ÅRSREGNSKAB 2013 FINANCIAL STATEMENTS FOR 2013 CVR
Transcription
ÅRSREGNSKAB 2013 FINANCIAL STATEMENTS FOR 2013 CVR
Formelsamling Fra atomer og molekyler til materialer Mikkel Bregnhøj Oktober 2008 Indhold: Forord og kildehenvisning..........................................................................................side 1 Molarmasser................................................................................................................. side 2 Antalsmidlet molarmasse............................................................................................side 2 Massemidlet molarmasse............................................................................................side 2 Polydispersitetsindeks................................................................................................ side 2 Eksempel.................................................................................................................... side 2 Osmose......................................................................................................................... side 3 Anden virialkoefficient............................................................................................... side 3 Eksempel.................................................................................................................... side 4 Polymerers længde og bevægelser............................................................................ side 5 Random walk..............................................................................................................side 5 Valence angle model................................................................................................... side 5 Restricted bond angle model...................................................................................... side 5 Gyrationsradius...........................................................................................................side 5 Eksempel.................................................................................................................... side 6 Elektromagnetisk tiltrækning og frastødning...........................................................side 7 Coulombs lov.............................................................................................................. side 7 Dipol-dipol vekselvirkning.........................................................................................side 7 Debyelængde.............................................................................................................. side 7 Eksempel.................................................................................................................... side 8 Generel rumgeometri.................................................................................................. side 9 Cirkler......................................................................................................................... side 9 Kugler......................................................................................................................... side 9 Cylindere.................................................................................................................... side 9 Mængdeberegning...................................................................................................... side 