background image

2015-04-11 

Wykład VI.  

Cd.    PRZEMIANY I RÓWNOWAGI FAZOWE  

UKŁADY      JEDNO -    I  

WIELOSKŁADNIKOWE – WIELOFAZOWE 

 

Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego 

Wydział Nauk o Żywności 

Dr Ewa  Więckowska-Bryłka 

Katedra Chemii WNoŻ 

p. 2036 

Konsultacje:  
• Środa  godz. 10-11 

• Pon 11-12  

• Wtorek  (sala 2065) 

Osmoza  

zjawisko  związane  z  istnieniem  błon  półprzepuszczalnych  (przepuszczalnych 
dla jednego składnika roztworu, nieprzepuszczalnych dla innych)  

spontaniczny  proces  wyrównywania  ilości  rozpuszczalnika  (cząsteczki 
rozpuszczalnika  wędrują  poprzez  błonę  półprzepuszczalną  z  roztworu  o 
większej jego zawartości do roztworu o mniejszej)  

c

1     

<

      

c

cząstki substancji rozpuszczonej 

(nie przechodzą przez membranę) 

kierunek  ruchu  cząsteczek 
rozpuszczalnika 

stężenie substancji 

błona  półprzepuszczalna 

osmoza 

1. 

gdy  p

1

  =  p

2

  rozpuszczalnik 

przechodzi 

do 

roztworu 

powodując przesunięcie tłoka 

2.

 

aby  zapobiec  podnoszeniu  się 

tłoka  w  lewej  części,  na  tłok 
trzeba 

wywrzeć 

dodatkowe 

ciśnienie

 

Ciśnienie  osmotyczne  –  dodatkowe  ciśnienie,  jakie  trzeba  wywrzeć  na 

roztwór  w  celu  osiągnięcia  równowagi  położenia  tłoków;  inaczej: 

ciśnienie, którym należy podziałać na roztwór aby powstrzymać przepływ 
rozpuszczalnika przez półprzepuszczalną membranę 

roztwór 

rozpuszczalnik 

p

1

 

p

2

 

Reguła van’t Hoffa: 

spełniany  w  przypadku  roztworów  rozcieńczonych 

nieelektrolitów (c < 0,1 mol/dm

3

T

R

n

V

π

T

R

c

π

Ciśnienie  osmotyczne  spowodowane  obecnością  substancji 
rozpuszczonej  w  danej  objętości  roztworu,  w  określonej 
temperaturze,  jest  równe  ciśnieniu  jakie  posiadałby  gaz,  gdyby 

zajmował taką samą objętość w tej samej temperaturze. 

π – ciśnienie osmotyczne,  V – objętość roztworu, n – liczba 
moli substancji rozpuszczonej, R – stała gazowa, T – 
temperatura. 

V

n

c

background image

2015-04-11 

i

π

π

z

T

R

c

π

z

i

Ciśnienie  osmotyczne  zmierzone 

π

zależy  od  liczby 

cząstek w roztworze: 

π

 elektrolitów > π  nieelektrolitów (o 

tym samym c) 

i  –  współczynnik  osmotyczny  van’t  Hoffa,    równy  jest 
liczbie      jonów 

powstających 

 

dysocjacji 

elektrolitycznej  jednej  cząsteczki,  c  –  stężenie  molowe 
[mol/m

3

]   

— w przypadku roztworów elektrolitów – zachodzi 

dysocjacja elektrolityczna:    

 

Rola  ciśnienia  osmotycznego  w  procesach  biologicznych  i  w 

życiu człowieka: 

tkanki i błony  organizmów  żywych  są błonami  półprzepuszczalnymi 

komórka roślinna lub zwierzęca zachowuje się jak osmometr 

gdy  ciśn.  osmotyczne  zewnętrzne  większe  (roztwór  hipertoniczny  względem 
roztworu w komórce) niż w komórce  – woda z komórki przechodzi do otoczenia i 

następuje jej kurczenie  (plazmoliza) i wysuszenie – rys . (a) 

gdy ciśnienie  osmotyczne zewnętrzne  niższe (roztwór hipotoniczny  względem 

roztworu w komórce) – woda z zewnątrz przenika do komórki, powoduje jej 

pęcznienie (deplazmoliza) i może  nastąpić jej rozerwanie  – rys. (b) 
 

gdy  ciśn.  zewnętrzne  =  ciśnieniu  wewnątrz  komórki    –  roztwór  zewnętrzny 
izotoniczny z płynem komórkowym 

