A bemutatót összeállította: Fogarasi József, Petrik Lajos SZKI, 2011

Átírás

1 Elegyek, ldatk A bemutatót összeállíttta: Fgarasi József, Petrik ajs SZKI, 20

2 Elegyek fgalma Elegyek az lyan hmgén, többkmpnensű rendszerek, amelyekben az alktórészek arányát tetszőlegesen váltztathatjuk anélkül, hgy közben új fázis keletkezne vagy tűnne el. Az elegyeket két csprtra szthatjuk: ideális elegyek és reális elegyek Az ideális elegyek képződése srán a kmpnensek elegyedése srán nem következik be: térfgatváltzás, vagyis az elegy térfgata = a kmpnensek térfgatainak összegével) kémiai reakció felmelegedés vagy lehűlés (feltéve hgy a kmpnensek azns hőmérsékletűek) az alktórészek tetszőleges arányban váltztathatók Ideális elegyeket lyan anyagk alktnak egymással, amelyek mlekulái között a kölcsönhatásk nem különböznek számttevően az egyes kmpnensek azns mlekulái közötti kölcsönhatásktól. Pl. közel ideális elegyek a gázelegyek, vagy a benzl-tlul, vagy a hexán-heptán elegy. Ha fenti feltételek nem teljesülnek, akkr reális elegyről beszélünk. 2

3 Az elegyek összetételének megadása Az elegy alktóinak mennyiségi visznyait az összetétellel jellemezzük.. Százaléks összetételek Tömegszázalék Jele: w Értelmezése: 00 g elegyben (ldatban) hány gramm van az egyik összetevőből. Másképpen: az egyik összetevő tömege és az összes tömeg hányadsának a 00-szrsa w m m m m % Példa: Hány gramm ldtt anyag van 350 g ldatban w = 25%-s ldatban? m(ldtt anyag) = 350 0,25 = 87,5 g Térfgat-százalék Jele: j Értelmezése: 00 m 3 elegyben (ldatban) hány m 3 van az egyik összetevőből. Másképpen: az egyik összetevő térfgata és az teljes térfgat hányadsának a 00-szrsa j 00% (elegy) Példa: 80 cm 3 alkhlt 500 cm 3 térfgatra hígítunk vízzel. Hány térfgat-százalék alkhlt tartalmaz az elegy? (alkhl) = 00 = 36%

4 2. Tömegkncentráció Jelentése a nevéből is lelvasható, megmutatja, hgy dm 3 ldatban hány g ldtt anyag található. A tömegkncentráció az ldtt anyag tömegének és az ldat térfgatának a hányadsa. Jele: ρ B, mértékegysége: g/ dm 3, illetve g/liter. m B Példa: 750 cm 3 ldatban 25 g sót ldttunk. Ekkr a tömegkncentráció: B m 25 g 0,75 dm 3 33,33 g dm 3 4

5 3. Anyagmennyiség-kncentráció A kémiai anyagmennyiség mértékegysége az SI-mértékrendszerben a mól. Kézenfekvő, hgy az ldtt anyag mennyiségét mólban adjuk meg, míg az ldatt térfgategységben mérjük. Így jutunk az anyagmennyiség-kncentrációhz. Megmutatja, hgy dm 3 ldatban hány mól ldtt anyag található. Az anyagmennyiségkncentráció az ldtt anyag anyagmennyiségének és az ldat térfgatának a hányadsa. Jele: c, mértékegysége: ml/ dm 3. c n Példa: 750 cm 3 ldatban 25 g NaCl-t ldttunk. Ekkr az anyagmennyiség-kncentráció számítása: m( NaCl) Az ldtt NaCl anyagmennyisége: c n 0,427 ml 3 0,75 dm n M( NaCl) 0,5698 ml 3 dm 25 58,5 0,427 ml 5

