Flüssigkeiten – einige wichtige Eigenschaften
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_________________________ Flüssigkeiten – einige wichtige Eigenschaften __________________________________ Oberflächenspannung: Während die Moleküle im Innern einer Flüssigkeit nach allen Seiten Wechselwirkungen (Anziehungskräften) ausgesetzt sind, sind die Moleküle an der Oberfläche einer Flüssigkeit nur Kräften ins Innere ausgesetzt ⇒ das führt zu einer Reduktion der Oberfläche und zu einer dichteren Packung der Moleküle an der Oberfläche. H2 O Hg Die Oberflächenspannung einer Flüssigkeit ist die zur Vergrößerung der Oberfläche um den Einheitsbetrag erforderliche Energie (H2O bei 20°C: 7.29∗10-2J/m2 d.h. eine Energie von 7.29∗10-2J ist erforderlich um die Oberfläche von Wasser um 1m2 zu vergrößern). Wechselwirkung einer Flüssigkeit mit einer Gefäßwand: H2O ⇔ Glas (SiO2) haben größere Wechselwirkung als H2O ⇔ H2O. Andererseits haben Hg ⇔ SiO2 eine kleinere Wechselwirkung als Hg ⇔ Hg. Es kommt zur Bildung verschiedener Menisken. 181 _________________________ Energieumsatz bei Phasenumwandlungen __________________________________ Jede Phasenumwandlung einer Substanz wird von einer Energieänderung des Systems begleitet. heating heating Wird bei einem Feststoff die Temperatur erhöht, so führt dies zu einer verstärkten Schwingung der Moleküle um ihre Gleichgewichtspositionen. Bei einer bestimmten Temperatur wird die dabei zugeführte Energie so hoch, dass sich die Moleküle aus dem Feststoffverband lösen können und die “freie Beweglichkeit“ von Flüssigkeitsmolekülen erreichen. Dieser Vorgang wird Schmelzen genannt und wird auf Grund der zugeführten Schmelzwärme ∆Hfus (Schmelzenthalpie) induziert. 182 _________________________ Energieumsatz bei Phasenumwandlungen __________________________________ Bei weiterer Temperaturerhöhung wird die Bewegungsenergie der Flüssigkeitsmoleküle weiter erhöht. Ein Maß für diese erhöhte Energie ist die Erhöhung der Zahl der Moleküle in der Gasphase relativ zur Flüssigkeitsphase. Diese Moleküle üben einen Druck – den Dampfdruck – der Flüssigkeit bei dieser Temperatur aus. Erreicht dieser Druck den externen Druck über der Flüssigkeit – meist der Atmosphärendruck – dann siedet die Flüssigkeit. Die dabei zugeführte Wärmemenge ist die Verdampfungswärme ∆Hvap (Verdampfungsenthalpie). Die Moleküle eines Festkörpers können auch direkt in den Gaszustand umgewandelt werden. Die dazu erforderliche Enthalpieänderung wird Sublimationswärme ∆Hsub genannt. ∆H sub = ∆Hfus + ∆Hvap 183 _________________________ Wärmekapazität, spezifische Wärmekapazität, Phasenumwandlungen und damit verbundene Phänomene im Alltagsleben __________________________________ Je mehr Wärme q einem Körper zugeführt wird, desto höher wird seine Temperatur T. Die Beziehung zwischen einer zugeführten Wärmemenge q und der damit bewirkten Temperaturerhöhung ∆T ist: q = C∗∆T C ist dabei die Wärmekapazität (in J/K) der Substanz. Das ist die Wärmemenge, die erforderlich ist, diese Substanz um 1 K (oder 1 °C) zu erwärmen. Die Wärmekapazität von 1 g einer Substanz ist die spezifische Wärmekapazität c (J/Kg): c = C/m (m = Masse der Substanz) ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Ein Eiswürfel kühlt ein Getränk: die für das Schmelzen des Eiswürfels erforderliche Schmelzwärme wird dem Getränk entzogen. Man friert nach warmer Dusche oder warmem Pool: das am Körper anhaftende Wasser verdampft und die dazu erforderliche Verdampfungswärme wird dem Körper entzogen. Kühlschrank: enthält Gas, das unter Druck verflüssigt wird. Flüssigkeit absorbiert Wärme wenn sie dann wieder verdampft und entzieht dabei dem Kühlschrank Wärme. 184 _________________________ Dampfdruck einer Flüssigkeit __________________________________ Die oben stehende Abbildung zeigt die Energieverteilung von Molekülen an der Oberfläche einer Flüssigkeit. Mit steigender Temperatur steigt also die Tendenz von Molekülen in die Gasphase zu entweichen. Ein Gedankenexperiment Zu Beginn läge Vakuum vor (keine Moleküle in der Gasphase ⇒ Ethanol-Moleküle verdampfen in die Gasphase bis sich ein Gleichgewicht einstellt ⇒ Gleichgewichtsdampfdruck. 