Definování rovnice (fyzikální chemie) - Defining equation (physical chemistry)

v fyzikální chemie, existuje mnoho množství spojovaných s chemické sloučeniny a reakce; zejména pokud jde o množství látky, aktivita nebo koncentrace látky a hodnotit reakce. Tento článek používá SI jednotky.

Úvod

Teoretická chemie vyžaduje množství z jádra fyzika, jako čas, objem, teplota, a tlak. Ale vysoce kvantitativní povaha fyzikální chemie, více specializovaným způsobem než základní fyzika, používá molární množství látky spíše než jednoduše počítat čísla; to vede ke specializovaným definicím v tomto článku. Samotná základní fyzika zřídka používá krtka, kromě oblastí, které se překrývají termodynamika a chemie.

Poznámky k nomenklatuře

Subjekt označuje typ dotyčné částice / částic, jako např atomy, molekuly, komplexy, radikály, ionty, elektrony atd.^[1]

Konvenčně pro koncentrace a činnosti, kolem hranatých závorek jsou použity hranaté závorky [] chemický molekulární vzorec. Pro libovolný atom se často používají obecná písmena ve svislém, tučném písmu, například A, B, R, X nebo Y atd.

Pro následující veličiny se nepoužívají žádné standardní symboly, jak jsou konkrétně použity pro a látka:

• the Hmotnost látky m,
• počet molů látky n,
• částečný tlak plynu v plynné směsi str (nebo P),
• nějaká forma energie látky (pro chemii entalpie H je běžné),
• entropie látky S
• the elektronegativita atomu nebo chemická vazba χ.

Obvykle se používá symbol pro množství s dolním indexem nějakého odkazu na množství, nebo se množství píše s odkazem na chemickou látku v kulatých závorkách. Například hmotnost voda může být zapsán do dolních indexů jako m_H2Ó, m_voda, m_vod, m_w (pokud je to jasné z kontextu) atd., nebo jednoduše jako m(H₂Ó). Dalším příkladem může být elektronegativita fluor -fluor kovalentní vazba, které mohou být psány s dolními indexy χ_F-F, χ_FF nebo χ_F-F atd. nebo závorky χ(F-F), χ(FF) atd.

Ani jeden není standardní. Pro účely tohoto článku je nomenklatura následující, která úzce (ale ne přesně) odpovídá standardnímu použití.

U obecných rovnic bez konkrétního odkazu na entitu se veličiny zapisují jako jejich symboly s indexem označujícím složku směsi - tj. q_i. Označení je při počáteční volbě libovolné, ale jakmile je zvoleno pevné pro výpočet.

Pokud nějaký odkaz na skutečnou entitu (řekněme vodíkové ionty H⁺) nebo jakýkoli subjekt vůbec (řekněme X), symbol množství q následuje zakřivené () závorky obklopující molekulární vzorec X, tj. q(X) nebo pro komponentu i směsi q(X_i). Při zápisu pro a. By nemělo dojít k záměně matematická funkce.

Kvantifikace

Obecné základní veličiny

Množství (obecný název / názvy)	(Společný) Symbol / y	Jednotky SI	Dimenze
Počet molekul	N	bezrozměrný	bezrozměrný
Hmotnost	m	kg	[M]
Počet krtků, množství látky, množství	n	mol	[N]
Objem směsi nebo rozpouštědla, pokud není uvedeno jinak	PROTI	m3	[L]3

