8. Chemia sub. niebezpiecznych PDF

Preview

Summary

Mariusz Kowalczyk...

Description

CHEMIA SUBSTANCJI NIEBEZPIECZNYCH Substancja chemiczna- to pierwiastki chemiczna i ich związki w stanie, jakim występują w przyrodzie lub zostają uzyskane ze wszystkimi dodatkami wymagalnymi dla zachowania ich trwałości, oprócz rozpuszczalników, które można oddzielić bez wpływu na stabilność i skład substancji, i z wszystkimi zanieczyszczeniami powstałymi w wyniku zastosowanego procesu produkcyjnego. Preparaty chemiczne- to mieszaniny lub roztwory składające się, z co najmniej 2 substancji. Właściwości fizykochemiczne: Podstawowe: Masa cząsteczkowa- to masa cząsteczki wyrażona w jednostkach masy otoczenia 1 (w doltach) jest ona sumą mas otoczonych wszystkich atomów tworzących cząsteczkę. Masa cząsteczkowa określa ile razy masa danej cząsteczki jest większa od 1/12 masy atomu węgla 1 = 0,166 * 10-23g, 1g = 6,02 * 10-23 Masa cząsteczki tzw. Bezwzględna to rzeczywista masa cząsteczki wyrażona w kilogramach lub gramach. Charakterystyczne właściwości fizykochemiczne substancji są często wykorzystywane ze względu na ich pozytywne skutki, ale mogą być również kłopotliwe lub niebezpieczne ze względu na ich skutki negatywne. Stan stały- produkt jest w stanie stałym, jeżeli siła między cząsteczkami są wystarczająco silne, aby zahamować jego deformację stałą uporządkowaną.. Stan ciekły- produkt jest cieczą, jeżeli siły między cząsteczkowe nie są w stanie powstrzymać deformacji. Stan gazowy- produkt jest gazowy, jeżeli jego cząsteczki współdziałają w sposób zupełnie niezależny. Produkt chemiczny- (substancja, preparat), mogą zmieniać swój stan skupienia. Przejście ze stanu stałego w stan ciekły nazywamy topnieniem. Temperatura topnienia- jest to temperatura, w której ciało stałe przechodzi w ciecz (aceton –94,6C, woda 0C, ołów 327C). Przejście ze stanu ciekłego w stan gazowy nazywamy krzepnięciem. 1

Krzepnięcie- jest to temperatura, w której substancja przechodzi ze stanu ciekłego w stan stały. Przejście ze stanu ciekłego w stan gazowy nazywamy parowaniem. Parowanie- (temperatura wrzenia) jest to temperatura, w której substancja przechodzi ze stanu ciekłego w parę (aceton 56,1C, woda 100C). Skutek pozytywny umożliwia destylację ropy. Skutek negatywny całkowicie wypłukuje rozpuszczalnik. Przejście ze stanu gazowego do stanu ciekłego nazywamy kondensacją lub skraplaniem. Gęstość produktu względem powietrza- jest to stosunek masy objętości pary substancji do masy powietrza o tej samej objętości. Prężność pary nasyconej- jest to prężność, powyżej, której ciecz przestaje parować. Ciśnienie pary wzrasta wraz z temperaturą. Stężenie pary nasyconej- jest to ilość pary wyrażonej w gramach lub m3. Wskaźnik parowania- jest to pojęcie empiryczne określone w stosunku do prędkości parowania eteru wynoszącej 1. Temperatura zapłonu- to minimalna temperatura, do której należy doprowadzić ciecz, aby para zapaliła się przy udziale płomienna. Temperatura samozapłonu- jest to minimalna temperatura konieczna do zapalenia produktu i utrzymywanie procesu spalania bez płomienia. Spalanie- proces fizykochemiczny, w którego wyniku zachodzą z dużą szybkością reakcje chemiczne między paliwem a utleniaczem, wydziela się duża ilość energii. Proces spalania charakteryzuje się możliwością samo podtrzymywania i rozprzestrzeniania się w postaci płomienia, towarzyszy mu zjawisko świecenia. Szybkość reakcji spalenia należy do składu i początkowych parametrów mieszaniny palnej. Rozróżnia się spalanie: - Laminarne-, gdy w spalanej mieszaninie nie ma ruchu burzliwego, - Turbularne-, gdy w spalanej mieszaninie występuje ruch burzliwy, - Dyfuzyjne- podczas dyfuzyjnego mieszania się paliwa gazowego z utleniaczem gazowym, 2

