8

(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 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?

ciało stałe, ciecz, gaz, para

Dlaczego dochodzi do zmiany faz?

Fazy przechodzą jedna w drugą w sposób samorzutny, jeżeli ∆S_tot>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

Prawo podziału Nernsta Zawiesiny Niejednorodny heterogeniczny >1 >1 Właściwości roztworów Mechanizm rozpuszczania Entalpia rozpuszczania Wł. koligatywne - prawo Henry’ego - stała ebulioskopowa i krioskopowa - prawo Raoulta Roztwory np. cukier w wodzie Niejednorodny homogeniczny 1 >1 Topniejący śnieg Jednorodny heterogeniczny >1 1 R E G U Ł A F A Z

Diagramy fazowe i ich rozumienie Lód w –5o_C Jednorodny homogeniczny 1 1 Tematyka Przykład Nazwa układu Liczba faz Liczba składników nizależnych

(4)

Układy i fazy

(5)

Układy i fazy

(6)

Układy i fazy

(7)

s + f = n + 2

Reguła faz

Gibbsa

_Gibbsa

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

(8)

Wykorzystanie równania

Gibbsa

Przykład 1

Oblicz

liczbę składników niezależnych oraz liczbę

stopni swobody układu:

NH

₄₄

HCO

_3(s)_3(s)

↔

NH

_3(g)_3(g)

+ CO

_2(g)_2(g)

+ H

₂₂

O

_(g)_(g)

4 sk

ł

adniki

1 r

ó

wnanie

2 warunki:

[NH

₃₃

]=[CO

₂₂

] i [CO

₂₂

]=[H

₂₂

O]

warunek [NH

₃₃

]=[H

₂₂

O] wynika z poprzednich

n = 4

–

1

1 –

–

2 = 1

f = 2

s = 2 + 1

–

2=1

Je

ż

eli w uk

ł

adzie b

ę

dzie nadmiar np. NH

₃₃

⇒

n = 4

-

1

1 -

-

1 =

2, bo warunek [NH

(9)

P_c = 72.8 1.00 P₃ = 5.1 T_m T₃ T_c S olid Liquid G as Triple point Tem perature (°C ) – 78 – 56.6 31 Pressure (atm ) C ritical point

Diagramy fazowe

Informacje

(10)

Diagram fazowy wody

(11)

Diagram fazowy wody

Przemiany fazowe temperatura ci śni en ie czas te m p er at ur a topnienie parowanie topnienie parowanie para ciecz lód para ci ecz lód

(12)

Diagram fazowy wody

(13)

Struktura wody

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

(14)

Diagram fazowy wody

Gdzie herbata ugotuje się szybciej?

a. u mnie w domu

b.na wierzchołku Rysów

Gdzie jajko ugotuje się szybciej?

a. u mnie w domu

(15)

Diagram fazowy wody

(16)

Diagram fazowy wody

(17)

Diamond Graphite Liquid Vapor 107 109 1011 0 2000 4000 6000 Temperature (K) Pressure (Pa)

Diagram fazowy węgla

Metody otrzymywania syntetycznych diamentów:

• HPHT (high presure high temperature) • CVD (chemical vapour deposition) • DN (detonation nanodiamonds)

(18)

Diagram fazowy

dwutlenku węgla

(19)

Układy i fazy

Prawo podziału Nernsta Herbatka z niedomieszanym cukrem Niejednorodny heterogeniczny >1 >1 Właściwości roztworów Mechanizm rozpuszczania Entalpia rozpuszczania Wł. koligatywne - prawo Henry’ego - stała ebulioskopowa i krioskopowa - prawo Raoulta Roztwory np. cukier w wodzie Niejednorodny homogeniczny 1 >1 Topniejący śnieg Jednorodny heterogeniczny >1 1 R E G U Ł A F A Z

Diagramy fazowe i ich rozumienie Lód w –5o_C Jednorodny homogeniczny 1 1 Tematyka Przykład Nazwa układu Liczba faz Liczba składników nizależnych

(20)

Roztwory

Film 1 rozpuszczanie

NaCl.MOV

Film

NaCl

dramatycznie.mov

Układy

• niejednorodne,

• homogeniczne,

(21)

Mechanizm rozpuszczania

(22)

Film 2 rozpuszczanie

-

przemiany

energii.MOV

Mechanizm rozpuszczania

(23)

