De presentatie wordt gedownload. Even geduld aub

De presentatie wordt gedownload. Even geduld aub

Voortbouwen op onderbouw. Verdiepen: temperatuur en warmtebeweging en snelheidsverdeling Energie en reacties Waarom mengen stoffen wel/niet? wat stuurt.

Verwante presentaties


Presentatie over: "Voortbouwen op onderbouw. Verdiepen: temperatuur en warmtebeweging en snelheidsverdeling Energie en reacties Waarom mengen stoffen wel/niet? wat stuurt."— Transcript van de presentatie:

1 Voortbouwen op onderbouw. Verdiepen: temperatuur en warmtebeweging en snelheidsverdeling Energie en reacties Waarom mengen stoffen wel/niet? wat stuurt een reactie, hoe bijsturen? Dynamisch deeltjesmodel in de bovenbouw

2 Warmte-beweging Deeltjes vliegen en tollen rond (translatie en rotatie) en deeltjes vibreren, vervormen Gasdeeltjes, 2x keer vertraagd weergegeven Vibrerend eiwit-molecuul

3 Hoe bewegen deeltjes? Berekende animaties voor gasdeeltjes Snelle computers rekenen bij elke botsing de nieuwe snelheden uit mbv de botsingswetten van Newton. Bezwaar: 200 atomen is niet te vergelijken met de helium-atomen in een liter heliumgas. ets/druck1.html (begin bv met één snel deeltje) ets/maxwell.html /banana/index.htm

4 Gemiddelde snelheid waterstofmoleculen 2 x 10 3 m/s Gemiddelde snelheid watermoleculen 6 x 10 2 m/s Een waterstofmolecuul botst 1,5x op een ander molecuul Een watermolecuul botst 2 x keer per seconde op een ander watermolecuul. Wat getallen

5 Theoretische snelheidsverdeling van zuurstofmoleculen volgens Maxwell-Boltzmann bij -100 o C, bij 20 o C en bij 600 o C Merk op: zuurstofmoleculen bewegen met honderden meter per seconde

6 Warmtebeweging en (activerings)energie Temperatuur, snelheidsverdeling, activeringsenergie,  Een reactie verloopt alleen als de temperatuur zo hoog is dat de botsingen de activeringsenergie kunnen leveren.

7 Warmtebeweging en aantrekking Door de warmtebeweging: verspreiden energie én deeltjes zich zo veel mogelijk Kunnen bindingen breken. Door aantrekking: ontstaan samenhang en structuur kunnen bindingen ontstaan. Steeds geldt energiebehoud: als bindingen breken vermindert de beschikbare kinetisch energie en omgekeerd.

8 Warmtebeweging en energie Hoe verandert deze grafiek als de temperatuur stijgt?

9 Model Binding – energie

10 Model trillend molecuul Door de botsingen gaan de moleculen trillen. Ze kunnen zelfs “kapot trillen”. Dat is een extra reden waarom bij hogere temperatuur reacties zoveel sneller verlopen. De moleculen staan al op springen.

11 Door temperatuurstijging gaan de bindingen steeds meer vibreren, de bindingsenergie van de begin en eindstoffen stijgt, Het energiediagram wordt platter. energiediagram en temperatuur

12 Waarom processen verlopen vereist een notie van entropie. Grote namen van Schrödinger tot Atkins stellen: Begrip van entropie hoort bij algemeen ontwikkeling en zeker bij scientific literature. Echter Geen entropie in de syllabus voor het CE Why things change

13 Waarom mengen stoffen wel/niet? wat stuurt een reactie, hoe bijsturen? Waarom jammer

14 Twee soorten (moleculaire) stoffen: hydrofiele stoffen: met mogelijkheid H-bruggen hydrofobe zonder mogelijkheid H-bruggen. soort zoekt soort. Waarom? Mengen of niet mengen.

15 1.Water en ethanol mengen doordat ze onderling waterstofbruggen kunnen vormen. 2.Benzine en olie mengen omdat ze onderling Van Der Waalsbindingen kunnen vormen. Correct of niet? Soort zoekt soort, waarom?