6 4. Móltört Az elegy (ldat) egyik összetevőjének anyagmennyiségét visznyítjuk az elegy anyagmennyiségéhez. x n n n 2... Példa: Mekkra a móltörtje a w = 46,0%-s NaNO 3 ldatban a NaNO 3 -nak és a víznek? A w = 46%-s NaNO 3 46 g NaNO 3 -ból és 54 g vízből áll X(NaNO 85 3 ) 0,53 X(H 8 2 O) 0, Természetesen az elegyben a móltörtek összege mindig. A móltört 00-szrsát mólszázaléknak (ml%) nevezzük. m M m M m M A fenti példa eredmény ml%-ban kifejezve: x(nano 3 ) = 5,3 ml% x(h 2 O) = 84,7 ml% 6

7 5. Rault-kncentráció (mlalitás) Megadja, hgy kg ldószerben hány ml ldtt anyag van. Jele m B, mértékegysége ml/kg ldószer. m B n ldttanyag m ml kg ldószer ldószer Példa: Mekkra a mlalitása a 0%-s Na 2 SO 4 ldatban a Na 2 SO 4 -nak? A w = 0%-s Na 2 SO 4 0 g Na 2 SO 4 -ból és 90 g vízből áll. 0 g Na 2 SO 4 anyagmennyisége: n 0 Na2SO ) 42 ( 4 0,0704 ml m B n(na SO m (H O) 2 ) 0,0704 ml 0,09 kg 2 4 0,782 ml kg víz 7

8 Gáz-gáz elegyek A gázk minden arányban elegyíthetők egymással, kölcsönös ldhatóságuk mindig krlátlan. A tökéletes gázk állaptegyenlete a gázelegyekre is alkalmazható. A gázelegyek esetén a nymás az alktók parciális nymásainak összegeként értelmezzük. Parciális nymás: Parciális nymás az a nymás, amelyet a kérdéses kmpnens fejtene ki az edény falára, ha ugyanlyan körülmények között egyedül töltené ki a teret. Össznymás: P = p + p 2 + p 3 + nrt n2rt p p2 p 3 n3rt Osszuk el a parciális nymást az össznymással: p P p p 2 p x P p p 3 nrt nrt... n nrt n2rt n3rt RT... ( n...) 2 n n n n n 3... Gázelegyek esetén egy kmpnens parciális nymása és az össznymás hányadsa a móltörttel egyenlő. móltört... 8

9 Móltört és a térfgat-százalék közötti összefüggés 3 2 n P x nrt n2rt n3rt n n2 n3 P n RT P nrt P P Térfgattört x j% 00 Móltört = Gázk esetén a móltört egyenlő térfgatszázalék a századrészével. 9

10 Gázelegy átlags mláris tömege Gázelegyek átlags mláris tömege az összetevők mláris tömegeinek móltörtekkel súlyztt átlaga: M x M x M Példa: Mennyi a levegő átlags mláris tömege, ha j = 2% xigént és j = 79% nitrgént tartalmaz? M 0,2 32 0, ,84 g ml 0

11 Hetergén rendszerek Hetergén rendszereknek azkat a rendszereket nevezzük, amelyek határfelülettel elválaszttt fáziskból épülnek fel. A hetergén rendszer lehet egykmpnensű vagy többkmpnensű. Egykmpnensű hetergén rendszerek lyan, csupa azns anyagi részecskéből felépülő rendszerek, amelyekben van fázishatár a rendszer különálló hmgén részei között. Egykmpnensű hetergén rendszer pl. a jég - víz - gőz rendszer. Többkmpnensű hetergén rendszerek lyan rendszerek, amelyekben több alktórész van, és ezeket jól érzékelhető fázishatár választja el egymástól. Többkmpnensű hetergén rendszer pl. a szilárd só telített sóldat rendszer. Hetergén rendszereket fázisdiagramjukkal lehet jellemezni. Ezeken a diagramkn az állaptjelzők és a halmazállaptk láthatók.

