1 INŻYNIERIA BIOMEDYCZNA Wykład 1PODSTAWY CHEMII INŻYNIERIA BIOMEDYCZNA Wykład 1

2 Inżynieria Biomedyczna, I rokPODSTAWY CHEMII Wykładowca Prof. dr hab. inż. Marta Radecka, B-6, III p. 306, tel (12) (617) 25-26 Strona www: Pracownicy Strony domowe pracowników Marta Radecka Inżynieria Biomedyczna, I rok

3 PODSTAWY CHEMII Do czego służą wykłady i jak się zdaje egzamin?Program wykładów i laboratorium odpowiada dokładnie „zawartości” egzaminu Egzamin pisemny żeby do niego przystąpić, trzeba zaliczyć laboratorium każdy ma prawo zdawać egzamin trzykrotnie Student ma prawo do trzykrotnego przystąpienia do egzaminu w zaplanowanych terminach, w tym jeden raz w terminie podstawowym i dwa razy w terminie poprawkowym. Nieusprawiedliwiona nieobecność na egzaminie w danym terminie powoduje utratę tego terminu. Student, który nie uzyskał zaliczenia w terminie podstawowym ma prawo po jego uzyskaniu przystąpić do egzaminu w terminach poprawkowych. Jeżeli student nie uzyskał zaliczenia do czasu terminów poprawkowych egzaminu, brak zaliczenia nie usprawiedliwia nieobecności na egzaminie i skutkuje utratą wszystkich terminów egzaminów, które odbyły się przed uzyskaniem zaliczenia. Jeżeli z przyczyn losowych student nie wykorzystał przysługujących mu terminów, Dziekan w porozumieniu z prowadzącym przedmiot, wyznacza dodatkowe terminy egzaminów. Regulamin studiów akademii Górniczo-Hutniczej Im. Stanisława Staszica (obowiązujący od 1 października 2012 r) Inżynieria Biomedyczna, I rok

4 Zaliczenie przedmiotuSkala ocen Przy zaliczeniach zajęć i egzaminach oraz wystawianiu oceny końcowej stosuje się i wpisuje do indeksu następujące oceny: a) 91 – 100% bardzo dobry (5.0); b) 81 – 90% plus dobry (4.5); c) 71 – 80% dobry (4.0); d) 61 – 70% plus dostateczny (3.5); e) 50 – 60% dostateczny (3.0); f) poniżej 50% niedostateczny (2.0). Ocena końcowa 0.6 oceny egzaminu oceny laboratorium Inżynieria Biomedyczna, I rok

5 Najważniejsze podręcznikiA.Bielański - Chemia ogólna i nieorganiczna A.Bielański - Podstawy chemii nieorganicznej F.A.Cotton, G. Wilkinson, P.L.Gaus - Chemia nieorganiczna. Podstawy. J.D.Lee - Zwięzła chemia nieorganiczna P.A. Cox – Chemia nieorganiczna. Krótkie wykłady dla bardziej ambitnych: R.G.Wells - Strukturalna chemia nieorganiczna L. Jones, P. Atkins – Chemia ogólna Wszelkie inne podręczniki mające w nazwie - chemia ogólna lub chemia nieorganiczna Inżynieria Biomedyczna, I rok

6 Chemia jest nauką przyrodnicząDefinicja: chemia jest nauką, która zajmuje się składem, strukturą i właściwościami substancji oraz reakcjami, w których jedna substancja zmienia się w inną Zasady nowoczesnej chemii: poszukiwanie prawidłowości w zachowaniu się różnych substancji poszukiwanie modeli, które tłumaczą obserwacje modele powinny tłumaczyć zachowanie innych substancji i jeśli to możliwe obejmować relacje ilościowe modele powinno dać się weryfikować doświadczalnie Inżynieria Biomedyczna, I rok

7 Inżynieria Biomedyczna, I rokProgram wykładów Równowagi w roztworach elektrolitów Elementy termodynamiki Elementy elektrochemii Trochę mechaniki kwantowej budowa atomu, cząsteczki, wiązania chemiczne Stany materii, reguła faz Kinetyka reakcji Koloidy Inżynieria Biomedyczna, I rok

8 Inżynieria Biomedyczna, I rokProgram laboratorium Stężenia roztworów + stechiometria Równowaga chemiczna, Kolokwium nr 1, Dysocjacja elektrolityczna + pH roztworu, Kolokwium nr 2 Równowagi w roztworach związków trudnorozpuszczalnych, Kolokwium nr 3 Roztwory buforowe, hydroliza , Kolokwium nr 4 Kolokwium nr 5, elementy analizy chemicznej, pobranie szła i przygotowanie szła Elementy analizy jakościowej Elementy analizy ilościowej Inżynieria Biomedyczna, I rok

