układy dyspersyjne
TRANSCRIPT
![Page 1: Układy dyspersyjne](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051515/553f8e8a550346777c8b47d2/html5/thumbnails/1.jpg)
Układy dyspersyjne
Roztwory
![Page 2: Układy dyspersyjne](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051515/553f8e8a550346777c8b47d2/html5/thumbnails/2.jpg)
Zagadnienia1. Pojęcie układu. Równowaga termodynamiczna,
warunki jakie spełnia układ w stanie równowagi2. Potencjał termodynamiczny G, potencjał chemiczny µ składnika
i ich wzajemna zależnośd3. Reguła faz Gibbsa, przykład: wykres fazowy wody, stany skupienia4. Rozpuszczalnośd gazów w wodzie.
Równowaga gaz-ciecz, równowaga para-ciecz 5. Ciśnienie parcjalne (cząstkowe) gazu, prawo Daltona6. Prawo Raoulta, prawo Henry’ego7. Równowaga ciecz - ciało stałe. Równowagi adsorpcyjne, jonowe,
rozpuszczania i krystalizacji. 8. Równowaga ciecz - ciecz. Prawo podziału Nernsta9. Równowagi chemiczne w roztworach wodnych10. Środki powierzchniowoczynne, częśd hydrofilowa i hydrofobowatenzydu11. Napięcie powierzchniowe, zwilżanie, siły kohezji i adhezji
![Page 3: Układy dyspersyjne](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051515/553f8e8a550346777c8b47d2/html5/thumbnails/3.jpg)
Układ i otoczenie
• Układ jest to celowo wyodrębniona granicami częśd przyrody, częśd lub całośd instalacji przemysłowej bądź komunalnej albo dowolnego innego obiektu będąca przedmiotem rozważao.
• Granice te mogą byd granicami fizycznymi, najczęściej jednak mają charakter pojęciowy.
• Otoczeniem nazywana jest częśd przyrody lub innego obiektu będąca poza układem.
![Page 4: Układy dyspersyjne](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051515/553f8e8a550346777c8b47d2/html5/thumbnails/4.jpg)
Stan układu i jego opis
• Stan układu – opisywane są przez zmienne stanu, które są podzielone na:
• parametry stanu - właściwości mierzone bezpośrednio metodami fizycznymi, takie jak: temperatura, ciśnienie, objętośd, stężenie molowe, ułamek molowy,
• funkcje stanu -wielkości zmienne zależne, jednoznacznie określone przez parametry stanu: energia wewnętrzna (u, U), entalpia (h, H), entropia (s, S), energia swobodna, entalpia swobodna -potencjał termodynamiczny (g, G).
![Page 5: Układy dyspersyjne](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051515/553f8e8a550346777c8b47d2/html5/thumbnails/5.jpg)
Układ wielofazowy
jednoskładnikowy
![Page 6: Układy dyspersyjne](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051515/553f8e8a550346777c8b47d2/html5/thumbnails/6.jpg)
Stan skupienia
• Stan skupienia materii – forma, w jakiej występuje substancja, określająca jej podstawowe właściwości fizyczne.
• Stan skupienia określa właściwości substancji wynikające z układu oraz zachowania cząsteczek tworzących daną substancję.
![Page 7: Układy dyspersyjne](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051515/553f8e8a550346777c8b47d2/html5/thumbnails/7.jpg)
Stan skupienia materii
Stan skupienia materii zależy od:
– energii kinetycznej cząstek
– energii wiązao pomiędzy cząsteczkami
(oddziaływao międzycząsteczkowych)
![Page 8: Układy dyspersyjne](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051515/553f8e8a550346777c8b47d2/html5/thumbnails/8.jpg)
Oddziaływania międzycząsteczkowe
Oddziaływania międzycząsteczkowe – siły wiążące atomy lub cząsteczki inne niż wiązania chemiczne
![Page 9: Układy dyspersyjne](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051515/553f8e8a550346777c8b47d2/html5/thumbnails/9.jpg)
Oddziaływania międzycząsteczkowe
- oddziaływania jon-jon (elektrostatyczne) w roztworach elektrolitów w postaci pary jonowej;
![Page 10: Układy dyspersyjne](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051515/553f8e8a550346777c8b47d2/html5/thumbnails/10.jpg)
Oddziaływania międzycząsteczkowe
- oddziaływania jon-dipol w roztworach elektrolitów np. hydratacja jonów
![Page 11: Układy dyspersyjne](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051515/553f8e8a550346777c8b47d2/html5/thumbnails/11.jpg)
Oddziaływania międzycząsteczkowe
- wiązania wodorowe – tworzą się, gdy atom wodoru z cząstkowym ładunkiem dodatnim jest współdzielony przez dwie cząsteczki, posiadające atomy z cząstkowym ładunkiem ujemnym;
![Page 12: Układy dyspersyjne](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051515/553f8e8a550346777c8b47d2/html5/thumbnails/12.jpg)
Oddziaływania międzycząsteczkowe
- Oddziaływania dipol – dipol – tworzą się między cząsteczkami posiadającymi trwałe momenty dipolowe
![Page 13: Układy dyspersyjne](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051515/553f8e8a550346777c8b47d2/html5/thumbnails/13.jpg)
Oddziaływania międzycząsteczkowe
