elgavrilis's blog

ΕΝΑ ΙΣΤΟΛΟΓΙΟ ΓΙΑ ΤΙΣ ΦΥΣΙΚΕΣ ΕΠΙΣΤΗΜΕΣ Blogs.sch.gr

ΠΡΟΣΘΕΤΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΔΙΑΛΥΜΑΤΩΝ – Η ΣΗΜΑΣΙΑ ΤΗΣ ΩΣΜΩΣΗΣ ΣΤΗ ΒΙΟΛΟΓΙΑ κ ΤΗΝ ΙΑΤΡΙΚΗ – ΙΞΩΔΕΣ κ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΗ ΤΑΣΗ ΥΓΡΟΥ

Συγγραφέας: ΗΛΙΑΣ ΓΑΒΡΙΛΗΣ στις 28 Δεκεμβρίου 2024

Οι προσθετικές (ή συλλογικές) ιδιότητες των διαλυμάτων: Όταν έχει προκύψει διάλυμα στερεού μέσα σε υγρό, η τάση ατμών του διαλύματος είναι γενικά κατώτερη από αυτήν του καθαρού διαλύτη. Έτσι χρειάζεται αύξηση της θερμοκρασίας για να επιτευχθεί τάση ατμών ίση με αυτή του διαλύτη. Η διάλυση στερεού μέσα σε ένα υγρό, χαμηλώνει την τάση ατμών και ανυψώνει το σημείο ζέσεως (σζ) του διαλύματος όταν αυτό συγκρίνεται με το σημείο ζέσεως (ή σημείο βρασμού) του διαλύτη. Κατά παρόμοιο τρόπο, η διάλυση ενός στερεού μέσα σ’ ένα υγρό προκαλεί ταπείνωση του σημείου πήξης (σπ) του διαλύματος σε σχέση με το σημείο πήξης (ή τήξης) του καθαρού υγρού.

Μια ακόμα ιδιότητα που χαρακτηρίζει το διάλυμα ενός στερεού μέσα σε ένα υγρό, είναι η άσκηση ωσμωτικής πίεσης, όταν το διάλυμα και ο καθαρός διαλύτης χωριστούν με μία ημιπερατή (ή ημιδιαπιδυτή) μεμβράνη. Οι τέσσερις αυτές ιδιότητες: η μείωση της τάσης ατμών του υγρού, η ανύψωση του σημείου ζέσεως, η ταπείνωση του σημείου πήξεως και η ωσμωτική πίεση, συνιστούν τις συλλογικές ή αθροιστικές (προσθετικές) ιδιότητες ενός διαλύματος. Οι ιδιότητες αυτές λέγονται “συλλογικές” (colligative properties), γιατί όλες εξαρτώνται από τη συγκέντρωση των διακριτών μονάδων της διαλυμένης ουσίας μέσα στο διαλύτη. Έτσι ένας ισχυρός ηλεκτρολύτης, δηλαδή μια ένωση η οποία διίσταται (ή ιοντίζεται) πλήρως σε ιόντα, εμφανίζει προσθετικές ιδιότητες ευθέως ανάλογες της συγκέντρωσης όχι των αδιάσπαστων μορίων, αλλά των ιόντων που έχουν προκύψει με τη διάσταση ή τον ιοντισμό.

Οι προσθετικές ιδιότητες των διαλυμάτων αναλυτικά έχουν ως εξής;