9 Inżynieria Biomedyczna, I rokHARMONOGRAM ZAJĘĆ Zajęcia nr1-6: 06.10; 13.10; 20.10; 27.10; 03.11; Grupy 1,2,3 godzina Grupy 4,5,6 godzina Grupy 7,8,9 godzina Grupy 10,11 godzina Grupa 1,2,3,7,8,9 Zajęcia nr 7-10: 17.11; 01.12; ; Grupa 1,2,3 godzina Grupa 7,8,9 godzina Grupa 4,5,6,10,11 24.11; ; Grupa 4,5,6 godzina Grupa 10,11 godzina Inżynieria Biomedyczna, I rok

10 Inżynieria Biomedyczna, I rokPodział reakcji Wszystkie reakcje chemiczne można podzielić na odwracalne i nieodwracalne: Reakcja nieodwracalna przebiega tylko w jednym kierunku od substratów do produktów ( ) Reakcja odwracalna może przebiegać w obu kierunkach () Reakcje nieodwracalne przebiegają tak długo, aż wyczerpie się jeden lub kilka substratów c Inżynieria Biomedyczna, I rok

11 Inżynieria Biomedyczna, I rokA reakcje odwracalne ? Równowaga Inżynieria Biomedyczna, I rok

12 Szybkość reakcji chemicznejDla reakcji chemicznej opisanej równaniem: Szybkość reakcji: Gdzie szybkość zmian stężenia reagenta i k- stała reakcji, ,  - rząd reakcji Szybkość reakcji często można przedstawić za pomocą równania (empirycznego) kinetycznego: Inżynieria Biomedyczna, I rok

13 Szybkość reakcji odwracalnejgdzie k1 i k2 - stałe szybkości reakcji, zależne tylko od rodzaju reakcji, temperatury i ciśnienia całkowitego (dla reakcji w fazie gazowej) SZYBKOŚĆ REAKCJI CZAS Inżynieria Biomedyczna, I rok

14 Inżynieria Biomedyczna, I rokPrawo równowagi W stanie równowagi termodynamicznej ustala się stan równowagi dynamicznej: prędkość reakcji prostej i odwrotnej jest taka sama Stężenie reagenta i w stanie równowagi Inżynieria Biomedyczna, I rok

15 Inżynieria Biomedyczna, I rokPrawo równowagi W stanie równowagi, W STAŁEJ TEMPERATURZE, dla reakcji odwracalnej, stosunek iloczynu stężeń produktów do iloczynu stężeń substratów jest stały, przy czym wszystkie stężenia są podniesione do potęg będących współczynnikami stechiometrycznymi. Stała K, zwana stałą równowagi, zależy tylko od temperatury. Nie zależy od ilości (stężeń) substratów/produktów WAŻNE Inżynieria Biomedyczna, I rok

16 Stała równowagi K (różny zapis)to jest ogólne prawo równowagi ...(prawo działania mas, a-aktywność) to jest prawo równowagi dla reakcji w gazach, przy niezbyt wysokich ciśnieniach (pA, pB, pC, pD –ciśnienia cząstkowe poszczególnych gazów) to jest prawo równowagi dla reakcji w mieszaninach (roztworach), przy niezbyt wysokich stężeniach ([A], [B], [C], [D] - stężenia poszczególnych składników) Inżynieria Biomedyczna, I rok

17 Prawo Daltona (ciśnienie cząstkowe gazu)Dla mieszaniny gazów, ciśnienie całkowite jest sumą ciśnień jakie wywierałby każdy gaz, gdyby znajdował się sam w tym naczyniu: n-liczba moli R- stała gazowa R=8.314 J/(mol·K) T-temperatura bezwzględna [K] p1, p2… ciśnienia cząstkowe (parcjalne)

18 Zapisywanie stałej równowagi KUkład homogeniczny (substraty i produkty reakcji występują w tym samym stanie skupienia) Układ heterogeniczny (substraty i produkty reakcji występują w różnym stanie skupienia) Ciała stałe i ciecze nigdy nie występują w wyrażeniu na stałą równowagi Inżynieria Biomedyczna, I rok

19 Inżynieria Biomedyczna, I rokWłasności równowagi Układy w równowadze są DYNAMICZNE (stała i taka sama prędkość reakcji prostej i odwrotnej) ODWRACALNE Równowagę można osiągnąć z każdego kierunku W stanie równowagi występują wszystkie reagenty Jeżeli K>>1 w stanie równowagi dominują produkty Jeżeli znamy wartość K i stężenia aktualne to można określić: Czy układ jest w stanie równowagi W którą stronę biegnie reakcja Inżynieria Biomedyczna, I rok