185 _________________________ Dampfdruck einer Flüssigkeit __________________________________ Eine Flüssigkeit siedet, wenn ihr Dampfdruck gleich dem externen Druck über der Flüssigkeit wird. Der Siedepunkt bei 1 atm ist der Normalsiedepunkt. Der Normalsiedepunkt von H2O ist 100°C. Solange beim Kochen noch H2O im Topf ist, steigt die Temperatur nicht über 100°C. Wird in den Bergen gekocht, dann siedet Wasser wegen des geringeren Druckes bei niedrigerer Temperatur und es dauert länger bis die Speise gegart ist. 186 _________________________ Kolligative Eigenschaften von Lösungen __________________________________ Beim Übergang von reinen Flüssigkeiten zu Lösungen kommen besondere Eigenschaften zum Tragen. Reines Wasser friert bei 0°C, aber wenn Ethylenglykol zugegeben wird, erniedrigt sich der Gefrierpunkt im Vergleich zu reinem Wasser (siehe Kühlwasser beim Auto). Zusätzlich wird der Siedepunkt dieser Lösung über den Siedepunkt von reinem Wasser erhöht, so dass der Motor bei höherer Temperatur betrieben werden kann. Die Gefrierpunktserniedrigung und die Siedepunktserhöhung von Lösungen sind physikalische Eigenschaften, die von der Zahl der gelösten Moleküle und nicht von deren Art abhängen. Derartige Eigenschaften werden kolligative Eigenschaften genannt. Auch die Dampfdruckerniedrigung ist eine kolligative Eigenschaft. 187 _________________________ Kolligative Eigenschaften von Lösungen: Dampfdruckerniedrigung __________________________________ Bei Zugabe eines nichtflüchtigen Stoffes zu einem Lösemittel ⇒ Dampfdruck des Lösemittels wird erniedrigt. Dieser Effekt ist in der untenstehenden Abbildung verdeutlicht. Das Ausmaß der Dampfdruckerniedrigung ist proportional der Konzentration des nichtflüchtigen Stoffes. Diese Beziehung wird durch das Raoult´sche Gesetz beschrieben: p A = x A ∗ p A0 p A = Dampfdruck ⋅ der ⋅ Lösung p A0 = Dampfdruck ⋅ des ⋅ reinen ⋅ Lösemittels x A = Stoffmengenanteil ⋅ des ⋅ reinen ⋅ Lösemittels x A < 1 ⇒ p A < p A0 188 _________________________ Kolligative Eigenschaften von Lösungen: Gefrierpunktserniedrigung und Siedepunktserhöhung __________________________________ Wie wird sich das Phasendiagramm einer Lösung und damit deren Siede- und Gefrierpunkt ändern ? Die Zugabe eines nichtflüchtigen Stoffes erniedrigt den Dampfdruck der Lösung relativ zum reinen Lösemittel. Der Verlauf der Phasentrennlinie flüssig/gasförmig (liquid/gas) verläuft also unter der entsprechenden Trennlinie des reinen Lösemittels und die entsprechenden Schnittpunkte bei 1 atm liefern dann den erhöhten Siedpunkt bzw. den erniedrigten Gefrierpunkt. Siede/Gefrierpunkt des reinen Lösemittels Siede/Gefrierpunkt der Lösung ∆Tb = Kb∗m ∆Tf = Kf∗m Kb, Kf: Lösemittel-spezifische Konstanten m: Molalität des gelösten Stoffes (Zahl der Mole des gelösten Stoffes pro 1000 g Lösemittel) Kb für H2O: 0.51 (°C/m) Kf für H2O: 1.86 (°C/m) 1 molale NaCl ⇒ 1m in Na+ und 1m in Cl- ⇒ 2 m in gelösten Teilchen (Ionen) ⇒ ∆Tb = 1.02°C 1 molale Glukose ⇒ 1m in C6H12O6 ⇒ ∆Tf = 1.86°C 189 _________________________ Mischung flüchtiger Flüssigkeiten __________________________________ Bei der Behandlung binärer Mischungen, deren Komponenten beide flüchtig sind, interessiert uns besonders die Beziehung zwischen Siedepunkt und Zusammensetzung der flüssigen Mischung. Diese Abhängigkeit ist entscheidend für die destillative Trennung von Flüssigkeiten. Siedediagramm einer binären Mischung zweier flüchtiger Flüssigkeiten A und B: Die waagrechte Verbindungslinie verläuft zwischen zwei Punkten, die die Zusammensetzung von Flüssigkeit und Dampf angeben, die bei der betreffenden Temperatur im Gleichgewicht stehen. Die untere Kurve beschreibt die Abhängigkeit des Siedepunktes der Mischung von deren Zusammensetzung. Fraktionierte Destillation: durch wiederholte Verdampfung und Kondensation wird die leichter flüchtige Komponente rasch angereichert. Zusammensetzung der Flüssigkeit B A 190