9 Micellers rumgeometri................................................................................................side 10 Pakningsparameter......................................................................................................side 10 Aggregeringstal...........................................................................................................side 10 Eksempel.................................................................................................................... side 11 Diverse..........................................................................................................................side 12 Konstanter...................................................................................................................side 12 Enheder....................................................................................................................... side 12 Omregningstabeller mellem enheder.......................................................................... side 12 Forord og kildehenvisning: Nærværende formelsamling er et forsøg på at samle al den nødvendige viden for at kunne bestå grundkurset ”Fra atomer og molekyler til materialer”, udbudt ved Kemisk Institut, Århus Universitet. Formlerne i formelsamlingen er i det store hele magen til dem givet i ”Introduction to Soft Matter” af Ian W. Hamley, Revised Edition, Wiley, 2007. Konstanter og tabelværdier er fra ”Kompendium i fysik”, udarbejdet af undervisningsministeriet, 1994, samt ”Databogen i fysik og kemi” af Erik Strandgaard Andersen, Paul Jespersgaard og Ove Grønbæk Østergaard, 11. udgave, 2007. En speciel tak skal gives til professor Jan Skov Pedersen, Kemisk Institut, Århus Universitet, for korrekturlæsning og god undervisning. Mikkel Bregnhøj, Risskov, Oktober 2008. 1 Molarmasser: Antalsmidlet molarmasse. Number-averaged molekular weight. MN= ∑ ni⋅M i ∑ ni MN= ∑ N i⋅M i ∑ Ni ni er stofmængden af molekyler, der har molarmassen Mi. Ni er antallet af molekyler med molarmassen Mi. Massemidlet molarmasse. Weight-averaged molekular weight. MW = ∑ wi⋅M i ∑ wi MW = ∑ mi⋅M i ∑ mi wi er vægtandelen af molekyler, der har molarmassen Mi. mi er massen af molekyler med molarmassen Mi. Polydispersitetsindeks PDI: PDI = MW MN Polydispersitetsindekset er et mål for hvor ens molekylerne i en opløsning er. Kun når molekylerne er 100% monodisperse (samme kædelængde og molarmasse) er PDI = 1. Ellers er PDI altid større end 1. Polydispersitetsindekset er dimensionsløst, dvs. uden enhed. Eksempel: I en opløsning er der 3 forskellige polymerer, kaldet 1, 2 og 3. De har hver især molarmasserne M1, M2 og M3, og stofmængderne n1, n2 og n3. Find polydispersitetsindekset. M1 = 10.000 g/mol M2 = 15.000 g/mol M3 = 20.000 g/mol n1 = 2,00 mol n2 = 1,00 mol n3 = 0,50 mol Den antalsmidlede molarmasse er: ∑ ni⋅M i n 1⋅M 1 n 2⋅M 2n3⋅M 3 MN= = ∑ ni n1n2n3 M N= 2,00 mol⋅10000 g / mol1,00 mol⋅15000 g /mol0,50 mol⋅20000 g /mol g =12857 2,00 mol1,00 mol0,50 mol mol og den massemidlede molarmasse er: MW = ∑ mi⋅M i M 1⋅n1⋅M 1M 2⋅n2⋅M 2M 3⋅n 3⋅M 3 = ∑ mi M 1⋅n 1M 2⋅n 2M 3⋅n3 MW = 2,00 mol⋅10000 g /mol 1,00 mol⋅15000 g /mol 0,50 mol⋅20000 g / mol g =13889 2,00 mol⋅10000 g / mol1,00 mol⋅15000 g /mol0,50 mol⋅20000 g /mol mol 2 2 2 Og polydispersitetsindekset bliver: MW 13889 g / mol PDI = = = 1,080 MN 