  1. Μείωση της τάσης ατμών του διαλύτη. Η τάση ατμών του διαλύματος P, συνδέεται με την τάση ατμών του καθαρού διαλύτη P0 με την ακόλουθη σχέση:  (P0-P)/P0= x όπου x είναι το γραμμομοριακό κλάσμα της διαλυμένης ουσίας. Η μείωση της τάσης ατμών του διαλύτη, που προκαλείται από μία μη πτητική διαλυμένη ουσία, είναι γενικά μικρή. Ένα διάλυμα 1 m, ως προς το μη πτητικό συστατικό του, παρουσιάζει μείωση της τάσης ατμών ίση με [(1/56,5).P0]. Η τιμή P0 για το νερό, δηλαδή η τάση ατμών του νερού στους 20 0C είναι ίση με 17,54 mm Hg. Έτσι ένα υδατικό διάλυμα 1 Μ μιας μη πτητικής ένωσης, παρουσιάζει ταπείνωση της τάσης ατμών του διαλύματος ίση με (1/56,5).17,54 = 0,310 mm Hg.
  2. Η ανύψωση του σημείου ζέσεως. Η ανύψωση του σημείου ζέσεως ΔTb, ενός διαλύματος, η οποία οφείλεται στην παρουσία μιας μη πτητικής διαλυμένης ουσίας, δίνεται από τη σχέση:  ΔTb = Kb . m όπου Kb είναι η γραμμομοριακή κατά βάρος σταθερά του σημείου ζέσεως του διαλύτη (molal boiling point constant). Η σταθερά Kb, είναι συνάρτηση της ενθαλπίας εξάτμισης ΔHvap , της  σχετικής μοριακής μάζας Mr και της θερμοκρασίας ζέσης του διαλύτη T0.

Kb = R.T02.Mr/(1000. ΔHvap)

Η τιμή της Kb για το νερό είναι 0,513  0K/molal. Έτσι ένα διάλυμα 1 m (1 mole διαλυμένο σε 1000 g διαλύτη) μιας μη πτητικής διαλυμένης ουσίας, προκαλεί ανύψωση του σημείου ζέσεως ίση με 0,513 0C.

      3. Η ταπείνωση του σημείου πήξης. Η ταπείνωση του σημείου πήξης η οποία οφείλεται στην παρουσία ενός μη πτητικού συστατικού του διαλύματος, δίνεται από τη σχέση: ΔTf = K. m όπου Kf είναι η γραμμομοριακή κατά βάρος σταθερά του σημείου πήξης του διαλύτη (molal freezing point constant). Η σταθερά Kb, είναι συνάρτηση της ενθαλπίας πήξης ΔHfus , της  σχετικής μοριακής μάζας Mr και της θερμοκρασίας πήξης του διαλύτη T0.

Η τιμή της Kf για το νερό είναι 1,86  0K/molal. Έτσι ένα διάλυμα 1 m (1 mole διαλυμένο σε 1000 g διαλύτη) μιας μη πτητικής διαλυμένης ουσίας, προκαλεί ταπείνωση του σημείου πήξεως ίση με 1,86 0C.

     4. Η ωσμωτική πίεση: Για έναν ορισμένο όγκο διαλύματος V, και για σχετικά αραιά διαλύματα η ωσμωτική πίεση Π καθορίζεται από τη σχέση:

Π .V = n .R .T

όπου n είναι ο αριθμός moles της διαλυμένης ουσίας, και η Π έχει διαστάσεις πίεσης. Μπορούμε άρα να διατυπώσουμε την ωσμωτική πίεση σε mm Hg ή σε Atm ή σε cm στήλης νερού. Γίνεται αμέσως προφανές ότι από τις τέσσερις προσθετικές ιδιότητες, η ωσμωτική πίεση είναι αυτή που παρουσιάζει τα πιο εύκολα να προσδιοριστούν αποτελέσματα, αφού ένα μοριακό κατά βάρος διάλυμα (1 m) μπορεί να δημιουργήσει πίεση ίση με 760 mm Hg ή 1034 cm νερού.

Παράδειγμα: Να υπολογιστεί η ωσμωτική πίεση η οποία ασκείται από ένα διάλυμα 0,312 g ουρίας (NH2)2CO  Mr = 60, που έχουν διαλυθεί σε 100 ml νερού στους 25 0C.

Με αντικατάσταση στην εξίσωση έχουμε ότι:

Π = (m.R.T)/(V.Mr) = (0,312 . 0,082. 298)/(0,1 . 60) = 1,27 Atm

Όταν οι σχέσεις των προσθετικών ιδιοτήτων ισχύουν για ένα συγκεκριμένο διάλυμα, τότε λέμε ότι το διάλυμα είναι ιδανικό. Γενικά η συμπεριφορά ενός διαλύματος πλησιάζει την ιδανική κατάσταση όσο γίνεται περισσότερο αραιό. Ισχύει και για τα διαλύματα ότι ισχύει για τα αέρια, όπου ως γνωστόν η ονομασία “ιδανικό αέριο” χρησιμοποιείται για κάποιο αέριο που ισχύει ο νόμος Boyle -Marriotte. Πράγματι η ομοιότητα ανάμεσα στα αέρια και τα διαλύματα δεν είναι συμπωματική, για το λόγο δε αυτόν είναι δυνατόν να εξηγηθούν οι νόμοι που διέπουν τα διαλύματα με την επέκταση της κινητικής θεωρίας των αερίων, η οποία γενικεύεται στην κινητική θεωρία της ύλης.

