WYKŁADY 2008 / 2009 ZAKŁAD CHEMII FIZYCZNEJ WYKŁAD 1 CHEMIA FIZYCZNA WYKŁADY 2008 / 2009 ZAKŁAD CHEMII FIZYCZNEJ WYKŁAD 1 dr Wojciech Markowski

NAUKA: ODKRYCIE OTACZAJACEGO NAS ŚWIATA ZADANIE: ZROZUMIEĆ WYJAŚNIĆ Budowę fizyczną (geologia) Skład chemiczny (chemia) Oddziaływania składników (fizyka) Organizmy w nim żyjące (zoologia) Jak one się zachowują (psychologia)

Przykład Ekolodzy badają oddziaływania pomiędzy poszczególnymi grupami organizmów Ekolog może posłużyć się biologią molekularną do badania wzorców oddziaływań pomiędzy grupami w powiązaniu z reprodukcją Wykorzystanie chemii do scharakteryzowania feromonów Mogą wykorzystać matematykę i statystykę do stworzenia modelu oddziaływania organizmów

Czym jest chemia ? Chemia jest nauką o materii i zmianach , jakim może ona podlegać. Chemia fizyczna zajmuje się fizycznymi podstawami procesów chemicznych.

Chemia fizyczna Usiłuje wyjaśnić strukturę materii i jej zmiany. Odwołuje się do pojęć podstawowych, takich jak atomy, elektrony, energia.

Chemia fizyczna Celem wykładów jest: Zapoznanie się z głównymi pojęciami i pokazanie jakie mają zastosowanie w chemii. Idee termodynamiki i mechaniki kwantowej wywarły wpływ na inne dyscypliny.

Chemia fizyczna Stanowi solidne podstawy do: zrozumienia wielu działów nowoczesnej wiedzy, poszukiwania nowych materiałów, nowego spojrzenia na otaczający nas świat.

Zadania chemii fizycznej Ustalenie związku między: makroskopowymi właściwościami materii a zachowaniem się cząstek, atomów, jonów, lub cząsteczek, z których jest ona zbudowana.

Zadania chemii fizycznej Utworzenie obrazu materii w każdym ze stanów skupienia. Pokazanie jak można zrozumieć ich właściwości na podstawie tego obrazu.

Analiza chemiczna Tropikalne morza –źródło naturalnych produktów: - ważne zastosowanie medyczne; - ekstrakty ze zwierząt morskich, takich jak osłonice; - leki przeciwnowotworowe; - leki przeciwwirusowe.

Analiza chemiczna Identyfikacja. Badania jakościowe (cechy: barwa, zapach, toksyczność, działanie przeciwwirusowe). Odkrycie produktu naturalnego (właściwości lecznicze) początek działań zmierzających do jego praktycznego wykorzystania.

Analiza chemiczna Występowanie w znikomych ilościach Opracowanie syntezy Przed syntezą – skład i wzór chemiczny Wyznaczenie składu chemicznego to cel ilościowego badania związku  Polegającego na pomiarach i wykorzystaniu danych liczbowych.

Przykład: produkt naturalny witamina C Marynarze – długie rejsy – zapas owoców cytrusowych Zapobieganie szkorbutowi W 1928 r. Albert Szent – Gyorgi (Węgier) wyodrębnił ją z roślin i nadnerczy zwierzęcych

Chemia – nauka ścisła Opracowanie syntezy Podstawę stanowiły dane uzyskane z pomiarów przeprowadzonych na naturalnych próbkach tej witaminy Wykorzystywanie pomiarów ilościowych

Koncepcja wykładów oparta o 10 idei Powtarzające się niewielkie jednostki poprzez łączenie się razem prowadzą do bardziej skomplikowanych struktur Przykład konstrukcja domu z cegieł

Koncepcja wykładów oparta o 10 idei Niewielkie różnice prowadzą do znacznej różnorodności Kilka kolorów (farb) może prowadzić do różnorodnych barw

Skład determinuje postać/formę Ubranie wykonane z wełny i poliestru są miękkie w dotyku i na tyle elastyczne, że są łatwe w dostosowaniu się kształtów.

