Dvokomponentni sistemi: razblaženi rastvori Pod rastvorom se podrazumeva jednofazni sistem (bilo kog agregatnog stanja) od dve ili više komponenata u kome su hemijske vrste koje ga sačinjavaju dispergovane do veličine molekula. Pretpostavka: razmatraju se sistemi čije komponente međusobno hemijski ne reaguju i koji ne podležu elektrolitičkoj disocijaciji

Tipovi rastvora Rastvorak Primer Faza Rastvarač gas gas vazduh Gas Tečnost gas tečnost Koka-kola Tečnost tečnost tečnost antifriz Tečnost čvrsto tečnost Koka-kola Čvrsto gas čvrsto H2 u Pt Čvrsto čvrsto čvrsto legure

Koncentracija rastvora Definition Jedinice Symbol Maseni procenti % m/m (mrastvorak/mrastvor ) x100 Zapreminski proc. % v/v (vrastvorake/vrastvor ) x100 Masa/zapremina proc. % m/v (mrastvorake/vrastvor ) x100 Parts per million ppm mgrastvorak/Lrastvor Parts per billion ppb µgrastvorak/Lrastvor Molarnost Molalnost M m molrastvorak/Lrastvor molrastvorak/kgrastvarač

Maseni % rastvorka Mas % rastvorak= x 100 ppm rastvorak = x 10 6 masa rastvorka Totalna masa rastvora Mas % rastvorak= x 100 masa rastvorka totalna masa rastvora ppm rastvorak = x 10 6 Kada je koncentracija tako niska da je d ~ dvoda: ppm rastvorak(vodeni rastvor) = mg rastvorak / Lrastvor ppb rastvorak = mass % x 10 9 ppb rastvorak (vodeni rastvor) = µg rastvorak / Lrastvor

Način izražavanja koncentaricije zavisi od osobina komponenata Ako su komponente sličnih tački ključanja i topljenja onda se koriste molski udeli. Ako se komponente veoma razlikuju, onda se korste molaliteti ili molariteti

Koligativne osobine Pri dodavanju rastvorka rastvaraču, osobine rastvarača se modifikuju. Napon pare opada Tačka mržnjenja opada Tačka ključanja raste Osmoza je moguća (osmotski pritisak) Ove promene se zovu KOLIGATIVNE OSOBINE. Ove osobine zavise samo od BROJA čestica rastvorka a ne i od PRIRODE I VRSTE rastvorenih čestica.

Koligativne osobine Kada se govori o koligativnim osobinama, pretpostavlja se da je: rastvorak neisparljiv tj. ne učestvuje u gasnoj fazi, da ne gradi čvrst rastvor sa rastvaračem njegova količina je mnogo manja od količine rastvarača, pa je stoga rastvor razblažen rastvorak ne menja svoj hemijski oblik pri rastvaranju tj. ne reaguje hemijski sa rastvaračem, ne asosuje niti disosuje pri rastvaranju

čist rastvarač Rastvarač+rastvorak

Koligativne osobine Napon pare neke supstancije određen je težnjom čitavog sistema da isparavanjem pređe u neuređenije stanje. Ako se supstancija rastvori u rastvaraču postići će se već u tečnom stanju veći stepen neuređenosti nego u rastvaraču pa će se smanjiti težnja za isparavanjem i čitav sistem će postići isto povećanje entropije kada manja količina rastvarača ispari. Time se snižava napon pare rastvarača, a tačka ključanja povećava. Pri mržnjenju, jednakost hemijskih potencijala izmađu tečnog rastvora i čvrstog rastvarača će se postići pri nižoj temperaturi nego kod čistog tečnog rastvarača, jer prisustvo rastvorka u rastvoru dovodi do povećane entropije, pa će sistem težiti da zadrži stanje veće entropije i rastvor će mrznuti na nižoj temperaturi od čistog rastvarača.

Koligativne osobine Sniženje napona pare Relativno sniženje isto za sve rastvore iste koncentracije (nezavisno od prirode rastvarača) ne zavisi od temperature Da bi ovo bilo ispunjeno potrebno je da je diferencijalna toplota razblaživanja jednaka nuli tj. da je rastvor idealan Rastvarač Rastvor

Koligativne osobine Sniženje napona pare Relativno sniženje Uticaj rastvorka na napon pare rastvora isto za sve rastvore iste koncentracije (nezavisno od prirode rastvarača) ne zavisi od temperature Da bi ovo bilo ispunjeno potrebno je da je diferencijalna toplota razblaživanja jednaka nuli tj. da je rastvor idealan Rastvarač Molekuli rastvarača Rastvor Neisparljivi molekuli rastvorka

Isparavanje čistog rastvarača i isparavanje rastvora

Koligativne osobine-sniženje napona pare Von Babo Raoult p = p0x1 Raulov zakon:u razblaženom rastvoru napon pare isparljivog tastvarača srazmeran je svojoj koncentraciji u rastvoru izraženoj u molskim frakcijama, pri čemu je konstanta proporcionalnosti jednaka naponu pare čistog rastvarača.