- Naddźwiękowe- to spalanie gazowego paliwa w strumieniu utleniacza w prędkości naddźwiękowej. Wybuch- to zespół zjawisk towarzyszących bardzo szybkiemu przejściu układu z jednego stanu równowagi w drugi z wyzwoleniem dużej ilości energii. Wybuch: - Fizyczny-, gdy układ ulega tylko zmianom fizycznym, - Chemiczny-, gdy przyczyną tego wybuchu jest bardzo szybka silnie egzoenergetyczna reakcja chemiczna, przebiegająca z powstaniem dużej ilości produktów gazowych. Wybuchy (inaczej pożar) możne powstać, gdy zaistnieje czasowa i przestrzenna zbieżność następujących elementów: - Materiału palnego, - Czynnika utleniającego, - Źródła zapłonu. Materiały palne: - Gazy palne, - Ciecze, których para zpowietrza tworzą palne lub wybuchowe, Czynniki utleniające: - Tlen z powietrza, - Tlen w związkach nadtlenkowych, - Związki zawierające grupy bogate w tlen. Źródła zapłonu: Rodzaje źródła zapłonu: - Punktowe, - Liniowe, - Powierzchniowe, - Pojemnościowe. Zapoczątkowanie spalania: 1) Gazy- zapalają się przez samozapalenie, zapłon ograniczonej przestrzeni mieszaniny palnej pod wpływem jakiegokolwiek źródła ciepła, którego temperatura znacznie przewyższa temperaturę samozapłonu, 2) Ciecze- pary cieczy w mieszaninie z powietrzem zapalają się przez osiągnięcie temperatury zapłonu, 3

3) Pyły- w zależności czy dotyczy to pyłu osiadłego czy obłoku pyłu. Zapłon pyłu osiadłego jest charakteryzowany przez: kum. Tlenia, jest to najniższa temperatura gorącej powierzchni, w której pyl osiadły swobodnie w warstwie o grubości 5 mm ulega zapłonu u określonym czasie (do 2h). Jest to najniższa temperatura gorącej powierzchni, od której obłok pyłu najłatwiej zapalnym stężeniem ulega samozapaleniu. Zapłon obłoku pyłu charakteryzuje temperatura samozapłonu, dolna granica wybuchowości, oraz minimalna granica zapłonu. Dolna granica wybuchowości- (DGW)- to najniższe stężenie składnika polnego w mieszaninie z powietrzem lub innym utleniaczem, przy którym zapłon pod wpływem czynnika inicjującego jest już możliwy. Górna granica zapłonu- (GGW)- to najwyższe stężenie składnika polnego w mieszaninie z powietrzem lub innym utleniaczem, przy którym zapłon pod wpływem czynnika inicjującego jest jeszcze możliwa. DGW GGW% % Amoniak 15 28 Benzyna 0,76 7,6 Gaz miejski 5,3 40 Gaz ziemny 4,3 15 Butan 1,5 8,5 Propan 2,1 9,5 Tlenek węgla 15,5 75 Roztwory Ciekłe i Gazowe. Roztwory właściwe- są mieszaninami fizycznie jednorodnymi składającymi się z 1 lub kilku substancji rozpuszczalnych w danym rozpuszczalniku. Skład ilościowy roztworu określamy podając stężenie poszczególnych składników, czyli ich zawartość w określonej masie lub objętości roztworu w danej temperaturze. Stężenie procentowe. 1) Procent masowy- zwany też procentem (%), wagowym (% m/m). Określa masę (liczbę gramów) substancji rozpuszczonej w 100 g roztworu. Np. 15% m/m roztworu NaCL 4

