UKA
ADY ZA
OŻONE
I PRZEMIANY FAZOWE
Układy jedno- i wielofazowe
Faza a" jednolita część układu o danym stanie skupienia,
oddzielona od pozostałych części wyraz
nymi granicami i
różniąca się od nich właściwościami fizycznymi.
Układ jednofazowy (prosty, jednorodny) składa się
z 1 fazy.
Układ wielofazowy (złożony, niejednorodny) składa się
z > 1 fazy.
Układ jednofazowy może być jednoskładnikowy (np. woda)
lub wieloskładnikowy (np. roztwór wodny soli kuchennej).
Układ wielofazowy może być jednoskładnikowy (np. woda +
lód) lub wieloskładnikowy (np. mieszanka betonowa).
P.A
ukowski, 2
Układy jedno- i wielofazowe
Mieszanina gazów zawsze stanowi jedną fazę (np. powietrze).
Mieszanina cieczy może stanowić jedną lub więcej faz,
zależnie od wzajemnej rozpuszczalności:
woda + metanol = 1 faza
woda + nafta = 2 fazy
Mieszanina ciał stałych zwykle stanowi układ wielofazowy (np.
beton). Wyjątek: kryształy mieszane.
P.A
ukowski, 3
Przemiany fazowe
Przemiana fazowa a" zmiana stanu skupienia, zmiana
struktury krystalicznej lub przejście z fazy ciągłej do
rozproszonej (rozpuszczanie) bądz
odwrotnie (krystalizacja).
T
gaz
parowanie
ciecz
skraplanie
topnienie
c.stałe
krzepnięcie
Q
P.A
ukowski, 4
Wykres równowag fazowych wody
P.A
ukowski, 5
Uogólniony wykres równowag fazowych
stan
ciecz ściśliwa
nadkrytyczny
ciało
stałe
ciecz
para
przegrzana
P.A
ukowski, 6
Równowaga termodynamiczna
Układ w stanie równowagi termodynamicznej a"
układ, w którym dowolnie długo nie zachodzą żadne zmiany.
Układ jest w stanie równowagi termodynamicznej, jeśli
zachodzą jednocześnie 3 równowagi cząstkowe:
- termiczna: brak różnic temperatury w układzie i między
układem a otoczeniem,
- chemiczna: brak reakcji chemicznych w układzie i między
układem a otoczeniem,
- mechaniczna: wszystkie siły działające w układzie i między
układem a otoczeniem są zrównoważone.
P.A
ukowski, 7
Reguła faz Gibbsa
Liczba stopni swobody, z a" liczba parametrów układu, które
można zmieniać (w pewnych granicach), nie wywołując
przemian fazowych w tym układzie
s a" liczba składników układu
f a" liczba faz w układzie
r a" liczba reakcji chemicznych przebiegających w układzie
z = s  f  r + 2
P.A
ukowski, 8
Reguła faz Gibbsa
z = s  f  r + 2
Układ bez reakcji chemicznych, r = 0 �! z = s  f + 2
Układ bez reakcji chemicznych, r = 0,
jednoskładnikowy, s = 1 �! z = 3  f
Układ bez reakcji chemicznych, r = 0,
jednoskładnikowy, s = 1,
trójfazowy (np. woda w punkcie potrójnym), f = 3 �! z = 0
P.A
ukowski, 9
Reguła faz Gibbsa
Przykład
Ile stopni swobody ma układ, w którym powstaje wapno
palone?
Wypalanie wapna: CaCO3 (s) CaO (s) + CO2 (g)
Liczba składników, s = 3
Liczba faz, f = 2
Liczba reakcji, r = 1
Liczba stopni swobody, z = s  f  r + 2 = 3  2  1 + 2 = 2
P.A
ukowski, 10
Układy rozproszone
Układ rozproszony (dyspersja) składa się z:
- fazy rozproszonej (cząstki fazy rozproszonej a" inkluzje),
- fazy rozpraszającej (ciągłej, matrycy).
