Gibbsin energia ja kemiallinen potentiaali määräävät seosten käyttäytymisen

Samankaltaiset tiedostot
Tässä luvussa keskitytään faasimuutosten termodynaamiseen kuvaukseen

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

= P 0 (V 2 V 1 ) + nrt 0. nrt 0 ln V ]

JÄÄTYMISPISTEEN ALENEMA Johdanto. 2 Termodynaaminen tausta

Teddy 2. välikoe kevät 2008

SISÄLLYSLUETTELO SYMBOLILUETTELO 4

Spontaanissa prosessissa Energian jakautuminen eri vapausasteiden kesken lisääntyy Energia ja materia tulevat epäjärjestyneemmäksi

Puhtaan kaasun fysikaalista tilaa määrittävät seuraavat 4 ominaisuutta, jotka tilanyhtälö sitoo toisiinsa: Paine p

1 Eksergia ja termodynaamiset potentiaalit

(l) B. A(l) + B(l) (s) B. B(s)

Luku 5. Yksinkertaiset seokset

Teddy 7. harjoituksen malliratkaisu syksy 2011

vetyteknologia Polttokennon tyhjäkäyntijännite 1 DEE Risto Mikkonen

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

Ohjeellinen pituus: 2 3 sivua. Vastaa joko tehtävään 2 tai 3

- Termodynamiikka kuvaa energian siirtoa ( dynamiikkaa ) systeemin sisällä tai systeemien kesken (vrt. klassinen dynamiikka: kappaleiden liike)

Palautus yhtenä tiedostona PDF-muodossa viimeistään torstaina

Luku 13 KAASUSEOKSET

Teddy 1. välikoe kevät 2008

= 1 kg J kg 1 1 kg 8, J mol 1 K 1 373,15 K kg mol 1 1 kg Pa

vetyteknologia Polttokennon termodynamiikkaa 1 DEE Risto Mikkonen

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

P = kv. (a) Kaasun lämpötila saadaan ideaalikaasun tilanyhtälön avulla, PV = nrt

Luku 4 SULJETTUJEN SYSTEEMIEN ENERGIA- ANALYYSI

LUKU 16 KEMIALLINEN JA FAASITASAPAINO

Faasi: Aineen tila, jonka kemiallinen koostumus ja fysikaalinen ominaisuudet ovat homogeeniset koko näytteessä. P = näytteen faasien lukumäärä.

Standarditilat. Ilmiömallinnus prosessimetallurgiassa Syksy 2016 Teema 2 - Luento 2. Tutustua standarditiloihin

kuonasula metallisula Avoin Suljettu Eristetty S / Korkealämpötilakemia Termodynamiikan peruskäsitteitä

Chapter 7. Entropic forces at work

Seoksen pitoisuuslaskuja

Valitse seuraavista joko tehtävä 1 tai 2

Lämmityksen lämpökerroin: Jäähdytin ja lämmitin ovat itse asiassa sama laite, mutta niiden hyötytuote on eri, jäähdytyksessä QL ja lämmityksessä QH

REAKTIOT JA ENERGIA, KE3 Ekso- ja endotermiset reaktiot sekä entalpian muutos

. Veden entropiamuutos lasketaan isobaariselle prosessille yhtälöstä

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

KEMA KEMIALLINEN TASAPAINO ATKINS LUKU 7

Astrokemia Kevät 2011 Harjoitus 1, Massavaikutuksen laki, Ratkaisut

Lämpöoppi. Termodynaaminen systeemi. Tilanmuuttujat (suureet) Eristetty systeemi. Suljettu systeemi. Avoin systeemi.

Luento 4. Termodynamiikka Termodynaamiset prosessit ja 1. pääsääntö Entropia ja 2. pääsääntö Termodynaamiset potentiaalit

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

CHEM-A1250 Luento

Faasipiirrokset, osa 2 Binääristen piirrosten tulkinta

Z 1 = Np i. 2. Sähkömagneettisen kentän värähdysliikkeen energia on samaa muotoa kuin molekyylin värähdysliikkeen energia, p 2

Muita lämpökoneita. matalammasta lämpötilasta korkeampaan. Jäähdytyksen tehokerroin: Lämmityksen lämpökerroin:

Korkealämpötilakemia

1. Yksiulotteisen harmonisen oskillaattorin energiatilat saadaan lausekkeesta

REAKTIOT JA ENERGIA, KE3. Kaasut

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

Korkealämpötilakemia

Chapter 7. Entropic forces at work

FYSA242 Statistinen fysiikka, Harjoitustentti

T F = T C ( 24,6) F = 12,28 F 12,3 F T K = (273,15 24,6) K = 248,55 K T F = 87,8 F T K = 4,15 K T F = 452,2 F. P = α T α = P T = P 3 T 3

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

ln2, missä ν = 1mol. ja lopuksi kaasun saama lämpömäärä I pääsäännön perusteella.

