Wykład 2. Anna Ptaszek. 7 października Katedra Inżynierii i Aparatury Przemysłu Spożywczego. Chemia fizyczna - wykład 2. Anna Ptaszek 1 / 1

Transkrypt

1 Wykład 2 Katedra Inżynierii i Aparatury Przemysłu Spożywczego 7 października / 1

2 Zjawiska koligatywne Rozpuszczenie w wodzie substancji nielotnej powoduje obniżenie prężności pary nasyconej P woda 1 atm lód woda ciek a woda + substancja nielotna para wodna T 2 / 1

3 } Zjawiska koligatywne P woda 1 atm woda + substancja nielotna efekt krioskopowy } efekt ebulioskopowy T 3 / 1

4 Zjawiska koligatywne Zjawiska koligatywne do tej grupy zaliczamy zjawiska będące konsekwencją obniżenia prężności pary czyli: ebulioskopię krioskopię ciśnienie osmotyczne 4 / 1

5 Zjawiska koligatywne T W = K E m K E - to stała ebuliometryczna: K E = R T 0 2 M 1000 H W M - masa molowa substancji rozpuszczonej T 0 - temperatura wrzenia czystego rozpuszczalnika, H W - molowe ciepło parowania Stała ta podaje podwyższenie temperatury wrzenia dla roztworu 1 molowego i jest charakterystyczna dla rozpuszczalnika. 5 / 1

6 Zjawiska koligatywne K K - to stała kriometryczna: T K = K K m K = R T 2 0 M 1000 H K M - masa molowa substancji rozpuszczonej T 0 - temperatura krzepnięcia czystego rozpuszczalnika, H K - molowe ciepło krzepnięcia Stała kriometryczna podaje obniżenie temperatury krzepnięcia dla roztworu 1 molowego i jest charakterystyczna dla rozpuszczalnika. 6 / 1

7 Zjawiska koligatywne Ciśnienie osmotyczne Pojęcie to odnosi się do zjawiska osmozy, jakie zachodzi pomiędzy roztworem a czystym rozpuszczalnikiem przy założeniu, że są one oddzielone membraną czyli przegrodą przepuszczalną tylko dla cząsteczek rozpuszczalnika. Dlaczego membrana? Z powodu obecności błony dochodzi do przeciwnego, w stosunku do klasycznej dyfuzji, zachowania cząsteczek. Przepływ rozpuszczalnika zachodzi do momentu wyrównania potencjałów chemicznych zarówno rozpuszczalnika jak i substancji rozpuszczonej po obu stronach przegrody. Objawem zjawiska jest wzrost objętości roztworu, powodujący zmniejszenie stężenia substancji nielotnej. 7 / 1

8 Ciśnienie osmotyczne 8 / 1

9 Zjawiska koligatywne Osmotyczne równanie stanu to równanie opisujące oddziaływania pomiędzy cząsteczkami substancji rozpuszczonej a rozpuszczalnikiem: π c = RT M [1 + A 2(T )c + A 3 (T )c ] W równaniu tym A 2 (T ) oraz A 3 (T ) oznacza drugi i trzeci współczynnik wirialu, c stężenie substancji rozpuszczonej natomiast M masa molowa substancji rozpuszczonej. 9 / 1

10 Zjawiska koligatywne Drugi współczynnik wirialu A 2 (T ) ujemna wartość wskazuje na niewielkie powinowactwo pomiędzy substancją rozpuszczona a rozpuszczalnikiem. W konsekwencji można zaobserwować zjawiska agregacji/asocjacji lub rekrystalizacji. duże dodatnie wartości tego współczynnika wskazują na bardzo dobrą rozpuszczalność. 10 / 1

11 Układy gaz-ciecz Rozpuszczalność wybranych gazów w cieczach w 20 o C, w g/100g cieczy CIECZ H 2 N 2 O 2 CO 2 H 2 S NH 3 woda 0,017 0,015 0,028 0,88 2, etanol 0,08 0,130 0,143 3 benzen 0,066 0,104 0,163 0, / 1

