UkUkłłady i fazyady i fazy

Fazy i ich przemianyFazy i ich przemiany

Co to jest faza?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 sJakie sąą rodzaje faz?rodzaje faz?ciało stałe, ciecz, gaz, para

Dlaczego dochodzi do zmiany faz?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 równowadzeciecz → para: wrzenie - stan, w którym ciecz i para są w równowadze, ciśnienie pary równe jest ciśnieniu zewnętrznemu

UkUkłłady i fazyady i fazy

Prawo podziału NernstaHerbatka z niedomieszanymcukrem

Niejednorodny heterogeniczny

>1>1

Właściwości roztworówMechanizm rozpuszczaniaEntalpia rozpuszczaniaWł. koligatywne- prawo Henry’ego- stała ebulioskopowa i krioskopowa- prawo Raoulta

Roztwory np.cukier w wodzie

Niejednorodny homogeniczny

1>1

Topniejący śniegJednorodnyheterogeniczny

>11

REGUŁA

FAZ

Diagramy fazowe i ich rozumienie

Lód w –5oCJednorodny homogeniczny

11

TematykaPrzykładNazwaukładu

Liczbafaz

Liczba składników nizależnych

s + f = n + 2

ReguRegułła faz a faz GibbsaGibbsa

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

Wykorzystanie rWykorzystanie róównania wnania GibbsaGibbsaPrzykPrzykłład 1 ad 1 Liczba skLiczba skłładnikadnikóów niezalew niezależżnych uknych ukłładu, liczba stopni swobodyadu, liczba stopni swobody

NHNH44HCOHCO3(s)3(s) ↔↔ NHNH3(g)3(g) + CO+ CO2(g)2(g) + H+ H22OO(g)(g)

4 sk4 skłładnikiadniki1 r1 róównaniewnanie2 warunki:2 warunki: [NH[NH33]=[CO]=[CO22]]

[CO[CO22]=[H]=[H22O]O]warunek [NHwarunek [NH33]=[H]=[H22O] wynika z poprzednichO] wynika z poprzednich

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

JeJeżżeli 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 spejest spełłnionyniony

Pc =72.8

1.00

P3 =5.1

T m T 3 T c

Solid

Liquid

GasTriplepoint

Temperature (°C)

– 78 – 56.6 31

Pre

ssur

e (a

tm)

C riticalpoint

Diagramy fazoweDiagramy fazoweInformacje

Diagram fazowy wodyDiagram fazowy wody

Diagram fazowy wodyDiagram fazowy wodyPrzemiany fazowe

temperatura

ciśn

ieni

e

czas

tem

pera

tura

topnienie parowanie

topnienie

parowanieparacieczlód pa

ra

ciec

zlód

Film_topnienie lodu.mov Film woda.mov Film para wodna.mov

Diagram fazowy wodyDiagram fazowy wody

Struktura wodyStruktura wody

Diamond

Graphite

Liquid

Vapor

107

109

1011

0 2000 4000 6000Temperature (K)

Pre

ssur

e (P

a)

Diagram fazowy wDiagram fazowy węęglagla

UkUkłłady i fazyady i fazy

Prawo podziału NernstaHerbatka z niedomieszanymcukrem

Niejednorodny heterogeniczny

>1>1

Właściwości roztworówMechanizm rozpuszczaniaEntalpia rozpuszczaniaWł. koligatywne- prawo Henry’ego- stała ebulioskopowa i krioskopowa- prawo Raoulta

Roztwory np.cukier w wodzie

Niejednorodny homogeniczny

1>1

Topniejący śniegJednorodnyheterogeniczny

>11

REGUŁA

FAZ

Diagramy fazowe i ich rozumienie

Lód w –5oCJednorodny homogeniczny

11

TematykaPrzykładNazwaukładu

Liczbafaz

Liczba składników nizależnych

RoztworyRoztwory

Film 1 rozpuszczanie Film 1 rozpuszczanie NaCl.MOVNaCl.MOV

Film Film NaClNaCl dramatycznie.movdramatycznie.mov

Układy • niejednorodne, • homogeniczne, • jednofazowe

Mechanizm rozpuszczaniaMechanizm rozpuszczaniaEfekt energetyczny

Film 2 rozpuszczanie Film 2 rozpuszczanie -- przemiany przemiany energii.MOVenergii.MOV

