Faslära Flashcards
System:
System: Avgränsat område som studeras. Det är ett avgränsat område som man är intresserad av att studera, kan vara de ämnen som finns i en bägare.
Fas: Homogen del av ett system (Is, saltlösning och fast fas – 3 områden som är väl separerade) är homogena= samma konc. över allt, samma P och samma T. Även fast blandningen av tre ämnen är heterogent kan systemet innehålla tre faser som är homogena. En fas kan vara fast (s),
flytande (l) eller gas (g) och utgörs av rena ämnen eller lösningar. I ett system finns aldrig mer
än en gasfas då alla gasblandningar är homogena.
Homogen: Sammansättningen och andra väsentliga egenskaper (T, P) är oberoende av mängden substans. Om systemet är homogent kommer blandningen att vara likartad, där alla ämnen
är blandade. Egenskaperna kommer att vara samma i hela blandningen.
Heterogen: Flera faser samtidigt. Provet består av klumpar. Kan se ut som om man blandar ihop homogen blandning med mixer. Men att varje bubbla i dem är homogen. Om systemet är heterogent kommer blandningen att vara olikartat, de olika faserna kommer att vara separerade.
Mjölk: Fettdroppar i vatten är heterogen.
För att bestämma om en blandning är homogen eller heterogen: Kan man kolla i mikroskop.
Homogen vätska är transparent !!!!
Kondenserade faser: vätska (l) och fast (s). Fasta och flytande faser.
Komponenter: De ämnen med vilka ett system kan realiseras.
Antalet komponenter är det minsta antalet ämnen som krävs (”måste tillsättas”) för att beskriva sammansättningen hos varje fas i systemet. Ämnen som behövs för att skapa system (T.ex. Vatten och salt, Na+ och Cl- kan skapa saltlösning)
Om ett system innehåller H2O (s), H2O (l) och NaCl kommer komponenterna att vara H2O och NaCl.
Salt och vatten i saltlösning
Mättad = Mycket salt —> Faller ut fast salt (Inte bara NaCl, utan även NaCl * 5H2O)
Fasdiagram
Fasdiagram
Diagram som åskådliggör sambandet mellan fasers existensområde och tillståndsvariabler vid jämvikt
En komponent (vatten)
- Tillståndsvariabler: tryck (P), temperatur (T) på x- och y-axlar med har vi T och P.
Is, vätska, vattenånga. Vid olika tryck och olika temp. Detta är rent ämne (Inte blandning, utan bara vatten)
Två komponenter (järn, kol): Stål för man med dessa komponenter:
Temp. på y-axel och mol procent kol är x-axel.
- Tillståndsvariabler: T, sammansättning (%C)
Obs! Här hålls variabeln P konstant
Fasdiagram: Är ett diagram som visar sambandet mellan fasers existensområde och
tillståndsvariabler. Man kan se när en fas går över i en annan fas genom ändrat tryck,
temperatur eller koncentration av ämnena. En tillståndvariabel kan vara tryck (P), temperatur
(T), sammansättning (%C), detta är då koncentrationen av ingående variabler. Ett fasdiagram
visar vad som händer när systemet är i jämvikt.
Med fasdiagram kan man bestämma om de skiljer sig, man kan sammanfatta för en speciell sammansättning och olika blandnings beteende.
Gibbs fasregel
Gibbs fasregel
f = k – p + 2
f = Antalet frihetsgrader
= antalet oberoende tillståndsvariabler
= antalet ”axlar” som måste användas för att rita ett fullständigt fasdiagram
k = Antalet komponenter
p = Antalet faser (i jämvikt)
2 = Tryck och temperatur
I ett provrör med 3 faser, om man blandar dem och låter dem stå.
Alla 3 komponenter kan vara fördelade i olika faser i olika konc.
Alfa kan vara i olika konc.: A alfa, B alfa och C alfa i de olika 3 komponenter, samma gäller för Beta och Gamma.
XA + XB + XC = 1
f = P(K – 1) - K(P – 1) + 2
K (En konstant) = Konc A alfa / Konc. A beta
Ovan K är konstant
För att alla är i jämvikt (Alfa är i jämvikt med gamma)
Tillståndsvariabler: Oftast tryck, temperatur, och sammansättningsvariabler (koncentrationen av ingående komponenter). Fasregeln tar hänsyn till att alla variabler inte är oberoende av varandra.
Exempel:
1) För att ange sammansättningen i ett två-komponentsystem räcker det med att specificera molbråket för en komponent (eftersom XB = 1-XA).
