Chemiafizyczna -wykład 5

Anna Ptaszek

Wykład 5

Chemia fizyczna - wykład 5

Anna Ptaszek

Katedra Inżynierii i Aparatury Przemysłu Spożywczego

30 października 2017

1 / 27

Chemiafizyczna -wykład 5

Anna Ptaszek

Zjawiska powierzchniowe ciecz-ciecz

emulsje typu O/W oraz W/O

Emulsifiers in Food Technology (ed R. J. Whitehurst), 2007, Blackwell Publishing Ltd.

Food Emulsifiers and Their Applications, Hasenhuettl, Gerard L.; Hartel, Richard W (Eds.), 2008, Springer

2 / 27

Chemiafizyczna -wykład 5

Anna Ptaszek

Zjawiska powierzchniowe ciecz-ciało stałe

oddziaływanie cieczy z powierzchnią ciała stałego

kąt graniczny

kąt graniczny

3 / 27

Chemiafizyczna -wykład 5

Anna Ptaszek

Zjawiska powierzchniowe

oddziaływanie cieczy z powierzchnią ciała stałego

Food Emulsifiers and Their Applications, Hasenhuettl, Gerard L.; Hartel, Richard W (Eds.), 2008, Springer

4 / 27

Chemiafizyczna -wykład 5

Anna Ptaszek

Napięcie powierzchniowe i międzyfazoweciecz-ciało stałe

σ/γ

to praca L potrzebna do zwiększenia powierzchnimiędzyfazowej S w układzie dwufazowym

σ =L

S, (1)

J

m2 =N

m(2)

5 / 27

Chemiafizyczna -wykład 5

Anna Ptaszek

Napięcie powierzchniowe i międzyfazowe

Metody pomiaru

stalagmometryczna

tensjometryczna

6 / 27

Chemiafizyczna -wykład 5

Anna Ptaszek

Napięcie powierzchniowe i międzyfazowe

Metody pomiaru

stalagmometrycznatensjometryczna

6 / 27

Chemiafizyczna -wykład 5

Anna Ptaszek

Napięcie powierzchniowe i międzyfazowe

stalagmometria

opiera się na pomiarze ilości kropel badanej cieczy n wodniesieniu do ilości kropel n0 cieczy wzorcowej.

rys. Wikipedia7 / 27

Chemiafizyczna -wykład 5

Anna Ptaszek

Napięcie powierzchniowe i międzyfazowe

stalagmometria

oopiera się na pomiarze ilości kropel badanej cieczy n wodniesieniu do ilości kropel n0 cieczy wzorcowej.

σ

σ0=

n0· ρn· ρ0

(3)

σ - napięcie powierzchniowe cieczyσ0 - napięcie powierzchniowe cieczy wzorcowejρ,ρ0 - gęstości odpowiednio cieczy badanej i wzorcowej

8 / 27

Chemiafizyczna -wykład 5

Anna Ptaszek

Zjawiska powierzchniowe gaz (ciecz) - ciało stałe

Adsorpcja na powierzchni ciała stałego (adsorbentu):

adsorpcja fizyczna: substancja adsorbująca adsorbat wiążesię z powierzchnią fazy stałej siłami van der Waalsa,

adsorpcja chemiczna (chemisorpcja): polega na wiązaniucząsteczek adsorbatu z powierzchnią ciała stałego zapomocą wiązań atomowych lub jonowych.

Adsorpcja to samorzutny proces egzotermiczny (tak jakskraplanie pary czy krzepnięcie cieczy). Ilość ciepła wydzielanapodczas adsorpcji fizycznej jest zbliżona wartością do ciepłaskraplania, natomiast w przypadku chemisorpcji do ciepłareakcji chemicznej.

9 / 27

Chemiafizyczna -wykład 5

Anna Ptaszek

Zjawiska powierzchniowe gaz (ciecz) - ciało stałe

10 / 27

Chemiafizyczna -wykład 5

Anna Ptaszek

Zjawiska powierzchniowe gaz (ciecz) - ciało stałe

Izoterma Freundlicha

pi

sist enie adsorbatu

ci nienie adsorbatu

uam

ek p

ow

ierz

chni adsorb

entu

zaj

ty p

rzez a

dsorb

at

11 / 27

Chemiafizyczna -wykład 5

Anna Ptaszek

Zjawiska powierzchniowe gaz (ciecz) - ciało stałe

ułamek powierzchni adsorbenta zajętej przez adsorbat A: θAułamek wolnej powierzchni adsorbenta: θ0

θA + θ0 = 1

ułamek powierzchni adsorbenta zajętej przez adsorbat A:

θA = KA · pA

opisuje tzw. izoterma Henry’ego. Odpowiada ona warunkomniewielkich ciśnień(/stężeń) adsorbatu.

