A gázok
A halmazok tulajdonságait, állapotát, bizonyos külső tényezők, mint pl. a nyomás, a térfogat és a hőmérséklet is befolyásolják. Ezeket a tényezőket állapothatározóknak nevezzük. Mi jellemzi a gázhalmazállapotot? A gázokra jellemző, hogy a rendelkezésükre álló teret teljesen betöltik. Minél nagyobb egy adott gázmennyiség esetében a betölthető tér, annál távolabb helyezkednek el egymástól a gázmolekulák (vagy gázatomok). A gázmolekulák állandó, rendezetlen mozgást végeznek, közöttük a kölcsönhatás rendkívűl kicsi.mert a részecskék között nagy a távolság. A gázoknak sem állandó alakjuk, sem állandó térfogatuk nincsen. Ha a gázt összenyomjuk, kisebb lesz a térfogata, ha melegítjük, a gáz kiterjed, a térfogata megnő. A gázok térfogata tehát nem csak a gáz mennyiségétől függ, hanem állapotától is. A gáz állapotát a nyomás és a hőmérséklet határozza meg. Azt az állapotot, melyben a hőmérséklet 25 standardállapotnak nevezzük.
o
C és a nyomás 0,1 MPa,
Ha pl. két 1 dm3-es henger közül az egyiket oxigéngázzal, a másikat ugyanolyan állapotú metángázzal töltjük meg, akkor a két hengerben az oxigén- és a metánmolekulák száma is egyenlő. Amadeo Avogardo, a torinói egyetem fizikaprofesszora, 1811-ben – a gázok térfogata és a molekulák száma közötti összefüggést vizsgálva – állította fel hipotézisét, tudományos feltevését. Avogardo tétele szerint, ha különböző gázokból azonos anyagmennyiséget veszünk és állapotuk azonos, akkor egyenlő a térfogatuk (52. ábra). Ha a térfogatot és az anyagmennyiséget elosztjuk egymással, a moláris térfogatot kapjuk meg. Mértékegysége: dm3/mol. 1 mol gáz térfogata éppen akkora, mint a moláris térfogat. Standardállapotban a legkülönbözőbb gázok moláris térfogata 24,5 dm3/mol.
1 mol
1 mol
1 mol
1 mol
H2 gáz
O2 gáz
NH3 gáz
CH4 gáz
24,5 dm3
24,5 dm3
24,5 dm3
24,5 dm3
52. ábra. Gázok moláris térfogata 25 oC-on és 0,1 MPa nyomáson.
-1-
A pontosabb összefüggést az egyesített gáztörvény írja le: p × V = n × R × T, ahol p a gáz nyomása, V a térfogata, T a hőmérséklet Kelvinben (K), n a mólok számát jelenti. R az egyetemes gázállandó, értéke: 8,31 J/mol × K. (A fenti összefüggés az ún. ideális gázokra érvényes.) Az atmoszférikus nyomás 1atm = 1,1013 bar = 101325 Pa Példák gázokra:
1.Hidrogén: színtelen, szagtalan, nem mérgező gáz. Olvadáspont: -259,13 oC Forráspont: -252,88 oC 2.Ammónia: Ammóniák, kellemetlen kábító szagú gáz, mely hidrogénből és nitrogénből van összetéve. folyós ammónia forráspontja -38° C. 3.Szénmonoxid: egy színtelen, szagtalan, íztelen gáz. Szobahőmérsékleten gáz halmazállapotú. A szén-monoxid nagyon mérgező gáz Olvadáspontja:−205 °C Forráspontja: -192 oC 4.Nitrogén: A nitrogéngáz színtelen, szagtalan, nem reakcióképes anyag. Olvadáspont: -210 oC Forráspont: -195,8 oC 5.Oxigén: Az oxigéngáz színtelen, szagtalan, íztelen, kétatomos molekulákból álló anyag. Folyékony és szilárd halmazállapotban kék színű. Olvadáspont: -218,79 oC Forráspont: -182,95 oC 6.Klór: A klór sárgás-zöld színű, fojtós szagú, köhögésre ingerlő mérgező gáz. A levegőnél nagyobb a sűrűsége. Olvadáspont: -101,5 oC Forráspont: -34,04 oC 7.Metán: Színtelen, szagtalan gáz. Olvadáspont: -182,5 oC Forráspont: -161,6 oC 8. Bután: A bután egy igen gyúlékony, színtelen, könnyen cseppfolyósítható gáz. Olvadáspont: - 138 oC Forráspont: -0,5 oC 9. Neon: Standard körülmények között színtelen és szagtalan, íztelen, gáz halmazállapotú. Olvadáspont: -248,59 oC Forráspont: -246,08 oC 10. Hélium: Színtelen, szagtalan nemesgáz, tehát kémiailag közömbös. Minden elem közül a hélium forráspontja a legalacsonyabb. Olvadáspont: -272,2 oC Forráspont: 268,93 oC
