Elegyek, oldatok

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

2

Elegyek fogalmaElegyek az olyan homogén, többkomponensű rendszerek, amelyekben az alkotórészek arányáttetszőlegesen változtathatjuk anélkül, hogy közben új fázis keletkezne vagy tűnne el.

Az elegyeket két csoportra oszthatjuk: ideális elegyek és reális elegyek

Az ideális elegyek képződése során a komponensek elegyedése során nem következik be:

térfogatváltozás, vagyis az elegy térfogata = a komponensek térfogatainak összegével)

Ideális elegyeket olyan anyagok alkotnak egymással, amelyek molekulái között a kölcsönhatásoknem különböznek számottevően az egyes komponensek azonos molekulái közötti

kölcsönhatásoktól.Pl. közel ideális elegyek a gázelegyek, vagy a benzol-toluol, vagy a hexán-heptán elegy.

Ha fenti feltételek nem teljesülnek, akkor reális elegyről beszélünk.

kémiai reakció felmelegedés vagy lehűlés (feltéve hogy a komponensek azonos hőmérsékletűek) az alkotórészek tetszőleges arányban változtathatók

3

Az elegyek összetételének megadásaAz elegy alkotóinak mennyiségi viszonyait az összetétellel jellemezzük.

1. Százalékos összetételek

Példa:Hány gramm oldott anyag van 350 g oldatbanw = 25%-os oldatban?m(oldott anyag) = 350·0,25 = 87,5 g

TömegszázalékJele: wÉrtelmezése: 100 g elegyben (oldatban) hány gramm van az egyik összetevőből.Másképpen: az egyik összetevő tömege és az összes tömeg hányadosának a 100-szorosa

%100..321

1

mmm

mw

Térfogat-százalékJele: jÉrtelmezése: 100 m3 elegyben (oldatban) hány m3 van az egyik összetevőből.Másképpen: az egyik összetevő térfogata és az teljes térfogat hányadosának a 100-szorosa

%1001 (elegy)VVj

Példa:180 cm3 alkoholt 500 cm3 térfogatra hígítunk vízzel. Hány térfogat-százalék alkoholt tartalmaz az elegy?

(alkohol) = ·100 = 36%180500

4

Jelentése a nevéből is leolvasható, megmutatja, hogy 1 dm3 oldatban hány g oldott anyagtalálható. A tömegkoncentráció az oldott anyag tömegének és az oldat térfogatának ahányadosa. Jele: ρB , mértékegysége: g/ dm3 , illetve g/liter.

2. Tömegkoncentráció

Vm

BPélda:

750 cm3 oldatban 25 g sót oldottunk. Ekkor a tömegkoncentráció:

33B dmg 33,33

dm 0,75g 25

Vm

5

Megmutatja, hogy 1 dm3 oldatban hány mól oldott anyag található. Az anyagmennyiség-koncentráció az oldott anyag anyagmennyiségének és az oldat térfogatának a hányadosa.Jele: c, mértékegysége: mol/ dm3 .

3. Anyagmennyiség-koncentráció

Vnc

Példa:750 cm3 oldatban 25 g NaCl-ot oldottunk. Ekkor az anyagmennyiség-koncentrációszámítása:

33 dmmol 0,5698

dm 0,75mol 0,427

Vnc

Az oldott NaCl anyagmennyisége: mol 0,4275,58

25)()(

NaClMNaClmn

A kémiai anyagmennyiség mértékegysége az SI-mértékrendszerben a mól. Kézenfekvő,hogy az oldott anyag mennyiségét mólban adjuk meg, míg az oldatot térfogategységbenmérjük. Így jutunk az anyagmennyiség-koncentrációhoz.

6

Az elegy (oldat) egyik összetevőjének anyagmennyiségét viszonyítjuk az elegy anyagmennyiségéhez.

4. Móltört

....21

11

nnnx

Példa:Mekkora a móltörtje a w = 46,0%-os NaNO3 oldatban a NaNO3-nak és a víznek?

Aw = 46%-os NaNO3 46 g NaNO3-ból és 54 g vízből áll.