Obiekt posiada określone ramy, i dodatkowe fizyczne cechy określające funkcjonowanie

Pomiary i jednostki Z pomiarami spotykamy się stale w życiu codziennym, np. drogę podaje się w kilometrach, ilość zakupionej benzyny w litrach. W nauce pomiarom nadano bardziej systematyczny i ścisły charakter. Wprowadzenie wzorców międzynarodowych.

Układ SI (franc. Systeme International d’Unites Lata dziewięćdziesiąte XVIII wieku. Rewolucja francuska (pozbycie się polityków i starych jednostek).

Tabela 1. Podstawowe jednostki układu SI Wielkość Jednostka podstawowa Długość 1 metr (1 m) Masa 1 kilogram (1 kg) Czas 1 sekunda (1 s) Natężenie prądu elektrycznego 1 amper (1 A) Temperatura 1 kelwin (1 K) Liczność materii 1 mol (1 mol) Światłość 1 kandela (1 cd)

Pomiar W obliczeniach fizykochemicznych występują wartości liczbowe rozmaitych wielkości fizycznych, otrzymanych doświadczalnie, tzn. przez dokonanie odpowiednich pomiarów.

Pomiar - definicja Przez pomiar rozumiemy przyporządkowanie danej wielkości fizycznej określonej wartości liczbowej. Polega on na porównaniu dowolnej wielkości fizycznej ze ściśle określoną wielkością porównawczą tego samego rodzaju, przyjętą umownie za jednostkę miary.

Wynik pomiaru Wynik = liczba * odpowiednia jednostka Reguła 1: - wielkości fizyczne otrzymywane jako wyniki pomiarów, oznacza się symbolami pisanymi kursywą, np. masa, m, czas, t. Reguła 2: symbole jednostek pisze się antykwą (prosto), np. symbol grama – g.

Pomiary bezpośrednie i pośrednie Wielkości fizyczne mogą być dostępne pomiarom bezpośrednim lub pomiarom pośrednim. Pomiar bezpośredni jest to pomiar, kiedy wartość mierzoną znajdujemy wprost z odczytu wskazań wskaźników narzędzia mierniczego(np. pomiar pH za pomocą pehametru, pomiar kąta skręcenia płaszczyzny światła spolaryzowanego za pomocą polarymetru).

Pomiary pośrednie Pomiar pośredni jest to pomiar, w którym bezpośrednio mierzymy nie wielkość szukaną „W” lecz inne wielkości A,B,C,D..., związane z nią funkcją W= (A,B,C,D,...) ustaloną teoretycznie lub doświadczalnie (np. pomiar RF w chromatografii cienkowarstwowej z pomiaru dystansu przebytego przez front rozpuszczalnika i pasmo substancji).

Wyniki pomiarów Wyniki pomiarów podające związki między wielkościami fizycznymi można przedstawić trzema sposobami: - w postaci tabeli liczbowej zawierającej racjonalne dobrane kolumny,     -  w postaci wykresu sporządzonego na odpowiednio dobranym papierze funkcyjnym, - w postaci równania matematycznego.

Wartości prawdziwe Uzyskane w czasie pomiarów wartości liczbowe mierzonych wielkości w każdym przypadku nie są wartościami prawdziwymi. Ma to miejsce dlatego, że dokładność metod i przyrządów pomiarowych jest ograniczona.

Błąd Obserwator i czynniki zewnętrzne powodują szereg błędów, często niezmiernie trudnych do uchwycenia. Każda zmierzona wartość jest obarczona pewnym błędem.

Rachunek błędów Niezmiernie ważnym zagadnieniem jest ustalenie przedziału w jakim może zawierać się rzeczywista wartość mierzonej wielkości. Zagadnienie to rozwiązuje się za pomocą metod matematycznych, tzw. rachunku błędów, nazywanego często dyskusją błędów.

Przedrostki jednostek Wynik pomiaru podaje się jako liczbową wielokrotność jednostki fizycznej. W układzie SI stosuje się także kombinacje jednostek podstawowych i różnych przedrostków. Przedrostki te oznaczają potęgi liczby 10.

