Γ ΦΕ K - ΕΑΠ · 2016-09-20 · Μέρος Β΄ Χημική Κινητική Γ....

Χημική

Δυναμική

KΦΕ

52

/Γ

Οργάνωση και Αλληλεπιδράσεις σε Μοριακό Επίπεδο

Τόμος Γ ΄

Οργάνωση και Αλληλεπιδράσεις σε Μοριακό Επίπεδο

Τόμος Γ ΄

Χημική Δυναμική

Δημήτριος ΓαβριήλΛέκτορας ΑριστοτελείουΠανεπιστημίουΘεσσαλονίκηςΓεώργιος ΚαραϊσκάκηςΚαθηγητής Πανεπιστημίου Πατρών

Θερμόμετρο

Μονωτικόκάλυμμα

Συσκευήθερμιδομέτρου

Μείγμααντιδρώντων

Αναδευτήρας

Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του υποέργου 2 με τίτλο «Ανάπτυξη έντυπου εκπαιδευτικού υλικού για τα νέα Προγράμματα Σπουδών» της Πράξης «Ελληνικό Ανοικτό Πανεπιστήμιο» η οποία έχει ενταχθεί στο Επιχειρησιακό Πρόγραμμα «Εκπαίδευση και Διά Βίου Μάθηση» (ΕΠΕΔΒΜ) του ΕΣΠΑ (2007-2013), Άξονας Προτεραιότητας 7: «Ενίσχυση της Διά Βίου Εκπαίδευσης Ενηλίκων στις 8 Περιφέρειες Σύγκλισης» με κωδικό MIS 296121 και η οποία συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο - ΕΚΤ) και από εθνικούς πόρους, μέσω του Προγράμματος Δημοσίων Επενδύσεων (ΠΔΕ) του ΥΠΑΙΘ.


Σημείωση

Το ΕΑΠ είναι υπεύθυνο για την επιμέλεια έκδοσης και την ανάπτυξη των κειμένων σύμφωνα με τη

Μεθοδολογία της εξ Αποστάσεως Εκπαίδευσης. Για την επιστημονική αρτιότητα και πληρότητα των

συγγραμμάτων την αποκλειστική ευθύνη φέρουν οι συγγραφείς, κριτικοί αναγνώστες και ακαδημαϊκοί

υπεύθυνοι που ανέλαβαν το έργο αυτό.

ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟΣχολή Θετικών Επιστημών και Τεχνολογίας

Πρόγραμμα Σπουδών

ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΙΔΙΚΕΥΣΗ ΚΑΘΗΓΗΤΩΝ ΦΥΣΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ

Θεματική ΕνότηταΟΡΓΑΝΩΣΗ ΚΑΙ ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΣΕ ΜΟΡΙΑΚΟ ΕΠΙΠΕΔΟ

Τόμος Γ΄Χημική Δυναμική

ΣυγγραφήΔΗΜΗΤΡΙΟΣ ΓΑΒΡΙΗΛ

Λέκτορας Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης

ΓΕΩΡΓΙΟΣ ΚΑΡΑΪΣΚΑΚΗΣΚαθηγητής Πανεπιστημίου Πατρών

Κριτική ΑνάγνωσηΓΕΩΡΓΙΟΣ ΚΑΡΑΪΣΚΑΚΗΣ

Καθηγητής Πανεπιστημίου Πατρών

ΑΘΑΝΑΣΙΑ ΚΟΛΙΑΔΗΜΑΕπίκουρη Καθηγήτρια Πανεπιστημίου Πατρών

Ακαδημαϊκός Υπεύθυνος για την ανάπτυξη του έντυπου διδακτικού υλικού του ΠΣ ΓΕΩΡΓΙΟΣ ΚΑΡΑΪΣΚΑΚΗΣ


Συντονιστής για την ανάπτυξη του έντυπου διδακτικού υλικού της ΘΕΓΕΩΡΓΙΟΣ ΚΑΡΑΪΣΚΑΚΗΣ