12 Az egykmpnensű hetergén rendszerek A víz fázisdiagramja Az lvadásgörbe mentén egyensúlyt tart a szilárd és a flyadék fázis. Nymás víz A tenziógörbe mentén egyensúlyt tart a gőz és a flyadék fázis. jég Hármaspntban mindhárm fázis megtalálható. gőz A szublimációs görbe mentén egyensúlyt tart a gőz és a szilárd fázis. Hőmérséklet 2

13 Állaptváltzásk a víz fázisdiagramján Nymás Nem szkáss halmazállapt-váltzási srrend: gőz, szilárd, flyadék F jég víz A B C E D gőz Szublimáció a hármaspnt alatti nymásn (lifilizálás) Hőmérséklet Szkáss halmazállaptváltzási srrend: szilárd, flyadék, gőz A lifilizálás fagyasztással történő, szárítási eljárás. A megfagyaszttt anyagból (pl. vérplazmából, élelmiszeripari termékekből, italalapanyagkból) erős vákuum alkalmazásával távlítjuk el az ldószert. Az alacsny hőmérsékleten a termékek bilógiai értéke nem csökken. A lifilizált anyag nagy aktív felülettel rendelkezik és könnyen veszi fel ismét a vizet. 3

14 Kétkmpnensű rendszerek fázisdiagramja Sóldatk fázisdiagramja Hőmérséklet Telítetlen ldat Telített ldat + jégkristályk Telített ldat + sókristályk Eutektikum + sókristályk Eutektikum + jégkristályk A E B Összetétel 4

15 Só-víz rendszerek felhasználása: hűtőkeverékek készítése Hűtőkeverékek működése: Ha az eutektikus összetételnek megfelelő sót és darált jeget összekeverünk, az lehűl az eutektikus hőmérsékletre. A só ldódik a jég felületi rétegében, de a keletkezett telített ldat nincs egyensúlyban az alatta lévő, eredetileg nulla C-s jéggel. Ezért a jég lvadásnak indul, és az ehhez szükséges hőt a környezetéből vnja el, tehát lehűl. Néhány hűtőkeverék: KNO 3 + jég -69 C NaCl + jég: -9 C CaCl 2 + jég: -33 C 5

16 A flyadékelegyek gőznymása Flyadék flyadék elegyek A flyadékelegyek a tiszta flyadékkhz hasnlóan párlgnak: a flyadékállaptból gőzállaptba juthat a flyadékelegy valamennyi kmpnense. Az elegyek esetén a tenzió a hőmérsékleten és az anyagi minőségen kívül az összetételtől is függ. Az egyes kmpnensek által kialakíttt nymás a flyadékelegy feletti gőznymásnak csak biznys része, ezért azt a nymást résznymásnak, azaz parciális nymásnak nevezzük. Röviden: Az egyes kmpnensek gőznymásait parciális tenziónak nevezzük. Ideális flyadékelegyben a parciális tenzió a tiszta flyadék tenziójáhz képest az adtt kmpnens flyadékban mért móltörtjének arányában csökken. p A x A P A p B x B P A flyadékelegyben felett az össztenziót a parciális tenziók összege adja. p p A p B x A P A x B B P B 6

17 Tenziógörbék Ideális flyadékelegy felett az össznymás (össztenzió) lineárisan váltzik a flyadékfázisban mért móltörttel. Tiszta A kmpnens tenziója P A P B Tiszta B kmpnens tenziója Tiszta A kmpnens x B 0 Tiszta B kmpnens x A 0 7

18 A Rault-törvény alamely flyadékelegyben w = 40% hexán, w 2 = 25% heptán és w 3 = 35% ktán van. Számítsuk ki az elegy gőznymását 20 ºC-n, ha ezen hőmérsékleten a tiszta anyagk 4 tenziói a következők: Hexán (C Heptán (C Oktán (C H H H ) : ) : ) : p p p 2 3 4,680,50 0, Pa Pa Pa. Számítsuk ki az elegy összetételét mltörtben! x(c x(c x(c H H H ) ) ) ,455 0,245 0, Számítsuk ki a parciális tenziókat! p(c p(c p(c H H H ) 0,455 4,68 0 ) 0,245,50 0 ) 0,300, Pa Pa 3935 Pa 3. Az elegy felett a tenzió a parciális tenziók összege: P p(c 6H4 ) p(c 7H6 ) p(c 8H P Pa ) 8