roztwory  wprowadzane  do  krwiobiegu  muszą  być  izotoniczne  (o  tym  samym 

ciśnieniu  osmotycznym  co  ciecze  w  organizmie,  z  którymi  się  mieszają  np.  z 

krwią);  np.  leki  podawane  dożylnie  lub  domięśniowo;  podawanie  soli 
fizjologicznej  (wodny  roztwór  NaCl  o  stęż.  0,9  %    –  izotoniczny  z  płynami 

komórkowymi) przy znacznym ubytku krwi w organizmie 

w przypadku chorych z nadciśnieniem tętniczym niewskazane jest spożywanie 
potraw  słonych,  gdyż  powoduje  to  przenikanie  wody  z  naczyń  krwionośnych 
na  zewnątrz  i  tym  samym  dalszy  wzrost  ciśnienia  (korzystniejszy  dodatek 
pieprzu  lub  papryki  –  to  samo  stężenie  soli  kuchennej  wywołuje  dwa  razy 

większe ciśnienie osmotyczne) 

ciśnienie  osmotyczne  w  organizmie  ludzkim  780  000  Pa  (w  roślinach 
pustynnych 17,2 MPa) 

regulacją  ciśnienia  zajmują  się  osmoreceptory  (komórki  w  okolicy  jądra   
nadwzrokowego  podwzgórza  mózgu  wrażliwe  na  zmiany  ciśnienia 
osmotycznego) 

gdy wzrost ciśnienia osmotycznego – osmoreceptory wpływają na wydzielanie 
przez  przysadkę  mózgową  wazopresyny  wzmagającej  pragnienie  i  wzmożone 
picie 

przy  nadmiernej  ilości  płynów  –  zmniejsza  się  wydzielanie  wazopresyny 
(wzrost diurezy nerkowej) i przywrócenie normalnego ciśnienia osmotycznego 
krwi (i innych płynów) 

Zastosowanie  osmozy  w  procesach  suszenia  i  utrwalania  (konserwacji) 

żywności

 – wykorzystanie roztworów 

hipertonicznych

  

       

      

suszenie owoców metodą osmotycznego odwadniania za pomocą stężonego roztworu 
glukozy  (woda z owoców  przechodzi  do roztworu; bakterie  tracą wodę  i giną) 

konserwacja  mięsa  –  stężone  roztwory  soli  (i  =2),  woda  z  mięsa  przechodzi  do 
roztworu (jednocześnie  zamieranie  bakterii) 

 

roztwór wodny soli ma 2 razy większe ciśnienie osmotyczne niż roztwór cukru (stąd 

stosowane  roztwory  cukru muszą być bardziej stężone  niż roztwory soli) 

Metoda odwróconej osmozy:  

─ wymuszona  dyfuzja  rozpuszczalnika  przez  błonę  półprzepuszczalną  rozdzielającą 

dwa roztwory o różnym  stężeniu;    

─ zachodzi  od roztworu o  wyższym stężeniu substancji  rozpuszczonej  do roztworu o 

stężeniu niższym, czyli prowadzi do zwiększenia różnicy stężeń  obu roztworów 

─ musi zostać  wywołana przyłożeniem  do  membrany ciśnienia  o  większej  wartości i 

skierowanego  przeciwnie  niż  ciśnienie  osmotyczne  naturalnie  występujące  w 
układzie 

─ 1949  Uniwersytet Kalifornijski, po raz pierwszy odsalanie wody morskiej, obecnie 

ponad 15 000 zakładów  odsalania  wody  morskiej  na świecie 

─ oczyszczanie  i  zatężanie  ścieków  przemysłowych,  szczególnie  pochodzących  z 

przemysłu spożywczego, papierniczego  i galwanicznego 

background image

2015-04-11 

UKŁADY     DWUSKŁADNIKOWE       JEDNOFAZOWE 

roztwór substancji nielotnej (np. roztwór B w A)   

Układ                 B + A 

ciekły rozpuszczalnik 

rozpuszczona substancja nielotna (p

B

 = 0) 

Sumaryczne ciśnienie: p = p

A

  + p

  (prawo Daltona) 

Ponieważ p

B

 = 0  otrzymujemy:  

 

sumaryczne ciśnienie p = p

prężność pary 
rozpuszczalnika A nad 
roztworem 

prężność pary nad 
roztworem 

Prawo Raoulta: 

o

A

A

A

p

 

x

 