Ειδικός στη Μεθοδολογία της Ανοικτής και εξ Αποστάσεως ΕκπαίδευσηςΓΕΩΡΓΙΟΣ ΚΟΥΛΑΟΥΖΙΔΗΣ

Γλωσσική ΕπιμέλειαΑΝΝΑ ΒΛΑΧΟΔΗΜΟΥ

Τεχνική Επιμέλεια – Καλλιτεχνική Επιμέλεια – Σελιδοποίηση

ΒΙΒΛΙΟΤΕΧΝΙΑΠΑΠΠΑΣ ΦΩΤΙΟΣ - ΔΟΥΒΟΥ ΣΕΒΑΣΤΗ Ο.Ε.

ISBN: 978-960-538-972-7

Κωδικός Έκδοσης: ΚΦΕ 52/Γ

Copyright © 2015 για την Ελλάδα και όλο τον κόσμοΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ

Πάροδος Αριστοτέλους 18, 26335 Περιβόλα Πατρών – Τηλ.: 2610 367300, Φαξ: 2610 367650

To παρόν έργο πνευματικής ιδιοκτησίας προστατεύεται κατά τις διατάξεις του Ελληνικού Νόμου (Ν. 2121/1993 όπως έχει τροποποιηθεί και ισχύει σήμερα) και τις διεθνείς συμβάσεις περί πνευματικής ιδιοκτησίας. Απαγορεύεται απολύτως η άνευ γραπτής αδείας του εκδότη, κατά οποιονδήποτε τρόπο ή μέσο, αντιγραφή, φωτοανατύπωση και εν γένει αναπαραγωγή, εκμίσθωση ή δανεισμός, μετάφραση, διασκευή, αναμετάδοση στο κοινό σε οποιαδήποτε μορφή (ηλεκτρονική, μηχανική κ.λπ.) και η εν γένει εκμετάλλευση του συνόλου ή μέρους του έργου.

ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ

Σχολή Θετικών Επιστημών και Τεχνολογίας

Πρόγραμμα Σπουδών

ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΙΔΙΚΕΥΣΗ ΚΑΘΗΓΗΤΩΝ ΦΥΣΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ

Θεματική Ενότητα

ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΚΑΙ ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΕΙΣ ΣΕ ΜΟΡΙΑΚΟ ΕΠΙΠΕΔΟ

Τόμος Γ΄


ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ ΓΑΒΡΙΗΛ

Λέκτορας Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης

ΓΕΩΡΓΙΟΣ ΚΑΡΑΪΣΚΑΚΗΣ


ΠΑΤΡΑ 2015

Βιογραφικά

Ο Δημήτριος Γαβριήλ είναι Λέκτορας στο Τμήμα Χημείας του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης από το 2014, με γνωστικό αντικείμενο τη Φυσικοχημεία. Είναι κάτοχος πτυχίου και διδακτορικού διπλώματος (1999) του Τμήματος Χημείας του Πανεπιστημίου Πατρών. Το 2002-2003 ήταν μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Τμήμα Χημείας του Πανεπιστημίου Leiden (Ολλανδία). Η έρευνά του εστιάζεται σε φυσικοχημικές μετρήσεις που σχετίζονται με διεπιφανειακές αλληλεπι-δράσεις και χαρακτηρισμό υλικών με χρωματογραφικές τεχνικές. Είναι συγγραφέας 37 επιστημο-νικών δημοσιεύσεων στα παραπάνω ερευνητικά πεδία.

Ο Γεώργιος Καραϊσκάκης είναι Καθηγητής στο Τμήμα Χημείας του Πανεπιστημίου Πατρών από το 1990, με ειδικότητα στη Φυσικοχημεία. Είναι κάτοχος πτυχίου (1971) και διδακτορικού διπλώ-ματος (1977) του Τμήματος Χημείας του Πανεπιστημίου Πατρών. Η έρευνά του εστιάζεται στη φυσικοχημεία των διεπιφανειών και στο χαρακτηρισμό κολλοειδών υλικών και μακρομορίων και βρίσκει εφαρμογή σε σημαντικούς κλάδους της επιστήμης, όπως στο «περιβάλλον», στα «υλικά» και στα «τρόφιμα». Είναι συγγραφέας 6 διδακτικών συγγραμμάτων, πάνω από 120 επιστημονικών δημοσιεύσεων και έχει παρουσιάσει περισσότερες από 80 εργασίες σε διεθνή επιστημονικά συνέ-δρια στα παραπάνω ερευνητικά πεδία.

