background image

1

Chem. Fiz. TCH II/12

1

Roztwory rzeczywiste (1)

-2000

-1500

-1000

-500

0

500

1000

1500

2000

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

G

Τ∆

Τ∆

Τ∆

Τ∆S

H

Również w temp. 298,15K, 
ale  dla  CCl

4

(A)  i  CH

3

OH 

(B).

Przyczyny dodatnich i ujemnych odchyleń od prawa Raoulta – konsekwencja 

oddziaływań międzycząsteczkowych w roztworze.

Można wyprowadzić całą termodynamikę roztworów doskonałych (także prawo 

Raoulta) na gruncie termodynamiki statystycznej, przy założeniach:

1. Odziaływania międzycząsteczkowe AA, BB i AB są w przybliżeniu równe,

2. Objętości molowe A i B są w przybliżeniu równe.

Jeżeli oddziaływania AB są silniejsze od tych AA i BB, to odchylenia powinny być 

ujemne (i odwrotnie).

Dodatnie odchylenia obserwuje się przede wszystkim w przypadkach, gdy czyste 

substancje tworzą asocjaty (dimery, itp.), które są rozrywane podczas 
rozpuszczania.  Jest to widoczne na wykresie, gdzie widać endotermiczny 
proces rozrywania wiązań wodorowych w metanolu podczas rozcieńczania go 
tetrachlorkiem węgla.  Entropia mimo wszystko jest nadal spora, lecz w sumie 
entalpia swobodna mieszania jest znacznie mniejsza niż dla roztworu 
doskonałego.

background image

2

Chem. Fiz. TCH II/12

2

Roztwory rzeczywiste (2)

-2500

-2000

-1500

-1000

-500

0

500

1000

1500

2000

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

G

Τ∆

Τ∆

Τ∆

Τ∆S

H

Tym  razem  dla  (CH

3

)

2

CO 

(A) i CHCl

3

(B).

Oba te związki tworzą słabe wiązania wodorowe (niewielkie odchylenia ujemne), 
obniżenie entropii mieszania (znaczne), entalpia swobodna zmienia się niewiele, 
bowiem jest jednak wyraźny efekt cieplny (kompensujący małą zmianę entropii). 
Jest to klasyczne współdziałanie efektu entalpowego i entropowego.

background image

3

Chem. Fiz. TCH II/12

3

Funkcje nadmiarowe

-2500

-2000

-1500

-1000

-500

0

500

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

G

E

Τ∆

Τ∆

Τ∆

Τ∆S

E

H

E

Ponownie  dla  (CH

3

)

2

CO 

(A) i CHCl

3

(B).

Pojęcie roztworu prawidłowego (regularnego), tj. takiego, dla którego H

E

≠0, lecz 

S

E

=0.

Np., pięknie można zobaczyć kontrakcję na wykresie V

E

.

background image

4

Chem. Fiz. TCH II/12

4

Roztwory rzeczywiste (3)

Bez względu na przyczyny odchyleń można zaobserwować, że: 

1. dla x

i

1

P

i

P

0

i

·x

i

(prawo Raoulta)

2. dla x

i

0

P

i

k

i

·x

i

(prawo Henry’ego)

Roztwór, którego składniki spełniają obie 

w/w prawidłowości nosi nazwę roztworu 

doskonale rozcieńczonego.

Rozpuszczalnik – prawo Raoulta

Substancja rozpuszczona – prawo Henry’ego.

background image

5

Chem. Fiz. TCH II/12

5

Roztwory rzeczywiste (4)

Jeśli rozpuszczalnik spełnia prawo Raoulta, to jest termodynamiczną 

koniecznością, aby substancja rozpuszczona spełniała prawo Henry’ego.

Ponownie wychodzimy z równania Gibbsa-Duhema, zapisując je:

0

ln

ln

=

+

B

B

A

A

P

d

x

P

d

x

co po przekształceniu i obustronnym podzieleniu przez dx

A

=–dx

B

daje:

B

B

A

A

P

d

x

P

d

x

ln

ln

=

B

B

B

B

A

A

A

A

dx

dP

P

x

dx

dP

P

x

=

B traktujemy jako substancję 

rozpuszczoną, zatem:

B

B

x

k

P

=

i

B

B

B

B

x

P

dx

dP

k

=

=

Ta forma równania Gibbsa-Duhema została uzasadniona w wykładzie 11 – slajd 
Roztwory doskonałe (idealne)”.

background image

6

Chem. Fiz. TCH II/12

6

Roztwory rzeczywiste (5)

Podstawienie znalezionej zależności:

B

B

x

P

k

=

do

B

B

B

B

A

A

A

A

dx

dP

P

x

dx

dP

P

x

=

Daje:

1

=

A

A

A

A

dx

dP

P

x

oraz:

A

A

A

A

x

dx

P

dP

=

co po scałkowaniu wygląda tak:

const

x

P

A

A

+

= ln

ln

a po skorzystaniu z warunku brzegowego:

gdy:

1

=

A

x

to:

0

A

A

P

P

=

otrzymujemy:

0

ln

A

P

const

=

i ostatecznie:

0

ln

ln

ln

A

A

A

P

x

P

+

=

0

A

A

A

P

x

P

=

czyli

QED

background image

7

Chem. Fiz. TCH II/12

7

Potencjały chemiczne w 

roztworach rzeczywistych

Dla rozpuszczalnika już znamy:

A

A

A

x

RT

ln

0

+

=

µ

µ

Dla substancji rozpuszczonej korzystamy znów z faktu, że jest w 

równowadze ze swoimi parami, kiedy to:

a po uwzględnieniu prawa Henry’ego:

0

0

,

ln

P

P

RT

B

g

B

B

+

=

µ

µ

B

B

B

g

B

B

g

B

B

x

RT

x

RT

P

k

RT

P

kx

RT

ln

ln

ln

ln

0

0

,

0

0

,

+

=

+

+

=

+

=

µ

µ

µ

µ

gdzie wielkość:

B

µ

zwana jest standardowym potencjałem chemicznym

Jest to wielkość hipotetyczna, odpowiadałaby bowiem potencjałowi 

składnika B dla x

B

=1, gdyby równanie było spełnione (jak i prawo 

Henry’ego) aż do tej wartości.

Odnośnie pierwszego równania dla substancji rozpuszczonej – patrz slajd 
Potencjały chemiczne” w wykładzie 11.

background image

8

Chem. Fiz. TCH II/12

8

Standardowe potencjały 

chemiczne

Uwzględniając znane zależności:

B

A

B

m

M

x

1000

=

oraz:

B

A

A

B

c

M

x

ρ

1000

=

Możemy zapisać:

B

B

m

B

m

RT

ln

+

=

µ

µ

oraz:

B

B

c

B

c

RT

ln

+

=

µ

µ

gdzie:

1000

ln

A

B

B

m

M

RT

+

=

µ

µ

A

A

B

B

c

M

RT

ρ

µ

µ

1000

ln

+

=

Standardowe potencjały chemiczne w skali molalności i stężenia 

molowego są także wielkościami hipotetycznymi, które przyjmowałby 

potencjał chemiczny składnika B dla wartości m=1 lub c=1, gdyby 

prawo Henry’ego obowiązywało aż do tych wartości.

Zależności te, słuszne dla roztworów rozcieńczonych wyprowadzane były m.in. w 
wykładzie 10a – slajd „Podwyższenie temperatury wrzenia (1)”.

background image

9

Chem. Fiz. TCH II/12

9

Termodynamiczna 

definicja aktywności (1)

Jeśli oba składniki roztworu są cieczami, to ich aktywność definiuje się:

A

A

A

a

RT

ln

0

+

=

µ

µ

B

B

B

a

RT

ln

0

+

=

µ

µ

RT

A

A

A

e

a

0

µ

µ −

=

RT

B

B

B

e

a

0

µ

µ −

=

Miarą aktywności jest mierzalna różnica potencjału chemicznego 

składnika w roztworze i w stanie standardowym ( w tym przypadku 

w stanie czystym).

W przypadku roztworów doskonałych aktywność 

równa się ułamkowi molowemu.

Roztwory rzeczywiste o znacznych stężeniach nie stanowią ani roztworów 
doskonałych, ani doskonale rozcieńczonych.  Jak sobie zatem poradzić z opisem 
termodynamicznym takich układów?  Jedną z możliwości oferują wspomniane już 
funkcje nadmiarowe.  Aktywności (Lewis) stanowią drugą z nich – chyba 
najczęściej wykorzystywaną.

background image

10

Chem. Fiz. TCH II/12

10

Współczynniki aktywności 

(1)

Współczynniki aktywności definiuje się:

A

A

A

x

a

=

γ

B

B

B

x

a

=

γ

(

)

A

A

A

A

RT

x

RT

γ

µ

µ

ln

ln

0

=

+

(

)

B

B

B

B

RT

x

RT

γ

µ

µ

ln

ln

0

=

+

B

RT

γ

ln

To różnica potencjału chemicznego składnika w 

roztworze rzeczywistym i tego jaki by składnik ten 

miał, gdyby roztwór był roztworem doskonałym

background image

11

Chem. Fiz. TCH II/12

11

Termodynamiczna 

definicja aktywności (2)