Tabela 2. Przedrostki jednostek SI Przedrostek Nazwa Znaczenie G giga 109 M mega 106 K kilo 103 D decy 10-1 C centy 10-2 mili 10-3 μ mikro 10-6 N nano 10-9 p piko 10-12

Litery greckie Γ - gamma Δ - delta Θ - theta Λ - lambda Ξ - ksi Π - pi Σ - sigma Φ - fi Ψ - psi Ω - omega Małe litery: α β γ δ ε ζ η θ ι κ λ μ ν ο π ρ σ τ φ ψ ω ∂ √ ∞ ≈ ≠ ≡ ≤ ≥ ‰ ₤ €  Alfa, beta, gamma, delta, epsilon, ksi, ni, eta, , kappa, lambda, mi, n, omikron, pi, ro, sigma, tau, fi, psi, omega,

Przedrostki jednostek Przedrostki dobiera się w taki sposób, by uniknąć dużych potęg 10. Np. centymetry są praktyczne w przypadku małych obiektów (średnica małej monety wynosi ok. 2 cm); pikometry nadają się do opisywania rozmiarów atomów (np. średnica atomu niklu wynosi 125 pm).

Przedrostki jednostek Podczas wykonywania obliczeń należy zastąpić przedrostki odpowiednimi potęgami liczby 10. Np.

Reguła Wielokrotność jednostek, stanowiące potęgi liczby 10, są reprezentowane przez przedrostki dołączone do symbolu jednostki.

Jednostki pochodne Jednostki fizyczne mnoży się i dzieli jak zwykłe liczby; jednostki pochodne są zbudowane z jednostek podstawowych. Np. można skracać ułamki zawierające symbole: dzielimy 6 g przez 3 g i otrzymujemy liczbę niemianowaną.

Właściwości intensywne i ekstensywne Niektóre właściwości są zależne od wielkości próbki inne nie. Właściwości, które zależą od wielkości próbki takie jak masa i objętość noszą nazwę właściwości ekstensywnych. Temperatura i gęstość są przykładem właściwości intensywnych, bowiem nie zależą od wielkości próbki.

Przeliczanie jednostek Poza układem SI, w USA i innych krajach używane są jednostki angielskie. Warto zapoznać się ze sposobem ich przeliczania na jednostki SI. Przykłady 1 funt (lb) – 453,6 g 1 cal (in.) - 2,54 cm

Reguły przeliczania – zasada ogólna Właściwość fizyczna (np. długość) pozostaje ta sama: wartość przeliczona to po prostu inna wielokrotność innej jednostki ( rysunek) Procedura. Gdy informacja jest podana w jednostkach innych niż wymagane, przeliczamy na jednostki wymagane.

Procedura przeliczania Informacja wymagana = informacja podana*przelicznik Przelicznik jest określony wzorem:

Potęgowanie i przeliczanie Jeżeli jednostka jest podniesiona do potęgi, zastosuj te samą procedurę w każdym przypadku występowania jednostki. Gdy więc jednostka przeliczana występuje w n-tej potędze, zastosuj n-tą potęgę przelicznika. Jeżeli jednostka znajduje się w mianowniku, zastosuj odwrotność przelicznika.

Przykład stosowania przelicznika Chemik bada wartość odżywczą nowego napoju owocowego i musi wyrazić masę napoju w gramach. Jaka jest masa jednej porcji (12 uncji) napoju w gramach?

Strategia Znajdź przelicznik w poradniku(książce). Zastosuj procedurę opisaną w przezroczu nr 39. Rozwiązanie: wiemy, że 1 uncja = 28,35 g

cd. rozwiązania a zatem

Przeliczanie jednostek występujących w mianowniku Rtęć, którą stosuje się w różnych przyrządach laboratoryjnych ze względu na jej znaczną gęstość, jest cieczą. Wyraź gęstość rtęci, 13,5 g/cm3, w kilogramach na metr sześcienny (kg/m3).

