Układy i fazy - chemia.uj.edu.pllojewska/Wyklady/wyklady/8.pdf · Czynniki wpływające na rozpuszczalność Rozpuszczalność azotu atmosferycznego w wodzie w temperaturze 0ooC

Układy i fazyUkłady i fazy

Fazy i ich przemianyFazy i ich przemiany

Co to jest faza?Co to jest faza?1. Faza to forma występowania materii jednolita w całej objętości pod względem składu chemicznego i właściwości fizycznych (Atkins)2. Faza to część układu oddzielona od niego wyraźnymi granicami, która opisywana jest jednym równaniem stanu (Gumiński).

Jakie są rodzaje faz?Jakie są rodzaje faz?ciało stałe, ciecz, gaz, para

Dlaczego dochodzi do zmiany faz?Dlaczego dochodzi do zmiany faz?Fazy przechodzą jedna w drugą w sposób samorzutny, jeżeli ∆Stot>0 lub ∆G<0. Przemiany takie nazywamy przejściami fazowymi

ciało stałe → ciecz: topnienie – stan, w którym ciecz i ciało stałe są w równowadzeciecz → para: wrzenie - stan, w którym ciecz i para są w równowadze, ciśnienie pary równe jest ciśnieniu zewnętrznemu


Prawo podziału NernstaZawiesinyNiejednorodny heterogeniczny

>1>1

Właściwości roztworówMechanizm rozpuszczaniaEntalpia rozpuszczaniaWł. koligatywne- prawo Henry’ego- stała ebulioskopowa i krioskopowa- prawo Raoulta

Roztwory np.cukier w wodzie

Niejednorodny homogeniczny

1>1

Topniejący śniegJednorodnyheterogeniczny

>11

REGUŁA

FAZ

Diagramy fazowe i ich rozumienie

Lód w –5oCJednorodny homogeniczny

11

TematykaPrzykładNazwaukładu

Liczbafaz

Liczba składników nizależnych




s + f = n + 2

Reguła faz Reguła faz GibbsaGibbsa

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

Wykorzystanie równania Wykorzystanie równania GibbsaGibbsa

Przykład 1 Przykład 1 ObliczOblicz liczbę składników niezależnych oraz liczbę liczbę składników niezależnych oraz liczbę stopni swobody układu:stopni swobody układu:

NHNH44HCOHCO3(s)3(s) ↔↔ NHNH3(g)3(g) + CO+ CO2(g)2(g) + H+ H22OO(g)(g)

4 sk4 skłładnikiadniki1 r1 róównaniewnanie2 warunki:2 warunki: [NH[NH33]=[CO]=[CO22] i [CO] i [CO22]=[H]=[H22O]O]

warunek [NHwarunek [NH33]=[H]=[H22O] wynika z poprzednichO] wynika z poprzednich

n = 4 n = 4 –– 1 1 –– 2 = 12 = 1f = 2f = 2s = 2 + 1 s = 2 + 1 –– 2=12=1

JeJeżżeli w ukeli w ukłładzie badzie bęędzie nadmiar np. NHdzie nadmiar np. NH33 ⇒⇒ n = 4 n = 4 --1 1 --1 = 1 = 2, bo warunek [NH2, bo warunek [NH33]=[CO]=[CO22] nie jest spe] nie jest spełłnionyniony

Pc =72.8

1.00

P3 =5.1

T m T 3 T c

Solid

Liquid

GasTriplepoint

Temperature (°C)

– 78 – 56.6 31

Pre

ssur

e (a

tm)

C riticalpoint

Diagramy fazoweDiagramy fazoweInformacje

Diagram fazowy wodyDiagram fazowy wody

Diagram fazowy wodyDiagram fazowy wodyPrzemiany fazowe

temperatura

ciśn

ieni

e

czas

tem

pera

tura

topnienie parowanie

topnienie

parowanieparacieczlód pa

ra

ciec

zlód

Film_topnienie lodu.mov Film woda.mov Film para wodna.mov


Struktura wodyStruktura wody

http://www.lsbu.ac.uk/water

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/c2/SnowflakesWilsonBentley.jpg


Gdzie herbata ugotuje się szybciej?a.u mnie w domub.na wierzchołku Rysów

Gdzie jajko ugotuje się szybciej?a.u mnie w domub.na wierzchołku Rysów


Czy można jeździć na łyżwach po szkle?


