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 właściwości fizycznych (Atkins) 2. Faza to część układu oddzielona od niego wyraźnymi granicami, która Jakie opisywana sąs jest rodzaje jednym faz? równaniem stanu (Gumiński). ciało stałe, ciecz, gaz, 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 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 Herbatka z niedomieszanym cukrem Prawo podziału Nernsta

4 Reguła a 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

5 Wykorzystanie równania r Gibbsa Przykład 1 Liczba składnik adników w niezależnych nych 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

6 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)

7 Diagram fazowy wody

8 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

9 Diagram fazowy wody

10 Struktura wody

11 Diagram fazowy węglaw Diamond Pressure (Pa) 10 9 Graphite Liquid 10 7 Vapor Temperature (K)

12 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

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

14 Mechanizm rozpuszczania Efekt energetyczny

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

16 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 -

17 Typy rozpuszczalników

18 Właściwości roztworów Stęż ężenie C M, C % Rozpuszczalność R = ilość substancji rozpuszczonej ilość rozpuszczlanika g dm 3, g dm, g dm Aktywność

19 Czynniki wpływaj ywające na rozpuszczalność Temperatura Ciśnienie Rodzaj rozpuszczalnika Rodzaj substancji rozpuszczonej

20 Czynniki wpływaj ywające na rozpuszczalność Temperatura Sugar (C 12 H 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 gazów 20 Ce 2 (SO 4 ) T, o C Rozpuszczalność c. stałych - egzo- i endotermiczne efekty

21 Czynniki wpływaj ywające na rozpuszczalność Ciśnienie Rozpuszczalność gazów 1.5E-03 O2 solubility [m ol/dm 3] 1.0E E-04 N2 He 0.0E p, atm

22 Czynniki wpływaj ywające na rozpuszczalność Ciśnienie Prawo Henry ego: Ilość gazu możliwa do rozpuszczenia jest wprost proporcjonalna do ciśnienia gazu nad roztworem p = k c p = ciśnienie parcjalne gazu nad roztworem c = stęż ężenie rozpuszczonego gazu w roztworze k = stała

23 Czynniki wpływaj ywające 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% objęto tości N 2 i 21% objęto tości Jaki jest skład rozpuszczonego powietrza? Z prawa Henry ego 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?

24 Czynniki wpływaj ywające 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% R + R N 2 O2 RO = 100% = 100% = 35.57% R + R N 2 O2 64% 36%

25 Ciśnienie par rozpuszczalnika Prawo Raoulta Dodatek nielotnej substancji rozpuszczonej powoduje obniżenie pręż ężności 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

26 Zmiany temperatur wrzenia, krzepnięcia Nielotna substancja rozpuszczona - T w T = K b m roz-k K b = stała a ebulioskopowa 11_280 m = stęż ężenie rozpuszczalnika atm Vapor pressure of pure water Pressure (atm) Vapor pressure of solution Nielotna substancja rozpuszczona - T k Freezing point of solution Freezing point of water Boiling point of water Boiling point of solution T = K f m solute K f = stała a krioskopowa m = stęż ężenie rozpuszczalnika T f Temperature ( C) T b

27 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

28 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.

29 Koloidy układy dyspersyjne

30 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

31 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