2. Fazy i ich przemiany
Co to jest faza?
1. Faza to forma występowania materii jednolita w całej objętości pod
względem składu chemicznego i 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 ∆Stot>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. Układy i fazy
Liczba Liczba Nazwa Przykład Tematyka
składników faz układu
nizależnych
1 1 Jednorodny Lód w –5oC Diagramy fazowe i ich R
homogeniczny rozumienie E
G
1 >1 Jednorodny Topniejący śnieg U
heterogeniczny Ł
A
>1 1 Niejednorodny Roztwory np. Właściwości roztworów
homogeniczny cukier w wodzie Mechanizm rozpuszczania
Entalpia rozpuszczania
Wł. koligatywne
- prawo Henry’ego F
- stała ebulioskopowa i A
krioskopowa Z
- prawo Raoulta
>1 >1 Niejednorodny Zawiesiny Prawo podziału Nernsta
heterogeniczny
7. Reguła faz Gibbsa
s+f=n+2
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
8. Wykorzystanie równania
Gibbsa
Przykład 1 Oblicz liczbę składników niezależnych oraz
liczbę stopni swobody układu:
NH4HCO3(s) ↔ NH3(g) + CO2(g) + H2O(g)
4 składniki
1 równanie
2 warunki: [NH3]=[CO2] i [CO2]=[H2O]
warunek [NH3]=[H2O] wynika z poprzednich
n=4–1–2=1
f=2
s = 2 + 1 – 2=1
Jeżeli w układzie będzie nadmiar np. NH3 ⇒ n = 4 -1 -1 = 2,
bo warunek [NH3]=[CO2] nie jest spełniony
9. Diagramy fazowe
Informacje
10_255
Critical
point
Pc =
72.8
Pressure (atm)
Liquid
Solid
P3 =
5.1
Gas
Triple
point
1.00
Tm T3 Tc
– 78 – 56.6 31
Temperature (°C)
11. Diagram fazowy wody
Przemiany fazowe
topnienie parowanie
temperatura
ciśnienie
para
parowanie
ciecz
lód para
topnienie
lód
ciecz
temperatura czas
Film_topnienie lodu.mov Film woda.mov Film para wodna.mov
12. Diagram fazowy wody
Gdzie herbata ugotuje się szybciej?
a. u mnie w domu
b. na wierzchołku Rysów
Gdzie jajko ugotuje się szybciej?
a. u mnie w domu
b. na wierzchołku Rysów
15. Struktura wody
porządkowanie struktury
ciecz lód
T=4 o C
4<T<100 o C
T<0 o C
tworzenie klasterów → agregacja → zmniejszenie → reorganizacja T<0 o C
http://www.lsbu.ac.uk/water
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/c2/SnowflakesWilsonBentley.jpg
20. Układy i fazy
Liczba Liczba Nazwa Przykład Tematyka
składników faz układu
nizależnych
1 1 Jednorodny Lód w –5oC Diagramy fazowe i ich R
homogeniczny rozumienie E
G
1 >1 Jednorodny Topniejący śnieg U
heterogeniczny Ł
A
>1 1 Niejednorodny Roztwory np. Właściwości roztworów
homogeniczny cukier w wodzie Mechanizm rozpuszczania
Entalpia rozpuszczania
Wł. koligatywne
- prawo Henry’ego F
- stała ebulioskopowa i A
krioskopowa Z
- prawo Raoulta
>1 >1 Niejednorodny Herbatka z Prawo podziału Nernsta
heterogeniczny niedomieszanym
cukrem
21. Roztwory
Układy
• niejednorodne,
• homogeniczne,
• jednofazowe
Film 1 rozpuszczanie NaCl.MOV
Film NaCl dramatycznie.mov
24. Typy roztworów
Substancja Rozpuszczalnik Przykład
rozpuszczona Roztwór Prawa opisujące
gaz gaz gaz powietrze Prawo Daltona
ciecz ciecz ciecz w ódka Prawo podziału
Nernsta
Prawo Raoulta
c. stałe c. stałe c. stałe mosiądz -
gaz ciecz ciecz woda Prawo Henry’ego
sodowa
c. stałe ciecz ciecz r-r soli Prawo Raoulta
woda na
makaron
gaz c. stałe c. stałe wodór w -
palladzie
26. Właściwości roztworów
Stężenie CM, C% …
Rozpuszczalność
ilość substancji rozpuszczonej g g dm3
R= , , 3 ...