Czy pranie może wyschnąć przy -10oC?

Diamond

Graphite

Liquid

Vapor

107

109

1011

0 2000 4000 6000Temperature (K)

Pre

ssur

e (P

a)

Diagram fazowy węglaDiagram fazowy węgla

Metody otrzymywania syntetycznych diamentów:• HPHT (high presure high temperature)• CVD (chemical vapour deposition)• DN (detonation nanodiamonds)

Diagram fazowy Diagram fazowy dwutlenku węgladwutlenku węgla


Prawo podziału NernstaHerbatka z niedomieszanymcukrem

Niejednorodny heterogeniczny

>1>1

Właściwości roztworówMechanizm rozpuszczaniaEntalpia rozpuszczaniaWł. koligatywne- prawo Henry’ego- stała ebulioskopowa i krioskopowa- prawo Raoulta

Roztwory np.cukier w wodzie

Niejednorodny homogeniczny

1>1

Topniejący śniegJednorodnyheterogeniczny

>11

REGUŁA

FAZ

Diagramy fazowe i ich rozumienie

Lód w –5oCJednorodny homogeniczny

11

TematykaPrzykładNazwaukładu

Liczbafaz

Liczba składników nizależnych

RoztworyRoztwory

Film 1 rozpuszczanie Film 1 rozpuszczanie NaCl.MOVNaCl.MOV

Film Film NaClNaCl dramatycznie.movdramatycznie.mov

Układy • niejednorodne, • homogeniczne, • jednofazowe

Mechanizm rozpuszczaniaMechanizm rozpuszczaniaEfekt energetyczny

Film 2 rozpuszczanie Film 2 rozpuszczanie -- przemiany przemiany energii.MOVenergii.MOV

Mechanizm rozpuszczaniaMechanizm rozpuszczaniaEfekt energetyczny

--wodwodóór w r w palladziepalladzie

c. stac. stałłeec. stac. stałłeegazgaz

Prawo Prawo RaoultaRaoultarr--rr soli soli woda na woda na makaronmakaron

cieczcieczcieczcieczc. stac. stałłee

Prawo Prawo HenryHenry’’egoegowoda woda sodowasodowa

cieczcieczcieczcieczgazgaz

--mosimosiąądzdzc. stac. stałłeec. stac. stałłeec. stac. stałłee

Prawo podziaPrawo podziałłu u NernstaNernsta

Prawo Prawo RaoultaRaoulta

wwóódkadkacieczcieczcieczcieczcieczciecz

Prawo Daltona Prawo Daltona powietrzepowietrzegazgazgazgazgazgaz

Prawa opisujPrawa opisująącecePrzykPrzykłładad

RoztwRoztwóórrRozpuszczalnikRozpuszczalnikSubstancja Substancja

rozpuszczonarozpuszczona

Typy roztworówTypy roztworów

Typy rozpuszczalnikówTypy rozpuszczalników

Właściwości roztworówWłaściwości roztworów

Stężenie Stężenie CCMM, C, C%% ……RozpuszczalnośćRozpuszczalność

AktywnośćAktywność

...,,3

33 dmdm

gg

dmg

anikarozpuszczl ilośćnejrozpuszczo substancji ilość

=R

Czynniki wpływające na Czynniki wpływające na rozpuszczalnośćrozpuszczalność

TemperaturaTemperaturaCiśnienieCiśnienie

Rodzaj Rodzaj rozpuszczalnikarozpuszczalnika

Rodzaj substancji Rodzaj substancji rozpuszczonejrozpuszczonej

Czynniki wpływające na Czynniki wpływające na rozpuszczalnośćrozpuszczalnośćTemperaturaTemperatura

Rozpuszczalność gazów w cieczach

T, oC

020

60

100

140

180

220

260

300Sugar(C12 H 22 O 11)

KNO 3

NaNO 3

NaBr

KBr

KClNa 2 SO 4

Ce 2 (SO 4)3

0 20 40 60 80 100

Sol

ubili

ty (g

sol

ute/

100

g H

2O)

