Technické plyny | chemie shrnutí, zápočet

CHE13

Katedra chemie FP TUL: http://www.kch.tul.cz

Technické plyny | chemie shrnutíJan Grégr & Martin Slavík

Kat

edra

che

mie

FP

TU

L | w

ww

.kch

.tul.c

z

Skupenské stavy látekK

ated

ra c

hem

ie F

P T

UL

| ww

w.k

ch.tu

l.cz

• Plyny jako zdroje energie• vodík, acetylen, metan…

• Inertní plyny• dusík, argon, další vzácné plyny

• Speciální plyny• amoniak, freony

Technické plynyK

ated

ra c

hem

ie F

P T

UL

| ww

w.k

ch.tu

l.cz

Doprava technických plynů

Tlakové lahve

Zkapalněné

Technické plynyK

ated

ra c

hem

ie F

P T

UL

| ww

w.k

ch.tu

l.cz

Fázový diagram vymezuje podmínky za kterých látka existuje v tuhé, kapalné popř. plynné fázi.

při 1 atmCO2 (s) CO2 (g)

Fázový diagram CO2

Změna skupenství: fázový diagramK

ated

ra c

hem

ie F

P T

UL

| ww

w.k

ch.tu

l.cz

Křivka zahříváníK

ated

ra c

hem

ie F

P T

UL

| ww

w.k

ch.tu

l.cz

kritická teplota, teplota, nad kterou daná látka nemůže za žádných okolností existovat v kapalném skupenství

Minimální tlak, který je při kritické teplotě nutný pro zkapalnění látky se označuje jako kritický tlak.

Kritické veličiny: zkapalňováníK

ated

ra c

hem

ie F

P T

UL

| ww

w.k

ch.tu

l.cz

Kritické veličiny: zkapalňování

Který plyn je možné za normální teploty zkapalnit?

http://www.wolframalpha.com/

Kat

edra

che

mie

FP

TU

L | w

ww

.kch

.tul.c

z

Stlačené plynyK

ated

ra c

hem

ie F

P T

UL

| ww

w.k

ch.tu

l.cz

Stlačené plyny plnící tlak většiny plynů 19,61 MPa. závity ventilů pro všechny hořlavé

plyny jsou levotočivé pro nehořlavé plyny pravotočivé výjimka acetylén

Kat

edra

che

mie

FP

TU

L | w

ww

.kch

.tul.c

z

Klepnutím lze upravit styl předlohy nadpisů.

Chemické složení• Druh atomů

Vazby atomů• Molekulární síly

Mezimolekulární síly• Nevazebné interakce

Konečné zpracování materiálu

Co určuje vlastnosti materiálůK

ated

ra c

hem

ie F

P T

UL

| ww

w.k

ch.tu

l.cz

Klepnutím lze upravit styl předlohy nadpisů.Hlavní rozlišení: (důležitější pro strojaře než elektronegativita)

kovy – nekovyVlastnosti atomů na „rozhraní“ mezi kovy a nekovy

Příklad: Hliník – Křemík

Hliník – kov – nízký bod tání, měkký, elektricky dobře vodivý

fluorid hlinitý – krystalická iontová látkaoxid hlinitý – krystalický, velmi tvrdý, podíl iontovosti vazby stačí na to, aby jeho

tavenina se mohla elektrolyzovat

Křemík – polokov, vyšší bod tání, křehký, polovodič

fluorid křemičitý – plynoxid křemičitý – krystalický, poměrně tvrdý a křehký, nevede elektrický proud ani

v tavenině

Chemické složení – druh atomůK

ated

ra c

hem

ie F

P T

UL

| ww

w.k

ch.tu

l.cz

Uvedli jsme v druhé přednášce…

Nutné respektovat, že existují přechodné typy mezi třemi základními typy vazeb a podle toho se materiály liší ve vlastnostech

