Wykład 1 Fizykochemia biopolimerów

(1)

Fizykochemia biopolimerów Anna Ptaszek

Fizykochemia biopolimerów

Anna Ptaszek

Katedra Inżynierii i Aparatury Przemysłu Spożywczego

3 października 2019

(2)

Podstawowe pojęcia

Faza

to wydzielona widocznymi granicami (powierzchnią fazową) jednolita fizycznie i chemicznie część układu.

Stany skupienia materii:

gazowy, ciekły, stały i plazma.

Płyny

to ciecze i gazy.

(3)

Równanie stanu płynu

jednoznacznie opisuje stan płynu (gazu lub cieczy) za pomocą termodynamicznych parametrów stanu dla płynów:

doskonałych (idealnych), w których nie ma oddziaływań pomiędzy cząsteczkami, a zderzenia są sprężyste (a więc bez straty energii)

niedoskonałych (rzeczywistych), czyli w zasadzie wszystkich znanych nam płynów, w których cząsteczki mogą się odpychać lub przyciągać, a zderzenia pomiędzy nimi powodują rozproszenie energii

(4)

Właściwości płynów

Płyny doskonałe opisuje następujące równanie Clausiusa-Clapeyrona:

p · V = n · R · T V - objętość płynu, m³

n - liczba moli, mol

p · v = R · T v - objętość właściwa, _mol^m³

(5)

obj to cieczy = obj to pary v

T1 T2

T3 T4

(6)

Właściwości płynów

Zastosowanie równania Clausiusa-Clapeyrona:

pierwsze przybliżenie gęstości gazu o pewnym znanym ciśnieniu p, pod określoną temperaturą T

v = R · T p ρ = M v M - masa molowa gazu, _mol^kg

(7)

Przykład: obliczyć gęstość pary wodnej w 20^oC i 100^oC i porównać z danymi tabelarycznymi.

Rozwiązanie Ciśnienie pary wodnej w 20^oC wynosi 2370Pa a w 100^oC 100000Pa. Wiedząc, że masa molowa wody wynosi M = 18_mol^g = 0, 018_mol^kg otrzymujemy:

v20^oC = R · T

p = 8, 314 · (20 + 273)

2370 = 1, 028m³ mol ρ20^oC = M

v = 0, 018

1, 028 = 0, 018kg m³ v₁₀₀^o_C = R · T

p = 8, 314 · (100 + 273)

100000 = 0, 031m³ mol ρ100^oC = M

v = 0, 018

0, 031 = 0, 581kg m³

(8)

Właściwości płynów

Zestawienie

danych doświadczalnych ρ i obliczonych w przykładzie ρ_obl T,^oC ρ, kg /m³ ρ_obl, kg /m³

20 0,0215 0,018

100 0,6337 0,581

W wyniku oddziaływań, cząsteczki wody zajmują mniejszą objętość niż wynika to z równania stanu gazu doskonałego.

Z tego powodu gęstość obliczeniowa jest mniejsza niż wyznaczona doświadczalnie.

(9)

Dobry opis stanu gazu rzeczywistego wymaga wprowadzenia poprawek, które opisują oddziaływania pomiędzy cząsteczkami.

p · v = z · R · T z - współczynnik ściśliwości

(10)

równanie van der Waalsa:

p + a

v²

· (v − b) = R · T

a- stała uwzględniająca oddziaływania pomiędzy cząsteczkami, b- stała charakterystyczna dla danego gazu.

(11)

vC vG

obj to cieczy obj to pary

v

(12)

Właściwości płynów

Wirialne równanie stanu:

p · v = R · T

1 +A

v + B v² + ...

drugi wspó czynnik wirialu

trzeci wspó czynnik wirialu

(13)

punkt krytyczny p

T cia o sta e ciecz

para

punkt potrójny

pK

Tk

(14)

Wykres fazowy wody

Równowaga ciecz-para

przemiana fazowa (parowanie/skraplanie) zachodzi w stałej temperaturze i pod stałym ciśnieniem.

Temperatura wrzenia

to taka temperatura, w której prężność (ciśnienie) pary nad cieczą jest równa ciśnieniu otoczenia

(15)

p

T

ciecz

para

etanol

woda

T_w^A T_w^W p_Atm

T_o pⁿ_A

pⁿ_W

(16)

Zjawiska koligatywne

Rozpuszczenie w wodzie substancji nielotnej powoduje obniżenie prężności pary nasyconej

1 atm

P

woda

woda cieka lód

para wodna

woda + substancja nielotna

(17)

Fizykochemia biopolimerów

Anna Ptaszek

woda

woda + substancja nielotna 1 atm

P

} }

T

efekt krioskopowy

efekt

ebulioskopowy

(18)

Zjawiska koligatywne

do tej grupy zaliczamy zjawiska będące konsekwencją obniżenia prężności pary czyli:

ebulioskopię krioskopię

ciśnienie osmotyczne

(19)

Fizykochemia biopolimerów

Anna Ptaszek

∆TW = KE· m K_E - to stała ebuliometryczna:

K_E = R· T₀²· M 1000· ∆HW

M - masa molowa substancji rozpuszczonej

T₀ - temperatura wrzenia czystego rozpuszczalnika,

∆HW - molowe ciepło parowania

Stała ta podaje podwyższenie temperatury wrzenia dla roztworu 1 molowego i jest charakterystyczna dla rozpuszczalnika.

(20)

Zjawiska koligatywne

∆TK = KK· m K_K - to stała kriometryczna:

K = − R· T₀²· M 1000· ∆HK

M - masa molowa substancji rozpuszczonej

T₀ - temperatura krzepnięcia czystego rozpuszczalnika,

∆HK - molowe ciepło krzepnięcia

Stała kriometryczna podaje obniżenie temperatury krzepnięcia dla roztworu 1 molowego i jest

charakterystyczna dla rozpuszczalnika.

(21)

Ciśnienie osmotyczne

Pojęcie to odnosi się do zjawiska osmozy, jakie zachodzi pomiędzy roztworem a czystym rozpuszczalnikiem przy założeniu, że są one oddzielone membraną czyli przegrodą przepuszczalną tylko dla cząsteczek rozpuszczalnika.

Dlaczego membrana?

Z powodu obecności błony dochodzi do przeciwnego, w stosunku do klasycznej dyfuzji, zachowania cząsteczek.

Przepływ rozpuszczalnika zachodzi do momentu wyrównania potencjałów chemicznych zarówno rozpuszczalnika jak i substancji rozpuszczonej po obu stronach przegrody. Objawem zjawiska jest wzrost objętości roztworu, powodujący

zmniejszenie stężenia substancji nielotnej.

(22)