Ωσμωτική Πίεση (Π)

Έστω ένα υγρό που χωρίζεται σε δύο διαμερίσματα με μία ημιδιαπιδυτή (ή ημιπερατή) μεμβράνη. Το υγρό μπορεί να διέρχεται από τους πόρους της μεμβράνης. Έστω επίσης μια διαλυμένη ουσία που δεν διαπερνά τη μεμβράνη. Αν διαλύουμε μια ποσότητα ουσίας στο ένα διαμέρισμα, θα πρέπει να αναμένουμε μια αύξηση της στάθμης της στάθμης του υγρού στο διαμέρισμα που περιέχει την μη διαπερατή διαλυμένη ουσία.

osm pres

Η αύξηση της στάθμης του υγρού θα σταματήσει όταν η πίεση της στήλης του υγρού που προκύπτει από τη διαφορά στάθμης στα δύο διαμερίσματα, γίνει ίση με τη δύναμη που ασκεί η μη διαπερατή ουσία επάνω στο αραιότερο διάλυμα. Ονομάζουμε το βάρος αυτό ανά μονάδα επιφανείας της στήλης του υγρού, Ωσμωτική Πίεση του διαλύματος. Η Ωσμωτική Πίεση μπορεί να οριστεί αλλιώς σαν “πίεση που πρέπει να ασκηθεί επάνω σε ένα διάλυμα για να  εμποδίσει το πέρασμα του διαλύτη στο διαμέρισμα αυτό, όταν ο διαλύτης χωρίζεται από το διάλυμα με ημιπερατή μεμβράνη.

Η έννοια επομένως της ωσμωτικής πίεσης αναφέρεται στο φαινόμενο της ώσμωσης, δηλαδή της αυθόρμητης μετατόπισης νερού (ή άλλου υγρού γενικά) μέσα από μία ημιπερατή μεμβράνη, από το τμήμα του υγρού με τη μικρότερη συγκέντρωση (ουσίας που δεν διαπερνά τη μεμβράνη), προς το τμήμα με τη μεγαλύτερη συγκέντρωση στην ουσία αυτή.

Ημιδιαπιδυτές (ημιπερατές) μεμβράνες σαν αυτή που απεικονίζει το σχήμα, υπάρχουν στο εμπόριο με την ονομασία “σάκκοι διαπίδυσης” (dialysis bags). Οι μεμβράνες αυτές επιτρέπουν τη  δίοδο ύδατος (νερού), αλλά όχι μεγαλομοριακών ουσιών. Παρ’ όλο ότι η διαπερατότητα των μεμβρανών αυτών, αναφορικά με το μέγεθος των μορίων, η δίοδος των οποίων αποκλείεται, μπορεί να είναι διαφορετική για διάφορα είδη μεμβρανών, οι συνήθεις μεμβράνες αποκλείουν τη δίοδο σε πρωτεΐνες ή πολυπεπτίδια μοριακού βάρους από 5000 έως 10000 και άνω. έτσι όταν ένα πρωτεϊνικό παρασκεύασμα εισαχθεί σε ένα σάκκο διαπίδυσης και αυτός τοποθετηθεί σε ένα δοχείο που περιέχει νερό ή που περιέχει ένα ρυθμιστικό διάλυμα, παρατηρείται έξοδος των μικρομοριακών ουσιών από το σάκκο και, βέβαια είσοδος του ρυθμιστικού διαλύματος μέσα στο σάκκο, έως ότου επέλθει ισορροπία ανάμεσα στα δύο διαλύματα. Με τον τρόπο αυτό μπορούμε  να αφαιρέσουμε όλες τις μικρομοριακές ενώσεις από ένα πρωτεϊνικό παρασκεύασμα, πχ από ένα ομογενοποίημα ιστών.

