Zmiany stanów skupienia

Krzywa ogrzewania

krzywa chłodzenia

Przechłodzenie

Równowaga ciało stałe - gaz

Wykresy fazowe substancji czystych

Wykres fazowy wody Wykres

fazowy CO

2

Roztwory - definicje

• Układy

jednorodne

(

homogeniczne

) – układy, które we

wszystkich swoich częściach wykazują jednakowe właściwości

fizyczne

• Układy

niejednorodne

(

heterogeniczne

) – układy złożone z

części różniących się właściwościami fizycznymi

• Homogeniczne części układu heterogenicznego nazywamy

fazami

• Układ homogeniczny jest układem jednofazowym, a

heterogeniczny wielofazowym

• Fazami mogą być ciała stałe, ciecze i gazy

• Układ może zawierać jednocześnie kilka faz stałych i ciekłych

ale tylko jedną gazową. (gazy tworzą mieszaniny jednorodne)

Roztwory - definicje

• Składnikami

układu nazywamy substancje chemiczne, z

których układ jest złożony.

• Fazy znajdujące się w układzie wielofazowym mogą mieć

ten sam skład lub też rożny.

• Gdy w obrębie pojedynczej fazy mamy do czynienia z tylko

jednym składnikiem, to taką

fazę

nazywamy

czystą

• Gdy faza zawiera kilka składników nazywamy ją

roztworem

• Faza wieloskładnikowa może być ciałem stałym, cieczą lub

gazem. Mówimy wtedy odpowiednio o

roztworach stałych,

ciekłych lub gazowych

Rodzaje przemian

• Przemiany fazowe

– polegają na znikaniu pewnych faz a

pojawianiu się nowych, przy czy łączna masa

poszczególnych składników we wszystkich fazach

pozostaje stała

• Reakcje chemiczne

– przemiany w których powstają i

zanikają substancje. Reakcje mogą przebiegać w jednej

fazie lub z udziałem substancji zawartych w rożnych fazach

• Przemiany fazowe i reakcje chemicznie istotnie się różnią.

Cechą wspólną obydwu jest to, że towarzyszą im efekty

cieplne i entropowe.

Typy roztworów

• Roztwory gazowe

– jednorodne mieszaniny gazów

• Roztwory ciekłe

– roztwory gazów, cieczy lub ciał stałych w cieczach

• Roztwory stałe

– ciała stałe, w których składniki rozproszone są w

sposób przypadkowy (w mikroskali) w innym składniku. Węzły sieci

krystalicznej zajmowane są przez rożne atomy, cząsteczki czy też

jony.

• W przypadku roztworów ciekłych operujemy często pojęciami

rozpuszczalnik

i

substancja rozpuszczona

. Zwykle miana

rozpuszczalnik używa się w odniesieniu do substancji która jest w

nadmiarze. Nie jest to jednak ustalenie rygorystycznie przestrzegane.

• W roztworach ciekłych cząsteczki substancji rozpuszczonej oddziałują

z cząsteczkami rozpuszczalnika, tworząc mniej lub bardziej trwałe

połączenia. Zjawisko takie nazywamy

solwatacją

, a w przypadku

wody jako rozpuszczalnika

hydratacją

.

Sposoby wyrażania stężeń

• Stężenie molowe

– liczba moli substancji rozpuszczonej zawarta

w 1 dm

3

roztworu

• Stężenie molalne

– liczba moli substancji rozpuszczonej zawarta

w 1 kg rozpuszczalnika

• Ułamek molowy składnika

– stosunek liczby moli tego

składnika do sumy liczby moli wszystkich składników roztworu

• Procent wagowy (stężenie procentowe)

– liczba gramów

substancji rozpuszczonej zawarta w 100 g roztworu

• Procent objętościowy

– liczba ml składnika zawarta w 100 ml

roztworu

Wpływ substancji rozpuszczonej na

właściwości rozpuszczalnika

• W czystej wodzie zdolność cząsteczek do przechodzenia w

stan pary jest większa niż w roztworze

• Ciśnienie pary nasyconej rozpuszczalnika nad roztworem

jest mniejsze niż nad czystym rozpuszczalnikiem

Wpływ substancji rozpuszczonej na właściwości

rozpuszczalnika

• Roztwory w stosunku do czystego rozpuszczalnika mają,

przy tym samym ciśnieniu,

wyższe temperatury wrzenia

.

• Roztwory w stosunku do czystego rozpuszczalnika mają

niższe temperatury krzepnięcia

• W przypadku roztworów rozcieńczonych obniżenie

temperatury krzepnięcia czy prężności pary

mało zależy od

natury substancji

rozpuszczonej.

Zależy

natomiast od jej

stężenia

.