Strategia postępowania Należy zastosować procedury opisane w przezroczu 39, przeliczania jednostek występujących w mianowniku i jednostek podniesionych do potęgi. Potrzebne są tutaj dwa przeliczniki. Do przeliczenia gramów (jednostki podane) na kilogramy(jednostki wymagane) zastosuj przelicznik: 1 kg/103 g.

Strategia postępowania cd. Do przeliczenia centymetrów (jednostki podane) na metry (jednostki wymagane) zastosujemy przelicznik 102 cm/1 m (gdyż centymetry występują w mianowniku).

Rozwiązanie Każdy przelicznik podnosi się do tej samej potęgo co przeliczoną jednostkę

cd. rozwiązania Przelicznik długości należy więc podnieść do trzeciej potęgi, aby otrzymać przelicznik objętości. Każde przeliczenie można wykonać oddzielnie, zwykle jednak jednoczesne ich wykonywanie jest szybsze.

Niepewność pomiarów Jednym z warunków wiarygodności naukowców jest rzetelne publikowanie przez nich wyników pomiarów. Wyniki pomiarów zawierają liczby. Liczby te różnią się od liczb spotykanych w matematyce w dwóch aspektach.

Wyniki W pomiarach występuje zawsze proces porównania. Np. kiedy powiemy, że Zosia jest 1,8 m wysoka, oznacza to w rzeczywistości, że jest ona 1,8 razy wyższa aniżeli obiekt, którego wysokość przyjęto za 1m. Metr jest w tym wypadku jednostką, pomiar wzrostu odbywa się przez porównanie z innym obiektem, którego wysokość jest znana.

Niepewność Drugą cechą charakterystyczną pomiarów jest to, że każdy pomiar zawiera niepewność. Liczby w matematyce są dokładne. Np. w słowie „rower” mamy dokładnie 5 znaków literowych. Pomiary są zawsze niedokładne.

Niepewność pomiarowa Pomiar zawsze zawiera w sobie element oszacowania. Eksperymentator i przyrząd pomiarowy wykazują fizyczne ograniczenia. Wynika z tego, że z pomiarami zawsze się łączy niepewność pomiarowa. Niepewność może być ograniczona, ale nie zlikwidowana.

cd. Niepewność pomiarowa Jakakolwiek decyzja lub wniosek oparte na pomiarach muszą uwzględniać błąd zawarty w pomiarach.

Niepewność pomiarowa Wiemy, że pomiary są niedokładne. Różnica pomiędzy wartością mierzoną, a wartością prawdziwą nosi nazwę błędu. Przyczyny błędu: Ograniczenia w procedurze pomiarowej. Wynikają one z ograniczeń aparaturowych i możliwości eksperymentatora.

Skala - odczyt Rozpatrzmy dwa termometry różniące się skalami. Na pierwszym termometrze kreski są oddalone co jeden stopień. Możemy oszacować i być pewni, że temperatura jest powyżej 24oC i poniżej 25oC. Lepsze przybliżenie uzyskamy podając cyfrę określająca położenie pomiędzy zaznaczonymi wskaźnikami. Zatem możemy podać 24,3oC. Ostatnia cyfra jest tylko oszacowaniem.

Cyfry znaczące Przyjmujemy zasadę: w pomiarach zapisujemy wszystkie cyfry, do cyfry niepewnej włącznie. Zapisane cyfry noszą nazwę cyfr znaczących. Kiedy odczytujemy ze skali, ostatnia cyfra odpowiada 1/10 najmniejszej podziałki

Cyfry znaczące Termometr lewy: podziałka co jeden stopień, zatem możemy podawać wynik z dokładnością do 1/10 stopnia. Termometr prawy: podziałka co 1/10 stopnia.Zatem można podawać z dokładnością do 1/100.

Cyfry znaczące Więcej mamy zaufania do odczytu na termometrze prawym (24,32oC) ponieważ w wyniku mamy więcej cyfr znaczących i mniejszą niepewność. Zaufanie do wyników wynika z liczby cyfr znaczących użytych do ich zaprezentowania.

Cyfry znaczące w pomiarach Liczba cyfr znaczących w wynikach pomiarów równa się liczbie cyfr pewnych + 1. Np. 11,2 m: - jedynki oznaczają cyfry pewne, - dwójka oznacza cyfrę niepewną.