Το φαινόμενο της ώσμωσης είναι συνδεδεμένο με ένα πλήθος από φυσιολογικές λειτουργίες, όπως είναι η διατήρηση της σύστασης του ενδοκυττάριου και εξωκυττάριου χώρου σε συμβατά με τη ζωή και την υγεία επίπεδα (ομοιόσταση), η εκκριτική λειτουργία του βλεννογόνου του στομάχου, του ήπατος και του νεφρού.

 

 

Κατηγορία ΧΗΜΕΙΑ | Δεν υπάρχουν σχόλια »

ΒΕΝΘΟΣ

Συγγραφέας: ΗΛΙΑΣ ΓΑΒΡΙΛΗΣ στις 21 Δεκεμβρίου 2024

Άλματος έρμαια ο αφέτης κινεί

Τύχης εκτρέμματα η μοίρα αφαιρεί

Λίκνισμα υδάτινο ηώς εισχωρεί

Μάχης απότοκα εις μηδέν οδηγεί

Βένθους πετάσματα και απείρου αρχή..

 

Η. Γαβρίλης 21-12-24

Κατηγορία ΠΟΙΗΣΗ | Δεν υπάρχουν σχόλια »

ΑΝΑΓΩΓΟΙ..

Συγγραφέας: ΗΛΙΑΣ ΓΑΒΡΙΛΗΣ στις 20 Δεκεμβρίου 2024

Ανάγωγη ατμοσφαίρα..

ανάγωγη μαθητεία! .. ανεπίδεκτης μορφής κυριότητα…

ανάγωγοι γόνοι ευάγωγων προγόνων..

αγωγής πρόσχημα ροπή βίας .. και έντολές βίου και θωρίες εν τω γεννάσθαι!
και δια βίου συμβουλαί..

Τι ματαία κατάληξις! και ποσώς.. αναγκαία!

Η. Γαβρίλης 20-12-24

 

 

Κατηγορία ΠΟΙΗΣΗ | Δεν υπάρχουν σχόλια »

ΕΥΚΛΕΙΔΗΣ (περίπου 300 π Χ)

Συγγραφέας: ΗΛΙΑΣ ΓΑΒΡΙΛΗΣ στις 15 Δεκεμβρίου 2024

euclides

Τα “Στοιχεία” του Ευκλείδη, το περίφημο αυτό βιβλίο Γεωμετρίας, είναι το ευρύτερα διαδεδομένο και μελετημένο, μαθηματικό κείμενο όλων των εποχών. Ελάχιστα πράγματα όμως είναι γνωστά για τα βιογραφικά στοιχεία του ίδιου του συγγραφέα τους. Από τα λίγα στοιχεία που σώζουν οι αρχαίοι συγγραφείς, εικάζεται ότι έζησε περί το 300 π.Χ και ότι σπούδασε στην ακαδημία του Πλάτωνα. Αργότερα προσκλήθηκε στην Αλεξάνδρεια από τον Πτολεμαίο τον Α’, όπου δίδαξε στο περίδοξο Μουσείο της πόλης. Σχετικά ο Πρόκλος σώζει ένα ανέκδοτο, για το ότι, όταν ο Πτολεμαίος  ρώτησε τον Ευκλείδη για το αν υπάρχει ευκολότερος δρόμος από τα “Στοιχεία” για να μάθει κανείς Γεωμετρία, ο Ευκλείδης απάντησε αρνητικά: “Μη είναι βασιλικήν ατραπόν επί Γεωμετρίαν”. Απαιτεί δηλαδή κόπο η εκμάθηση των μαθηματικών.

Η πλατωνική σκοπιά που υιοθέτησε ο Ευκλείδης στα “Στοιχεία” φαίνεται και από ένα δεύτερο ανέκδοτο το οποίο σώζει ο Στοβαίος. Εδώ φαίνεται ότι η μελέτη των μαθηματικών δεν πρέπει να γίνεται για πρακτικά μόνο οφέλη αλλά για την ευρύτερη εσωτερική τους αξία (αυταξία). Γράφει λοιπόν ο Στοβαίος:

Παρ’ Ευκλείδη τις αρξάμενος Γεωμετρείν, ως το πρώτον θεώρημα έμαθεν, ήρετο τον Ευκλείδην “τι δε μοι πλέον έσται ταύτα μαθόντι;” και ο Ευκλείδης τον παίδα καλέσας “δος” έφη “αυτώ τριόβολον εξ’ ων μανθάνει κερδαίνειν“. (Κάποιος που άρχισε να διδάσκεται γεωμετρία από τον Ευκλείδη, όταν έμαθε το πρώτο θεώρημα ρώτησε τον Ευκλείδη: “τι έχω να κερδίσω μαθαίνοντας αυτά;” Και ο Ευκλείδης αφού κάλεσε τον παίδα (τον δούλο του) του είπε “δος του μια δεκάρα επειδή αυτός πρέπει να κερδίζει για όσα μαθαίνει).

Ο Ευκλείδης μέσα από τα ΧΙΙΙ βιβλία των στοιχείων του, συστηματοποιούσε και συμπλήρωνε τα μαθηματικά της εποχής του, βελτιώνοντας και συμπληρώνοντας ανάλογα κείμενα των παλαιοτέρων, όπως τα Στοιχεία του Ιπποκράτη του Χίου και τα θεωρήματα του Ευδόξου και του Θεαίτητου. Αλλά ποια ήταν η καινοτομία που επέφερε στα Μαθηματικά; Γνωρίζουμε, λόγου χάρη από τον Αριστοτέλη ότι μέχρι την εποχή του η θεωρία των παραλλήλων ευθειών δεν είχε τεθεί στη σωστή μαθηματική της βάση. Ο Ευκλείδης ήταν ο πρώτος που υιοθέτησε την τολμηρή τακτική να ορίσει ως Αξίωμα μια τέτοια αναπόδεικτη πρόταση. Πολλοί από τους μεταγενέστερους Έλληνες μαθηματικούς ασχολήθηκαν με τα “Στοιχεία” γράφοντας σχόλια και κριτικές (Ήρων, Πάππος, Πρόκλος, Πορφύριος, Απολλώνιος και Ζήνων).

Η συμβολή του Ευκλείδη έμεινε ανεξίτηλη, λέγεται δε ότι τα Στοιχεία έρχονται δεύτερα σε παγκόσμια κυκλοφορία διαμέσου των αιώνων, με πρώτη τη Βίβλο. Κατά τον 8ο αιώνα πέρασαν από τους Βυζαντινούς λογίους, στους Άραβες επισκέπτες της Κωνσταντινούπολης, και εν συνεχεία μεταφράστηκαν στα Αραβικά. Οι πρώτες λατινικές εκδόσεις που σώζονται ως σήμερα είναι μεταφράσεις αυτών, αν και υπάρχουν ενδείξεις ότι ήδη από τον 4ο αιώνα τα Στοιχεία είχαν μεταφραστεί στα Λατινικά.

Εκτός από τα Στοιχεία ο Ευκλείδης συνέγραψε και άλλα έργα. Από αυτά σώζονται σήμερα τα Δεδομένα, το Περί Διαιρέσεων, τα Οπτικά και τα Φαινόμενα, ενώ έχουν χαθεί τα Κωνικά, τα Ψευδάρια, τα Πορίσματα, το Τόποι προς Επιφάνειαν και άλλα. Ο Πρόκλος επίσης αποδίδει στον Ευκλείδη και τις “κατά μουσικήν στοιχειώσεις”.

Κατηγορία ΒΙΟΓΡΑΦΙΕΣ | Δεν υπάρχουν σχόλια »

ΑΠΟΣΤΑΞΗ – ΚΑΘΑΡΙΣΜΟΣ ΥΓΡΩΝ

Συγγραφέας: ΗΛΙΑΣ ΓΑΒΡΙΛΗΣ στις 30 Νοεμβρίου 2024

Η τεχνική της απόσταξης περιλαμβάνει δύο διεργασίες: την ατμοποίηση και την επανασυμπύκνωση. Πάντοτε δύο διακριτά τμήματα συσκευών συναρμολογούνται για να πραγματοποιηθούν οι διεργασίες αυτές, ο βραστήρας και ο συμπυκνωτής. Για να αποστάξει ένα και μοναδικό υγρό, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένα απλό δοχείο απόσταξης, συνδεδεμένο με έναν κατάλληλο συμπυκνωτή. Το προϊόν – συνήθως υγρό – ονομάζεται απόσταγμα. Η απόσταξη είναι η πλέον απλή και κοινώς χρησιμοποιούμενη μέθοδος πιστοποίησης και καθαρισμού των υγρών. Με αυτή διαχωρίζεται ένα πτητικό συστατικό από μη πτητικά, ή πιο συχνά έτσι διαχωρίζονται δύο ή περισσότερες ουσίες που διαφέρουν στα σημεία ζέσεως.