Περιεχόμενα

Πρόλογος................................................................................................................15

Μέρος Α΄ Θερμοδυναμική Δ. Γαβριήλ

ΚΕΦΑ Λ Α ΙΟ 1

Η ενέργεια και ο πρώτος θερμοδυναμικός νόμος

Σκοπός, Προσδοκώμενα Αποτελέσματα, Έννοιες-Κλειδιά,

Εισαγωγικές Παρατηρήσεις ................................................................................21

1.1 Βασικές έννοιες ...........................................................................................24

1.1.1 Θερμοδυναμικό σύστημα ................................................................24

1.1.2 Μικροσκοπική και μακροσκοπική άποψη

του συστήματος .................................................................................27

1.1.3 Καταστάσεις ισορροπίας .................................................................28

1.1.4 Ιδιότητες, καταστάσεις, φάσεις, διεργασίες και κύκλοι ..............29

1.1.5 Διάκριση των καταστατικών ιδιοτήτων από

τις συναρτήσεις της διαδρομής .......................................................30

1.1.6 Εκτατικές και εντατικές ιδιότητες .................................................30

1.1.7 Φάσεις, διεργασίες και κύκλοι ........................................................32

1.1.8 Είδη διεργασιών ...............................................................................36

1.1.9 Μηδενικός νόμος της θερμοδυναμικής .........................................36

1.2 Ενέργεια, έργο και θερμότητα ..................................................................39

1.2.1 Είδη έργου .........................................................................................40

1.2.2 Έργο p V αντιστρεπτής μεταβολής .............................................41

1.2.3 Έργο p V μη αντιστρεπτής μεταβολής .......................................46

1.2.4 Υπολογισμός της θερμότητας .........................................................47

1.3 Εσωτερική ενέργεια ....................................................................................50

1.3.1 Η εσωτερική ενέργεια ως καταστατική συνάρτηση ....................50

8 ΧΗΜ ΙΚΗ ΔΥΝΑΜ ΙΚΗ

1.3.2 Υπολογισμός της εσωτερικής ενέργειας στην περίπτωση

των αερίων .........................................................................................51

1.4 Πρώτος θερμοδυναμικός νόμος ...............................................................56

1.5 Ενθαλπία ......................................................................................................61

1.6 Απαραίτητες σχέσεις για την επίλυση των προβλημάτων .....................69

1.7 Θερμοχημεία ................................................................................................70

1.7.1 Ενθαλπία αντίδρασης ......................................................................70

1.7.2 Θερμοχημικοί νόμοι .........................................................................72

1.7.3 Μετατροπή έργου σε θερμότητα – Πείραμα Joule-Thomson .......75

Ασκήσεις Κεφαλαίου ............................................................................................78

Σύνοψη ...................................................................................................................81

Λίστα Ελέγχου Γνώσεων .....................................................................................84

Βιβλιογραφία .........................................................................................................85

Οδηγός για Περαιτέρω Μελέτη ..........................................................................86

Απαντήσεις σε Ασκήσεις Αυτοαξιολόγησης .....................................................87

Απαντήσεις Δραστηριοτήτων ..............................................................................90

Απαντήσεις Ασκήσεων Κεφαλαίου ....................................................................94

Κατάλογος σχημάτων ...........................................................................................96

Κατάλογος πινάκων..............................................................................................97


Η εντροπία και οι αυθόρμητες μεταβολές



2.1 Δεύτερος θερμοδυναμικός νόμος ...........................................................101

2.1.1 Διατύπωση του δεύτερου νόμου ..................................................101