Ideaalikaasulaki. Ideaalikaasulaki on esimerkki tilanyhtälöstä, systeemi on nyt tietty määrä (kuvitteellista) kaasua

Tehtävä 1. Tasapainokonversion laskenta Χ r G-arvojen avulla Alkyloitaessa bentseeniä propeenilla syntyy kumeenia (isopropyylibentseeniä):

Luku Pääsääntö (The Second Law)

782630S Pintakemia I, 3 op

KEMS448 Fysikaalisen kemian syventävät harjoitustyöt

Kryogeniikan termodynamiikkaa DEE Kryogeniikka Risto Mikkonen 1

Luku 20. Kertausta: Termodynamiikan 2. pääsääntö Lämpövoimakoneen hyötysuhde

HSC-ohje laskuharjoituksen 1 tehtävälle 2

= 84. Todennäköisin partitio on partitio k = 6,

VESI JA VESILIUOKSET

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

Luento 2: Lämpökemiaa, osa 1 Keskiviikko klo Termodynamiikan käsitteitä


Termodynamiikka. Fysiikka III Ilkka Tittonen & Jukka Tulkki

Molaariset ominaislämpökapasiteetit

1. van der Waalsin tilanyhtälö: 2 V m RT. + b2. ja C = b2. Kun T = 273 K niin B = cm 3 /mol ja C = 1200 cm 6 mol 2

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

6. Yhteenvetoa kurssista

b) Laske prosentteina, paljonko sydämen keskimääräinen teho muuttuu suhteessa tilanteeseen ennen saunomista. Käytä laskussa SI-yksiköitä.

7 Termodynaamiset potentiaalit

m h = Q l h 8380 J = J kg 1 0, kg Muodostuneen höyryn osuus alkuperäisestä vesimäärästä on m h m 0,200 kg = 0,

ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto TERVETULOA!

Termodynamiikan suureita ja vähän muutakin mikko rahikka

Mikrotila Makrotila Statistinen paino Ω(n) 3 Ω(3) = 4 2 Ω(2) = 6 4 Ω(4) = 1

η = = = 1, S , Fysiikka III (Sf) 2. välikoe

ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto Luento 8 /

L7 Kaasun adsorptio kiinteän aineen pinnalle

CHEM-A1250 KEMIAN PERUSTEET kevät 2016

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

KOTITEKOINEN PALOSAMMUTIN (OSA 1)

Termodynamiikka. Termodynamiikka on outo teoria. Siihen kuuluvat keskeisinä: Systeemit Tilanmuuttujat Tilanyhtälöt. ...jotka ovat kaikki abstraktioita

MOOLIMASSA. Vedyllä on yksi atomi, joten Vedyn moolimassa M(H) = 1* g/mol = g/mol. ATOMIMASSAT TAULUKKO

Oikeat vastaukset: Tehtävän tarkkuus on kolme numeroa. Sulamiseen tarvittavat lämmöt sekä teräksen suurin mahdollinen luovutettu lämpö:

KAASUJEN YLEISET TILANYHTÄLÖT ELI IDEAALIKAASUJEN TILANYHTÄLÖT (Kaasulait) [pätevät ns. ideaalikaasuille]

Termodynaamisten tasapainotarkastelujen tulokset esitetään usein kuvaajina, joissa:

Työ 1: ph-indikaattorin tasapainovakion arvon määrittäminen spektrofotometrisesti

Työ 1: ph-indikaattorin tasapainovakion arvon määrittäminen spektrofotometrisesti

Luento 10: Työ, energia ja teho. Johdanto Työ ja kineettinen energia Teho

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2017

Konventionaalisessa lämpövoimaprosessissa muunnetaan polttoaineeseen sitoutunut kemiallinen energia lämpö/sähköenergiaksi höyryprosessin avulla