Vyšší podíl iontovosti – vyšší body tání, vyšší křehkost

Vyšší podíl kovové vazby – vyšší elektrická a tepelná vodivost, nižší křehkost

Vyšší podíl kovalentnosti – nižší body tání, měkčí materiály více nevodivé

Pozor na výjimky: sloučeniny „makromolekulární“ se mohou odlišovat od látek s malými molekulami

Vazby atomů

……

Kat

edra

che

mie

FP

TU

L | w

ww

.kch

.tul.c

z

Polymery ‒ makromolekulární látky

n CH2CH2 → [CH2CH2 ]n

…CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2…

Více…Kat

edra

che

mie

FP

TU

L | w

ww

.kch

.tul.c

z

Polymeryn CH2=CH2 → –[CH2–CH2]n–

polyethylen

polypropylen

polyamid 6,6

polyakrylonitril

Kat

edra

che

mie

FP

TU

L | w

ww

.kch

.tul.c

z

PolymeryTyp polymeru skupina příprava příklad

polyolefiny –CH2–CH2– CH2=CH2 (PE, PP, PB)vinylové polymery –CH2–CH2–

|X

CH2=CHX (PVC, PTFE, PVAC, PVA)

polyamidy –CO–NH– reakcí –COOH + H2N– (PA)

polyestery –CO–O– reakcí –COOH + HO– (PET, PC, UP)

polyethery –O– reakcí –OH + HO– (POM, PPO)polyuretany –O–CO–NH– reakcí –OH + O=C=N– (PUR)

Kat

edra

che

mie

FP

TU

L | w

ww

.kch

.tul.c

z

• V uzlových bodech mřížky anionty a kationty• Silné elektrostatické interakce (iontová vazba)• Obvykle tvrdé, křehké, vysoký bod tání• Špatné vodiče tepla a elektřiny

CsCl ZnS CaF2

Tuhé látky: iontové krystalyK

ated

ra c

hem

ie F

P T

UL

| ww

w.k

ch.tu

l.cz

• V uzlových bodech mřížky atomy• Pevné kovalentní vazby• Obvykle tvrdé, vysoký bod tání• Špatné vodiče tepla a elektřiny

diamant grafit

atomyuhlíku

Tuhé látky: kovalentní krystalyK

ated

ra c

hem

ie F

P T

UL

| ww

w.k

ch.tu

l.cz

• V uzlových bodech mřížky molekuly• Slabé mezimolekulární interakce• Obvykle měkké, nízký bod tání• Špatné vodiče tepla a elektřiny

Tuhé látky: molekulové krystalyK

ated

ra c

hem

ie F

P T

UL

| ww

w.k

ch.tu

l.cz

• V uzlových bodech mřížky atomy kovu• Kovová vazba mezi atomy• Různá tvrdost i body tání• Dobré vodiče tepla a elektřiny

Průřez krystalem kovu

jádro a vnitřníelektrony

mobilní “elektronový oblak”z valenčních elektronů

Tuhé látky: kovové krystalyK

ated

ra c

hem

ie F

P T

UL

| ww

w.k

ch.tu

l.cz

krystalickýkřemen (SiO2)

nekrystalickékřemenné sklo

V amorfní tuhé látce nelze najít opakované, dobře definované prostorové uspořádání. Prostorovou strukturou se podobají amorfní tuhé látky kapalině. Na křivce zahřívání nevykazují bod tání (tají v rozmezí teplot).

Amorfní látkyK

ated

ra c

hem

ie F

P T

UL

| ww

w.k

ch.tu

l.cz

Vysokoteplotní supravodičeK

ated

ra c

hem

ie F

P T

UL

| ww

w.k

ch.tu

l.cz

Vodíkové můstky: vysvětlují vyšší bod varu vody než sirovodíku

Nižší sílu kyseliny fluorovodíkové než má HCl, HBr a HI

Vyšší body varu alkoholů než mají étery stejného sumárního složení

Mezimolekulární sílyK

ated

ra c

hem

ie F

P T

UL

| ww

w.k

ch.tu

l.cz

• Speciální případ dipól-dipólové interakce.• Velmi silná interakce, nejsilnější z tzv. van der Waalsových interakcí

(vodíková vazba, dipól-dipól, Londonovy síly).- Vodíková vazba se projevuje u molekul kde je H vázán na

elektronegativní prvek (zvláště F, O, N).

