Halmazállapot változások

Átírás

1 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 gız nyitott térben teljesen elpárolog zárt térben a gıztér telítetté válik, egyensúly alakul ki gıznyomás (tenzió): a folyadék felett zárt térben kialakuló egyensúlyi állapotban mért nyomás 1

2 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 H 2 O: 374,2 C, 21,8 MPa CO 2 : 31,1 C, 7,3 MPa O 2 : -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

3 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

4 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) (c n mol/dm 3 ) tömegkoncentráció (c m g/dm 3 ) Raoult koncentráció (molalitás) (c R 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

5 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 E r < E sz az oldat lehől, az oldáshı elıjele pozitív endoterm folyamat, E r > E sz 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

6 Szilárd anyagok oldódása folyadékban Rosszul oldódó ionos vegyületek: A hidratációs energia kisebb, mint a rács-energia nem fedezi a kristály aprózódását oldható, ha tartalmaz NH 4+, Li +, Na +, K + NO 3-, CH 3 COO - Cl -, Br -, I - SO 4 2- legjobban oldódik legrosszabbul oldódik legrosszabbul oldódik nem oldható, ha tartalmaz CO 3 2-, S 2- PO 4 3-, OH - Ag +, Pb 2+, Hg 2 2+ Ba 2+, Pb 2+, Ca 2+, Sr 2+ Szilárd anyagok oldódása folyadékban A rosszul oldódó anyagok oldhatóságát - az oldódási egyensúlyból származtatható oldhatósági szorzattal (L) jellemezzük nem a tényleges koncentrációval Az A m B n összetételő só esetén: A m B n m A n+ + n B m- L = [A n+ ] m [B m ] 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

7 Oldatok gıznyomása Raoult-törvénye: a nem illékony oldott anyag megváltoztatja a párolgás mértékét az oldott anyag koncentrációjának függvényében csökken az oldószer gıznyomása - P = X oldószer p relatív gıznyomáscsökkenés: p / p = n / n oldószer 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 c R 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

8 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 = c n R T π = i c n 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: O 2, N 2, CH 4 ), kémiai kölcsönhatás az oldószerrel (CO 2, NH 3, HCl, HCHO) O 2 CH 4 CO 2 SO 2 NH 3 HCl HCHO 0 C 0, , , ,83 89,5 82,3 31,2 20 C 0, , , ,28 53,1 72,0 40,2 40 C 0, , ,0973 5,41 30,7 63,3 49,2 60 C 0, , , ,1 62,0 g/100 g víz 8

9 Gázok oldódása folyadékban Az oldhatóság függ a hımérséklettıl nyomástól Henry-Dalton törvény c = K p 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

10 Folyadékok korlátlan elegyedése a folyadékok egymással összemérhetı mennyisége: X i = n i / n ö 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: P a = X a p a 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 = X a p a + X b p b 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