15 g NaCL.... w 100 g roztworu ms Cp = --------- * 100 mr mr = ms + ma 100 g = 15 g + x x =85 g H2O 1) Procent masowo objętościowy- (% m/v), określa liczbę gramów substancji rozpuszczonej w 100 ml roztworu. Tą jednostkę stosuje się w przypadku roztworu rozcięczonego. 1) Procent objętościowy- (% v/v), określa objętość (liczbę moli) substancji rozpuszczonej w 100 ml roztworu. Ten sposób wyróżnia skład roztworu stosowany jest zwykle dla roztworów cieczy w cieczy lub gazu w cieczy. Stężenie molowe. 1) Sprężenie molowe- określa liczbę moli substancji rozpuszczonej w 1l roztworu. C= n/v [mol/l, mmol/ml] N= m/M [g/gmol= mol] 1) Stężenie molalne- podaje liczbę substancji rozpuszczonej w 1 kg rozpuszczalnika. M= n/ma 2) Stężenie molarne- podaje liczbę moli substancji rozpuszczonej w 1 kg roztworu. W rozcieńczonych roztworach wodnych molalność = molarności = molowości Gęstość rozpuszczalnika musi być zbliżona do 1. Ułamkiem molowym xi składnika nazywamy stosunek liczby moli tego składnika ni do ogólnej liczby moli w roztworze: ni Xi = -----n Suma ułamków molowych wszystkich składników wynosi 1. Mnożąc ułamek molowy przez 100 wartość tego ułamka wyrażamy w % (procentach) molowych. 5

Ppm- to określone stężenie w częściach na milion Ppb- oznacza ile części wagowych danej substancji znajduje się w 109 części wagowych roztworu. MEq/l- liczba miligram w równoważników w 1000 ml. 1%=10g/l=1000ml/100ml=105ppm=106mg/100ml 1g/l=0,1%=100mg/ml=1000ppm=105mg/100ml 1mg/100ml=0,001%=0,01g/l=10ppm=1000mp/100ml 1ppm=0,0001%=0,001g/l=0,0mp/100ml=100g/100ml g- mikrogram. Definicje podstawowe: Gęstość- masa właściwa, jest to stosunek masy do objętości danej substancji. D= m/v Gęstość węglowa- to stosunek gęstości substancji do gęstości wybranej substancji odniesienia. Dla ciał stałych i cieczy gęstości wyrażane są w stosunku do cieczy najczęściej do wody 1g/cm3. Dla gazu i pary gęstości wyrażone są w stosunku do powietrza (w warunkach standardowego ciśnienia i temperatury). Rozpuszczalność- to ilość substancji, która rozpuszcza się w danej ilości rozpuszczalnika tworząc roztwór nasycony, może być wyrażona w kg/m3 lub mol/l. Rozpuszczalność ciała stałego w cieczy zależy od temperatury rośnie z temperaturą, w przypadku gazu rozpuszczalność maleje ze wzrostem temperatury. Definicje dodatkowe. Temperatura krytyczna- to temperatura, powyżej, której gazu nie można skroplić przez podwyższenie ciśnienia. Stan krytyczny- to stan płynu, w którym faza gazowa i ciekła mają tę samą gęstość. Płyn ma wówczas temperaturę krytyczną, ciśnienie krytyczne i objętość krytyczną. Ciśnienie krytyczne- ciśnienie płynu w jego stanie krytycznym, tzn., gdy temperatura i objętość osiągnęły wartość krytyczną. Współczynnik załamania światła lub reakcji.

6

Promień świetlny przechodzący z ośrodka optycznie rzadkiego (A) do ośrodka optycznie gęstego (B) ulega pewnemu załamaniu, co wynika z zmiany prędkości przechodzenia światła przez te ośrodki. Stosunek sinusa kąta padania  do sinusa kąta  nosi nazwę współczynnika załamania lub refrakcji, a jego wartość zależy od rodzaju padającego światła (długość fali) i rodzaju substancji, jej stężenia w badanym środowisku. D- jednobarwne światło żółte odpowiadające linii widma słonecznego o długości fali 598,3 nanomole.