ilość rozpuszczlanika 3
dm g dm
Aktywność
27. Czynniki wpływające na
rozpuszczalność
Temperatura
Ciśnienie
Rodzaj substancji Rodzaj
rozpuszczonej rozpuszczalnika
28. Czynniki wpływające na
rozpuszczalność 11_274
300
Sugar
Temperatura
(C12 H 22 O 11 )
260
Temperature impact on the gas solubility in liquids KNO
Solubility (g solute/100 gO)
2H
3
220
2.0E-03
180
1.5E-03
140 NaNO 3
O2
solubility [mol/dm3]
NaBr
100
1.0E-03 KBr
N2
60 Na 2 SO 4 KCl
5.0E-04
He 20 Ce 2 (SO 4 )3
0
0 20 40 60 80 100
0.0E+00
Temperature (°
C)
0 5 10 15 20 25 30 T, C o
T [atm]
T, oC Rozpuszczalność c. stałych w
Rozpuszczalność gazów w cieczach - egzo- i endotermiczne
cieczach efekty
29. Czynniki wpływające na
rozpuszczalność
Ciśnienie
Pressure impact on the gas solubility in
Rozpuszczalność gazów
liquids
1.5E-03
O2
1.0E-03
solubility [mol/dm3]
N2
He
5.0E-04
0.0E+00
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
p [atm]
p, atm
30. Czynniki wpływające na
rozpuszczalność
Ciśnienie
Ilość gazu możliwa do rozpuszczenia jest wprost
proporcjonalna do ciśnienia gazu nad roztworem
p = k·c
p= ciśnienie parcjalne gazu nad roztworem
c= stężenie rozpuszczonego gazu w
roztworze
k= stała
Prawo Henry’ego:
31. Czynniki wpływające na
rozpuszczalność
Przykład 2
Rozpuszczalność azotu atmosferycznego w wodzie w
temperaturze 0oC i pod ciśnieniem 1 atm. wynosi 23.54 cm3/dm3,
a rozpuszczalność tlenu 48.89 cm3/dm3. Powietrze zawiera 79%
objętości N2 i 21% objętości
Jaki jest skład rozpuszczonego powietrza?
Z prawa Henry’ego 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?
33. Czynniki wpływające na
rozpuszczalność
Rodzaj substancji rozpuszczonej
Dodatek nielotnej substancji do rozpuszczalnika
11_276 11_276
1) powoduje obniżenie prężności par rozpuszczalnika
pr-r = xr-k·p°r-k
Water Water
Vapor Vapor
pr-r = ciśnienie par roztworu (solution)
xr-k= ułamek molowy subst. rozpuszczonej (solute) w rozpuszczalniku
p°r-k = ciśnienie par rozpuszczalnika (solvent)
Water Water AqueousAqueous AqueousAqueous
solution
solution solution
solution
(a) (a) (b) (b)
Prawo Raoulta
34. Właściwości koligatywne
zależą od liczby cząstek ( nie od ich masy
czy objętości)
są to:
stężenie gazu w cieczy (pg)
ciśnienie par rozpuszczalnika nad roztworem (cr)
temperatura krzepnięcia i zamarzania roztworu (c r)
ciśnienie osmotyczne
podział substancji rozpuszczonej pomiędzy dwa różne
rozpuszczalniki
35. Czynniki wpływające na
rozpuszczalność
Rodzaj substancji rozpuszczonej
Dodatek nielotnej substancji do rozpuszczalnika
2) podwyższenie temperatury wrzenia roztworu - Tw ↑
∆ T = Kb · mroz-k 11_280
Kb = stała ebulioskopowa
atm
Vapor pressure
of pure water
m = stężenie rozpuszczalnika
Pressure (atm)
Vapor pressure
of solution
3) obniżenie temperatury krzepnięcia roztworu- T k ↓ Freezing
Freezing point
of water
Boiling point Boiling point
point of of water
∆T = Kf·msolute
of solution
solution
∆f
T ∆ b
T
Kf = stała krioskopowa
Temperature (°C)
m = stężenie rozpuszczalnika
36. Ciśnienie osmotyczne
rozpuszczalnik
subst. rozpuszczona Różnica poziomów cieczy (h)
jest wywołana ciśnieniem
osmotycznym ( π)
ciśnienie osmotyczne
π = c ⋅ R ⋅T ( Pa )
C – stężenie molowe
h
Dializa
37. Prawo podziału Nernsta
C1
c1
=K
c2
C2
Stosunek stężeń substancji rozpuszczonej w dwóch nie
mieszających się cieczach jest stały.
Jeżeli stała K>>1 to substancję możemy wydzielić na drodze
ekstrakcji.
38. Właściwości koligatywne
zależą od liczby cząstek ( nie od ich masy
czy objętości)
są to:
stężenie gazu w cieczy (pg)
ciśnienie par rozpuszczalnika nad roztworem (cr)
temperatura krzepnięcia i zamarzania roztworu (c r)
ciśnienie osmotyczne
podział substancji rozpuszczonej pomiędzy dwa różne
rozpuszczalniki
40. 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 100 µm 100 µm
koloidalnych o wymiarach od 1 do keczup jogurt
100 nm, a nawet do 500 nm.
3D CONFOCAL MICROSCOPE
41. Koloidy
Ośrodek Faza Przykłady Nazwa
dyspersyjny rozproszona
gaz ciecz mgła, chmury, pary mgły
gaz ciało stałe kurz, dym gazozole
ciecz gaz piana mydlana piany, zole
ciecz ciecz mleko, roztwór emulsje, emulsoidy
żelatyny, białko jaj
ciecz ciało stałe mętne wody zawiesina
koloidalna,
suspensoidy
ciało stałe gaz pumeks, okluzje piany stałe
gazowe
ciało stałe ciecz kwarc mleczny
ciało stałe ciało stałe kolorowe szkła zole stałe
