Wykład 3 Fizykochemia biopolimerów - wykład 3

(1)

Fizykochemia biopolimerów - wykład 3 Anna Ptaszek

Wykład 3

Fizykochemia biopolimerów - wykład 3

Anna Ptaszek

Katedra Inżynierii i Aparatury Przemysłu Spożywczego

15 października 2019

(2)

Układ wieloskładnikowy jednofazowy

Roztwór

to układ jednorodny wieloskładnikowy. Wyróżniamy roztwory doskonałe i rzeczywiste.

Składniki roztworu rzeczywistego tracą swoje wyjściowe właściwości.

Oznacza to, że dla takiego roztworu żaden z ekstensywnych parametrów nie może być obliczony metodami addytywnymi.

Vrozt 6= n₁· v₁+ n2· v₂+ ... + n_i· v_i Vrozt 6= V₁+ V2+ ... + Vi

(3)

Doskonały układ wieloskładnikowy jednofazowy

Ciśnienie całkowite doskonałej (idealnej) mieszaniny gazów można opisać prawem Daltona:

P^id = p1+ p2+ .... + p_i

pi- ciśnienie jakie wywierałoby ni moli gazu i , gdyby ten gaz zajmował całą objętość V . Ciśnienie p_i nazywamy ciśnieniem cząstkowym gazu będącego składnikiem mieszaniny.

yi = pi

P^id

nazywamy ułamkiem molowy składnika gazowego w mieszaninie.

(4)

Doskonały układ wieloskładnikowy jednofazowy

Objętość całkowita doskonałej (idealnej) mieszaniny gazów można opisać prawem Amagata:

V_rozt^id = V1+ V2+ .... + Vi

(5)

Doskonały układ wieloskładnikowy jednofazowy

Ciekły roztwór doskonały charakteryzuje brak oddziaływań pomiędzy jego składnikami.

Z tego powodu ciepło mieszania (entalpia mieszania pod stałym ciśnieniem) jest równa zero.

Oznacza to, że utworzenie takiego roztworu nie daje żadnego efektu termicznego.

Objętość roztworu doskonałego jest równa sumie objętości składników:

V_rozt^id = V₁+ V₂+ ... + V_i nie obserwuje się kontrakcji ani dylatacji.

(6)

Układ wieloskładnikowy jednofazowy

Roztwory rzeczywiste.... sprawiają “problemy”... wynikające z oddziaływań pomiędzy cząsteczkami składników.

W przypadku gazowych mieszanin:

p_i 6= n_i· RT V

natomiast dla ciekłych roztworów ciepło mieszania:

∆H^M 6= 0 za wyjątkiem tzw. roztworów atermalnych.

(7)

Warunek równowagi fazowej

Jakich układów dotyczy równowaga fazowa?

Równowaga fazowa dotyczy układów:

jednoskładnikowych wieloskładnikowych

FAZA rozpraszająca

rozpraszana GAZ CIECZ CIAŁO STAŁE

GAZ - piana piana stała

CIECZ mgła/aerozol emulsja emulsja stała

CIAŁO STAŁE dym zol, koloid zol stały

(8)

Układy gaz-ciecz

Rozpuszczalność wybranych gazów w cieczach w 20^oC w g /100g cieczy

CIECZ H2 N2 O2 CO2 H2S NH3

woda 0,017 0,015 0,028 0,88 2,68 710 etanol 0,08 0,130 0,143 3

benzen 0,066 0,104 0,163 0,153

(9)

Układy gaz-ciecz

Wpływ temperatury na rozpuszczalność wybranych gazów w wodzie w g /100g cieczy

T,^oC H2 CO2 H2S 0 0,0215 1,71 4,65 20 0,0182 0,878 2,58 40 0,0164 0,530 1,66 60 0,0160 0,359 1,19

(10)

Układy gaz-ciecz

wpływ temperatury

podczas rozpuszczania gazu w cieczy wydziela się energia na sposób ciepła, stąd też zgodnie z regułą przekory:

x2

x1

= ∆H R · ( 1

T2

− 1 T1

) (1)

x - zawartość gazu w cieczy odpowiednio w dwóch różnych temperaturach

(11)

Układy gaz-ciecz

Wpływ ciśnienia na rozpuszczalność CO₂ w wodzie w mL CO₂ w 1g H2O w przeliczeniu na warunki normalne

p, bar 25ôC 30ôC 60ôC

25 16,3 - -

30 18,2 10,6 -

35 20 12,1 -

40 22 16 8,5

45 24 18 9,3

(12)

Układy gaz-ciecz

wpływ ciśnienia - prawo Henry’ego

w stałej temperaturze ilość x gazu rozpuszczonego w danej objętości cieczy jest proporcjonalna do jego ciśnienia cząstkowego p nad roztworem:

x = He· p (2)

He - stała Henry’ego

(13)

Układy ciecz-ciecz

(14)

Układy ciecz-ciecz

Wpływ temperatury na równowagę w układach dwuskładnikowych

T T

2 fazy

pe na rozpuszczalność

DKTR

2 fazy pełna rozpuszczalność

GKTR

(15)

Układy ciecz-ciecz

DKTR T

A B

T1

T2

xF1 xF2

(16)

Układy ciecz-ciecz

GKTR T

(17)

Układy ciecz-ciecz

układ Tdolna,^oC Tg rna,^oC

nikotyna-woda 60,8 208

dwuetyloamina - woda 143 - trójetyloamina - woda 18,5 -

CO₂ - n-butanol - 16

woda - fenol - 66

(18)

Układy ciecz-ciecz

Wpływ ciśnienia na równowagę w układach dwuskładnikowych

(19)

Układy ciecz-ciecz

prawo podziału Nernsta

jeżeli do układu dwóch niemieszających się cieczy dodamy trzeci składnik rozpuszczający się w tych cieczach, to iloraz stężeń tego składnika w dwóch fazach ciekłych (c1, c2) będzie określony zależnością:

c₁

c₂ = k (3)

k - współczynnik podziału Nernsta, zależny od temperatury

(20)

Układy ciecz-ciecz

układy trzech cieczy

ciecz 1 ciecz 2 ciecz 3 woda toluen metanol woda toluen aceton

(21)

Układy ciecz-ciecz

trójkąt Gibbsa - układ współrzędnych dla trzech składników

A B

C

100%

100% 100%

A B

C

100%

binoda

konoda

(22)

Układy ciecz-ciecz

trójkąt Gibbsa - dwie niemieszające się ciecz

A B

C

100%

(23)

Układy ciecz-ciecz

trójkąt Gibbsa - dwa niemieszające się układy dwuskładnikowe

A B

C

100%

100% 100%

(24)

Układy ciecz-ciecz

trójkąt Gibbsa - trzy niemieszające się układy dwuskładnikowe

A B

C

100%

(25)

Układy ciecz-ciecz

trójkąt Gibbsa - trzy fazy ciekłe

A B

C

100%

100% 100%

(26)

Układy ciecz-ciecz

wpływ temperatury na równowagę w układzie ciecz-ciecz

A B

C

100%

25^oC

(27)

Układy koloidalne

roztwór koloidalny

to układ najczęściej dwufazowy. Rozmiary cząsteczek fazy rozproszonej mieszczą się w zakresie 1-200nm.

Roztwory koloidalne sprawiają wrażenie jednorodnych. W przypadku makrocząsteczek, czyli cząsteczek o rozmiarach dużo większych w stosunku do rozpuszczalnika, pojedyncze łańcuchy mieszczą w wymaganym zakresie wymiarów. W tym przypadku mówimy o koloidach cząsteczkowych.