Srovnání bodů varu podobných sloučenin prvků 4.-7. periody

Vodíková vazbaK

ated

ra c

hem

ie F

P T

UL

| ww

w.k

ch.tu

l.cz

K vypaření 1 molu vody je třeba 41 kJ (intermolekulární) K rozrušení všech vazeb O-H v 1 molu vody je třeba 930

kJ (intramolekulární)

H-vazba, srovnání vazebných silK

ated

ra c

hem

ie F

P T

UL

| ww

w.k

ch.tu

l.cz

RozpustnostPodobné se rozpouští

v podobném

Kat

edra

che

mie

FP

TU

L | w

ww

.kch

.tul.c

z

Eluotropní řada

Polární

NepolárníRozpouštědlo Relativní

permitivitaRozpustnost ve

vodě [g/l]pentan 1.84 0.04

hexan 1.90 0.14

benzen 2.30 1.80

diethylether 4.30 74.2

chloroform 4.80 10.0

pyridin 12.4 mísitelný

aceton 20.7 mísitelný

ethanol 24.3 mísitelný

voda 81.0 mísitelný

Kat

edra

che

mie

FP

TU

L | w

ww

.kch

.tul.c

z

Prací účinek mýdla – vznik micelK

ated

ra c

hem

ie F

P T

UL

| ww

w.k

ch.tu

l.cz

Periodická tabulka

1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f

Energie orbitalů ->>>

+7-1

+5-3

+2XX

Kat

edra

che

mie

FP

TU

L | w

ww

.kch

.tul.c

z

Stabilizace pH pufremHCl H+ + Cl-

HCl + CH3COO- CH3COOH + Cl-

Kat

edra

che

mie

FP

TU

L | w

ww

.kch

.tul.c

z

Účinek katalyzátoru na energii reakcek = A • exp( -Ea/RT ) Ea k

rychlostkatalyzovaná > rychlostnekatalyzovaná

Ea,katalyzovaná< Ea,nekatalyzovaná

Kat

edra

che

mie

FP

TU

L | w

ww

.kch

.tul.c

z

Vlastnosti látek ze struktury

CrBr2 H2O2 HgSO4

NaMnO4 PCB H2

CH3OCH2CH3 hexafluorpropan AgO

PTFE PbO2 CCl4

V uvedeném seznamu označte: C – žíraviny, T – toxické a vysoce toxické látky, O – oxidovadla, R – redukovadla, N – Látky nebezpečné pro životní prostředí; H – hořlaviny; K – těkavé látky

Seřaďte látky podle těkavostitoluen benzen xylen naftalen

Kat

edra

che

mie

FP

TU

L | w

ww

.kch

.tul.c

z

Homologické řadyCH3OH -> CH3CH2OH -> CH3CH2CH2OH ->…

CH4 -> C2H6 -> C3H8 -> C4H10 -> C5H12 ->…Teploty varu, tání, rozpustnosti, mísitelnost, ...

CH3CH2OH -> CH3CHO -> CH3COOH -> CO2+H2O

Oxidace

KMnO4; Cr3+; Cr2+; H2SO4; HNO3; NaCl; PbO2; H2O2

fluor, chlorid chromnatý, jód, manganistan sodný, peroxid sodíku

Které látky lze použít jako bezpečnou desinfekci?

