Φυσικοχημεία Ι (414)

Ως συνήθως και κατόπιν αιτήματος του ακροατηρίου, στην αρχή συζητήσαμε δύο από τις ασκήσεις της προηγούμενης ημέρας του ημερολογίου. Μετά ασχοληθήκαμε με την βασική σχέση για το χημικό δυναμικό ενός συστατικού σε μία φάση dμ = -s dT + v dP. Σχεδιάσαμε καμπύλες για το μ συναρτήσει θερμοκρασίας με επιλεγμένη σταθερή πίεση και το ανάποδο, δηλ. καμπύλες του μ συναρτήσει της πιέσεως για επιλεγμένη σταθερή θερμοκρασία. Είδαμε την κλίση και την καμπυλότητα των διαγραμμάτων. Σχεδιάσαμε στους ίδιους άξονες και μια δεύτερη φάση, π.χ. την αέρια και την υγρή, τις είδαμε να τέμνονται και βγάλαμε συμπεράσματα για τις περιοχές σταθερότητας κάθε φάσεως, καταλήγοντας στην έννοια του σημείου ζέσεως. Παρομοίως εξετάσαμε την σχέση των χημικών δυναμικών μεταξύ ενός στερού και ενός υγρού και βρήκαμε στην ισορροπία των δύο φάσεων το σημείο τήξεως (που είναι και πήξεως).
Καταγράψαμε σε νέο διάγραμμα τα σημεία ζέσεως για διάφορες πιέσεις και σχηματίσθηκε η καμπύλη ισορροπίας της υγρής με την αέρια φάση. Παρομοίως από τα σημεία τήξεως προκύπτει η καμπύλη ισορροπίας στερεών και υγρών ή από τα σημεία εξαχνώσεως η καμπύλη ισορροπίας στερεής και αέριας φάσεως μιας ουσίας. Έτσι σχηματίζεται ένα διάγραμμα φάσεων μιας ουσίας με καμπύλες για τις συνθήκες ισορροπίας μεταξύ φάσεων (με ένα βαθμό ελευθερίας) και περιοχές μεταξύ των καμπυλών που υπάρχει μια φάση κάθε φορά (με 2 βαθμούς ελευθερίας).
Αναφερθήκαμε σε ποιοτικά χαρακτηριστικά των διαγράμματων φάσεως και την σημαντική διαφορά που παρουσιάζει το διάγραμμα φάσεων του νερού από τις περισσότερες ουσίες, όσον αφορά την κλίση της καμπύλης ισορροπίας μεταξύ στερεής και υγρής φάσεως.

Βιβλιογραφία:
Κατσάνου: σελ. 119-126
Atkins και de Paola: 4 - 4.4(β)
Γιαννακόπουλου: σελ. 266-170

Άσκηση: Πόσο μεταβάλλεται το χημικό δυναμικό των 14.7 mol σιδήρου όταν αυξάνεται η θερμοκρασία του από 30 σε 300 °C. Η γραμμομοριακή θερμοχωρητικότητα υπό σταθερή πίεση του στερεού σιδήρου είναι C_p° = A + B*t + C*t² + D*t³ + E/t², όπου t = T/1000 K, A = 18.42868, B = 24.64301, C = -8.913720, D = 9.664706, E = -0.012643 σε J K^-1 mol^-1, στο διάστημα θερμοκρασιών 298 Κ με 700 Κ. Ο συντελεστής διαστολής του είναι 11.6×10^-6 Κ^-1.

Άσκηση: Η τήξη του νερού παρατηρείται σε θερμοκρασία 273.15 K και πίεση 101325 Pa. Διατηρώντας την ίδια θερμοκρασία και αυξάνοντας την πίεση μπορούμε να έχουμε ισορροπία στερεής και υγρής φάσεως;

Σημείωση: Μπορεί αρκετά δεδομένα να παρέχονται στις εκφωνήσεις των ασκήσεων, αλλά μπορείτε να βρίσκετε πολλές πληροφορίες στο CRC Handbook of Chemistry and Physics και στην ιστοσελίδα https://webbook.nist.gov/chemistry/.