- Oddziaływania dipol – dipol – tworzą się między cząsteczkami posiadającymi trwałe momenty dipolowe
![Page 14: Układy dyspersyjne](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051515/553f8e8a550346777c8b47d2/html5/thumbnails/14.jpg)
Oddziaływania międzycząsteczkowe
- oddziaływania van der Waalsa – są to oddziaływania między trwałym dipolem i indukowanym (wzbudzonym) dipolem
- oddziaływania dyspersyjne, są to oddziaływania między dwoma dipolami indukowanymi
![Page 15: Układy dyspersyjne](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051515/553f8e8a550346777c8b47d2/html5/thumbnails/15.jpg)
Stany skupienia
• Stały (ciało stałe) – substancja zachowuje objętośd i kształt (niezmienny)
• Ciekły (ciecz) – trudno zmienid jej objętośd, (nieściśliwe) w przeciwieostwie do kształtu;
w otwartym naczyniu w polu grawitacyjnym tworzy się powierzchnia swobodna
• Gazowy (gaz) – substancja przyjmuje objętośd i kształt naczynia, zajmuje całą dostępną przestrzeo, czyli nie tworzy powierzchni swobodnej
![Page 16: Układy dyspersyjne](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051515/553f8e8a550346777c8b47d2/html5/thumbnails/16.jpg)
Stan skupienia a faza termodynamiczna
• Faza termodynamiczna, stanowi rozszerzenie pojęcia stan skupienia materii
• Faza termodynamiczna – jednolita częśd układu fizycznego, oddzielona od innych powierzchniami międzyfazowymi, zwanymi granicami faz, na których zachodzi skokowa zmiana własności fizycznych lub chemicznych
![Page 17: Układy dyspersyjne](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051515/553f8e8a550346777c8b47d2/html5/thumbnails/17.jpg)
Przykład stop Zn-Al
![Page 18: Układy dyspersyjne](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051515/553f8e8a550346777c8b47d2/html5/thumbnails/18.jpg)
Pojęcie składnika
• Składnik układu, określa daną substancję chemiczną inaczej zbiór jednakowych indywiduów chemicznych
• Indywiduum chemiczne termin stosowany w chemii określający dowolny atom, cząsteczkę, jon, rodnik itp.
![Page 19: Układy dyspersyjne](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051515/553f8e8a550346777c8b47d2/html5/thumbnails/19.jpg)
Równowaga termodynamiczna
• Stan układu – opisywany jest jednoznacznie przez funkcje stanu: U, G, H, S
• Dla układu w którym przebiega samorzutna reakcja chemiczna ΔG<0
• Dla układu w który pozostaje w stanie równowagi ΔG=0
![Page 20: Układy dyspersyjne](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051515/553f8e8a550346777c8b47d2/html5/thumbnails/20.jpg)
Entalpia swobodna (G) a potencjał chemiczny składnika (µ)
iii aRT ln,0
iii ca *
![Page 21: Układy dyspersyjne](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051515/553f8e8a550346777c8b47d2/html5/thumbnails/21.jpg)
Układ w stanie równowagi
r
i
ii dndG1
0
,, ii
Potencjał chemiczny składnika i w fazie α
Potencjał chemiczny składnika i w fazie β
![Page 22: Układy dyspersyjne](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051515/553f8e8a550346777c8b47d2/html5/thumbnails/22.jpg)
Reguła faz Gibbsa
Reguła faz w układzie gdzie zachodzą reakcje chemiczne
gdzie:
S – liczba stopni swobody
– liczba składników
β – liczba faz
r – liczba reakcji chemicznych zachodzących w układzie
Punkt inwariantny, zerozmienny to punkt dla którego nie można zmienid żadnej zmiennej intensywnej bez zmiany liczby faz w układzie.
rs 2
![Page 23: Układy dyspersyjne](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051515/553f8e8a550346777c8b47d2/html5/thumbnails/23.jpg)
Reguła faz Gibbsa dla wody
AB – krzywa parowaniaAC – krzywa krzepnięciaAD – krzywa sublimacji
2s
![Page 24: Układy dyspersyjne](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051515/553f8e8a550346777c8b47d2/html5/thumbnails/24.jpg)
Przejścia fazowe
• Topnienie - przemiana fazowa, polegająca na przejściu ze stanu stałego w stan ciekły
- przejście fazowe następuje w temperaturze topnienia
• Krzepnięcie – przemiana fazowa, polegająca na przejściu ze stanu ciekłego w stan stały
- przejście fazowe następuje w temperaturze krzepnięcia
![Page 25: Układy dyspersyjne](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051515/553f8e8a550346777c8b47d2/html5/thumbnails/25.jpg)
Przejścia fazowe
• Parowanie - przemiana fazowa polegająca na przejściu fazy ciekłej danej substancji w fazę gazową (parę) zachodzący z reguły na powierzchni cieczy;
• Skraplanie - przemiana fazowa polegająca na przejściu fazy gazowej w fazę ciekłą
![Page 26: Układy dyspersyjne](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051515/553f8e8a550346777c8b47d2/html5/thumbnails/26.jpg)
Przejścia fazowe
• Sublimacja – przemiana fazowa bezpośredniego przejścia ze stanu stałego w stan gazowy z pominięciem stanu ciekłego.
