Flüssigkeiten. einige wichtige Eigenschaften

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1 Flüssigkeiten einige wichtige Eigenschaften Die Oberflächenspannung einer Flüssigkeit ist die zur Vergröß ößerung der Oberfläche um den Einheitsbetrag erforderliche Energie (H 2 O bei 20 C: J/m 2 d.h. eine Energie von J ist erforderlich um die Oberfläche von Wasser um 1m 2 zu vergröß ößern) ern). Oberflächenspannung: Während die Moleküle im Innern einer Flüssigkeit nach allen Seiten Wechselwirkungen (Anziehungskräften) ausgesetzt sind, sind die Moleküle an der Ober- fläche einer Flüssigkeit nur Kräften ins Innere ausgesetzt das führt f zu einer Reduktion der Oberfläche und zu einer dichteren Packung der Moleküle an der Oberfläche. Wechselwirkung einer Flüssigkeit mit einer Gefäß äßwand: H 2 O Glas (SiO 2 ) haben größ ößere Wechselwirkung als H 2 O H 2 O. Andererseits haben Hg SiO 2 eine kleinere Wechsel- wirkung als Hg Hg. Es kommt zur Bildung verschiedener Menisken. H 2 O Hg 181

2 Energieumsatz bei Phasenumwandlungen Jede Phasenumwandlung einer Substanz wird von einer Energieänderung nderung des Systems begleitet. heating heating Wird bei einem Feststoff die Temperatur erhöht, ht, so führt f dies zu einer verstärkten rkten 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 l können k und die freie Beweglichkeit von Flüssigkeitsmolek ssigkeitsmolekülen len erreichen. Dieser Vorgang wird Schmelzen genannt und wird auf Grund der zugeführten Schmelzwärme H fus (Schmelzenthalpie) induziert. 182

3 Energieumsatz bei Phasenumwandlungen Energieumsatz bei Phasenumwandlungen Bei weiterer Temperaturerhöhung hung wird die Bewegungsenergie der Flüssigkeitsmolek ssigkeitsmoleküle weiter erhöht. ht. Ein Maß für r diese erhöhte hte Energie ist die Erhöhung hung 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 W ist die Verdampfungswärme rme H vap (Verdampfungsenthalpie). Die Moleküle eines Festkörpers können k auch direkt in den Gaszustand umgewandelt werden. Die dazu erforderliche Enthalpieänderung nderung wird Sublimationswärme H sub genannt. H sub = H fus + H vap 183

4 Wärmekapazität, t, spezifische WärmekapazitW rmekapazität, t, Phasenumwandlungen und damit verbundene Phänomene im Alltagsleben q = C C T Je mehr Wärme W q einem Körper K zugeführt wird, desto höher h her wird seine Temperatur T. Die Beziehung zwischen einer zugeführten Wärmemenge W q und der damit bewirkten Temperatur- erhöhung hung T T ist: C ist dabei die WärmekapazitW rmekapazität t (in J/K) der Substanz. Das ist die Wärmemenge, W die erfor- derlich ist, diese Substanz um 1 K (oder 1 C) zu erwärmen. rmen. Die WärmekapazitW rmekapazität t von 1 g einer Substanz ist die spezifische WärmekapazitW rmekapazität t c (J/Kg): c = C/m (m = Masse der Substanz) Ein Eiswürfel kühlt k ein Getränk: die für f r das Schmelzen des Eiswürfels erforderliche Schmelzwärme wird dem Getränk entzogen. Man friert nach warmer Dusche oder warmem Pool: das am Körper K anhaftende Wasser verdampft und die dazu erforderliche Verdampfungswärme rme wird dem Körper K entzogen. Kühlschrank: enthält Gas, das unter Druck verflüssigt wird. Flüssigkeit absorbiert Wärme W wenn sie dann wieder verdampft und entzieht dabei dem Kühlschrank K Wärme. W 184

5 Dampfdruck einer Flüssigkeit Ein Gedankenexperiment Die oben stehende Abbildung zeigt die Energieverteilung von Molekülen len an der Oberfläche einer Flüssigkeit. Mit steigen- der Temperatur steigt also die Tendenz von Molekülen len in die Gasphase zu ent- weichen. Zu Beginn läge l Vakuum vor (keine Moleküle in der Gasphase Ethanol-Molek Moleküle ver- dampfen in die Gasphase bis sich ein Gleichgewicht einstellt Gleichgewichts- dampfdruck. 185