-wod wodóór w r w palladzie palladzie c. sta c. stałłee c. sta c. stałłee gaz gaz Prawo

Prawo RaoultaRaoulta

r r--rr soli soli woda na woda na makaron makaron ciecz ciecz ciecz ciecz c. sta c. stałłee Prawo

Prawo HenryHenry’’egoego woda woda sodowa sodowa ciecz ciecz ciecz ciecz gaz gaz -mosi mosiąądzdz c. sta c. stałłee c. sta c. stałłee c. sta c. stałłee Prawo podzia Prawo podziałłu u Nernsta Nernsta Prawo

Prawo RaoultaRaoulta

w wóódkadka ciecz ciecz ciecz ciecz ciecz ciecz Prawo Daltona Prawo Daltona powietrze powietrze gaz gaz gaz gaz gaz gaz Prawa opisuj Prawa opisująceące Przyk Przykłładad Roztw Roztwóórr Rozpuszczalnik Rozpuszczalnik Substancja Substancja rozpuszczona rozpuszczona

Typy roztworów

(24)

Typy rozpuszczalników

(25)

Właściwości roztworów

Stężenie

C

_M_M

, C

_%_%

…

Rozpuszczalność

Aktywność

...

,

3 3 3

_dm

dm

g

dm

g

anika

rozpuszczl

ilość

nej

rozpuszczo

substancji

ilość

=

R

(26)

Czynniki wpływające na

rozpuszczalność

Temperatura

Ciśnienie

Rodzaj

rozpuszczalnika

Rodzaj substancji

rozpuszczonej

(27)

Czynniki wpływające na

rozpuszczalność

Temperatura

Rozpuszczalność gazów w cieczach T, o_C 0 20 60 100 140 180 220 260 300 Sugar (C12H22O11) KNO 3 NaNO 3 NaBr KBr KCl Na2SO4 Ce2(SO4)3 0 20 40 60 80 100 Solu bility (g solu te/100 g H 2 O) 0.0E+00 5.0E-04 1.0E-03 1.5E-03 2.0E-03 0 5 10 15 20 25 30 so lu bilit y [ m ol /d m 3] He O2 N2 T, o_C Rozpuszczalność c. stałych w

cieczach - egzo- i endotermiczne efekty

(28)

Czynniki wpływające na

rozpuszczalność

0.0E+00 5.0E-04 1.0E-03 1.5E-03 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 so lubi lit y [ m ol /d m 3] O2 N2 He Rozpuszczalność gazów

Ciśnienie

p, atm

(29)

Czynniki wpływające na

rozpuszczalność

p

=

k

·

· c

c

p

=

ciśnienie parcjalne gazu nad roztworem

c

=

stężenie rozpuszczonego gazu w

roztworze

k

=

stała

Ilość

gazu możliwa do rozpuszczenia jest wprost

proporcjonalna do ciśnienia gazu nad roztworem

Ciśnienie

(30)

Czynniki wpływające na

rozpuszczalność

Rozpuszczalność azotu atmosferycznego w wodzie w

temperaturze 0

oo

_{C i pod ciśnieniem 1 atm. wynosi 23.54 cm}

33

_/dm

33

_,

a rozpuszczalność tlenu 48.89 cm

33

_/dm

33

_{. Powietrze zawiera 79%}

objętości N

₂₂

i 21% objętości

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⇒ p_N2= 0.79 atm 21% O₂⇒ p_O2= 0.21 atm Jak to policzyć?

Przykład 2

(31)

Czynniki wpływające na

rozpuszczalność

%

64 %

43 .

64 %

100

27 .

10

60 .

18

60 .