Wyznaczanie liczby cyfr znaczących Niepewność danych warunkuje niepewność wyników opartych na nich obliczeniach. W celu wyznaczenia liczby cyfr znaczących należy: - wyrazić wartość w notacji naukowej, umieszczając przed przecinkiem dziesiętnym cyfrę niezerową; - określić liczbę cyfr mnożonych przez potęgę dziesięciu.

Tabela 3. Przykłady cyfr znaczących Zapis dziesiętny Zapis naukowy Liczba cyfr znaczących 0,751 7,51 * 10-1 3 0,00751 7,51 * 10-3 0,07051 7,051 * 10-2 4 0,750100 7,50100 * 10-1 6 7,5010 5 7501 7,51 * 103 7500 7,5 * 103 2* 7500. 7,500 * 103

Cyfry znaczące w obliczeniach Zasada ogólna. Wynik obliczenia opartego na danych pomiarowych zależy od dokładności pomiarów. Niedokładność pomiarów powoduje niedokładność wyniku obliczenia.

Zaokrąglanie Odmienne reguły dotyczą dodawania (i jego odwrotności – odejmowania) i mnożenia (i jego odwrotności – dzielenia). W obydwu przypadkach konieczne jest zaokrąglanie wyników do prawidłowej liczby cyfr znaczących.

Zaokrąglanie Ostatnia cyfra > 5 w górę. Ostatnia cyfra < 5 w dół. Jeżeli ostatnią cyfra jest 5, to do najbliższej cyfry parzystej. Zaokrąglanie prowadzimy jednorazowo. Zaokrąglanie prowadzimy w końcowym etapie obliczeń.

Warunki niekontrolowane Błędy powstają nie tylko przy odczytach na skalach, ale również przy braku kontroli w czasie pomiarów. Np. mierzymy długość druta za pomocą linijki. Nie zawsze drut będzie idealnie prosty, lub koniec idealnie pokrywał się z zerem.

Błędy wynikające z braku dokładnego zdefiniowania warunków pomiarów Pomiar ciężaru ciała na wadze łazienkowej można przeprowadzić z dokładnością do trzech cyfr znaczących 95,1 kg. Natomiast sposób ważenia może być bardzo różny: po kąpieli ale bez dokładnego wytarcia się, w ubraniu lub nago, na jednej nodze, itp. Zróżnicowanie warunków może prowadzić do większych błędów aniżeli wynikających z zapisu czyli z dokładnością do 0,1 kg.

Powtarzanie pomiarów Wiele błędów nie zostałoby wykrytych, gdyby pomiary nie zostały powtórzone, a tylko ograniczone do pojedynczego pomiaru. Jeżeli wykonamy dużą liczbę pomiarów to okazuje się, że wyniki pomiarów skupiają się wokół pewnej wartości centralnej.

Wartość średnia Np. temperatura została zmierzona przez 10 osób i uzyskano wyniki: 24, 1, 2, 2, 3, 3, 3, 3, 4, 4, 5. Niepewność związana z pomiarem odnosi się do dziesiątej części stopnia, pomiary zawarte są w przedziale od 24.1 do 24.5. Grupują się one wokół wartości 24,3. Zatem tą wartością centralną jest średnia.

Obliczanie średniej Wzór do obliczenia średniej.

Liczba pomiarów Ile pomiarów należy wykonać ? Odpowiedź na to pytanie będzie zależała od stopnia ufności z jaką chcemy przedstawić średnią. Im więcej pomiarów tym większa pewność, że średnia z pomiarów zbliża się do wartości centralnej.

Dokładność Powtórzenie pomiarów może pozwolić na oszacowanie niepewności i dać nam wiedzę na temat natury błędów. Oszacowanie błędów dokonujemy odpowiadając na pytania: - jak dokładny jest pomiar tzn. jak blisko jest wartości prawdziwej lub poprawnej

Precyzja Jak precyzyjny jest pomiar tzn. jak blisko jest do wartości średniej z serii pomiarów. Dla uzyskania pomiarów dokładnych przyrząd musi być poprawnie skalibrowany.