2.1.2 Κύκλος του Carnot – Αρχικές διατυπώσεις

του δεύτερου νόμου .......................................................................102

ΠΕΡ ΙΕΧΟΜΕΝΑ 9

2.1.3 Θερμοδυναμική κλίμακα θερμοκρασιών ....................................105

2.1.4 Εξαγωγή της έννοιας της εντροπίας από τον κύκλο

του Carnot – Φυσική σημασία ........................................................105

2.1.5 Υπολογισμός της μεταβολής της εντροπίας ................................111

2.1.6 Ανισότητα του Clausius ..................................................................113

2.2 Τρίτος θερμοδυναμικός νόμος ................................................................117

2.2.1 Διατυπώσεις του τρίτου νόμου .....................................................117

2.2.2 Υπολογισμός της μεταβολής της εντροπίας

σε μετατροπές φάσεων ...................................................................119

2.2.3 Υπολογισμός της μεταβολής της εντροπίας

σε χημικές αντιδράσεις ..................................................................120

Ασκήσεις Κεφαλαίου ..........................................................................................124

Σύνοψη .................................................................................................................126

Λίστα Ελέγχου Γνώσεων ...................................................................................128

Βιβλιογραφία .......................................................................................................129

Οδηγός για Περαιτέρω Μελέτη ........................................................................129

Απαντήσεις σε Ασκήσεις Αυτοαξιολόγησης ...................................................130

Απαντήσεις Δραστηριοτήτων ............................................................................131

Απαντήσεις Ασκήσεων Κεφαλαίου ..................................................................135

Κατάλογος σχημάτων .........................................................................................137

Κατάλογος πινάκων............................................................................................137


Καταστάσεις ισορροπίας


Εισαγωγικές Παρατηρήσεις ............................................................................. 139

3.1 Συνθήκες ισορροπίας και αυθόρμητες μεταβολές ...............................142

3.2 Ενέργειες Helmholtz και Gibbs .................................................................147

1 0 ΧΗΜ ΙΚΗ ΔΥΝΑΜ ΙΚΗ

3.2.1 Μετασχηματισμοί Legendre ...........................................................148

3.2.2 Εξισώσεις Maxwell ..........................................................................150

3.2.3 Διερεύνηση των συναρτήσεων A και G .......................................152

3.2.4 Εξάρτηση της συνάρτησης Gibbs από τη θερμοκρασία

και την πίεση ....................................................................................156

3.2.5 Εξάρτηση της συνάρτησης Gibbs από τη σύσταση

του συστήματος ...............................................................................158

3.3 Ισορροπία φάσεων ....................................................................................160

3.3.1 Συνθήκη ισορροπίας φάσεων ........................................................160

3.3.2 Νόμος των φάσεων του Gibbs .......................................................162

3.3.3 Διερεύνηση του νόμου των φάσεων ............................................163

3.3.4 Εφαρμογή του νόμου των φάσεων σε απλό σύστημα

ενός συστατικού ..............................................................................165

3.3.5 Ισορροπία ατμών/υγρού για σύστημα ενός συστατικού ...........169

3.4 Χημική ισορροπία .....................................................................................173

3.4.1 Συνθήκη χημικής ισορροπίας ........................................................173

3.4.2 Εξάρτηση της σταθεράς χημικής ισορροπίας

από τη θερμοκρασία .......................................................................177


Σύνοψη .................................................................................................................186


Βιβλιογραφία .......................................................................................................189






Κατάλογος πινάκων............................................................................................201

ΠΕΡ ΙΕΧΟΜΕΝΑ 11


Μεταφορά γνώσης στην εκπαιδευτική διαδικασία


Εισαγωγικές Παρατηρήσεις ..............................................................................203

4.1 Σχέδιο μαθήματος θερμοδυναμικής .......................................................205

4.1.1 Προτεινόμενο σχέδιο θεωρητικού μαθήματος

θερμοδυναμικής ..........................................................................205

4.2 Σχέδιο πειράματος θερμοδυναμικής ......................................................214