• Resublimacja – przemiana fazowa bezpośredniego przejścia ze stanu gazowego w stan stały z pominięciem stanu ciekłego.
![Page 27: Układy dyspersyjne](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051515/553f8e8a550346777c8b47d2/html5/thumbnails/27.jpg)
Diagram fazowy dla dwutlenku węgla
Punkt potrójny CO2 leży powyżej ciśnienia atmosfery-cznego, zestalony CO2 (suchy lód ) podgrzewany do przemiany fazowej, ulega procesowi sublimacji.
![Page 28: Układy dyspersyjne](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051515/553f8e8a550346777c8b47d2/html5/thumbnails/28.jpg)
Zmiana temperatury krzepnięcia i wrzenia roztworu
Ze wzrostem stężenia roztworu temperatura krzepnięcia ulega obniżeniu, a temperatura wrzenia pod określonym ciśnieniem, ulega podwyższeniu.
![Page 29: Układy dyspersyjne](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051515/553f8e8a550346777c8b47d2/html5/thumbnails/29.jpg)
Równowaga gaz-ciecz, para-ciecz
![Page 30: Układy dyspersyjne](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051515/553f8e8a550346777c8b47d2/html5/thumbnails/30.jpg)
Mieszaniny cieczy lotnych• Podczas ogrzewania mieszaniny lotnych cieczy o
zbliżonych temperaturach
wrzenia, dla mieszaniny o
stężeniu przedstawionym
w punkcie 2, pierwsza od-
parowana kropla będzie
miała skład jak w punkcie 3,
i będzie wzbogacona w składnik bardziej lotny.
![Page 31: Układy dyspersyjne](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051515/553f8e8a550346777c8b47d2/html5/thumbnails/31.jpg)
Układy zeotropowe
![Page 32: Układy dyspersyjne](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051515/553f8e8a550346777c8b47d2/html5/thumbnails/32.jpg)
Zależnośd prężności par cieczy od temperatury
Ciecze bardziej polarne mają niższą prężnośd par (są mniej lotne) w tej samej temperaturze niż ciecze mniej polarne (tym samym bardziej lotne)
![Page 33: Układy dyspersyjne](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051515/553f8e8a550346777c8b47d2/html5/thumbnails/33.jpg)
Równowaga gaz-ciecz, para-ciecz
• Równanie równowagi fazowej (gaz-ciecz lub para--ciecz), sformułowane jako równośd potencjałów chemicznych składnika i w obu fazach , β
• Można sprowadzid przy pewnych założeniach do postaci równania nazywanego uogólnionym prawem Raoulta:
,, ii
iiiii xPyp
![Page 34: Układy dyspersyjne](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051515/553f8e8a550346777c8b47d2/html5/thumbnails/34.jpg)
Prawo Raoulta
gdzie:
φi- współczynnik aktywności ciśnieniowej czystego składnika i w fazie gazowej (uwzględnia on nieidealne zachowania się składników w fazie gazowej);
p - całkowite ciśnienie w układzie, *Pa+;
yi - ułamek molowy składnika i w fazie gazowej;
γi -współczynnik aktywności składnika i w fazie ciekłej
Pi- prężnośd pary nasyconej czystego składnika i w temperaturze układu, Pa;
xi - ułamek molowy składnika i w fazie ciekłej.
