Trójkąt Gibbsa Równowagi układów z ograniczoną mieszalnością składników Prawo podziału Nernsta

Podobne dokumenty
Analiza termiczna Krzywe stygnięcia

BADANIE RÓWNOWAG FAZOWYCH W UKŁADACH TRZECH CIECZY

chemia wykład 3 Przemiany fazowe

Wykład 8B. Układy o ograniczonej mieszalności

14. DIAGRAM GIBBSA. Sprawdzono w roku 2014 przez A.Klimek-Turek

14. IZOTERMA ROZPUSZCZALNOŚCI UKŁADU TRÓJSKŁADNIKOWEGO ROZPUSZCZALNIKÓW

RÓWNOWAGI FAZOWE W UKŁADACH TRÓJSKŁADNIKOWYCH TYPU CIECZ CIECZ

Prężność pary nad roztworem

14. IZOTERMA ROZPUSZCZALNOŚCI UKŁADU TRÓJSKŁADNIKOWEGO ROZPUSZCZALNIKÓW

Ćwiczenie 3: Wpływ temperatury na równowagę w układzie ciecz-ciecz

Katedra Chemii Fizycznej Uniwersytetu Łódzkiego. Izoterma rozpuszczalności w układzie trójskładnikowym

Wykład 6. Klasyfikacja przemian fazowych

Wykład 3. Fizykochemia biopolimerów- wykład 3. Anna Ptaszek. 30 października Katedra Inżynierii i Aparatury Przemysłu Spożywczego

Wykład 1. Anna Ptaszek. 5 października Katedra Inżynierii i Aparatury Przemysłu Spożywczego. Chemia fizyczna - wykład 1. Anna Ptaszek 1 / 36

Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych

Roztwory rzeczywiste (1)

Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych

Obliczenia chemiczne. Zakład Chemii Medycznej Pomorski Uniwersytet Medyczny

Stopień wyekstrahowania w układzie ciecz ciecz

prof. dr hab. Małgorzata Jóźwiak

Para pozostająca w równowadze z roztworem jest bogatsza w ten składnik, którego dodanie do roztworu zwiększa sumaryczną prężność pary nad nim.

STRUKTURA STOPÓW UKŁADY RÓWNOWAGI FAZOWEJ. Publikacja współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Wykład 8. Równowaga fazowa Roztwory rzeczywiste

Wykresy równowagi fazowej. s=0

Ekstrakcja: WYZNACZANIE WSPÄŁCZYNNIKA PODZIAŁU Pentan-1-ol/WODA DLA KWASU OCTOWEGO

MATERIAŁOZNAWSTWO Wydział Mechaniczny, Mechatronika, sem. I. dr inż. Hanna Smoleńska

Wykład 1-4. Anna Ptaszek. 6 września Katedra Inżynierii i Aparatury Przemysłu Spożywczego. Fizykochemia biopolimerów - wykład 1-4.

WYZNACZANIE STAŁEJ DYSOCJACJI SŁABEGO KWASU ORGANICZNEGO

Warunki izochoryczno-izotermiczne

Roztwory rzeczywiste (1)

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

WYKŁAD 7. Diagramy fazowe Dwuskładnikowe układy doskonałe

1. Pojęcie fazy, składnika, granicy faz i warstwy powierzchniowej.

Ekstrakcja: WYZNACZANIE WSPÓŁCZYNNIKA PODZIAŁU Pentan-1-ol/WODA DLA KWASU OCTOWEGO

Równowaga. równowaga metastabilna (niepełna) równowaga niestabilna (nietrwała) równowaga stabilna (pełna) brak równowagi rozpraszanie energii

