background image

1

Chem. Fiz. TCH II/11

1

Rozpuszczalność gazów w 

cieczach. Prawo Henry’ego

Empirycznie stwierdzono, że,

P

k

w

=

,  czyli ilość gazu rozpuszczo-

nego w cieczy  jest  w warunkach  izotermicznych  proporcjonalna do 
jego ciśnienia.

Jeśli gaz jest gazem doskonałym, to:

RT

PV

M

n

M

w

=

=

Skąd, dla T=const.:

.

const

M

kRT

MP

wRT

V

=

=

=

Są także prawdziwe alternatywne sformułowania prawa Henry’ego:

P

k

m

m

=

P

k

c

c

=

P

k

x

x

=

200 lat prawa Henry’ego (1803) !!! 

W układzie dwuskładnikowym (ciecz + gaz), przy T=const., istnieje 1 stopień 
swobody, zatem ciśnienie definiuje jednoznacznie stan układu.  Prężność cieczy jest 
zazwyczaj mała w porównaniu z ciśnieniem gazu.  Z samej zatem reguły faz Gibbsa 
wynika, że rozpuszczalność gazów w cieczach jest funkcją ciśnienia w warunkach 
izotermicznych.

Alternatywne sformułowania prawa Henry’ego są prawdziwe, ponieważ msą 
do siebie proporcjonalne w roztworach rozcieńczonych.

background image

2

Chem. Fiz. TCH II/11

2

Prawo Henry’ego (2)

W  ostatniej  postaci  prawo  Henry’ego  jest  spełniane  granicznie  (dla 
małych stężeń) praktycznie dla każdej substancji rozpuszczonej B:

B

mB

B

P

k

m

=

B

cB

B

P

k

c

=

B

xB

B

P

k

x

=

Z prawa Henry’ego (dla gazów) wynika, że:

P

dP

c

dc

kdP

dc

=

=

  

oraz

  

;

Zatem słuszne jest r-nie Cl.-Cl.:

2

ln

RT

H

dT

c

d

rozp

=

Efekt wysalania (w wodzie) opisuje równanie:

c

k

S

S

=

0

lg

Pierwszy wniosek narzuca się, jeśli zauważymy że dla niskich ciśnień ciśnienie 
całkowite nie jest niemal wyłącznie ciśnieniem składnika B, P

B

, lecz sumą obu. 

Ułamek molowy w cieczy musi być wtedy proporcjonalny do prężności cząstkowej 
tego składnika.  Jest to prawdziwe nawet dla gazów.  Do tych stwierdzeń będziemy 
jeszcze wracać.

Na rozpuszczalność gazów ma wpływ ich natura (zdolność do oddziaływań z wodą, 
nawet do reakcji chemicznej – CO

2

, NH

3

), temperatura oraz zawartość elektrolitów 

w rozpuszczalniku (interpretacja tego zjawiska będzie przedstawiona przy okazji 
dyskusji właściwości roztworów elektrolitów).  S

0

– rozpuszczalność w czystej 

wodzie, – w roztworze elektrolitu o stężeniu c– stała charakterystyczna dla 
elektrolitu, niezależna od rodzaju gazu.

background image

3

Chem. Fiz. TCH II/11

3

Charakterystyka termo-

dynamiczna roztworów

Taka charakterystyka wymaga podania cząstkowych molowych wiel-

kości składników roztworu, a także ich zależności od składu, oraz P i T.

Cząstkowa molowa objętość

Molowa objętość roztworu:

B

A

n

n

v

V

+

=

a słuszne też są równania:

B

B

A

A

M

n

M

n

v

+

=

ρ

B

B

A

A

B

A

M

x

M

x

n

n

v

+

=

+

ρ

ρ

B

B

A

A

M

x

M

x

V

+

=

B

B

A

A

V

n

V

n

v

+

=

jest słuszne z definicji w układzie dwuskładnikowym.

zaś

B

B

A

A

B

A

V

x

V

x

n

n

v

V

+

=

+

=

ergo:

Odnośnie definicji cząstkowych molowych wielkości i równania Gibbsa – Duhema, 
patrz odpowiednie slajdy w wykładzie 5.

background image

4

Chem. Fiz. TCH II/11

4

Cząstkowa molowa

objętość (1)

Różniczkując ostatnie równanie

B

B

A

A

V

x

V

x

V

+

=

otrzymujemy:

