Kapaliny a roztoky Tenze páry (tlak nasycených par nad kapalinou) závisí na složení roztoku.

Prezentace na téma: "Kapaliny a roztoky Tenze páry (tlak nasycených par nad kapalinou) závisí na složení roztoku."— Transkript prezentace:

1 Kapaliny a roztoky Tenze páry (tlak nasycených par nad kapalinou) závisí na složení roztoku

2 Vypařování kapalin Opačným procesem zkapalňování plynů je vypařování kapalin. Nachází–li se kapalina v uzavřené nádobě, kterou vyplňuje jen zčásti, dochází k vypařování. Tlak nad kapalinou roste, část molekul přechází znovu do kapalné fáze. Na rozhraní probíhá stále obousměrný přechod. (vypařování a kondenzace) stejná rychlost vypařování a kondenzace vede k rovnovážnému stavu, ve kterém se tenze páry nad rozpouštědlem nemění.

3 Graf závislosti tlaku na teplotě

4 Tlak nasycené páry Při konstantní teplotě se ustálí rovnováha charakterizovaná tlakem nasycené páry, který nezávisí na množství kapaliny. Jakmile tlak nasycené páry dané kapaliny dosáhne tlaku plynu v okolí, nastává var. Příslušná teplota se nazývá teplota varu. Var, a tedy i teplota varu závisí na vnějším tlaku, což ilustruje křivka tlaku nasycené páry na předchozím grafu. Hodnoty tzv. normální teploty varu označují teplotu, kdy tlak nasycené páry je roven tlaku 101,325 kPa, jsou tabelované.

5 Tenze páry nad roztokem
Intepretace teplotních závislostí tenze jako rovnovážný údaj Závislost log p na teplotě a zobecnění na teplotní závislosti rovnováh

6 Raoultův zákon Tlak par (rovnovážný) kterékoli složky nad ideálním roztokem je úměrný molárnímu zlomku této složky v roztoku. Konstantou úměrnosti je tlak par této složky v čistém stavu při téže teplotě. (F.M. Raoult, 1886) p = p . X Tenze par složek ideálního roztoku je možné sčítat.

7 Rauoltův zákon - tenze páry nad roztokem netěkavé látky
Relativní snížení tlaku páry rozpouštědla nad roztokem netěkavé látky se rovná jejímu molárnímu zlomku v roztoku. (pA* - pA)/ pA* = 1- xA = xB Symbol B patří netěkavé látce.

8 Rozpustnost plynů v kapalinách – Henryho zákon
Rozpustnost plynu v kapalině, se kterou nereaguje, je přímo úměrná parciálnímu tlaku plynu nad roztokem: xB = kS pB symbol kS je absorpční koeficient (který je reciprokou hodnotou Henryho konstanty kH), xB molární zlomek plynné složky) Z Henryho zákona vyplývá, že při dané teplotě objem plynu pohlcený jednotkovým objemem kapaliny nezávisí na tlaku (v 1 litru vody se při 20oC vždy rozpustí 33,3 cm3 kyslíku). Stejné objemy plynu při stejné teplotě, ale při různém tlaku mají různou „koncentraci“ částic). Z Rauoltova a Henryho zákona vyplývá, že nejpřirozenějším vyjádřením koncentrace je molární zlomek (bezrozměrný). Tyto dva zákony mají fundamentální význam a spolu se stavovou rovnici jsou základem klasické fyzikální chemie.

9 Důsledky Raoultova a Henryho zákona
O kapalině, která je v rovnováze se svou parou můžeme říci, že obě fáze mají stejný chemický potenciál. m*A = m0A + RT ln p*A (p*A tlak páry nad čistou kapalinou) Jestliže kapalina obsahuje několik složek, tak pro každou složku chemický potenciál v kapalině se rovná chemickému potenciálu této složky v plynné fázi. mA = m0A + RT ln pA Odečtením předcházejících rovnic dostáváme výraz pro chemický potenciál složky A v roztoku. Tím jsme zároveň řekli, že standardním stavem je čistá kapalina : mA - m*A = RT ln (pA/p*A) (pA je tlak páry nad roztokem).

10 Povrchové napětí kapalin
Kapaliny se vždy snaží zaujmout co nejmenší povrch. To lze demonstrovat na zařízení, které zachycuje obrázek. … má tendenci zmenšovat povrch Kapalinový film ohraničený rámečkem a pohyblivou příčkou … Aby se příčka nepohybovala … … musíme na ni působit silou F

11 Povrchové napětí kapalin
Velikost síly F je závisí na délce příčky l platí: F = 2γl γ – povrchové napětí kapaliny činitel 2 vyplývá z toho, že kapalina má dva povrchy Povrchové napětí představuje tedy sílu působící v rovině povrch kapaliny kolmo na jednotku délky. Její jednotkou je Nm-1 Důsledkem povrchového napětí je, že na zvětšení povrchu musíme vynaložit práci.

