F12 Kolligativa egenskaper

Transcription

Repetition F11
•  Molär Gibbs fri energi, Gm, som funktion av P
o  Vätska/fasta ämne
Gm ≈ Gm° (oberoende av P)
o  Ideal gas:
P

Gm = Gm + RT ln
P°
€
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Repetition F11 forts.
•  Ångbildning
o  ΔG = ΔG + RT ln P
vap
vap
P°
€
o  Jämvikt
P

ΔGvap + RT ln
=0
P°



ΔGvap
ΔH vap
ΔSvap
P
ln
=−
=−
+
P°
RT
RT
R
–  Jämviktstrycket P kallas ångtrycket
€
•  Clausius-Clapeyrons ekvation (ångbildning, jämvikt)
 ⎛
ΔH
P2
1 ⎞
vap 1
o  ln =
⎜ − ⎟
P1
R ⎝ T1 T2 ⎠
•  Fasdiagram
o  Enfasområde
€
o  Tvåfaslinje
o  Trippelpunkt
o  Kritisk punkt
•  Blandningar och lösningar
o  Molär löslighet, s
o  Henrys lag för gaser: s = kHP (P = gasens partialtryck)
o  Löslighet bestäms av ∆Gsol = ∆Hsol - T∆Ssol
o  Lika löser lika
o  Amfifila molekyler – miceller
o  Lösningsentropi analog med kondenserad fas → gas
o  Blandningsentropi – fler möjligheter med två
komponenter (konstant total mängd)
F12 – Kolligativa egenskaper och
binära vätskeblandningar
•  Kolligativa egenskaper – effekter av löst icke-flyktigt
ämne
•  Binära vätskeblandningar – två flyktiga vätskor
tillsammans
Kolligativa egenskaper
•  Om de lösta ämnena i en lösning är icke-flyktiga bidrar
endast lösningsmedlet till ångtrycket över lösningen
•  För en lösning av icke-flyktiga ämnen erhålls de
kolligativa egenskaperna
–  ångtryckssänkning
–  kokpunktsförhöjning
–  fryspunktssänkning
–  osmotiskt tryck
som i första hand beror på mängden löst ämne och
inte på vilka ämnen som lösts
Koncentrationsmått
•  Molar koncentration, c
–  mol löst ämne per liter lösning [mol/l, M]
–  beror på temperaturen (V ändras)
n löst ämne
c=
Vlösning
•  Molal koncentration, b
–  mol löst ämne per kilogram lösningsmedel [mol/kg, m]
–  oberoende av temperaturen
€
n löst ämne
b=
mlösningsmedel
Koncentrationsmått
•  Molbråk, x
–  mol ämne per total mängd mol i lösning/blandning
[enhetslöst]
–  oberoende av temperaturen
na
xa =
n tot
–  exempel: endast två komponenter, a och b
€
na
xa =
na + nb
Ångtryckssänkning
•  Lösning av icke-flyktigt ämne
•  Ångtrycket är proportionellt
mot molbråket, xA, för
lösningsmedlet
•  Raoults lag (ideal lösning)
PA = xAPA*
PA: ångtrycket för
lösningsmedlet
PA*: ångtrycket för rent
lösningsmedel
Ideal lösning
•  En hypotetisk lösning som uppfyller
Raoults lag vid alla koncentrationer
•  Växelverkan mellan lösningsmedlet
A och det lösta ämnet B är
densamma som växelverkan
mellan A och A och mellan B och B
i de rena ämnena
•  En ideal ”lösning” kan också vara
en vätskeblandning, dvs. med
likvärdiga molförhållanden för A
och B
Kokpunktsförhöjning
•  Lösningsmedlet har högre
entropi i lösningen än som
rent ämne – lägre Gm
•  Ångan utgörs av rent ämne –
ingen förändring i Gm
•  Lösningsmedel och ånga
(vid samma P) är i jämvikt
vid en högre temperatur än
ren vätska och ånga
Fryspunktssänkning
•  Löst ämne löser sig inte i
lösningsmedlets fasta form
•  Lösningsmedlet har högre
entropi i lösningen än som rent
ämne – lägre Gm
•  Fast fas utgörs av rent ämne –
ingen förändring i Gm
•  Lösningsmedel och fast fas är i
jämvikt vid en lägre temperatur