KEMIAN MIKROMAAILMA, KE2 VESI

Luento 9 Kemiallinen tasapaino CHEM-A1250

S , Fysiikka III (Sf) tentti/välikoeuusinta

4. Termodynaamiset potentiaalit

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

L7 Kaasun adsorptio kiinteän aineen pinnalle

Transkriptio:

KEMA221 2009 YKSINKERTAISET SEOKSET ATKINS LUKU 5 1 YKSINKERTAISET SEOKSET Gibbsin energia ja kemiallinen potentiaali määräävät seosten käyttäytymisen Seoksia voidaan tarkastella osittaisten moolisuureitten avulla Empiiriset Raoultin ja Henryn lait kuvaavat seoksen muodostavien aineiden osittaisia kemiallisia potentiaaleja (osapaineitten kautta). Näin voidaan arvioida helposti liuenneen aineen vaikutusta liuoksen fysikaalisiin ominaisuuksiin (verrattuna tilanteeseen jossa vain liuotin läsnä); esimerkkeinä ideaalisen liuoksen höyrynpaineen aleneminen, kiehumispisteen kohoaminen, jäätymispisteen aleneminen ja osmoottinen paine. Lopuksi määritellään aktiivisuus joka liittyy kemialliseen potentiaaliin reaaliliuoksessa. 1 KEMA221 2009 YKSINKERTAISET SEOKSET ATKINS LUKU 5 2 Osittaiset moolisuureet Aineen J osittainen moolitilavuus V J on seoksen tilavuudenmuutos moolia kohti, kun J:tä lisätään suureen määrään liuotinta ja seoksen tilaa kuvaavat muut muuttujat pidetään vakiona. Graafisesti: V J on käyrän V(n) tangentin kulmakerroin ko. pisteessä Huom! V on aina > 0, mutta V J voi olla < 0 2

KEMA221 2009 YKSINKERTAISET SEOKSET ATKINS LUKU 5 3 Esimerkki: etanolin ja veden seos, T = 25 o C Kun 1 mol vettä lisätään veteen, tilavuus kasvaa noin 18 cm 3 /mol (x=0). Kun 1 mol vettä lisätään suureen määrään etanolia (x=1), tilavuudenmuutos on vain noin 14 cm 3 /mol. Osittainen moolitilavuus riippuu seoksen seossuhteesta. Mieti, mitä etanolin käyrä tarkoittaa Jos sekä komponenttia A että B lisätään, on Jos seossuhde pidetään vakiona, kokonaistilavuus on 3 KEMA221 2009 YKSINKERTAISET SEOKSET ATKINS LUKU 5 4 Osittainen molaarinen Gibbsin energia kuvaa aineen J kemiallista potentiaalia seoksessa Binääriseokselle (kaksi komponenttia) Yleisemmin Vakiopaineessa ja lämpötilassa eli Seossuhteen muutos voi aikaansaada hyödyllistä kemiallista työtä! 4

KEMA221 2009 YKSINKERTAISET SEOKSET ATKINS LUKU 5 5 Kemiallinen potentiaali liittyy myös sisäenergian, entalpian ja Helmholtzin energian muutoksiin Esim. U: Vakiotilavuudessa ja entropiassa dv = ds = 0 joten ja Vastaavasti voidaan johtaa tulokset Binääriseokselle 5 KEMA221 2009 YKSINKERTAISET SEOKSET ATKINS LUKU 5 6 Kuitenkin vakiopaineessa ja lämpötilassa oli joten on oltava Yleisemmin : Gibbs-Duhem yhtälö Eli: seoksen yhden komponentin kemiallisen potentiaalin muutos ei ole riippumaton muiden komponenttien vastaavista muutoksista 6

KEMA221 2009 YKSINKERTAISET SEOKSET ATKINS LUKU 5 7 Sekoittumisen termodynamiikkaa Gibbsin energian muutos (merkki) ilmaisee, tapahtuuko sekoittuminen spontaanisti Ideaalikaasulle Sopimus: ilmaistaan paine standardipaineen yksiköissä (1 bar) Säiliöitten yhteenlaskettu Gibbsin energia Poistetaan väliseinä 7 KEMA221 2009 YKSINKERTAISET SEOKSET ATKINS LUKU 5 8 Sekoittumisen Gibbsin energia joka voidaan kirjoittaa mooliosuuksien x J = p J / p avulla Koska x J < 1, on aina mix G < 0 eli ideaalikaasun sekoittuminen on spontaania Entropialle Sen sijaan sekoittumisen entalpia = 0 (miksi?) 8