B

B

B

B

B

A

A

A

B

dx

V

d

x

V

dx

V

d

x

V

dx

dV

+

+

+

=

Z równania Gibbsa-Duhema (dla cząstkowych molowych objętości):

0

=

+

B

B

A

A

V

d

x

V

d

x

co po obustronnym podzieleniu przez dx

B

daje:

0

=

+

B

B

B

B

A

A

dx

V

d

x

dx

V

d

x

i:

A

B

B

V

V

dx

dV

=

co pozwala zapisać pierwsze

B

B

B

B

A

V

x

dx

dV

V

x

V

+

=

równanie jako:

oraz:

B

A

B

dx

dV

x

V

V

+

=

względem x

B

:

W pierwszym różniczkowaniu uwzględniamy x

1

=1-x

2

.

W ostatnim przekształceniu uwzględniamy x

1

+x

2

=1.

background image

5

Chem. Fiz. TCH II/11

5

Cząstkowa molowa

objętość (2)

Wg analogicznej procedury można otrzymać:

B

B

A

dx

dV

x

V

V

=

Oba wzory (

B

B

B

dx

dV

x

V

V

+

=

) pozwalają wyznaczać

A

B

V

V

  

i

  

w oparciu o doświadczalnie zmierzone wartości roztworu.

Można  to  robić  graficznie,  można 
też  numerycznie,  znajdując  dla 
danej  wartości  x

B

pochodną  z 

wykresu  funkcji  V(x

B

)  i  wyliczyć 

obie cząstkowe molowe wielkości 
z powyższych wzorów.

V

’ to oczywiście pochodne dV/dx

B

.

background image

6

Chem. Fiz. TCH II/11

6

Cząstkowa molowa

objętość (3)

A – woda  B - Etanol

Wynika  związek  między  obiema 
krzywymi:

B

B

A

B

B

A

dx

V

d

x

x

dx

V

d

=

Ze wzoru:

0

=

+

B

B

B

B

A

A

dx

V

d

x

dx

V

d

x

(pewien rodzaj symetrii).

Kontrakcja. Stary dowcip „chemiczny”: Ile taty z mamą daje ½ taty i ½ mamy?

Przyczyny takiego czy innego przebiegu krzywych są trudne, ale możliwe do 
wytłumaczenia.  Ich badanie pozwala badać oddziaływania międzycząsteczkowe w 
roztworach.

background image

7

Chem. Fiz. TCH II/11

7

Cząstkowa molowa

entalpia (1)

Nie można wyznaczyć entalpii bezwzględnej roztworu, ale możliwe jest 
znalezienie entalpii mieszania (utworzenia roztworu w wyniku zmiesza-
nia czystych składników) :

(

)

B

B

A

A

H

n

H

n

h

h

+

=

Odpowiednie pochodne cząstkowe wynoszą:

( )

0

A

A

n

A

H

H

n

h

B

=

( )

0

B

B

n

B

H

H

n

h

A

=

Ponieważ:

A

n

A

H

n

h

B

=

B

n

B

H

n

h

A

=

Różniczkowe ciepła rozpuszczania:

( )

0

A

A

n

A

A

H

H

n

h

Q

B

=

=

( )

0

B

B

n

B

B

H

H

n

h

Q

A

=

=

Entalpię, ∆h, o której mowa w pierwszym akapicie określa się jako tzw. całkowite 
ciepło mieszania (integralne ciepło mieszania). to entalpia roztworu, H

A

H

B

to 

molowe entalpie czystych składników.

Oczywiście cząstkowe molowe entalpie są także różniczkami przy P, T = const.

Różniczkowe ciepło rozpuszczania odpowiada wprowadzeniu 1 mola składnika do 
bardzo wielkiej objętości roztworu o danym stężeniu.

Dla składnika uważanego za rozpuszczalnik różniczkowe ciepło rozpuszczania 
nazywamy ciepłem rozcieńczania.

