Studijní podpory - 1. Základní pojmy z fyzikální chemie

VUT FSI v Brně

1. Základní pojmy z fyzikální chemie


	‹‹ úvod 1.1 Zákony ideálních plynů 1.2 Koncentrace ideálních roztoků 1.3. Aktivita 1.4. Rovnovážná konstanta

1.1 Zákony ideálních plynů Význam tématu a jeho praktické využití Na průběhu téměř všech metalurgických reakcí se podílejí plyny. Fyzikální stav plynu je jednoznačně určen stavovými veličinami - teplotou, tlakem, objemem a látkovým množstvím. Studium plynného stavu vedlo k zavedení pojmu ideální plyn. Uplatnění modelu ideálního plynu v metalurgii je možné, protože řada procesů probíhá za relativně nízkých tlaků a za vysokých teplot. Při nízkém tlaku lze zanedbat vlastní objem molekul proti jejich vzdálenostem, při vysoké teplotě lze zanedbat mezimolekulární síly, protože kinetická energie pohybujících se molekul výrazně převyšuje energii mezimolekulárního působení. Metalurgie pracuje s roztoky roztavených kovů. Koncentrace jednotlivých látek v roztoku se projevuje parciálním tlakem par uvažované látky. Vysvětlení základních pojmů Definice ideálního plynu vychází ze dvou základních předpokladů: ideální plyn je složen z bodových částic (neuvažuje se vlastní objem molekul částic plynu), mezi nimiž neexistuje silové (mezimolekulární) působení; vlastnosti ideálních plynů se přesně řídí některými zákony společně nazývanými jako zákony ideálních plynů. Molární objem plynu je objem, který zaujímá jeden mol plynu za standardních podmínek (p = 101 325 Pa, T = 273,15 K ), a činí 22,4 dm3/mol. Parciální tlak je tlak určité složky (plynu) nad roztokem. V případě jednosložkové dvoufázové soustavy tvořené čistou látkou a její parou je parciální tlak složky nad roztokem současně roven celkovému tlaku. V případě, že nad roztokem bude směs plynů, lze celkový tlak vyjádřit součtem parciálních (vlastních) tlaků jednotlivých plynů směsi. Úvod do problému Boyle-Mariottův zákon vyjadřuje závislost tlaku plynu na jeho objemu. Z něj vyplývá, že tlak plynu v uzavřené soustavě je při konstantní teplotě nepřímo úměrný objemu, který plyn zaujímá. Zjednodušeně lze říci, že součin tlaku a objemu daného množství plynu je při téže teplotě konstantní. Matematickým vyjádřením tohoto zákona je rovnice:
	...(1.1.1)
kde V1 je objem daného látkového množství plynu při tlaku p1, V2 - objem stejného množství plynu při tlaku p2. Gay-Lussacův zákon vyjadřuje závislost objemu plynu na teplotě. Podle něj je objem daného množství plynu za konstantního tlaku přímo úměrný absolutní teplotě.
	...(1.1.2)
kde V1 je objem daného látkového množství plynu při teplotě T1, V2 - objem stejného množství plynu při teplotě T2. Charlesův zákon vyjadřuje závislost tlaku plynu a teploty při konstantním objemu plynu. Podle tohoto zákona je tlak plynu při stálém objemu lineární funkcí teploty.
	...(1.1.3)
Z Boyle-Mariottova a Gay-Lussacova zákona vyplývá stavová rovnice ideálního plynu, vyjadřující vzájemnou závislost všech čtyř stavových veličin.
	...(1.1.4)
kde n je počet molů ideálního plynu a R univerzální plynová konstanta (R = 8,314 J . mol-1 . K-1). Zákony vystihující chování ideálního plynu jsou velmi jednoduché a vyjadřují často s dostatečnou přesností i chování některých reálných plynů. V případě přesnějších výpočtů nebo v případě, že nelze použít rovnici ideálního plynu, je nutno použít rovnici pro reálný plyn, kterých je známo asi 150 typů. Jestliže v soustavě není pouze jediný plyn, ale směs plynů, podílejí se na silovém účinku molekuly několika plynů, takže tlak plynné směsi lze považovat za součet tlakových příspěvků jednotlivých plynů. Z Daltonova zákona aditivity parciálních tlaků vyplývá, že součet všech parciálních složek směsi ideálně se chovajících plynů je roven celkovému tlaku této směsi.
	...(1.1.5)
Ve směsi ideálních plynů se tedy chová každý plyn tak, jako by byl přítomen v daném objemu směsi sám. Na základě stavové rovnice lze pomocí teploty a celkového objemu směsi stanovit jeho tlak; v tomto případě se tedy jedná o parciální tlak daného plynu ve směsi.
Literatura: [1] MYSLIVEC, T.: Fyzikálně chemické základy ocelářství. Praha : SNTL, 1972. [2] MOORE, W. J.: Fyzikální chemie. Praha : SNTL, 1981. [3] KALOUSEK, J., DOBROVSKÝ, L.: Základy fyzikální chemie. 3 vyd. Ostrava 2001. 158 s. ISBN 80-7078-945-X. [4] BRDIČKA, R., KALOUSEK, M., SCHÜTZ, A.: Úvod do fyzikální chemie. 2 vyd. Praha: SNTL, 1972.