2) En fördelningskonstant är ett samband mellan två sammansättningsvariabler, nämligen koncentrationen av ett ämne i två faser i jämvikt med varandra
Gibbs fasregel: f = k - p + 2.
Tvåan står för tryck och temperatur
Om man tar ett enkomponentsystem som exempel, CO2.
K= 1 och p=1 (då minst en fas alltid finns)
—> f= 1-1+2=2, alltså måste ett fullständigt fasdiagram ha två axlar
Tillämpning av Gibbs fasregel
Tillämpning av Gibbs fasregel
En-komponentsystem:
k = 1
p ≥ 1 (minst en fas finns alltid)
f = k – p + 2 = 3 – p ≤ 2
Resultat:
Ett fullständigt fasdiagram måste ha två axlar.
Exempel: P-T diagram
P-V diagram
Systemet har två, en eller inga frihetsgrader beroende på hur många faser som finns i jämvikt med varandra.
(forts. en komponent)
(forts. en komponent)
Enfasområden:
f = 2
Två variabler måste specificeras för att bestämma systemets tillstånd.
Enfasområde: Här är alltid f=2 om fasdiagrammet har en komponent. Detta innebär att två
variabler måste specificeras för att bestämma systemets tillstånd, ex tryck och temperatur.
Ändrar man temperaturen kommer trycket att vara samma och ändrar man trycket kommer
temperaturen att vara densamma, de är ej beroende av varandra.
Tvåfaslinjer:
f = 1
En variabel måste specificeras för att bestämma systemets tillstånd.
Om systemet består av is och ånga räcker det med att ange temperaturen för att veta trycket (om fasdiagrammet finns tillgängligt).
Vid ett givet tryck kan inte temperaturen ändras så länge fast fas och vätska finns närvarande.
Tvåfaslinjer: Här är alltid f=1 om fasdiagrammet har en komponent. En variabel måste
specificeras för att bestämma systemets tillstånd. Om systemet består av is och ånga räcker
det med att ange temperaturen för att veta trycket (om fasdiagrammet finns tillgängligt). Vid ett givet tryck kan inte temperaturen ändras så länge fast fas och vätska finns närvarande.
Befinner man sig på en tvåfaslinje och ändrar trycket kommer temperaturen automatisk att hänga med, och om man ändrar temperaturen kommer trycket att hänga med, då systemet följer linjen
Trefaspunkt:
f = 0
Fast , flytande och gasfas kan bara vara i jämvikt vid en temperatur och ett tryck (trippelpunkten).
Vid jämvikt kan varken tryck eller temperatur ändras så länge dessa tre faser finns närvarande.
Trefaspunkt: Här är alltid f=0 om fasdiagrammet har en komponent. Kallas även trippelpunkt.
Fas, flytande och gasfas kan bara vara i jämvikt vid en temperatur och tryck. Vid jämvikt kan
varken tryck eller temperatur ändras så länge dessa faser finns närvarande
En kritisk punkt är de förhållanden (temperatur, tryck) bortom vilken skillnaden mellan vätska och gas upphör och ämnet blir superkritiskt.
Fasdiagram sammanfattar
Fasdiagram sammanfattar på ett systematiskt sätt de fysikaliska förändringar rena ämnen eller blandningar kan genomgå vid upphettning och kylning eller förändring av sammansättningen. De är därför till stor hjälp i många farmaceutiska sammanhang. Den stora mängden information som ryms i fasdiagram för fler- komponentsystem kan dock vara överväldigande.
För att tolka komplexa fasdiagram måste man lära sig känna igen typiska utseenden för fasjämvikter: gas-vätska, vätska-vätska, vätska-fast, fast-gas, och fast-fast.
Med ovan diagram kan man känna igen områden:
Heterogena jämvikten gas-vätska, vätska-vätska, vätska-fast, fast-gas, och fast-fast
Molbråk: XA = CA / CA+CB+CC
Molförehållende: nA/nB = cA/cB
Två-komponentsystem
Två-komponentsystem
f = k – p + 2 = 4 – p ≤ 3
Ett fullständigt fasdiagram med 2 komponenter kräver tre axlar: P, T, XA (Molbråk av A)
Av praktiska skäl brukar begränsa sig till snitt som gäller vid konstant P eller T
3D diagram —> Man förenklar och gör 2 axlar, kan man säga att P är som atmosfärtryck och är konstant.
