Halmazállapot változások
6. hét
Egy anyag különbözı halmazállapotai közötti átmenet - elsıfajú fázisátalakulások A kémiai összetétel nem változik meg Adott nyomáson meghatározott hımérsékleten megy végbe
energia befektetés, vagy elvonás
Halmazállapot változások Adott halmazállapotban a részecskék mozgása, kinetikus energiája kell a halmaz elhagyásához
Olvadáspont - szilárd és folyadék között egyensúlyi állapot Szublimációspont – szilárd és gáz között Forráspont – folyadék és gáz
Folyadékok párolgása
a részecskék kinetikus energiája különbözı, közülük a nagy mozgási energiájú a folyadék felületén kilép a gáztérbe
nyitott térben teljesen elpárolog
gız
zárt térben a gıztér telítetté válik, egyensúly alakul ki
gıznyomás (tenzió): a folyadék felett zárt térben kialakuló egyensúlyi állapotban mért nyomás
1
Folyadékok párolgása
a gıznyomás az anyagi minıségtıl és a hımérséklettıl függ forráspont: az a hımérséklet ahol a folyadék feletti gıznyomás eléri a külsı nyomást a külsı nyomás változó normál forráspont: forráspont 0,1 MPa nyomáson
desztilláció:
forrás és kondenzálás
Folyadékok párolgása
kritikus hımérséklet: az a hımérséklet, amelyen a folyadék és telített gızének sőrősége megegyezik kritikus nyomás: a kritikus hımérsékleten mért gıznyomás
a kritikus hımérséklet felett az anyag csak gáz halmazállapotú lehet, nem cseppfolyósítható
H2O: 374,2 °C, 21,8 MPa CO2: 31,1 °C, 7,3 MPa O2: -118,3 °C, 5,0 MPa
Gibbs-féle fázistörvény
Fázis - a rendszer fizikai határfelülettel elválasztott részei Homogén és heterogén rendszerekre Komponensek száma - kémiailag egységes anyagok Szabadsági fokok száma - az állapotjelzık (t, p, c) Egyensúlyban lévı heterogén rendszer:
F + Sz = K + 2
2
Fázisdiagramok - állapotdiagramok
a fázisátalakulás (halmazállapot változás) grafikus ábrázolása - az állapotjelzık függvényében a görbe nevezetes pontjainak és a folyamatok jelölése H - hármaspont – három fázis egyensúlya K - kritikus pont – kritikus hımérséklet és nyomás
Fázisdiagramok
A halmazállapot változás 0,1 MPa nyomáson
adott körülmények között melyik állapotban található meg az anyag olvadás vagy szublimáció következik-e be a forráspont értelmezése
víz
szén-dioxid
Homogén rendszerek
Egy fázisú rendszer - nincsenek benne határfelületek
Oldat: Két vagy több kémiailag egységes anyag homogén egyfázisú keveréke. Az oldatok a nagyobb mennyiségő oldószerbıl és a kisebb mennyiségő oldott anyagból állnak. Elegy: Ha az oldott anyag és az oldószer mennyisége közel megegyezik ideális elegy - az összetevı komponensek megırzik sajátságaikat - additivitás reális elegy - a komponensek elkeveredésekor dilatáció vagy kontrakció lép fel
3
Oldatok
Tulajdonságai a komponensek tulajdonságaitól és koncentrációjától függenek
a koncentráció megadása: a megnevezett alkotórész mennyisége az oldatban/elegyben esetleg oldószerben
tömegtört, tömegszázalék (w) moltört, molszázalék (x) kémiai koncentráció (molaritás) (cn mol/dm3) tömegkoncentráció (cm g/dm3) Raoult koncentráció (molalitás) (cR mol/1000 g oldószer)
Az oldódás (elegyedés)