Jeśli jeden ze składników (B) jest wygodnie traktować jako substancję 

rozpuszczoną , to jego aktywność definiuje się:

B

x

B

x

B

a

RT

ln

+

=

µ

µ

RT

B

x

B

x

B

e

a

=

µ

µ

B

m

B

m

B

a

RT

ln

+

=

µ

µ

B

c

B

c

B

a

RT

ln

+

=

µ

µ

RT

B

m

B

m

B

e

a

=

µ

µ

RT

B

c

B

c

B

e

a

=

µ

µ

Aktywność zaczyna zgadzać się ze stężeniem (w odpowiedniej skali) 

gdy roztwór staje się doskonale rozcieńczony (zbliża się 

termodynamicznie do niego), zatem wymagane są małe stężenia.

Jak widać są różne skale aktywności dla substancji rozpuszczonych.

Różnice między potencjałem chemicznym składnika w danym stanie (roztworze) a 
w stanie standardowym są nadal mierzalne.

background image

12

Chem. Fiz. TCH II/12

12

Współczynniki aktywności 

(2)

Współczynniki aktywności (w odpowiedniej skali) substancji 

rozpuszczonej definiuje się:

B

B

x

B

x

x

a

=

γ

B

B

m

B

m

m

a

=

γ

(

)

B

x

B

B

x

B

RT

x

RT

γ

µ

µ

ln

ln

=

+

B

RT

γ

ln

(w każdej skali) to różnica potencjału chemicznego 

składnika w roztworze rzeczywistym i tego jaki by 

składnik ten miał, gdyby roztwór był roztworem 

doskonale rozcieńczonym

B

B

c

B

c

c

a

=

γ

(można też zapisać to dla 

pozostałych skal)

background image

13

Chem. Fiz. TCH II/12

13

Termodynamiczna 

definicja aktywności (3)

Dla rozpuszczalnika:

1

A

A

A

x

a

γ

gdy

1

A

x

Dla substancji 

rozpuszczonej:

1

)

,

(

B

B

B

B

B

c

m

x

a

γ

gdy

0

)

,

(

B

B

B

c

m

x

background image

14

Chem. Fiz. TCH II/12

14

Wyznaczanie aktywności 

(1)

Przyrównanie równań:

0

0

0

ln

ln

A

A

A

A

A

A

P

P

RT

f

f

RT

=

µ

µ

A

A

A

a

RT

ln

0

=

µ

µ

pozwala zapisać:

0

0

A

A

A

A

A

P

P

f

f

a

=

=

a łącznie z równaniem Gibbsa-Duhema:

0

ln

ln

=

+

B

B

A

A

a

d

n

a

d

n

co pozwala na wyznaczanie aktywności w oparciu o pomiary 

prężności cząstkowej w parze nasyconej nad roztworem

pozwala na wyznaczenie – omawianą już metodą graficzną – także 

aktywności drugiego składnika.

Pomiary są prostsze, gdy substancja rozpuszczona jest nielotna.

background image

15

Chem. Fiz. TCH II/12

15

Wyznaczanie aktywności 

(2)

Także pomiary ebuliometryczne i kriometryczne umożliwiają 

pomiar aktywności, można bowiem dowieść, że :

T

RT

H

P

P

a

p

A

A

A

=

=

2

0

ln

ln

co łącznie z równaniem Gibbsa-Duhema pozwala na wyznaczenie 

aktywności obu składników.

T

RT

H

a

t

A

=

2

ln

Patrz slajd „Podwyższenie temperatury wrzenia (3)” – wykład 10A.

Częściej stosuje się kriometrię, ze względu na większe (dokładniej mierzalne) 
wartości ∆T.

background image

16

Chem. Fiz. TCH II/12

16

Zależność współczynników 
aktywno
ści od temperatury

Można dowieść, że – jeśli aktywności obu składników są 

standaryzowane tak samo :

2

0

ln

RT

H

H

T

A

A

P

A

=

γ

gdzie licznik ułamka po prawej stronie, tzw. względna cząstkowa 

molowa entalpia jest równa różniczkowemu ciepłu rozpuszczania. 

Jeśli jednak substancja B jest standaryzowana na roztwór 

nieskończenie rozcieńczony, to:

2

0

ln

RT

H

H

T

B

B

P

B

=

γ

2

0

ln

RT

H

H

T

B

B

P

B

=

γ

gdzie licznik ułamka jest pierwszym 

ciepłem rozpuszczania B.