iiiii xPyp
![Page 35: Układy dyspersyjne](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051515/553f8e8a550346777c8b47d2/html5/thumbnails/35.jpg)
Uproszczona postad prawa Raoulta
W postaci uproszczonej (dla układów idealnych) układ równowagi para (gaz)-ciecz może byd zapisany w następujący uproszczony sposób:
Gdzie:
pi - prężnośd cząstkowa składnika i w układzie *Pa+
Pi - prężnośd pary nasyconej składnika i [Pa]
xi - ułamek molowy składnika i w fazie ciekłej
NixPp iii ,...,1*
![Page 36: Układy dyspersyjne](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051515/553f8e8a550346777c8b47d2/html5/thumbnails/36.jpg)
Prawo ciśnieo cząstkowychPrawo Daltona
"Ciśnienie wywierane przez mieszaninę gazów jest równe sumie ciśnieo cząstkowych wywieranych przez poszczególne składniki mieszaniny"
k
i
ik ppppp1
21
![Page 37: Układy dyspersyjne](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051515/553f8e8a550346777c8b47d2/html5/thumbnails/37.jpg)
Prawo ciśnieo cząstkowychPrawo Daltona
W formie matematycznej można je wyrazid jako:
gdzie:
p – ciśnienie w mieszaninie k - składnikowej w objętości V i temperaturze T
pi – ciśnienie cząstkowe składnika i w tej samej objętości i temperaturze
k
i
ipp1
![Page 38: Układy dyspersyjne](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051515/553f8e8a550346777c8b47d2/html5/thumbnails/38.jpg)
Ciśnienie cząstkowe
W formie matematycznej można je wyrazid jako:
gdzie:
pi – ciśnienie cząstkowe składnika i w objętości Vi temperaturze T
V
RTnp
RTnVp
ii
ii
![Page 39: Układy dyspersyjne](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051515/553f8e8a550346777c8b47d2/html5/thumbnails/39.jpg)
Osmoza, dializa, dyfuzja
• Osmoza – przechodzenie cząsteczek rozpuszczalnika przez błonę osmotyczną (naturalną błonę komórkową lub z tworzyw sztucznych), z roztworów mniej stężonych do bardziej stężonych
• Ciśnienie osmotyczne: Π = cRT (c – stężenie, R –stała gazowa, T – temperatura)
![Page 40: Układy dyspersyjne](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051515/553f8e8a550346777c8b47d2/html5/thumbnails/40.jpg)
Osmoza, dializa, dyfuzja
• Dializa – przechodzenie mniejszych cząsteczek lub jonów przez błony półprzepuszczalne o porach od kilku do kilku tysięcy nanometrów.
• Metoda na rozdzielanie koloidów lub odsalanie wody morskiej (elektrodializa).
• Dyfuzja – przechodzenie cząsteczek pomiędzy dwoma niezmieszanymi roztworami. Szybkośd dyfuzji zależy od gradientu stężeo.
![Page 41: Układy dyspersyjne](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051515/553f8e8a550346777c8b47d2/html5/thumbnails/41.jpg)
Przykład obliczeoW pewnym procesie, którego celem było obniżenie
stężenia benzenu w gazach emitowanych do atmosfery, absorbowano jego pary w oleju. Należy obliczyd (przybliżone) stężenie równowagowe benzenu w oleju silnikowym, jeżeli analiza próbki powietrza pobranego znad powierzchni cieczy wykazała, że ułamek molowy benzenu w powietrzu wynosiły yA= 0,00035.
Do obliczeo należy wykorzystad uproszczone prawo Raoulta. Temperatura powietrza i cieczy była taka sama i wynosiła 22°C. Ciśnienie atmosferyczne wynosiło 998 hPa.
![Page 42: Układy dyspersyjne](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051515/553f8e8a550346777c8b47d2/html5/thumbnails/42.jpg)
• Obliczamy prężnośd cząstkową benzenu w powietrzu nad olejem (w warunkach równowagi)
][93,3400035,099800 Paypp AA
?AiAA PxPp
?A
A
Ai P
P
px
Ile wynosi prężnośd pary czystego benzenu PA?
Ułamek molowy xi benzenu w oleju obliczyd można ze wzoru:
![Page 43: Układy dyspersyjne](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051515/553f8e8a550346777c8b47d2/html5/thumbnails/43.jpg)
Prężnośd pary czystego benzenu w temperaturze 295,15 K (22°C) może byd obliczona z równania Antoine'a:
atemperaturTstałtaaaTa
aaPA ,,,ln 321
3
21
atemperaturTstałtaaaTa
aaPA ,,,exp 321
3
21
][66,0311115,29536,52
5,278879,20exp PaPA
![Page 44: Układy dyspersyjne](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051515/553f8e8a550346777c8b47d2/html5/thumbnails/44.jpg)
• Ułamek molowy benzenu w oleju można obliczyd z prawa Raoulta wg. wzoru:
][00317,066,03111
93,34
A
Ai
P
px
![Page 45: Układy dyspersyjne](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051515/553f8e8a550346777c8b47d2/html5/thumbnails/45.jpg)
Prawo Henry’egoW przypadku procesów i przemian zachodzących w
środowisku naturalnym, zwykle mamy do czynienia z układami gaz-ciecz, a nie para-ciecz, szczególnie przy ograniczonej rozpuszczalności gazów w cieczy.
W środowisku naturalnym rozpuszczalnikiem jest woda. Do obliczania rozpuszczalności gazów w wodzie, najczęściej stosuje się równanie równowagi sprowadzone do prawa Henry'ego.
AAA xHp
![Page 46: Układy dyspersyjne](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051515/553f8e8a550346777c8b47d2/html5/thumbnails/46.jpg)
Prawo Henry’ego
gdzie:pA - prężnośd cząstkowa składnika gazowego, wyrażona w
jednostkach ciśnienia *Pa+;HA - stala Henry'ego, wyrażona w tych samych jednostkach
ciśnienia *Pa+; XA - ułamek molowy składnika A w fazie ciekłej.
Prawo Henry'ego obowiązuje dla roztworów gazów bardzo rozcieoczonych, gdzie stężenia rozpuszczonego gazu w cieczy, < 1-3% mas.