A laboratory distillation apparatus

Η απόσταξη έχει για αρχή την κατανομή των συστατικών μεταξύ του υγρού μίγματος, και του ατμού που είναι σε ισορροπία με αυτό. Δύο φάσεις δημιουργούνται με τη μερική εξάτμιση του υγρού μίγματος, οι οποίες έχουν διαφορετική σύσταση και καθεμία μπορεί να ανακτηθεί χωριστά, με τα πιο πτητικά συστατικά σε μεγάλη συγκέντρωση στον ατμό, και τα λιγότερο πτητικά στο υγρό. Η αποτελεσματικότητα του διαχωρισμού εξαρτάται από τις φυσικές ιδιότητες των συστατικών του μίγματος, τη χρησιμοποιούμενη συσκευή και τη μέθοδο απόσταξης.

Τάση ατμών υγρού

Για να είναι η απόσταξη εφικτή, πρέπει να υπάρχει μια τάση διαφυγής των μορίων του προς απόσταξη υγρού. Τα μόρια αυτά, κινούνται προς όλες τις κατευθύνσεις μέσα στο υγρό, και περιστασιακά έρχονται στην επιφάνεια και διαφεύγουν στο χώρο πάνω απ’ το υγρό ως ατμός. Μόρια που με τον τρόπο αυτό απελευθερώθηκαν από το υγρό, “βομβαρδίζουν” οποιοδήποτε αντικείμενο βρίσκεται μέσα στην εμβέλεια της κίνησής τους, όπως τα άνω τοιχώματα του δοχείου στο οποίο περιέχονται, ή ίσως τη μεμβράνη ενός μανομέτρου. Ο “βομβαρδισμός” αυτός (μοριακές συγκρούσεις) είναι συνεχής προκαλώντας πίεση στα γύρω αντικείμενα. Το υγρό λέμε ότι ασκεί την πίεση των κορεσμένων ατμών. Στην πρώιμη βιβλιογραφία το φαινόμενο συχνά ονομάζεται “τάση ατμών του υγρού” για να διακρίνεται από την κλασσική πίεση που ασκείται από ένα αέριο. Όμως ο όρος οδηγεί σε παρανοήσεις και υπάρχει μια “τάση!” τελευταία να χρησιμοποιείται λιγότερο.

Συνεπώς τα μόρια της επιφάνειας των υγρών, λόγω της κινητικής τους ενέργειας διαφεύγουν από την υγρή στην αέρια κατάσταση, κι από την άλλη μεριά από την αέρια φάση συνεχώς συμπυκνώνονται και επανέρχονται στην υγρή. Έτσι σε ένα κλειστό δοχείο σύντομα, η ταχύτητα εξαέρωσης των μορίων του υγρού, εξισώνεται με την ταχύτητα υγροποίησης των μορίων του ατμού. Λέμε τότε ότι ο ατμός είναι κορεσμένος στη θερμοκρασία του πειράματος και η πίεση που ασκεί σ’ αυτήν την κατάσταση ισορροπίας λέγεται τάση κορεσμένων ατμών του υγρού στη δεδομένη θερμοκρασία. Η πίεση αυτή εκφράζεται συνήθως σε ύψος (mm) στήλης Hg που θα μπορούσε να ασκήσει ισοδύναμη πίεση.

