plynov pri nižšej teplote vyžaduje menší tlak.
• Podkritická teplota neumožňuje ďalšie skvapalňovanie.

Tento kvíz skúma základné koncepty fyzikálnej chémie, vrátane chemickej rovnováhy, rýchlosti chemických reakcií a interakcií medzi časticami. Zamerajte sa na praktické aplikácie týchto teórií, ktoré ovplyvňujú chemické procesy a ich vlastnosti. Uistite sa, že rozumiete aj rôznym prístupom a oblastiam vo fyzikálnej chémii.