Dotyczy gazów, które nie reagują z rozpuszczalnikiem.
AAA xHp
![Page 47: Układy dyspersyjne](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051515/553f8e8a550346777c8b47d2/html5/thumbnails/47.jpg)
Stała Henry’ego zależnośd od temperatury
AAA xHp
atemperaturTstalebbbTb
bbH A ,,,ln 321
3
21
gdzie:b1 ,b2, b3 - stałe charakterystyczne (wyzn. doświadczalnie) dla danej substancji; T - temperatura wyrażona w skali absolutnej *K+.
![Page 48: Układy dyspersyjne](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051515/553f8e8a550346777c8b47d2/html5/thumbnails/48.jpg)
Stała Henry’ego zależnośd od temperatury
![Page 49: Układy dyspersyjne](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051515/553f8e8a550346777c8b47d2/html5/thumbnails/49.jpg)
Zależnośd stałej Henry’ego od temperatury
Temperatura. St C
15 20 25 30
O2 3690 4050 4400 4810
N2O 168 200 228 259
CO2 124 144 165 188
AAA xHp
![Page 50: Układy dyspersyjne](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051515/553f8e8a550346777c8b47d2/html5/thumbnails/50.jpg)
Przykład obliczeo
Należy obliczyd maksymalne stężenie tlenu w czystej
wodzie w temperaturach 20°C oraz 30°C,
pozostającej w równowadze termodynamicznej z
powietrzem atmosferycznym.
Rozwiązanie:
Korzystamy ze wzoru Henry'ego:
AAA xHp
![Page 51: Układy dyspersyjne](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051515/553f8e8a550346777c8b47d2/html5/thumbnails/51.jpg)
Przykład obliczeo
Wartości stałej Henry'ego dla tlenu w wodzie:
• dla temperatury 20°C wynosi HA = 4050 • 106 Pa;
• dla temperatury 30°C wynosi HA = 4810 • 106 Pa.
Temperatura. St C
15 20 25 30
O2 3690 4050 4400 4810
N2O 168 200 228 259
CO2 124 144 165 188
![Page 52: Układy dyspersyjne](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051515/553f8e8a550346777c8b47d2/html5/thumbnails/52.jpg)
Przykład obliczeo
Znając wartości stałej Henry'ego dla tlenu w wodzie:
• dla temperatury 20°C wynosi HA = 4050 • 106 Pa;
• dla temperatury 30°C wynosi HA = 4810 • 106 Pa.
Możemy obliczyd ułamek molowy tlenu xA w wodzie:
• Ile wynosi ciśnienie parcjalne tlenu w powietrzu pA?
???A
A
AA p
H
px
![Page 53: Układy dyspersyjne](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051515/553f8e8a550346777c8b47d2/html5/thumbnails/53.jpg)
Przykład obliczeo
Wiedząc że zawartośd tlenu w atmosferze Zawartośd
tlenu w atmosferze wynosi około 20,8% obj.
Wykorzystując prawo ciśnieo cząstkowych Daltona
dla gazów doskonałych (ułamek objętościowy równy
jest ułamkowi molowemu), można obliczyd po2 :
• Po2 = Patm yo2 = 1,013 • 105 • 0,208 *Pa+
= 2,107 • 104 [Pa]
![Page 54: Układy dyspersyjne](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051515/553f8e8a550346777c8b47d2/html5/thumbnails/54.jpg)
Przykład obliczeo
Dla temperatury 20°C ułamek molowy tlenu w wodzie wyniesie
6
6
4
1020,5104050
10107,2
A
AA
H
px
![Page 55: Układy dyspersyjne](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051515/553f8e8a550346777c8b47d2/html5/thumbnails/55.jpg)
Równowaga ciecz-ciecz. Prawo podziału Nernsta
Jeżeli zostaną zmieszane dwie (lub więcej) ciecze o ograniczonej rozpuszczalności w sobie, to po pewnym czasie miedzy powstałymi fazami ciekłymi ustali się równowaga (fazowa).
• gdzie:
• γi - współczynnik aktywności składnika i w danej fazie ciekłej;
• xi - ułamek molowy składnika i w fazie ciekłej,
,,,, iiii xx
![Page 56: Układy dyspersyjne](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051515/553f8e8a550346777c8b47d2/html5/thumbnails/56.jpg)
Równowaga ciecz-ciecz. Prawo podziału Nernsta
Równanie
daje się sprowadzid do często używanej zależności:
gdzie:
• kj - współczynnik równowagi nazywany współczynnikiem podziału Nernsta
,,,, iiii xx
,
,
,,
i
i
iiii kxkx
![Page 57: Układy dyspersyjne](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051515/553f8e8a550346777c8b47d2/html5/thumbnails/57.jpg)
Układy dyspersyjne
![Page 58: Układy dyspersyjne](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051515/553f8e8a550346777c8b47d2/html5/thumbnails/58.jpg)
Układy dyspersyjne
Układy dyspersyjne – układy dla których rozwinięcie powierzchni uzyskano poprzez znaczne rozdrobnienie jednej z faz.
