Általános és szervetlen kémia Laborelıkészítı elıadás I. • Halmazállapotok, fázisok • Fizikai állapotváltozások (fázisátmenetek), a Gibbs-féle fázisszabály
• Fizikai módszerek anyagok tisztítására - Szublimáció - Átkristályosítás - Desztilláció (ideális/nemideális elegyek, azeotrópia)
[email protected]
Az anyag halmazállapotai I. Halmazállapot Szilárd
- kristályos
- amorf
Entitások elhelyezkedése; mozgása
Példa
Az anyag halmazállapotai II. Halmazállapot
Entitások elhelyezkedése; mozgása
Példa
Az anyag halmazállapotai III. Halmazállapot
Entitások elhelyezkedése; mozgása
Folyadék
Gáz
Szuperkritikus fluid állapot (nagy T, p)
• szuperkritikus H2O (T > 374 °C, p > 22 MPa) • szuperkritikus N2 (T > -147 °C, p > 3,4 MPa) • szuperkritikus CO2 (T > 31°C, p > 7,3 MPa)
Az anyag halmazállapotai IV. Halmazállapot
Entitások elhelyezkedése; mozgása
Plazmaállapot: túlhevített, ionizált gáz
molekulák → atomok → kationok és elektronok a plazma elektromos vezető, áramok folynak benne
Definíciók a halmazállapot-változások tárgyalásához • fázis: az anyag kémiai összetételben és fizikai tulajdonságaiban egységes (homogén és izotróp) tartománya, a környezetétől határfelület választja el
• gőznyomás (tenzió): zárt edényben egy kondenzált fázissal dinamikus egyensúlyban levő gáz nyomása, adott hőmérsékleten
A tiszta víz fázisdiagramja
p (kPa)
folyadék
szilárd
gáz
T (°C)
A Gibbs-féle fázisszabály (a víz példáján) p
F + Sz = K + 2 F= Sz = K=
• fázison belül:
• fázisátalakulási görbe mentén:
T
p (kPa)
A szén-dioxid fázisdiagramja
T (°C)
p (kPa)
A jód fázisdiagramja
T (°C)
Többkomponensű rendszerek
• összetételi változók: tört (százalék), koncentrációfajták... • telített oldat: • oldhatóság: • túltelített oldat:
Szennyezett timsó átkristályosítása
100
Oldhatóság (g / 100 g víz)
KAl(SO4)2 80
60 CuSO4 40
20 szénpor 0 0
10
20
30
40
50
60 T (°C)
70
80
90
100
Folyadék-gőz egyensúlyok • Folyadék egyensúlyi gőznyomása (tenziója), forráspontja • „B” folyadék illékonyabb, mint „A”, ha
pB > pA
és
TB* < TA*
Ideális biner folyadékelegyek
• Raoult-törvény (1887)
nA xA = nA + nB pA = pA* xA pB = pB* xB
• az oldat feletti gőz össznyomása a két tenzió összege (Dalton-törvény):
Benzol-toluol elegy gőznyomásgörbéje T = 20 °C
15
pB*
Össszgőznyomás gőznyomás(kPa) (kPa) Össz.
14 13
— gőzösszetétel-görbe (vaporgörbe)
12
— folyadékösszetételgörbe (likviduszgörbe)
11 10
folyadék
9
gőz
8 7 6
pA*
5 0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
A benzol móltörtje, x B
0,9
1
A desztilláló berendezés részei és működése
9.