Ett fullständigt fasdiagram kräver tre axlar (P, T och XA). Av praktiska skäl brukar man
begränsa sig till två axlar, där antingen T eller P är konstant.
- Jämvikt vätska - gas
- Jämvikt vätska - gas
a) Ideal blandning av A och B i vätskan
Antingen P eller T konstant
Fasdiagram fick man av 2 komponenter A och B i olika proportioner och undersökte hur det ser ut i prover. Man ökar T och se vad kommer att hända OSV
Området mellan blå och svart linje är en jämvikt mellan gasfas och lösningsfas, men det beror på var man är i diagrammet.
Bägare med vätska med A och B: Vätskan är stabil tills den börjar koka, en blandning kokar olika, för att den består av olika ämnen som har olika kokpunkter och kondenseringspunkter.
Gas som ska kondenseras, får vi unika kondenseringspunkter (Dessa är 2 komp = 2 ämnen)
Går till fasen som ger längste Gibbs energi och terminala energi.
2 frihetsgrader (2 axlar - XA och T). Två ämnen som kan blandas i olika XA och XB.
Dessa fasdiagrammen kan användas för att separerar dessa två komponenter.
- Vätska-gas
Mellan den blåa och svarta linjen kallas ett tvåfasområde, här kommer blandningen
av A och B vara i jämvikt. Här är då trycket konstant. Den svarta linjen är kokpunkten
där varje sammansättning har olika kokpunkt. Ju mindre ämnena trivs med varandra
kommer de att vilja repellera varandra mer, vilket ger en lägre kokpunkt. Den svarta
linjen visar också sammansättningen av den flytande fasen i ett prov.
Den blåa linjen visar kondensationspunkten samt vilken molfraktion gasen har. Om
man utgår från a2 som förklarar vilken molfraktion vätskefasen har så kommer a’2 visa
vilken molfraktion gasen har av den mängden som befinner sig i jämvikt.
Om man har en blandning av gas och en vätska kan man extrahera så att man bara får
vätskan. Om man börjar vid punkten a2 så kommer a’2 visa hur stor fraktion som är
gas. Fångar man in denna gasen och kyler ned den kommer man att få en vätska som
har en molfraktion på a3. Detta kan man göra tills man får 100% vätska.
b) Icke-ideal blandning av A och B i vätskan
b) Icke-ideal blandning av A och B i vätskan
Här: repulsion (Attraktion) mellan A och B
Konsekvens för fraktionerad destillation:
Lågkokande azeotrop bildas (vid punkten b)
Rent A vid 1
0 = B
Men vi sänker T i början för att vi har intermolekylära krafter, de vill inte vara i kontakt och molekyler ligger i kontakt med andra molekyler och blir känsliga. Och vill undvika varandra genom att gå till gas fasen.
Heterogen jämvikt g och l
Detta är en icke-ideal blandning. Detta betyder att ämne A hellre binder till själv än till
ämne B. Vid vissa temperaturer och tryck kan de blanda sig, men inte alla.
Kokpunkten för en blandning är lägre än kokpunkten för B, på så sätt kan man se att
det är en icke-ideal blandning. Det är lägst kokpunkt vid molbråket 0,5 för att där är
det störst chans att de träffar på varandra —> evaporerar snabbare för att komma så
långt ifrån varandra som möjligt.
Om man ska extrahera en blandning där man når en kritisk punkt (azeotrop) (b)
kommer man inte kunna extrahera mer än så. Kokar man upp blandningen så får man
en viss mängd gas, kyler man sedan ner den mängden kommer man att få samma
mängd vätska.
- Jämvikt vätska - vätska
- Jämvikt vätska - vätska
För sammansättningar och temperaturer under tvåfas-linjen sker fasseparation:
En vätskefas (Beta) rik på nitrobensen står i jämvikt med en fas rik på hexan (Alfa)
Den fas som har högst densitet hamnar underst i provröret
2 komponenter, P är konstant. Axlar är molbråk och T
Vid höga temp. är det bara vätskefas. Men med olika Molbråk av nitrobensen blandad i hexan
—-> Tvåvätskefaser: Då står båda ämnena i jämvikt med varandra.
Under svarta och blåa linjen ser den ut som provröret, utanför linjen är den antingen Alfa eller beta fasen.
