Zhrnutie na Termodynamika roztokov a fázové rovnováhy
Termodynamika Roztokov a Fázové Rovnováhy: Rozbor pre Študentov
Úvod
Fázové rovnováhy sú základnou súčasťou fyzikálnej chémie a materiálovej vedy. Zaoberajú sa stavom a prechodmi medzi rôznymi fázami látok (kvapalná, tuhá, plynná) a podmienkami, pri ktorých tieto fázy koexistujú v rovnováhe. Tento materiál pokrýva binárne kondenzované sústavy, obmedzene miešateľné kvapaliny, fázové diagramy, termickú analýzu, aktivitu a praktické aplikácie ako destilácia a rektifikácia.
Základné pojmy
Fáza: homogénna časť systému s rovnakými fyzikálnymi a chemickými vlastnosťami.
Fugacita: efektívny tlak reálnej látky v plyne alebo v roztoku, označovaná $f_i$.
Aktivita: efektívne množstvo zložky v roztoku, $a_i = \gamma_i x_i$, kde $\gamma_i$ je aktivitný koeficient.
Eutektikum: bod, kde pri danej teplote a zložení koexistujú tri fázy (dve tuhé a jedna kvapalná) a sústava má konštantné zloženie.
Azeotrop: kvapalina, ktorej para má rovnaké zloženie ako kvapalina; pri destilácii sa nezmení zloženie.
1) Obmedzene miešateľné kvapaliny
Opis systému
- Binárna sústava dvoch kvapalín pri stálom tlaku bez plynnej fázy: stupeň varovnosti f = 2, v = 1.
- S rastúcou alebo klesajúcou teplotou sa mení rozpustnosť a môže vzniknúť oblasť oddelenia na dve vrstvy.
Typy kritických teplôt
- Horná kritická teplota rozpúšťania (T_{HK}): pri nej sa zloženie oboch vrstiev zjednotí a vznikne homogénny roztok; nad touto teplotou sa zložky rozpúšťajú neobmedzene.
- Dolná kritická teplota rozpúšťania (T_{DK}): pri znižovaní teploty sa rozpustnosť znižuje a pod ňou nastáva oddelenie fáz.
- Niekedy sa vyskytujú obe kritické teploty súčasne (oblasť dvoch fáz medzi T_{DK} a T_{HK}).
Grafické znázornenie
- Krivky rozpustnosti v závislosti od teploty naznačujú zloženie spriahnutých fáz (napr. systém hexán–nitrobenzén pri 1 atm, $T_{HK}=294,\mathrm{K}$).
- Pákové pravidlo: ak je stav sústavy daný bodom $M$, majú spriahnuté fázy zloženie $x_A$, $x_B$ a pomer množstiev fáz je daný pomerom dĺžok: $\dfrac{l_{MA}}{l_{MB}} = \dfrac{\text{množstvo fázy B}}{\text{množstvo fázy A}}$.
2) Kondenzované binárne sústavy — typy
Pre sústavu, v ktorej nie je prítomná plynná fáza alebo je prítomná tuhá fáza, rozlišujeme typy podľa správania pri tuhnutí a voľbe fáz:
| Typ | Popis | Príklady / charakteristika |
|---|---|---|
| I | Neobmedzená rozpustnosť v kvapaline, v tuhej fáze sa nerozpúšťajú ani netvoria zlúčeniny | Pb + Ag, Cd + Bi |
| II | Neobmedzená rozpustnosť v kvapaline aj tuh. fáze, nevytvárajú zlúčeniny | Ag + Au, Fe + Ni |
| III | Obmedzená rozpustnosť v tuhej fáze | Bi + Pb (eutektikum), Cd + Hg (peritektikum) |
| IV | Tvorba stabilnej tuhej zlúčeniny pri bode topenia | Mg + Si → Mg2Si (kongruentné maximum) |
| V | Tuhá zlúčenina nerozkladná pri bode topenia (inkongruentná) | Au + Sb (rozklad pred topením) |
| VI | Obmedzená rozpustnosť v kvapaline | Pb + Zn, Fe + Cu |
Poznámky k diagramom
- Likvidus: krivka začiatku tuhnutia (hraničná krivka kvapaliny).
- Solidus: krivka konca tuhnutia (hraničná krivka tuhého stavu).
- Kongruentný bod: bod, kde tavenina a tuhá fáza majú rovnaké zloženie.
- Peritektikum: inkongruentný bod, kde tuhá zlúčenina rozpadá na inú tuhú fázu a kvapalinu pri určitej teplote.
3) Termická analýza a krivky chladnutia
- Termická analýza sleduje závislosť teploty vzorky od času pri pomalom chladení.
- Pri tuhnutí sa uvoľňuje skupenské teplo, ktoré sa prejaví ako horizontálny úsek (plató) na krivke chladnutia.
- Polymorfné premeny v tuhej fáze môžu spôsobiť zlomy alebo skoky v priebehu krivky.
Príklad: Krivka chladnutia čistej kvapaliny má ostrý horizont počas tuhnutia; ak je prítomný eutektikum, pl
Zaregistruj se pro celé shrnutíUž máš účet? Prihlásiť sa
Fázové rovnováhy
Klíčové pojmy: Fázový diagram zobrazuje závislosť teploty alebo tlaku od zloženia pre koexistujúce fázy, Eutektikum: bod s trojfázovou rovnováhou a konštantným zložením, Azeotrop je zmes, ktorej kvapalina a para majú rovnaké zloženie pri varení, Raoultov zákon: $p_i = x_i p_i^*$ pre ideálne roztoky, Aktivita: $a_i = \gamma_i x_i$, pre ideálny roztok $\gamma_i = 1$, Pákové pravidlo určuje pomer množstiev spriahnutých fáz podľa dĺžok segmentov na diagramoch, Kongruentný bod: tavenina a tuhá fáza majú rovnaké zloženie; peritektikum je inkongruentný bod, Destilácia využíva rozdiel medzi $x_i$ a $y_i$; rektifikácia zvyšuje separáciu počtom teoretických etáží, Tuhé roztoky a zlúčeniny definujú šesť typov binárnych kondenzovaných sústav, Termická analýza detekuje fázové premeny podľa plató a zlomov na krivke chladnutia