KEMA221 2009 YKSINKERTAISET SEOKSET ATKINS LUKU 5 9 Nesteen kemiallinen potentiaali Ideaalinen liuos Puhtaalle systeemille, jossa vain komponentti A läsnä, on voimassa Jos nesteeseen on liuennut ainetta B, aineelle A pätee Yhdistämällä nämä saadaan 9 KEMA221 2009 YKSINKERTAISET SEOKSET ATKINS LUKU 5 10 Empiirisesti: Raoultin laki: Seoksessa A:n höyrynpaineen suhde puhtaan A:n höyrynpaineeseen p A *on sama kuin A:n mooliosuus nesteessä p A / p A * = x A eli ja Näin on määritelty ideaalinen liuos 10

KEMA221 2009 YKSINKERTAISET SEOKSET ATKINS LUKU 5 11 Ideaalisen laimea liuos Henryn laki: pienillä konsentraatioilla liuotetun aineen höyrynpaine reaaliliuoksissa on suoraan verrannollinen mooliosuuteen missä K B on empiirinen vakio. Seokset, joissa liuotettu aine noudattaa Henryn lakia ja liuotin Raoultin lakia, sanotaan ideaalisen laimeiksi liuoksiksi 11 KEMA221 2009 YKSINKERTAISET SEOKSET ATKINS LUKU 5 12 Nestemäiset seokset Ideaaliselle nesteseokselle Gibbsin sekoittumisenergia lasketaan kuten kaasuille Sekoittumisen entropia on missä n = n A + n B mutta sekoittumisen entalpia on = 0 (kuten kaasuille) sillä mix H = mix G + T mix S Reaaliliuoksen ominaisuuksia kuvataan eksessisuureilla jotka tuovat mukaan molekyylien väliset vuorovaikutukset S E = mix S - mix S ideal ja G E = mix G - mix G ideal 12

KEMA221 2009 YKSINKERTAISET SEOKSET ATKINS LUKU 5 13 Kolligatiiviset ominaisuudet (Laimeitten) liuosten ominaisuuksia, jotka riippuvat vain liuenneen aineen hiukkasluvusta, ei siitä mistä aineesta on kyse, sanotaan kolligatiivisiksi ominaisuuksiksi. Näitä ovat esimerkiksi kiehumispisteen kohoaminen, jäätymispisteen aleneminen, liukoisuus ja osmoosi Esim. kuva: Liuennut aine alentaa liuottimen kemiallista potentiaalia, mikä vaikuttaa kiehumispisteen kohoamaan ja jäätymispisteen alenemaan 13 KEMA221 2009 YKSINKERTAISET SEOKSET ATKINS LUKU 5 14 Kiehumispisteen kohoaminen Liuotin = A ja liuennut aine = B Kiehumispisteen lämpötilassa Jos liuenneen aineen mooliosuus on x B, kiehumispiste kohoaa T verran: T* T* + T (perustelu taululla): Käytännön laskuissa käytetään usein molaalisuutta missä K b on empiirinen kiehumispistevakio (taulukko seur. sivulla) 14

KEMA221 2009 YKSINKERTAISET SEOKSET ATKINS LUKU 5 15 Jäätymispisteen aleneminen Vastaava tasapainoehto jäätymispisteesä josta ja molaalisuuden avulla K f on empiirinen jäätymispistevakio (taulukko) 15 KEMA221 2009 YKSINKERTAISET SEOKSET ATKINS LUKU 5 16 Liukoisuus Tasapainoehto josta (taululla) missä T f on B:n sulamislämpötila ja fus H B:n sulamisentalpia 16