Ισορροπία Υγρού – Ατμού για δυαδικά μίγματα

Θεωρούμε ένα μίγμα από n-εξάνιο (Α) και n-επτάνιο (Β). Τα μόρια του Α έχουν ορισμένη τάση ατμών PA, που είναι μικρότερη από την τάση ατμών PA0  του καθαρού υγρού Α. Όμοια τα μόρια του Β έχουν τάση ατμών PΒ, που είναι μικρότερη από την τάση ατμών PΒ0  του καθαρού υγρού Β. Σύμφωνα με το νόμο του Rault θα έχουμε:

P= ΧΑ .PA0      και    P= ΧB .PB0

P = P+ PB = ΧΑ .PA0 + ΧB .PB0

όπου XA και XB τα γραμμομοριακά κλάσματα των Α και Β στο διάλυμα και P είναι η ολική πίεση στην αέρια φάση πάνω απ’ το υγρό.

Rault Law

Σχήμα: Καμπύλες τάσης ατμών – σύστασης για το σύστημα εξανίου – επτανίου στους 50 0C.

Ο νόμος αυτός ισχύει μόνο για ιδανικά διαλύματα. Με άλλα λόγια, ένα διάλυμα είναι ιδανικό όταν υπακούει στο νόμο του Rault. Ιδανική συμπεριφορά παρατηρείται κυρίως σε μίγματα ουσιών που έχουν χημικές ομοιότητες, όπως στο συγκεκριμένο παράδειγμα του n-εξανίου και του n-επτανίου που φαίνεται στο παραπάνω σχήμα. Τα δεδομένα του σχήματος αναφέρονται σε σταθερή θερμοκρασία.

Πολύ συχνά οι γραμμικές σχέσεις των εξισώσεων: P= ΧΑ .PA0      και    P= ΧB .PB0 ισχύουν μόνο για πολύ αραιά διαλύματα και κυρίως για το συστατικό με τη μεγαλύτερη αναλογία, δηλαδή το διαλύτη. Σε αυτή την περίπτωση η τάση ατμών της διαλυμένης ουσίας, PA, συνήθως υπακούει στο νόμο του Henry, που διατυπώθηκε για πρώτη φορά από τον William Henry το 1804.

P= k.ΧΑ

όπου k μια εμπειρική σταθερά που προσδιορίζεται στην περιοχή που το XA προσεγγίζει το μηδέν.

Στο επόμενο σχήμα παρουσιάζεται η ολική τάση ατμών ενός μίγματος n εξανίου – n επτανίου, συναρτήσει της σύστασης του μίγματος. Η οικογένεια των καμπυλών δείχνει την επίδραση της θερμοκρασίας:

scemaΣχήμα: Επίδραση της θερμοκρασίας στην ολική τάση ατμών για μίγμα εξανίου – επτανίου.

Σχήμα: Η επίδραση της θερμοκρασίας στην ολική τάση ατμών ενός συστήματος εξανίου – επτανίου. Στο διπλανό σχήμα αριστερά, εμφανίζεται η ολική τάση ατμών του μίγματος εξανίου – επτανίου, σχεδιασμένη συναρτήσει της σύστασης του μίγματος και για διάφορες θερμοκρασίες. Η τομή κάθε καμπύλης με την οριζόντια διακεκομμένη γραμμή στα 760 Torr, δίνει το σημείο ζέσεως του αντίστοιχου μίγματος. Από το σχήμα βλέπουμε ότι: ένα διάλυμα 2,5 % κατά mole σε επτάνιο θα βράζει στους 70 0C, αν είναι 46 % κατά mole σε επτάνιο θα βράζει στους 80 0C και 78 % κατά mole σε επτάνιο θα βράζει στους 90 0C. Αν είχαμε περισσότερες γραμμές στο γράφημα, θα βρίσκαμε τη θερμοκρασία βρασμού (σημείο ζέσεως) οποιουδήποτε μίγματος n-εξανίου και n-επτανίου.

Περισσότερες πληροφορίες μπορούμε να αποκτήσουμε, από τη γραφική παράσταση του σημείου ζέσεως, ως συνάρτηση της σύστασης του μίγματος, σε σταθερή πίεση 760 Torr. Επίσης είναι απαραίτητο να εξετάσουμε τη σύσταση του ατμού που διαφεύγει από το διάλυμα.

