Fazne transformacije

Čvrsto

Tečno Gasovito Kondenzacija Isparavanje

Dolazi do fizičkih promena, ne hemijskih

Zašto ne promena agregatnog stanja – Zašto Fazna transformacija? Postoje fazne transformacije bez promene agregatnog stanja – time se ne bavimo na ovom kursu Šta je FAZA? Faza je deo heterogenog sistema koji je fizički odvojen od ostatka sveta (svojim granicama - granicama faze) a koji je hemijski i fizički uniforman (homogen).

Led i voda – sistem od dve faze – ista supstanca – dva agregatna stanja.

Voda i ulje – sistem od dve faze – različite supstance – isto agregatno stanje.

Voda i alkohol – jedna faza - različite supstance – isto agregatno stanje.

PRIMER - Proces odvodjenja toplote gasnoj vodi:

Prvi stupanj: Na dovoljno visokoj temperaturi srednja kinetička energija EK dovoljno je visoka da prevlada nad potencijalnom energijom medjusobnog privlačenja molekula EP.

Sa odvodjenjem toplote, odnosno, sa opadanjem temperature, srednja kinetička energija EK opada takodje, i uticaj potencijalne energije privlačenja molekula postaje veći.

Drugi stupanj - gasna voda se kondenzuje: Na temperaturi kondenzacije, najsporiji molekuli su dovoljno blizu jedan drugome da medjumolekulske interakcije deluju stvarajući grupe molekula, koje zatim prave dovoljno velike agregate da nastanu kapi tečnosti, a zatim i čitava tečna faza.

Na 100C, gasna voda i tečna voda imaju istu srednju kinetičku energiju EK, ali je potencijalna energija EP manja u tečnosti.

Treći stupanj - tečna voda se hladi: odvodjenje toplote dovodi do pada temperature, a time i do opadanja najverovatnije brzine molekula i kinetičke energije EK. Temperatura opada sve dok postoji tečnost.

Četvrti stupanj - tečna voda mrzne: na 0C, medjumolekulska privlačenja postaju dovoljno jaka da prevladaju kretanje. Kao i tokom kondenzacije, temperatura i srednja EK ostaju iste tokom procesa mržnjenja.

Dva osnovna zapažanja: - Dok je materija u jednom od mogućih agregatnih stanja, promene u toploti (odvodjenje ili dovodjenje) dovodi do promena temperature, koje je praćeno promenama srednje kinetičke energije EK i najverovatnije brzine kretanja molekula. - Tokom fazne transformacije, promene toplote (odvodjenje ili dovodjenje) praćene su promenama potencijalne energije EP, jer se menja srednje rastojanje izmedju molekula. Tokom fazne transformacije, postoje obe faze o kojima se radi.

PRIMER - Proces odvodjenja toplote gasnoj vodi:

PRIMER - Proces dovodjenja toplote čvrstom materijalu - topljenje:

Sa dovodjenjem toplote, temperatura je sve viša, vibracije sve intenzivnije a dimenzije tela sve veće. Na dovoljno visokoj temperaturi, vibracije postaju dovoljno jake da joni napuštaju svoje položaje u rešetki i čvrsta faza prelazi u tečnu.

Iznad temperature topljenja čestice se slobodnije kreću i na većim su udaljenostima u odnosu na kristalnu rešetku.

Molekulu je potrebna energija da savlada privlačne međumolekulske sile da bi “ispario”

Jače međumolekulske interakcije

Teže isparavanje

Isparavanje:

Dovodjenjem toplote tečnosti, njena temperatura raste. Sa porastom temperature neki od molekula imaju dovoljnu EK da mogu da se “oslobode” i predju u gasnu fazu. Sa porastom temperature, broj takvih molekula raste.

Viša temperatura, veća kinetička energija , brže isparavanje

Niža temperatura, malo molekula ima dovoljnu energiju

Visoka temperatura, znatno više molekula poseduje energiju dovoljnu za isparavanje.

Zatvoreni sud

Isparavanje staje u jednom trenutku uspostavlja se ravnoteža isparavanje - kondenzacija

Napomena: Pritisak kod gasova je analogan koncentraciji

nRTPV

V

nRTP

Pritisak pare u ravnoteži - NAPON PARE

Otvoren sud Isparavnje do

nestanka tečnosti Isparavnje do

ravnoteže

U tankom sloju pare odmah iznad tečnosti

postoji ravnoteža

Tu je pritisak = naponu pare

zatvoren sud

napon pare zavisi od temperature, spoljašnjeg pritiska i

medjumolekulskih sila (prirode tečnosti).

