ΦΥΣΙΚΟΧΗΜΕΙΑ ΤΡΟΦΙΜΩΝ Ι Ενότητα 5 η - Α ΜΕΡΟΣ ΔΙΑΛΥΜΑΤΑ Όνομα καθηγητή: ΕΥΑΓΓΕΛΙΟΥ ΒΑΣΙΛΙΚΗ Τμήμα: Επιστήμης Τροφίμων και Διατροφής του Ανθρώπου
ΣΤΟΧΟΙ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ Στόχος (1): Κατανόηση των εννοιών: Χαρακτηριστικά & δημιουργία γαλακτωμάτων, μηχανισμοί δημιουργίας υγρών διαλυμάτων, θερμοδυναμικές ιδιότητες ιδανικών διαλυμάτων, πτητικότητα.
ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΔΙΑΣΠΟΡΑΣ Προκύπτουν από ανάμιξη δύο (διμερές), τριών (τριμερές) ή περισσοτέρων ουσιών. Ανάλογα με τις διαστάσεις της ουσίας σε διασπορά διακρίνουμε τα παρακάτω είδη συστήματος: Αδρομερή: Διαστάσεις >0,5μ, δε διέρχονται από κοινούς ηθμούς, είναι ετερογενή Κολλοειδή: διαστάσεις από 0,001μ έως 0,5μ., διέρχονται από κοινούς ηθμούς, προκαλούν σκέδαση του φωτός Μοριακά: διαστάσεις < 1mμ, είναι ομογενή, οπτικά διαφανή, καλούνται και ΔΙΑΛΥΜΑΤΑ
ΔΙΑΛΥΜΑΤΑ Έχουν τα παρακάτω χαρακτηριστικά: 1. Ομοιογένεια: τα διαφοροποιεί από τα μίγματα 2. Μεταβλητή σύσταση: τα διαφοροποιεί από τις χημικές ενώσεις Μπορεί να είναι στερεά, υγρά ή αέρια: 1. Στερεά / αέρια σε υγρό: Διαλύτης θεωρείται το υγρό 2. Μίγμα 2 ή περισσοτέρων υγρών: Διαλύτης θεωρείται το υγρό στη μεγαλύτερη κ.β. αναλογία. ΔΙΑΧΩΡΙΖΟΝΤΑΙ με: χρωματογραφία, εκχύλιση, απόσταξη ΔΕΝ ΔΙΑΧΩΡΙΖΟΝΤΑΙ με: καθίζηση, διήθηση, φυγοκέντρηση
ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΣΗ ΔΙΑΛΥΜΑΤΩΝ Οι κυριότερες εκφράσεις ποσοτικής σύστασης διαλυμάτων είναι οι παρακάτω: Επί τοις εκατό κατά βάρος (% w/w ή % κ.β.), δηλαδή τα γραμμάρια της διαλυμένης ουσίας σε 100 γραμμάρια διαλύματος. Επί τοις εκατό κατ όγκο (% v/v), δηλαδή τα ml της διαλυμένης ουσίας σε 100 ml διαλύματος. Επί τοις εκατό κατά βάρος προς όγκο (% w/v), δηλαδή τα γραμμάρια της διαλυμένης ουσίας σε 100 ml διαλύματος.
ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΣΗ ΔΙΑΛΥΜΑΤΩΝ(2) Μοριακή συγκέντρωση ή μοριακότητα κατ όγκο (Molarity, Μ, C, ή [ ]), δηλαδή τα mole της διαλυμένης ουσίας σε 1000 ml διαλύματος. Μοριακότητα κατά βάρος (Molality, m), δηλαδή τα mole της διαλυμένης ουσίας σε 1000 g διαλύτη. Κανονικότητα (Ν), δηλαδή τα γραμμοϊσοδύναμα (greq ή eq ή geq) της διαλυμένης ουσίας σε 1000 ml διαλύματος. Τυπικότητα (F), για ουσίες που παθαίνουν μεταβολή κατά τη διάλυση.
ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΣΗ ΔΙΑΛΥΜΑΤΩΝ(3) Γραμμομοριακό κλάσμα (Χi), δηλαδή ο λόγος των mole του κάθε συστατικού προς τα συνολικά mole όλων των συστατικών του διαλύματος. Μέρη στο εκατομμύριο(ppm), δηλαδή μέρη βάρους διαλυμένης ουσίας σε 1.000.000 μέρη βάρους διαλύματος. βάρος διαλυμένης ουσίας (δ.ο.) ppm 6 βάρος διαλύματος x 10 (δ/τος) mg δ.ο. 6 mgx10 δ/τος mg δ.ο. Kg δ/τος μg δ.ο. g δ/τος Μέρη στο δισεκατομμύριο (ppb), δηλαδή μέρη βάρους της διαλυμένης ουσίας σε 1.000.000.000 μέρη βάρους διαλύματος. βάρος διαλυμένης ουσίας (δ.ο.) ppb 9 βάρος διαλύματος x 10 (δ/τος) μgx10 μg δ.ο. 9 δ/τος μg δ.ο. Kg δ/τος ng δ.ο. g δ/τος
ΔΙΑΛΥΤΟΤΗΤΑ Οι έννοιες «κορεσμένο διάλυμα» και «διαλυτότητα» εισέρχονται σε περίπτωση μερικής αναμιξιμότητας. Ακόρεστο κορεσμένο υπερκορεσμένο Αδιάλυτη(<0,01Μ) δυσδιάλυτη (0,01Μ-0,1Μ) διαλυτή (>0,1Μ)
ΔΙΑΛΥΤΟΤΗΤΑ(2) Στις καμπύλες διαλυτότητας ορισμένων ουσιών σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία παρουσιάζονται σημεία καμπής λόγω μεταβολών στη μοριακή κατάσταση των ουσιών.
ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΠΟΥ ΚΑΘΟΡΙΖΟΥΝ ΤΗ ΔΥΝΑΤΟΤΗΤΑ ΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥ ΔΙΑΛΥΜΑΤΟΣ 1. Χημική δομή ουσιών Γενικά επικρατεί ο κανόνας «τα όμοια διαλύουν όμοια» Θερμοδυναμικά πρέπει το ΔG να είναι <0 2. Θερμοκρασία Συνήθως με την αύξηση της θερμοκρασίας αυξάνεται και η διαλυτότητα. Υπάρχουν όμως και εξαιρέσεις
ΠΑΡΑΓΟΝΤΕΣ ΠΟΥ ΚΑΘΟΡΙΖΟΥΝ ΤΗ ΔΥΝΑ- ΤΟΤΗΤΑ ΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥ ΔΙΑΛΥΜΑΤΟΣ(2) 3. Πίεση Έχει σημασία μόνο για τα αέρια για τα οποία ισχύει ότι όσο αυξάνεται η εξωτερική πίεση τόσο αυξάνεται και η διαλυτότητα των αερίων στα υγρά 4. Μέγεθος σωματιδίων Η διάλυση είναι ευκολότερη όσο το μέγεθος των σωματιδίων της διαλυμένης ουσίας είναι μικρότερο
ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΠΑΡΑΣΚΕΥΗΣ ΥΓΡΩΝ ΔΙΑΛΥΜΑΤΩΝ Υπάρχουν 2 τρόποι: 1. Φυσικά: διασπορά δ. ουσίας (μόρια / ιόντα) στο διαλύτη (μόρια) 2. Χημικά: χημική αντίδραση μεταξύ δ. ουσίας και διαλύτη και διασπορά των προϊόντων της αντίδρασης στο διαλύτη
ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΠΑΡΑΣΚΕΥΗΣ ΥΓΡΩΝ ΔΙΑΛΥΜΑΤΩΝ(2) Η διαλυμένη ουσία μπορεί να είναι: 1. Μόρια (αέρια, υγρά,στερεά). Τα μόρια μπορεί να είναι: Πολικά: Συγκρατούνται με ισχυρές ηλεκτροστατικές έλξεις και αντιτίθενται ισχυρά σε δυνάμεις που τείνουν να τα διασπάσουν. Μη πολικά: Μεταξύ τους υπάρχουν πολύ ασθενείς δυνάμεις Van Der Waals.
ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΠΑΡΑΣΚΕΥΗΣ ΥΓΡΩΝ ΔΙΑΛΥΜΑΤΩΝ(3) Η διαλυμένη ουσία μπορεί να είναι: 2. Ιόντα (στερεά): Συγκρατούνται με ηλεκτροστατικές δυνάμεις Coulomb σε πλέγμα. Οι δυνάμεις είναι ισχυρότερες για ιόντα με μεγάλο σθένος και μικρό μέγεθος. Για τη διαλύτωση επομένως θα πρέπει τα ιόντα να είναι σχετικά μεγάλα σε μέγεθος και να έχουν μικρό σθένος. Ταυτόχρονα ο διαλύτης πρέπει να έχει μεγάλη διηλεκτρική σταθερά και να είναι ισχυρά πολικός.
ΤΥΠΟΙ ΔΙΑΛΥΜΑΤΩΝ Ανάλογα με το διαλύτη διακρίνουμε τα παρακάτω διαλύματα: 1. Αέρια Η δ.ο. είναι αέρια: Ανάμιξη και δημιουργία διαλύματος είναι εύκολη για ευρεία περιοχή Τ και Ρ. Ισχύει ο Ν. Dalton. Η δ. ουσία είναι στερεά ή υγρή: Για συγκεκριμένη Τ υπάρχει καθορισμένη διαλυτότητα της στερεάς (πίεση εξάχνωσης) και της υγρής (πίεση ατμών) στον αέριο διαλύτη.
ΤΥΠΟΙ ΔΙΑΛΥΜΑΤΩΝ(2) 2. Στερεά Είναι πολύ σπάνια, υπάρχουν όμως κάποια παραδείγματα 3. Υγρά Η δ. ουσία είναι υγρή: υπάρχουν και ζεύγη υγρών που δεν είναι πλήρως διαλυτά μεταξύ τους. Η δ. ουσία είναι στερεά: Γενικά με αύξηση της θερμοκρασίας η διαλυτότητα σε ενδόθερμη διάλυση αυξάνεται ενώ σε εξώθερμη ελαττώνεται. Η δ.ουσία είναι αέρια: Ορίζεται η έννοια της «διαλυτότητας» του αερίου στον υγρό διαλύτη.
ΔΙΑΛΥΤΟΤΗΤΑ ΑΕΡΙΟΥ ΣΕ ΥΓΡΟ Εξαρτάται από τη χημική μορφή του διαλύτη και του αερίου καθώς και από τα αποτελέσματα πιθανών αλληλεπιδράσεων μεταξύ τους, από την παρουσία άλλων δ. ουσιών, από τη θερμοκρασία και από την πίεση αερίου πάνω από το διάλυμα. Αυξάνεται όταν υπάρχουν αλληλεπιδράσεις αερίουδιαλύτη ενώ ελαττώνεται από την παρουσία άλλων δ. ουσιών
ΔΙΑΛΥΤΟΤΗΤΑ ΑΕΡΙΟΥ ΣΕ ΥΓΡΟ(2) Εκφράζεται είτε με το συντελεστή διαλυτότητας (S) ή με το συντελεστή απορρόφησης Bunsen (α). Ισχύουν οι τύποι: Τ α 0 V α α 273 S T 273 PS T για S μετρημένη σε 1 atm και στην ίδια Τ για S μετρημένη σε P atm και στην ίδια Τ
ΠΤΗΤΙΚΟΤΗΤΑ Για ιδανικά ισχύει dg SdT VdP Για dt 0 (dg) ιδανικό αέριο n,t V(dP) n,t (dg) n,t (dp) n,t Με ολοκλήρωση προκύπτει η εξίσωση: G=G*+nRTlnP όπου G*: η ελεύθερη ενέργεια για Ρ=1atm Για Ρ=1atm και δεδομένη Τ, G*=G 0 οπότε η εξίσωση παίρνει τη μορφή: G=G 0 +nrtlnp nrt P
ΠΤΗΤΙΚΟΤΗΤΑ(2) Για πραγματικά ο Lewis εισήγαγε την έννοια της «πτητικότητας f» η οποία εκφράζεται σε μονάδες πίεσης. Ισχύει η σχέση: G=G*+nRTlnf Για ιδανικά αέρια f=p f Όταν 1 δηλαδή Ρ 0, η συμπεριφορά του P πραγματικού αερίου πλησιάζει σε αυτή του ιδανικού.