=

 

p

x

A

 – ułamek molowy rozpuszczalnika w roztworze ,  

o

A

p

– prężność pary nad czystym rozpuszczalnikiem  

Ponieważ  x

A

 < 1          

p

A

 <   

o

A

p

prężność  pary  nasyconej  nad 
roztworem  (krzywa  II)  jest 
zawsze  niższa  od  prężności 
pary 

nad 

czystym 

rozpuszczalnikiem (krzywa I) 

T w 

T w 

I I 

1 0 1 3 , 2 5   h P a 

W warunkach tego samego ciśnienia – 
roztwór wrze w wyższej temperaturze 
T

w

 niż czysty rozpuszczalnik T

w

10 

o
A

B

o
A

A

A

p

x

1

p

x

p

o
A

B

A

o
A

p

x

p

p

B

o
A

A

o
A

x

p

p

p

obniżenie  prężności  pary  nad  roztworem  spowodowane 

obecnością  substancji  nielotnej  B  zależy  jedynie  od  ułamka 
molowego tej substancji 

o
A

B

p

x

p

o
A

B

p

x

i

p

dla nieelektrolitów 

dla elektrolitów 

Ponieważ     x

A

 + x

B

 =1 

11 

Podwyższenie 

temperatury 

wrzenia 

roztworu 

– 

ebuliometria 

wprowadzenie nielotnej substancji B – obniżenie prężności pary 

roztwór można doprowadzić do wrzenia przez podwyższenie T  

podwyższenie  temperatury  wrzenia  roztworu  ΔT

w 

jest  wprost 

proporcjonalne do stężenia molalnego substancji rozpuszczonej C 

 

C

 

 

E

 

 

i

=

 

T

Δ

w

C

 

 

E

=

 

T

Δ

w

dla elektrolitów, i – współczynnik izotoniczny 

dla nieelektrolitów  

E – stała ebulioskopowa 

m

 

 

M

m

 

E

 

 

i

 

=

 

T

Δ

o

w

Gdy m/M = n = 1, m

o

 = 1 kg (masa ropzuszczalnika) oraz i = 1,         

wówczas     E = ΔT

w

  

temperatura wrzenia 

gdy p 

pary cieczy 

=  ciśnieniu zewnętrznemu 

12 

background image

2015-04-11 

 

   

     Wartość E zależy od: 

rodzaju rozpuszczalnika,  

 

 

     

ciśnienia atmosferycznego   

Rozpuszczalnik 

Temperatura  

wrzenia [K] 

Woda  

373 

0,521 

Kwas octowy 

391,5 

3,07 

Benzen 

353,2 

2,57 

Chloroform 

334,1 

3,80 

Kamfora 

447 

6,09 





 

mol

kg

K

E – przyrost temperatury wrzenia roztworu (w stosunku do 
temperatury wrzenia czystego rozpuszczalnika) zawierającego 1 mol 
substancji rozpuszczonej (nieelektrolitu) w 1 kg rozpuszczalnika  – 
tzw. molalne podwyższenie  temperatury wrzenia 

13 

Obniżenie temperatury krzepnięcia roztworu – kriometria 

dodatek  substancji  nielotnej  powoduje  obniżenie 
temperatury  krzepnięcia  roztworu  w  stosunku  do 
temperatury krzepnięcia czystego rozpuszczalnika  

  

p, MPa

200

100

273

T, K

woda ciekła 

lód

zależność w obecności 
substancji nielotnej  

14 

 

C

 

 

 i

 

=

 

ΔT

k

C

 

  

=

 

ΔT

k

dla nieelektrolitów 

dla elektrolitów, i – współczynnik izotoniczny 

K – stała krioskopowa 

 

m

M

m

 

K

 

 

i

 

=

 

T

Δ

o

k

Gdy m/M = n = 1, m

o

 = 1 kg oraz i = 1,         K = ΔT

k

  

obniżenie  temperatury  krzepnięcia  roztworu  ΔT

k 

jest 

proporcjonalne  do  stężenia  molalnego  substancji 
rozpuszczonej C 

15 

K –  obniżenie temperatury krzepnięcia roztworu (w stosunku 
do  temperatury  krzepnięcia  rozpuszczalnika)  zawierającego  1 
mol  substancji  rozpuszczonej  (nieelektrolitu)  w  1  kg 
rozpuszczalnika  –  tzw.    molalne  obniżenie  temperatury 

krzepnięcia 

Rozpuszczalnik 
 

Temperatura 
krzepnięcia, [K] 

 

  woda 
  kwas octowy 
  benzen 
  chloroform 
  kamfora 

   273 
   289,7 
   278,5 
   209,8 
   452,5 

 1,86 
 3,90 
 5,07 
 4,90 
 40,0 





 

mol

kg

K

–     dodatek NaCl do lodu (posypywanie jezdni zimą) – obniżenie 
temperatury krzepnięcia wody  