Kat

edra

che

mie

FP

TU

L | w

ww

.kch

.tul.c

z

Elektrochemické řady

Karel Slavoj Amerling (Strnad Klatovský): Orbis pictus (1852), http://www.panska.cz/amerling/

Kat

edra

che

mie

FP

TU

L | w

ww

.kch

.tul.c

z

Beketovova (elektrochemická) řada kovů Neušlechtilé (elektropozitivní) kovy Ušlechtilé (elektronegativní) kovy

Zvyšuje se schopnost oxidace elementárních kovů do kladných oxidačních čísel

Li Rb K Cs Ba Sr Ca Na Mg Be Al Mn Ti Zn Cr Fe Cd In Tl Co Ni Sn Pb H2 Bi Cu Os Ru Ag Hg Pt Au Kov stojící vlevo je schopen kov (v kladném oxidačním stavu) stojící vpravo zredukovat a sám se oxiduje

Kov (v kladném oxidačním stavu) stojícíí vpravo je schopen kov stojící vlevo zoxidovat a sám se redukuje

ANO Zn + CuSO4 --› Cu + ZnSO4 ANO Mg + ZnSO4 --› Zn + MgSO4

NE Cu + ZnSO4 -//-› Zn + CuSO4 NE Zn + MgSO4 -//-› Mg + ZnSO4

Li Rb K Cs Ba Sr Ca Na Mg Be Al Mn Ti Zn Cr Fe Cd In Tl Co Ni Sn Pb H2 Bi Cu Os Ru Ag Hg Pt Au Kov stojící vlevo - před vodíkem je schopen vodík (v kladném oxidačním stavu) zredukovat (např. z kyselin) a sám se oxiduje. Kovy stojící velmi daleko před vodíkem ho zredukují i z vody

Kov (v kladném oxidačním stavu) stojící vpravo - za vodíkem je schopen vodík zoxidovat a sám se redukuje

ANO Zn + 2HCl --› H2 + ZnCl2 ANO CuO + H2 --› Cu + H2O ANO 2Na + 2H2O --› H2 + 2NaOH

NE Cu + 2 HCl -//-› H2 + CuCl2 NE MgO + H2 -//-› Mg + H2O

ANO 3Cu + 8HNO3 --› NO + 3Cu(NO3)2 + 4H2O reakce probíhá, ale není proti smyslu Beketovovy řady, neboť měď

neredukuje vodík (!), ale dusík

NE 2Al + 6HNO3 -//-› 3H2 + 2Al(NO3)3 reakce neprobíhá, ale není proti smyslu Beketovovy řady, [hliník je pokryt vrstvičkou oxidu hlinitého (tzv. pasivace)]

Standardní elektrochemický potenciál E0

E0 < 0 0 E0 > 0 Slučování s kyslíkem

Reakce s H3O+ z disociované kyseliny Reakce s H3O+ z vody

Výskyt v přírodě

Kat

edra

che

mie

FP

TU

L | w

ww

.kch

.tul.c

z

Elektrochemické řadySystém Poloreakce Potenciál [V] Li+1 / Li Li+1 + e---› Li - 3,04 K+1 / K K+1 + e---› K - 2,93 Ba+2 / Ba Ba+2 + 2e---› Ba - 2,92 Ca+2 / Ca Ca+2 + 2e---› Ca - 2,84 Na+1 / Na Na+1 + e---› Na - 2,71 Mg+2 / Mg Mg+2 + 2e---› Mg - 2,36 Al+3 / Al Al+3 + 3e---› Al - 1,68 Mn+2 / Mn Mn+2 + 2e---› Mn - 1,18 Cr+2 / Cr Cr+2 + 2e- --› Cr - 0,90 Zn+2 / Zn Zn+2 + 2e- --› Zn - 0,76 Cr+3 / Cr Cr+3 + 3e- --› Cr - 0,74 SO3