19 Reális flyadékelegyek tenziógörbéi Reális flyadékelegy felett az össznymás váltzása nem lineáris. A szaggattt vnal az ideális elegy feletti tenziót mutatja.. A tenziógörbe eltér az ideálistól, de nincs se minimuma, se maximuma. P A 2. A tenziógörbe eltér az ideálistól, és maximuma van. P B 3. A tenziógörbe eltér az ideálistól, és minimuma van. x B 0 x A 0 9

20 Flyadék és gőzösszetétel szerinti tenziógörbék Ideális flyadékelegy felett az össznymás (össztenzió) lineárisan váltzik a flyadékfázisban mért móltörttel. Ha gőznymást a gőzfázis összetétele szerint ábrázljuk, az összefüggés ideális flyadékelegyek esetén sem lineáris: P A P B x B 0 x B 20

21 Knvalv I. törvénye izsgáljuk meg, milyen összetétel tartzik egy adtt tenzióhz a flyadék- és a gőzfázisban! P A Az ábra szerint az A kmpnens illéknyabb, mint a B kmpnens. (Nagybb a tenziója.) P B A flyadékfázisban a B kmpnensből több van, mint a gőzfázisban. 0 A gőzfázisban az A kmpnensből több van, mint a flyadékfázisban. Gőzfázis összetétele x B x B Flyadékfázis összetétele Knvalv I. törvénye: A gőzfázis az illéknyabb kmpnensben dúsabb, mint a vele egyensúlyban lévő flyadékfázis. 2

22 Reális flyadékelegyek tenziógörbéi P A P B P A P B P A P B 0 x B x B x e 0 x B x B 0 x B x B x e A reális flyadékelegyek hárm típusának megfelelően hárm tenziógörbe van. A középső és a jbbldali tenziódiagramknak van egy lyan pntja, ahl a flyadékfázisnak és a gőzfázisnak azns az összetétele. Az ilyen összetételű flyadékelegyet azetróps elegynek nevezzük. Knvalv II. törvénye: Az azertóps összetételű flyadékelegyek váltzatlan összetétellel párlgnak. 22

23 A flyadékelegyek frráspntgörbéi Flyadékelegyekkel való munka srán jellemzően nem a hőmérséklet állandó, hanem a flyadékelegy feletti nymás. Pl. desztilláció srán frrásig melegítjük az elegyet, miközben a külső nymás nem váltzik. Frrás értelmezése flyadékelegyekre: A flyadékelegyek akkr frr, ha a parciális tenziók összege eléri a flyadékelegy feletti nymást. A felső ábrán egy ideális flyadékelegy tenziógörbéje, az alsó ábrán pedig ugyan annak a flyadékelegynek a frráspntgörbéje látható. A frráspntgörbén a flyadékelegy és a gőzfázis összetételének függvényében ábrázljuk az elegy frráspntját (állandó nymásn.) A frráspntgörbe még ideális flyadékelegyek esetén sem lineáris. p T 0 x x B A 0 0 x x B A 0 23

24 T A frráspntgörbe értelmezése Gőz 0 x x A B 0 A frráspntdiagramn a vaprgörbe feletti terület minden pntjában az elegy gőz halmazállaptú. A likvidusz- és a vaprgörbe között az elegy egy gőz- és egy flyadékfázisra válik szét. Ez tehát kétfázisú terület. Flyadék A frráspntdiagramn a likviduszgörbe alatti terület minden pntjában az elegy flyadék halmazállaptú. T T B A kétfázisú terület értelmezése x Agőz Gőz x A x x Afly. Flyadék A Melegítsük az x A összetételű flyadékelegyet T hőmérsékletre! Ekkr szétválik egy x Afly összetételű flydékfázisra és egy x Agőz összetételű gőzfázisra. 24