0.0E+00

5.0E-04

1.0E-03

1.5E-03

2.0E-03

0 5 10 15 20 25 30

solu

bilit

y [m

ol/d

m3]

He

O2

N2

T, oC Rozpuszczalność c. stałych w cieczach - egzo- i endotermiczne efekty


0.0E+00

5.0E-04

1.0E-03

1.5E-03

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

solu

bilit

y [m

ol/d

m3]

O2

N2

He

Rozpuszczalność gazówCiśnienieCiśnienie

p, atm


pp = = kk··ccpp = = ciśnienie parcjalne gazu nad roztworemciśnienie parcjalne gazu nad roztworemcc = = stężenie rozpuszczonego gazu w stężenie rozpuszczonego gazu w

roztworzeroztworzekk = = stałastała

IlośćIlość gazu możliwa do rozpuszczenia jest wprost gazu możliwa do rozpuszczenia jest wprost proporcjonalna do ciśnienia gazu nad roztworemproporcjonalna do ciśnienia gazu nad roztworem

CiśnienieCiśnienie

Prawo Henry’ego:


Rozpuszczalność azotu atmosferycznego w wodzie w Rozpuszczalność azotu atmosferycznego w wodzie w temperaturze 0temperaturze 0ooC i pod ciśnieniem 1 atm. wynosi 23.54 cmC i pod ciśnieniem 1 atm. wynosi 23.54 cm33/dm/dm33, , a rozpuszczalność tlenu 48.89 cma rozpuszczalność tlenu 48.89 cm33/dm/dm33. Powietrze zawiera 79% . Powietrze zawiera 79% objętości Nobjętości N22 i 21% objętości i 21% objętości Jaki jest skład rozpuszczonego powietrza?Jaki jest skład rozpuszczonego powietrza?

Z prawa Z prawa Henry’egoHenry’ego wynika: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:Z prawa Daltona wynika:79% N2 ⇒ pN2= 0.79 atm 21% O2 ⇒ pO2= 0.21 atm

Jak to policzyć?

Przykład 2Przykład 2


%64%43.64%10027.1060.18

60.18%10022

22 ≈=

+=

+=

ON

NN RR

RC

rozpuszczalnorozpuszczalnośćść NN2 2 RRN2N2= 0.79= 0.79··23.54 = 18.60 23.54 = 18.60 cmcm33/dm/dm33

rozpuszczalnorozpuszczalnośćść OO22 RRO2O2= 0.21= 0.21··48.89 = 10.2748.89 = 10.27 cmcm33/dm/dm33

SkSkłład powietrza w roztworzead powietrza w roztworze

%36%57.35%10027.1060.18

27.10%10022

22 ≈=

+=

+=

ON

OO RR

RC

Przykład 2Przykład 2

pr-r = xr-k·p°r-k

pr-r = ciśnienie par roztworu (solution)xr-k= ułamek molowy subst. rozpuszczonej (solute) w rozpuszczalnikup°r-k = ciśnienie par rozpuszczalnika (solvent)

1) powoduje1) powoduje obniżenie prężności par rozpuszczalnikaobniżenie prężności par rozpuszczalnika

Prawo Raoulta

WaterVapor

Water Aqueoussolution

(a)

Aqueoussolution

(b)

Dodatek nielotnej substancji do rozpuszczalnikaDodatek nielotnej substancji do rozpuszczalnikaRodzaj substancji rozpuszczonejRodzaj substancji rozpuszczonej


Właściwości Właściwości koligatywnekoligatywne

zależą od liczby cząstek ( nie od ich masy zależą od liczby cząstek ( nie od ich masy czy objętości) czy objętości) są to:są to:

stężenie gazu w cieczy (stężenie gazu w cieczy (ppgg))ciśnienie par rozpuszczalnika nad roztworem (ciśnienie par rozpuszczalnika nad roztworem (ccrr))temperatura krzepnięcia i zamarzania roztworu (temperatura krzepnięcia i zamarzania roztworu (ccrr))ciśnienie osmotyczneciśnienie osmotycznepodział substancji rozpuszczonej pomiędzy dwa różne podział substancji rozpuszczonej pomiędzy dwa różne rozpuszczalnikirozpuszczalniki