Inżynieria Środowiska

Chemia fizyczna/ termodynamika, 2015/16, zadania do kol. 2, zadanie nr 1 1

A4.05 Instrukcja wykonania ćwiczenia

POLITECHNIKA POZNAŃSKA ZAKŁAD CHEMII FIZYCZNEJ ĆWICZENIA PRACOWNI CHEMII FIZYCZNEJ

Seria 2, ćwiczenia do wykładu Od eksperymentu do poznania materii

Termodynamika równowag fazowych w układach dwuskładnikowych

Równowagi fazowe. Zakład Chemii Medycznej Pomorski Uniwersytet Medyczny

Czy równowaga jest procesem korzystnym? dr hab. prof. nadzw. Małgorzata Jóźwiak

RÓWNOWAGI REAKCJI KOMPLEKSOWANIA

K02 Instrukcja wykonania ćwiczenia

POLITECHNIKA POZNAŃSKA ZAKŁAD CHEMII FIZYCZNEJ ĆWICZENIA PRACOWNI CHEMII FIZYCZNEJ

Badanie właściwości związków powierzchniowo czynnych

Laboratorium z chemii fizycznej. Zakres zagadnień na kolokwia

Badanie równowag ciecz para w układach dwuskładnikowych

POLITECHNIKA POZNAŃSKA ZAKŁAD CHEMII FIZYCZNEJ ĆWICZENIA PRACOWNI CHEMII FIZYCZNEJ

Spektroskopia molekularna. Ćwiczenie nr 1. Widma absorpcyjne błękitu tymolowego

Repetytorium z wybranych zagadnień z chemii

Roztwory buforowe (bufory) (opracowanie: dr Katarzyna Makyła-Juzak)

Diagramy fazowe graficzna reprezentacja warunków równowagi

PODSTAWY CHEMII INŻYNIERIA BIOMEDYCZNA. Wykład 2

CZYNNIKI WPŁYWAJĄCE NA SZYBKOŚĆ REAKCJI CHEMICZNYCH. ILOŚCIOWE ZBADANIE SZYBKOŚCI ROZPADU NADTLENKU WODORU.

Właściwości koligatywne

Ćwiczenie IX KATALITYCZNY ROZKŁAD WODY UTLENIONEJ

Budowa stopów. (układy równowagi fazowej)

Wyznaczanie stałej dysocjacji pk a słabego kwasu metodą konduktometryczną CZĘŚĆ DOŚWIADCZALNA. Tabela wyników pomiaru

Kalorymetria. 1. I zasada termodynamiki, Prawo Hessa, Prawo Kirchhoffa (graficzna interpretacja), ciepło właściwe, termodynamiczne funkcje stanu.

Ekstrakcja. Seminarium 7. 23/11/2015

Kinetyka chemiczna jest działem fizykochemii zajmującym się szybkością i mechanizmem reakcji chemicznych w różnych warunkach. a RT.

Równowagi jonowe - ph roztworu

dla której jest spełniony warunek równowagi: [H + ] [X ] / [HX] = K

Ć W I C Z E N I E 4. Reekstrakcja miedzi z roztworu ciekłego wymieniacza jonowego do roztworów H 2 SO 4

powierzchnia rozdziału - dwie fazy ciekłe - jedna faza gazowa - dwa składniki

relacje ilościowe ( masowe,objętościowe i molowe ) dotyczące połączeń 1. pierwiastków w związkach chemicznych 2. związków chemicznych w reakcjach

Katedra Chemii Fizycznej Uniwersytetu Łódzkiego. Wpływ stężenia kwasu na szybkość hydrolizy estru

Chemia fizyczna. Równowagi fazowe. Zakład Chemii Medycznej Pomorski Uniwersytet Medyczny

Termodynamika fazy powierzchniowej Zjawisko sorpcji Adsorpcja fizyczna: izoterma Langmuira oraz BET Zjawiska przylegania

Adsorpcja błękitu metylenowego na węglu aktywnym w obecności acetonu

Podstawowe pojęcia 1

ROZPORZĄDZENIE MINISTRA ŚRODOWISKA 1)

dr hab. inż. Józef Haponiuk Katedra Technologii Polimerów Wydział Chemiczny PG

Stany równowagi i zjawiska transportu w układach termodynamicznych

INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

Modelowanie w ochronie środowiska

a. Dobierz współczynniki w powyższym schemacie tak, aby stał się równaniem reakcji chemicznej.