12857 g / mol 2 Osmose: Når man opløser en polymer (eller andet stort molekyle) i et membran-osmometer, opstår der et osmotisk tryk, som kan beskrives ved følgende ligning: π 1 = R⋅T⋅ A 2⋅cA 3⋅c2 A 4⋅c3 ... c MN π er det osmotiske tryk, c er koncentrationen af polymer i opløsningen. A2, A3, A4 osv. kaldes virialkoefficienterne. Hvis polymeren opfører sig som en ideal gas er A2, A3, A4, ... = 0. Virialkoefficienterne tager højde for at molekylerne påvirker hinanden. I praksis regner man med, at A3 og højere er lig 0, hvorved ligningen kommer til at se således ud. π R⋅T = R⋅T⋅A 2⋅c c MN En lineær afbildning af π/c som funktion af c vil derfor give en ret linje med hældningskoefficienten a = R·T·A2 og som skærer π/c-aksen i b = R·T/MN. Anden virialkoefficient: Den anden virialkoefficient A2, angiver om opløsningsmidlet er et godt, et dårligt eller theta-solvent. Godt opløsningsmiddel A2 > 0 Theta-solvent A2 = 0 Dårligt opløsningsmiddel A2 < 0 I et godt opløsningsmiddel tiltrækker solventmolekylerne og polymeren hinanden. Derfor forsøger polymer-molekylerne at få så stor kontaktflade med opløsningsmidlet som muligt og de folder sig ud til lange kæder. Tilsvarende er der stor frastødning mellem polymer og solvent i et dårligt opløsningsmiddel og polymerene klumper sig sammen for at mindske overfladearealet. Man kan i dette tilfælde regne på polymerene, som var de kugler. I et thetasolvent er der hverken frastødning eller tiltrækning. Her vil polymeren opføre sig nogenlunde som en ideal gas. 3 Eksempel: Ved et osmoseforsøg har man målt følgende ved 25 ºC: Find den antalsmidlede molarmasse. Er opløsningsmidlet godt, dårligt eller theta? π / Pa 71,5 148,5 237 368,5 504 660,5 8 12 16 20 24 28 8,9375 12,375 14,8125 18,425 21 23,589 c / kg/m3 π/c / kg/(m3·Pa) Vi tegner da en graf over π/c som funktion af c og udfører lineær regression på datasættet: Lineær regression: Den bedste rette linie med ligningen y = a·x + b er givet ved: a = 0.734 b = 3.31 Der gælder da at: J J⋅m 3 a=R⋅T⋅A 2 = 8,314 ⋅ 298 K⋅A 2=0,734 2 mol⋅K kg b = R⋅T = MN 8,314 J ⋅ 298 K mol⋅K J = 3,31 MN kg A 2 = 2,963⋅10 M N = 748,51 -4 mol⋅m 3 2 kg kg mol OBS: Det er vigtigt at man holder styr på enhederne! a og b har også enheder! Generelt gælder, at hvis c måles i kg/m3 eller i g/L og π måles i Pa eller N/m2, så får A2 enheden (mol·m3)/kg2 og MN får enheden kg/mol. Det kan være praktisk at omregne til disse enheder før man udfører lineær regression. Som vi ser er A2 større end 0. Man kan derfor argumentere for at opløsningsmidlet er et godt opløsningsmiddel. Samtidig ligger det så tæt på 0, at det også vil have nogle egenskaber som et thetasolvent. Det er ikke en skarp overgang. Som regel vil man kun blive bedt om at argumentere for hvilket af to opløsningsmidler, der er bedst. Det er naturligvis det opløsningsmiddel, som har den højeste værdi af A2. 