Koligativne osobine-sniženje napona pare Merenjem relativnog sniženja napona pare moguće je odrediti molarnu masu rastvorene supstancije M2 Metode za merenje relativnog sniženja napona pare: diferencijalna, dinamička, transpiraciona, metoda tačke rose ili izopiestička

povišenje tačke ključanja Koligativne osobine- povišenje tačke ključanja Tk = Tk  Tk0 AB (p0 p) /p0 AC Relativno sniženje napona pare razblaženog rastvora srazmerno je molskoj frakciji rastvorene supstancije (što predstavlja drugi oblik Raulovog zakona) pa je i povišenje tačke ključanja srazmerno samo koncentraciji rastvorka u molskim frakcijama, a ne zavisi od njegove prirode.

Koligativne osobine Povišenje tačke ključanja Tečnost Čist tečni rastvarač Čvrsto Rastvor Čist čvrst rastvarač Tačka ključanja rastvora Tačka ključanja rastvora rastvarača Tačka ključanja rastvarača Trojna tačka rastvora

povišenje tačke ključanja Koligativne osobine- povišenje tačke ključanja Ravnoteža tečni rastvor-para na Tk - za x2= 0 x2<<1 ln(1 x2)   x2

povišenje tačke ključanja Koligativne osobine- povišenje tačke ključanja Lisp,m =Hisp,m Tk  Tk0  Tk02 m-molalnost ebulioskopska konstanta

Koligativne osobine Sniženje tačke mržnjenja Tečnost Čist tečni rastvarač Čvrsto Rastvor Čist čvrst rastvarač Tačka ključanja rastvora Tačka mržnjenja rastvora rastvarača Tačka ključanja rastvarača Trojna tačka rastvora

sniženje tačke mržnjenja Koligativne osobine- sniženje tačke mržnjenja Ravnoteža čvrst rastvarač-para - Ravnoteža prehlađeni rastvarač-para p č = p1 P t=p1o p1/pt = x1 na Tm x2<<1, ln(1 x2)   x2

sniženje tačke mržnjenja Koligativne osobine- sniženje tačke mržnjenja Sniženje tačke mržnjenja izvedeno uz aproksimacije: da se para (iznad čvrste kao i iznad tečne faze) ponaša po zakonima idealnog gasnog stanja da je zapremina pare mnogo veća od zapremine tečnosti odnosno čvrste faze da za rastvarač važi Raulov zakon latentna toplota topljenja čvrstog rastavarača je konstantna, nezavisna od temperature rastvorak je neisparljiv, nije asosovan ni disosovan u rastvoru i da ne gradi jedinjenje sa rastvaračem da se samo rastvarač izdvaja kao čvrsta faza

sniženje tačke mržnjenja Koligativne osobine- sniženje tačke mržnjenja Ispravnost primenjenih aproksimacija proverava se poređenjem rezultata eksperimentalnih merenja sa rezultatima dobijenim teorijskim izračunavanjem. Pokazalo se da je sniženje tačke mržnjenja zaista srazmerno molalitetu rastvora. Slaganje izmerene i izračunate vrednosti za krioskopsku konstantu za poznatu molalnost rastvora. Primena: antifriz (glikol), krv kod polarnih životinja (glicerol)

Kf and Kb (°C kgsolvent mol -1solute) Rastvarač Sirćetna kiselina Benzen Kamfor t.t. (°C) Kf t.k.(°C) Kb Voda 0.00 1.86 100.0 0.512 16.6 3.90 118.5 3.07 5.5 5.1 80.1 2.53 178 40 208.1 5.95

Van’t Hoff-ov faktor i Faktor koji uzima u obzir odstupanje koligativnih osobina zbog elektrolitičke osobine rastvorka da disosuje na jone i time povećava broj čestica u rastvoru Može se meriti kao: Tipične vrednosti za neelektrolite (urea, saharoza, glukoza) i=1 Za elektrolitičke rastvore Elektrolit Idealno i Mereno i NaCl HIO3 MgCl2 AlCl3 2 3 4 1,9 1,7 2,7 3,2