Rozcieńczanie, zatężanie i mieszanie roztworów, przeliczanie stężeń

FIGURY I PRZEKSZTAŁCENIA GEOMETRYCZNE

Spis treści. Wstęp... 9

Mieszaniny substancji

5. WYZNACZENIE KRZYWEJ VAN DEEMTER a I WSPÓŁCZYNNIKA ROZDZIELENIA DLA KOLUMNY CHROMATOGRAFICZNEJ

ĆWICZENIE 2 KONDUKTOMETRIA

Ćwiczenie 2: Właściwości osmotyczne koloidalnych roztworów biopolimerów.

Kwas HA i odpowiadająca mu zasada A stanowią sprzężoną parę (podobnie zasada B i kwas BH + ):

TRANSPORT NIEELEKTROLITÓW PRZEZ BŁONY WYZNACZANIE WSPÓŁCZYNNIKA PRZEPUSZCZALNOŚCI

Chemia klasa VII Wymagania edukacyjne na poszczególne oceny Semestr II

Katedra Chemii Fizycznej Uniwersytetu Łódzkiego

POLITECHNIKA POZNAŃSKA ZAKŁAD CHEMII FIZYCZNEJ ĆWICZENIA PRACOWNI CHEMII FIZYCZNEJ

1. Stechiometria 1.1. Obliczenia składu substancji na podstawie wzoru

Kierunek i poziom studiów: chemia poziom pierwszy Sylabus modułu: Podstawy Chemii B 0310-CH-S1-010

Elektrochemia jest to dział chemii fizycznej, obejmuje (wg. klasycznego podziału): Elektrodykę zajmuje się prawami chemicznymi, które powodują

Wykład 7. Anna Ptaszek. 13 września Katedra Inżynierii i Aparatury Przemysłu Spożywczego. Fizykochemia biopolimerów - wykład 7.

Wymagania programowe: Gimnazjum chemia kl. II

Wymagania edukacyjne na poszczególne roczne oceny klasyfikacyjne z przedmiotu chemia dla klasy 7 w r. szk. 2019/2020

A4.04 Instrukcja wykonania ćwiczenia

Prowadzący. telefon PK: Pokój 210A (Katedra Biotechnologii i Chemii Fizycznej C-5)

TERMODYNAMIKA TECHNICZNA I CHEMICZNA

Transkrypt:

Termodynamiczny opis równowag w układach trójskładnikowych 3.4.1. Trójkąt Gibbsa 3.4.2. Równowagi układów z ograniczoną mieszalnością składników 3.4.3. Prawo podziału Nernsta

Układy trójskładnikowe Liczba stopni swobody układu dwuskładnikowego wynosi s 5 max 5 maksymalna liczba współistniejących faz Prezentacja graficzna stężeń układów trójskładnikowych: 1. Trójkąt stężeń Gibbsa trójkąt równoboczny 2. Równoramienny trójkąt prostokątny 1. 2. Wykład z Chemii Fizycznej str. 3.4/ 2

Trójkąt stężeń Gibbsa-Roozebooma Trójkąt stężeń Gibbsa: A, B, C - czyste składniki a - linia układów o stałej zawartości składnika B (20%) b - linia układów o stałym stosunku zawartości składników A i B (A : B = 3 : 7) Wykład z Chemii Fizycznej str. 3.4/ 3

Przykład: Podać skład roztworu trójskładnikowego opowiadającego punktom P1, P2 oraz P3 Naroża trójkąta A, B, C odpowiadają czystym składnikom A, B lub C. Na przykład naroże A przedstawia skład : 100% A, 0% B i 0% C. Boki trójkąta, AB, BC i AC odpowiadają układom dwuskładnikowym; np. punkt P1 odpowiada mieszaninie o składzie: 50% A i 50% B. Każdy punkt leżący wewnątrz trójkąta przedstawia układ trójskładnikowy. Zawartość składników w danym punkcie wewnątrz trójkąta można określić dwojako: 1. przeprowadzając z punktu P3 prostopadłe do boków mamy a b c h skąd zawartości %-owe składników wynoszą: a b c m A 100% m B 100 % 100% h h h m C 2. przeprowadzając przez punkt P3 proste równoległe do boków, odczytujemy zawartości składników na bokach trójkąta Wykład z Chemii Fizycznej str. 3.84 4