-2-
Gázok szállítására vonatkozó kérdések: 1. Milyen tartályban szállíthatók a cseppfolyósított gázok? € a) Csak hőszigetelt tartályban. € b) Csak hőszigetelés nélküli tartályban. € c) Hőszigetelt és nem hőszigetelt tartályban. 2. Milyen tartályban szállíthatók a mélyhűtött, cseppfolyósított gázok? € a) Csak hőszigetelt tartályban. € b) Csak hőszigetelés nélküli tartályban. € c) Hőszigetelt és nem hőszigetelt tartályban. 3. Mi az oka annak, hogy egyes gázokat mélyhűtött, cseppfolyósított állapotban szállítanak? € a) A nagyfokú biztonság. € b) A nagyfokú gazdaságosság. € c) Az egyszerűség. 4. Mi a jellemző a mélyhűtött, cseppfolyósított gázok szállítására szolgáló tartályokra? € a) Az ilyen tartályok űrtartalma nagyobb, mint más tartályoké. € b) Az ilyen tartályok többkamrásak. € c) Az ilyen tartályok hőszigeteltek. 5. A mélyhűtött, cseppfolyósított gázok szállítására szolgáló egyes tartályok külső köpenyét miért alakítják ki harmokiaszerűen? € a) Hogy az esetleges ütközést károsodás nélkül elviselje. € b) Hogy a mélyhűtött, cseppfolyósított gázt szállító tartályjárműveket meg lehessen különböztetni más tartályjárművektől. € c) Hogy a tartályjármű üresen történő leállítása után a belső tartály felmelegedése következtében történő térfogatváltozást károsodás nélkül elviselje. 6. Milyen fizikai jellemzőben adják meg a sűrített gázok megengedett legnagyobb töltési fokát? € a) Nyomásban (bar, Pa). € b) Térfogatszázalékban (térf.%). € c) Sűrűségben (kg/dm3, kg/l). 7. Milyen hőmérsékleten szállítják a mélyhűtött, cseppfolyósított gázokat? -3-
€ a) Kevéssel a kritikus hőmérséklet fölött. € b) Kevéssel az atmoszférikus forráspont fölött. € c) Mélyen a lobbanáspont alá hűtve. 8. Mélyhűtött, cseppfolyósított gázok szállításánál mekkora nyomás van a tartályban? € a) Kicsi, pl. 1,5 bar. € b) Közepes, pl. 15 bar. € c) Nagy, pl. 150 bar. Megoldások: 1c, 2a, 3b, 4c, 5c, 6a, 7b, 8a
Folyékony halmazállapot A folyadék molekulák a gáz molekulákhoz hasonlóan könnyen elmozdulhatnak egymáson, viszont a folyadékokban a molekulák közti távolság lényegesen kisebb, mint a gázokban, ezért köztük vannak kölcsönhatások (másodrendű kötések) Amíg a gázokban a molekulák haladó mozgást végeznek, a folyadékokra főképp a forgó és rezgő mozgás jellemző. A molekulák helyenként elszakadnak egymástól és molekulaméretű lyukak képződnek, ezekbe a lyukakba átugorhat valamely szomszédos molekula. Folyadékok párolgása A folyadékok minden hőmérsékleten párolognak, vagyis a folyadékmolekulák egy része kilép a gáztérbe. Nyitott edényben a párolgás addig tart, amíg a folyadék teljes egészében gőzzé nem alakul. Zárt edényben a folyadék csak részben párolog el. A gáztérben a párolgás folytán növekszik a gőz nyomása, s idővel olyan értéket ér el, amelynél a gőz telítve van, azaz amelynél nagyobb gőznyomás az adott hőmérsékleten folyadék jelenlétében nem jöhet létre. A telített gőznyomást röviden gőznyomásnak vagy tenziónak nevezzük. A telített gőz, a folyadékkal egyensúlyban van, adott hőmérsékleten. Gőz: A folyadék felszínéről távozó és a saját anyagával érintkezésben maradó légnemű anyag. A párolgás lehet fokozatos vagy gyors, robbanásszerű. Fokozatosan nyitott edényben robbanásszerű lehetőség zárt edényben színültig tartott