FIZIČKA HEMIJAFIZIČKA HEMIJA

Disperzni sistemi i fizička ravnotežaDisperzni sistemi i fizička ravnoteža

(26-48)

Nastavnik: Milan Vojinović

Sistemi u kojima je jedna supstanca u obliku vrlo sitnih čestica raspoređena u drugoj supstanci nazivaju se disperzni.

Podela disperznih sistema

Disperzni sistemi se sastoje iz disperzne faze i disperznog sredstva.

Često se disperzno sredstvo naziva rastvarač a disperzna faza rastvorak ili rastvorena supstanca.Pri tome se disperzni sistem naziva rastvor.

Disperzna faza je suspstanca čije su čestice raspoređene u drugoj suspstanci.

Disperzno sredstvo je suspstanca u kojoj su raspoređene čestice druge supstance. Zbog toga se disperzno sredstvo često naziva i disperzna sredina.

Osobine disperznih sistema zavise: od prirode disperznog sredstva

Stepen disperzije označava stepen usitnjenosti čestica koje čine disperznu fazu.

Osobine disperznih sistema

od veličina čestica disperzne faze (stepen disperzije) od uslova u kojima se disperzni sistem nalazi

Ako su prečnici čestica disperzne faze u disperznom sistemu manje od jednog nanometra (<1nm) onda se takav disperzni sistem naziva pravi rastvor. Pravi rastvori su stabilni i uopšte se ne talože.

Ako su prečnici čestica disperzne faze u disperznom sistemu (1-100nm) onda se takav disperzni sistem naziva koloidni rastvor. Koloidni rastvori se ne talože spontano.

Ako su prečnici čestica disperzne faze u disperznom sistemu (>100nm) onda se takav disperzni sistem naziva suspenzija. Suspenzije se talože spontano.

Koloidni sistemi i njihova klasifikacija

Razlike u osobinama disperznih sistema potiču u velikoj meri od površinskih pojava. Čestice disperzne faze u pravim rastvorima su toliko male da se ne može uočiti granična površina između disperzne faze i disperznog sredstva. Zato su pravi rastvori homogeni sistemi.

Koloidni sistemi spadaju u heterogene sisteme.

Između disperzne faze i disperznog sredstva postoji mnogo veća granična površina nego kod suspenzija.

Disperzna faza i disperzno sredstvo kod koloidnih rastvora mogu biti u sva tri agregatna stanja.

Najčešće se srećemo sa koloidnim sistemima u kojima je disperzno sredstvo u tečnom stanju a disperzna faza u čvrstom agregatnom stanju.

Osobine koloidnih sistema zavise od veličine čestica.

Koloidi su svuda oko nas

Dispezna faza

Dispezno sredstvo

Naziv sistema Primer

gas gas - nemoguć (homogen)

gas tečnost pena pavlaka

gas čvrsto čvrsta pena polistirolska pena

tečnost gas aerosol magla

tečnost tečnost emulzija mleko

tečnost čvrsto čvrsta emulzija želatin

čvrsto gas čvrsti aerosol dim

čvrsto tečnost sol krv

čvrsto čvrsto čvrsti sol rubinsko staklo

Iz priložene tabele se može videti da je agregatno stanje koloidnog sistema određeno agregatnim stanjem disperznog sredstva.

Klasifikacija koloidnih sistema prema agregatnim stanjima:

Koloidni sistemi su stabilni

Osnovni deo koloidne čestice (jezgro) čini više združenih jonskih parova ili više molekula. Zbog velike površinske energije jezgro koloidnih čestica može da adsorbuje jone koji se nalaze u rastvoru i molekule disperznog sredstva.

Liofilni (hidrofilni) koloidi pokazuju afinitet prema disperznom sredstvu i obavijaju se molekulima rastvarača (vode).

Liofobni (hidrofobni) koloidi ne pokazuju afinitet prema rastvaraču pa uglavnom adsorbuju sopstvene jone i druge prisutne jone.

Podela koloida prema interakciji sa disperznim srestvom.

Liofilni (hidrofilni) koloidi Liofobni (hidrofobni) koloidi

Optička svojstva koloidnih sistema

Tindalov efekat Molekuli ili joni kod pravih rastvora su toliko sitni da ne mogu da rasipaju svetlost. Međutim koloidne čestice bez obzira što su nevidljive čak i pod običnim mikroskopom rasipaju svetlost. Ovaj efekat se naziva Tindalov efekat. Količina rasute svetlosti srazmerna je broju koloidnih čestica.

Ultramikroskop

Koloidne čestice zbog toga što rasipaju svetlost možemo videti pod ultramikroskopom.