Obecné odvozené veličiny

Množství (obecný název / názvy)	(Společný) Symbol / y	Definování rovnice	Jednotky SI	Dimenze
Relativní atomová hmotnost prvku	Ar, A, mRAM	${ displaystyle A_ {r} left ({ rm {X}} right) = { frac { langle m left ({ rm {X}} right) rangle} {m left (^ {12} { rm {C}} vpravo) / 12}}}$ Průměrná hmotnost ${ displaystyle langle m left ({ rm {X}} right) rangle}$ je průměr z T masy mi(X) odpovídá T izotopy X (i je fiktivní index označující každý izotop): ${ displaystyle langle m left ({ rm {X}} right) rangle = { frac {1} {T}} sum _ {i} ^ {T} m left ({ rm { X}} _ {i} vpravo)}$	bezrozměrný	bezrozměrný
Relativní hmotnost vzorce sloučeniny obsahující prvky Xj	Mr, M, mrfm	${ displaystyle M_ {r} left ({ rm {Y}} right) = sum _ {j} N left ({ rm {X}} _ {j} right) A_ {r} left ({ rm {X}} _ {j} right) = { frac { sum _ {j} N left ({ rm {X}} _ {j} right) langle m left ({ rm {X}} _ {j} right) rangle} {m left (^ {12} { rm {C}} right) / 12}}}$ j = index označující každý prvek, N = počet atomů každého prvku Xi.	bezrozměrný	bezrozměrný
Molární koncentrace, koncentrace, molarita složky i ve směsi	Ci, [Xi]	${ displaystyle c_ {i} = left [{ rm {X}} _ {i} right] = { frac { mathrm {d} n_ {i}} { mathrm {d} V}}}$	mol dm−3 = 10−3 mol m−3	[N] [L]−3
Molalita součásti i ve směsi	bi, b(Xi)	${ displaystyle b_ {i} = { frac {n_ {i}} {m _ { rm {solv}}}}}$ kde solv = rozpouštědlo (kapalný roztok).	mol kg−1	[N] [M]−1
Molární zlomek součásti i ve směsi	Xi, X(Xi)	${ displaystyle x_ {i} = { frac {n_ {i}} {n _ { rm {mix}}}}}$ kde Mix = směs.	bezrozměrný	bezrozměrný
Částečný tlak plynné složky i ve směsi plynů	stri, str(Xi)	${ displaystyle p left ({ rm {X}} _ {i} right) = x_ {i} p left ({ rm {mix}} right)}$ kde směs = plynná směs.	Pa = N m−2	[M] [T] [L]−1
Hustota, hmotnostní koncentrace	ρi, yi, ρ(Xi)	${ displaystyle rho = m_ {i} / V , !}$	kg m−3	[M] [L]3
Hustota čísel, koncentrace čísla	Ci, C(Xi)	${ displaystyle C_ {i} = N_ {i} / V , !}$	m− 3	[L]− 3
Objemový zlomek, objemová koncentrace	ϕi, ϕ(Xi)	${ displaystyle phi _ {i} = { frac {V_ {i}} {V _ { rm {mix}}}}}$	bezrozměrný	bezrozměrný
Míchací poměr, molární poměr	ri, r(Xi)	${ displaystyle r_ {i} = { frac {n_ {i}} {n _ { rm {mix}} - n_ {i}}}}$	bezrozměrný	bezrozměrný
Hmotnostní zlomek	wi, w(Xi)	${ displaystyle w_ {i} = m_ {i} / m _ { rm {mix}} , !}$ m(Xi) = hmotnost Xi	bezrozměrný	bezrozměrný
Míchací poměr, hmotnostní poměr	ζi, ζ(Xi)	${ displaystyle zeta _ {i} = { frac {m_ {i}} {m _ { rm {mix}} - m_ {i}}}}$ m(Xi) = hmotnost Xi	bezrozměrný	bezrozměrný

Kinetika a rovnováha

Definující vzorce pro rovnovážné konstanty K._C (všechny reakce) a K._str (plynné reakce) platí pro obecnou chemickou reakci:

${ displaystyle { ce {{ nu _ {1} X1} + { nu _ {2} X2} + cdots + nu _ { mathit {r}} X _ { mathit {r}} <= > { eta _ {1} Y1} + { eta _ {2} Y2} + cdots + eta _ { mathit {p}} {Y} _ { mathit {p}}}}}$

a definující rovnice pro rychlostní konstanta k platí pro jednodušší reakci syntézy (jedna produkt pouze):

${ displaystyle { ce {{ nu _ {1} X1} + { nu _ {2} X2} + cdots + nu _ { mathit {r}} X _ { mathit {r}} -> eta {Y}}}}$

kde:

• i = komponenta označování fiktivního indexu i z reaktant směs,
• j = komponenta označování fiktivního indexu i z produkt směs,
• X_i = součást i směsi reaktantů,
• Y_j = reaktivní složka j směsi produktů,
• r (jako index) = počet reaktantních složek,
• str (jako index) = počet komponent produktu,
• ν_i = stechiometrie číslo součásti i ve směsi produktů,
• η_j = číslo stechiometrie pro komponentu j ve směsi produktů,
• σ_i = pořadí reakce pro komponentu i ve směsi reaktantů.

Fiktivní indexy látek X a Y označení komponenty (libovolné, ale pevné pro výpočet); oni nejsou čísla každé složky molekul jako obvykle chemická notace.

Jednotky chemických konstant jsou neobvyklé, protože se mohou lišit v závislosti na stechiometrii reakce a počtu reaktantů a složek produktu. Obecné jednotky pro rovnovážné konstanty lze určit obvyklými metodami rozměrová analýza. Pro obecnost níže uvedených kinetických a rovnovážných jednotek nechte indexy pro jednotky být;

${ displaystyle S_ {1} = součet _ {j = 1} ^ {p} eta _ {j} - součet _ {i = 1} ^ {r} nu _ {i} ,, quad , S_ {2} = 1- součet _ {i = 1} ^ {r} sigma _ {i} ,.}$

Množství (obecný název / názvy)	(Společný) Symbol / y	Definování rovnice	Jednotky SI	Dimenze
Proměnná průběhu reakce, rozsah reakce	ξ	${ displaystyle xi}$	bezrozměrný	bezrozměrný
Stechiometrický koeficient součásti i ve směsi, v reakci j (mohlo dojít k mnoha reakcím najednou)	νi	${ displaystyle nu _ {ij} = { frac { mathrm {d} N_ {i}} { mathrm {d} xi _ {j}}} ,}$ kde Ni = počet molekul komponenty i.	bezrozměrný	bezrozměrný
Chemická afinita	A	${ displaystyle A = - vlevo ({ frac { částečné G} { částečné xi}} pravé) _ {P, T}}$	J	[M] [L]2[T]−2
Rychlost reakce s ohledem na komponentu i	r, R.	${ displaystyle R_ {i} = { frac {1} { nu _ {i}}} { frac { mathrm {d} left [ mathrm {X} _ {i} right]} { mathrm {d} t}}}$	mol dm−3 s−1 = 10−3 mol m−3 s−1	[N] [L]−3 [T]−1
Aktivita součásti i ve směsi	Ai	${ displaystyle a_ {i} = e ^ { vlevo ( mu _ {i} - mu _ {i} ^ { ominus} vpravo) / RT}}$	bezrozměrný	bezrozměrný
