tch I wykl 007c, Technologia chemiczna, Chemia fizyczna, Wykłady, wykłady na PGda
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Wprowadzenie do
równowag fazowych (1)
Podstawowe definicje
1) Faza
– dla danej substancji – jej postać charakteryzująca się
jednorodnym składem chemicznym i stanem fizycznym. W obrę-
bie fazy niektóre intensywne funkcje stanu (np. gęstość) mają
jednakową wartość.
2) Przemiana fazowa
– przemiana jednej fazy w drugą – zachodzi
w charakterystycznej temperaturze przejścia fazowego (przemiany
fazowej) przy danym ciśnieniu.
3) Diagram fazowy
– wykres pokazujący obszary trwałości faz
w zależności od ciśnienia i temperatury (dla układów
jednoskład-
nikowych
), linie i punkty równowag międzyfazowych.
Chem. Fiz. TCH II/07
1
Inne podstawowe pojęcia to: parowanie (w szczególności wrzenie), skraplanie,
topnienie i krzepnięcie, sublimacja i resublimacja.
Także: prężność pary, prężność pary nasyconej, prężność pary sublimacji.
Granica faz – powierzchnia rozdzielająca dwie fazy, równocześnie będąca
powierzchnią ich kontaktu).
Wprowadzenie do
równowag fazowych (2)
Obszary trwałości faz, fazy metastabilne
ciecz przechłodzona
ciecz przegrzana
P =
constans
Chem. Fiz. TCH II/07
2
Linie proste na wykresie są w rzeczywistości krzywymi (G przy stałym P nie
zmienia się liniowo z T). Temperatury topnienia i wrzenia zależą od ciśnienia.
Fazy metastabilne są fazami, w których przemiana została zablokowana
kinetycznie. Np. diament, który jest metastabilną fazą (odmianą alotropową)
węgla, powinien samorzutnie zamieniać się w grafit. W pewnej skale znalezionej
w Maroku odkryto wtrącenia grafitowe, które 150 mln lat temu (w głębi Ziemi,
pod dużym ciśnieniem) były zapewne diamentami. W południowoafrykańskich
kimberlitach, które ku powierzchni Ziemi dotarły znacznie szybciej, przemiana w
grafit nie zdążyła zajść.
Naturalna tendencja do obniżenia potencjału chemicznego (entalpii swobodnej)
powoduje przejście fazy metastabilnej w fazę trwałą w danych warunkach (żółte
strzałki na wykresie).
Przykłady faz metastabilnych: stopiony tiosiarczan sodu (pięciowodny) – ciecz
przechłodzona (temperatura topnienia ok. 50
o
C) – grzałka chemiczna, ciecz
przegrzana – po co wkładamy do kolb destylacyjnych porcelankę?
Wprowadzenie do
równowag fazowych (3)
Przykładowy diagram fazowy
P
0
punkt potrójny
punkt
krytyczny
T
3
T
t
T
w
T
kr
Chem. Fiz. TCH II/07
3
Na pokazanym rysunku T
t
> T
3
. Jest tak dla większości substancji (poza wodą i
bizmutem).
Przy P=P
0
mamy do
czynienia z normalną temperaturą wrzenia
.
Prężność par (1)
ciecz – gaz
T
1
ciało stałe – gaz
T
2
< T
1
para
P
1
P
2
< P
1
ciecz
faza skondensowana
ciało stałe
Chem. Fiz. TCH II/07
4
Jeżeli w zamkniętym zbiorniku nie ma innego gazu, to parowanie jest zawsze
wrzeniem (ciecz wrze, gdy prężność pary równa jest ciśnieniu zewnętrznemu).
Prężność par (2)
P
1
3166,4 Pa
Równowaga woda – para wodna
P
3
2,700·10
5
Pa
P
4
2,20834·10
7
Pa
T
1
= 298 K
T
2
= 373,15 K
T
3
= 403 K
T
4
= 647,3 K
Chem. Fiz. TCH II/07
5
W temperaturze T
3
mamy do czynienia z parą przegrzaną.
Temperatura T
4
jest temperaturą krytyczną, nie ma już dwóch faz (właściwie
pojawia się nowa – płyn nadkrytyczny), powyżej tej temperatury gaz (para) nie
daje się skroplić (patrz też slajdy
Izotermy van der Waalsa
z wykładu V ).
P
2
1,013·10
5
Pa
[ Pobierz całość w formacie PDF ]