Mechanizm rozpuszczaniaMechanizm rozpuszczaniaEfekt energetyczny

--wodwodóór w r w palladziepalladzie

c. stac. stałłeec. stac. stałłeegazgaz

Prawo Prawo RaoultaRaoultarr--rr soli soli woda na woda na makaronmakaron

cieczcieczcieczcieczc. stac. stałłee

Prawo Prawo HenryHenry’’egoegowoda woda sodowasodowa

cieczcieczcieczcieczgazgaz

--mosimosiąądzdzc. stac. stałłeec. stac. stałłeec. stac. stałłee

Prawo podziaPrawo podziałłu u NernstaNernsta

Prawo Prawo RaoultaRaoulta

wwóódkadkacieczcieczcieczcieczcieczciecz

Prawo Daltona Prawo Daltona powietrzepowietrzegazgazgazgazgazgaz

Prawa opisujPrawa opisująącecePrzykPrzykłładad

RoztwRoztwóórrRozpuszczalnikRozpuszczalnikSubstancja Substancja

rozpuszczonarozpuszczona

Typy roztworTypy roztworóóww

Typy rozpuszczalnikTypy rozpuszczalnikóóww

WWłłaaśściwociwośści roztworci roztworóóww

StStężężenie enie CCMM, C, C%% ……RozpuszczalnoRozpuszczalnośćść

AktywnoAktywnośćść

...,,3

33 dmdm

gg

dmg

anikarozpuszczl ilośćnejrozpuszczo substancji ilość

=R

Czynniki wpCzynniki wpłływajywająące na ce na rozpuszczalnorozpuszczalnośćść

TemperaturaTemperaturaCiCiśśnienienienieRodzaj rozpuszczalnikaRodzaj rozpuszczalnikaRodzaj substancji rozpuszczonejRodzaj substancji rozpuszczonej

Czynniki wpCzynniki wpłływajywająące na ce na rozpuszczalnorozpuszczalnośćśćTemperaturaTemperatura

Rozpuszczalność gazówT, oC

020

60

100

140

180

220

260

300Sugar(C12 H 22 O 11)

KNO 3

NaNO 3

NaBr

KBr

KClNa 2 SO 4

Ce 2 (SO 4)3

0 20 40 60 80 100

Sol

ubili

ty (g

sol

ute/

100

g H

2O)

0.0E+00

5.0E-04

1.0E-03

1.5E-03

2.0E-03

0 5 10 15 20 25 30

solu

bilit

y [m

ol/d

m3]

He

O2

N2

T, oCRozpuszczalność c. stałych- egzo- i endotermiczne efekty

Czynniki wpCzynniki wpłływajywająące na ce na rozpuszczalnorozpuszczalnośćść

0.0E+00

5.0E-04

1.0E-03

1.5E-03

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

solu

bilit

y [m

ol/d

m3]

O2

N2

He

Rozpuszczalność gazówCiCiśśnienienienie

p, atm

Czynniki wpCzynniki wpłływajywająące na ce na rozpuszczalnorozpuszczalnośćść

pp = = kk··ccpp = = ciciśśnienie parcjalne gazu nad roztworemnienie parcjalne gazu nad roztworemcc = = ststężężenie rozpuszczonego gazu w enie rozpuszczonego gazu w

roztworzeroztworzekk = = stastałłaa

Prawo Henry’ego: IloIlośćść gazu mogazu możżliwa do liwa do rozpuszczenia jest wprost proporcjonalna do rozpuszczenia jest wprost proporcjonalna do ciciśśnienia gazu nad roztworemnienia gazu nad roztworem

CiCiśśnienienienie

Czynniki wpCzynniki wpłływajywająące na ce na rozpuszczalnorozpuszczalnośćść

RozpuszczalnoRozpuszczalnośćść azotu atmosferycznego w wodzie w temperaturze 0azotu atmosferycznego w wodzie w temperaturze 0ooC i pod C i pod ciciśśnieniem 1 atm. wynosi 23.54 cmnieniem 1 atm. wynosi 23.54 cm33/dm/dm33, a rozpuszczalno, a rozpuszczalnośćść tlenu 48.89 tlenu 48.89 cmcm33/dm/dm33. Powietrze zawiera 79% obj. Powietrze zawiera 79% objęętotośści Nci N22 i 21% obji 21% objęętotośści ci Jaki jest skJaki 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 ⇒ pN2= 0.79 atm 21% O2 ⇒ pO2= 0.21 atm

Jak to policzyć?

