F12 Kolligativa egenskaper
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 € Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00 Repetition F11 forts. • 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 Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00 Repetition F11 forts. • 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) Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00 F12 – Kolligativa egenskaper och binära vätskeblandningar • Kolligativa egenskaper – effekter av löst icke-flyktigt ämne • Binära vätskeblandningar – två flyktiga vätskor tillsammans Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00 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 Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00 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 Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00 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 Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00 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 Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00 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 Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00 Kokpunktsförhöjning • Lösning av icke-flyktigt ämne • 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 Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00 Fryspunktssänkning • Lösning av icke-flyktigt ämne • 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 Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00 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) Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00 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. Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00 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 Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00 € 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. Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00 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 Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00 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 Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00 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 Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00 Binära vätskeblandningar • En binär vätskeblandning är en blandning av två (flyktiga) vätskor • De bidrar båda till ångtrycket över blandningen Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00 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 Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00 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 Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00 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. Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00 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. € Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00 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 Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00 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 Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00 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) Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00 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 Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00 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 Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00 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 Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00 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 Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
© Copyright 2024