Trójkąt stężeń Gibbsa-Roozebooma Wykres Gibbsa układu trzech cieczy. Para cieczy A, B wykazuje ograniczoną rozpuszczalność. Linie pomocnicze, równoległe do boków trójkąta, ilustrują zasadę określania składu sumarycznego układu z położenia punktu reprezentującego go na wykresie: P 15% A, 35% B, 50% C Odcinki łączące punkty izotermy przedstawiające składy dwu współistniejących faz noszą nazwę konod (linii koniugacji). Wszystkie punkty leżąc na jednej konodzie przedstawiają składy sumaryczne układów, które rozdzielają się na dwie fazy określone końcowymi punktami konody.

Przykład: interpretacja trójkąta stężeń Gibbsa Punkt S nosi nazwę punktu splotu. 1 faza ciekła Pomarańczowa krzywa nosi nazwę krzywej binodalnej. 2 fazy ciekłe Punkty a, c, e, g odpowiadają roztworowi nasyconemu A w cieczy złożonej z dwóch pozostałych składników (lub tylko B w punkcie a). Punkty b, d, f, h odpowiadają roztworowi nasyconemu B w cieczy złożonej z dwóch pozostałych składników (lub tylko A w punkcie b). Punkty leżące na konodach (np. i) dzielą się na obie fazy zgodnie z regułą dźwigni. Punkt S odpowiada roztworowi nasyconemu gdy dwie fazy mają identyczny skład, jest to roztwór nasycony jednej fazy A-B w C. Linie łączące pary punktów a-b, c-d, e-f i g-h zwane są liniami wiążącymi lub konodami.

Przykład: Izoterma rozpuszczalności w układzie trójskładnikowym z ograniczoną rozpuszczalnością w układzie podwójnym AB W wyniku ograniczonej mieszalności otrzymuje się dwie fazy: - fazę α (nasycony roztwór B w A), - fazę β (nasycony roztwór A w B). Jak obliczyć masy fazy a (m a ) i fazy b (m b ) znając, całkowitą masę mieszaniny (m), skład faz a i b oraz skład sumaryczny c? Z warunku zachowania masy składnika A: A A c m x m x x A m Ponieważ x A c A A A A m m x m x m m m m m A x A xc m x x A c A x αa, x β A - zawartość składnika A w fazach α i β x ca - sumaryczny skład odpowiadający punktowi c Równanie to wyraża tzw. regułę dźwigni, według której masy tworzących się faz mają się do siebie, (m α lm β ), jak długości odcinków, (bclac). Wykład z Chemii Fizycznej str. 3.4/ 7

Przykład: przykładowe układy trójskładnikowe A B C D E Wskaż układy trójskładnikowe, w których tylko jedna para składników wykazuje ograniczoną mieszalność. Wykład z Chemii Fizycznej str. 3.4/ 8

Przykład: przykładowe układy trójskładnikowe A B C D E Wskaż układy trójskładnikowe, w których tylko dwie pary składników wykazują ograniczoną mieszalność. Wykład z Chemii Fizycznej str. 3.4/ 9

Przykład: przykładowe układy trójskładnikowe A B C D E Wskaż układy w których występują wyłącznie równowagi jedno- i dwufazowe. Wykład z Chemii Fizycznej str. 3.4/ 10

Przykład: przykładowe układy trójskładnikowe A B C D E Wskaż układy w których występują równowagi jedno-, dwu- oraz trójfazowe. Wykład z Chemii Fizycznej str. 3.4/ 11

Przykład: przykładowe układy trójskładnikowe A B C D E Wskaż układy trójskładnikowe, w których każda z para składników wykazuje ograniczoną mieszalność. Wykład z Chemii Fizycznej str. 3.4/ 12

Przykład: przykładowe układy trójskładnikowe A B C D E Wskaż układy trójskładnikowe, w których występuje para nie mieszających się cieczy w całym zakresie stężeń. Wykład z Chemii Fizycznej str. 3.4/ 13

Przykład: przykładowe układy trójskładnikowe Wskaż punkt (lub punkty) na wykresie obrazujący rzeczywiste zachowanie się układu trójskładnikowego przedstawione na zdjęciu. Wykład z Chemii Fizycznej str. 3.4/ 14