Adott folytonos közegben a részecskék molekuláris mérető eloszlatása (hımozgás révén) – fizikai oldódás – szolvatáció (hidratáció)
ionos kötéső vegyületek molekularácsos anyagok
"hasonló a hasonlóban oldódik jól"
egyes anyagok reakcióba lépnek a vízzel - oldódásuk kémiai oldódás (hidrolízis)
dipólusos vegyületek
Oldódás (elegyedés)
Fizikai oldódás: az oldandó anyag részecskéi a kristályrácsból kiszakadnak, az oldószer molekuláival kölcsönhatásba kerülnek (szolvatáció, víz esetén hidratáció)
ionos kötéső kristályok oldása
molekularácsos kötéső kristályok oldása
4
Oldódás (elegyedés)
Az oldódás sebessége: idıegység alatt bekövetkezı koncentrációváltozás
v=∆c/∆t
anyagi minıség - keverés mértéke - hımérséklet szemcseméret - koncentráció
Telített oldat: az oldódó és kiváló részecskék száma megegyezik Oldhatóság: adott körülmények között (hımérséklet, nyomás) a telített oldat koncentrációja
Oldáshı
Az oldás során bekövetkezı energiaváltozás - oldáshı: 1 mol anyagból végtelen híg oldat elkészítésekor bekövetkezı hımennyiség változás (rácsenergia és szolvatációs hı) az oldat felmelegszik, az oldáshı elıjele negatív – exoterm folyamat Er < Esz az oldat lehől, az oldáshı elıjele pozitív – endoterm folyamat, Er > Esz
Szilárd anyagok oldódása folyadékban
Az oldhatóság hımérsékletfüggése - növekvı és csökkenı - az oldáshı elıjelétıl függıen A nyomás gyakorlatilag nem változtat a szilárd anyag oldhatóságán
pozitív oldáshı
negatív oldáshı
5
Szilárd anyagok oldódása folyadékban Rosszul oldódó ionos vegyületek: A hidratációs energia kisebb, mint a rács-energia – nem fedezi a kristály aprózódását
oldható, ha tartalmaz +,
NH4 Na+, K+
nem oldható, ha tartalmaz
Li+,
NO3-, CH3COO-
legjobban oldódik
CO32-, S2PO43-, OH-
Cl-, Br-, I-
legrosszabbul Ag+, Pb2+, Hg22+ oldódik
SO42-
legrosszabbul Ba2+, Pb2+, Ca2+, oldódik Sr2+
Szilárd anyagok oldódása folyadékban
A rosszul oldódó anyagok oldhatóságát - az oldódási egyensúlyból származtatható oldhatósági szorzattal (L) jellemezzük
Az AmBn összetételő só esetén:
nem a tényleges koncentrációval
AmBn ↔ m An+ + n BmL = [An+]m·[Bm−]n
Szilárd anyagok oldódása folyadékban
Híg oldatok: az oldott anyaghoz képest az oldószer olyan nagy feleslegben van, hogy az oldott anyag részecskéi nem gyakorolnak számottevı kölcsönhatást egymásra - moltört < 0,01 - az oldószerre nézve ideális oldat
nem illékony oldott anyag hatással van
az oldat gıznyomására, a fagyáspontjára és forráspontjára, az ozmózis jelenségére
6
Oldatok gıznyomása
Raoult-törvénye: a nem illékony oldott anyag megváltoztatja a párolgás mértékét az oldott anyag koncentrációjának függvényében csökken az oldószer gıznyomása -
P = Xoldószer · p° relatív gıznyomáscsökkenés:
∆p / p° = n / noldószer
Fagyáspont és forráspont változása
A nem illékony oldott anyagot tartalmazó oldat forráspontja magasabb, fagyáspontja pedig alacsonyabb, mint a tiszta oldószeré forráspont emelkedés fagyáspont csökkenés
∆T = i ·k · cR hımérséklet változás részecskeszám
Raoult oldószerre koncentráció jellemzı állandó
Ozmózis
