Halmazállapot változások 6. hét Egy anyag különböző halmazállapotai közötti átmenet - elsőfajú fázisátalakulások A kémiai összetétel nem változik meg Adott nyomáson meghatározott hőmérsékleten megy végbe energia befektetés, vagy elvonás Folyadékok párolgása a részecskék kinetikus energiája különböző, közülük a nagy mozgási energiájú a folyadék felületén kilép a gáztérbe gőz nyitott térben teljesen elpárolog zárt térben a gőztér telítetté válik, egyensúly alakul ki gőznyomás (tenzió): a folyadék felett zárt térben kialakuló egyensúlyi állapotban mért nyomás Folyadékok párolgása forráspont: az a hőmérséklet ahol a folyadék feletti gőznyomás eléri a külső nyomást a külső nyomás változó normál forráspont: forráspont 0,1 MPa nyomáson desztilláció: forrás és kondenzálás 1
Desztilláció a folyadékot forráspontján elpárologtatjuk, a gőzöket lehűtve külön edényben kondenzáltatjuk tiszta anyagok azonosítása folyadékelegyek elválasztása tisztításra csökkentett nyomáson vákuumdesztilláció bomlékony anyagokra Folyadékok párolgása kritikus hőmérséklet: az a hőmérséklet, amelyen a folyadék és telített gőzének sűrűsége megegyezik kritikus nyomás: a kritikus hőmérsékleten mért gőznyomás a kritikus hőmérséklet 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 állapotjelzők (t, p, c) Egyensúlyban lévő heterogén rendszer: F + Sz = K + 2 2
Fázisdiagramok - állapotdiagramok a fázisátalakulás (halmazállapot változás) grafikus ábrázolása - az állapotjelzők függvényében a görbe nevezetes pontjai és a folyamatok jelölése H - hármaspont három fázis egyensúlya K - kritikus pont kritikus hőmérséklet 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 Jód szublimációja a hármaspont és az olvadáspont hőmérséklete azonos (0,012 és 0,1 MPa) a szublimációs hő sokkal kisebb, mint az olvadáshő 3
Többkomponensű rendszerek Folytonos közegben eloszlatott részecskék - diszperz rendszerek homogén - kolloid - heterogén rendszerek - a részecskék mérete alapján Homogén rendszerek Egyfázisú rendszer - nincsenek benne határfelületek Oldat: Két vagy több kémiailag egységes anyag homogén egyfázisú keveréke. Az oldatok a nagyobb mennyiségű oldószerből és a kisebb mennyiségű oldott anyagból állnak. Elegy: Ha az oldott anyag és az oldószer mennyisége közel megegyezik ideális elegy - az összetevő komponensek megőrzik sajátságaikat - additivitás reális elegy - a komponensek elkeveredésekor dilatáció vagy kontrakció lép fel Az oldatok típusai oldat oldott anyag oldószer Példa halmazállapota halmazállapota gáz gáz-gáz levegő folyékony gáz-folyadék szódavíz folyadék-folyadék etanol és víz elegye szilárd-folyadék NaCl-oldat szilárd gáz-szilárd platinában oldott H 2 folyadék-szilárd amalgámok szilárd-szilárd fémötvözetek 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 méretű eloszlatása (hőmozgás révén) fizikai oldódás szolvatáció (hidratáció) ionos kötésű 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 kötésű kristályok oldása molekularácsos kötésű kristályok oldása 5
Oldódás (elegyedés) Az oldódás sebessége: időegység alatt bekövetkező koncentrációváltozás v = c / t anyagi minőség - keverés mértéke - hőmérséklet szemcseméret - koncentráció Telített oldat: az oldódó és kiváló részecskék száma megegyezik Oldhatóság: adott körülmények között (hőmérséklet, nyomás) a telített oldat koncentrációja Oldáshő Az oldás során bekövetkező energiaváltozás - oldáshő: 1 mol anyagból végtelen híg oldat elkészítésekor bekövetkező hőmennyiség változás (rácsenergia és szolvatációs hő) az oldat lehűl, az oldáshő előjele negatív E r > E sz az oldat felmelegszik, az oldáshő előjele pozitív E r < E sz Oldáshő 6