än ren vätska och fast fas
Fryspunktssänkning
•  Fryspunktssänkningen beror på antalet fria enheter
•  Ett salt som löser sig som åtskilda joner ger en
förstärkning av effekten, t.ex. NaCl ger en faktor 2,
CaCl2 en faktor 3, vilket beskrivs av van’t Hoffs i
faktor
•  ∆Tf = i kf blöst ämne
kf: lösningsmedlets fryspunktskonstant
•  Detsamma gäller för kokpunktsförhöjning, men
fryspunktssänkning har större praktisk betydelse
–  Saltning för halkbekämpning
–  Bestämning av molmassa (kryoskopi, mer förr)
Övning
Hur många gram vägsalt (NaCl) behövs för att sänka
fryspunkten till -5,0°C för vatten motsvarande en
1,0 m2 stor och 1,0 mm tjock isfläck? Vilken molar
koncentration av NaCl motsvarar detta? Antag att
saltet löser sig fullständigt och vattnets/lösningens
volym är konstant. Vattnets densitet är 1000 kg/m3
och dess fryspunktskonstant är 1,86 K kg/mol.
Svar
ΔTf
ΔTf = ikf b ⇔ b =
ikf
n NaCl
b=
⇔ n NaCl = mH 2 Ob
mH 2 O
mH 2 O = ρ H 2 OVH 2 O
mNaCl = n NaCl M NaCl
n NaCl
c NaCl =
VH 2 O
M NaCl = 58,44 g/mol
VH 2 O = 1,0 m2 × 1,0 × 10 −3 m = 1,0 × 10 −3 m3 = 1,0 dm3
€
Svar
n NaCl
ΔTf
= mH 2 Ob = ρ H 2 OVH 2 O
=
ikf
5,0 K
= 1000 kg/m × 1,0 × 10 m
= 1,344 mol
2 × 1,86 K kg/mol
mNaCl = n NaCl M NaCl = 1,344 mol × 58,44 g/mol = 79 g
n NaCl 1,344 mol
c NaCl =
=
3 = 1,3 M
VH 2 O
1,0 dm
3
−3
3
•  Svar: Det behövs 79 g vägsalt, vilket skulle ge
en NaCl-koncentration på 1,3 M.
Osmotiskt tryck, Π
•  Rent lösningsmedel och lösning är åtskilda av ett
semipermeabelt membran som endast släpper igenom
lösningsmedlet (ej löst ämne)
P
P
h
rent
lösningsmedel
Plösning = P + Π
lösning
Π=ρgh
Osmotiskt tryck, Π
•  Lösningsmedlet har högre entropi i lösningen än som
rent ämne – lägre Gm
•  För att motverka att rent lösningsmedel tränger in i
lösningen krävs ett högre tryck i lösningen (för att
jämna ut Gm för lösningsmedlet)
•  Tryckskillnaden vid jämvikt kallas osmotiskt tryck, Π
•  van’t Hoffs ekvation (många approximationer)
Π = i RTclöst ämne
Π V = nlösta enheter RT
Osmos
•  Osmos är processen att rent lösningsmedel tränger in i
en lösning genom ett semipermeabelt membran
•  Mätning av osmotiskt tryck (osmometri) kan bla
användas till att bestämma stora molekylers molmassa
•  Omvänd osmos, dvs. att lösningsmedlet pressas ut ur
en lösning genom ett semipermeabelt membran under
högt tryck kan bla användas för vattenrening
Binära vätskeblandningar
•  En binär vätskeblandning är en blandning av två
(flyktiga) vätskor
•  De bidrar båda till ångtrycket över blandningen
Ångtryck – ideal blandning
•  Raoults lag gäller för båda
komponenterna
PA = xAPA* , PB = xBPB*
•  Daltons lag gäller för blandningen
i ångan (ideal gas)
P = PA + PB = xAPA* + xBPB* =
= xAPA* + (1 − xA)PB* =
= PB* + (PA* − PB*)xA
•  Det totala ångtrycket varierar
linjärt mellan ångtrycken för de
rena vätskorna map molbråket
Ångsammansättning
•  Molbråk i ångan (Daltons lag följt av Raoults lag)
nA
nA
PA
x A PA*
x A PA*
yA =
=
=
=
*
* =
n tot n A + n B PA + PB x A PA + x BPB x A PA* + (1 − x A )PB*
€
€
•  Ångan innehåller en större andel av den mest flyktiga
komponenten (störst P*) än vad vätskan innehåller
