Általános és szervetlen kémia Laborelıkészítı elıadás I. Halmazállapotok, fázisok Fizikai állapotváltozások (fázisátmenetek), a Gibbs-féle fázisszabály Fizikai módszerek anyagok tisztítására - Szublimáció - Átkristályosítás - Desztilláció (ideális/nemideális elegyek, azeotrópia) beniszabi@gmail.com
Halmazállapot Az anyag halmazállapotai I. Entitások elhelyezkedése; mozgása Példa Szilárd - kristályos - amorf
Az anyag halmazállapotai II. Halmazállapot Entitások elhelyezkedése; mozgása Példa
Az anyag halmazállapotai III. Halmazállapot Entitások elhelyezkedése; mozgása Folyadék Gáz Szuperkritikus fluid állapot (nagy T, p) szuperkritikus H 2 O (T > 374 C, p > 22 MPa) szuperkritikus N 2 (T > -147 C, p > 3,4 MPa) szuperkritikus CO 2 (T > 31 C, p > 7,3 MPa)
Az anyag halmazállapotai IV. Halmazállapot Plazmaállapot: túlhevített, ionizált gáz Entitások elhelyezkedése; mozgása molekulák atomok kationok és elektronok a plazma elektromos vezető, áramok folynak benne
Definíciók a halmazállapot-változások tárgyalásához fázis: az anyag kémiai összetételben és fizikai tulajdonságaiban egységes (homogén és izotróp) tartománya, a környezetétől határfelület választja el gőznyomás (tenzió): zárt edényben egy kondenzált fázissal dinamikus egyensúlyban levő gáz nyomása, adott hőmérsékleten
p (kpa) A tiszta víz fázisdiagramja folyadék szilárd gáz T ( C)
F = Sz = K = A Gibbs-féle fázisszabály (a víz példáján) F + Sz = K + 2 p fázison belül: fázisátalakulási görbe mentén: T
p (kpa) A szén-dioxid fázisdiagramja T ( C)
p (kpa) A jód fázisdiagramja T ( C)
Többkomponensű rendszerek összetételi változók: tört (százalék), koncentrációfajták... telített oldat: oldhatóság: túltelített oldat:
Szennyezett timsó átkristályosítása 100 Oldhatóság (g / 100 g víz) 80 60 40 20 0 KAl(SO 4 ) 2 CuSO 4 szénpor 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 T ( C)
Folyadék-gőz egyensúlyok Folyadék egyensúlyi gőznyomása (tenziója), forráspontja B folyadék illékonyabb, mint A, ha p B > p A és T B* < T * A Ideális biner folyadékelegyek Raoult-törvény (1887) p p x A = B = A = p p * A * B n x x A A B na + n B az oldat feletti gőz össznyomása a két tenzió összege (Dalton-törvény):
15 14 Benzol-toluol elegy gőznyomásgörbéje T = 20 C * p B Össz. Össsz gőznyomás (kpa) 13 12 11 10 9 8 folyadék gőz gőzösszetétel-görbe (vaporgörbe) folyadékösszetételgörbe (likviduszgörbe) 7 6 * p A 5 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 A benzol móltörtje, x B
A desztilláló berendezés részei és működése 9. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
Benzol-toluol elegy forráspontgörbéje 115 * T A 110 100 kpa külső nyomáson 105 Forráspont ( C) 100 95 90 folyadék gőz 85 80 * T B 75 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 A benzol móltörtje, x B
Benzol-toluol elegy frakcionált desztillációja 115 * T A 110 100 kpa külső nyomáson 105 Forráspont ( C) 100 95 90 folyadék gőz 85 80 * T B 75 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 A benzol móltörtje, x B
Desztillációs készülékek egyszerű desztillációs berendezés frakcionált desztillációra alkalmas berendezés
Nemideális elegy: a sósav desztillációja 110 Hőmérséklet ( C) 105 100 95 90 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 A HCl tömegtörtje
Általános és szervetlen kémia Laborelıkészítı elıadás II. Reális elegyek desztillációja: etanol Megoszlási egyensúly, folyadék-folyadék extrakció Ioncsere A víztisztítás további módszerei Az anyagtisztítási módszerek összefoglaló áttekintése Arrhenius sav-bázis elmélete - savak és bázisok erőssége - sók előállítása
Alkohol-víz elegyek frakcionált desztillációja Hőmérséklet ( C) 102 100 98 96 94 92 90 88 86 84 gőz 82 80 78 folyadék 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 V /V % alkohol
A és B folyadékok ideális és reális elegyei Ideális elegy Reális elegy 1. típus 2. típus Kölcsönhatás erőssége Elegyedési hő Elegyedési térfogatváltozás Összes gőznyomás Szélsőérték (p-konc.) Szélsőérték (T-konc.) Példa
Megoszlási egyensúly, kirázás Apoláris anyag átoldódása vízből egy vízzel nem elegyedő oldószerbe c' pl. I 2 megoszlása víz és CHCl 3 között: D = org = 85 c ' aq D = ( m x / V org x)/ V aq = x m x V V aq org x = DV m 1+ DV org / V org aq / V aq = DV m 1+ DV org / V org aq / V aq n
Ioncserélő gyanta előállítása nagy molekulatömegű, szintetikus, térhálós polimer sztirol és divinil-benzol (térhálósító) kopolimerizációja: HC CH 2 CH CH 2 CH CH 2 CH CH 2 + + + +... kopolimer sztirol CH CH 2 divinilbenzol (DVB) CH CH 2 + CH CH 2 +... térhálósodási fok ~ % DVB CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH CH C... CH 2 CH CH 2 C CH 2...
Kationcserélő gyanta szerkezete R R erősen savas gyanta: - - SO 3 SO 3 SO 3 SO 3 SO 3 - - - R gyengén savas: - - - - - SO 3 SO 3 SO 3 SO 3 SO 3
Anioncserélő gyanta szerkezete R R erősen bázikus gyanta: + N(CH 3 ) 3 + N(CH 3 ) 3 N(CH 3 ) 3 + R gyengén bázikus: + + + N(CH 3 ) 3 N(CH 3 ) 3 N(CH 3 ) 3
Az ioncsere gyakorlata A teljes kationcsere H + -okat termel, a teljes anioncsere ugyanannyi OH iont (elektroneutralitás): H + + OH = H 2 O Mindig először kationcsere, aztán anioncsere A gyanta ioncserélő kapacitása: A kationcserélő gyanta regenerálása: Az anioncserélő regenerálása: Kevertágyas ioncserélő:
További víztisztítási módszerek alapjai I. Sótartalom Gazdaságos eljárás nagy Desztilláció (tengervíz: 3.5%) Gázhidrátok képződése
További víztisztítási módszerek alapjai II. Sótartalom < 1% brakkvíz Gazdaságos eljárás Fordított ozmózis
További víztisztítási módszerek alapjai III. Sótartalom < 1% brakkvíz Gazdaságos eljárás Elektrodialízis < 0.1% Ioncsere
Módszerek az oldószer víz eltávolítására Bepárlás csökkentett nyomáson Liofilizálás (fagyasztva szárítás) T ( C)
Az anyagtisztítási módszerek összefoglalása Egyensúly Tisztítási módszer Alapfeltétele Példa Szilárd / gőz Szilárd / gőz Folyadék/foly. megoszlás Szilárd / oldott anyag Folyadék / gőz Ionmegoszlás oldat / gyanta Ozmózis