• Porast temperature dovodi do povećanog isparavanja

– Veća kinetička energija - molekuli lakše napuštaju tečnu fazu

• Porast pritiska smanjuje isparavanje - prisiljava molekule da se vrate

u tečnu fazu

jedinjenje napon pare na 20oC (torr) Metil alohol 96 Sirćetna kiselina 11.7 benzen 74.7 brom 173 voda 17.5 Ugljen tetrahlorid 91 živa 0.0012

Porast napona pare sa temperaturom

• Tačka ključanja je temperatura na kojoj napon pare dostiže pritisak od 1 atm, odnosno, atmosferski pritisak (lokalni).

Napon pare vode na 25C je vrlo mali: 3.2 kPa (0.03 atm). Na 100C on postaje jednak 101 kPa (1 atm). Normalna tačka ključanja je temperatura na kojoj napon pare tečnosti koja isparava postaje jednak 101 kPa Definicija u skladu sa SI sistemom!

Fazni dijagram

PA

TA

TB

PB

T1 T2 T3

P 3 2 1

Na pritisku P: povišavamo temperaturu Prelaz 1-2: topljenje

Prelaz 2-3: isparavanje

T

P1

P2

1

2

Na temperaturi T: snižavamo pritisak iz P1 u P2. Prelaz tečno – gas: isparavanje

Svaka linija predstavlja sve parove T i P pri kojima postoje dve faze.

TP je TROJNA TAČKA (Tripple Point) Ona predstavlja T i P na kojima postoje tri faze u ravnoteži.

Tt

Tk

Kritična tačka

VODA

linija ravnoteže čvrsto - tečno ima negativni nagib. Ovo je posledica postojanja vodoničnih veza izmedju molekula vode u čvrstoj fazi.

Negativni nagib linije čvrsto - tečno zapravo znači da je tačka očršćavanja (mržnjenja) niža na visokom pritisku. P = 7 106 Pa, tačka mržnjenja je - 1C. Ovako visok pritisak (normalan atmosferski je 1.01 105 Pa, i tada voda mrzne na 0C) dovodi do raskidanja vodoničnih veza a time i do približavanja molekula zgušnjavajući time led tečna voda nastaje na temperaturi ispod 0C.

CO2

Primenjeni visoki pritisak podstiče gušće pakovanje ove supstance i čvrsta faza je gušća od tečne. Ovo znači da povišeni pritisak pogoduje stvaranju čvrstog, pa, da bi se desilo topljenje treba primeniti sve višu temperaturu što je pritisak viši.

Pozitivan nagib linije čvrsto - tečno Povećavanje pritiska povećava tačku topljenja. Objašnjenje se nalazi u molekularnoj strukturi ove materije: mali linearni molekuli ugljen dioksida (OCO) mogu se gusto pakovati.

Fazni dijagram CO2 ima nekoliko specifičnosti. -Prvo, ako se čvrsti CO2 ostavi na vazduhu (normalni uslovi - 1 atm. i 25C) on sublimuje “suvi led”. -Trojna tačka CO2 je na -56C i na pritisku od 518 kPa, što je znatno više od atmosferskog (101 kPa). Tečna faza ne postoji ispod ovog pritiska, tako da treba primeniti bar ovoliki pritisak ako se želi tečni CO2. -Napon pare čvrste faze je veći od atmosferskog pritiska na svim temperaturama iznad -78C, pa “suvi led” jednostavno isparava direktno iz čvrste faze.

Fazni dijagram ugljenika pokazuje da on može postojati u različitim čvrstim oblicima - alotropima, ova osobina se zove alotropija.

Osim ugljenika, alotropiju pokazuju i kalaj, fosfor i sumpor.

Fazna transformacija:

Isparavanje smeše dve isparljive tečnosti

Fazni dijagram tecno - gas; Raoult-ov zakon

Raoult-ov zakon: parcijalni napon pare jedne komponente u smeši jednak je proizvodu napona pare čiste komponente i njenog molskog udela

pA = xA pAo

gde je pA - parcijalni napon pare; a pAo

je napon pare čiste komponente.