20 Inżynieria Biomedyczna, I rokRównoważnik reakcji Pozwala przewidzieć w która stronę przebiega reakcja Jeżeli K>Q to reakcja biegnie w stronę produktów Jeżeli K Jeżeli K=Q to reakcja „w stanie równowagi” Inżynieria Biomedyczna, I rok

21 Jeszcze o stałej równowagiJednostki stężenia: [ ] mol/dm3 otrzymujemy Kc Dla składników gazowych, p=(n/V)·RT p jest proporcjonalne do stężenia, Jeżeli p wyrażone jest w atmosferach otrzymujemy Kp Kc i Kp mają różne wartości (chociaż ilości składników są takie same) Jednostka stałej K zależy od współczynników stechiometrycznych reakcji oraz sposobu wyrażenia koncentracji składników Inżynieria Biomedyczna, I rok

22 Jaka jest relacja pomiędzy Kc i Kp ?[B] [C] [D] gdzie ∆n=(c+d)-(a+b) Jeżeli ∆n=0 to Kp=Kc Inżynieria Biomedyczna, I rok

23 O równowadze raz jeszcze: wartość K (1)Kiedy reakcja „faworyzuje” tworzenie produktów a kiedy substratów? W stanie równowagi koncentracja produktów jest dużo większa niż koncentracja substratów T=300K K>>1 Reakcja silnie faworyzuje tworzenie produktów Inżynieria Biomedyczna, I rok

24 O równowadze raz jeszcze (2)K<<1 W stanie równowagi koncentracja produktów jest mniejsza niż substratów Reakcja silnie faworyzuje tworzenie substratów …..a w przypadku reakcji odwrotnej? Reakcja silnie faworyzuje tworzenie produktów Inżynieria Biomedyczna, I rok

25 Równowaga i bodźce zewnętrzneStan równowagi może być przesunięty jeżeli zmienimy: koncentrację składników ciśnienie zewnętrzne (w przypadku reagentów gazowych) temperaturę Reguła przekory Le Chateliera Jeśli w warunkach równowagi zmienimy jeden z parametrów reakcji (temperaturę lub ciśnienie), to równowaga reakcji przesunie się w taki sposób, by zmniejszyć działanie bodźca (układ przeciwstawi się zmianie) ... Henri Le Chatelier Inżynieria Biomedyczna, I rok

26 Przesunięcie stanu równowagi: zmiana koncentracjiJeżeli koncentracja jednego ze składników ulegnie zmianie koncentracja pozostałych reagentów zmienia się tak aby wartość stałej równowagi pozostała niezmieniona (w T=const) K jest stałe-jedynie przesunięcie położenia stanu równowagi DODANIE PRODUKTÓW równowaga przesuwa się w stronę tworzenia substratów DODANIE SUBSTRATÓW równowaga przesuwa się w stronę tworzenia produktów TWORZENIE GAZU, STRĄCANIE USUWANIE PRODUKTÓW - często stosowane jako siła napędowa „zakończenia reakcji” Inżynieria Biomedyczna, I rok

27 Efekt zmiany ciśnienia (równowaga w gazach)Wzrost ciśnienia (zmniejszenie objętości) 4 mole gazu 2 mole gazu przesunięcie w prawo w stronę mniejszej ilości moli gazów

28 Efekt zmiany ciśnienia (równowaga w gazach)spadek ciśnienia (zwiększenie objętości) 4 mole gazu przesunięcie w lewo w stronę większej ilości moli gazów 2 mole gazu

29 Inżynieria Biomedyczna, I rokWpływ temperatury na równowagę chemiczną (1) reakcje egzotermiczne (Q<0) Zmiana temperatury  zmiana K Zmiana T: nowe położenie stanu równowagi, nowe K !!! Wzrost temperatury stan równowagi przesuwa się w lewo (w kierunku tworzenia substratów): K maleje jak T rośnie Spadek temperatury stan równowagi przesuwa się w prawo (w kierunku tworzenia produktów): K rośnie jak T maleje Obniżenie T Wzrost T Inżynieria Biomedyczna, I rok

30 Inżynieria Biomedyczna, I rokWpływ temperatury na równowagę chemiczną (2) reakcje endotermiczne (Q>0) bezbarwny brązowy Ze wzrostem T stan równowagi przesuwa się w stronę tworzenia produktów ( w kierunku reakcji endotermicznej). Ze wzrostem T dla reakcji endotermicznej następuje wzrost stałej równowagi K Inżynieria Biomedyczna, I rok