12 Układy gaz-ciecz Wpływ temperatury na rozpuszczalność wybranych gazów w wodzie w g/100g cieczy T, o C H 2 CO 2 H 2 S 0 0,0215 1,71 4, ,0182 0,878 2, ,0164 0,530 1, ,0160 0,359 1,19 12 / 1

13 Układy gaz-ciecz wpływ temperatury podczas rozpuszczania gazu w cieczy wydziela się energia na sposób ciepła, stąd też zgodnie z regułą przekory: x 2 = H x 1 R ( 1 1 ) T 2 T 1 x - zawartość gazu w cieczy odpowiednio w dwóch różnych temperaturach 13 / 1

14 Układy gaz-ciecz Wpływ ciśnienia na rozpuszczalność CO 2 w wodzie w ml CO 2 w 1g H 2 O w przeliczeniu na warunki normalne p, bar 25 o C 30 o C 60 o C 25 16, ,2 10, , , ,3 14 / 1

15 Układy gaz-ciecz wpływ ciśnienia - prawo Henry ego w stałej temperaturze ilość x gazu rozpuszczonego w danej objętości cieczy jest proporcjonalna do jego ciśnienia cząstkowego p nad roztworem: He - stała Henry ego x = He p 15 / 1

16 Układy ciecz-para układy doskonałe i prawo Raoulta jeżeli dwie lub więcej cieczy tworzy roztwór doskonały to ciśnienia cząstkowe oparów (p) tych cieczy są związane ze składem ciekłego roztworu (x) następującą zależnością: p 1 = P o 1 x A p 2 = P o 2 x B p 3 = P o 3 x C P o i ciśnienie pary nasyconej nad czystą cieczą i 16 / 1

17 Układy ciecz-para składnik kluczowy - składnik lżejszy to ciecz o najniższej temperaturze wrzenia 17 / 1

18 Układy ciecz-para prawo Daltona całkowita prężność (ciśnienie) par nad mieszaniną jest równa sumie ciśnień cząstkowych składników mieszaniny p = p 1 + p 2 + p 3 oczywiście p i = p y i y - ułamek molowy oparów danej cieczy w fazie gazowej. 18 / 1

19 Układy ciecz-para prawo Daltona i Raoulta skutkuje dla układów doskonałych: 19 / 1

20 Układy ciecz-para prawo Daltona i Raoulta skutkuje dla układów doskonałych: 20 / 1

21 Układy ciecz-para rzeczywiste czyli niedoskonałe zeotropia to takie mieszaniny, w których występują oddziaływania pomiędzy cząsteczkami cieczy. W efekcie obserwuje się dodatnie lub ujemne odchylenia od prawa Raoulta. dodatnie odchylenie ujemne odchylenie 21 / 1

22 Układy ciecz-para azeotropia to zjawisko występowania ekstremalnych wartości ciśnienia: 22 / 1

23 Układy ciecz-para azeotropia to zjawisko występowania ekstremalnych wartości ciśnienia a w konsekwencji i temperatury: T T T2 T2 T1 T1 0 azeotrop 1 ujemny 0 1 azeotrop dodatni 23 / 1

24 Układy ciecz-para etanol-woda 24 / 1

25 Układy ciecz-para rzeczywiste czyli niedoskonałe współczynniki aktywności to wielkości poprawkowe, które uwzględniają oddziaływania pomiędzy składnikami mieszaniny zarówno w fazie ciekłej γ i jak i gazowej φ i p φ i y i = P o i γ i x i NRTL (non-random two-liquid model) UNIQUAC (UNIversal QUAsiChemical) UNIFAC (UNIQUAC Functional-group Activity Coefficient) 25 / 1

26 Układy ciecz-para NRTL oddziaływania pomiędzy dwoma składnikami cieczy 26 / 1

27 Układy ciecz-para UNIQUAC opiera się na znajomości parametrów powierzchniowych i objętościowych charakteryzujących cząsteczki składników 27 / 1

28 Układy ciecz-para UNIFAC oddziaływania pomiędzy grupami charakterystycznymi składników mieszaniny 28 / 1