4 Polymeres længde og bevægelser: Random walk: Hvis atomerne i en polymerkæde kan bevæge sig frit i forhold til hinanden, (selvfølgelig med samme afstand mellem atomerne) er den gennemsnitlige afstand mellem enderne i anden potens (mean square end-to-end distance) givet ved: < r ee2 > = n⋅l 2 n er antallet at bindinger i polymeren med længden l. Valence angle model: I denne model er der ikke fri bevægelighed, men hvert atom har en fast bindingsvinkel θ i forhold til det næste atom i kæden (for C-C bindinger er θ = 109,5º). Der er dog stadig rotationsfrihed omkring bindingsaksen. I denne model kommer formlen til at se således ud: < r 2ee > = n⋅l 2⋅ 1−cosθ 1cosθ φ Restricted bond angle model: I denne model er der ikke længere fri rotation omkring en binding. Atomerne foretrækker at sidde med en vis rotationsvinkel φ i forhold til næste binding. For almindelige carbonkæder er der tre vinkler af φ som foretrækkes, nemlig trans (0º), gauche+ (120º) og gauche- (240º). Der kan imidlertid godt findes enkelte bindinger med andre vinkler end de foretrukne, derfor bruger man middelværdien af cos(φ) i formlen: < r 2ee > = n⋅l 2⋅ 1−cosθ 1〈 cosφ 〉 ⋅ 1cosθ 1−〈 cosφ 〉 θ OBS: Det kun er muligt at finde den gennemsnitlige ende-til-ende afstand i anden potens. Kvadratroden af dette tal er ikke nødvendigvis lig med den gennemsnitlige ende-til-ende afstand, men kun et hint til i hvilket område det ligger. Gyrationsradius: Gyrationsradius for en polymer er defineret som den gennemsnitlige afstand fra polymerens massemidtpunkt til et vilkårligt punkt på kæden. Gyrationsradier fortæller altså noget om molekylernes udbredelse i alle retninger fra massemidtpunktet, og kan udregnes som: < G 2 r > = <r 2 ee > 6 Hvis den er tilgængelig bruges mean square end-to-end afstanden fra restricted bond angle modellen. Ellers bruges afstanden fra valence angle modellen. 5 Eksempel: Et givent polyethylen-molekyle indeholder 501 C-atomer (altså 500 C-C bindinger). Hver C-C binding har en længde på 0,150 nm og og bindingsvinklen mellem to C-atomer er θ = 109,5º. Desuden er <cos(φ)> = 0,65. Hvad er mean square end-to-end distance ifølge hhv. random walk, valence angle og restricted bond angle-modellerne? Hvad er gyrationsradius? Random walk modellen giver os: 2 2 2 < r ee > = n⋅l = 500⋅0,150 nm = 11,25 nm 2 Valence angle model: 2 2 < r ee > = n⋅l ⋅ 1−cosθ 2 1−cos 109,5 º 2 = 500⋅0,15 nm ⋅ = 22,52 nm 1cosθ 1cos 109,5 º Restricted bond angle model: 2 2 < r ee > = n⋅l ⋅ 1−cosθ 1〈 cosφ 〉 10,65 2 1−cos 109,5 º 2 ⋅ = 500⋅0,15 nm ⋅ ⋅ = 106,18 nm 1cosθ 1−〈 cosφ 〉 1cos 109,5 º 1−0,65 Som det ses bliver molekylet en del større, når der kommer begrænsninger på hvilke mulige bindingskonformationer, det kan antage. Gyrationsradius er: < G2r > = <r 2 ee 6 > = 106,18 nm2 6 = 4,21 nm 6 Elektromagnetisk tiltrækning og frastødning: Coulombs lov: To punktladninger frastøder eller tiltrækker hinanden med kraft F, der er givet ved følgende: F= q 1⋅q 2 1 ⋅ 2 4⋅π⋅ε 0⋅ε r r Dette svarer til at de to punktladninger har en samlet potentiel energi på V(r): V r = q ⋅q 1 ⋅ 1 2 4⋅π⋅ε 0⋅ε r r q1 og q2 er de to punktladningers ladning (incl. fortegn) og r er afstanden imellem dem. εr er er den relative permitivitetsfaktor i forhold til permitiviteten i vacuum (kan for de fleste materialer slås op i Databogen). Hvis de to ladninger oplever yderligere afskærmning end den, der opstår på grund af opløsningsmediet, f.eks. ved tilsætning af salt eller andre ladede partikler, ganges en ekstra afskærmningsfaktor på: V r = q ⋅q 1 ⋅ 1 2 ⋅e -r/ R 4⋅π⋅ε 0⋅ε r r D RD kaldes for Debyelængden. Dipol-dipol vekselvirkning: To dipoler frastøder eller tiltrækker hinanden med følgende potentielle energi: −q 1⋅q 2 2⋅l 2 V r = ⋅ 4⋅π⋅ε 0⋅ε r r 3 V r = eller −μ 1⋅μ2 2 ⋅ 4⋅π⋅ε 0⋅ε r r 3 l er afstanden mellem de to ladninger i hver dipol, r er afstanden mellem dipolernes