Wyróżnia się:
• fazę rozpraszającą (dyspersyjną)
• fazę rozproszoną (zdyspergowaną)
![Page 59: Układy dyspersyjne](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051515/553f8e8a550346777c8b47d2/html5/thumbnails/59.jpg)
Podział układów dyspersyjnych
Ze względu na wielkośd cząstek rozróżniamy:
– układy o rozdrobnieniu molekularnym – cząstki < 1 nm (<10-9 m) - roztwory właściwe
– układy o rozdrobnieniu koloidalnym – cząstki 1 –200 nm - roztwory koloidalne (koloidy)
– układy grubodyspersyjne – cząstki > 200 nm
zawiesiny
![Page 60: Układy dyspersyjne](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051515/553f8e8a550346777c8b47d2/html5/thumbnails/60.jpg)
Układy dyspersyjne
rozpraszająca
------------------
rozproszona
ciało stałe ciecz gaz
ciało stałe zole stałe zawiesina
zol ciekły
dym
ciecz piana stała emulsja mgła
gaz pumeks piana ------
![Page 61: Układy dyspersyjne](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051515/553f8e8a550346777c8b47d2/html5/thumbnails/61.jpg)
Napięcie powierzchniowe
Napięcie powierzchniowe – zjawisko fizyczne występujące na granicy faz ciecz-ciało stałe,Ciecz-gaz które powoduje że powierzchniaSwobodna cieczy zachowuje się jak sprężysta błona. Napięcie powierzchniowe ilosciowoOkreśla się nazywa się również jakoenergię przypadającą na jednostkę powierzchni, lub pracę potrzebną do rozciągnięcia powierzchni o jednostkę.
Przyczyną istnienia napięcia powierzchniowego są siły przyciągania pomiędzy cząsteczkami cieczy (napięcie międzyfazowe). Wysokie napięcie powierzchniowe na granicy faz A i B oznacza, że siły spójności (kohezji) wewnątrz faz A-A i B-B są większe niż siły przylegania (adhezji) na granicy faz A-B.
![Page 62: Układy dyspersyjne](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051515/553f8e8a550346777c8b47d2/html5/thumbnails/62.jpg)
Siły adhezji i kohezji. Zwilżanie
![Page 63: Układy dyspersyjne](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051515/553f8e8a550346777c8b47d2/html5/thumbnails/63.jpg)
Napięcie powierzchnioweMiarą napięcia powierzchniowego jest praca, jaką trzeba
wykonad, by utworzyd jednostkową powierzchnię cieczy, co można wyrazid wzorem:
[J/m2]gdzie:σ – napięcie powierzchniowe, ΔW – praca potrzebna do utworzenia powierzchni ΔS, ΔS – pole powierzchni.
[N/m] gdzie:F – siła napięcia powierzchniowego działająca równolegle do
powierzchni cieczy, dążąca do zmniejszenia powierzchni cieczy, l – długośd odcinka na którym działa siła.
S
W
l
F
![Page 64: Układy dyspersyjne](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051515/553f8e8a550346777c8b47d2/html5/thumbnails/64.jpg)
Napięcie powierzchniowe utrzymuje na powierzchni owada
Nartnik duży (Gerris lacustris)
![Page 65: Układy dyspersyjne](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051515/553f8e8a550346777c8b47d2/html5/thumbnails/65.jpg)
Substancje polarne i apolarneCiecze polarne (woda, alkohole, kwasy, substancje o
budowie jonowej itd.) mieszają się jednorodnie z cieczami polarnymi (tworzą z nimi roztwory właściwe o rozdrobnieniu molekularnym)
Ciecze niepolarne (benzen, węglowodory, tłuszcze) nie mieszają się z cieczami polarnymi.
Oddziaływania dipol-dipol są silniejsze i cząsteczki nie mające charakteru dipolu są wypychane na powierzchnię.
![Page 66: Układy dyspersyjne](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051515/553f8e8a550346777c8b47d2/html5/thumbnails/66.jpg)
Substancje polarne i apolarne
W przypadku mieszaniny cieczy polarnych np. woda-etanol, tworzą się oddziaływania dipol-dipol
W przypadku cieczy apolarnych (benzen) w wodzie oddziaływania dipol-dipol miedzy cząsteczkami wody są silniejsze i cząsteczki nie mające charakteru dipolu (benzen) wypychane są na powierzchnię.
Pomiędzy dwiema niemieszającymi się cieczami tworzy się wyraźna granica, a napięcie powierzchniowe jednej i drugiej cieczy nie pozwala na zwilżanie drugiej.
![Page 67: Układy dyspersyjne](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051515/553f8e8a550346777c8b47d2/html5/thumbnails/67.jpg)
Substancje hydrofilowe i hydrofobowe
Substancje hydrofilowe – substancje rozpuszczalne w wodzie (łatwo ulegające hydratacji)
Substancje hydrofobowe – substancje nierozpuszczalne w wodzie (nie ulegające hydratacji), łatwo rozpuszczalne w niepolarnych rozpuszczalnikach.