Ukupni napon pare smeše dve tečnosti je jednak zbiru parcijalnih napona komponenti: P = pA + pB, što je posledica važenja Daltonovog zakona.

XB=0,25 XA=0,75

P

PA

PB

U nekoj dvokomponentnoj smeši , gde su nA i nB brojevi molova

supstanci A i B, molski udeli xA i xB su:

1

BA

BA

BB

BA

AA xx

nn

nx

nn

nx

Ukupni napon pare smeše dve tečnosti je :

P = pA + pB

Posle zamene molskih udela, ukupni napon pare je:

P = xA pAo + xB pB

o

Primeri nekih idealnih tečnih smeša

Benzen-metilbenzen Oktan-heksan

Molekuli su slične strukture, deluju samo slabe nepolarne, Londonove disperzione sile.

U najvećem broju slučajeva pojavljuju se odstupanja:

negativna - napon pare je manji od očekivanog jer su medjumolekulske interakcije izmedju molekula A i B jače od interakcija AA i BB)

pozitivna - napon pare je veći od očekivanog; u slučajevima kada su privlačne sile izmedju A i B slabije od privlačnih AA i BB.

Vodonične veze (slabe):

Cl3C HO=C

CH3

CH3

Interakcije hloroform-aceton su jače nego interakcije izmedju molekula hloroforma medjusobno, kao i izmedju molekula acetona medjusobno

Zbog toga, na nekoj konstantnoj temperaturi, hloroform i aceton u smeši ostaju u tečnosti u većoj meri nego kod svake pojedinačne tečnosti.

Pozitivno odstupanje dešava se kod smeče etanola i vode.

Privlačne sile koje vladaju izmedju molekula H2O i C2H5OH u smeši slabije su od privlačnih sila koje vladaju izmedju molekula H2O medjusobno i molekula C2H5OH medjusobno.

Izraženo odstupanje od idealnosti pokazuju tečnosti koje poseduju molekule sa znatno različitom strukturom. Prikazan je primer pozitivnog odstupanja: ugljen disulfid (CS2) i aceton.

Tačka ključanja tečne smeše je temperatura pri

kojoj je ukupni napon pare jednak 101 kPa; odnosno

pri kojoj je ukupni napon pare jednak lokalnom

atmosferskom pritisku.

Očigledno, kako napon pare smese zavisi od njenog

sastava (od molskih udela) i tačka ključanja će

zavisiti od sastava smeše.

Destilacija

ključa kondenzacija

Da bi se potpuno razdvojile dve isparljive tečnosti, potrebno je izvesti niz destilacija. Postupak se ponavlja potrebni broj puta, i naziva se frakciona destilacija.

Odstupanja od idealnosti

Pozitivno odstupanje, odnosno, slučaj da je napon pare smeše veći od očekivanog, nastaje kada molekuli imaju veću težnju ka isparavanju nego u idealnom slučaju pa se tada tačka ključanja postiže na nižoj temperaturi u odnosu na idealni slučaj.

Ponekad, smesa vri pri nižoj tempersaturi od bilo koje od komponenata

Pozitivno odstupanje od Raulovog zakona!

AZEOTROPNA SMEŠA SA MINIMALNOM TAČKOM KLJUČANJA Kada se ovakva smeša frakciono destiliše, sastav pare u koloni za destilaciju se menja krećući se prema sastavu datom tačkom b, posle čega se više neće menjati. Azeotropne smeše minimalne tačke ključanja ne mogu se razdvojiti frakcionom destilacijom.

Pozitivno odstupanje od Raulovog zakona

U nekim slučajevima, tečne smeše imaju niže napone para nego što predvidja Raoult-ov zakon.

azeotrop maksimalne tačke ključanja

Negativno odstupanje od Raulovog zakona

AZEOTROPNA SMEŠA SA MAKSIMALNOM TAČKOM KLJUČANJA Kada tečnost koja se destiluje i dostigne sastav koji odgovara maksimalnoj tački ključanja sastav se više neće menjati. Azeotropne smeše maksimalne tačke ključanja ne mogu se razdvojiti frakcionom destilacijom.

Negativno odstupanje od Raulovog zakona