W8_Termodynamika_ regula faz

(1)

Uk

(2)

Fazy i ich przemiany

Co to jest faza?

1. Faza to forma występowania materii jednolita w całej objętości pod względem składu chemicznego właściwości fizycznych (Atkins)

2. Faza to część układu oddzielona od niego wyraźnymi granicami, która opisywana jest jednym równaniem stanu (Gumiński).

Jakie s

ą

rodzaje faz?

ciało stałe, ciecz, gaz, para

Dlaczego dochodzi do zmiany faz?

Fazy przechodzą jedna w drugą w sposób samorzutny, jeżeli ∆S>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)

Uk

ł

_ł

ady i fazy

_{ady 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

(4)

s + f = n + 2

Regu

ł

_ł

a faz

_{a 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

(5)

Wykorzystanie r

ó

_ó

wnania

_wnania

Gibbsa

Przyk

Przykłład 1 ad 1 Liczba skLiczba skłładnikadnikóów niezalew niezależżnych uknych ukłładu, liczba stopni swobodyadu, liczba stopni swobody NH NH₄₄HCOHCO_3(s)_3(s) ↔↔ NHNH_3(g)_3(g) + CO+ CO_2(g)_2(g) + H+ H₂₂OO_(g)_(g) 4 sk 4 skłładnikiadniki 1 r 1 róównaniewnanie 2 warunki:

2 warunki: [NH[NH₃₃]=[CO]=[CO₂₂]] [CO

[CO₂₂]=[H]=[H₂₂O]O]

warunek [NH

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

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

Jeżżeli w ukeli w ukłładzie badzie bęędzie nadmiar np. NHdzie nadmiar np. NH₃₃ ⇒⇒n = 4 n = 4 --1 1 --1 = 2, bo warunek [NH1 = 2, bo warunek [NH₃₃]=[CO]=[CO₂₂] nie ] nie jest spe

(6)

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

(7)

Diagram fazowy wody

(8)

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

(9)

Diagram fazowy wody

(10)

Struktura wody

(11)

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

Diagram fazowy w

(12)

Uk

ł

_ł

ady i fazy

_{ady 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

(13)

Roztwory

Film 1 rozpuszczanie

NaCl.MOV

Film

NaCl

dramatycznie.mov

Układy

• niejednorodne,

• homogeniczne,

(14)

Mechanizm rozpuszczania

(15)

Film 2 rozpuszczanie

-

przemiany

energii.MOV

Mechanizm rozpuszczania

(16)

-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 opisująącece Przyk Przykłładad Roztw Roztwóórr Rozpuszczalnik Rozpuszczalnik Substancja Substancja rozpuszczona rozpuszczona

Typy roztwor

ó

_ó

w

_w

(17)

Typy rozpuszczalnik

(18)

W

ł

_ł

a

_a

ś

_ś

ciwo

_ciwo

ś

_ś

ci roztwor

_{ci roztwor}

ó

_ó

w

_w

St

ęż

enie

C

_M_M

, C

_%_%

…

Rozpuszczalno

ść

Aktywno

ść

...

,

3 3 3

_dm

dm

g

dm

g

anika

rozpuszczl

ilość

nej

rozpuszczo

substancji

ilość

=

R

(19)

Czynniki wp

ł

_ł

ywaj

_ywaj

ą

_ą

ce na

_{ce na}

rozpuszczalno

ść

_ść

Temperatura

Ci

ś

nienie

Rodzaj rozpuszczalnika

(20)

Czynniki wp

ł

_ł

ywaj

_ywaj

ą

_ą

ce na

_{ce na}

rozpuszczalno

ść

_ść

Temperatura

Rozpuszczalność gazów 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 - egzo- i endotermiczne efekty

(21)

Czynniki wp

ł

_ł

ywaj

_ywaj

ą

_ą

ce na

_{ce na}

rozpuszczalno

ść

_ść

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 lu bilit y [ m ol /d m 3] O2 N2 He Rozpuszczalność gazów

Ci

ś

nienie

p, atm

(22)

Czynniki wp

ł

_ł

ywaj

_ywaj

ą

_ą

ce na

_{ce na}

rozpuszczalno

ść

_ść

p

=

k

·

· c

c

p

=

ci

ś

nienie parcjalne gazu nad roztworem

c

=

st

ęż

enie rozpuszczonego gazu w

roztworze

k

=

sta

ł

a

Prawo Henry’ego:

Ilo

ść

gazu mo

ż

liwa do

rozpuszczenia jest wprost proporcjonalna do

ci

ś

nienia gazu nad roztworem

Ci

(23)

Czynniki wp

ł

_ł

ywaj

_ywaj

ą

_ą

ce na

_{ce na}

rozpuszczalno

ść

_ść

Rozpuszczalno

Rozpuszczalnośćść azotu atmosferycznego w wodzie w temperaturze 0azotu atmosferycznego w wodzie w temperaturze 0oo_{C i pod}_{C i pod}

ci

ciśśnieniem 1 atm. wynosi 23.54 cmnieniem 1 atm. wynosi 23.54 cm33_/dm_/dm33_{, a rozpuszczalno}_{, a rozpuszczalno}_ść_ść _{tlenu 48.89}_{tlenu 48.89}

cm

cm33_/dm_/dm33_{. Powietrze zawiera 79% obj}_{. Powietrze zawiera 79% obj}_ę_ę_to_to_ś_ś_{ci N}_{ci N} 2

2 i 21% obji 21% objęętotośści ci

Jaki jest sk

Jaki jest skłład rozpuszczonego powietrza?ad rozpuszczonego powietrza?

Z prawa

Z prawa HenryHenry’’egoego 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?

Przyk

(24)

Czynniki wp

ł

_ł

ywaj

_ywaj

ą

_ą

ce na

_{ce na}

rozpuszczalno

ść

_ść

%

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

Przyk

ł

ad 2

(25)

Ci

ś

_ś

nienie par rozpuszczalnika

_{nienie par rozpuszczalnika}

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)

Dodatek nielotnej substancji rozpuszczonej

powoduje obni

ż

enie pr

ęż

no

ś

ci par rozpuszczalnika

Prawo Raoulta

Water Vapor Water Aqueous solution (a)

An aqueous solution and pure water in a closed

environment (a) Initial stage

(b) After a period of time when a new equillibrium is

reached

Aqueous solution (b)

(26)

11_280 atm Pr es su re ( atm) ∆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

Nielotna substancja rozpuszczona

-

T

_w_w

↑

∆

T

=

K

_b·

m

_roz-k

K

_b_b

= sta

ł

a ebulioskopowa

m

= st

ęż

enie rozpuszczalnika

Zmiany temperatur

wrzenia, krzepni

ę

_ę

cia

_cia

Nielotna substancja rozpuszczona

-

T

_k_k

↓

∆T =

K

_f

· m

_solute

K

_f_f

= sta

ł

a krioskopowa

m

(27)

Ci

ś

_ś

nienie osmotyczne

_{nienie 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

(28)

Prawo podzia

ł

_ł

u

_u

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

(29)

Koloidy

(30)

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

(31)

Koloidy

zole sta zole stałłee kolorowe szk kolorowe szkłłaa cia

ciałło stao stałłee cia

ciałło stao stałłee

kwarc mleczny

ciecz

cia

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

zawiesina zawiesina koloidalna, koloidalna, suspensoidy suspensoidy m

męętne wodytne wody cia

ciałło stao stałłee 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 Ośśrodek rodek dyspersyjny dyspersyjny