Ultrafiltracija

Koloidi prolaze kroz običan filter-papir ali ne prolaze kroz opne od celofana. Ultra filtra-cija se primenjuje kod preči-šćavanja koloidnih rastvora. Može se ubrzati primenom povišenog pritiska ili vakuuma.

Dijaliza

Dijaliza predstavlja varijantu ultrafiltracije, odvajanje koloidnog rastvora od stranog elektrolita. Na ovaj način veštački bubreg prečićava krv od štetnih produkata metabolizma postupkom koji se naziva hemodijaliza.

Stabilnost koloidnih sistema

Stabilnost koloidnih sistema

Na stabilnost koloidnih sistema utiču

Braunovo kretanje Zemljina teža

Afinitet prema disperznoj fazi (liofilni i liofobni)Elektrostatičko delovanje

Braunovo kretanje

Braunovo kretanje predstavlja kinetičku osobinu koloida veoma važnu za stabilnost koloidnih sistema. Čestice u koloidnim rastvorima se kreću haotično, jer imaju kinetičku energiju.U toku pravolinijskog kretanja koloidne čestice, se sudaraju sa molekulima ili jonima disperznog sredstva pa putanja koloidne čestice ima oblik izlomljene linije.

Zahvaljujući ovakvom kretanju koloidne čestice lebde u rastvoru što utiče na stabilnost kolidnog rastvora.

Stabilnost liofobnih (hidrofobnih) koloida

Koloidi ovoga tipa, s obzirom da nemaju afinitet prema disperznom sredstvu, adsorbuju iz rastvora pozitivne ilinegativne jone, pa su sve čestice istoimeno naelektrisane.Zbog tog naelektrisanja ovaj koloidni rastvor je stabilan.

Destabilizacija liofobnih (hidrofobnih) koloida

- Koagulacija je ukrupnjavanje koloidnih čestica- Sedimentacija je pojava vidljivog taloženja- Hidrofobni koloidi se destabilizuju neutralisanjem njihovog naelektrisanja- Destabilizacija se izvodi dodavanjem jona suprotnog naelektrisanja (koji se adsorbuje na hidrofobnu česticu)

Stabilnost liofilnih (hidrofilnih) koloida

Čestice liofilnih (hidrofilnih) koloida, usled njihovog velikog afiniteta prema rastvaraču (vodi), obavijene su plaštom molekula rastvarača (vode) koji sprečava spajanje koloidnih čestica u veće agregate.

Destabilizuju se dodatkom visokih koncentracija soli ili dodatkom organskih rastvarača koji se mešaju sa vodom

Propuštanje jednosmerne struje kroz koloidni rastvor dovodi do kretanja koloidnih čestica prema suprotno naelektrisanoj elektrodi. Ova pojava se naziva elektroforeza.

Promene napona pare sa temperaturom

Napon pare rastvora

Napon pare - je pritisak koji vrše molekuli pare iznad tečnosti.

Ukoliko je energija molekula pare iznad tečnosti veća, veći je i napon pare.

Pri dodavanju neisparljivih sastojaka rastvaraču napon pare dobijenog rastvora postaje niži od napona pare čistog rastvarača.

Sniženje napona pare rastvarača iznad rastvora na konstantnoj temperaturi direktno je proporcionalno molskom udelu rastvorene supstance. Raulov zakon: Relativno sniženje napona pare rastvarača iznad rastvora jednako je molskom udelu rastvorene supstance.

PA/P*

A =X

A P

B/P*

B =X

B Raulovzakon

PA=X

AP*

A P

B=X

BP*

B P=P

A+P

B

Parcijalni pritisak komponente A predstavlja proizvod molskog udela komponente A i pritiska čiste komponente A.Parcijalni pritisak komponente B predstavlja proizvod molskog udela komponente B i pritiska čiste komponente B.

Krioskopija i ebulioskopija Krioskopija i ebulioskopija predstavljaju direktnu posledicu sniženja napona pare kod rastvora. Krioskopija je pojava sniženja tačke mržnjenja rastvora u odnosu na tačku mržnjenja rastvarača.

ΔTk=K*b

Ebulioskopija je pojava povišenja tačke ključanja rastvora u odnosu na tačku ključanja rastvarača.

ΔTe=E*b

Krioskopija,ebulioskopija,sniženje napona pare rastvora i osmo-za spadaju u koligativne osobine rastvora a to su osobine rastvo-ra koje zavise od broja čestica u sistemu a ne od njihove prirode.