Różniczkowe ciepło rozpuszczania dla roztworu nieskończenie rozcieńczonego 
nazywamy „pierwszym ciepłem rozpuszczania”, a dla roztworu nasyconego –
„ostatnim ciepłem rozpuszczania”.

background image

8

Chem. Fiz. TCH II/11

8

Cząstkowa molowa

entalpia (2)

Ponieważ:

B

B

A

A

H

n

H

n

h

+

=

to:

(

)

(

)

0

0

B

B

B

A

A

A

H

H

n

H

H

n

h

+

=

Co, przez podzielenie obustronne przez n

1

n

2

i podstawienie 

różniczkowych ciepeł rozpuszczania, daje:

B

B

A

A

Q

x

Q

x

H

+

=

gdzie ∆jest molowym ciepłem mieszania.

Możemy  je  wyznaczać  kalorymetrycznie  i  analizować  w  sposób 
omawiany  przy  cząstkowych  molowych  objętościach,  co  nie 
pozwala  wszakże  otrzymać  cząstkowych  molowych  entalpii 
składników  w  roztworze,  a  jedynie  różniczkowe  ciepła 
rozpuszczania.

Molowe ciepło mieszania – ciepło otrzymania 1 mola roztworu.

background image

9

Chem. Fiz. TCH II/11

9

Potencjał chemiczny

Dla roztworu będącego w równowadze z parą nasyconą:

w parze:

w roztworze:

0

0

,

,

ln

P

f

RT

A

g

A

g

A

+

=

µ

µ

0

0

,

ln

P

f

RT

A

g

A

A

+

=

µ

µ

nad czystym składnikiem A

czysty ciekły A:

0

0

0

,

*

,

ln

P

f

RT

A

g

A

g

A

+

=

µ

µ

0

0

0

,

0

ln

P

f

RT

A

g

A

A

+

=

µ

µ

Ostatecznie, po odjęciu stronami prawych równań:

0

0

0

ln

ln

A

A

A

A

A

A

P

P

RT

f

f

RT

=

µ

µ

0

0

0

ln

ln

B

B

B

B

B

B

P

P

RT

f

f

RT

=

µ

µ

Bezwzględna wartość tej funkcji (cząstkowej molowej entalpii swobodnej) dla 
składnika roztworu jest niewyznaczalna, lecz możemy wyznaczyć różnicę pomiędzy 
jej wartością w roztworze o danym składzie a jej wartością w umownym stanie 
standardowym.

Równość potencjałów chemicznych składnika w obu fazach jest warunkiem 
równowagi.  Patrz slajd „Równowaga w układzie wieloskładnikowym ” – wykład 8.  
Definicja lotności – patrz slajdy „Potencjał chemiczny mieszanin gazowych (1-2)” –
wykład 5.

Zastąpienie lotności prężnościami jest całkiem uzasadnione.

µ

0

A

to molowa entalpia swobodna czystego składnika.

background image

10

Chem. Fiz. TCH II/11

10

Cząstkowa molowa 

entropia

Wyznacza się ją pośrednio poprzez związki z potencjałem 

chemicznym i cząstkową molową entalpią:

A

A

A

H

S

T

=

+

µ

0

0

0

A

A

A

H

TS

=

+

µ

dla roztworu:

dla czystego składnika:

co daje:

0

0

0

)

(

A

A

A

A

A

A

H

H

S

S

T

=

+

µ

µ

Można zatem wyznaczyć

0

A

A

S

S

0

A

A

µ

µ

0

A

A

H

H

jeśli znane są

i

Możliwość wyznaczenia bezwzględnych wartości cząstkowych molowych entropii 
składników roztworu też istnieje (III zasada).

background image

11

Chem. Fiz. TCH II/11

11

Roztwory doskonałe

(idealne)

Roztworem doskonałym jest roztwór, którego składniki spełniają 

prawo Raoulta w całym zakresie składów.

A

A

A

x

P

P

0

=

B

B

B

x

P

P

0

=

Można  udowodnić  termodynamicznie,  że  jeśli  jeden  ze  składników 
roztworu spełnia prawo Raoulta, to drugi też musi je spełniać:

0

0

ln

ln

A

A

A

A

P

RT

P

RT

=

µ

µ

Z równania:

wynika że:

A

A

P

RTd

d

ln

=

µ

zatem równanie Gibbsa-Duhema (dla potencjałów chemicznych) 

można zapisać jako:

0

ln

ln

=

+

B

B

A

A

P

d

x

P

d

x

Roztwór doskonały dla termodynamiki roztworów jest analogiem gazu doskonałego 
w termodynamice gazów.