midtpunkter, og q1 og q2 er de to dipolers ladning med fortegn. μ kaldes for dipolmomentet og er defineret som dipolens ladning ganget med afstanden mellem polerne. Dvs: μ=q⋅l l l r Debyelængde: Debyelængden RD for kolloidpartikler i en opløsning relaterer til den afstand hvor partiklerne effektivt kan mærke den elektrostatiske påvirkning fra hinanden. Debyelængden er givet ved: e 2⋅Σ ci⋅z 2i RD= ε 0⋅ε r⋅k b⋅T -½ 7 e er elementarladningen, ε0 er vacuumpermitiviteten, εr er er den relative permitivitet i forhold til vacuum, kb er Boltzmanns konstant, T er kelvintemperaturen, ci er koncentrationen af molekyler med ladningen zi. Husk at z regnes med fortegn. OBS: Koncentrationen ci skal måles i antal per m3 (m-3). Ellers får debyelængden en tåbelig enhed. Hvis man har en molær koncentration, skal denne ganges med 1000 L/m3 og med Avogadros tal, for at få den om til m-3. Dvs. hvis c' måles i M, og c måles i m-3, så er sammenhængen: c = c '⋅1000 L L ⋅NA = 6,02⋅1026 3 ⋅ c' 3 m m ⋅mol Eksempel: Den relative permitivitet for vand er ε0 = 80,1 ved 20 ºC. Udregn Debyelængden for 0,01 M NaCl ved 20 ºC . Hvad er vekselvirkningspotentialet for to elektroner, som befinder sig med en afstand på 10 nm i en opløsning 0,01 M NaCl ved 20 ºC ? I opløsning danner NaCl monovalente ioner med z=1 for Na+ og z=-1 for Cl-. Derfor får vi: 2 2 e ⋅Σ ci⋅z i RD= ε 0⋅ε r⋅k b⋅T -½ 1,602⋅10-19 C2⋅0,01 M⋅6,02⋅10 23 mol-1⋅1000 L/m 3⋅12−12 = 8,85⋅10-12 C/ V⋅m⋅80,1⋅1,381⋅10-23 J / K⋅293 K -½ -9 R D =3,0468⋅10 m=3,047 nm Vekselvirkningspotentialet mellem to elektroner som befinder sig i denne opløsning med en indbyrdes afstand på 10 nm bliver derfor: V r = 1 -e⋅-e -r/ R 1 −1,602⋅10-19 C2 -10 nm/ 3,047 nm ⋅ ⋅e = ⋅ ⋅e 4⋅π⋅ε 0⋅ε r r 4⋅π⋅8,85⋅10 -12 C/V⋅m ⋅80,1 10⋅10-9 m D V r =1,0817⋅10-23 J 8 Generel rumgeometri: Cirkler: Cirklers areal A: A=π⋅r 2 r= Cirklers omkreds O: O = π⋅2⋅r A π r= O 2⋅π r= r Kugler: Kuglers volumen V: 4 V= ⋅π⋅r 3 3 3 3⋅V 4⋅π r Kuglers overfladeareal A: A=4⋅π⋅r 2 r= Cylindere: A 4⋅π V l⋅π Cylinderes volumen V: V=π⋅r 2⋅l r= l= r V r ⋅π 2 Cylinderes overfladeareal A: l A = 2⋅π⋅r⋅l2⋅π⋅r 2 = 2⋅π⋅r⋅lr God gammeldags mængdeberegning: Skemaerne læses som følger: Det øverste felt i en trekant er lig de to nederste ganget sammen. F.eks m = M · n. Et af de nederste felter er lig det øverste felt divideret med det andet af de nederste felter. F.eks. M = m / n eller n = m / M m M M = molarmasse V = volumen m n n C V n = stofmængde C = koncentration ρ V m = masse ρ = densitet (massefylde) 9 Micellers rumgeometri: Pakningsparameter: Formen af en micelle afhænger af formen på den surfactant, som den er dannet af. Pakningsparameteren P, indikerer hvilken form micellen vil have, og givet ved følgende: P= Vhale Ahoved⋅l hale Vhale er volumen af surfactantens hydrofobe halegruppe, Ahoved er arealet af surfactantens hydrofile hovedgruppe og lhale er længden af halen. Sammenhængen mellem pakningsparameter, surfactantform og micelleform er som følger: Pakningsparameter: 1 P 3 1 1 P 3 2 1 P 1 2 P ≈ 1 Surfactantform: Micelleform: Sfæriske (kuglerunde) miceller Cylindriske miceller Vesicler (dobbeltlag) Lamellare dobbeltlag Inverse miceller P ≫ 1 Aggregeringstal: Aggregeringstallet for en micelle er ganske simpelt antallet af surfactant molekyler, som micellen består af. Læg mærke til at man ikke kan finde aggregeringstal for lamellare dobbeltlag eller cylindre, hvis de ikke har nogen endelig udstrækning. I så fald må man finde aggregeringstallet per længde eller per volumen. 