-2 / S SO3 -2 + 6H+ + 4e- --› S + 3 H2O - 0,66

S -2 / S S + 2e- --› S -2 - 0,48 Fe+2 / Fe Fe+2 + 2e- --› Fe - 0,44 Sn+2 / Sn Sn+2 + 2e- --› Sn - 0,14 Fe+3 / Fe Fe+3 + 3e- --› Fe - 0,04 H+ / H2(g) 2H+1 + 2e- --› H2 +0,00 Cu+2 / Cu Cu+2 + 2e- --› Cu +0,34 Cu+1 / Cu Cu+1 + e- --› Cu +0,52 OH -1 / O2 O2

+ 2e- --› 2 OH -1 +0,54 I -1 / I2 I2

+ 2e- --› 2 I -1 +0,54 Hg2

+2/ Hg Hg2+2 + 2e- --› 2Hg +0,79

Ag+1 / Ag Ag+1 + e- --› Ag +0,80 Hg+2/ Hg Hg+2 + 2e- --› Hg +0,85 Br -1 / Br2 Br2 + 2e- --› 2 Br -1 +1,09 Pt+2 / Pt Pt+2 + 2e- --› Pt +1,19 Cl-1 / Cl2 Cl2 + 2e- --› 2 Cl -1 +1,36 Au+3 / Au Au+3 + 3e- --› Au +1,42 H2O2 / H2O H2O2 + 2H+ + 2e- --› 2 H2O +1,77 F -1 / F2 F2 + 2e- --› 2 F -1 +2,87

Redukčníčinidla

Oxidačníčinidla

Kat

edra

che

mie

FP

TU

L | w

ww

.kch

.tul.c

z

http://www.webelements.com

FeCl2 + KMnO4 → …

Cr2+ + KMnO4 → …

Mn2+ + K2Cr2O7 → …

Kat

edra

che

mie

FP

TU

L | w

ww

.kch

.tul.c

z

Připravte 325 ml 24 % vodného roztoku NaOH. Kolik g NaOH a kolik ml vody potřebujeme. Hustota 24 % roztoku je ρ = 1,2629 g/cm3.

m(NaOH) = 98,5 g; m (H2O) = 410,4 g

PříkladyK

ated

ra c

hem

ie F

P T

UL

| ww

w.k

ch.tu

l.cz

Máme 3,75 l H2SO4 , koncentrace je 50 %a hustota ρ = 1,3951 g/cm3. Kolik vody musíme přidat, abychom získali 28 % kyselinu o hustotě ρ =1,2023 g/cm3. Jaký bude celkový objem 28 % kyseliny?

m (H2O) = 4110 g; m(celk.) = 9340 g; V(celk.) = 7770 cm3 (ml)

PříkladyK

ated

ra c

hem

ie F

P T

UL

| ww

w.k

ch.tu

l.cz

Úterý a čtvrtky F-F02 09:00--12:00 a 12:00--15:00

První část – písemná na 45 minut – je potřeba mít alespoň 50 % správně (vzorce a výpočty).

Druhá část písemná 25 minut (teorie)

Celkem – nad 50 % správně = 3 (dobře),nad 75 % = 2 (velmi dobře), nad 90 % = 1 (výborně)

PříkladyK

ated

ra c

hem

ie F

P T

UL

| ww

w.k

ch.tu

l.cz

Napište vzorce sloučenin: uhličitan vápenatý, kyselina dusičná, chlorid stříbrný, fluorovodík, kyselina sírová, síran železnatý, sulfid manganatý, bromid sodný, oktan, acetylen (etyn).

Napište názvy sloučenin: HBr, Cu2S, KMnO4, FeCO3, CuSO4, Cr2O3, PbSO4, Al2O3, C3H8, HCOOH.

Jaké látkové množství, kolik molů n, je 150g mědi Cu. M(Cu) = 63,54 g/mol.

Jaký objem zaujímá 10 molů methanu. VM = 22,4 dm3/mol.