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
Benzol-toluol elegy forráspontgörbéje 115
100 kPa külső nyomáson
TA* 110 Forráspont (°C)
105
gőz
100 95
folyadék
90 85
TB*
80 75 0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
A benzol móltörtje, x B
0,9
1
Benzol-toluol elegy frakcionált desztillációja 115
100 kPa külső nyomáson
TA* 110 Forráspont (°C)
105
gőz
100 95
folyadék
90 85
TB*
80 75 0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
A benzol móltörtje, x B
0,9
1
Desztillációs készülékek
egyszerű desztillációs berendezés
frakcionált desztillációra alkalmas berendezés
Nemideális elegy: a sósav desztillációja
Hőmérséklet (°C)
110
105
100
95
90 0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
A HCl tömegtörtje
0,25
0,30
Általános és szervetlen kémia Laborelıkészítı elıadás II. • Reális elegyek desztillációja: etanol • Megoszlási egyensúly, folyadék-folyadék extrakció • Ioncsere • A víztisztítás további módszerei • Az anyagtisztítási módszerek összefoglaló áttekintése • Arrhenius sav-bázis elmélete - savak és bázisok erőssége - sók előállítása
Alkohol-víz elegyek frakcionált desztillációja 102 100
Hőmérséklet (°C)
98 96
gőz
94 92 90 88 86 84 82
folyadék
80 78 0
10
20
30
40
50
60
70
V /V % alkohol
80
90 100
A és B folyadékok ideális és reális elegyei Ideális elegy
Reális elegy 1. típus
Kölcsönhatás erőssége Elegyedési hő Elegyedési térfogatváltozás Összes gőznyomás Szélsőérték (p-konc.) Szélsőérték (T-konc.)
Példa
2. típus
Megoszlási egyensúly, kirázás • Apoláris anyag átoldódása vízből egy vízzel nem elegyedő oldószerbe • pl. I2 megoszlása víz és CHCl3 között:
D=
x / Vorg (m − x ) / Vaq
=
D=
c 'org c 'aq
= 85
DVorg / Vaq DVorg / Vaq x ⋅ ⇒ x = m⋅ = m ⋅ 1 + DV / V m − x Vorg 1 + DVorg / Vaq org aq Vaq
n
Ioncserélő gyanta előállítása • nagy molekulatömegű, szintetikus, térhálós polimer • sztirol és divinil-benzol (térhálósító) kopolimerizációja: CH2
CH2 CH
HC
sztirol
CH
CH
+
CH2
CH2
+ ...
+
+
kopolimer térhálósodási fok ~ % DVB
CH CH2
divinilbenzol (DVB)
CH2
CH2
CH2
CH
CH
+
CH2
CH2
CH2
CH2
CH
CH
C
CH2
CH2
CH2
+ ...
CH
C
...
...
Kationcserélő gyanta szerkezete R R
SO3
-
SO3
-
SO3
SO3
SO3
-
SO3
• gyengén savas:
-
-
SO3
-
SO3
-
SO3
• erősen savas gyanta:
R
-
SO3
Anioncserélő gyanta szerkezete • erősen bázikus gyanta:
R R
+
N(CH3)3
+ N(CH3) 3
+ N(CH3) 3
+
N(CH3)3
+
N(CH3) 3
• gyengén bázikus: R
+
N(CH3)3
Az ioncsere gyakorlata • A teljes kationcsere H+-okat termel, a teljes anioncsere ugyanannyi OH− iont (elektroneutralitás): H+ + OH− = H2O • Mindig először kationcsere, aztán anioncsere
• A gyanta ioncserélő kapacitása: • A kationcserélő gyanta regenerálása: • Az anioncserélő regenerálása: • Kevertágyas ioncserélő:
További víztisztítási módszerek alapjai I.
nagy
• Desztilláció
Gazdaságos eljárás
Sótartalom
(tengervíz: 3.5%)
• Gázhidrátok képződése
További víztisztítási módszerek alapjai II. Sótartalom < 1% ”brakkvíz”
Gazdaságos eljárás • Fordított ozmózis
További víztisztítási módszerek alapjai III. Sótartalom
Gazdaságos eljárás
< 1% ”brakkvíz”
• Elektrodialízis
< 0.1%
• Ioncsere
Módszerek az oldószer víz eltávolítására • Bepárlás csökkentett nyomáson • Liofilizálás (fagyasztva szárítás)
T (°C)
Az anyagtisztítási módszerek összefoglalása Egyensúly Szilárd / gőz Szilárd / gőz Folyadék/foly. megoszlás Szilárd / oldott anyag Folyadék / gőz
Ionmegoszlás oldat / gyanta Ozmózis
Tisztítási módszer
Alapfeltétele
Példa