Molární frakce, molalita a molární koncentrace koeficienty aktivity	yxi pro molární zlomek, ybi pro molalitu, yci pro molární koncentraci.	Používají se tři koeficienty; ${ displaystyle a_ {i} = gamma _ {xi} x_ {i} ,}$ ${ displaystyle a_ {i} = gamma _ {bi} b_ {i} / b ^ { ominus} ,}$ ${ displaystyle a_ {i} = gamma _ {ci} vlevo [ mathrm {X} _ {i} vpravo] / vlevo [ mathrm {X} _ {i} vpravo] ^ { ominus} ,}$	bezrozměrný	bezrozměrný
Rychlostní konstanta	k	${ displaystyle k = { frac { mathrm {d} levý [ mathrm {Y} pravý] / mathrm {d} t} { prod _ {i = 1} ^ {r} levý [ mathrm {X} _ {i} right] ^ { sigma _ {i}}}}}$	(mol dm−3)(S2) s−1	([N] [L]−3)(S2) [T]−1
Všeobecné rovnovážná konstanta [2]	K.C	${ displaystyle K_ {c} = { frac { prod _ {j = 1} ^ {p} left [ mathrm {Y} _ {j} right] ^ { eta _ {j}}} { prod _ {i = 1} ^ {r} left [ mathrm {X} _ {i} right] ^ { nu _ {i}}}}}$	(mol dm−3)(S1)	([N] [L]−3)(S1)
Konstanta obecné termodynamické aktivity [3]	K.0	${ displaystyle K_ {0} = { frac { prod _ {j = 1} ^ {p} a left ( mathrm {Y} _ {j} right) ^ { eta _ {j}}} { prod _ {i = 1} ^ {r} a left ( mathrm {X} _ {i} right) ^ { nu _ {i}}}}}$ A(Xi) a A(Yj) jsou aktivity Xi a Yj resp.	(mol dm−3)(S1)	([N] [L]−3)(S1)
Rovnovážná konstanta pro plynné reakce, použití Částečné tlaky	K.str	${ displaystyle K_ {p} = { frac { prod _ {j = 1} ^ {p} p left ( mathrm {Y} _ {j} right) ^ { eta _ {j}}} { prod _ {i = 1} ^ {r} p left ( mathrm {X} _ {i} right) ^ { nu _ {i}}}}}$	Pa(S1)	([M] [L]−1 [T]−2)(S1)
Logaritmus jakékoli rovnovážné konstanty	strK.C	${ displaystyle mathrm {p} K_ {c} = - log _ {10} K_ {c} = součet _ {j = 1} ^ {p} eta _ {j} log _ {10} left [ mathrm {Y} _ {j} right] - sum _ {i = 1} ^ {r} nu _ {i} log _ {10} left [ mathrm {X} _ {i }že jo]}$	bezrozměrný	bezrozměrný
Logaritmus disociační konstanty	strK.	${ displaystyle mathrm {p} K = - log _ {10} K}$	bezrozměrný	bezrozměrný
Logaritmus vodíkových iontů (H+) aktivita, pH	pH	${ displaystyle mathrm {pH} = - log _ {10} [ mathrm {H} ^ {+}]}$	bezrozměrný	bezrozměrný
Logaritmus hydroxidového iontu (OH−) aktivita, pOH	pOH	${ displaystyle mathrm {pOH} = - log _ {10} [ mathrm {OH} ^ {-}]}$	bezrozměrný	bezrozměrný