4.2.1 Προτεινόμενο σχέδιο εργαστηριακής άσκησης .........................214

Βιβλιογραφία .......................................................................................................223


Μέρος Β΄ Χημική Κινητική Γ. Καραϊσκάκης


Ταχύτητα χημικής αντίδρασης



1.1 Ορισμός ταχύτητας χημικής αντίδρασης ..............................................229

1.1.1 Ορισμός της ταχύτητας με βάση τη μεταβολή ποσότητας ........229

1.1.2 Ορισμός της ταχύτητας με βάση τη μεταβολή

συγκέντρωσης .................................................................................233

1.1.3 Ορισμός της ταχύτητας με βάση τη μεταβολή

μερικής πίεσης .................................................................................234

1.1.4 Ορισμός της ταχύτητας με βάση την έκταση

της χημικής αντίδρασης .................................................................235

1.2 Κινητικές εξισώσεις ..................................................................................237

1.2.1 Τάξη και μοριακότητα χημικής αντίδρασης ...............................237

1.2.2 Η σταθερά ταχύτητας της αντίδρασης ........................................239


1.3 Η εξίσωση Arrhenius ..................................................................................242


Σύνοψη .................................................................................................................252


Βιβλιογραφία .......................................................................................................255







Προσδιορισμός κινητικών εξισώσεων



2.1 Η διαφορική μέθοδος ...............................................................................267

2.1.1 Η τεχνική της απομόνωσης ...........................................................268

2.2 Η μέθοδος της ολοκλήρωσης ..................................................................271

2.2.1 Αντιδράσεις μηδενικής τάξης .......................................................271

2.2.2 Αντιδράσεις πρώτης τάξης ............................................................273

2.2.3 Αντιδράσεις δεύτερης τάξης .........................................................277

2.2.4 Αντιδράσεις τρίτης τάξης ..............................................................281

2.2.5 Αντιδράσεις n-οστής τάξης ..........................................................282


Σύνοψη .................................................................................................................288


Βιβλιογραφία .......................................................................................................290

ΠΕΡ ΙΕΧΟΜΕΝΑ 1 3






Κινητικές εξισώσεις από τους μηχανισμούς αντιδράσεων



3.1 Εισαγωγή ...................................................................................................306

3.2 Αμφίδρομες αντιδράσεις .........................................................................308

3.3 Παράλληλες αντιδράσεις .........................................................................312

3.4 Διαδοχικές αντιδράσεις ...........................................................................315

3.5 Η μέθοδος της σταθερής κατάστασης ...................................................318

3.6 Ενζυμικές αντιδράσεις .............................................................................321

3.7 Αλυσιδωτές αντιδράσεις ..........................................................................328

3.8 Φωτοχημικές αντιδράσεις ........................................................................331

3.9 Ο μηχανισμός των Lindemann-Hinshelwood ...........................................333


Σύνοψη .................................................................................................................340


Βιβλιογραφία .......................................................................................................342







Κ ΕΦΑ Λ Α ΙΟ 4

Οι θεωρίες των χημικών αντιδράσεων



4.1 Η θεωρία των συγκρούσεων ...................................................................357

4.2 Η θεωρία της μεταβατικής κατάστασης ................................................362


Σύνοψη .................................................................................................................373


Βιβλιογραφία .......................................................................................................374






Μεταφορά γνώσης στην εκπαιδευτική διαδικασία



5.1 Σχέδιο μαθήματος χημικής κινητικής ....................................................385

5.1.1 Προτεινόμενο σχέδιο μαθήματος χημικής κινητικής ................385

5.2 Σχέδιο εργαστηριακής άσκησης χημικής κινητικής .............................390

5.2.1 Προτεινόμενα σχέδια εργαστηριακών ασκήσεων .....................390

Βιβλιογραφία .......................................................................................................414


Γ ΦΕ K - ΕΑΠ · 2016-09-20 · Μέρος Β΄ Χημική Κινητική Γ....

Documents

Transcript of Γ ΦΕ K - ΕΑΠ · 2016-09-20 · Μέρος Β΄ Χημική Κινητική Γ....