Fazy i ich przemiany

Transkrypt

1 Układy i fazy Fazy i ich przemiany Co to jest faza? 1. Faza to forma występowania materii jednolita w całej objętości pod względem składu chemicznego właściwości fizycznych (Atkins) 2. Faza to część układu oddzielona od niego wyraźnymi granicami, która opisywana jest jednym równaniem stanu (Gumiński). Jakie są rodzaje faz? ciało stałe,,, para Dlaczego dochodzi do zmiany faz? Fazy przechodzą jedna w drugą w sposób samorzutny, jeżeli S>0 lub G<0. Przemiany takie nazywamy przejściami fazowymi ciało stałe : topnienie stan, w którym i ciało stałe są w równowadze para: wrzenie - stan, w którym i para są w równowadze, ciśnienie pary równe jest ciśnieniu zewnętrznemu

2 Układy i fazy Liczba składników nizależnych Liczba faz Nazwa układu Przykład Tematyka 1 1 >1 1 >1 1 Jednorodny homogeniczny Jednorodny heterogeniczny Niejednorodny homogeniczny Lód w 5 o C Topniejący śnieg Roztwory np. cukier w wodzie Diagramy fazowe i ich rozumienie Właściwości roztworów Mechanizm rozpuszczania Entalpia rozpuszczania Wł. koligatywne - prawo Henry ego -stała ebulioskopowa i krioskopowa - prawo Raoulta R E G U Ł A F A Z >1 >1 Niejednorodny heterogeniczny Herbatka z niedomieszanym cukrem Prawo podziału Nernsta Reguła faz Gibbsa s + f = n + 2 s jest to liczba niezależnych zmiennych intensywnych, którą możemy zmienić nie zmieniając liczby faz w równowadze w układzie izolowanym f jest to liczba faz Ustalenie liczby faz napotyka czasem na pewne trudności: fazy objętościowe i powierzchniowe, fazy zdefektowane, fazy o małej liczbie atomów (nie stosuje się termodynamika) n jest to liczba składników niezależnych: Najmniejsza liczba składników, z których można zbudować układ w stanie równowagi pomniejszona o liczbę dodatkowych warunków

3 Wykorzystanie równania Gibbsa Przykład 1 Liczba składników niezależnych układu, liczba stopni swobody NH 4 HCO 3(s) NH 3(g) + CO 2(g) + H 2 O (g) 4 składniki 1 równanier 2 warunki: [NH 3 ]=[CO 2 ] [CO 2 ]=[H 2 O] warunek [NH 3 ]=[H 2 O] wynika z poprzednich n = = 1 f = 2 s = =1 Jeżeli eli w układzie będzie b nadmiar np. NH 3 n = = 2, bo warunek [NH 3 ]=[CO 2 ] nie jest spełniony Diagramy fazowe Jak czytać diagramy? P c = 72.8 Critical point Pressure (atm) P 3 = Solid Triple point Liquid Gas T m T 3 T c Temperature ( C)

4 Diagram fazowy wody Diagram fazowy wody Przemiany fazowe topnienie parowanie ciśnienie. lód para temperatura lód topnienie parowanie para temperatura czas Film_topnienie lodu.mov Film woda.mov Film para wodna.mov

5 Diagram fazowy wody Struktura wody

6 Diagram fazowy węgla Diamond Pressure (Pa) 10 9 Graphite Liquid 10 7 Vapor Temperature (K) Roztwory Układy niejednorodne, homogeniczne, jednofazowe Film 1 rozpuszczanie NaCl.MOV Film NaCl dramatycznie.mov

7 Mechanizm rozpuszczania Efekt energetyczny Typy roztworów Substancja rozpuszczona Rozpuszczalnik Roztwór Przykład powietrze Prawa opisujące Prawo Daltona c. stałe c. stałe c. stałe c. stałe c. stałe c. stałe wódka mosiądz woda sodowa r-r soli woda na makaron wodór r w palladzie Prawo podziału Nernsta Prawo Raoulta - Prawo Henry ego ego Prawo Raoulta -

8 Typy rozpuszczalników Właściwości roztworów!! Stężenie CM, C% Rozpuszczalność R=! ilosc substancji rozpuszczonej ilosc rozpuszczlanika g g dm 3,,... dm 3 g dm 3 Aktywność 8

9 Czynniki wpływające na! Temperatura! Ciśnienie! Rodzaj rozpuszczalnika! Rodzaj substancji rozpuszczonej Czynniki wpływające na Temperatura Sugar (C12H 22 O 11) solubility [mol/dm3] 2.0E E E E-04 He N2 O2 Solubility (g solute/100 g H 2 O) KNO 3 NaNO 3 NaBr KBr Na 2 SO 4 KCl 0.0E T, o C Rozpuszczalność ów 20 Ce2 (SO 4) T, o C Rozpuszczalność c. stałych - egzo- i endotermiczne efekty