Över kritisk punkt blandar dem sig bättre, det beror på att då är det svårare för intermolekylära krafter att hålla i sig. Entropi ökar med ökande T och att molekyler kan flytta till andra faser
Vätska-vätska
Vid punkten i mitten kommer provet att vara fasseparerat. Det finns en alfa-fas och en beta-fas. Hur mycket av varje fas det finns kan beräknas med hävstångsregeln
nAlfa * lAlfa = nBeta * lBeta
Detta är ett system som innehåller Hexan och Nitrobensen. För sammansättningar och temperaturer under tvåfasområden kommer en fasseparation att ske. Den fas som har högst densitet hamnar underst i provröret. I blandningar utanför tvåfasområdena kommer de två komponenterna att vara blandbara.
Den kritiska punkten visar den punkten där de två vätskorna är blandbara med varandra,
oavsett proportioner. Ju större tvåfasområde desto sämre blandas de med varandra.
Andra exempel på fasdiagram med jämvikt vätska –vätska (vanliga när vatten ingår)
Andra exempel på fasdiagram med jämvikt vätska –vätska (vanliga när vatten ingår)
Molekyler kan bli sämre lösta i vatten vid låga T, där vatten förlorar entropin.
Höga T, kan det samverka med S och då får man övre och undre kritisk punkt (Loop).
- Fasdiagram med jämvikter både mellan gas – vätska och vätska - vätska
- Fasdiagram med jämvikter både mellan gas – vätska och vätska - vätska
Gasfas: Fullständig blandbarhet (gäller gas alltid)
Vätskefas: Fullständig blandbarhet
b) Fasdiagram utan kritisk punkt i vätskefas.
b) Fasdiagram utan kritisk punkt i vätskefas.
Uppkommer när tvåfasområdena g – l och l – l ”smälter” samman
Tre faser i jämvikt:
Vätska 1, gas, vätska 2
f = 2 – 3 + 2 = 1
Konstant tryck —> f = 0
T kan inte ändras när alla tre faserna finns närvarande.
Obs!
Trefaslinje: 2 vätskor med 1 gas
Vart man än befinner sig på trefaslinjen kommer två vätskefaser och en gasfas stå i jämvikt med varandra.
Vid trefaslinjen finns en punkt, den kallas för den eutektiska punkten. Den eutektiska punkten kommer att visa den lägsta temperaturen för en blandning kan existera (den lägsta smältpunkten). Här kommer temperaturen i blandningen inte att öka förrän alla faser har omvandlats till gas (vid konstant tryck), all värme går åt till fasomvandling. Ett eutektikum uppkommer när ämnena har fullständig blandbarhet i vätska men ej i fast fas.
- Jämvikt fast fas - vätska
- Jämvikt fast fas - vätska
a) Icke-blandbarhet i fast fas, fullständig blandbarhet i vätska
Inte gemensam kristall, vägrar att blandas med varandra, men det finns driftkraft att de blandas tillsammans.
I tomma diagram kan man kolla upp smältpunkt och kokpunkt för de olika ämnena.
Dessa ämnen kommer ej att vara blandbara i fast fas, men i vätskeform kommer de att vara fullständigt blandbara.
Vid den eutektiska punkten kommer de två fasta ämnena i en viss proportion smälta och vara fullständigt blandbara. Den eutektiska punkten visar en jämvikt mellan två fasta faser och en flytande. Uppkommer när vätskorna (icke-ideala) är fullt blandbara i alla temperaturer, men den fasta blandbarheten är partiell. Den blåa linjen visar vätskans sammansättning.
- Jämvikt fast fas - vätska
- Jämvikt fast fas - vätska
a) Icke-blandbarhet i fast fas, fullständig blandbarhet i vätska
Eutektisk punkt (e): (av grek. eutectos = lättsmält)
Två fasta faser smälter samman till vätska med intermediär sammansättning.
Tre faser i jmv:
f = 1
Konstant tryck —> f=0
T kan ej ändras
Eutektisk reaktion:
s1 + s2 —> l
Här: A(s) + B(s) —> l (sker vid värmning)
Ex: xB = 0.3
Vid T1: Bägare med vätska som består egentligen av A och B.
Vid T2: Bägare med vätska och A(s)
Vid T3: A(s) + B(s) + vätska
Vid T4: 2 fasta A och B
Två fasområde kan vi aldrig ha nära varandra. Men i detta fall har vi egentligen en tre fas område. I trefaslinjen har vi tre faser.
f= k-p+1
2-3+1 = 0
1 för att P är konstant
l —> A(s) + B(s)
Mot höger är kylning
Mot vänster är värmning
