ravnoteŽa faza: razblaŽeni rastvori · 2015-05-12 · elektrolit idealno i mereno i nacl hio 3...
TRANSCRIPT
RAVNOTEŽA FAZA:
RAZBLAŽENI RASTVORI
RAZBLAŽENI RASTVORI
Rastvor: jednofazni sistem (bilo kog agregatnog stanja) od
dve ili više komponenata, u kome su hemijske vrste koje ga
sačinjavaju dispergovane do veličine molekula.
Pretpostavka: razmatraju se sistemi čije komponente:
• međusobno hemijski ne reaguju
• koji ne podležu elektrolitičkoj disocijaciji.
TIPOVI RASTVORA
Rastvor Primer
rastvarač rastvorak
gas gas vazduh
tečnost tečnost ROH – H2O
čvrsto telo čvrsto telo legura
gas tečnost vazduh – H2O
tečnost gas H2O – O2
gas čvrsto telo smog
čvrsto telo gas Pt – H2
tečnost čvrsto telo H2O – NaCl
čvrsto telo tečnost metal – Hg
KONCENTRACIJA RASTVORA
jedinice simbol definicija
maseni procenti % m / m (mrastvorak / mrastvor) 100
zapreminski procenti % v / v (vrastvorak / vrastvor) 100
masa/zapremina proc. % m / v (mrastvorak / vrastvor) 100
parts per million ppm mgrastvorak / kgrastvor
parts per billion ppb grastvorak / kgrastvor
molarnost M molrastvorak / Lrastvor
molalnost m molrastvorak / kgrastvarač
KONCENTRACIJA RASTVORA
Način izražavanja koncentaricije zavisi od osobina komponenata:
• ako su komponente sličnih tački ključanja i topljenja onda se
koriste molski udeli.
• ako se komponente veoma razlikuju, onda se korste molaliteti
ili molariteti.
KOLIGATIVNE OSOBINE
Pri dodavanju rastvorka rastvaraču, osobine rastvarača se
modifikuju:
• napon pare opada
• tačka mržnjenja opada
• tačka ključanja raste
• osmoza je moguća (osmotski pritisak)
Ove promene se zovu koligativne osobine. Zavise samo od broja
čestica rastvorka, a ne zavise od prirode i vrste rastvorenih
čestica.
KOLIGATIVNE OSOBINE
Pretpostavke:
• rastvorak je neisparljiv tj. ne učestvuje u gasnoj fazi,
• rastvorak da ne gradi čvrst rastvor sa rastvaračem,
• količina rastvorka je mnogo manja od količine rastvarača,
pa je stoga rastvor razblažen,
• rastvorak ne menja svoj hemijski oblik pri rastvaranju,
tj. ne reaguje hemijski sa rastvaračem, ne asosuje niti
disosuje pri rastvaranju.
rastvarač+rastvorak čist rastvarač
ttxx A
0
110ln1
HEMIJSKI POTENCIJAL RASTVARAČA
1
0
11 ln)()( xRTtt
)(0
1 t 1
0
1 ln)( xRTt
HEMIJSKI POTENCIJAL RASTVARAČA
1
0
11 ln)()( xRTtt
KOLIGATIVNE OSOBINE
Tt
0Tt Tk
0Tk
(t)
0(~)
0(t)
0(g)
rastvara~
rastvor
T
1
0
11 ln)()( xRTtt
0(č) 0(t)
0(g)
(t)
rastvor
rastvarač
KOLIGATIVNE OSOBINE
• sniženje napona pare
• povišenje tačke ključanja
• sniženje tačke mržnjenja
• osmoza
KOLIGATIVNE OSOBINE
• sniženje napona pare
• povišenje tačke ključanja
• sniženje tačke mržnjenja
• osmoza
SNIŽENJE NAPONA PARE
Molekuli
rastvarača
Neisparljivi
molekuli
rastvorka
Fon Babo:
Raul:
Raulov zakon:
1
0
11 xpp
20
1
1
0
1 xp
pp
.0
1
1
0
1 constp
pp
SNIŽENJE NAPONA PARE
Rastvor Rastvarač
Relativno sniženje
napona pare:
20
1
1
0
1 xp
pp
• isto za sve rastvore iste koncentracije (nezavisno od prirode rastvarača)
• ne zavisi od temperature
• da bi ovo bilo ispunjeno potrebno je da je diferencijalna toplota
razblaživanja jednaka nuli, tj. da je rastvor idealan
TERMODINAMIČKO IZVOĐENJE
hemijski potencijal rastvarača u tečnoj fazi:
1
0
11 ln xRTtt
θ
10
11 lnp
fRTgg
hemijski potencijal rastvarača u gasovitoj fazi:
hemijski potencijal čistog rastvarača:
θ
0
10
1
0
1 lnp
fRTgt
TERMODINAMIČKO IZVOĐENJE
gt 11
θ
10
11
0
1 lnlnp
fRTgxRTt
pri ne suviše visokim pritiscima:
θ
10
11θ
0
10
1 lnlnlnp
fRTgxRT
p
fRTg
0
111 fxf
0
111 pxp
20
1
1
0
1
0
1
0
11
0
1
0
1
1
0
1 1x
p
xp
p
pxp
p
pp
relativno sniženje napona pare:
SNIŽENJE NAPONA PARE
Merenjem relativnog sniženja napona pare moguće je odrediti molarnu
masu rastvorene supstancije M2.