y A x A PA* x A
*
*
=
>
om
P
>
P
A
B
y B x BPB* x B
Övning
Beräkna molbråket bensen i den gasfas som står i
jämvikt med en vätskeblandning med 25 mol%
bensen i toluen. Ångtrycken för de rena vätskorna är
P*(bensen) = 94,6 torr och P*(toluen) = 29,1 torr.
Svar
nb
Pb
x b Pb*
yb =
=
=
*
* =
n b + n t Pb + Pt x b Pb + (1 − x b )Pt
0,25 × 94,6 torr
=
= 0,52
0,25 × 94,6 torr + (1 − 0,25) × 29,1 torr
•  Svar: Molbråket bensen i gasfasen är 0,52.
€
Kokpunktsdiagram
•  För ett konstant yttre tryck, plotta
för varje sammansättning den
temperatur där det totala
ångtrycket är lika med det yttre
trycket – kokpunkt som funktion av
sammansättning
•  För varje kokpunkt, plotta ångans
sammansättning i samma diagram
•  För given temperatur ger
vätskekurvan och ångkurvan
sammansättningarna i vätska
respektive gasfas vid jämvikt
Konstant P
Fasdiagram (två-komponent)
•  Då endast de två komponenterna i
vätskeblandningen finns i systemet
(ingen luft, t.ex.), blir kokpunktspunktsdiagrammet ett fasdiagram
•  Fasdiagrammet visar vilka faser
som finns vid en viss temperatur
och sammansättning (konstant P)
•  Eftersom vätska och gas har olika
sammansättning erhålls ett
tvåfasområde
•  ”Tie lines” visar vilka sammansättningar som är i jämvikt
Konstant P
l+g
l
g
Fraktionerad destillation
•  Vätska med sammansättningen
vid A ger ånga med
sammansättningen vid B (och C)
•  Får ångan kondensera erhålls
vätska vid C som ger ånga vid D
•  Upprepad förångning-kondensation leder till att sammansättningen går mot ämnet med lägst
kokpunkt, som kan erhållas rent
efter tillräckligt många steg
•  Detta kan ske automatiskt i en
kolonn (med många sk bottnar)
l+g
l
g
Avvikelser från Raoults lag
(icke-ideal blandning)
•  Om växelverkan i blandningen
är svagare (mindre attraktiv)
än i de rena ämnena erhålls en
positiv avvikelse från Raoults
lag med ångtrycksmaximum
•  Blandningsentalpin, ∆Hmix > 0,
dvs. blandningsprocessen är
endoterm
Kokpunktsminimum
•  Positiv avvikelse från Raoults lag
ger kokpunktsminimum
•  I kokpunktsminimet är
sammansättningen i vätska och
ånga densamma, dvs. vätskan
kokar utan förändring –
blandningen är azeotrop
•  Fraktionerad destillation ger
kondensat med azeotropsammansättningen
Avvikelser från Raoults lag
(icke-ideal blandning)
•  Om växelverkan i blandningen
är starkare (mer attraktiv) än i
de rena ämnena erhålls en
negativ avvikelse från Raoults
lag med ångtrycksminimum
•  Blandningsentalpin, ∆Hmix < 0,
dvs. blandningsprocessen är
exoterm
Kokpunktsmaximum
•  Negativ avvikelse från Raoults
lag ger kokpunktsmaximum
•  I kokpunktsmaximet är
sammansättningen i vätska och
ånga densamma, dvs. vätskan
kokar utan förändring –
blandningen är azeotrop
•  Fraktionerad destillation lämnar
kvar vätska med azeotropsammansättningen

F12 Kolligativa egenskaper

Transcription

Similar documents

14-03-13 - Naturvetenskapliga fakulteten

HEMPROV LJUD OCH LJUS

Hej och välkommen till oss! - Naturvetenskapliga fakulteten

medelsrådgivning för att minska förekomsten av upprepade

Om världen - barn undersöker sin omvärld NO

LPP Ljus - Eskilstuna kommun

Endoftalmit provtagning checklista