Elegyek, ldatk A bemutatót összeállíttta: Fgarasi József, Petrik ajs SZKI, 20
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
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 2 3.. 00% 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% 80 500 3
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
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
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. 46 54 X(NaNO 85 3 ) 0,53 X(H 8 2 O) 0,847 46 54 46 54 85 8 85 8 Természetesen az elegyben a móltörtek összege mindig. A móltört 00-szrsát mólszázaléknak (ml%) nevezzük. m M m M m M 2 2... A fenti példa eredmény ml%-ban kifejezve: x(nano 3 ) = 5,3 ml% x(h 2 O) = 84,7 ml% 6
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
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
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 = + 2 + 3 Gázk esetén a móltört egyenlő térfgatszázalék a századrészével. 9
Gázelegy átlags mláris tömege Gázelegyek átlags mláris tömege az összetevők mláris tömegeinek móltörtekkel súlyztt átlaga: M x M x M 2 2... Példa: Mennyi a levegő átlags mláris tömege, ha j = 2% xigént és j = 79% nitrgént tartalmaz? M 0,2 32 0,79 28 28,84 g ml 0
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.
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
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
Kétkmpnensű rendszerek fázisdiagramja Sóldatk fázisdiagramja Hőmérséklet Telítetlen ldat Telített ldat + jégkristályk Telített ldat + sókristályk Eutektikum + sókristályk Eutektikum + jégkristályk A E B Összetétel 4
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
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
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
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 6 7 8 H H H 4 6 8 ) : ) : ) : p p p 2 3 4,680,50 0,3 0 4 4 Pa Pa Pa. Számítsuk ki az elegy összetételét mltörtben! x(c x(c x(c 6 7 8 H H H 4 6 8 ) ) ) 40 86 40 86 40 86 40 86 25 00 25 00 25 00 35 4 25 00 35 4 35 4 35 4 0,455 0,245 0,300 2. Számítsuk ki a parciális tenziókat! p(c p(c p(c 6 7 8 H H H 4 6 8 ) 0,455 4,68 0 ) 0,245,50 0 ) 0,300,3 0 4 4 4 2 296 Pa 3 669 Pa 3935 Pa 3. Az elegy felett a tenzió a parciális tenziók összege: P p(c 6H4 ) p(c 7H6 ) p(c 8H8 2 296 3 669 3 935 P 28 900 Pa ) 8
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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