Koligativne osobine rastvora elektrolita 1.00 m NaCl u vodi: T.M.= -3.37C (ne –1.86C kako se očekuje)! Koligativne osobine zavise od broja čestica Setimo se: NaCl Na+ + Cl- Imamo 2.00m čestice i treba da dobijemo T.M: -(2x1.86o C) = -3.72oC Uticaj unutrašnjih privlačenja dovodi do razlike u izmerenoj i izračunatoj vrednosti T.M. za jonske vrste. Van’t Hoff-ov faktor omogućava nalaženje stepena disocijacije elektrolita

Osmoza Osmoza je kretanje vode (rastvarača) kroz polupropustljivu membranu iz oblasti nižeg osmotskog potencijala u oblast višeg osmotskog potencijala molekuli vode molekuli rastvorka Kretanje vode razblažen rastvor koncentrovani rastvor

Čist rastvarač/rastvor 48 feet Morska voda Čista voda Sea water Pure Water

Koligativne osobine Osmoza Razblaženi rastvor Koncentrovani rastvor Polupropustljiva membrana Rastvarač prolazi a rastvorak ne!

Osmoza Osmoza je pojava spontanog prolaska rastvarača kroz polupropustljivu membranu u rastvor, ili generalano prolaz rastvarača iz razblaženijeg u koncentraovaniji rastvor, kada su rastvori razdvojeni polupropustljivom membranom, naziva osmozom.

Osmoza Ako se posuda koja je povezana sa živinim manometrom napuni rastvorom i zatvori, a zatim spusti u čist rastvarač, tada usled osmoze rastvarač prodire u rastvor kroz membranu stvarajući pritisak koji se meri manometrom. Ovaj pritisak kojim treba delovati na rastvor da bi se sprečio prolazak rastvarača u rastvor kroz polupropustljivu membranu naziva se osmotskim pritiskom.

Potencijal vode Potencijal vode je merilo mogućnosti molekula vode da se kreću u rastvor. Voda se uvek kreće osmozom iz manje negativnog u više negativan potencijal vode. Najviši moguć potencijal vode je onaj za čistu vodu i on iznosi 0, svi ostali rastvori imaju negativan potencijal vode. Potencijal vode se meri u Pa. čista voda 0 kPA razblaženi rastvor –200kPa koncentrovani rastvor –500 kPa voda difunduje od 0 do –200 kPa voda difunduje od –200 do –500 kPa

Osmoza Feferovi eksperimenti nisu bili savršeni ali su ipak poslužili kao eksperimentalna osnova Van’t Hofu za uočavanje analogije u ponašanju gasova i razblaženih rastvora Zaključak o proporcionalnosti osmotskog pritiska sa koncentracijom razblaženog rastvora analogan je Bojl-Mariotovom zakonu za gasove Vm = const1 Proporcionalnost osmotskog pritiska sa temperaturom znači da se Šarlov zakon može primeniti na razblažene rastvore:   /T = const2

Osmoza Kombinovanjem ova dva izraza dolazi se do izraza:   Vm = const T   Van’t Hof je pokazao da konstanta u gornjoj jednačini, odgovara vrednosti molarne gasne konstante R. Do ovog zaključka je došao poredići osmotski pritisak saharoze i gasni pritisak vodonika pri istoj temperaturi i istim koncentracijama. Vm = RT  = CM RT Van’t Hof-ova jednačina

Osmoza-termodinamičko izvođenje Van’t Hofove jednačine lnx1 = =ln(1 x2)   x2 RTx2 = Vm x2  n2 /n1 i n1Vm=V1

Osmoza Ova jednačina važi za beskonačno razblažene rastvore neelektrolita. Jedno vreme je korišćena kao kriterijum za utvrđivanje idealnosti nekog rastvora. Odstupanje nekog rastvora od idealnog ponašanja izražava se Van’t Hofovim faktorom i :   V = iRT

Semipermeabilne Membrane Idealna semipermeabilna membrana je propustljiva samo za rastvarač (najčešće voda) a nepropustljiva za sve rastvorke . ==================================================== Permeabilne Membrane Permeabilne membrane dozvoljavaju prolaz svih rastvorenih supstanci i rastvarač (uglavnom voda).

Semipermeabilne Membrane Polupropustljiva membrana se može definisati kao bilo koja faza koja razdvaja dva rastvora različitih koncentracija, dozvoljavajući protok čistog rastvarača, a zadržavajući rastvorenu susptanciju.