10 Eksempel: En opløsning indeholder 0,50 mol af en surfactant med molarmassen 500 g/mol. Surfactanten har en densitet på 0,79 g/cm3, og dens hovedgruppe har et overfladeareal på 0,5 nm2 og carbon-halen har en længde på 8 nm. Surfactanten danner miceller med et volumen på 150 nm3. Find pakningsparameteren. Hvilken form har de miceller som surfactanten danner? Hvor mange surfactant-molekyler indeholder hver micelle? Hvor mange miceller er der i opløsningen? Hver især vejer surfactant-molekylerne: m surf. molekyle = M 500 g/mol = = 8,305⋅10 -22 g 23 -1 N A 6,02⋅10 mol Hvert surfactant-molekyle fylder da: V surf. molekyle = m surf. molekyle 8,305⋅10-22 g = = 1,051⋅10 -21 cm 3=1,051 nm 3 3 ρ 0,79 g /cm Pakningsparameteren kan da udregnes: P= 3 V surf.molekyle 1,051 nm = =0,263 Ahoved⋅l hale 0,5 nm 2⋅8 nm Da dette ligger under 1/3 danner surfactanten kugleformede miceller. En micelle består i dette tilfælde udelukkende af surfactant. Da vi ved, hvad hver surfactantmolekyle fylder og hvad hver micelle fylder, kan vi udregne aggregeringstallet: V micelle 150 nm 3 N Agg. = = =142,72 V surf. molekyle 1,051 nm 3 De 0,50 mol surfactant vejer tilsammen: m surf.i opl. = n⋅M = 0,50 mol⋅500 g/mol = 250 g Dvs. at vi i alt har følgende antal surfactant-molekyler i opløsningen: N surf.molekyle = m surf.i opl. 250 g = =3,01⋅10 23 -22 m surf. molekyle 8,305⋅10 g Da hver micelle indeholder 142,72 surfactant-molekyler må antallet af miceller i opløsningen være: N micelle = N surf. molekyle 3,01⋅1023 = =2,109⋅1021 N Agg. 142,72 11 Konstanter: Lysets fart i vacuum: Boltzmanns konstant: Plancks konstant: Elementarladningen: Avogadros tal Vacuumpermitiviteten Gaskonstanten c kb h e NA ε0 R R mp mn me Protonens masse: Neutronens masse: Elektronens masse: = 3,00 · 108 m/s = 1,381 · 10-23 J/K = 6,63 · 10-34 J/s = 1,602 · 10-19 C = 6,02 · 1023 mol-1 = 8,85 · 10-12 C/(V · m) = 8,3145 J/(mol · K) = 0,0831 (L · Bar)/(mol · K) = 1,007276 u = 1,6726231 · 10-27 kg = 1,008665 u = 1,674954 · 10-27 kg = 5,49 · 10-4 u = 9,11 · 10-31 kg Enheder: Længde: Masse: Tid: Stofmængde: Strømstyrke: Temperatur: Meter Kilogram Sekunder Mol Ampere Kelvin m kg s mol A K Grundenhed Grundenhed Grundenhed Grundenhed Grundenhed Grundenhed Frekvens: Kraft: Tryk: Energi: Effekt: Ladning: Spænding: Magn. fluxtæthed: Kapacitans: Resistans: Radioaktivitet: Hertz Newton Pascal Joule Watt Coulomb Volt Tesla Farad Ohm Becquerel Hz N Pa J W C V T F Ω Bq 1 Hz 1N 1 Pa 1J 1W 1C 1V 1T 1F 1Ω 1 Bq = 1 svingning per sekund (s-1) = 1 kg · m/s2 = 1 N/m2 = 1 kg/(m · s2) =1N·m = 1 kg · m2/s2 = 1 J/s = 1 kg · m2/s3 = 1A· s = 1 J/C = 1 (kg · m2)/(A · s3) = 1 N/(A · m) = 1 (kg · m)/(s2 · A · m) = 1 C/V = 1 (kg · m2)/s2 = 1 V/A = 1 (kg · m2)/(A2 · s3) = 1 henfald per sekund (s-1) Omregningstabeller (for dummies): Hvis du har et skal det ganges for at få det i: tal, der måles i: med: Hvis du har et skal det ganges for at få det i: tal, der måles i: med: nm 10-7 cm cm 107 nm nm 10-9 m m 109 nm nm2 10-14 cm2 cm2 1014 nm2 nm2 10-18 m2 m2 1018 nm2 nm2 10-22 hektar hektar 1022 nm2 nm3 10-21 cm3 cm3 1021 nm3 nm3 10-24 L L 1024 nm3 nm3 10-27 m3 m3 1027 nm3 cm3 10-3 L L 103 cm3 u 1,660 · 10-27 kg kg 1,660 · 1027 u s 3,156 · 10-7 år år 3,156 · 107 s 12