10/27/2013

1

KOLIGATIVNE OSOBINE MATERIJE

FIZIČKA HEMIJA 2013/2014

Rastvori

Rastvori su jednofazni (homogeni) sistemi koji se sastoje od dve ili više komponenti.

Prema agregatnom stanju, rastvori mogu biti gasoviti (gasne smeše), tečni( gasovi, tečnosti i čvrste supstance u tečnosti) i čvrsti (rastvori metala ili jedinjenja u čvrstoj fazi).

Svaki rastvor se sastoji od rastvorene supstance B ili rastvorka i rastvarača A.

Relativno učešće komponenata u rastvoru

Pri dodavanju rastvorka rastvaraču, osobinerastvarača se modifikuju.• Napon pare -opada• Tačka mržnjenja -opada• Tačka ključanja- raste• Osmoza je moguća (osmotski pritisak)Ove promene se zovu KOLIGATIVNEOSOBINE.Ove osobine zavise samo od BROJA česticarastvorka a ne i od PRIRODE I VRSTErastvorenih čestica.

KOLIGATIVNE OSOBINE

Definicija:Koligativne osobine su one osobine

razblaženih rastvora koje zavise samo

od broja čestica u sistemu, ali ne i od

njihove prirode.

KOLIGATIVNE OSOBINE

U koligativne osobine spadaju:

sniženje napona pare

povišenje tačke ključanja

sniženje tačke mržnjenja

osmoza

10/27/2013

2

Sniženje napona pare Početkom XIX veka naučnici su zapazili da prirastvaranju neke supstancije u rastvaračudolazi do snižavanja njegovog napona pare.

Von Babo je 1847. utvrdio da je relativnosniženje napona pare, isto za sve rastvore iste koncentracije, nezavisno od, prirode rastvarača itemperature.

F. Raoult je eksperimentalnim merenjimadošao do zaključka da je relativno sniženjenapona pare jednako molskojfrakciji rastvorene supstancije x2

00 /)( ppp

2

00 /)( xppp

Isparavanje:Proces dovodjenja toplote tečnommaterijalu Dovođenjem toplote tečnosti, njena temperatura

raste. Sa porastom temperature neki odmolekula imaju dovoljnu EK da mogu da se“oslobode” i pređu u gasnu fazu. Sa porastomtemperature, broj takvih molekula raste.

Pritisak koji molekuli tečnosti proizvode iznadtečne faze naziva se NAPON PARE. Napon parepotiskuje atmosferu i tečnost isparava.

Viša temperatura, veća kinetička energija , brže isparavanje

Napon pare u ravnoteži

10/27/2013

3

Porast napona pare sa temperaturom

Tačka ključanja je temperatura na kojoj naponpare dostiže pritisak od 1atm, odnosno,atmosferski pritisak (lokalni).

Fazni dijagram vode ima nekolikospecifičnosti!

Nastanak mraza- kada temperatura vlažnog vazduha pada i para se kondenzujeu tečno stanje nastaje rosa. Daljim spuštanjem temperature, rosa očvršćava inastaje mraz.Nastanak inja- kada je vlažnost vazduha vrlo niska (za vreme hladnih zimskihdana) sniženje temperature vodi pravo iz područja pare u područje čvrste faze.Vodena para direktno očvršćava u led, odnosno, inje.

TečnoČvrsto

Pri

tisa

k

topljenje

očvršćavanjekritična

tačka

10/27/2013

4

10/27/2013

5

Smeše

Većina materija kojesvakodnevno srećemonisu čiste supstance,već naprotiv smeše.

Zato je neophodno naćinačin da se konciznoprikazuju fizičkepromene koje se usmešama dogadjaju, kaoi zavisnost tih promenaod sastava smeša. Tajnačin je -konstruisanjefaznih dijagrama smeša.

Fazni dijagram tečno-gas;Raoult-ov zakon

10/27/2013

6

10/27/2013

7

Destilacija

10/27/2013

8

Azeotropna smeša sa minimalnom tačkom ključanja

primer: n- propanol-voda

Smeša sa 0,72 molskih udela propanola ima maksimalan napon pare i minimalnu temperaturu ključanja. Ova smeša ključa na stalnoj temperaturi od 88˚C ne menjanjući sastav (azeotropna smeša).

Pri destilaciji smeša sa manje od 0,72 molskih udela n-propanola (sastav levo od tačke Q na slici 5.13), data količina alkohola uzima iz rastvora odgovarajuću količinu vode, gradi azeotropnu smešu, koja odlazi u parnom stanju prva, jer ima najnižu temperaturu ključanja. Tečna faza u balonu ostaje sa sve više vode i njena temperatura postepeno raste.