11_280

atm

Pre

ssur

e (a

tm)

∆Tf ∆Tb

Freezingpoint ofsolution

Freezing pointof water

Boiling pointof water

Boiling pointof solution

Temperature (°C)

Vapor pressureof pure water

Vapor pressureof solution

2) podwyższenie temperatury wrzenia2) podwyższenie temperatury wrzenia roztworu roztworu -- TTww ↑ ↑∆T = Kb · mroz-k

KKbb = stała ebulioskopowa= stała ebulioskopowamm = stężenie rozpuszczalnika= stężenie rozpuszczalnika

3) obniżenie temperatury krzepnięcia3) obniżenie temperatury krzepnięcia roztworuroztworu-- TTkk ↓ ↓∆T = Kf·msolute

KKff = stała krioskopowa= stała krioskopowamm = stężenie rozpuszczalnika= stężenie rozpuszczalnika


Dodatek nielotnej substancji do rozpuszczalnikaDodatek nielotnej substancji do rozpuszczalnikaRodzaj substancji rozpuszczonejRodzaj substancji rozpuszczonej

Ciśnienie osmotyczneCiśnienie osmotyczne

( )PaTRc ⋅⋅=π

Różnica poziomów cieczy (h) jest wywołana ciśnieniem osmotycznym ( π)

C – stężenie molowe

Dializa

h

rozpuszczalniksubst. rozpuszczona

ciśnienie osmotyczne

Prawo podziału Prawo podziału NernstaNernsta

Kcc

=2

1

Stosunek stężeń substancji rozpuszczonej w dwóch nie mieszających się cieczach jest stały.

Jeżeli stała K>>1 to substancję możemy wydzielić na drodze ekstrakcji.

C1

C2

Właściwości Właściwości koligatywnekoligatywne

zależą od liczby cząstek ( nie od ich masy zależą od liczby cząstek ( nie od ich masy czy objętości) czy objętości) są to:są to:

stężenie gazu w cieczy (stężenie gazu w cieczy (ppgg))ciśnienie par rozpuszczalnika nad roztworem (ciśnienie par rozpuszczalnika nad roztworem (ccrr))temperatura krzepnięcia i zamarzania roztworu (temperatura krzepnięcia i zamarzania roztworu (ccrr))ciśnienie osmotyczneciśnienie osmotycznepodział substancji rozpuszczonej pomiędzy dwa różne podział substancji rozpuszczonej pomiędzy dwa różne rozpuszczalnikirozpuszczalniki

KoloidyKoloidy

układy dyspersyjne

KoloidyKoloidy

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.

keczup jogurt100 µm 100 µm

3D CONFOCAL MICROSCOPE

KoloidyKoloidy

zole stazole stałłeekolorowe szkkolorowe szkłłaaciaciałło stao stałłeeciaciałło stao stałłee

kwarc mlecznykwarc mlecznycieczcieczciaciałło stao stałłee

piany stapiany stałłeepumeks, okluzje pumeks, okluzje gazowegazowe

gazgazciaciałło stao stałłee

zawiesina zawiesina koloidalna,koloidalna,

suspensoidysuspensoidy

mmęętne wodytne wodyciaciałło stao stałłeecieczciecz

emulsje, emulsje, emulsoidyemulsoidymleko, roztwmleko, roztwóór r żżelatyny, biaelatyny, białłko jajko jaj

cieczcieczcieczciecz

piany, zolepiany, zolepiana mydlanapiana mydlanagazgazcieczciecz

gazozolegazozolekurz, dymkurz, dymciaciałło stao stałłeegazgaz

mgmgłłyymgmgłła, chmury, parya, chmury, parycieczcieczgazgaz

NazwaNazwaPrzykPrzykłładyadyFaza Faza rozproszonarozproszona

OOśśrodek rodek dyspersyjnydyspersyjny

Documents

Układy i fazy - chemia.uj.edu.pllojewska/Wyklady/wyklady/8.pdf · Czynniki wpływające na rozpuszczalność Rozpuszczalność azotu atmosferycznego w wodzie w temperaturze 0ooC