Difuzija Difuzija predstavlja spontani transport materije pod uticajem odgovarajućeg gradijenta iz zone više u zonu niže koncentracije. Kao i mnogi spontani procesi, difuzija je entropijski vođen proces u kojem se energija ili materija koja difunduje uniformno raspoređuje u raspoloživom prostoru podižući time neuređenost sistema tj.entropiju sistema.

Difuzija materije odvija se pod uticajem gradijenta koncentracije. Difuzija se opisuje Fikovim zakonom koji kaže da je fluks difuzije proporcionalan gradijentu koncentracije. dif

OSMOZAOsmoza je difuzija rastvarača kroz membranu. Predstavlja težnju molekula rastvarača da kroz polupropustljivu membranu pređu iz ređeg u koncentrovaniji rastvor.Molekuli vode se kreću iz sredine sa manjom koncentracijom (tu je više vode) u sredinu sa većom koncentracijom rastvorenih materija (tu je vode manje).

Pritisak koji je potreban da bi se sprečila osmoza je efektivan osmotski pritisak. Osmotski pritisak je veći što je koncentracija rastvora veća i obrnuto. osm

SMEŠE KOD KOJIH SE KOMPONENTE POTPUNO MEŠAJU

Osobine smeša kod kojih se komponente potpuno mešaju zavise od sila uzajamnog delovanja njihovih molekula. IDEALNI SISTEMI

SISTEMI SA MAKSIMALNOM TEMPERATUROM KLJUČANJASISTEMI SA MINIMALNOM TEMPERATUROM KLJUČANJA

IDEALNI SISTEMI

Y'A=X

APo

A/P Y'

B=X

BPo

B /P

Molski udeo komponenata u gasovitoj fazi može se izračunati na sledeći način.

Na osnovu ovih izraza može se zaključiti da molski sastav komponenata u parnoj fazi nije isti sa molskim sastavom u tečnoj fazi sa kojom je u ravnoteži na određenoj temperaturi.

Kod idealnih sistema privlačne sile istih molekula jednake su privlačnim silama različitih molekula.

Zavisnost temperature od sastava sistema

Neidealni rastvori

Kada se međumolekulske sile između molekula komponenata u rastvoru razlikuju od onih u čistom stanju, onda se javlja odstupanje od idealnog ponašanja pri čemu nastaju takozvani neidalni rastvori, koji mogu biti...

Rastvori sa minimalnom temperaturom ključanja

Ako su međumolekulske sile u rastvoru takve da se međusobno jače privlače isti molekuli nego različiti molekuli onda je težnja komponentata ka isparavanju veća nego kod idealnih rastvora, pa su i naponi pare veći nego što predviđa Raulov zakon.Kod ovakvih rastvora parcijalni pritisci napona pare komponenata veći su nego kod idealnih rastvora, pa je samim tim veći i ukupan napon pare rastvora, što znači da je niža temperatura ključanja takvog rastvora, zbog čega se i nazivaju rastvori sa minimalnom temperaturom ključanja.

Smeša čiji sastav odgovara tački M ima najnižu temperaturu ključanja i naziva se azeotropna, što znači da ključa bez promene sastava. Ove smeše sa pozitivnim odstupanjem ne mogu se raz-dvajati frakcionom destilacijom jer destilat teži sastavu azeotro-pne smeše. (npr. Etanol 95.6%)

Rastvori sa maksimalnom temperaturom ključanja

Ako su međumolekulske sile u rastvoru takve da se međusobno jače privlače različiti molekuli nego isti molekuli onda je težnja komponenata ka isparavanju manja nego kod idealnih rastvora pa su i naponi pare manji nego što predviđa Raulov zakon.Kod ovakvih rastvora, je manji ukupan napon pare rastvora, rastvori pokazuju negativno odstupanje od napona pare idealnih rastvora, što znači da je temperatura ključanja ovakvih rastvora viša. Ovakvi sistemi pokazuju maksimum na krivoj zavisnosti temperature ključanja od sastava.

Smeša čiji sastav odgovara tački M ima najvišu temperatu-ru ključanja i odgovara azeo-tropnoj smeši. Npr.Azeotropna smeša vode i azotne kiseline ima 68,2% kiseline i ključa na 121oC.dok azeotropna smeša acetona i hloroforma ključa na 65C (aceton=56,hloroform=61)

Rastvori koji se delimično rastvaraju

Kod komponenata koje se u rastvoru delimično rastvaraju jedna u drugoj na samo rastvaranje najveći uticaj ima temperatura.