16 Waarom mengen water en benzine niet Soort zoekt soort, waarom?

17 Water en benzine mengen niet omdat ze onderling geen waterstofbruggen kunnen vormen. Extra toelichting: Benzinemoleculen tussen de watermoleculen hinderen bij de vorming van waterstofbruggen. Door de sterke waterstofbruggen worden de benzinemoleculen/druppeltjes weggedrukt Correct? Soort zoekt soort, waarom?

18 Deze verklaringen gebruiken bindingen als oorzaak. meer/sterke bindingen betekent exotherm. Echter oplossen suiker in water is endotherm. 5,4 kJ/mol De oploswarmte van koolwaterstoffen in water is minimaal, soms positief, soms negatief. Enthalpie speelt geen rol Met bindingen kom je er niet Soort zoekt soort, waarom?

19 Antwoord Door de waterstofbruggen die ze zo kunnen vormen. Maar er is geen warmte effect, Die waterstofbruggen waren er al, watermoleculen omringen de eiwitketen. Waardoor vouwen eiwitten zich in α- helix of β-sheet

20 de Waterstof-brandstofcel 2 H 2 + O 2  2 H 2 O Is 100 % rendement mogelijk? Kan in deze cel theoretisch de reactie-energie volledig als elektrische energie vrijkomen zonder dus geen warmteverlies? Antwoord Nee er is een theoretische grens bij 85%

21 We kennen alleen macrotoestanden: Stabiel, voorspelbaar, temperatuur, druk overal hetzelfde. Maar op deeltjesniveau chaos, giggling and wiggling. Waarom op macroniveau geen verrassingen? Why things change

22 Macrotoestand is voorspelbaar, waarom?

23 Elke macro-toestand die we waarnemen is de meest waarschijnlijkste, heeft veel veel micro- toestanden dan een afwijkende macrotoestand. De warmtebeweging produceert altijd de macrotoestand met: de hoogst mogelijke waarschijnlijkheid, het grootst mogelijke aantal microtoestanden, grootst mogelijke multipliciteit Hoogste entropie Statistiek

24 We nemen nooit afzonderlijke deeltjes waar altijd het totaal van immens veel deeltjes. De wet van de grote aantallen: Hoe groter de aantallen hoe nauwkeuriger de de statistiek voorspelt: De relatieve afwijking (van het gemiddelde of totaal) is in de orde van grootte 1/ √n Statistiek van de grote getallen

25 Relatieve Standaardafwijking ~ 1/ √N Vertaald naar onze deeltjes Bij het meten van een eigenschap (bv snelheid) aan deeltjes is de gemiddelde variatie (afwijking) ongeveer keer kleiner dan wanneer je aan een deeltje zou meten. We meten dus steeds hetzelfde. In de nanotechnologie n= 10 5 dus een ander verhaal.

26 Meer mogelijkheden voor de deeltjes wat betreft plaats en snelheid(energie). Meer deeltjes, meer energie, meer ruimte. Wat zorgt voor veel microtoestanden

27 Meer deeltjes, meer energie, meer ruimte. Voor chemici belangrijk: Toename van multipliciteit kan door Exotherme reactie, enthalpiedaling, er is meer energie te verdelen. Enthalpie gestuurd Toename van vrije deeltjes en grotere spreiding van deeltjes. Entropie gestuurd (eigenlijk is deze aanduiding verwarrend) veel microtoestanden

28 Bij elke verandering moet de multipliciteit toenemen: Een reactie verloopt als daardoor: meer vrije deeltjes en/of meer warmte en/of meer volume ontstaan. Wel of geen reactie

29 Omzetting naar rechts is exotherm en levert meer vrije deeltjes: aantal microtoestanden neemt zeker toe Wel of geen reactie

30 Omgekeerd: Endotherm en minder vrije deeltjes: aantal microtoestanden neemt zeker af Wel of geen reactie

31 Twee mogelijkheden voor evenwichten

32 Warmte-beweging en evenwicht Evenwichten: Alleen mogelijk als de temperatuur hoog genoeg is om beide reacties, dus ook de endotherme reactie te laten verlopen. Bij een te lage temperatuur zal de endotherme reactie niet meer verlopen. De exotherme reactie loopt af zonder dat de terugreactie optreedt.