Problem: Czy dodatek benzenu do roztworu metanolu w wodzie spowoduje powstanie układu jedno czy też dwufazowego? W celu odpowiedzi na powyższe pytanie należy wyznaczyć krzywe izoterm rozpuszczalności. Jak? Zestaw szklany do wyznaczania izotermy rozpuszczalności: 1 - biureta, 2 - cylinder miarowy Dla wyznaczenia izotermy rozpuszczalności w układzie trójskladnikowym (H 2 O-C 6 H 6 -CH 3 OH) należy zmieszać w pewnym stosunku ciecze nie mieszające się (H 2 O-C 6 H 6 ), a następnie miareczkować ten układ dwufazowy - przy intensywnym mieszaniu w stałej temperaturze - do momentu pełnej homogenizacji. Punkt homogenizacji łatwo stwierdzić po zaniku zmętnienia.

Izoterma rozpuszczalności w układzie trójskładnikowym Izoterma rozpuszczalności w układzie potrójnym H 2 O C 6 H 6 CH 3 OH Objętości składników w mieszaninie [cm 3 ] H 2 O C 6 H 6 CH 3 O H % molowe składników w mieszaninie H 2 O C 6 H 6 CH 3 OH 0,5 5,5 4,6 13,60 30,50 55,90 1,0 5,0 7,2 19,17 19,43 61,40 2,0 4,0 10,4 26,88 10,90 62,22 3,0 3,0 12,2 33,19 6,73 60,08 4,0 2,0 12,5 40,13 4,07 55,80 5,0 1,0 11,0 49,51 2,01 48,48 Kształt izotermy rozpuszczalności w układach potrójnych zależy od budowy chemicznej składników. Zastąpienie w badanym układzie metanolu przez etanol spowoduje wzrost rozpuszczalności, czyli obniżenie izotermy. Podobny wpływ wywiera także temperatura.

Prawo podziału Nernsta Jeśli roztwory składnika 3 w cieczach 1 i 2 można traktować jako roztwory idealne, rozcieńczone. Warunkiem równowagi między roztworami A' i A" jest równość potencjału chemicznego składnika 3 w obu fazach: K(T) współczynnik podziału. Otrzymuje się prawo podziału składnika między dwie fazy ciekłe: Dla roztworów rzeczywistych " x 3 3 K( T x ' 3 " ' 3 ) Wykład z Chemii Fizycznej str. 3.4/ 17

Prawo podziału Nernsta Czy współczynnik podziału jest zależny od stężenia? Dla roztworów rzeczywistych " x 3 3 K( T ' x ' 3 " 3 ) Dla roztworów doskonałych " x3 K ( T x ' c Współczynnik podziału zdefiniowany w oparciu o stężenia (ułamki molowe) jest zależny od stężenia z uwagi na niedoskonałość roztworów. Przyczyną odstępstw od doskonałości są oddziaływania międzycząsteczkowe (siły dyspersyjne Londona, oddziaływania dipol-dipol, jon-dipol, jon jon, wiązania wodorowe itp.), w wyniku których substancja rozpuszczona może w jednym roztworze utworzyć związki kompleksowe (typu A m C m, lub B m C m ), zaś w drugim asocjaty (typu C m ). Przeprowadzając ekstrapolację wartości współczynnika podziału do nieskończenie wielkiego rozcieńczenia otrzymuje się wielkość niezależną od stężenia: lim c0 x x " 3 ' 3 K c 3 " 3 ' 3 ) K c K Wykład z Chemii Fizycznej str. 3.4/ 18

Prawo podziału Nernsta A A Ilustracja prawa podziału Nernsta; z prawa podziału wynika, że konody winny przeciąć się w jednym punkcie A A " " " 1 2 3... K( T ' ' ' 1 A2 A3 ) Ekstrakcja Wykład z Chemii Fizycznej str. 3.4/ 19

