background image

2011-10-04 

PODSTAWY CHEMII 

INŻYNIERIA BIOMEDYCZNA 

Wykład 1 

 

2011-10-04 

Inżynieria Biomedyczna, I rok 

PODSTAWY CHEMII

   

Wykładowca 

Prof. dr hab. inż. Marta Radecka,  
 

A-0, III p. 304, tel (12) (617) 25-26 

e-mail: 

radecka@agh.edu.pl 

Strona www: 

http://galaxy.uci.agh.edu.pl/~radecka/ 
 
http://www.agh.edu.pl/ 
     

Pracownicy 

     

 

Strony domowe pracowników 

   

 

 

 

Marta Radecka 

background image

2011-10-04 

2011-10-04 

Inżynieria Biomedyczna, I rok 

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 2009 r.) 

Zaliczenie przedmiotu 

Skala 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 

0.4 oceny laboratorium 

 

2011-10-04 

Inżynieria Biomedyczna, I rok 

background image

2011-10-04 

2011-10-04 

Inżynieria Biomedyczna, I rok 

Najważniejsze podręczniki 

*

A.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 

 

2011-10-04 

Inżynieria Biomedyczna, I rok 

Chemia jest nauką przyrodniczą 

Definicja: 

 

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 

 

background image

2011-10-04 

2011-10-04 

Inżynieria Biomedyczna, I rok 

Program wykładów  

Równowagi w roztworach elektrolitów 

Elementy termodynamiki 

Elementy elektrochemii 

Trochę mechaniki kwantowej (wiązania chemiczne) 

Stany materii, reguła faz 

Kinetyka reakcji  

Związki kompleksowe 

Jak zdążymy !!! 

Program 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 

2011-10-04 

Inżynieria Biomedyczna, I rok 

background image

2011-10-04 

HARMONOGRAM ZAJĘĆ 

2011-10-04 

Inżynieria Biomedyczna, I rok 

http://galaxy.uci.agh.edu.pl/~radecka/

 

 

Zajęcia nr1-6: 

11.10; 18.10; 25.10; 08.11; 15.11; 22.11. 2011 

Grupy 1,2,3 godzina 8.00-9.30 

Grupy 4,5,6 godzina 9.45-11.15 

Grupy 7,8,9 godzina 11.30-13.00 

Grupy 10,11,12 godzina 13.15-14.45 

  

Grupa 1,2,3,7,8,9 

Zajęcia nr 7-10: 

29.11.; 13.12.2011; 03.01.; 17.01.2012  

Grupa 1,2,3 godzina 8.00-11.00 

Grupa 7,8,9 godzina 11.15-14.15 

  

Grupa 4,5,6,10,11,12 

Zajęcia nr 7-10: 

06.12; 20.12 2011; 10.01.;24.01 2012 

Grupa 4,5,6 godzina 8.00-11.00 

Grupa 10,11,12 godzina 11.15-14.15 

 

 

 

2011-10-04 

Inżynieria Biomedyczna, I rok 

10 

Podział 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 

background image

2011-10-04 

2011-10-04 

Inżynieria Biomedyczna, I rok 

11 

A reakcje odwracalne ? 

 

 

Równowaga 

Dla reakcji chemicznej opisanej równaniem: 

 

 

Szybkość reakcji: 

 

 

 

 

Szybkość reakcji chemicznej 

2011-10-04 

Inżynieria Biomedyczna, I rok 

12 

dD

cC

bB

aA

dt

dc

d

1

dt

dc

c

1

dt

dc

b

1

dt

dc

a

1

v

D

C

B

A

Szybkość reakcji często można 

przedstawić za pomocą równania 

(empirycznego) kinetycznego: 

β

B

α

A

c

kc

v

dt

dc

i

k- stała reakcji,  

 - rząd reakcji  

Gdzie  

szybkość zmian stężenia  reagenta 

 

background image

2011-10-04 

2011-10-04 

Inżynieria Biomedyczna, I rok 

13 

Szybkość reakcji odwracalnej 

gdzie 

k

1

 

k

- stałe 

szybkości reakcji, zależne 

tylko  od rodzaju reakcji, 

temperatury i ciśnienia  

całkowitego (dla reakcji w 

fazie gazowej) 

dD

cC

bB

aA

2

2

β

D

α

C

2

2

c

c

k

v

1

1

β

B

α

A

1

1

c

c

k

v

 

CZAS 

S

Z

YB

KOŚĆ 

  REA

KCJI

 