Uticaj temperature na rastvorljivost može biti na sledeći način:

- Sa porastom temperature povećava se rastvorljivost

- Sa porastom temperature smanjuje se rastvorljivost

- U jednom intervalu sa porastom temperature raste rastvorljivost a u drugom intervalu temperature sa porastom temperature rastvorljivost komponenata u rastvoru opada

Sistemi kod kojih se rastvorljivost komponenata povećava sa porastom temperature se najviše javljaju. Takvi sistemi pokazuju pozitivno odstupanje od Raulovog zakona i to utoliko veće ukoliko je temperatura rastvora niža.

Ponašanje dvokomponentnih sistema najbolje se može prikazati pomoću dijagrama temperatura-sastav.

Tečnosti koje se ne mešaju

Kada se osobine dve tečnosti jako razlikuju, onda se one u tečnom stanju praktično ne mešaju (ulje-voda).

Komponente u smeši obrazuju dve tečne faze pri čemu svaka faza, nezavisno od druge faze, uspostavlja ravnotežu sa svojom parom. Ukupan pritisak pare nad tečnom smešom jednak je zbiru napona para komponenata pri određenoj temperaturi.

Kada se ukupan napon pare izjednači sa pritiskom okoline tada smeša proključa. Temperatura ključanja smeše uvek je niža od temperature ključanja bilo koje komponente jer je ukupan napon pare veći od napona pare pojedinačnih komponenata.

Osobina smeša tečnosti koje se ne mešaju da ključaju na nižoj temperaturi od temperature ključanja čistih komponenata koristi se pri destilaciji vodenom parom, jer smeša može biti destilisana na nižim temperaturama, što može biti od presudnog značaja posebno kod termo-nestabilnih tečnosti.

Gibsovo pravilo faza

Faza (F) je svaki homogeni deo sistema jedinstven po svojim fizičkim i hemijskim osobinama u celoj zapremini.

Komponenta (K) u sistemu predstavlja sastojke neophodne da se odredi sastav svake pojedinačne faze. Ako je sistem u fizičkoj ravnoteži onda je broj komponenata jednak broju hemijskih vrsta.

Broj stepena slobode (S) predstavlja najmanji broj uslova koji se mogu menjati nezavisno u određenim granicama, a da se pri tome broj faza u sistemu ne menja. Uslovi koji se mogu menjati su temperatura, pritisak i sastav.

Između broja faza, broja komponenata i broja stepena slobode postoji međusobna zavisnost koji poznat pod nazivom Gibsovo pravilo faza.

S+F=K+2

Grafički prikaz uslova ravnoteže između različitih faza sistema naziva se fazni dijagram. fdijagram

Fazni prelasci

Fazni prelazak predstavlja prelazak materije iz jedne faze u dru-gu fazu, pri čemu pod fazom podrazumevamo određeno agrega-tno stanje materije (čvrsto, tečno ili gasovito).Razlikujemo sledeće fazne prelaske;topljenje prelazak iz čvrste u tečnu fazuočvršćavanje prelazak iz tečne u čvrstu fazuisparavanje prelazak iz tečne u gasovitu fazukondenzacija prelazak iz gasovite u tečnu fazusublimacija prelazak iz čvrste u gasovitu fazuresublimacija prelazak iz gasovite u čvrstu fazu.U toku faznog prelaska temperatura radnog tela se ne menja ali se fazni prelasaci obavljaju uz obaveznu razmenu toplote (uz obavezno dovođjenje ili uz odvođenje toplote).

Fazni prelasci koji se odvijaju uz dovođenje toplote (zagrevanje radnog tela) nazivaju se endotermni fazni prelasci.U ove fazne prelasake spadaju topljenje, isparavanje i sublimacija.

Fazni prelasci koji se odvijaju uz odvođenje toplote (hlađenje radnog tela) nazivaju se egzotermni fazni prelasci. U ove fazne prelaske spadaju očvršćavanje, kondenzacija i resublimacija.

U toku faznog prelaska sistem ima samo jedan stepen slobode tj. samo je jedna veličina stanja nezavisno promenljiva a ostale veličine su njome određene. (ako je izabran pritisak njime je odre-đena temperatura i specifična zapremina). Stanja ravnoteže faza i fazni prelasci se grafički najčešće prikazuju P-T dijagramima tj. dijagramima na kojima se na Y-osu nanose vrednosti pritiska u Paskalima a na X-osu vrednosti temperature u Kelvinima.

P

T

ČV

RS

TO

GASOVITO

TEČNO

A

B C

T

Na slici P-T dijagrama možemo videti tri polja faza (čvrste, tečne i gasovite). Ova tri polja faza su razdvojena trima kriva-ma ravnoteže, krive AT,BT i CT.Svaka od kriva ravnoteže deli dva polja faza i ima određeni karakter zavisno od toga koja polja faza deli.