33 Als de activeringsenergie overwonnen kan worden dan geldt: exotherm en meer vrije deeltjes  volledige reactie Endotherm en minder vrije deeltjes  geen reactie in de andere gevallen treedt een evenwicht op De exotherme reactie is “enthalpiegestuurd“ de endotherme reactie is “entropiegestuurd” Vuistregels wel/geen reactie

34 Hiernaast een aantal manieren om de multipliciteit (entropie) te vergroten

35 Samenvattend: Bij processen is er altijd een toename van het aantal microtoestanden, van de multipliciteit, van de entropie. Bij processen neemt de kwaliteit van energie altijd af (daarom is er een energieprobleem) Er is dus geen weg terug. Dus maar goed dat er een rem zit op reacties: de activeringsenergie

36 Eerste regel: Alles mengt tenzij Mengen van stoffen betekent spreiding van deeltjes, toename entropie. Er moet iets bijzonders aan de hand zijn als stoffen niet mengen. Verklaren mengen

37 Molecular dynamics Water rond een hydrofoob deeltje Hydrofoob effect: watermoleculen rond hydrofoob deeltje zijn verstard omdat ze minder keuze hebben om waterstofbruggen te verwisselen. Verklaring soort zoekt soort

38 Waarom mengen water en benzine niet

39 CE 2011 pilot

40

41 Geen rol enthalpie (bindingen) Door hexaan buiten de Kooi zouden watermoleculen uit de bulk van het water in de verstarde mantel rond het hexaan terecht komen en Bewegingsmogelijkheden Inleveren. Entropie-bepaald Waarom gaat de hexaan er niet uit?

42 Keten verstart : nadeel Interne waterstofbruggen: voordeel want dan kunnen watermoleculen terug in de bulk Hydrofoob effect (apolaire delen naar binnen): voordeel Waarom vouwt zich een eiwit keten?

43 Theoretisch haalbaar rendement Waterstof-brandstofcel 2 H 2 (g)+ O 2 (g)  2 H 2 O (l) Door de afname van het aantal gasmoleculen daalt de multipliciteit/entropie. Ter compensatie moet een deel van de reactie-energie als warmte vrijkomen. Die warmte is nodig om het aantal microtoestanden op te vijzelen. Dus geen volledige omzetting mogelijk van de chemische energie in elektrische energie. ( De methanolcel heeft wel een theoretisch rendement van 100% )

44 Klassiek, officieel (IUPAC) : The attractive or repulsive forces between molecular entities (or between groups within the same molecular entity) other than those due to bond formation or to the electrostatic interaction of ions or of ionic groups with one another or with neutral molecules. molecular entitiesbond van der Waals krachten

45 The term includes: dipole–dipole, dipole- induced dipole and London (instantaneous induced dipole-induced dipole) forces. The term is sometimes used loosely for the totality of nonspecific attractive or repulsive intermolecular forces.dipole–dipoledipole- induced dipoleLondon intermolecular Van der Waals krachten

46

47 London Krachten volgens Debeye

48 We hebben: Waterstofbruggen Dipool -dipool aantrekking London-dispersie ( Van der Waals krachten) De London dispersie draagt ook bij aan de intermoleculaire krachten tussen polaire moleculen. Welke van de drie is de belangrijkste bij de binding tussen ammoniakmoleculen? Intermoleculaire krachten

49 The following contribution of the dispersion to the total intermolecular interaction energy has been given: [7] [7] 7^ J. Israelachvili, "Intermolecular and Surface Forces", 2nd edition, Academic Press, 1992.^

50 .

51 Relative magnitude Dispersion forces are usually dominant of the three van der Waals forces (orientation, induction, dispersion) between atoms and molecules, with the exception for molecules that are small and highly polar, like of water. De belangrijkste van de drie


Download ppt "Voortbouwen op onderbouw. Verdiepen: temperatuur en warmtebeweging en snelheidsverdeling Energie en reacties Waarom mengen stoffen wel/niet? wat stuurt."

Verwante presentaties


Ads door Google