Wpływ substancji rozpuszczonej na

właściwości rozpuszczalnika

Prawo Raoulta

• Względne obniżenie ciśnienia pary nasyconej

rozpuszczalnika nad roztworem jest równe

ułamkowi molowemu substancji rozpuszczonej.

0

1

1

0

1

0

1

2

2

1

2

0

0

p

x

p

x

p

p

x

1

p

p

1

x

1

x

1

x

x

x

p

p

p





























Efekt krioskopowy i ebulioskopowy

Wykorzystanie efektu krioskopowego

(ebulioskopowego) do wyznaczania mas

molowych

R

S

Kr

S

R

S

S

Kr

S

S

S

Kr

R

S

e

mola

m

T

m

K

M

m

M

m

K

T

M

m

n

K

T

m

n

C





























1000

1000

1000

ln

Rozpuszczalność

• Roztwór który pozostaje w równowadze z nadmiarem

substancji rozpuszczonej nazywamy

roztworem

nasyconym

.

• Rozpuszczalność

- stężenie roztworu nasyconego

• Rozpuszczalność zależy od:

– Właściwości substancji rozpuszczonej

– Właściwości rozpuszczalnika

– Temperatury

– W przypadku rozpuszczania gazów także od ciśnienia

Etapy procesu rozpuszczania substancji stałej w cieczy

Co oznacza obiegowy pogląd, że

„podobne rozpuszcza podobne”?

Rola zmian entropii na przykładzie rozpuszczania NaCl

w wodzie

Wpływ temperatury

• Rozpuszczalność gazów

w cieczach wraz ze wzrostem

temperatury maleje

• Rozpuszczalność ciał stałych

w cieczach zmienia się z

temperaturą bardzo rożnie. Np. przy wzroście temperatury od

0

o

C do 100

o

C rozpuszczalność w wodzie:

–

AgNO

3

– zwiększa się ośmiokrotnie (z 1220 g do 9520 g)

–

NaCl – prawie się nie zmienia (z 357 g do 398 g)

–

Li

2

CO

3

– dwukrotnie maleje ( z 15.4 g do 7.2 g)

• Zmiana rozpuszczalności wraz temperaturą

jest ściśle związana z

efektem energetycznym

procesu rozpuszczania:

–

Jeżeli w czasie rozpuszczania ciepło jest pobierane z otoczenia, to

wzrost temperatury zwiększa rozpuszczalność

–

Jeżeli w czasie rozpuszczania ciepło się wydziela, to wzrost

temperatury zmniejsza rozpuszczalność

Wpływ ciśnienia na rozpuszczalność

• Rozpuszczalność gazów

w cieczach

wzrasta ze wzrostem

ciśnienia gazu nad roztworem.

• Prawo Henry’ego:

– W stałej temperaturze ułamek molowy gazu rozpuszczonego w

rozpuszczalniku jest wprost proporcjonalny do jego ciśnienia

cząstkowego nad rozpuszczalnikiem

:

K=p/x

gdzie: K – stała Henry’ego, p - ciśnienie

cząstkowe gazu,

x – ułamek molowy gazu w roztworze

• Rozpuszczalność ciał stałych

w cieczach

i cieczy w cieczach

praktycznie nie zależy od ciśnienia

Reguła faz Gibbsa

f + s = n + 2

gdzie:

f - liczba faz, s – liczba stopni swobody, n – liczba

niezależnych składników

• Liczba niezależnych składników

układu – najmniejsza liczba

składników (substancji) wystarczająca do zbudowania

całego układu.

• Liczba stopni swobody

– liczba parametrów, które można

zmieniać niezależnie od siebie nie powodując zmiany liczby

faz w układzie.

Reguła faz Gibbsa

• Przykłady:

– Układ złożony z pary wodnej:

n = 1, f = 1

→

s = 2

– Ciekła woda w równowadze z parą:

n = 1, f = 2

→

s = 1

– Woda w punkcie potrójnym:

n = 1, f = 3

→

s = 0

– Roztwór NaCl:

n = 2, f = 1

→

s = 3

– Roztwór NaCl w równowadze z parą:

n = 2, f = 2

→

s = 2

– Nasycony roztwór NaCl w równowadze z parą:

n = 2, f = 3

→

s = 1

Układ dwuskładnikowy ciecz – para.

Obie ciecze rozpuszczają się w sobie w sposób

nieograniczony

Układ dwuskładnikowy ciecz – para.

Obie ciecze rozpuszczają się w sobie w sposób

nieograniczony

• Możliwość rozdzielania składników poprzez destylacj

ę

Zestaw do destylacji

Rektyfikacja

Mieszaniny azeotropowe

Topienie strefowe

Równowaga ciało stałe – ciecz.

Mieszanina eutektyczna

.