féligáteresztı hártyával elválasztott oldat és oldószer között megindul az oldószer molekulák átáramlása a nagyobb koncentrá-ciójú oldat felé hajtóereje a koncentrációk kiegyenlítıdése
π
7
Ozmózisnyomás
Az oldat ozmózisnyomása az a nyomás, amely képes megakadályozni az oldószer átáramlását a membránon (pl. sejthártya, cellofán, mőanyag membrán)
Van't Hoff:
π·V = n ·R ·T π = cn ·R ·T π = i ·cn ·R ·T
Fordított ozmózis (reverz ozmózis)
az oldatot nagyobb nyomás alá helyezve, mint az ozmózis nyomása – a membránon keresztül megindul az oldószer kiáramlása az oldatból
tengervíz sótalanítása (ihatóvá tétel), gyümölcslevek töményítése
Gázok oldódása folyadékban
A fizikai oldódás kismértékő (inert gázok: O2, N2, CH4), kémiai kölcsönhatás az oldószerrel (CO2, NH3, HCl, HCHO) O2
CH4
CO2
SO2
NH3
HCl
HCHO
0 °C
0,006945 0,003959
0,3346
22,83
89,5
82,3
31,2
20 °C
0,004339 0,002319
0,1688
11,28
53,1
72,0
40,2
40 °C
0,003082 0,001586
0,0973
5,41
30,7
63,3
49,2
60 °C
0,002274 0,001144
0,0576
56,1
62,0 g/100 g víz
8
Gázok oldódása folyadékban
Az oldhatóság függ a hımérséklettıl nyomástól Henry-Dalton törvény
c=Kp
Gázok oldódása szilárd anyagban
adszorpció - felületi megkötıdés oldódás (abszorpció) - a gázmolekulák beépülése a szilárd anyag kristályrácsába
nagy ipari jelentıségő a hidrogéngáz oldódása fémekben (Pd, Pt) tárolás, katalizátor
1 g vanádium által oldott hidrogéngáz
Folyadékok elegyedése
Korlátlanul elegyedı folyadékok: bármilyen arányban keverhetık, mindig egy folyadékfázis lesz (apoláris molekulájúak - benzol - toluol vagy egymással hidrogénkötésre alkalmas folyadékok - víz - alkohol) Korlátozottan elegyedı: csak bizonyos határok közötti keverési aránynál kapunk egy fázist, azon túl két folyadékfázis lesz jelen (fenol-víz) Nem elegyedı folyadékok: mindig két folyadékfázis van jelen (toluol-víz) nem elegyedı ≠ nem oldódó !!! egymásban kis mértékő oldódás – elkülönülı homogén fázisok (sőrőség) - széles hımérséklet-tartományban
9
Folyadékok korlátlan elegyedése
a folyadékok egymással összemérhetı mennyisége: Xi = ni / nö
A folyadékelegy gıznyomása
a gız valamennyi komponens gızét tartalmazza az elegy gıznyomása a komponensek parciális nyomásából adódik össze
Raoult- törvény: az elegy gıznyomásában a komponensek tenziója mindig kisebb, mint lenne tiszta állapotában Ideális elegyben:
Pa = Xa · pa°
Ideális folyadékelegyek
az elegyedés nem jár hı- és térfogatváltozással
a molekulák között ható kohéziós és adhéziós erık hatása azonos lineáris összefüggés a komponens tiszta állapotbeli gıznyomása és az elegybeli parciális nyomása között
P = Xa ·pa° + Xb · pb°
Reális folyadékelegyek
kontrakció vagy dilatáció és hıváltozás van az alkotó komponensek parciális tenziója nem változik lineárisan az összetétellel, mert a komponensek különbözı molekulái között az
adhézió kisebb mint a kohézió: az elegyben kisebb lesz a vonzó kölcsönhatás és könnyebben párolognak (etanol és víz) az elegy gıznyomása nagyobb lesz a számítottnál
adhézió nagyobb: az elegyben nagyobb lesz a vonzóerı, mint a tiszta anyagok esetén, ezek nehezebben párolognak (víz és salétromsav) az elegy gıznyomása kisebb lesz a számítottnál
10