D  A B



nd20= sin/sin Lepkość- właściwość płynu (cieczy, gazu) polegająca na powstaniu w nich naprężeń stycznych, zależy do prędkości odkształcania elementów płynu. Lepkość jest uwarunkowana ruchami cieplnymi i oddziaływaniem między cząsteczkowymi. Ilościowa lepkość ujmuje zależności między naprężeniem stycznym a prędkością odkształcania. = (v/x) - naprężenie styczne, - gradien prędkości w kierunku normalnym do przepływu, Współczynnik lepkości lub lepkości granicznej. 7

Z wzrostem ciśnienia lepkość dynamiczna cieczy i gazu rośnie, natomiast z wzrostem temperatury cieczy lepkość maleje a gazu rośnie. Do pomiaru gęstości służą lepkościomierze. [Pa s]- jednostka lepkości (paskalosekunda) Ciepło właściwe- (pojemność cieplna właściwa) jest to stosunkiem ilości ciepła dostarczonego substancji do jej masy i do uzyskanego przerostu temperatury. W przypadku gazów wartości ciepła właściwego są podawane zwykle dla stałej objętości wówczas oznacza się symbolem Cv lub dla stałego ciśnienia Cf. Ciepło przemiany fazowej (tzw., ciepło utajone)- jest to stosunek ilości ciepła pochłanianego lub uwalnianego podczas zmiany stanu skupienia substancji w stałej temperaturze do masy tej substancji. Ciepło parowania- jest to energia, którą substancja pobiera z otoczenia, aby pokonać siły przyciągania między cząsteczkami w skutek przejścia cieczy w gaz oraz aby przezwyciężyć ciśnienie atmosferyczne. Ciepło spalania- jest to energia uwolniona podczas całkowitego utlenienia 1 grama danej substancji. Jednostką ciepła spalania jest: J/g Ciepło rozpuszczania- jest to energia uwalniana przez 1 mol substancji rozpuszczonej w innej substancji. [J/mol] Substancje chemiczne. Substancje chemiczne-, z których złożony jest dany układ nazywamy składnikami chemicznymi. Składniki- tworzą ze sobą różnego typu mieszaniny, co sprawia, że w układzie mogą współistnieć z sobą różne fazy. Fazą- nazywamy część układu oddzieloną od pozostałych granicą, na której następuje skokowa zmiana właściwości fizykochemicznych. Układy dzielimy na jedno i wielo składnikowe lub jedno i wielo fazowe. Faza zawierająca jeden składnik stanowi substancję czystą a faza składająca się z więcej niż jednej substancji nazywamy roztworem. Układ jednofazowy, jednorodny w całej przestrzeni zarówno pod względem chemicznym jak i fizycznym nazywamy układem homogenicznym. W układzie wielofazowym można wyodrębnić obszary różniące się składem lub stanem skupienia. Taki niejednorodny układ nazywamy układem heterogenicznym. 8

Rodzaje roztworów. W zależności od stopnia rozdrobnienia substancji rozpuszczonej w fazie rozpraszającej rozróżniamy: Roztwory żeczywiste- (właściwe) w tych roztworach występują cząsteczki o rozmiarach 10-7cm. Roztwory koloidalne- w tych roztworach występują cząsteczki o rozmiarach od 10-7 do 5* 10-5cm. Zawiesiny-, czyli układy zawierające cząsteczki o rozmiarach powyżej 5* 10 5 cm. Roztwory, rzeczywisty - są mieszaninami jednorodnymi makroskopowymi. Jeden ze składników roztworu jest nazwany rozpuszczalnikiem a drugi substancją rozpuszczaną. W roztworach składniki zatracają częściowo swoje właściwości fizyczne, a mieszanina wykazuje nowe jednorodne w całej masie właściwości fizyczne. Składniki roztworów są nierozróżnialne, ale możemy je rozdzielić wykonując np.: różnicę temperatur, wżeni się składników, reakcję strącenia. Rozpuszczanie - to proces prowadzący do otrzymania mieszaniny. Przejście danej substancji do roztworu uzyskujemy przez: - Mieszanie się dwóch składników, - Solsetacje- to proces polegający na grupowaniu się cząsteczek rozpuszczalnika wokół cząsteczek substancji rozpuszczanej, - Roztwarzanie z reakcją chemiczną rozpuszczonej substancji z rozpuszczalnikiem. P4O10 + 6H2O ----- 4H3PO4 Zu+H2SO4 ---- ZuSO4 + H2O Roztwory nasycone- to takie, w których dana substancja nie rozpuszcza się już więcej w danych tych samych warunkach. Roztwory nienasycone- to takie, w których możemy jeszcze rozpuścić pewną ilość substancji. Roztwory przesycone- są niestabilnymi układami darzącymi do wydzielania nadmiaru rozpuszczonej substancji w postaci osadu.