Ukázka testuK

ated

ra c

hem

ie F

P T

UL

| ww

w.k

ch.tu

l.cz

Neutralizací kyseliny sírové hydroxidem sodným vznikne síran sodný a voda. Napište a vyčíslete reakční rovnici. Vypočítejte kolik kg síranu sodného připravíme neutralizací 2 kg hydroxidu sodného kyselinou sírovou.Vypočítejte jaký objem kyseliny sírové o koncentraci 45% potřebujeme pro reakci odměřit. M(H2SO4) = 98,08 g/mol, M(NaOH) = 40,00 g/mol, M(Na2SO4) = 142,048 g/mol, hustota H2SO4 (45%) = 1,347 g/cm3. Z 96% kyseliny sírové (ρ = 1,8355 g/cm3) připravte ředěním vodou 875 cm3 kyseliny o koncentraci 20%, (ρ = 1,1394 g/cm3). Jaký objem 96 % kyseliny a vody potřebujeme odměřit.

Ukázka testuK

ated

ra c

hem

ie F

P T

UL

| ww

w.k

ch.tu

l.cz

Vypočítejte, kolik g KNO3 obsahuje 525 ml roztoku KNO3 s koncentrací látkového množství c = 0,25 mol/dm3, M(KNO3) = 101,103 g/mol

Tepelný rozklad sideritu FeCO3 probíhá podle následujících rovnice:

FeCO3 → FeO + CO2Vypočítejte, kolik oxidu železnatého vznikne rozkladem čtyř tun sideritu. M[FeCO3] = 115,86 g/molM[FeO] = 71,85 g/mol

Ukázka testuK

ated

ra c

hem

ie F

P T

UL

| ww

w.k

ch.tu

l.cz

Z následujících kyselin vyberte slabé kyseliny a napište jejich vzorce: kyselina sírová, kyselina uhličitá, kyselina chlorovodíková, kyselina mravenčí, kyselina dusičná, kyselina křemičitá, kyselina octová, kyselina chloristá, kyselina šťavelová.

U následujících sloučenin určete typ chemické vazby a odhadněte jejich základní fyzikální vlastnosti: NaCl, HF, SCl2, NH3, AgBr, Cu5Zn3 (slitina).

Ukázka testu: teorieK

ated

ra c

hem

ie F

P T

UL

| ww

w.k

ch.tu

l.cz

Kolik elektrod potřebujeme pro měření pH a čím se liší. Co si představujete pod pojmem látkové

množství. Jak se nazývá jednotka látkového množství. Jak byste ji definovali nebo popsali. Jaký je princip katodické ochrany kovových

předmětů proti korozi. Které jsou současné hlavní fosilní suroviny pro

Průmysl organické chemie. Jaké jsou jejich přednosti a nedostatky.

Ukázka testu: teorieK

ated

ra c

hem

ie F

P T

UL

| ww

w.k

ch.tu

l.cz

Základní rozdělení plastů je na: termoplasty, reaktoplasty a eleastomery. Zařaďte do těchto skupin: teflon, polyetylen, epoxid, polyamid, polystyren, fenolická pryskyřice, polypropylen, polyetylentereftalát. Uveďte příklady reaktoplastů. Jaké mají

mechanické vlastnosti a jak se chovají při zahřívání? Uveďte plasty které lze konstrukčně využít pro

teploty nad 100˚C

Ukázka testu: teorieK

ated

ra c

hem

ie F

P T

UL

| ww

w.k

ch.tu

l.cz

Z následujících kyselin vyberte slabé kyseliny a napište jejich vzorce: kyselina sírová, kyselina uhličitá, kyselina chlorovodíková, kyselina mravenčí, kyselina dusičná, kyselina křemičitá, kyselina octová, kyselina chloristá, kyselina šťavelová.

Ukázka testu: teorie

Katedra chemie FP TUL: http://www.kch.tul.cz

Kat

edra

che

mie

FP

TU

L | w

ww

.kch

.tul.c

z