Elektrochemie

Zápis pro poloviční reakce standardní elektrodové potenciály je následující. The redoxní reakce

${ displaystyle { ce {A + BX <=> B + AX}}}$

rozdělit na:

A redukční reakce: ${ displaystyle { ce {B + + e ^ - <=> B}}}$

a oxidační reakce: ${ displaystyle { ce {A + + e ^ - <=> A}}}$

(napsáno tímto způsobem konvencí) je elektrodový potenciál pro poloviční reakce zapsán jako ${ displaystyle E ^ { ominus} left ({ ce {A +}} vert { ce {A}} right)}$ a ${ displaystyle E ^ { ominus} vlevo ({ ce {B +}} vert { ce {B}} vpravo)}$ resp.

V případě polovodičové elektrody kov-kov necháme M reprezentovat kov a z být jeho mocenství, má poloviční reakce formu redukční reakce:

${ displaystyle { ce {{M ^ {+ { mathit {z}}}} + { mathit {z}} e ^ {-} <=> M}}}$

Množství (obecný název / názvy)	(Společný) Symbol / y	Definování rovnice	Jednotky SI	Dimenze
Standardní EMF elektrody	${ displaystyle E ^ { ominus}, E ^ { ominus} vlevo ({ ce {X}} vpravo)}$	${ displaystyle Delta E ^ { ominus} left ({ ce {X}} right) = E ^ { ominus} left ({ ce {X}} right) -E ^ { ominus } left ({ ce {Def}} right)}$ kde Def je standardní definiční elektroda definovaná tak, že má nulový potenciál. The vyvolený je vodík: ${ displaystyle E ^ { ominus} left ({ ce {H +}} right) = E ^ { ominus} left ({ ce {H +}} vert { ce {H}} right ) = 0}$	PROTI	[M] [L]2[TO]−1
Standardní EMF an elektrochemický článek	${ displaystyle E _ { mathrm {buňka}} ^ { ominus}, Delta E ^ { ominus}}$	${ displaystyle E _ { mathrm {buňka}} ^ { ominus} = E ^ { ominus} levá ( mathrm {Cat} pravá) -E ^ { ominus} levá ( mathrm {An} že jo)}$ kde je kočka katoda látka a An je anoda látka.	PROTI	[M] [L]2[TO]−1
Iontová síla	Já	Používají se dvě definice, jedna s použitím koncentrace molarity, ${ displaystyle I = { frac {1} {2}} součet _ {i = 1} ^ {N} z_ {i} ^ {2} left [{ rm {X}} _ {i} že jo]}$ a jeden využívající molalitu,[4] ${ displaystyle I = { frac {1} {2}} součet _ {i = 1} ^ {N} z_ {i} ^ {2} b_ {i}}$ Součet je převzat za všechny ionty v řešení.	mol dm−3 nebo mol dm−3 kg−1	[N] [L]−3 [M]−1
Elektrochemický potenciál (součásti i ve směsi)	${ displaystyle { bar { mu}} _ {i} , !}$	${ displaystyle { bar { mu}} _ {i} = mu -zeN_ {A} phi , !}$ φ = místní elektrostatický potenciál (viz také níže)zi = valence (náboj) iontu i	J	[M] [L]2[T]−2

Kvantová chemie

Množství (obecný název / názvy)	(Společný) Symbol / y	Definování rovnice	Jednotky SI	Dimenze
Elektronegativita	χ	Pauling (rozdíl mezi atomy A a B): ${ displaystyle chi _ { rm {A}} - chi _ { rm {B}} = ({ rm {eV}}) ^ {- 1/2} { sqrt {E _ { rm { d}} ({ rm {AB}}) - [E _ { rm {d}} ({ rm {AA}}) + E _ { rm {d}} ({ rm {BB}})] / 2}}}$ Mulliken (absolutní): ${ displaystyle chi = 10 ^ {- 3} doleva [187 doleva (E_ {I} + E_ {EA} doprava) +170 doprava] ,}$ Energie (v eV )Ed = Disociace vazby EJá = Ionizace EEA = Elektronová afinita	bezrozměrný	bezrozměrný

Reference

Zdroje

• Fyzikální chemie, P.W. Atkins, Oxford University Press, 1978, ISBN  0-19-855148-7
• Chemie, hmota a vesmír, R.E. Dickerson, I. Geis, W.A. Benjamin Inc. (USA), 1976, ISBN  0-8053-2369-4
• https://web.archive.org/web/20100124150119/http://goldbook.iupac.org/index.html
• Chemická termodynamika, D.J.G. Ives, University Cchemistry Series, Macdonald Technical and Scientific co. ISBN  0-356-03736-3.
• Základy statistické termodynamiky (2. vydání), L.K. Nash, Principles of Chemistry, Addison-Wesley, 1974, ISBN  0-201-05229-6
• Statistická fyzika (2. vydání), F. Mandl, Manchester Physics, John Wiley & Sons, 2008, ISBN  978-0-471-91533-1

Další čtení

• Quanta: Příručka konceptů, P.W. Atkins, Oxford University Press, 1974, ISBN  0-19-855493-1
• Molekulární kvantová mechanika, části I a II: Úvod do KVANTOVÉ CHEMIE (svazek 1), P.W. Atkins, Oxford University Press, 1977, ISBN  0-19-855129-0
• Termodynamika, od konceptů k aplikacím (2. vydání), A. Shavit, C. Gutfinger, CRC Press (Taylor and Francis Group, USA), 2009, ISBN  978-1-4200-7368-3
• Vlastnosti hmoty, B.H. Květiny, E. Mendoza, Manchester Physics Series, J. Wiley and Sons, 1970, ISBN  978-0-471-26498-9