21
12
1
2
21
2
0
1
1
0
1
Mm
Mm
n
n
nn
n
p
pp
KOLIGATIVNE OSOBINE
• sniženje napona pare
• povišenje tačke ključanja
• sniženje tačke mržnjenja
• osmoza
KOLIGATIVNE OSOBINE
Tt
0Tt Tk
0Tk
(t)
0(~)
0(t)
0(g)
rastvara~
rastvor
T
1
0
11 ln)()( xRTtt
0(č) 0(t)
0(g)
(t)
rastvor
rastvarač
POVIŠENJE TAČKE KLJUČANJA
Tk = Tk Tk0 AB
(p0 p) /p0 AC
0
0
.p
ppTconst
AC
ABk
Tk Tk0
TERMODINAMIČKO IZVOĐENJE (1)
1
0
1θ
1
10
1 ln)(ln)( xRTtp
pRTg
)()( 11 tg
TERMODINAMIČKO IZVOĐENJE (1)
R
S
RT
H
RT
G
RT
tgx
misp
k
misp
k
misp
k
,,,0
111
)()(ln
2212 1lnln1 xxxx
R
S
RT
H misp
k
misp ,
0
,1ln
0
,
0
0
,
0
,,
1lnkk
kmisp
kk
kkmisp
k
misp
k
misp
TRT
TH
TRT
TTH
RT
H
RT
Hx
200
,, kkkmispmisp TTTHL
TERMODINAMIČKO IZVOĐENJE (1)
20
,
2
k
kmisp
T
T
R
Lx
2
,
20
xL
TRT
misp
kk
12
12
1
2
21
22
mM
Mm
n
n
nn
nx
12
12
,
20
mM
Mm
L
TRT
misp
kk
1000:: 12 mmn mk
m
Mn
L
TRT b
misp
kk
1000
1000
1
12
,
20
POVIŠENJE TAČKE KLJUČANJA
mkT bk
Merenje Tb predstavlja metodu za određivanje molarne mase
rastvorene supstance. Postupak se naziva ebulioskopija.