Polupropustljive membrane Prirodne polupropustljive membrane: zidovi biljnih i životinjskih ćelija, zidovi bakterija, krvni sudovi, razlicite opne, bešike i biljna tkiva. -Imaju različite stepene permeabilnosti, razlišitih su debljina (reda nm) i različitih velišina pora (reda 10nm). -Propustljive su za: H2O, CO2, O2 i N2 kao i za organske molekule, a nepropustljive su za proteine i polisaharide. Neorganske soli i disaharidi prolaze vrlo sporo kroz njih.

Sintetičke membrane: - celofanske (glavna komponenta celuloza) - poliestarske (na bazi poliestarskih polietilena) - jonoizmenjivačke čija je struktura smolasta sa otvorima, slična sunđerima i sadrži kontinualnu mrežu vode. Primena: -za dijalizu, kao ultrafilteri i kao ambalažni materijal.

Osmotski pritisak je VEOMA osetljiva mera molarnosti Morska voda sadrži 3.4 g NaCl po litru M = 3.4 g/58.5 g/L = 0.0582 M Π =(0.0582 mol/L)(0.0821L atm/mol K )(298K) Π = 1.42 atm 1 atm odgovara stubu vode od 10.34 m dužine (1.42 atm)(10.34 m/atm) = 14.68 m (14.68 m)(3.28 ft/m) ~ 48 stopa

Osmometrija 1 Osmotski pritisak se relativno lako meri, pa se koristi za određivanje molarne mase velikih molekula (proteini, sintetički polimeri) . Vant Hofova jednačina se može pisati u virijalnom obliku: Osmotski pritisak se meri za različite koncentracije c i crta /c u funkciji c i određuje molarna masa supstancije B Odsečak je 0,21 cmL/g

Osmometrija 2 Razmotrićemo primer polivinil-hlorida rastvorenog u cikloheksanu na 298K Pritisak se izražava preko visine stuba rastvora gustine 0,98g/cm3. Koristimo jednačinu gde je [CM]=c/M , c je masena koncentracija. Osmotski pritisak je

Osmometrija 3 Crtamo h/c u funkciji od c. Dobija se prava linija čiji je odsečak za c=0 jednak RT/gM. Podaci za odsečak daju za h/c=0,21. Dalje je:

Hipertoni rastvor Hipertoni rastvor sadrži visoku koncentraciju rastvorka u odnosu na drugi rastvor na primer citoplazmu ćelije. Voda dufunduje iz ćelije kad je stavljena u hipertoni rastvor što izaziva smežuranje ćelije.

Hipotoni rastvori Hipotoni rastvori imaju nisku koncentraciju rastvorka u odnosu na različite rastvore tj. citoplazmu ćelije. Voda difunduje u ćeliju kada se stavi u hipitoni rastvor što znači da ćelija bubri dok ne pukne..

Izotoni rastvori Izotoni rastvori imaju istu koncentraciju kao i drugi rastvor npr. citoplazma ćelije. Voda difunduje u i iz ćelije istom brzinom kada je stavljena u izotoni rastvor. Fluid koji okružuje telo ćelije je izotoni.

Postoje mnogi primeri osmoze u praktičnom životu Postoje mnogi primeri osmoze u praktičnom životu. Na primer, eritrociti raspoređeni u hipertonoj ekstracelularnoj tečnosti će smanjivati zapreminu zbog osmoze. Ovo se ne dešava u zdravom organizmu jer je ekstracelularna tečnost - plazma izotona sa crvenim krvnim zrnacima. © Brooks/Cole - Thomson Learning

Biljne i životinjske ćelije u različitim rastvorima hipertoni rastvor izotoni rastvor hipotoni rastvor životinjska ćelija biljna ćelija

Koligativne osobine Osmoza Smežuravanje i Hemoliza:

Smežuravanje crvenih krvnih zrnaca, Elektronska mikrografija

Koligativne osobine Osmoza Hemoliza: Primeri osmoze u kulinarstvu: crvena krvna zrnca u hipotonom bubre jer voda ulazi u njih i ona pucaju omogućavajući ispitivanje njihovog sadržaja Da bi se sprečilo smežuravanje ili pucanje, rastvor mora biti izotoni. Primeri osmoze u kulinarstvu: Krastavac u rastvoru NaCl gubi vodu i postaje mariniran.