![Page 68: Układy dyspersyjne](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051515/553f8e8a550346777c8b47d2/html5/thumbnails/68.jpg)
Substancje powierzchniowo czynne
Substancje powierzchniowo czynne (tenzydy)–SURFAKTANTYSURFACTANTS - SURFace ACTive AgeNTS( z ang. substancje powierzchniowo czynne ) - to związki chemiczne składające się z fragmentów hydrofilowych i hydrofobowych, np. kwasy tłuszczowe i ich sole sodowe lub potasowe.
![Page 69: Układy dyspersyjne](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051515/553f8e8a550346777c8b47d2/html5/thumbnails/69.jpg)
Substancje powierzchniowo czynne (surfaktanty)
Substancje powierzchniowo czynne – to związki chemiczne składające się z fragmentów hydrofilowych i hydrofobowych, np. kwasy tłuszczowe i ich sole sodowe lub potasowe.
![Page 70: Układy dyspersyjne](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051515/553f8e8a550346777c8b47d2/html5/thumbnails/70.jpg)
Substancje powierzchniowo czynne (surfaktanty)
Substancje powierzchniowo czynne – to związki chemiczne składające się z fragmentów hydrofilowych i hydrofobowych,
Cząsteczki substancji powierzchniowo-czynnych lokują sięna powierzchni faz, orientując się częścią hydrofilową do wody, ahydrofobową do węglowodoru.
![Page 71: Układy dyspersyjne](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051515/553f8e8a550346777c8b47d2/html5/thumbnails/71.jpg)
Substancje powierzchniowo czynne (surfaktanty)
Grupą hydrofilową jest grupa jonowa lub silnie polarna. W zależności od natury grupy hydrofilowej, surfaktanty można podzielid na cztery grupy:
• Anionowe – aktywna powierzchniowo częśd cząsteczki ma ładunek ujemny,
RCOO-Na+ (mydła), RC6H4SO3
- Na+ (alkilobenzenosulfoniany);
• Kationowe - aktywna powierzchniowo częśd cząsteczki ma ładunek dodatni, na przykład RNH3
+Cl- (długołaocuchowa sól aminy), RN(CH3)3
+Cl- (czwartorzędowy chlorek amonu)
![Page 72: Układy dyspersyjne](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051515/553f8e8a550346777c8b47d2/html5/thumbnails/72.jpg)
Substancje powierzchniowo czynne (surfaktanty)
Grupą hydrofilową jest grupa silnie polarna.
• Amfoteryczne – zarówno ładunki dodatnie i ujemne mogą byd obecne w części aktywnej powierzchniowo, RN+H2CH2COO- (długołaocuchowy aminokwas), RN+(CH3)2CH2CH2SO3
- (sulfobetaina)
• Niejonowe – częśd aktywna powierzchniowo nie posiada żadnego ładunku np. RCOOCH2CHOHCH2OH (monogliceryd kwasu tłuszczowego), RC6H4(OC2H4)xOH (alkilofenol polioksyetylenowany), R(OC2H4)xOH (alkohol polioksyetylenowany).
![Page 73: Układy dyspersyjne](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051515/553f8e8a550346777c8b47d2/html5/thumbnails/73.jpg)
Surfaktanty zachowanie na granicy faz
![Page 74: Układy dyspersyjne](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051515/553f8e8a550346777c8b47d2/html5/thumbnails/74.jpg)
Zastosowanie surfaktantów
Stabilizacja piany dzięki wytworzeniu podwójnej warstwy elektrycznej.
– Środki piorące;
– Flotacja – wynoszenie zawiesin za pomocą baniek powietrza (np. do wzbogacania rud);
– Sporządzanie emulsji;
– Impregnacja materiałów
![Page 75: Układy dyspersyjne](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051515/553f8e8a550346777c8b47d2/html5/thumbnails/75.jpg)
ADSORPCJA
Adsorpcja — proces zmiany stężenia substancji na granicy pomiędzy dwiema fazami - gazowa i ciekła (gaz-roztwór), ciekła i stała (roztwór-ciało stałe) oraz pomiędzy nie mieszającymi się cieczami (ciecz-ciecz). Stężenie substancji w obszarze międzyfazowym (na granicy faz i/lub w jej pobliżu jest inne niż w głębi fazy).
![Page 76: Układy dyspersyjne](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051515/553f8e8a550346777c8b47d2/html5/thumbnails/76.jpg)
ADSORPCJAAdsorpcja — proces zmiany stężenia substancji na
granicy pomiędzy dwiema fazami. Stężenie substancji w obszarze międzyfazowym (na granicy faz i/lub w jej pobliżu jest inne niż w głębi fazy).
![Page 77: Układy dyspersyjne](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051515/553f8e8a550346777c8b47d2/html5/thumbnails/77.jpg)
Adsorbat, adsorbent
• Adsorbat - substancja, która ulega adsorpcji
• Adsorbentem lub podłożem nazywana jest,a substancja na której proces adsorpcji zachodzi.