Szilárd anyagok oldódása folyadékban Az oldhatóság hőmérsékletfüggése - növekvő és csökkenő - az oldáshő előjelétől függően A nyomás gyakorlatilag nem változtat a szilárd anyag oldhatóságán negatív oldáshő pozitív oldáshő 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 összetételű 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 számottevő kölcsönhatást egymásra - moltört < 0,01 - az oldószerre nézve ideális oldat nem illékony oldott anyag hatással van az oldat gőznyomására, a fagyáspontjára és forráspontjára, az ozmózis jelenségére 7
Oldatok gőznyomása Raoult-törvénye: a nem illékony oldott anyag megváltoztatja a párolgás mértékét az oldott anyag koncentrációjának függvényében csökken az oldószer gőznyomása - P = X oldószer p relatív gőznyomáscsökkenés: 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 hőmérséklet változás részecskeszám Raoult oldószerre koncentráció jellemző állandó Ozmózis féligáteresztő hártyával elválasztott oldat és oldószer között megindul az oldószer molekulák átáramlása a nagyobb koncentrációjú oldat felé hajtóereje a koncentrációk kiegyenlítődése π 8
Ozmózisnyomás Az oldat ozmózisnyomása az a nyomás, amely képes megakadályozni az oldószer átáramlását a membránon (pl. sejthártya, cellofán, műanyag 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 kismértékű (inert gázok: O 2, N 2, CH 4 ), kémiai kölcsönhatás az oldószerrel (CO 2, NH 3, HCl, HCHO). Az oldhatóság függ a hőmérséklettől nyomástól Henry-Dalton törvény c = K p keszon-betegség (N 2 oldódása a vérben) 9
Gázok oldódása szilárd anyagban adszorpció - felületi megkötődés oldódás (abszorpció) - a gázmolekulák beépülése a szilárd anyag kristályrácsába nagy ipari jelentőségű a hidrogéngáz oldódása fémekben (Pd, Pt) tárolás, katalizátor 1 g vanádium által oldott hidrogéngáz Folyadékok elegyedése Korlátlanul elegyedő folyadékok: bármilyen arányban keverhetők, mindig egy folyadékfázis lesz (apoláris molekulájúak - benzol - toluol vagy egymással hidrogénkötésre alkalmas folyadékok - víz - alkohol) Korlátozottan elegyedő: csak bizonyos határok közötti keverési aránynál kapunk egy fázist, azon túl két folyadékfázis lesz jelen (fenol-víz) Nem elegyedő folyadékok: mindig két folyadékfázis van jelen (toluol-víz) nem elegyedő nem oldódó!!! egymásban kis mértékű oldódás elkülönülő homogén fázisok - széles hőmérséklet-tartományban Folyadékok korlátlan elegyedése a folyadékok egymással összemérhető mennyisége: X i = n i / n ö A folyadékelegy gőznyomása a gőz valamennyi komponens gőzét tartalmazza az elegy gőznyomása a komponensek parciális nyomásából adódik össze Raoult- törvény: az elegy gőznyomásában a komponensek tenziója mindig kisebb, mint lenne tiszta állapotában Ideális elegyben: P a = X a p a 10
Folyadékok elegyedése Reális elegyeket alkotó komponensek parciális tenziója nem változik lineárisan az összetétellel, mert a komponensek különböző molekulái úgy hatnak egymásra, hogy az elegyben kisebb lesz a vonzó kölcsönhatás és könnyebben párolognak (etanol és víz) az elegy gőznyomása nagyobb lesz a számítottnál az elegyben nagyobb lesz a vonzóerő, mint a tiszta anyagok esetén, ezek nehezebben párolognak (víz és salétromsav) az elegy gőznyomása kisebb lesz a számítottnál 11