PrzykPrzykłład 2ad 2

Czynniki wpCzynniki wpłływajywająące na ce na rozpuszczalnorozpuszczalnośćść

%64%43.64%10027.1060.18

60.18%10022

22 ≈=

+=

+=

ON

NN RR

RC

rozpuszczalnorozpuszczalnośćść NN2 2 RRN2N2= 0.79= 0.79··23.54 = 18.60 23.54 = 18.60 cmcm33/dm/dm33

rozpuszczalnorozpuszczalnośćść OO22 RRO2O2= 0.21= 0.21··48.89 = 10.2748.89 = 10.27 cmcm33/dm/dm33

SkSkłład powietrza w roztworzead powietrza w roztworze

%36%57.35%10027.1060.18

27.10%10022

22 ≈=

+=

+=

ON

OO RR

RC

PrzykPrzykłład 2ad 2

CiCiśśnienie par rozpuszczalnikanienie par rozpuszczalnika

pr-r = xr-k·p°r-k

pr-r = ciśnienie par roztworu (solution)xr-k= ułamek molowy subst. rozpuszczonej (solute) w rozpuszczalnikup°r-k = ciśnienie par rozpuszczalnika (solvent)

Dodatek nielotnej substancji rozpuszczonej Dodatek nielotnej substancji rozpuszczonej powoduje obnipowoduje obniżżenie prenie prężężnonośści par rozpuszczalnikaci par rozpuszczalnika

Prawo Raoulta

WaterVapor

Water Aqueoussolution

(a)

An aqueous solution and purewater in a closedenvironment

(a) Initial stage(b) After a period of time when

a new equillibrium isreached

Aqueoussolution

(b)

11_280

atm

Pre

ssur

e (a

tm)

∆Tf ∆Tb

Freezingpoint ofsolution

Freezing pointof water

Boiling pointof water

Boiling pointof solution

Temperature (°C)

Vapor pressureof pure water

Vapor pressureof solution

Nielotna substancja rozpuszczona Nielotna substancja rozpuszczona -- TTww ↑ ↑∆T = Kb ·mroz-k

KKbb = sta= stałła ebulioskopowaa ebulioskopowamm = st= stężężenie rozpuszczalnikaenie rozpuszczalnika

Zmiany temperatur Zmiany temperatur wrzenia, krzepniwrzenia, krzepnięęciacia

Nielotna substancja rozpuszczona Nielotna substancja rozpuszczona -- TTkk ↓ ↓∆T = Kf·msolute

KKff = sta= stałła krioskopowaa krioskopowamm = st= stężężenie rozpuszczalnikaenie rozpuszczalnika

CiCiśśnienie osmotycznenienie osmotyczne

( )PaTRc ⋅⋅=π

Różnica poziomów cieczy (h) jest wywołana ciśnieniem osmotycznym ( π)

C – stężenie molowe

Dializa

h

rozpuszczalniksubst. rozpuszczona

ciśnienie osmotyczne

Prawo podziaPrawo podziałłu u NernstaNernsta

Kcc

=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.

C1

C2

KoloidyKoloidy

układy dyspersyjne

KoloidyKoloidy

Stan koloidalny • równie powszechny jak stan gazowy, ciekły lub stały• niski stopień rozdrobnienia• składniki nie są ze sobą zmieszane cząsteczkowo

Składnik tworzący fazę ciągłąkoloidu 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 jogurt100 µm 100 µm

3D CONFOCAL MICROSCOPE

KoloidyKoloidy

zole stazole stałłeekolorowe szkkolorowe szkłłaaciaciałło stao stałłeeciaciałło stao stałłee

kwarc mlecznykwarc mlecznycieczcieczciaciałło stao stałłee

piany stapiany stałłeepumeks, okluzje pumeks, okluzje gazowegazowe

gazgazciaciałło stao stałłee

zawiesina zawiesina koloidalna,koloidalna,

suspensoidysuspensoidy

mmęętne wodytne wodyciaciałło stao stałłeecieczciecz

emulsje, emulsje, emulsoidyemulsoidymleko, roztwmleko, roztwóór r żżelatyny, biaelatyny, białłko jajko jaj

cieczcieczcieczciecz

piany, zolepiany, zolepiana mydlanapiana mydlanagazgazcieczciecz

gazozolegazozolekurz, dymkurz, dymciaciałło stao stałłeegazgaz

mgmgłłyymgmgłła, chmury, parya, chmury, parycieczcieczgazgaz

NazwaNazwaPrzykPrzykłładyadyFaza Faza rozproszonarozproszona

OOśśrodek rodek dyspersyjnydyspersyjny