16 

background image

2015-04-11 

Mieszaniny  cieczy  o  całkowitej  wzajemnej 

rozpuszczalności 

        prężność par nad mieszaniną 

       A,  B  –  wzajemnie  rozpuszczalne;  mieszanie 
doskonałe  (brak  zmiany  objętości  i  efektu  cieplnego 
podczas mieszania) 

p

 

+

 

p

 

=

 

p

B

A

p

A

 – prężność pary składnika A 

p

B

 – prężność pary składnika B 

Prężność pary nad mieszaniną cieczy A i B: 

17 

Zgodnie z prawem Raoulta: 

o

A

A

A

p

 

x

 

=

 

p

o

B

B

B

p

 

x

 

=

 

p

- prężności par czystych cieczy A i B,   

o

A

p

o

B

p

gdzie: 

x

A

 ,  x

B

  – ułamki molowe cieczy odpowiednio A i B w 

roztworze  

Stąd:

                               

o

B

B

o

A

A

p

 

 

x

 

+

 

p

x

 

=

 

p

Para znajdująca się w stanie równowagi z roztworem, jest zawsze 
bogatsza  od  fazy  ciekłej  w  składnik  bardziej  lotny  o  większej 

prężności  pary,  a  niższej  temperaturze  wrzenia    -  stwierdzenie 
wykorzystywane podczas rozdzielania cieczy metodą destylacji 

18 

PRAWO    PODZIAŁU   NERNSTA 

Jeżeli  do  układu  zawierającego  2  fazy    ciekłe 
(praktycznie 

nie 

mieszające  się  ze  sobą) 

wprowadzimy  3–ci  składnik    (rozpuszczający  się  w 
obu  cieczach),  to  w  stanie    równowagi,    stosunek 

stężeń  wprowadzonej  substancji  w  tych  fazach  jest 

wielkością stałą w danej temperaturze, niezależną od 

ilości substancji wprowadzonej: 

w

o

c

c

k

k – stężeniowy współczynnik podziału substancji, 
c

o

 – stężenie molowe substancji w 1 –ym 

rozpuszczalniku (organicznym),   

c

w

  –  stężenie  molowe  substancji  w  2–gim 

rozpuszczalniku (najczęściej wodnym). 

UKŁADY     WIELOSKŁADNIKOWE       DWUFAZOWE 

19 

Prawo jest spełnione gdy: 

roztwory niezbyt stężone  

dla roztworów stężonych, wstawiamy a zamiast c 

w

o

a

a

k

gdy  substancja  rozpuszczona  nie  asocjuje,  ani  nie 
dysocjuje w żadnej z faz 

20 

background image

2015-04-11 

Modyfikacja  prawa  podziału  w  przypadku  asocjacji 
substancji w jednej z faz:
 

CH

3

C

O

O     H

 

CH

3

C

O

O     H

 

C   C

O

H     O

 

H

3

2

Np.:  dimeryzacja kwasu octowego: 

monomery c

1

 

dimery c

2

 

2

1

2

2

c

c

K

stała dimeryzacji 

21 

Stężenie ogólne kwasu np. w benzenie: 

c

o

 = c

1

 + 2c

   

2

1

2

2

c

K

c

k – stężeniowy współczynnik podziału: 

w

2

1

2

1

w

2

1

w

o

c

c

K

2

c

c

2c

c

c

c

k

2

w

w

2

1

2

w

1

c

c

c

K

2

c

c

k

w

1

1

c

c

k

k

 

– współczynnik podziału monomerów,    

tzw. graniczny stężeniowy współczynnik 
podziału  

22 

otrzymujemy równanie izotermy podziału: 

w

2

1

2

1

c

k

2K

k

k

(w  przypadku  substancji  ulegającej  dimeryzacji  w  fazie  organicznej 
współczynnik  podziału  jest  liniową  funkcją  jej  stężenia  c

w

  w  fazie 

wodnej) 

2

1

2

2

k

K

tg α =   

(można obliczyć K

2

k

1

 

c

w

 

α 

Ćw.  3  –  1  Wyznaczanie  współczynnika 

podziału  kwasu  octowego  w  układzie  dwóch 
nie mieszających się cieczy 

sporządza  się  wykres  zależności  k  =  f(c

w

)  i 

interpretuje; 

po  znalezieniu  k

1

  i  K

2

  podaje  się  równanie 

izotermy podziału 

23