Prawo Raoulta – patrz także odnośne slajdy w wykładzie 8.

background image

12

Chem. Fiz. TCH II/11

12

Roztwory doskonałe (2)

Przekształcając ostatnie równanie i dzieląc obustronnie przez dx

A

= –dx

B

B

B

A

A

P

d

x

P

d

x

ln

ln

=

B

B

B

B

A

A

A

A

dx

dP

P

x

dx

dP

P

x

=

Jeżeli składnik A spełnia prawo Raoulta, to:

A

A

A

A

A

x

P

P

dx

dP

=

=

0

A wtedy mamy także:

B

B

B

B

B

B

B

B

P

dP

x

dx

dx

dP

P

x

=

=

   

i

   

1

Po  scałkowaniu  ostatniej  postaci  równania,  z  uwzględnieniem 
warunków granicznych, tzn., gdy x

B

=1, to P

B

=P

0

B

, otrzymamy:

0

ln

ln

ln

B

B

B

P

x

P

+

=

co oznacza:

0

B

B

B

P

x

P

=

QED

background image

13

Chem. Fiz. TCH II/11

13

Potencjał chemiczny 

roztworów doskonałych

Jeżeli do równań:

0

0

ln

A

A

A

A

P

P

RT

=

µ

µ

0

0

ln

B

B

B

B

P

P

RT

=

µ

µ

wstawimy prawo Raoulta,
to otrzymamy:

A

A

A

x

RT

ln

0

+

=

µ

µ

B

B

B

x

RT

ln

0

+

=

µ

µ

co pozwala obliczyć ∆G mieszania:

0

0

B

B

A

A

B

B

A

A

n

n

n

n

g

µ

µ

µ

µ

+

=

(

)

(

)

0

0

B

B

B

A

A

A

x

x

G

µ

µ

µ

µ

+

=

)

ln

ln

(

B

B

A

A

x

x

x

x

RT

G

+

=

µ

0

A

i µ

0

B

to molowe entalpie swobodne czystych składników.

Zauważmy analogię otrzymanego wzoru ze wzorem na entalpię swobodną 
mieszania gazów doskonałych – slajdy „Entalpia swobodna mieszania (1)”, wykład 
6.

background image

14

Chem. Fiz. TCH II/11

14

Funkcje termodynamiczne 

mieszania (1)

Jeśli zróżniczkować równanie:

A

A

A

x

RT

ln

0

+

=

µ

µ

obustronnie

względem przy stałym P, to otrzymamy:

A

P

A

P

A

x

R

T

T

ln

0

+

=

µ

µ

A

P

A

S

T

=

µ

ponieważ:

0

0

A

A

S

P

T

=

µ

to (dla obu składników):

A

A

A

x

R

S

S

ln

0

=

B

B

B

x

R

S

S

ln

0

=

a molowa entropia mieszania:

)

ln

ln

(

)

(

)

(

0

0

B

B

A

A

B

B

B

A

A

A

x

x

x

x

R

S

S

x

S

S

x

S

+

=

+

=

background image

15

Chem. Fiz. TCH II/11

15

Funkcje termodynamiczne 

mieszania (2)

Cząstkowa molowa entalpia

Mnożąc obustronnie przez równanie:

A

A

A

x

R

S

S

ln

0

=

otrzymamy po przekształceniu:

A

A

A

x

RT

T

S

T

S

ln

0

=

a łącząc otrzymane z:

A

A

A

x

RT

ln

0

+

=

µ

µ

mamy

T

S

T

S

A

A

A

A

+

=

+

µ

µ

0

0

co prowadzi do wniosku, że:

A

A

H

H

=

0

a także:

B

B

H

H

=

0

i

0

=

H

Cząstkowa molowa objętość

Różniczkując obustronnie względem 

P

przy stałym równanie:

A

A

A

x

RT

ln

0

+

=

µ

µ

otrzymamy:

T

A

T

A

P

P

=

0

µ

µ

co oznacza:

A

A

V

V

=

0

a także:

B

B

V

V

=

0

i

0

=

V

background image

16

Chem. Fiz. TCH II/11

16

Funkcje termodynamiczne 

mieszania (3)

-2000

-1500

-1000

-500

0

500

1000

1500

2000

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

G

Τ ∆

Τ ∆

Τ ∆

Τ ∆S

H

Roztwór doskonały, 298,15 K