Αν ΧΑ και ΧΒ είναι τα γραμμομοριακά κλάσματα στην υγρή φάση, και ΥΑ, ΥΒ τα γραμμομοριακά κλάσματα στον ατμό του εξανίου και του επτανίου αντίστοιχα, υπάρχουν οι ακόλουθες απλές σχέσεις μεταξύ της μερικής πίεσης και της σύστασης:

Ο λόγος ΡΑΒ  για τα δύο συστατικά n-εξάνιο (Α) και n-επτάνιο (Β) γράφεται:

ΡΑΒ = ΥΑΒ = (ΧΑ.ΡοΑ)/(ΧΒ.ΡοΒ) = α (ΧΑ/ΧΒ)

όπου το κλάσμα α = (ΡοΑ/ΡοΒ) καλείται  σχετική πτητικότητα του Α ως προς το Β. Αν το συστατικό Α είναι πτητικότερο του Β, τότε ΡοΑ > ΡοΒ και συνεπώς ο λόγος ΥΑΒ πρέπει να είναι μεγαλύτερος από το λόγο ΧΑ/ΧΒ. Αυτή είναι η βασική αρχή της κλασματικής απόσταξης, δηλαδή στη διάρκεια του βρασμού του διαλύματος, ο ατμός εμπλουτίζεται με το περισσότερο πτητικό συστατικό.

Παράδειγμα – Πρόβλημα

Ποια είναι η σύσταση του ατμού που βρίσκεται σε ισορροπία με υγρό που περιέχει 46 % κατά mole επτάνιο και 64 % κατά mole εξάνιο στη θερμοκρασία του σημείου βρασμού του μίγματος;

Από τα δεδομένα του σχήματος παραπάνω βλέπουμε ότι το μίγμα 64 % εξάνιο (Α) – 46 % επτάνιο (Β), βράζει στους 80 0C.

Η τάση ατμών του εξανίου είναι: ΥΑ = ΧΑ.ΡοΑ = 0,54 . 1050 = 567 torr (mm Hg).

Η τάση ατμών του επτανίου είναι: ΥΒ = ΧΒοΒ = 0,46 . 427 = 193 torr (mm Hg).

Η σύσταση του ατμού είναι:  (567/760).100 = 74,5 % κατά mole εξάνιο.

και (193/760).100 = 22,5 % κατά mole επτάνιο.

Συνεπώς έχουμε έναν εμπλουτισμό του ατμού σε εξάνιο, από 54 % σε 74,5 % κατά mole.

Αν υποθέσουμε ότι οι πρώτοι ατμοί που προκύπτουν από την απόσταξη του παραπάνω παραδείγματος συμπυκνώνονται, το υγρό που προκύπτει θα περιέχει 74,5 % mole εξάνιο. Αν αποστάξουμε αυτό το υγρό, ένα όμοιος υπολογισμός με εκείνον του παραπάνω παραδείγματος δείχνει ότι ο ατμός θα εμπλουτιστεί ακόμα περισσότερο (87,5 % κατά mole) σε εξάνιο. Με παρόμοιους υπολογισμούς παίρνουμε τις καμπύλες του παρακάτω σχήματος:

mole fractionΣτο σχήμα έχουμε τη γραφική παράσταση του σημείου ζέσεως έναντι της σύστασης, για το σύστημα εξανίου – επτανίου. Η πάνω καμπύλη δείχνει τη σύσταση του ατμού, και η κάτω τη σύσταση του υγρού μίγματος. Τα ζεύγη των σημείων που σχηματίζονται στα άκρα των οριζόντιων γραμμών που κόβουν τις καμπύλες, δίνουν τη σύσταση του ατμού και του υγρού που βρίσκονται σε ισορροπία. Συνδέουν δηλαδή συστάσεις ατμού – υγρού σε ισορροπία σε διάφορες θερμοκρασίες. Η κάτω καμπύλη δίνει επίσης το σημείο βρασμού (σζ) συναρτήσει της σύστασης για το υγρό.

Ο εμπλουτισμός του ατμού με τον τρόπο αυτό είναι μια συνάρτηση της σχετικής τάσης ατμών των δύο συστατικών. Μία και μόνο απλή απόσταξη ενός μίγματος, δεν είναι δυνατόν να μας δώσει τα καθαρά συστατικά και γι’ αυτό το λόγο είναι απαραίτητη η μελέτη της κλασματικής απόσταξης.

 

Κατηγορία ΦΥΣΙΚΗ, ΧΗΜΕΙΑ | Δεν υπάρχουν σχόλια »