1

v

2

v

1

v

2

v

2

1

V

V

2011-10-04 

Inżynieria Biomedyczna, I rok 

14 

Prawo równowagi 

 

W  stanie  równowagi  termodynamicznej  ustala  się  stan 

równowagi dynamicznej

: prędkość reakcji prostej i odwrotnej 

jest taka sama  

dD

cC

bB

aA

2

1

v

v

2

2

1

1

β

D(R)

α

C(R)

2

β

B(R)

α

A(R)

1

c

c

k

c

c

k

2

2

1

1

β

B(R)

α

A(R)

β

D(R)

α

C(R)

2

1

c

c

c

c

k

k

K

α

i(R)

c

Stężenie reagenta i 

w stanie równowagi 

background image

2011-10-04 

2011-10-04 

Inżynieria Biomedyczna, I rok 

15 

Stała K, zwana stałą równowagi, zależy tylko od 

temperatury

. Nie zależy od ilości (stężeń) 

substratów/produktów 

WAŻNE 

Prawo 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. 

2

2

1

1

β

B(R)

α

A(R)

β

D(R)

α

B(R)

c

c

c

c

K

2011-10-04 

Inżynieria Biomedyczna, I rok 

16 

Stała równowagi K (różny zapis) 

K

a

a

a

a

b

B

a

A

d

D

c

C

dD

cC

bB

aA

p

b

B

a

A

d

D

c

C

K

p

p

p

p

to jest ogólne prawo równowagi

 

...(prawo działania mas, a-aktywność) 

to jest prawo równowagi dla reakcji w 

gazach, przy niezbyt wysokich 

ciśnieniach (p

A

, p

B

, p

C

, p

D

 –ciśnienia 

cząstkowe poszczególnych gazów) 

to jest prawo równowagi dla reakcji w 

mieszaninach (roztworach), przy niezbyt 

wysokich stężeniach ([A], [B], [C], [D] - 

stężenia poszczególnych składników) 

c

b

a

d

c

K

[B]

[A]

[D]

[C]

background image

2011-10-04 

Prawo Daltona (ciśnienie cząstkowe gazu) 

Dla mieszaniny gazów, ciśnienie całkowite jest sumą 

ciśnień jakie wywierałby każdy gaz, gdyby znajdował 

się sam w tym naczyniu: 

....

p

p

p

p

4

2

1

cał

RT

V

n

p

  

RT,

V

n

p

cał

1

2

cał

1

1

p

1

, p

2

…         

ciśnienia cząstkowe 

(parcjalne) 

R- stała gazowa     
R=8.314 J/(mol·K) 
T-temperatura 

bezwzględna  [K] 

2011-10-04 

Inżynieria Biomedyczna, I rok 

18 

Zapisywanie stałej równowagi K 

Układ homogeniczny 

(substraty i produkty reakcji występują w 

tym samym stanie skupienia)  

 

 
 
 
 
 

Układ heterogeniczny 

(substraty i produkty reakcji występują 

w różnym stanie skupienia)  

(g)

2(g)

(s)

2CO

O

2C

]

[O

[C]

[CO]

K

2

2

2

]

[O

[CO]

K

2

2

Ciała stałe i ciecze nigdy nie występują w wyrażeniu na stałą 

równowagi 

2(g)

2(g)

(g)

2

O

4NO

O

2N

5

2

5

2

4

2

]

O

[N

]

O

[

]

[NO

K

2

background image

2011-10-04 

10 

2011-10-04 

Inżynieria Biomedyczna, I rok 

19 

Własności równowagi 

Układy w równowadze są 

DYNAMICZNE 

(stała i taka sama prędkość 

reakcji prostej i odwrotnej) 

ODWRACALNE 

Równowagę można osiągnąć z każdego 

kierunku 

 

2011-10-04 

Inżynieria Biomedyczna, I rok 

20 

Jeszcze o stałej równowagi 

Jednostki stężenia: 

[ ] mol/dm

3

 otrzymujemy 

K

Dla składników gazowych, p=(n/V)·RT 

  p jest proporcjonalne do stężenia,   
  Jeżeli 

p

 wyrażone jest w 

atmosferach

  otrzymujemy K

K

c

 i K

mają różne wartości 

(chociaż ilości składników są takie same) 

Jednostka stałej K zależy od współczynników stechiometrycznych reakcji 

oraz sposobu wyrażenia koncentracji składników 

O

2H

O

2H

2

2

2

1

3

c

2

2

2

2

2

c(1)

dm

mol

]

[K

,

]

[O

]

[H

O]