Problem: Czy możliwy jest wydzielenie kwasu benzoesowego z roztworu wodnego korzystając z ksylenu? W przypadku rozdziału kwasu benzoesowego pomiędzy fazę wodną i ksylenową, współczynnik podziału jest bliski jedności. Wyniki pomiaru współczynnika podziału Efektywne usunięcie kwasu benzoesowego w tym przypadku z roztworu wodnego do fazy ksylenowej wymagałoby kilkakrotnej ekstrakcji za pomocą kolejnych porcji czystego ksylenu. W wielu jednakże ważnych procesach rozdziału współczynniki podziału są znacznie mniejsze od jedności i nawet jednokrotna ekstrakcja prowadzi do bardzo efektywnego przejścia składnika z jednej fazy do drugiej. Wykład z Chemii Fizycznej str. 3.4/ 20

Zastosowanie prawa podziału Nernsta Współczynnik podziału c log P log rozp. apolar c woda Log P = 1 tzn. współczynnik podziały woda:rozpuszczalnik =10:1 Log P = 0 tzn. współczynnik podziały woda:rozpuszczalnik =1:1 Log P = -1 tzn. współczynnik podziały woda:rozpuszczalnik =1:10 Współczynnik podziału jest wartością stała. oktanol Wykład z Chemii Fizycznej str. 3.4/ 21

Lek w miejscu wiążącym napotyka dwa wzajemnie konkurencyjne środowiska: lipofilowe (liofobowe) błon komórkowych oraz lipofobowe (liofilowe) jaki stanowi cytoplazma. Cytoplazma komórkowa jest w zasadzie rozcieńczonym wodnym roztworem soli, a zatem roztworem o wysokiej polarności. Prawdopodobieństwo aktywności leku jest więc uzależnione od równowagi hydrofilowo-hydrofobowej. Substancje muszą być dostatecznie hydrofobowe, by pokonać błony komorkowe, a jednocześnie nie mogą być wchlonięte przez komórki tłuszczowe.

Związek współczynnika podziału z aktywnością biologiczną Współczynnik dystrybucji log c D log oktanol [ c cz. zjonizowane ] [ c cz. niezdysoc. ] woda woda log D log P log 110 phpk a dla kwasów log D log P log 110 phpk a dla zasad logd można obliczyć na podstawie logp oraz pk a Wykład z Chemii Fizycznej str. 3.4/ 23

logd dla zasady o wartości pk a =8 logd dla kwasu o wartości pk a =8

Przykład: zastosowanie pomiarów współczynnika podziału Teofylina Naturalnie występujący alkaloid, o szerokim zakresie stosowania w leczeniu chorób dróg oddechowych. Zależność zmian logd w funkcji ph Wykład z Chemii Fizycznej str. 3.4/ 25

Acrivastyna Jest antagonistą receptora H1 działając antyhistaminowo. Wykład z Chemii Fizycznej str. 3.4/ 26

Związek współczynnika podziału z aktywnością biologiczną Wykorzystanie rozpuszczalnika organicznego jako prostego modelu układu lipidowego. Równania empiryczne wprowadzone przez Hanscha Aktywność = m log P + k (linia prosta) Aktywność = m log P - c(log P)2 - k(parabola) Aktywność = m log P - c(blog P +1) - k (rectilinear) m, k, c wartości stałe Woda i oktanol w sposób zasadniczy różnią się polarnością Współczynnik podziału w układzie woda oktanol stanowi ważny wskaźnik charakteru hydrofobowego (lub hydrofilowego). Ta właściwość w bezpośredni sposób rzutuje na takie właściwości leków jak: wchłanianie, bioaktywność, oddziaływania lek-receptor, metabolizm oraz toksyczność. W praktyce operuje się nie wartościami bezwzględnymi lecz ich wykładnikiem: logp LogP stał się powszechnym i jednym z najbardziej kluczowych parametrów charakteryzujących właściwości i oddziaływania leku. LogP może być wyznaczany eksperymentalnie bądź też obliczany metodami teoretycznymi. Wykład z Chemii Fizycznej str. 3.4/ 27

Związek współczynnika podziału z aktywnością biologiczną Obliczenie wartości współczynnika podziału A K A woda rozp. organiczny log P log K pk G RT Wykład z Chemii Fizycznej str. 3.4/ 28