12 / 27

Chemiafizyczna -wykład 5

Anna Ptaszek

Zjawiska powierzchniowe gaz (ciecz) - ciało stałe

szybkość adsorpcji A:

radsA = kad · pA · θ0

szybkość desorpcji A:

rdesA = kde · θA

stała sorpcji KA

KA =kadsAkdesA

=θA

pA · θ0

czyli:θA = KA · pA · θ0

13 / 27

Chemiafizyczna -wykład 5

Anna Ptaszek

Zjawiska powierzchniowe gaz (ciecz) - ciało stałe

θA + θ0 = 1

łącząc dwa równania:

KA · pA · θ0 + θ0 = 1

θ0 · (1 + KA · pA) = 1

możemy policzyć ułamek niezajętej powierzchni adsorbentu:

θ0 =1

1 + KA · pA

14 / 27

Chemiafizyczna -wykład 5

Anna Ptaszek

Zjawiska powierzchniowe gaz (ciecz) - ciało stałe

Izoterma adsorpcji w przypadku skraplania powierzchniowego

pici nienie adsorbatu

uam

ek p

ow

ierz

chni adsorb

entu

zaj

ty p

rzez a

dsorb

at

Pin

15 / 27

Chemiafizyczna -wykład 5

Anna Ptaszek

Zjawiska powierzchniowe a katalizatory

Katalizator to substancja, której obecność w mieszaniniereakcyjnej powoduje nie tylko obniżenie bariery energetycznej(energii aktywacji) ale i może zmienić mechanizm reakcji napreferowany. Skutkiem zastosowania katalizatora jestzwiększenie szybkości reakcji.Aby katalizator zadziałał musi dojść do kontaktu pomiędzysubstratem (substratami) i katalizatorem.

16 / 27

Chemiafizyczna -wykład 5

Anna Ptaszek

Kataliza heterogeniczna

Belviso et al. (2015) Microporous and Mesoporous Materials, 212

17 / 27

Chemiafizyczna -wykład 5

Anna Ptaszek

Kataliza heterogeniczna

18 / 27

Chemiafizyczna -wykład 5

Anna Ptaszek

Kataliza heterogeniczna - etapy

powierzchnia

zewn trzna

powierzchnia

wewn trzna

centrum

aktywne

19 / 27

Chemiafizyczna -wykład 5

Anna Ptaszek

Kataliza heterogeniczna - etapy

1 2

3-5

67

20 / 27

Chemiafizyczna -wykład 5

Anna Ptaszek

Kataliza heterogeniczna - etapy

1 2

3-5

67

1 - dyfuzja do zewnętrznej powierzchni,2 - dyfuzja wewnątrz porów katalizatora,3 - adsorpcja na powierzchni katalizatora,4 - reakcja na powierzchni (centrum aktywne katalizatora),5 - desorpcja produktów z powierzchni,6 - dyfuzja produktów reakcji z powierzchni porów,7 - dyfuzja z powierzchni zewnętrznej.

21 / 27

Chemiafizyczna -wykład 5

Anna Ptaszek

Kataliza heterogeniczna - równanie szybkości

Reakcja:A −→ B

ułamek powierzchni katalizatora zajętej przez substrat A: θAułamek powierzchni katalizatora zajętej przez produkt B: θBułamek wolnej powierzchni katalizatora: θ0

θA + θB + θ0 = 1

θA = KA · pA · θ0

θB = KB · pB · θ0

22 / 27

Chemiafizyczna -wykład 5

Anna Ptaszek

Kataliza heterogeniczna - równanie szybkości

θA + θB + θ0 = 1

łącząc dwa równania:

KA · pA · θ0 + KB · pB · θ0 + θ0 = 1

możemy policzyć ułamek niezajętej powierzchni katalizatora:

θ0 =1

1 + KA · pA + KB · pB

23 / 27

Chemiafizyczna -wykład 5

Anna Ptaszek

Kataliza heterogeniczna - równanie szybkości

szybkość reakcji zużywania substratu A:

rA = k · θA

rA = k · KA · pA · θ0

stosując najprostszy mechanizm reakcji I rzędowej:

rA = k · KA · pA ·1

1 + KA · pA + KB · pB

ostatecznie otrzymujemy:

rA =k · KA · pA

1 + KA · pA + KB · pB

24 / 27

Chemiafizyczna -wykład 5

Anna Ptaszek

Kataliza heterogeniczna - równanie szybkości

ogólne równanie szybkości procesu:

rA =(KIN)(SN)

(SORPC )n

KIN - człon kinetyczny,SN - siła napędowa,SORPC - człon sorpcyjny.

rA =k · KA · pA

1 + KA · pA + KB · pB

25 / 27

Chemiafizyczna -wykład 5

Anna Ptaszek

Kataliza heterogeniczna - dezaktywacja

zatruwanie,

blokowanie powierzchni,

starzenie.

26 / 27

Chemiafizyczna -wykład 5

Anna Ptaszek

Kataliza homogeniczna

A+ X −→ B + X

X - katalizatorszybkość zużywania substratu A:

rA = k · SA · SX

27 / 27