Koligativne osobine Osmoza Šargarepa potopljena u vodu postaje čvrsta jer voda ulazi u ćelije. Usoljena hrana bubri. Voda ulazi u biljke osmozom. So dodata mesu ili šećer voću sprečava razvoj bakterija (bakterije gube vodu i umiru). Aktivni transport je kretanje hranljivih materija i otpadnog materijala kroz biološke sisteme. Aktivni transport nije spontan.

Pijenje slane vode bi izazvalo dehidrataciju telesnih tkiva

Pritisak veći od rastvor Reversna osmoza Čist rastvarač rastvor

Prečišćavanje vode reversnom osmozom

Uređaj za desalinaciju

Uređaj na prethodnoj slici je najveći takve vrste u SAD Uređaj na prethodnoj slici je najveći takve vrste u SAD. Morska voda se prethodno tretira filtrima. Postoje dva seta filtera — prvi, od peska, šljunka i antracita, i drugi od istog materijala plus granata. Postoji još jedan kontrolni set filtera posle čega se voda pumpa pritiskom od 30 bara kroz membrane za reversnu osmozu. Aproksimativno 45% morske vode ide kroz membrane i postaje pijaća voda.

Kućni sistem za prečišćavanje vode reversnom osmozom

Bubrezi i dijaliza

Veštački bubreg Ulaz zaprljane Izlaz prečišćene krvi krvi Esencijalni joni i molekuli ostaju u krvi Veštački bubreg Rastvor za dijalizu Štetni produkti prelaze u rastvor za ispiranje

Jedinica za dijalizu filter i sistem za sprečavanje ulaska mehura u krv pacijenta vena arterija jedinica za dijalizu krv urea i druge otpadne supstancije difunduju iz krvi u rastvor za dijalizu pumpa koja tera krv kroz jedinicu za dijalizu selektivno propustljiva membrana izdvaja krv od rastvora za dijalizu izlaz rastvora

Princip dijalize ulaz nečiste krvi izlaz prečišćene krvi krv i rastvor za dijalizu teku u suprotnim smerovima membrana za dijalizu izlaz rastvora za dijalizu ulaz rastvora za dijalizu

Rastvori gasova u tečnostima Rastvorljivost gasova i Henrijev zakon Rastvorljivost gasa u nekom rastvaraču zavisi : kako od prirode gasa tako i od prirode rastvarača. Pošto je sistem dvokomponentan i dvofazan, prema pravilu faza ima dva stepena slobode, što znači da rastvorljivost gasova zavisi od dva intenzivna faktora, od temperature i pritiska

Definisanje rastvorljivosti gasova Zapremina gasa v0 pri standardnim uslovima, tj. T0 = 273,15 K i pritisku od jednog bara, P0 = 1 bar, rastvorena u zapremini rastvarača V pri pritisku gasa P (u barima) predstavlja Bunzenov (1857) apsorpcioni koeficijent, : Ostvaldov koeficijent rastvorljivosti, , je zapremina gasa v pri eksperimentalnoj temperaturi i pritisku, koja je rastvorena u zapremini V rastvarača:   Veza ova dva koeficijenta

Uticaj temperature na rastvorljivost gasa se može izraziti kvantitativno na sledeći način: Zavisnost apsorpcionog koeficijenta od temperature:

Henrijev zakon Henri (W. Henry, 1803) je pokazao kroz niz eksperimenata da je masa gasa rastvorena u određenoj zapremini rastvarača srazmerna pritisku gasa iznad rastvora, u stanju ravnoteže između gasa i tečnosti: m = kP   gde je k konstanta koja zavisi od prirode gasa i rastvarača, temperature i jedinica u kojima su izražena rastvorljivost i pritisak.

Idealno razblaženi rastvori-efekat pritiska na rastvorljivost PB = xBKB Henry-jev zakon

Rastvorljivost gasova Henry-jev zakon Rastvorljivost (g /100 g H20) O2 N2 He Pritisak

Može se pokazati da je Henrijev zakon poseban slučaj, opšteg zakona raspodele i Raulovog zakona.

Stoga se Henrijev zakon može izraziti i u obliku da u razblaženom rastvoru napon pare isparljive rastvorene supstancije je srazmeran njenom molskom udelu. Ako je zakon primenljiv u čitavom području koncentracija, tada je:

Raulov i Henrijev zakon što predstavlja Raulov zakon primenjen na isparljivu komponentu. Može se zaključiti da je Henrijev zakon poseban slučaj Raulovog zakona, pri čemu uvek kada važi Raulov zakon za neku supstanciju za nju mora važiti i Henrijev zakon, dok obrnuto ne važi.