1
,
20
1000M
L
TRk
misp
kb
TERMODINAMIČKO IZVOĐENJE (2)
2
,ln
RT
L
dT
pd mispt
20
,
221ln
k
kmisp
TR
TLxx
k
k
T
T
misp
p
pT
dT
R
Lpd
0
01
1
2
,
ln
ln
1ln
0
0,
0
,
1
1
0
1 11lnln
kk
kkmisp
kk
misp
TT
TT
R
L
TTR
Lx
p
p
mkmM
L
TRT b
misp
kk
1
,
20
1000
isp
k
misp
kb
l
TRM
L
TRk
3
20
1
,
3
20
1010
KOLIGATIVNE OSOBINE
• sniženje napona pare
• povišenje tačke ključanja
• sniženje tačke mržnjenja
• osmoza
KOLIGATIVNE OSOBINE
Tt
0Tt Tk
0Tk
(t)
0(~)
0(t)
0(g)
rastvara~
rastvor
T
1
0
11 ln)()( xRTtt
0(č) 0(t)
0(g)
(t)
rastvor
rastvarač
SNIŽNJE TAČKE MRŽNJENJA
Tm = Tn0 Tm AB
(p0 p) /p0 AC
0
0
.p
ppTconst
AC
ABm
Tm Tm0
TERMODINAMIČKO IZVOĐENJE (1)
20
,
22
0
0
,
0
,,
1
,
0
,
,,,0
1
0
11
1
0
1
0
1
11
1ln
ln
1ln
)()(ln
ln)()(
)()(
m
mmtop
mm
mmmtop
m
mtop
m
mtop
mtop
m
mtop
mtop
m
mtop
m
mtop
m
TR
TLxx
TRT
TTH
RT
H
RT
Hx
R
S
RT
H
R
S
RT
H
RT
G
RT
tčx
xRTtč
tč
mkmML
RTT f
mtop
mm
1
,
02
1000 top
m
mtop
mf
l
RTM
L
RTk
3
02
1
,
3
02
1010
TERMODINAMIČKO IZVOĐENJE (2)
2
,ln
RT
L
dT
pd msubč
2
,ln
RT
L
dT
pd mispt
TERMODINAMIČKO IZVOĐENJE (2)
2
,,)/ln(
RT
LL
dT
ppd mispmsubtč
2
,1ln
RT
L
dT
xd mtop
0
1
2
,1ln
ln
1lnm
m
T
T
mtop
xT
dT
R
Lxd
mm
mtop
TTR
Lx
11ln1ln
0
,
1
mkmML
RTT f
mtop
mm
1
,
02
1000 top
m
mtop
mf
l
RTM
L
RTk
3
02
1
,
3
02
1010
1
0
11
0
11 //;;: xppppppppT tčtč
m
SNIŽENJE TAČKE MRŽNJENJA
mkT fm
Merenje Tm predstavlja metodu za određivanje molarne mase
rastvorene supstance. Postupak se naziva krioskopija.
SNIŽENJE TAČKE MRŽNJENJA
Sniženje tačke mržnjenja izvedeno uz aproksimacije:
• da se para (iznad čvrste kao i iznad tečne faze) ponaša
po zakonima idealnog gasnog stanja
• da je zapremina pare mnogo veća od zapremine
tečnosti odnosno čvrste faze
• da za rastvarač važi Raulov zakon
• latentna toplota topljenja čvrstog rastavarača je
konstantna, nezavisna od temperature
• rastvorak je neisparljiv, nije asosovan ni disosovan u
rastvoru i da ne gradi jedinjenje sa rastvaračem
• da se samo rastvarač izdvaja kao čvrsta faza
Primena: antifriz (glikol), krv kod polarnih životinja (glicerol)
POVIŠENJE TAČKE KLJUČANJA
I SNIŽENJE TAĆKE MRŽNJENJA
Kf i Kb (C kgrastvaračamol-1rastvorka)
rastvarač t.t. (C) Kf t.k. (C) Kb
voda 0,0 1,86 100,0 0,51
sirćetna kiselina 16,6 3,90 118,5 3,07
benzen 5,5 5,1 80,1 2,53
kamfor 178,0 40,0 208,1 5,95
VAN’T HOFF-OV FAKTOR i
Faktor i uzima u obzir odstupanje koligativnih osobina zbog elektrolitičke
osobine rastvorka da disosuje na jone i time povećava broj čestica u rastvoru.
a) tipične vrednosti za neelektrolite (urea, saharoza, glukoza) i=1
b) za elektrolitičke rastvore
Elektrolit Idealno i Mereno i
NaCl
HIO3
MgCl2
AlCl3
2
2
3
4
1,9
1,7
2,7
3,2
i = merena koligativna osobina
očekivana vrednost da rastvor nije elektrolit
VAN’T HOFF-OV FAKTOR i
1,00 M NaCl u vodi: T.M.= -3,37C
(ne –1.86C kako se očekuje)!
Koligativne osobine zavise od broja čestica: NaCl Na+ + Cl-
Imamo 2,00 M čestica i treba da dobijemo T.M:
-(2x1.86o C) = -3.72oC
Uticaj unutrašnjih privlačenja dovodi do razlike u izmerenoj i izračunatoj
vrednosti T.M. za jonske vrste. Van’t Hoff-ov faktor omogućava
nalaženje stepena disocijacije elektrolita.
KOLIGATIVNE OSOBINE
• sniženje napona pare
• povišenje tačke ključanja
• sniženje tačke mržnjenja
• osmoza
MEMBRANE
Permeabilne (propustljive) membrane: dozvoljavaju prolaz svih
rastvorenih supstancija i rastvarača.