P.A
ukowski, 11
Rodzaje układów rozproszonych
Cecha Układ Układ niejednorodny
jednorodny
(roztwór)
Koloid Zawiesina
Wielkość cząstki < 1 nm 1  1000 nm > 1000 nm
rozproszonej
Możliwość - Specjalne +
rozdzielenia sączki
metodami
fizycznymi
Rozpoznawalność - Efekt +
optyczna Tyndalla
P.A
ukowski, 12
Układy niejednorodne
Faza rozproszona
Faza
Gaz Ciecz C. stałe
rozpra-
szająca
Zawiesina Koloid Zawiesina Koloid Zawiesina Koloid
np. dym
np. śnieg
aerozol,
np. deszcz
- -
np. mgła
Gaz
np.
emulsja
emulsja, zol,
piana
piana
mieszanka
koloidalna,
np. farba np. szkło
koloidalna,
Ciecz
betonowa
np.
wodne
np. mydlana
epoksydowa
stały zol,
np. woda
np. woda
stała piana, stała piana np. beton
np. niektóre
porowa
kapilarna
np. koloidalna,
stopy metali
w betonie
gazobeton np. stward- w betonie
C. stałe
niały zaczyn
cementowy
P.A
ukowski, 13
Układy koloidalne
Otrzymywanie koloidów
Metody dyspersyjne: rozdrabnianie większych cząstek do
wymiarów koloidalnych (np. mechanicznie lub
ultradz
więkami).
Metody kondensacyjne: łączenie mniejszych cząstek w
większe agregaty (przez reakcje chemiczne, np.
polimeryzację).
P.A
ukowski, 14
Układy koloidalne
Budowa cząstki koloidalnej
H+
H+
H+
H+
H+
jądro
micela
granula
SiO32- SiO2 SiO32- H+
H+
powłoka
H+
adsorpcyjna
H+
powłoka
H+
dyfuzyjna
krzemionka SiO2
P.A
ukowski, 15
2-
3
SiO
2-
3
SiO
Układy koloidalne
Koagulacja
Najbardziej typowy układ koloidalny: faza stała rozproszona
w fazie ciekłej a" zol.
A
ączenie się cząstek fazy rozproszonej w większe agregaty
prowadzi do powstania żelu.
koagulacja
zol
żel
peptyzacja
P.A
ukowski, 16
Układy koloidalne
Flokulacja
Cząstki żelu mają tendencję do wydzielania się z układu a"
flokulacja.
P.A
ukowski, 17
Układy koloidalne
Koloid liofilowy  cząstki fazy rozproszonej są solwatowane
przez cząsteczki rozpuszczalnika (jeśli rozpuszczalnikiem jest
woda �! koloid hydrofilowy).
Cząstki koloidalne izolowane od siebie �! koagulacja
trudniejsza  wymaga dużego stężenia elektrolitu.
Koloidy liofilowe są odwracalne: żel można speptyzować z
powrotem do postaci zolu.
P.A
ukowski, 18
Układy koloidalne
Koloid liofobowy  cząstki fazy rozproszonej nie oddziałują z
cząsteczkami rozpuszczalnika (jeśli rozpuszczalnikiem jest
woda �! koloid hydrofobowy).
Cząstki koloidalne nie są izolowane od siebie �! koagulacja
łatwiejsza.
Koloidy liofobowe są nieodwracalne: żelu nie można
speptyzować z powrotem do postaci zolu.
P.A
ukowski, 19
Układy koloidalne
Dializa  cząstki koloidalne nie przechodzą przez błony
półprzepuszczalne, przez które przechodzi rozpuszczalnik
(hemodializa).
Elektroforeza  cząstki koloidalne mają ładunki
elektryczne �! przemieszczają się pod wpływem
zewnętrznego pola elektrycznego (oczyszczanie wody).
Elektroosmoza  jeśli cząstki fazy rozproszonej są
mechanicznie unieruchomione, to pod wpływem
zewnętrznego pola elektrycznego przemieszcza się
rozpuszczalnik (osuszanie murów).
P.A
ukowski, 20
Układy koloidalne
Tiksotropia a" upłynnienie żelu (peptyzacja) pod wpływem
sił ścinających.
Struktura szkieletowa żelu zostaje mechanicznie zniszczona,
a po ustaniu działania siły odtwarza się ponownie.
- nanoszenie farby na ścianę :&
- wbijanie pali w grunt :&
- upłynnienie podłoża gruntowego pod drogą na stoku
Reopeksja a" zjawisko odwrotne do tiksotropii  wzmocnienie
a"
a"
a"
(koagulacja) pod wpływem sił ścinających.
P.A
ukowski, 21
Efekt Tyndalla
P.A
ukowski, 22