Ako smeša sadrži više n-propanola nego što to odgovara sastavu azeotropne smeše (sastav desno do tačke Q na slici 5.13), opet prva odlazi para sastava azeotropne smeše na najnižoj temperaturi ključanja, dok u balonu ostaje višak n-propanola i tempetarura ključanja postepeno raste

Prema tome smeša n-propanol-voda može se razdvojiti frakcionom destilacijom na azeotropsku smešu i onaj konstituent koji je u višku (u odnosu na sastav azeotropske smeše).

10/27/2013

9

Azeotropna smeša sa maksimalnom temperaturom ključanja

Napon pare nekih tečnosti koje se potpuno mešaju manji je nego napon pare idealnih sistema.

Ovu pojavu pokazuju one smeše kod kojih su sile između različitih molekula veće od sila između istih molekula.

Zato pri mešanju tečnosti zapremina se smanjuje i oslobađa toplota. Ako su odstupanja od Raulovog zakona dovoljno velika na krivoj ukupnog napona pare može se javiti minimum.

Azeotropna smeša sa maksimalnom temperaturom ključanja

primer: aceton i hloroform hloroform je teže

isparljiva komponenta.

Smeša sa 0,63 molskih udela hloroforma, kojoj odgovara minimum napona pare, ima maksimalnu temperaturu ključanja (tačka p na krivoj).

Pri destilaciji smeše koja sadrži manje od 0,63 molskih udela hloroforma (sastav levo od tačke p), para koja nastaje sadrži više acetona nego tečna faza

Zbog toga tečna faza postaje sve bogatija u hloroformu (temperatura ključanja raste) dok ne dostigne sastav od 0,63 molskih udela hloroforma. Posle toga tečna faza destiluje ne menjajući sastav na maksimalnoj temperaturi ključanja (tačka p na krivoj).

Ako destiluje smeša sa više od 0,63 molskih udela hloroforma (sastav desno od tačke p) para sadrži više hloroforma nego tečna faza. Zbog toga se sadržaj u tečnoj fazi smanjuje (temperatura ključanja raste) dok ne padne na 0,63 molskih udela hloroforma. Posle toga tečna faza destiluje ne menjajući sastav na maksimalnoj temperaturi ključanja (tačka p na krivoj)

Smeša koja ima stalnu temperaturu ključanja i koja destiluje na menjajući sastav naziva se azeotropska smeša.

Pri destilaciji takvih smeša finalni proizvod je uvek azeotropna smeša stalnog sastava (koja preostaje u balonima za destilaciju).

Komponente se iz sastava koji odgovara azeotropnoj smeši ne mogu odvojiti putem destilacije.

10/27/2013

10

Praktična primena STM i PTK

Etilen glikol u automobilskimhladnjacima služi kaoantifriz u zimskimuslovima jer snižavatačku mržnjenja sredstava za hlađenje

Ista supstanca, etilen glikol, takođe pomaže u sprečavanjuključanja u vrelimletnjim danima.

Praktična primena STM

Natrijum hlorid ili kalcijum hlorid se posipaju po zaleđenim putevima ili aerodromskim pistama zimi da bi snizili tačku mržnjenja leda i snega ispodtemperature okolnog vazduha.

Smeša NaCl i vode (23,3%) - ledi se na -21,2°C, zato posipamo so zimi poulicama

Praktična primena STM

Sladoled se ne topi kao led.

• Led ostaje u čvrstom stanju dok se topi.

• Sladoled postepeno postaje mekši i mekši

Led je čista supstanca dok je sladoled smesa u

kojoj postoje druge supstance koje sprečavaju

smrzavanje vode. Zato se treba ohladiti ispod 0°C

da bi došlo do smrzavanja.

• Oko 30% vode u sladoledu nikada ne mrzne zbogvisokog nivoa otopljenih čvrstih supstanci kao što su šećer, masti i proteini.

Praktična primena STMVoda se raspršuje na citrusno voće kao preventivna mera kod

iznenadnih mrazeva.

Mržnjenjem vode oslobađa se toplota topljenja, a nastali sloj

leda služi kao termalni izolator.

Jedno vreme temperatura ostaje na 0°C.

Sok u voću koji ima tačku mržnjenja ispod 0°C, zaštićen je od

smrzavanja.

Praktična primena STMPovećan nivo glukoze u njenoj krvi i

ćelijama služi kao «antifriz» -

Praktična primjena

STM sprečava vodu od mržnjenja i

omogućava joj da može preživeti

pri niskoj telesnoj

temperaturi od -

8°C.