• Adsorbentami są najczęściej ciała stałe o bardzo dobrze rozwiniętej powierzchni.
![Page 78: Układy dyspersyjne](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051515/553f8e8a550346777c8b47d2/html5/thumbnails/78.jpg)
Adsorpcja, absorpcja i sorpcja
Adsorpcja ma charakter powierzchniowy, czym różni się od absorpcji polegającej na pochłanianiu w całej objętości (mechanizm podziałowy -opisywany prawem Nernsta).
Często procesy adsorpcji oraz absorpcji występujarównocześnie i mówimy wtedy o sorpcji.
Terminu sorpcja stosujemy równie wtedy gdy nie możemy sprecyzowad mechanizmu zjawiska.
![Page 79: Układy dyspersyjne](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051515/553f8e8a550346777c8b47d2/html5/thumbnails/79.jpg)
Adsorpcja fizyczna i chemiczna (Chemisorpcja)
Adsorpcja fizyczna (Fizysorpcja) Adsorpcja chemiczna (Chemisorpcja)
- brak bariery energetycznej(nie wymaga aktywacji)- proces szybki- Oddziaływania słabe (<0.4 eV » 10 kcal/mol )- zawsze atomowa lub czasteczkowa- proces odwracalny- może powstawacwielowarstwowa
- może wystepowac barieraenergetyczna - wymaga aktywacji- różnorodna kinetyka procesu- powstawanie wiazan jonowych/metalicznych/kowalencyjnychsilnych (>0.4 eV)
- czesto nieodwracalna- ograniczona do monowarstwy
![Page 80: Układy dyspersyjne](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051515/553f8e8a550346777c8b47d2/html5/thumbnails/80.jpg)
Przykład chemisorpcji
![Page 81: Układy dyspersyjne](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051515/553f8e8a550346777c8b47d2/html5/thumbnails/81.jpg)
Izoterma adsorpcji LANGMUIRA
• powierzchnia stałych adsorbentów ma na swej powierzchni szczególnie aktywne miejsca zwane centrami aktywnymi, którymi mogą byd określone ściany mikrokrystalitów, defekty sieciowe lub w przypadku adsorbentów złożonych, granice faz,
• proces adsorpcji zachodzi na centrach aktywnych
• każde centrum może zaadsorbowad tylko jedną cząstkę, czyli adsorbent pokrywa się warstwą monomolekularną
• cząsteczki zaadsorbowane na centrach adsorpcji nie oddziałują wzajemnie na siebie
• proces adsorpcji ma charakter dynamicznej równowagi pomiędzy adsorpcją i procesem odwrotnym do adsorpcji –desorpcją.
![Page 82: Układy dyspersyjne](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051515/553f8e8a550346777c8b47d2/html5/thumbnails/82.jpg)
Izoterma adsorpcji LANGMUIRA
Stopieo pokrycia powierzchni θ lub inaczej, ułamek zapełnienia powierzchni określa wyrażenie:
gdzie:
n — liczba moli substancji zaadsorbowanej przez daną masę adsorbentu (liczba zajętych centrów adsorpcyjnych),
nm – liczba moli przy której następuje zapełnienie wszystkich centrów adsorpcyjnych.
mn
n
![Page 83: Układy dyspersyjne](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051515/553f8e8a550346777c8b47d2/html5/thumbnails/83.jpg)
Izoterma adsorpcji LANGMUIRAZgodnie z tą definicją:
Szybkośd adsorpcji jest proporcjonalna do ciśnienia gazu i do ułamka powierzchni nie obsadzonej:
Szybkośd desorpcji jest proporcjonalna do ułamka powierzchni pokrytej:
10
pkrads )1(
'krdes
![Page 84: Układy dyspersyjne](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051515/553f8e8a550346777c8b47d2/html5/thumbnails/84.jpg)
W stanie równowagi, szybkośd adsorpcji i desorpcji są sobie równe.
Po prostych przekształceniach otrzymujemy związek między stopniem pokrycia powierzchni, a ciśnieniem w postaci:
gdzie: b - zwany jest współczynnikiem adsorpcji
')1( kpk
'1 k
kb
bp
bp
![Page 85: Układy dyspersyjne](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051515/553f8e8a550346777c8b47d2/html5/thumbnails/85.jpg)
Uwzględniając definicję stopnia obsadzenia :
lub oznaczając przez: a – liczbę moli substancji zaadsorbowanej przez jednostkową masę adsorbenta a=n/m odpowiednio ,otrzymujemy:
bp
bpnn
bp
bp m
11
]/[1
gmolbp
bpaa m
![Page 86: Układy dyspersyjne](https://reader034.vdocuments.net/reader034/viewer/2022051515/553f8e8a550346777c8b47d2/html5/thumbnails/86.jpg)
Zależnośd nosi nazwę izotermy Langmuira. Przebieg tej zależności
a=f(p) przedstawia rysunek