18 %

100

2 2 2 2

=

≈

+

=

+

=

O N N N

R

C

rozpuszczalno rozpuszczalnośćśćNN₂₂ RR_N2_N2= 0.79= 0.79··23.54 = 18.60 23.54 = 18.60 cmcm33_/dm_/dm33 rozpuszczalno rozpuszczalnośćśćOO₂₂ RR_O2_O2= 0.21= 0.21··48.89 = 10.2748.89 = 10.27cmcm33_/dm_/dm33 Sk

Skłład powietrza w roztworzead powietrza w roztworze

% 36 % 57 . 35 % 100 27 . 10 60 . 18 27 . 10 % 100 2 2 2 2 = ₊ = ₊ = ≈ O N O O R R R C

Przykład 2

(32)

p

_r-r

=

x

_r-k

· p°

_r-k

p_r-r = ciśnienie par roztworu (solution)

x_r-k= ułamek molowy subst. rozpuszczonej (solute) w rozpuszczalniku p°_r-k = ciśnienie par rozpuszczalnika (solvent)

1) powoduje

obniżenie prężności par rozpuszczalnika

Prawo Raoulta

Water Vapor Water Aqueous solution (a) Aqueous solution (b)

Dodatek nielotnej substancji do rozpuszczalnika

Rodzaj substancji rozpuszczonej

Czynniki wpływające na

rozpuszczalność

(33)

Właściwości

koligatywne

_koligatywne

zależą od liczby cząstek ( nie od ich masy

czy objętości)

są to:

stężenie gazu w cieczy (

p

_g_g

)

ciśnienie par rozpuszczalnika nad roztworem (

c

_r_r

)

temperatura krzepnięcia i zamarzania roztworu (

c

_r_r

)

ciśnienie osmotyczne

podział substancji rozpuszczonej pomiędzy dwa różne

rozpuszczalniki

(34)

11_280 atm Pr essu re ( at m ) ∆Tf ∆Tb Freezing point of solution Freezing point of water Boiling point

of water Boiling pointof solution

Temperature (°C) Vapor pressure of pure water

Vapor pressure of solution

2) podwyższenie temperatury wrzenia

roztworu

-

T

_w_w

↑

∆

T

=

K

_b·

m

_roz-k

K

_b_b

= stała ebulioskopowa

m

= stężenie rozpuszczalnika

3) obniżenie temperatury krzepnięcia

roztworu

-

T

_k_k

↓

∆T =

K

_f

· m

_solute

K

_f_f

= stała krioskopowa

m

= stężenie rozpuszczalnika

Czynniki wpływające na

rozpuszczalność

Dodatek nielotnej substancji do rozpuszczalnika

Rodzaj substancji rozpuszczonej

(35)

Ciśnienie osmotyczne

( )

Pa

T

R

c

⋅

=

π

Różnica poziomów cieczy (h) jest wywołana ciśnieniem osmotycznym ( π) C – stężenie molowe Dializa h rozpuszczalnik subst. rozpuszczona ciśnienie osmotyczne

(36)

Prawo podziału

Nernsta

_Nernsta

K

c

c =

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.

C

₁

(37)

Właściwości

koligatywne

_koligatywne

zależą od liczby cząstek ( nie od ich masy

czy objętości)

są to:

stężenie gazu w cieczy (

p

_g_g

)

ciśnienie par rozpuszczalnika nad roztworem (

c

_r_r

)

temperatura krzepnięcia i zamarzania roztworu (

c

_r_r

)

ciśnienie osmotyczne

podział substancji rozpuszczonej pomiędzy dwa różne

rozpuszczalniki

(38)

Koloidy

(39)

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. keczup jogurt

100 µm 100 µm

(40)

Koloidy

zole sta zole stałłee kolorowe szk

kolorowe szkłłaa cia

ciałło stao stałłee cia

ciałło stao stałłee

kwarc mleczny kwarc mleczny ciecz

ciecz cia

ciałło stao stałełe

piany sta piany stałłee pumeks, okluzje pumeks, okluzje gazowe gazowe gaz gaz cia

ciałło stao stałłee

zawiesina zawiesina koloidalna, koloidalna, suspensoidy suspensoidy m

mętne wodyętne wody cia

ciałło stao stałełe ciecz

ciecz

emulsje,

emulsje, emulsoidyemulsoidy mleko, roztw

mleko, roztwóór r ż

żelatyny, biaelatyny, białłko jajko jaj ciecz ciecz ciecz ciecz piany, zole piany, zole piana mydlana piana mydlana gaz gaz ciecz ciecz gazozole gazozole kurz, dym kurz, dym cia

ciałło stao stałłee gaz

gaz

mg mgłłyy mg

mgłła, chmury, parya, chmury, pary ciecz ciecz gaz gaz Nazwa Nazwa Przyk

Przykłładyady Faza Faza rozproszona rozproszona O Ośrodek środek dyspersyjny dyspersyjny