[H

K

O

H

O

2

1

H

2

2

2

1/2

3

c

1/2

2

2

2

c(2)

dm

mol

]

[K

,

]

[O

]

[H

O]

[H

K

2

c(2)

c(1)

)

(K

K

background image

2011-10-04 

11 

Jaka jest relacja pomiędzy K

c

 i K

2011-10-04 

Inżynieria Biomedyczna, I rok 

21 

g

g

g

g

dD

cC

bB

aA

p

b

B

a

A

d

D

c

C

K

p

p

p

p

c

b

a

d

c

K

[B]

[A]

[D]

[C]

RT

V

n

p

  

RT,

V

n

p

B

B

A

A

RT

V

n

p

  

RT,

V

n

p

D

D

C

C

[A] 

[B] 

[C] 

[D] 

b)

a

d

(c

p

b)

a

d

(c

b

B

a

A

d

D

c

C

C

(RT)

K

(RT)

p

p

p

p

K

Δn

c

p

(RT)

K

K

gdzie ∆n=(c+d)-(a+b) 

Jeżeli ∆n=0 to K

p

=K

c

 

2011-10-04 

Inżynieria Biomedyczna, I rok 

22 

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 

(g)

2

2(g)

2(g)

O

2H

O

2H

 

p

K

K>>1 

Reakcja silnie faworyzuje tworzenie 

produktów 

80

10

5

.

1

2

2

2

O

2

H

2

O

H

p

p

p

T=300K 

background image

2011-10-04 

12 

2011-10-04 

Inżynieria Biomedyczna, I rok 

23 

O równowadze raz jeszcze (2) 

Cl

Ag

gCl

A

(s)

c

K

]

[Cl

]

[Ag

-5

10

1.8

K<<1 

W stanie równowagi koncentracja produktów 

jest mniejsza niż substratów 

Reakcja silnie faworyzuje tworzenie substratów 

…..a w przypadku reakcji odwrotnej? 

 

(s)

AgCl

Cl

Ag



4

1

c

odw

10

5.6

K

K

Reakcja silnie faworyzuje tworzenie produktów 

2011-10-04 

Inżynieria Biomedyczna, I rok 

24 

Równowaga i bodźce zewnętrzne 

Stan równowagi może być przesunięty jeżeli zmienimy: 

koncentrację  składników 

ciśnienie zewnętrzne (w przypadku reagentów 

gazowych) 

temperaturę 

Henri Le Chatelier 

1850-1936 

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) ... 

 

background image

2011-10-04 

13 

2011-10-04 

Inżynieria Biomedyczna, I rok 

25 

Przesunięcie stanu równowagi: 

zmiana koncentracji 

Jeżeli 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 

USUWANIE PRODUKTÓW 
 

- często stosowane jako siła napędowa „zakończenia reakcji” 

TWORZENIE GAZU, STRĄCANIE 

2011-10-04 

26 

4 mole gazu 

2 mole gazu 

przesunięcie w prawo        

w stronę mniejszej ilości  

moli  gazów 

Efekt zmiany ciśnienia (równowaga w gazach) 

3

H

N

2

NH

p

3(g)

2(g)

2(g)

2

2

3

p

p

p

K

2NH

3H

N

Wzrost ciśnienia (zmniejszenie objętości) 

background image

2011-10-04 

14 

2011-10-04 

27 

Efekt zmiany ciśnienia (równowaga w gazach) 

3

H

N

2

NH

p

3(g)

2(g)

2(g)

2

2

3

p

p

p

K

2NH

3H

N

spadek ciśnienia (zwiększenie objętości) 

4 mole gazu 

przesunięcie w lewo        

w stronę większej ilości moli 

gazów 

2 mole gazu 

2011-10-04 

Inżynieria Biomedyczna, I rok 

28 

Wpływ 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

:  

  K maleje jak T rośnie 

Spadek temperatury 

  stan równowagi przesuwa się 

w prawo

:  

 

K rośnie jak T maleje 

 

 

Q

CO

O

C

2(g)

2(g)

(s)

]

[O

]

[CO

K

2(g)

2(g)

c

]

[CO

,

]

[O

2(g)

2(g)

]

[CO

,

]

[O

2(g)

2(g)

Spadek T 

Wzrost T 

background image

2011-10-04 

15 

2011-10-04 

Inżynieria Biomedyczna, I rok 

29 

Wpływ temperatury na równowagę chemiczną (2) 

reakcje endotermiczne (Q>0) 

Q

2NO

O

N

2

4

2

]

O

[N

]

[NO

K

4

2

2

2

c

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