folyadék párolgásakor jellemző. Teletöltött zárt edényben hevítve a folyadékot (pl. napsugár hatása) a párolgás gyorsan, robbanásszerűen is történhet, az edény falát szétfeszítve. A folyadék gőznyomása adott hőmérsékleten nagyon különböző (pl. 20 oC-on a víz gőznyomása 17,5 Hgmm, a benzolé 75 Hgmm). A hőmérséklet emelkedésével minden folyadék gőznyomása exponenciálisan növekszik. A gőznyomás a folyadék és gőze közötti egyensúlyra jellemző adat. Ez szabja meg, hogy adott folyadékmennyiség, adott hőmérsékleten és térfogatban milyen arányban oszlik meg a -4-
cseppfolyós és gázfázis között. Ha megváltozik a hőmérséklet, akkor megváltozik a gőznyomással együtt a megoszlás is. Lobbanáspont Arra a kérdésre, hogy a gyúlékony folyadékok felületéről elpárolgott anyag milyen hőfokon képes égésre, a lobbanáspont adhat választ. A lobbanáspont a tűz- és robbanásveszélyes folyadékok fontos jellemzője. A lobbanáspont azt a legalacsonyabb hőmérsékletet jelenti, amelyen – meghatározott körülmények között – az anyagból annyi gőz keletkezik, hogy az a körülötte lévő levegővel elegyedve, láng közelítésére az anyag egész felületére kiterjedően ellobban. Forráspont A gyúlékony folyadékok szabadba jutásánál a tűzveszély mértékét – a lobbanáspont mellett – az adott folyadék forráspontja vagy forráskezdőpontja döntő mértékben befolyásolja. A forráspont az a hőmérséklet, amelynél a melegítés ellenére állandósul a hőmérséklet mindaddig, amíg az egész folyadék el nem párolog. Kritikus állapot Zárt térben a folyadék és gőze közt egyensúly alakul ki, a hőmérséklet emelésével a gőz nyomása és sűrűsége nő, ugyanakkor a folyadék sűrűsége e kitágulás miatt csökken. Egy meghatározott hőmérsékleten a folyadék sűrűsége megegyezik a gőz sűrűségével. Ez a hőmérséklet a kritikus hőmérséklet, a hozzá tartozó nyomás a kritikus nyomás. Kritikus hőmérséklet felett a légnemű anyagok nem cseppfolyósíthatók.
Példák gyúlékony folyadékokra 1.Metanol: Színtelen, szagtalan folyadék. Forráspontja: 64,7 °C Olvadáspont: -97 °C Lobbanáspont: 11 °C 2.Benzol: Színtelen, mozgékony folyadék, amelynek szaga nem kellemetlen, könnyen párolog. Kevésbé veszélyes. Lobbanáspont: -11oC Forráspontja: 80,5 °C 3.Izopropil-alkohol: Színtelen, átlátszó, erős szagú folyadék. Gyúlékony anyag. Forráspontja: 82-83 0C Lobbanáspont (zárttéri): 10-12 0C Olvadáspont: -89,5 0C 4.Acet-aldehid : Szúrós szagú, színtelen folyadék. Nagyon veszélyes. Forráspontja: 21 oC Olvadáspont: -123°C Lobbanáspontja: −39 °C
-5-
1. Mit nevezünk lobbanáspontnak? € a) Azt a legmagasabb hőmérsékletet, ahol a folyadék felett a gőz meggyullad. € b) Azt a legalacsonyabb hőmérsékletet, ahol olyan mennyiségben alakul ki gőz, hogy az a folyadék felett a levegővel keveredve gyújtóforrás hatására ellobban. € c) Azt a legalacsonyabb hőmérsékletet, ahol a folyadék gyújtóforrástól lángra lobban. 2. Mit nevezünk forráspontnak? € a) Azt a legalacsonyabb hőmérsékletet, amelyen a folyadék a belsejében is hirtelen gőzállapotba kezd átalakulni. € b) Azt a legalacsonyabb hőmérsékletet, amelyen a folyadék teljes felszínén gőz alakul ki. € c) Azt a legmagasabb hőmérsékletet, amelyen a folyadékból megindul a gőzfejlődés. 3. Az alacsonyabb és a magasabb lobbanáspontú folyadékok közül gyulladás szempontjából melyik a veszélyesebb? € a) Nyáron az alacsonyabb lobbanáspontú a veszélyesebb. € b) A magasabb lobbanáspontú a veszélyesebb. € c) Az alacsonyabb lobbanáspontú a veszélyesebb.
-6-