Semipermeabilne (polupropustljive) membrane: propustljive samo za
rastvarač (najčešće voda) a nepropustljive za sve rastvorke (faza koja
razdvaja dva rastvora različitih koncentracija, dozvoljavajući protok
čistog rastvarača, a zadržavajući rastvorenu susptanciju).
POLUPROPUSTLJIVE MEMBRANE
Prirodne polupropustljive membrane:
• zidovi biljnih i životinjskih ćelija, zidovi bakterija, krvni
sudovi, različite opne, biljna tkiva.
• Imaju različite stepene permeabilnosti, razlišitih su debljina
(reda nm) i različitih velišina pora (reda 10nm).
• Propustljive su za: H2O, CO2, O2 i N2 kao i za organske
molekule, a nepropustljive su za proteine i polisaharide.
• Neorganske soli i disaharidi prolaze vrlo sporo kroz njih.
POLUPROPUSTLJIVE MEMBRANE
Sintetičke membrane:
• celofanske (glavna komponenta celuloza)
• poliestarske (na bazi poliestarskih polietilena)
• jonoizmenjivačke čija je struktura smolasta sa otvorima, slična sunđerima i sadrži kontinualnu mrežu vode.
Primena:
• za dijalizu
• kao ultrafilteri
• kao ambalažni materijal.
OSMOZA
Osmoza: pojava spontanog
prolaska rastvarača kroz
polupropustljivu membranu u
rastvor, ili generalano prolaz
rastvarača iz razblaženijeg u
koncentraovaniji rastvor, kada
su rastvori razdvojeni
polupropustljivom membranom.
membrana
OSMOZA
Koncentrovani
rastvor
Razblaženi
rastvor
Polupropustljiva
membrana
OSMOZA
Pritisak kojim treba delovati
na rastvor da bi se sprečio
prolazak rastvarača u
rastvor kroz polupropustljivu
membranu naziva se
osmotskim pritiskom.
OSMOZA
Feferovi eksperimenti nisu bili savršeni ali su ipak poslužili kao
eksperimentalna osnova Van’t Hofu za uočavanje analogije u ponašanju
gasova i razblaženih rastvora.
Zaključak o proporcionalnosti osmotskog pritiska sa koncentracijom
razblaženog rastvora analogan je Bojl-Mariotovom zakonu za gasove
Osmotski pritisak rastvora saharoze
Konc. c (m/m%) (mmHg) /c
1 535 535
2 1016 508
4 2082 521
6 3075 513
1constVm
OSMOZA
Proporcionalnost osmotskog pritiska sa temperaturom znači da se Šarlov
zakon može primeniti na razblažene rastvore:
Temperatura,oC T,K ,mmHg /T
6,8 280 505 1,80
22,0 295,2 548 1,85
36,0 309,2 596 1,83
2/ constT
OSMOZA
2
1
/ constT
constVm
TconstVm
Van’t Hoff poredio osmotski pritisak saharoze i gasni pritisak vodonika
pri istoj temperaturi i istim koncentracijama: const = R
RTVm
RTcm
Van’t Hoff-ova jednačina
TERMODINAMIČKO IZVOĐENJE
),()( 11
0
1 PxP
TERMODINAMIČKO IZVOĐENJE
P
P
mdPVxRT 1ln
222 1ln1 xxx mVRTx 2
RTcM11
1
22 ; VVn
n
nx m
1
0
1
1
0
1
11
0
1
ln)(
ln)(
,)(
xRTdPVP
xRTP
PxP
P
P
m
OSMOZA
Ova jednačina važi za beskonačno razblažene rastvore neelektrolita.
Jedno vreme je korišćena kao kriterijum za utvrđivanje idealnosti nekog
rastvora.
Odstupanje nekog rastvora od idealnog ponašanja izražava se Van’t
Hofovim faktorom i :
RTcM
RTicV M
TEORIJE OSMOTSKOG PRITISKA
• teorija bombardovanja
• razlika u naponima pare
• molekulski filter
• adsorpcija rastvarača na membrani
OSMOMETRIJA
Osmotski pritisak se koristi za određivanje molarne mase velikih
molekula (proteini, sintetički polimeri).
MM BcRTc 1
OSMOZA
Primeri:
• Voda se kreće kroz biljke zahvaljujući osmozi.