KEMA221 2009 YKSINKERTAISET SEOKSET ATKINS LUKU 5 17 Osmoosi Osmoosi on ilmiö, jossa liuotinta siirtyy laimeammasta liuoksesta väkevämpään liuokseen puoliläpäisevän kalvon läpi Osmoottinen paine Π on se paine jolla väkevämpää liuosta pitää puristaa jotta liuottimen virtaus loppuisi Ilmiöllä on useita tärkeitä kemiallisia, fysiologisia ja biokemiallisia sovelluksia Osmometrian avulla voidaan määrittää esim. makromolekyylien moolimassoja Osmoottinen paine saadaan van t Hoffin yhtälöstä (perustelu taululla) missä [B] on liuenneen aineen moolinen konsentraatio n B / V 17 KEMA221 2009 YKSINKERTAISET SEOKSET ATKINS LUKU 5 18 Esimerkki: Makromolekyylin moolimassan määritys, PVC syklohexanonissa, T = 298 K. Liuoksen massatiheys 0.980 g / cm 3. Havaitaan nestepastaan korkeus h liuotettavan aineen konsentraation c funktiona. Alla tulokset: c [g/dm3] 1.00 2.00 4.00 7.00 9.00 h [cm] 0.28 0.71 2.01 5.10 8.00 Käytetään van t Hoffin yhtälön viriaalikehitelmää jolloin saadaan lineaarinen riippuvuus suureiden h/c ja c välille 18

KEMA221 2009 YKSINKERTAISET SEOKSET ATKINS LUKU 5 19 Taulukoidaan h/c vs c ja piirretään kuvaan: 0.9 0.7 0.5 Y-akselin leikkauskohta = 0.21 (huom. kuvan y-akselissa painovirhe) 0.3 Näin saadaan Huom: 1 Dalton = 1 Da = 1 g / mol Edellä: M = 120 kda 19 KEMA221 2009 YKSINKERTAISET SEOKSET ATKINS LUKU 5 20 AKTIIVISUUS Liuottimen aktiivisuus Oli: Ideaalisessa liuoksessa liuottimen kemiallinen potentiaali noudattaa Raoultin lakia ja saadaan Reaaliluoksen liuottimen kemiallista potentiaalia voidaan kuvata samanlaisella lailla, jos mooliosuus x A korvataan aktiivisuudella a A : Liuoksen aktiivisuus määritetään siis höyrynpaineesta 20

KEMA221 2009 YKSINKERTAISET SEOKSET ATKINS LUKU 5 21 Koska reaaliliuotin noudattaa Raoultin lakia tarkasti tilanteessa jossa liuotettavan aineen konsentraatio lähestyy nollaa, liuottimen aktiivisuus lähestyy mooliosuutta kun x A 1: Sama asia voidaan ilmaista aktiivisuuskertoimen γ A avulla: Kemiallinen potentiaali on tällöin 21 KEMA221 2009 YKSINKERTAISET SEOKSET ATKINS LUKU 5 22 Liukenevan aineen aktiivisuus Ideaalisen laimeassa liuoksessa pätee Määritellään liukenevan aineen aktiivisuus (Henryn laista) siten että yo. yhtälöä voi edelleen käyttää: Aktiivisuuskerroin 22

KEMA221 2009 YKSINKERTAISET SEOKSET ATKINS LUKU 5 23 Yhteenveto 23 KEMA221 2009 YKSINKERTAISET SEOKSET ATKINS LUKU 5 24 Example 5.5 Measuring activity Use the information in Example 5.3 to calculate the activity and activity coefficient of chloroform in acetone at 25 C, treating it first as a solvent and then as a solute. For convenience, the data are repeated here: Method For the activity of chloroform as a solvent (the Raoult s law activity), form a C = p C /p C * and γ C = a C /x C. For its activity as a solute (the Henry s law activity),form a C = p C /K C and γ C = a C /x C. Answer Because p C * = 36.4 kpa and K C = 22.0 kpa,we can construct the following tables. For instance, at x C = 0.20, in the Raoult s law case we find a C = (4.7 kpa)/ (36.4 kpa) = 0.13 and γ C = 0.13/0.20 = 0.65; likewise,in the Henry s law case, a C = (4.7 kpa)/(22.0 kpa) = 0.21 and γ C = 0.21/0.20 = 1.05. 24

KEMA221 2009 YKSINKERTAISET SEOKSET ATKINS LUKU 5 25 From Raoult s law (chloroform regarded as the solvent): From Henry s law (chloroform regarded as the solute): These values are plotted in Fig. 5.31. Notice that γ C 1 as x C 1 in the Raoult s law case,but that γ C 1 as x C 0 in the Henry s law case. Fig. 5.31 The variation of activity and activity coefficient of chloroform (trichloromethane) and acetone (propanone) with composition according to (a) Raoult s law, (b) Henry s law. 25