6 Dampfdruck einer Flüssigkeit Eine Flüssigkeit siedet, wenn ihr Dampfdruck gleich dem externen Druck über der Flüssigkeit wird. Der Siedepunkt bei 1 atm ist der Normal- siedepunkt. Der Normalsiedepunkt von H 2 O ist 100 C. Solange beim Kochen noch H 2 O 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 l bis die Speise gegart ist. 186

7 Kolligative Eigenschaften von LösungenL Beim Übergang von reinen Flüssigkeiten zu Lösungen L 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 Kühl- wasser beim Auto). Zusätzlich wird der Siedepunkt dieser Lösung L über den Siedepunkt von reinem Wasser erhöht, ht, so dass der Motor bei höherer h herer Temperatur betrieben werden kann. Die Gefrierpunktserniedrigung und die Siedepunktserhöhung hung von Lösungen L 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

8 Kolligative Eigenschaften von Lösungen: L Dampfdruckerniedrigung Kolligative Bei Zugabe eines nichtflüchtigen chtigen Stoffes zu einem Lösemittel L Dampfdruck des Lösemittels wird erniedrigt. Dieser Effekt ist in der untenstehenden Abbildung verdeutlicht. Das Ausmaß der Dampfdruckerniedrigung ist pro- portional der Konzentration des nichtflüchtigen chtigen Stoffes. Diese Beziehung wird durch das Raoult sche Gesetz beschrieben: 0 pa = xa pa p p x x A 0 A A A = Dampfdruck der Lösung = Dampfdruck des reinen Lösemittels = Stoffmengenanteil des reinen Lösemittels < 0 1 pa < pa 188

9 Kolligative Eigenschaften von Lösungen: L Gefrierpunktserniedrigung und Siedepunktserhöhung hung Wie wird sich das Phasendiagramm einer Lösung L und damit deren Siede- und Gefrierpunkt ändern? Die Zugabe eines nichtflüchtigen chtigen Stoffes erniedrigt den Dampfdruck der Lösung L relativ zum reinen Lösemittel. L Der Verlauf der Phasentrennlinie flüssig/gasf ssig/gasförmig (liquid/gas) verläuft also unter der entsprechenden Trennlinie des reinen Lösemittels L und die entsprechenden Schnittpunkte bei 1 atm liefern dann den erhöhten hten Siedpunkt bzw. den erniedrigten Gefrierpunkt. Siede/Gefrierpunkt des reinen LösemittelsL Siede/Gefrierpunkt der Lösung T b = K b m T f = K f m K b, K f : LösemittelL semittel-spezifische spezifische Konstanten m: Molalität des gelösten Stoffes (Zahl der Mole des gelösten Stoffes pro 1000 g Lösemittel) K b für r H 2 O: 0.51 ( C/m)( K f für r H 2 O: 1.86 ( C/m)( 1 molale NaCl 1m in Na + und 1m in Cl - 2 m in gelösten Teilchen (Ionen) T b = 1.02 C 1 molale Glukose 1m in C 6 H 12 O 6 T f = 1.86 C 189

10 Mischung flüchtiger Flüssigkeiten Bei der Behandlung binärer Mischungen, deren Komponenten beide flüchtig sind, interessiert uns besonders die Beziehung zwischen Siedepunkt und Zusammensetzung ung der flüssigen Mischung. Diese Abhängigkeit ist entscheidend für f r die destillative Trennung von Flüssigkeiten. B Zusammensetzung der Flüssigkeit A Siedediagramm einer binären Mischung zweier flüchtiger Flüssigkeiten A und B: Die waag- rechte Verbindungslinie verläuft zwischen zwei Punkten, die die Zusammensetzung von Flüssig ssig- keit und Dampf angeben, die bei der betreffenden Temperatur im Gleichgewicht stehen. Die untere Kurve beschreibt die Abhängigkeit des Siede- punktes der Mischung von deren Zusammen- setzung. Fraktionierte Destillation: durch wiederholte Verdampfung und Kondensation wird die leichter flüchtige Komponente rasch angereichert. 190