• So dodata mesu ili šećer dodat voću sprečavaju bakterijske
infekcije.
• Reversnom osmozom se od slane morske vode proizvodi pitka
voda.
• Ispitivanje sadržaja crvenih krvnih zrnaca.
Hipertonični rastvor sadrži visoku koncentraciju rastvorka u odnosu na drugi rastvor na primer citoplazmu ćelije. Voda dufunduje iz ćelije kad je stavljena u hipertonični rastvor što izaziva smežuranje ćelije.
Hipotonični rastvori imaju nisku koncentraciju rastvorka u odnosu na različite rastvore tj. citoplazmu ćelije. Voda difunduje u ćeliju kada se stavi u hipotonični rastvor što znači da ćelija bubri dok ne pukne.
Izotonični rastvori imaju istu koncentraciju kao i drugi rastvor npr. citoplazma ćelije. Voda difunduje u i iz ćelije istom brzinom kada je stavljena u izotonični rastvor. Fluid koji okružuje telo ćelije je izotoničan.
BILJNE I ŽIVOTINJSKE ĆELIJE
U RAZLIČITIM RASTVORIMA
životinjska
ćelija
biljna
ćelija
hipertonični rastvor izotonični rastvor hipotonični rastvor
pritisak veći od
rastvarač rastvor
polupropustljiva
membrana
PREČIŠĆAVANJE VODE REVERSNOM OSMOZOM
PREČIŠĆAVANJE VODE REVERSNOM OSMOZOM
BUBREZI I DIJALIZA
VEŠTAČKI BUBREG
Ulaz zaprljane
krvi
Izlaz prečišćene
krvi
Esencijalni joni i
molekuli ostaju
u krvi
Rastvor za
dijalizu
Štetni produkti prelaze u
rastvor za ispiranje
RASTVORI GASOVA U TEČNOSTIMA
RASTVORI GASOVA U TEČNOSTIMA
Rastvorljivost gasa u nekom rastvaraču zavisi od:
• prirode gasa
• prirode rastvarača
TppcF ,22222
RASTVORLJIVOST GASOVA
Zapremina gasa v0 pri standardnim uslovima, tj. T0 = 273,15 K i pritisku
od jednog bara, P0 = 1 bar, rastvorena u zapremini rastvarača V pri
pritisku gasa P (u barima) predstavlja Bunzenov (1857) koeficijent
rastvorljivosti, :
Zapremina gasa v pri eksperimentalnoj temperaturi i pritisku, koja je
rastvorena u zapremini V rastvarača predstavlja Ostvaldov koeficijent
rastvorljivosti, :
VP
Pv 00
0T
T
V
v
RASTVORLJIVOST GASA I TEMPERATURA
2
,ln
RT
H
dT
Cd mrasM
12
,
1
2 11ln
TTR
H mras
Porast temperature smanjuje rastvorljivost gasa (prečišćavanje tečnosti
od gasova).
Izuzetak: hlorovodonik u vodi.
HENRIJEV ZAKON
Henri (W. Henry, 1803):
m - masa gasa rastvorena u određenoj zapremini rastvora
P - pritisak gasa iznad rastvora
k - konstanta koja zavisi od prirode gasa i rastvarača, temperature i jedinica u kojima su izražena rastvorljivost i pritisak.
kPm
IDEALNO RAZBLAŽENI RASTVORI
RASTVORLJIVOST GASOVA
Henrijev zakon
Pritisak
Rastv
orljiv
ost (g
/10
0 g
H
20
)
O2
N2
He
ZAKON RASPODELE
Može se pokazati da je Henrijev zakon poseban slučaj, opšteg zakona
raspodele i Raulovog zakona.
.
č
const
fazigasnojugasaijakoncentrac
fazinojteugasaijakoncentrac
P
m
21
1
2 Pkm
m
22
1
2 Pkn
n 222
21
2 Pkxnn
n
Ako je zakon primenljiv u čitavom području koncentracija, tada je:
0221 pk
02
2
1
pk 0
222 pxp
RAULOV I HENRIJEV ZAKON
što predstavlja Raulov zakon primenjen na isparljivu komponentu.
Henrijev zakon je poseban slučaj Raulovog zakona, pri čemu uvek
kada važi Raulov zakon za neku supstanciju za nju mora važiti i
Henrijev zakon, dok obrnuto ne važi.
0222 pxp