10/27/2013

11

Osmoza Osmoza

Čist rastvarač rastvor

Pritisak veći od

¶ rastvora

Ako se posuda koja je povezana sa živinimmanometrom napunirastvorom i zatvori, a zatim spusti u čistrastvarač, tada usledosmoze rastvarač prodireu rastvor kroz membranustvarajući pritisak koji se meri manometrom.

Ovaj pritisak kojim trebadelovati na rastvor da bi se sprečio prolazakrastvarača u rastvor krozpolupropustljivu membranunaziva se osmotskimpritiskom.

Feferovi eksperimenti nisu bili savršeni ali su ipakposlužili kao eksperimentalna osnova Van’t Hofu zauočavanje analogije u ponašanju gasova i razblaženihrastvora Zaključak o proporcionalnosti osmotskog pritiska sakoncentracijom razblaženog rastvora analogan jeBojl-Mariotovom zakonu za gasove

ΠVm = const1

Proporcionalnost osmotskog pritiska sa temperaturomznači da se Šarlov zakon može primeniti na razblaženerastvore:

Π/T = const2

10/27/2013

12

Kombinovanjem ova dva izraza dolazi se do izraza:

ΠVm = const⋅ T

Van’t Hof je pokazao da konstanta u gornjoj jednačini, odgovara vrednosti molarne gasne konstante R.

Do ovog zaključka je došao poredići osmotski pritisaksaharoze i gasni pritisak vodonika pri istoj temperaturi iistim koncentracijama.

ΠVm = RT Π = CM RT

Van’t Hof-ova jednačina

10/27/2013

13

osmozaRastvori gasova u tečnostimaRastvorljivost gasova i Henrijev zakon

Rastvorljivost gasa u nekom rastvaraču

zavisi :kako od prirode gasa tako i od prirode rastvarača.

Pošto je sistem dvokomponentan i dvofazan, prema pravilu faza ima dva stepenaslobode, što znači da rastvorljivostgasova zavisi od dva intenzivna faktora, od temperature i pritiska

Uticaj temperature na rastvorljivostgasa se može izraziti kvantitativnona sledeći način:

Zavisnost apsorpcionog koeficijenta

od temperature:

Henrijev zakon

Henri (W. Henry, 1803) je pokazao kroz nizeksperimenata da je masa gasa rastvorena uu određenoj zapremini rastvarača srazmerna pritisku gasa iznad rastvora, u stanjuravnoteže između gasa i tečnosti

m = kP

gde je k- konstanta koja zavisi od prirode gasa i rastvarača, temperature i jedinica u kojima su izražena rastvorljivost i pritisak.

10/27/2013

14

Može se pokazati da je Henrijev

zakon poseban slučaj, opšteg zakona

raspodele i Raulovog zakona.

Stoga se Henrijev zakon može izraziti i u obliku dau razblaženom rastvoru napon pare isparljiverastvorene supstancije je srazmeran njenommolskom udelu. Ako je zakon primenljiv u čitavom području koncentracija, tada je:

Raulov i Henrijev zakon

što predstavlja Raulov zakon primenjenna isparljivu komponentu.

Može se zaključiti da je Henrijev zakon poseban slučaj Raulovogzakona, pri čemu uvek kada važiRaulov zakon za neku supstanciju zanju mora važiti i Henrijev zakon, dokobrnuto ne važi.

10/27/2013

15

Da ponovimo...Klizač koji se kliza na ledu:

• A) smanjuje temperaturu topljenja leda• B) povećava temperaturu topljenja leda• C) ne menja temperaturu topljenja leda

Klizanjem, stvara se sloj tečne vode kojom seklizaljka podmazuje. Voda nastaje zbogvelikog pritiska na ivici klizaljke koji snižavatemperaturu topljenja (mržnjenja) vode bar do temperature okoline, dok toplota trenjaomogućava faznu transformaciju u tečnostanje

Da ponovimo...

Smeša rombičnog i monokliničnog

sumpora- koliko je faza?

a) jedna

b) dve

c) tri

10/27/2013

16

Da ponovimo...

Koliko je komponenti i faza u sistemu?

CaCO3 (č) ↔ CaO (č) +CO2 (g)

k=______, f=___________

Da ponovimo...

Sistem je monovarijantan kada ima:

A) jednu fazu

B) jednu komponentu

C) jedan stepen slobode

Da ponovimo...

Intenzivne veličine (P, t, c) kojeodređuju stanje sistema zovu se:

a) faze

b) komponente

c) stepeni slobode

Da ponovimo…

Kuvate kafu: hoće li pre prokuvati

zašećerena ili čista voda?