Fazy i ich przemiany

Transkrypt

1 Układy i fazy

2 Fazy i ich przemiany Co to jest faza? 1. Faza to forma występowania materii jednolita w całej objętości pod względem składu chemicznego i 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, ciecz, gaz, para Dlaczego dochodzi do zmiany faz? Fazy przechodzą jedna w drugą w sposób samorzutny, jeżeli S tot >0 lub G<0. Przemiany takie nazywamy przejściami fazowymi ciało stałe ciecz: topnienie stan, w którym ciecz i ciało stałe są w równowadze ciecz para: wrzenie - stan, w którym ciecz i para są w równowadze, ciśnienie pary równe jest ciśnieniu zewnętrznemu

3 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 Zawiesiny Prawo podziału Nernsta

4 Układy i fazy

5 Układy i fazy

6 Układy i fazy

7 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

8 Wykorzystanie równania Gibbsa Przykład 1 Oblicz liczbę składników niezależnych oraz liczbę stopni swobody układu: 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 ] i [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

9 Diagramy fazowe Informacje P c = Critical point 72.8 Pressure (atm) P 3 = 5.1 Solid Triple point Liquid Gas 1.00 T m T 3 T c Temperature ( C)

10 Diagram fazowy wody

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

12 Diagram fazowy wody

13 Struktura wody

14 Diagram fazowy wody Gdzie herbata ugotuje się szybciej? a. u mnie w domu b.na wierzchołku Rysów Gdzie jajko ugotuje się szybciej? a. u mnie w domu b.na wierzchołku Rysów

15 Diagram fazowy wody Czy można jeździć na łyżwach po szkle?

16 Diagram fazowy wody Czy pranie może wyschnąć przy -10 o C?

17 Diagram fazowy węgla Diamond Pressure (Pa) 10 9 Graphite Liquid 10 7 Vapor Metody otrzymywania syntetycznych diamentów: HPHT (high presure high temperature) CVD (chemical vapour deposition) DN (detonationnanodiamonds) Temperature (K)

18 Diagram fazowy dwutlenku węgla

19 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

20 Roztwory Układy niejednorodne, homogeniczne, jednofazowe Film 1 rozpuszczanie NaCl.MOV Film NaCl dramatycznie.mov

21 Mechanizm rozpuszczania Efekt energetyczny

22 Mechanizm rozpuszczania Efekt energetyczny Film 2 rozpuszczanie - przemiany energii.mov

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

24 Typy rozpuszczalników

25 Właściwości roztworów Stężenie C M, C % Rozpuszczalność R = ilość substancji rozpuszczonej ilość rozpuszczlanika g dm 3, g dm, g dm Aktywność

26 Czynniki wpływające na rozpuszczalność Temperatura Ciśnienie Rodzaj substancji rozpuszczonej Rodzaj rozpuszczalnika

27 Czynniki wpływające na rozpuszczalność Temperatura solubility [mol/dm3] 2.0E E E E E+00 He N2 O2 Solubility (g solute/100 g H 2 O) Sugar (C 12 H 22 O 11 ) Na 2 SO 4 KNO 3 NaNO 3 NaBr KBr KCl 20 Ce 2 (SO 4 ) T, o C T, o C Rozpuszczalność c. stałych w Rozpuszczalność gazów w cieczach cieczach - egzo- i endotermiczne efekty

28 Czynniki wpływające na rozpuszczalność Ciśnienie Rozpuszczalność gazów 1.5E-03 O2 solubility [mol/dm3] 1.0E E-04 N2 He 0.0E p, atm

29 Czynniki wpływające na rozpuszczalność Ciśnienie Ilość gazu możliwa do rozpuszczenia jest wprost proporcjonalna do ciśnienia gazu nad roztworem p = k c p = ciśnienie parcjalne gazu nad roztworem c = stężenie rozpuszczonego gazu w roztworze k = stała Prawo Henry ego:

30 Czynniki wpływające na rozpuszczalność Przykład 2 Rozpuszczalność azotu atmosferycznego w wodzie w temperaturze 0 o C i pod ciśnieniem 1 atm. wynosi cm 3 /dm 3, a rozpuszczalność 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 gazowej 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?

31 Czynniki wpływające na rozpuszczalność Przykład 2 rozpuszczalność N 2 rozpuszczalność O 2 R N2 = = cm 3 /dm 3 R O2 = = cm 3 /dm 3 Skład powietrza w roztworze C C O N R N 2 2 = 100% = 100% = 64.43% 64% R + R N 2 O2 RO = 100% = 100% = 35.57% 36% R + R N 2 O2

32 Czynniki wpływające na rozpuszczalność Rodzaj substancji rozpuszczonej Dodatek nielotnej substancji do rozpuszczalnika 1) powoduje obniżenie prężności par rozpuszczalnika p r-r = xwater r-k p r-k Vapor p r-r = ciśnienie par roztworu (solution) x r-k = ułamek molowy subst. rozpuszczonej (solute) w rozpuszczalniku p r-k = ciśnienie par rozpuszczalnika (solvent) (a) Water Aqueous solution (b) Aqueous solution Prawo Raoulta

33 Właściwości koligatywne zależą od liczby cząstek ( nie od ich masy czy objętości) są to: stężenie gazu w cieczy (p( g ) ciśnienie par rozpuszczalnika nad roztworem (c( r ) temperatura krzepnięcia i zamarzania roztworu (c( r ) ciśnienie osmotyczne podział substancji rozpuszczonej pomiędzy dwa różne rozpuszczalniki

34 Czynniki wpływające na rozpuszczalność Rodzaj substancji rozpuszczonej Dodatek nielotnej substancji do rozpuszczalnika 2) podwyższenie temperatury wrzenia roztworu - T w T = K b m roz-k 11_280 K b = stała ebulioskopowa m = stężenie rozpuszczalnika atm Vapor pressure of pure water Freezing point 3) obniżenie temperatury krzepnięcia roztworu of water Pressure (atm) T = K f m solute K f = stała krioskopowa m = stężenie rozpuszczalnika Freezing point of solution T f Vapor pressure of solution roztworu- T k Boiling point of water Temperature ( C) T b Boiling point of solution

35 Ciśnienie osmotyczne rozpuszczalnik subst. rozpuszczona Różnica poziomów cieczy (h) jest wywołana ciśnieniem osmotycznym ( π) ciśnienie osmotyczne π = c R T ( Pa) C stężenie molowe h Dializa

36 Prawo podziału Nernsta C 1 c 1 = c 2 K C 2 Stosunek stężeń substancji rozpuszczonej w dwóch nie mieszających się cieczach jest stały. Jeżeli stała K>>1 to substancję możemy wydzielić na drodze ekstrakcji.

37 Właściwości koligatywne zależą od liczby cząstek ( nie od ich masy czy objętości) są to: stężenie gazu w cieczy (p( g ) ciśnienie par rozpuszczalnika nad roztworem (c( r ) temperatura krzepnięcia i zamarzania roztworu (c( r ) ciśnienie osmotyczne podział substancji rozpuszczonej pomiędzy dwa różne rozpuszczalniki

38 Koloidy układy dyspersyjne

39 Koloidy Stan koloidalny równie powszechny jak stan gazowy, 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

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