10 Czynniki wpływające na Ciśnienie Rozpuszczalność ów 1.5E-03 O2 solubility [m ol/dm 3] 1.0E E-04 N2 He 0.0E p, atm Czynniki wpływające na Ciśnienie Prawo Henry ego: Ilość u możliwa do rozpuszczenia jest wprost proporcjonalna do ciśnienia u nad roztworem p = k c p = ciśnienie parcjalne u nad roztworem c = stężenie rozpuszczonego u w roztworze k = stała

11 Czynniki wpływające na Przykład 2 Rozpuszczalność azotu atmosferycznego w wodzie w temperaturze 0 o C i pod ciśnieniem 1 atm. wynosi cm 3 /dm 3, a tlenu cm 3 /dm 3. Powietrze zawiera 79% objętości N 2 i 21% objętości Jaki jest skład rozpuszczonego powietrza? Z prawa Henry ego wynika: w stałej temperaturze ciśnienie cząsteczkowe jednego ze składników roztworu w fazie owej jest proporcjonalna do stężenia tego składnika w roztworze (w stanie równowagi) Z prawa Daltona wynika: 79% N 2 p N2 = 0.79 atm 21% O 2 p O2 = 0.21 atm Jak to policzyć? Czynniki wpływające na Przykład 2 N 2 R N2 N2 = = cm 3 /dm 3 O 2 R O2 O2 = = cm 3 /dm 3 Skład powietrza w roztworze RN C = 100% = 100% = 64.43% 64% N 2 R + R N 2 O2 RO CO 2 = 100% = 100% = 35.57% 36% R + R N 2 O2

12 Ciśnienie par rozpuszczalnika Prawo Raoulta Dodatek nielotnej substancji rozpuszczonej powoduje obniżenie prężności par rozpuszczalnika p r-r = x r-k p r-k p r-r = ciśnienie par roztworu (solution) An aqueous solution and pure water in a closed x r-k Water = ułamek molowy subst. rozpuszczonej (solute) environment w rozpuszczalniku Vapor p r-k = ciśnienie par rozpuszczalnika (solvent) (a) Initial stage (b) After a period of time when a new equillibrium is reached (a) Water Aqueous solution (b) Aqueous solution Zmiany temperatur wrzenia, krzepnięcia Nielotna substancja rozpuszczona - T w T = K b m roz-k K b = stała ebulioskopowa 11_280 m = stężenie rozpuszczalnika atm Vapor pressure of pure water Nielotna substancja rozpuszczona - T k T = K f m solute K f = stała krioskopowa m = stężenie rozpuszczalnika Pressure (atm) Freezing point of solution T f Freezing point of water Vapor pressure of solution Boiling point of water Temperature ( C) T b Boiling point of solution

13 Ciśnienie osmotyczne rozpuszczalnik subst. rozpuszczona ciśnienie osmotyczne Różnica poziomów y (h) jest wywołana ciśnieniem osmotycznym ( π) π = c R T ( Pa) C stężenie molowe h Zastosowanie: Np. dializa Prawo podziału Nernsta C 1 c 1 = c 2 K C 2 Stosunek stężeń substancji rozpuszczonej w dwóch nie mieszających się ach jest stały. Jeżeli stała K>>1 to substancję możemy wydzielić na drodze ekstrakcji.

14 Koloidy układy dyspersyjne Koloidy Stan koloidalny równie powszechny jak stan owy, ciekły lub stały niski stopień rozdrobnienia składniki nie są ze sobą zmieszane cząsteczkowo Składnik tworzący fazę ciągłą koloidu nazywamy ośrodkiem dyspersyjnym lub rozpraszającym, drugi zaś fazą rozproszoną lub składnikiem rozproszonym. Faza rozproszona składa się z cząstek koloidalnych o wymiarach od 1 do 100 nm, a nawet do 500 nm. 100 µm 100 µm keczup jogurt 3D CONFOCAL MICROSCOPE

15 Koloidy Ośrodek dyspersyjny Faza rozproszona Przykłady Nazwa mgła, chmury, pary mgły ciało o stałe kurz, dym ozole piana mydlana piany, zole mleko, roztwór żelatyny, białko jaj emulsje, emulsoidy ciało o stałe ciało o stałe ciało o stałe mętne wody pumeks, okluzje owe kwarc mleczny zawiesina koloidalna, suspensoidy piany stałe ciało o stałe ciało o stałe kolorowe szkła zole stałe