Print_W8 regula faz

(1)

Układy i fazy

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 są 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

(2)

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

s + f = n + 2

Reguła faz

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:

(3)

Wykorzystanie równania

Gibbsa

Przykład 1

Przykład 1 Liczba składników niezależnych układu, liczba stopni swobodyLiczba składników niezależnych układu, 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

jest spełłnionyniony

Pc = 72.8 1.00 P3 = 5.1 Tm T3 Tc Solid Liquid G as Triple point Tem perature (°C) – 78 – 56.6 31 P re ssure (atm ) C ritical point

Diagramy fazowe

(4)

Diagram fazowy wody

czas te m p er a tur a temperatura ci śn ieni e.

Diagram fazowy wody

Przemiany fazowe topnienie parowanie topnienie parowanie para ciecz lód para ciecz lód

(5)

Diagram fazowy wody

Struktura wody

(6)

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

Diagram fazowy węgla

Roztwory

Film 1 rozpuszczanie

NaCl.MOV

Film

NaCl

dramatycznie.mov

Układy

• niejednorodne,

• homogeniczne,

(7)

Mechanizm rozpuszczania

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

Prawo RaoultaRaoulta

r r--rrsoli 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 roztworów

(8)

Typy rozpuszczalników

Właściwości roztworów

!

Stężenie

C

_M_M

, C

_%_%

…

!

Rozpuszczalność

!

Aktywność

... dm dm , g g , dm g anika rozpuszczl ilosc nej rozpuszczo substancji ilosc 3 3 3 = R

(9)

Czynniki wpływające na

rozpuszczalność

!

Temperatura

!

Ciśnienie

!

Rodzaj rozpuszczalnika

!

Rodzaj substancji rozpuszczonej

Czynniki wpływające na

rozpuszczalność

Temperatura

Rozpuszczalność gazów T, o_C 0 20 60 100 140 180 220 260 300 Sugar (C12H22O11) KNO3 NaNO3 NaBr KBr KCl Na2SO4 Ce2(SO4)3 0 20 40 60 80 100 So lu bi lity (g so lute /1 00 g H2 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 bi lit y [ m ol /d m 3] He O2 N2 T, o_C Rozpuszczalność c. stałych - egzo- i endotermiczne efekty

(10)

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

Ciśnienie

p, atm

Czynniki wpływające na

rozpuszczalność

p

=

k

·

· c

c

p

=

ciśnienie parcjalne gazu nad roztworem

c

=

stężenie rozpuszczonego gazu w

roztworze

k

=

stała

Prawo Henry’ego:

Ilość gazu możliwa do

rozpuszczenia jest wprost proporcjonalna do

ciśnienia gazu nad roztworem

Ciśnienie

(11)

Czynniki wpływające na

rozpuszczalność

Rozpuszczalność azotu atmosferycznego w wodzie w temperaturze 0

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

ciśnieniem 1 atm. wynosi 23.54 cm

ciśnieniem 1 atm. wynosi 23.54 cm33_/dm_/dm33_{, a rozpuszczalność tlenu 48.89}_{, a rozpuszczalność tlenu 48.89}

cm

cm33_/dm_/dm33_{. Powietrze zawiera 79% objętości N}_{. Powietrze zawiera 79% objętości N} 2

2i 21% objętości i 21% objętości

Jaki jest skład rozpuszczonego powietrza?

Z prawa

Z prawa Henry’egoHenry’egowynika: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:

79% N2 ⇒ pN2= 0.79 atm 21% O2 ⇒ pO2= 0.21 atm Jak to policzyć?

Przykład 2

Czynniki wpływające na

rozpuszczalność

% 64 % 43 . 64 % 100 27 . 10 60 . 18 60 . 18 % 100 2 2 2 2= ₊ = ₊ = ≈ O N N N R R R C rozpuszczalno rozpuszczalnośćśćNN₂2 RRN2N2= 0.79= 0.79··23.54 = 18.60 23.54 = 18.60 cmcm33/dm/dm33 rozpuszczalno rozpuszczalnośćśćOO2₂ RRO2O2= 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

(12)

Ciśnienie par rozpuszczalnika

p

_r-r

= x

_r-k

·p°

_r-k

pr-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 obniżenie prężności 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) 11_280 atm Pre ssur e (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

Nielotna substancja rozpuszczona

-

T

_w_w

↑

∆T = K

_b·

m

_roz-k

K

_b_b

= stała ebulioskopowa

m

= stężenie rozpuszczalnika

Zmiany temperatur

wrzenia, krzepnięcia

Nielotna substancja rozpuszczona

-

T

_k_k

↓

∆T = K

_f

·m

_solute

K

_f_f

= stała krioskopowa

m

(13)

Ciśnienie osmotyczne

( )

Pa

T

R

c

⋅

=

π

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

Prawo podziału

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

(14)

Koloidy

układy dyspersyjne

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

(15)

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