12 Povrchové napětí kapalin
Posuneme-li příčku o y zvětšíme povrch kapaliny filmu o hodnotu 2ly (m2) a vykonáme práci: L = 2 γly Je tedy povrchové napětí γ číselně rovno i práci nutné na vytvoření plošné jednotky povrchu (Jm-2) Příčinou povrchového napětí je vzájemné působení částic kapaliny. Na molekuly nacházející se uvnitř kapaliny působí ze všech stran stejné síly, zatímco na molekuly na povrchu jen síly směřující dovnitř kapaliny. Přitom se však předpokládá, že síly působící ze strany stýkajících se fází se neuplatňují nebo jsou zanedbatelné, což je opodstatněné jen v případě, je-li druhou fází plyn. Stýkají-li se dvě kondenzované fáze, mluvíme o mezipovrchovém napětí, které závisí na povaze obou fází. Povrchové napětí závisí na teplotě, s teplotou klesá a v kritické teplotě, kdy mizí rozhraní mezi kapalinou a plynnou fází, nabývá nulové hodnoty. Na vyjádření této závislosti existuje více rovnic.

13 Sorpce do povrchu roztoků, povrchové filmy, „organizované“ soubory molekul
Langmuirova izoterma Monomolekulární vrstvy Organizované soubory přirozené, umělé

14 Povrchové napětí zakřiveného povrchu
Jak se zachovají bubliny po otevření ventilu? Vyrovnají se objemy bublin nebo vsákne větší bublina do sebe tu menší?

15 Bubliny a zakřivené povrchy kapalin
Molekuly na povrchu kapalin a pevných látek mají větší energii než molekuly uvnitř (v bulku). Hovoříme o povrchové energii nebo povrchovém napětí. Jestliže si porovnáme malou a velkou kapičku vody (s malý a velkým poloměrem) zjistíme, že u malé kapky je relativně větší povrch vzhledem k objemu. A tedy větší podíl molekul s větší energií. Vychází z toho, že malé kapky mají díky většímu podílu molekul na povrchu relativně větší energii. Jejich vznik je energeticky obtížný protože malé kapky se spontánně vypařují. Jinými slovy ke kondensaci látky (která musí začít nejmenšími kapičkami dochází obtížně a když už je energetická bariera překročena nic už nebrání kondensaci par v celém objemu – fázový (skupenský) přechod.

16 Tenze páry nad zakřivenými povrchy
Youngova Laplaceova rovnice pi je vnější tlak a pe vnitřní tlak v bublince dA = (pi - pe) 4  r2 dr …. (práce vykonaná při nafouknutí bublinky) S = 4  r2 a dS = 8  r2 dr dE = γ.dS = 16 γ  r dr…..(povrchová energie nově vzniklého povrchu) dE = dA a odtud (pi - pe) = (4 γ)/r pro vzduchovou bublinu resp.(pi - pe) = (2 γ)/r pro kapku Čím je poloměr kapky menší, tím větší je rozdíl vnitřního a vnějšího tlaku a bublinka (nebo kapka) jsou méně nestabilní.

17 Mezipovrchové napětí Povrchové jevy se vyskytují jako kapilární elevace a deprese kapilární deprese rtuť nesmáčí stěnu kapiláry kapilární elevace voda smáčí stěnu kapiláry

18 Povrchy se záporným poloměrem, kapilární kondensace
Za normálních podmínek kondensace par na kapalinu nastává po dosažení příslušné teploty,(rosný bod). Zaznamená se teplota, při které se zamlží rovný povrch (zrcátko). Kapilární kondensace nastává tehdy, jestliže kapalina (voda) smáčí se zakřiveným povrchem („záporné“ poloměry kapek). Ke kondensaci dochází dříve než by docházelo na rovných površích. Voda z kapilární kondensace je „normální vodou“.

19 Topochemické reakce Skupenské přeměny
Obecně fázové přeměny, netýkají se jen změn skupenství Topochemické reakce. Takto nazýváme reakce, které probíhají současně se změnou fáze (skupenství) Pálení vápna výroba železa a další

20 Viskozita a fluidita kapalin
Další charakteristickou vlastností kapalin je jejich vnitřní tření, které se projevuje při pohybu kapalin. V důsledku existence kohezních sil mezi částicemi kladou kapaliny podstatně větší odpor při pohybu než plyny. Mírou tohoto odporu je koeficient viskozity, popř. fluidity dané kapaliny.

21 Viskozita a fluidita kapalin
Jestliže dvě vrstvy kapaliny vzdálené od sebe o dx vykazují stálý rozdíl rychlosti du, potom síla F potřebná na překonání vnitřního tření je dána Newtonovou rovnicí gradient rychlosti koeficient viskozity velikost povrchu stýkajících se vrstev

22 Viskozita a fluidita kapalin
η – koeficient viskozity je definovaný silou, kterou působí plošná jednotka vrstvy proudící kapaliny na sousední plošnou jednotku při jednotkovém rychlostním gradientu du/dx. Jednotkou viskosity je Pas. Převrácená hodnota viskozity se nazývá fluidita a je mírou tekutosti kapalin Tixotropie a rheopexie

23 Fázové diagramy Zákon fází: v = s - f + 2, kde v je počet stupňů volnosti, s počet složek a f počet fází Fázový diagram vody – při vnějším (externím) tlaku 101,315 kPa a 0o C je tlak sytých par vody nad systémem led/voda stejný pro obě složky a má hodnotu 0,61 kPa, pro –10o C pro vodu je tlak sytých par 0,29 kPa a pro led 0,266 kPa. Fázové diagramy

24