9

Rozpuszczanie ciał stałych w cieczy ma charakter dynamiczny, jest to proces odwracalny dochodzący do stanu równowagi. Na przebieg procesu rozpuszczania i jego szybkości ma wpływ: - Rozdrobnienie substancji powoduje zwiększenia powierzchni ciała stałego, co ułatwia odrywanie się kolejnych cząsteczek, - Mieszanie roztworu ułatwia rozprzestrzenienie się solwatowych cząstek w całej objętości roztworu, - Ogrzewanie roztworu sprzyja rozpadowi cząsteczek rozpuszczalnika a przez co zwiększa dostęp kolejnych cząsteczek rozpuszczalnika do powierzchni rozpuszczonej substancji. Rozpuszczalność ciała stałego zależy od: - Natury substancji rozpuszczanej i rozpuszczalnika (podobne rozpuszcza się w podobnym), - Od temperatury. Rozpuszczalność cieczy w cieczach. Proces ten nazywamy mieszaniem. Ciecze mogą rozpuszczać się w cieczach w sposób nieograniczony lub mogą być częściowo lub całkowicie nierozpuszczalne. Substancje, których cząsteczki są polarne (woda, etan, kwas octowy), mieszają się bardzo dobrze. Podobnie dobrze rozpuszczają się substancje niepolarne z niepolarnymi. Spośród związków organicznych w wodzie rozpuszczają się te, które mają stosunkowo niską masę cząsteczkową oraz te, które zawierają grupy funkcyjne o strukturze polarnej. Związki apolarne są nierozpuszczalne w wodzie. Rozpuszczanie gazów w cieczach. Dzięki bezwładnym molom i ciągłym zderzeniom cząsteczki wprowadzonego gazu mogą rozprzestrzeniać się w roztworze (gazu) czyli dyfindują pomiędzy cząsteczkami rozpuszczalnika. Proces samorzutnego rozprzestrzeniania się cząsteczek zwanych dyfuzją odbywa się z przestrzeni o wyższym do przestrzeni o niższym stężeniu. Przykładem dyfuzji jest: wiatr, oddychanie. Przemieszczanie polega na samorzutnym rozprzestrzenianiu się cząsteczek wywołane ich ruchem molekularno- kinetycznym, a prowadzące do 10

równomiernego rozprzestrzeniania ich w obrębie danej fazy nazywamy DYFUZJĄ. Prędkość dyfuzji gazu zależy: - Jest wprost proporcjonalna do różnicy stężenia pomiędzy dwiema analizowanymi przestrzeniami, a odwrotnie proporcjonalna do pierwiastka kwadratowego z masy cząsteczki danego gazu. Ilościowy proces dyfuzji ujmuje prawo Ficka: N= -DA(C/X) Wzór: Podaje liczbę moli substancji rozpuszczonej (N) przechodzącą w jednostce czasu przez powierzchnię roztworu o przekroju A pomiędzy punktami o różnicy stężeń C odległymi o X. D- współczynnik dyfuzji. Szybkość dyfuzji gazu w cieczy rośnie z wzrostem temperatury powierzchni wymiany, gradientu (różnica) ciśnień (stężeń), pomiędzy gazem nad cieczą i w cieczy. Natomiast maleje z wzrostem wymiaru cząsteczek, lepkości cieczy oraz długości drogi dyfuzji. Podstawy spektroskopii i spektrofotometrii. Metody analityczne oparte na pomiarze absorpcji promieniowania w zakresie nadfioletu części widzialnej i podczerwieni nazywa się ABSORPCJOMETYRIĄ. Działem absorpcjometrii jest KOLORYMETRIA (odnosząca się do pomiaru tylko w zakresie promieniowania widzialnego). Spektrofotometria- jest też działem absorcjometri. Widmo promieniowania elektromagnetycznego: Promi Promienie Daleki Bliski Promi Bliska Daleka Mikrof Fale enie Rentgeno Ultrafi Ultrafi enie Podczer Podczer ale Radio Gamm wskie olet olet Widzia wień wień Radar we a lne Fale światła widzialnego stanowią tylko drobny wycinek widma fal elektromagnetycznych, obejmuje fale o długości od 380 nanometrów do 780 nanometrów. Najkrótsze z tych fal widzianych jako fioletowe najdłuższe jako czerwone. Pole barw w zakresie nanometrycznym: - fiolet 380- 420 - fioletowo- niebieski 420- 440 11