ΠΡΟΤΥΠΕΣ ΚΑΤΑΣΤΑΣΕΙΣ ΚΑΙ ΚΑΤΑΣΤΑΣΕΙΣ ΑΝΑΦΟΡΑΣ μ=μ* +RΤlnf μ 0 =μ* +RΤlnf 0 (ο εκθέτης 0 δείχνει πρότυπες καταστάσεις) μ=(μ 0 -RTlnf 0 )+RΤlnf Τελικά: μ μ 0 RT ln f f 0 μ μ 0 RT ln (α: ενεργότητα, καθαρός αριθμός)
ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΙΔΑΝΙΚΩΝ ΔΙΑΛΥΜΑΤΩΝ ΟΡΙΣΜΟΣ ΙΔΑΝΙΚΟΥ ΔΙΑΛΥΜΑΤΟΣ ΒΑΣΙΚΕΣ ΣΧΕΣΕΙΣ 1. α i =X i 2. μ i =μ i0 +RΤlnΧ ι 3. ΔV ανάμιξης =0 4. ΔH ανάμιξης =0 5. ΔG ανάμιξης =RT Σn i lnx i 6. ΔS ανάμιξης =-R Σn i lnx i
ΕΠΙΛΥΣΗ ΑΠΟΡΙΩΝ ΚΑΙ ΑΣΚΗΣΕΩΝ
ΛΕΞΕΙΣ - ΚΛΕΙΔΙΑ διαλύματα συγκέντρωση διαλυμάτων τύποι διαλυμάτων πτητικότητα
ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Γιαννακουδάκης, Δ.Α. & Γιαννακουδάκης, Π.Δ. (1996) Επίτομη Φυσικοχημεία, Εκδόσεις Ζήτη, Θεσσαλονίκη. Κατσάνος, Ν.Α. (1999) Φυσικοχημεία: Βασική θεώρηση, Εκδόσεις Παπαζήση, Αθήνα. Καραϊσκάκης, Γ. (1995) Φυσικοχημεία, Εκδόσεις Τραυλός- Κωσταράκη, Αθήνα. Atkins, P.W. (1986) Physical Chemistry, Oxford University Press.
Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδεια χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς.
Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στo πλαίσιo του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα Γεωπονικού Πανεπιστημίου Αθηνών» έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.
Σημείωμα Αναφοράς Copyright Γεωπονικό Πανεπιστήμιο Αθηνών 2014. Τμήμα Επιστήμης Τροφίμων και Διατροφής του Ανθρώπου, Ευαγγελίου Βασιλική. «Φυσικοχημεία Τροφίμων Ι». Έκδοση: 1.0. Αθήνα 2014. Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση: https://mediasrv.aua.gr/eclass/courses/ocdfshn101/
Σημείωμα Αδειοδότησης Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons Αναφορά, Παρόμοια Διανομή 4.0 [1] ή μεταγενέστερη, Διεθνής Έκδοση. Εξαιρούνται τα αυτοτελή έργα τρίτων, π.χ. φωτογραφίες, διαγράμματα κ.λ.π., τα οποία εμπεριέχονται σε αυτό και τα οποία αναφέρονται μαζί με τους όρους χρήσης τους στο «Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων». Η άδεια αυτή ανήκει στις άδειες που ακολουθούν τις προδιαγραφές του Oρισμού Ανοικτής Γνώσης [2], είναι ανοικτό πολιτιστικό έργο [3] και για το λόγο αυτό αποτελεί ανοικτό περιεχόμενο [4]. [1] http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/ [2] http://opendefinition.org/okd/ellinika/ [3] http://freedomdefined.org/definition/el [4] http://opendefinition.org/buttons/
Διατήρηση Σημειωμάτων Οποιαδήποτε αναπαραγωγή ή διασκευή του υλικού θα πρέπει να συμπεριλαμβάνει: το Σημείωμα Αναφοράς το Σημείωμα Αδειοδότησης τη δήλωση Διατήρησης Σημειωμάτων το Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων (εφόσον υπάρχει) μαζί με τους συνοδευόμενους υπερσυνδέσμους.