25 A frráspntgörbe értelmezése T. Gőz T Gőz T T Flyadék 2. Flyadék B x A x A x A2 A B x A2 x A x A A Induljunk ki az. pntból. A gőzelegy összetétele x A. Hűtés srán a vaprgörbe T hőmérsékletén a gőz elkezd kndenzálódni. A lekndenzálódtt flyadékelegy összetétele x A2. A kndenzáció srán a magasabb frráspntú (kevésbé illékny) kmpnensből több kndenzálódtt le, így a flyadék a kevésbé illékny kmpnensben dúsult. Induljunk ki a 2. pntból. A flyadékelegy összetétele x A. Melegítés srán a likviduszgörbe T hőmérsékletén a flyadék elkezd frrni. A távzó gőzelegy összetétele x A2. A frrás srán az alacsnyabb frráspntú (illéknyabb) kmpnensből több párlgtt el, így a gőz az illéknyabb kmpnensben dúsult. 25

26 A reális flyadékelegyek tenzió- és frráspntgörbéi P A P B P A P B P A P B 0 x B x B x e 0 x B x B x e 0 x B x B TB TA T A TB TA TB 0 x B x B 0 x e x B x B 0 x e x B x B 26

27 Az egyszerű desztilláció A flyadékelegyből egyes kmpnensei eltérő mértékben párlgnak. A flyadékelegyből frrás közben az alacsnyabb frráspntú (illéknyabb) kmpnensből több távzik el. Így a lecsepegő desztillátum az illéknyabb kmpnensben lesz dúsabb. Az egyszerű desztilláció srán nem lesz teljes szétválasztás. Csak annyi történik, hgy a desztillátum az illéknyabb kmpnenesben, míg a desztillációs maradék a kevésbé illékny kmpnensben lesz dúsabb. 27

28 A frakcinált desztilláció A desztilláció hatássságát, vagyis a tökéletesebb szétválasztását úgy lehet növelni, hgy a távzó gőzök egy részét lekndenzáltatjuk és visszavetetjük. A távzó gőzök egy részének kndenzáltatását deflegmációnak nevezzük. Ekkr, a deflegmálás srán gőzökből a magasabb frráspntú, tehát kevésbé illékny kmpnensek fgnak nagybb mértékben lecsapódni, az illéknyabb kmpnens pedig gőz frmában távzik az elpárlgtató térből. Így a desztillátum lényegesen tisztább lesz. 28

29 A rektifikáló szlp működése Alacsnyabb frráspntú kmpnens Magasabb frráspntú kmpnens A fölfelé szálló gőzök a bubréksapka miatt belebubréklnak a tányérn lévő flyadékba. Részen lekndenzálnak, ekkr hőt adnak le, és ezáltal frrásban tartják a tányérn lévő flyadékt. Ekkr az illéknyabb kmpnens nagybb mértékben párlg, a gőzök az alacsnyabb frráspntú kmpnensben dúsulnak. A visszamaradó flyadék a magasabb frráspntú kmpnensben dúsul, és a túlflyón keresztül egy alacsnyabb tányérra flyik vissza. Ipari mértetekben a többkmpnensű flyadékelegyek szétválasztására a rektifikáló szlpt használnak. 29

30 illéknyabb A frakcinált desztilláció termékei TB T A T A TB T A TB kevésbé illékny 0 x B x B 0 x e x B x B 0 x e x B x B Fejtermék A kmpnens Azetróps elegy A kmpnens vagy B kmpnens Fenéktermék B kmpnens A kmpnens vagy B kmpnens Azetróps elegy 30

31 A kíméletes desztillációk annak lyan flyadékelegyek, melyek a légköri nymáshz tartzó frráspntn elbmlanak. Ezért ezeket csak alacsnyabb hőmérsékleten lehet desztillálni. A frráspnt csökkentésének egyik lehetősége, hgy csökkentsük a flyadék felett a nymást, vagyis vákuumdesztillációt hajtunk végre. A kíméletes desztillációnak másik módja a vízgőzdesztilláció. A vízgőzdesztilláció alkalmazásának egyik feltétele, hgy kinyerni kívánt kmpnens ne elegyedjen a vízzel. Ilyenkr a desztillálandó elegybe vízgőzt vezetünk. Az elegy akkr frr, ha a vízgőz és az értékes kmpnens gőznymása együtt éri el a légköri nymást. Azk az anyagk választhatók el így gazdaságsan, melyeknek nagy a mláris tömege. 3