Cursuri Chimie-Fizica

1.Introducere.Scopul chimiei fizice

Deşi natura problemelor cu care se ocupa chimia fizica este bine definita, totuşi nu este simplu să se dea o definiţie precisă şi completă a acestei discipline.

Chimia- stiinţa care se ocupă cu transformarea naturii substanţei

Fizica- stiinţa care se ocupă cu transformarea naturii energiei.(Este criticabilă împartirea netă a fenomenelor în chimice şi fizice).

Chimia- fizica - studiază interacţiunea între materie şi energie

- utilizează legile fundamentale ale chimiei şi fizicii şi elaborează noi legi cu care stabileşte:

1. Dacă o transformare este posibilă sau nu.

2. Dacă transformarea este posibilă stabileşte şi starea limită o acestei transformari – starea de echilibru chimic

3. Condiţiile în care starea de echilibru este stabilă

4. Viteza cu care se ajunge la starea de echilibru, şi parametrii care influientează aceasta viteză.

5. Natura schimbului de energie şi mărimea energiei care însoteste transformarea

6. Determinarea drumului urmat de sistem şi mecanismul transformării

7. Cunoaşterea structurii fazelor

8. Cunoaşterea structurii moleculelor, atomilor.

Chimia-fizica se ocupă de:

- Aspectul macroscopic (fenomene la nivel obişnuit):

- proprietaţile sistemului se pot măsura cu metode obişnuite

- Termodinamica

- Electromagnetism

- Aspectul microscopic(fenomene la scară moleculară):

- cercetare cu metode speciale

- Mecanica cuantică

- Mecanica statistică

Cele patru metode sunt diferite ca procedeu şi mod de abordare.

Aplicaţiile chimiei fizice:

- descoperirea de noi substanţe, procedee, forme de energie

Capitolele chimiei- fizice:

I. Structura moleculară

Legile clasice ale chimiei

II. Stări de agregare (starea gazoasă, lichidă şi solidă)

III. Termodinamica chimică

- principiul I, II, III

- termochimia, echilibrul chimic

- termodinamica soluţiilor de neelectroliţi

Termodinamica radiaţiilor

IV. Cinetica chimiei

- condiţiile de reacţie chimică

- calcularea timpului necesar unei transformari

- conditiile de lucru pentru a realiza o anumită transformare

V. Electrochimia

- soluţiile apoase de electroliţi

VI. Teoria fenomenelor superficiale

- adsorbţie şi coloizi

VII. Fotochimie

Analiza dimensională

Chimia- fizică este o ştiinţă experimentală (sub aspect fundamental).Progresul este dat de compararea rezultatelor obţinute din experienţă cu cele calculate pe cale teoretică.

Ştiinţele experimentale se ocupă cu:

- strângera de informaţii prin observare

- clasificarea informaţiilor şi observarea regularităţilor

- explicarea regularităţilor

Pentru a putea fi comparate cantitativ, feneomenelor li se atasează mărimi susceptibile de a fi măsurate.

În chimia fizică întâlnim mărimi fizice şi fizico- chimice, care reprezintă concepte ataşate diferitelor proprietăţi care sunt legate între ele prin relaţii matematice denumite legi.

Ecuaţiile care reprezintă legile fizicii sunt de forma:

f(x,y, ) = 0

unde: x.y- reprezintă variabilele mărimilor care întervin în aceste legi

În unele cazuri se pot prezenta şi ca inegalităţi

f(x,y, ) > 0

f(x,y, ) < 0 (Termodinamica)

F = m - a (Legea lui Newton: căderea corpurilor)

[1N]= [1kg] - [1m/s2 ] - formula dimensionala F = m - l - t -2

Formula dimensională reprezintă o ecuaţie covenţională care arată că unităţile de măsură asociate diferitelor proprietăţi sunt legate între ele

O ecuatie matematică :

- exprimă o lege fizică

- exprimă dimensiunile fiecarui termen

Mărimile care exprimă legile fizicii şi chimiei sunt:

- mărimi fundamentale- introduce un conţinut fizic nou şi sunt introduse numai prin experienţa

- mărimi derivate - sunt introduse cu ajutorul a două sau a mai multor mărimi fundamentale

Exemple:

- în cinematică – mărimi fundamenatle: lungimea(l), timpul(t)

- unităţi fundamentale: metrul secunda

- în dinamică - mărimi fundamentale: l, t, masa

- unităţi fundamentale: m,s,kg

- în caldură - mărimi fundamentale: l, t, masa, temperatura

- unităţi fundamentale: m,s,kg , K

- în electricitate - mărimi fundamentale: l, t, masa, intensitatea curentului electric

- unităţi fundamentale: m,s,kg, A

În legile fizicii şi chimiei intervin şi constante:

1. Constante definite:

- 1mol- Numărul de particule de substanţă cu o anumită formulă chimică egal cu numărul atomilor aflat în 12g de nuclid de 126C.

- Unitatea unitară de masa atomică – Cantitatea de substanţă egală cu cea aflată în a 12-a parte a atomului de nuclid 126C.

- 1atm = 1,01325 - 105N/m2

- Temperatura termodinamică -273,16 (Temperatura de topire a apei pure:0,01°C+273,15- TTriplu al apei)

2. Constante fundamentale:

- Viteza luminii în vid: c = 3•105 cm/s

- Numarul lui Avogadro: NA= 6,023•1023 molecule/mol

- Numarul lui Farraday : F = 96500 C/echivalent gram(val)

3.Constante derivate:

- Sarcina electronului: e = = - 1,6 - 10-19 C

- Constanta gazelor: R = = 8,3147/(mol - K)

2.1Teorema Π

Este legea de bază a analizei dimensionale:

Dacă se consideră:

1. f (v1, v2, , vn) = 0 o ecuaţie scrisă pe baza variabilelor şi constantelor dimensionale v1, v2, , vn (care sunt produse dimensionale ale celor „m” mărimi fundamentale alese), teorema Π arată că relaţia (1) se poate scrie sub forma:

2. F(Π 1, Π 2, , Π n –m) = 0 în care Π 1, Π 2, , Π n –m sunt produse adimensionale independente care se pot forma din mărimile v1, v2, , vn

Se observă imediat că o ecuaţie conţine un singur produs adimensional:

F(Π) = 0 sau Π = constant

Pentru n-m ≥ 2 F(Π 1, Π 2, ,) = 0 sau Π 1 = φ(Π 2, Π 3, ,) şi astfel determinarea experimentală a relaţiei dintre cele „n” mărimi dimensionale se reduce la determinarea legăturilor între cele „n-m” produse adimensionale

Aplicarea teoremei Π necesită astfel cunoaşterea ecuaţiilor adimensionale ale fiecărei mărimi care intră în caracterizarea fenomenului.

Se poate verifica dacă o lege este formulată exact sau nu.

Teorema omogenităţii ecuaţiilor

Într-o ecuaţie termenii care se adună au aceleaşi dimensiunii, membrul I are aceeaşi dimensiune cu membrul II

Mărimi – dimensionale = au dimensiune

- adimensionale: Exemplu Π = 3,14

Toate funcţiile transcedente nu au dimensiuni nici ele nici argumentul lor.

Exemplu: 1. sin x ; 2. ex ; lg p/1= atm/atm ; k = k0 e

Cursul nr.2

1. Stările de agregare ale substanţelor

Se poate spune că toate regiunile naturii sunt constituite din câmpuri şi substanţe, care corespund fie unor elemente, fie unor combinaţii şi amestecurilor lor, ceea ce explică diversitatea atât de mare a naturii, substanţa fiind o denumire de abstractizare a naturii materiale.

Aceste regiuni din mediul înconjurător (sau chier corpul omenesc), supuse unor observaţii, impun o caracterizare generală corespunzătoare proprietăţilor ca vizibil, invizibil, culoare, aspect geometric, senzaţie la pipăit, la miros, etc.