-

niebieska 440- 470 niebiesko- zielona 470- 500 zielona 500- 520 zielono- żółta 520- 550 żółta 550- 580 pomarańczowa 580- 620 czerwona 620- 680 purpurowa 680- 780 I odbite

IO Ir

IO- natężenie światła padającego I odbite- natężenie światła odbitego Ir- natężenie światła rozproszonego Ia- natężenie światła zaabsorbowanego It- natężenie światła, które przeszło IO=Iod+Ir+Iz+It Iod=0 Ir=0 Io=Ia+It It/Io=T[%] T- transmisja T=0/100

12

W metodach absorbacyjnych bardziej używanym wskaźnikiem jest pochłanianie światła zwane absorpcją, której liczbowym wyraźnikiem jest ABSORBACJA (A) A=log1/T=logIo/It A=0,1/0,6 Zdolność absorbacji pewnych funkcji promieniowania elektromagnetycznego przez różne ciała zależy od budowy cząsteczkowej, a zwłaszcza występowaniu w ich cząsteczkach barwo nośnych ugrupowań: chromoforowych, auksochromorowych. Ugrupowania chromoforowe- są to wiązania podwójne (np. =C=C-, -C=C-). Natomiast ugrupowania auksochromoforowe- są to niektóre grupy funkcyjne. Zależność jaka istnieje między absorpcją światła a grubością warstwy ośrodka (roztworu) i jego stężeniem, ujmuje prawo LAMBERTA BEERA, które mówi, że absorpcja światła przez roztwór jest wprost proporcjonalna do grubości warstwy roztworu i jego stężenia. A=logIo/It=Klc l- grubość warstwy roztworu, K- współczynnik absorpcji, dla którego wartość jest stała dla danej substancji i rozpuszczalnika, przy określonej długości fali światła, c- wyraża się w mol/l. Z prawa LAMBRETTA BEERA wynika, że przy tej samej długości fali elektromagnetycznej i przy zachowaniu jednakowych grubości warstw roztworu, absorpcje są wprost proporcjonalne do stężenia. Ap badanej/A wzorca = Cp badanej/C wzorca Te zależności wynikają wtedy gdy wiemy, że stężenie wzrasta. Krzywa wzorcowa:

A

1

A=fc

2

13

Oprócz oznaczenia kolorymetrycznego stężenia roztworów na podstawie ich intensywności zabarwienia metodą kolorymetryczną wykorzystuje się do oceny lub pomiaru barwy różnych ciał- jednostki Hantera. Jest to system przyjęty w 1976 r. L*- jasność barwy (wartości od 0/100 0- czerwony, 100- biały) a*, b*- współrzędne chromatyczne a*- jeżeli przyjmuje wartość dodatnią (a+) udział barwy czerwonej, jeżeli wartość ujemną (a-) udział zieleni. a0, b0- kolor szary. Nasycenie barw= a*2+b*2 Odbicie barwy ctg= b*/a* (arynos= ac). Spektrofotometrię wykorzystujemy: - bo pomiary spektrofotometryczne są bardzo dokładne, a metody spektrofotometrem są czułe, prosto wykonane, szybkie. - Są powszechnie stosowane w analityce medycznej jak i w innych dziedzinach nauk przyrodniczych. Zanieczyszczenie Środowiska Do środowiska przedostają się różne substancje chemiczne, zarówno ze źródeł naturalnych (wybuchy wulkanów, pożary, powodzie, erozje gleby), jak i antropogeniczne, w skutek działalności człowieka do środowiska przedostaje się zarów...