0,153

1854

8546

8546

)(NaNO3

X 0,847

1854

8546

1854

O)(H2

X

Természetesen az elegyben a móltörtek összege mindig 1.

A móltört 100-szorosát mólszázaléknak (mol%) nevezzük.

A fenti példa eredmény mol%-ban kifejezve: x(NaNO3) = 15,3 mol% x(H2O) = 84,7 mol%

....2

2

1

1

1

1

Mm

Mm

Mm

7

Megadja, hogy 1 kg oldószerben hány mol oldott anyag van.Jele mB, mértékegysége mol/kg oldószer.

5. Raoult-koncentráció (molalitás)

oldószer kgmol

oldószer

goldottanya

mn

mB

Példa:Mekkora a molalitása a 10%-os Na2SO4 oldatban a Na2SO4-nak?

A w = 10%-os Na2SO4 10 g Na2SO4-ból és 90 g vízből áll.10 g Na2SO4 anyagmennyisége:

mol 0,070414210)SONa( 42 n

víz kgmol0,782

kg 0,09mol 0,0704

)OH()SO(Na

2

42 m

nmB

8

Gáz-gáz elegyek

A gázok minden arányban elegyíthetők egymással, kölcsönös „oldhatóságuk” mindig korlátlan. A tökéletes gázok állapotegyenlete a gázelegyekre is alkalmazható.

A gázelegyek esetén a nyomás az alkotók parciális nyomásainak összegeként értelmezzük.

Gázelegyek esetén egy komponens parciálisnyomása és az össznyomás hányadosa amóltörttel egyenlő.

Össznyomás: P = p1 + p2 + p3 + …

... 33

22

11 V

RTnpVRTnp

VRTnp

Osszuk el a parciális nyomást az össznyomással:

......)(...... 321

1

111

1

321

1

321

11

nnnn

nnnVRT

VRTn

VRTn

VRTn

VRTn

VRTn

pppp

Pp

móltört

Ppx 1

1

Parciális nyomás: Parciális nyomás az a nyomás, amelyet a kérdéses komponens fejtene ki az edény falára, ha ugyanolyan körülmények között egyedül töltené ki a teret.

9

V1

1321

1

321

1

1 xnnn

n

PRTn

PRTn

PRTn

PRTn

VV

Móltört és a térfogat-százalék közötti összefüggés

PnRTV

Térfogattört Móltört

100%j

x

Gázok esetén a móltört egyenlő térfogat-százalék a századrészével.

V = V1 + V2 + V3

V

V3

V2

10

Gázelegy átlagos moláris tömegeGázelegyek átlagos moláris tömege az összetevők moláris tömegeinek móltörtekkel súlyozott átlaga:

...2211 MxMxMPélda:Mennyi a levegő átlagos moláris tömege, ha j = 21% oxigént és j = 79% nitrogént tartalmaz?

molg28,842879,03221,0 M

11

Heterogén rendszerekHeterogén rendszereknek azokat a rendszereket nevezzük, amelyekhatárfelülettel elválasztott fázisokból épülnek fel.

Többkomponensű heterogén rendszerek olyan rendszerek, amelyekben többalkotórész van, és ezeket jól érzékelhető fázishatár választja el egymástól.

Többkomponensű heterogén rendszer pl. a szilárd só – telített sóoldat rendszer.

A heterogén rendszer lehet egykomponensű vagy többkomponensű.

Egykomponensű heterogén rendszerek olyan, csupa azonos anyagi részecskébőlfelépülő rendszerek, amelyekben van fázishatár a rendszer különálló homogénrészei között.

Egykomponensű heterogén rendszer pl. a jég - víz - gőz rendszer.

Heterogén rendszereket fázisdiagramjukkal lehet jellemezni. Ezeken adiagramokon az állapotjelzők és a halmazállapotok láthatók.

12

Az egykomponensű heterogén rendszerekA víz fázisdiagramja

víz

gőz

jég

Hőmérséklet

Nyomás

Hármaspontban mindhárom fázis megtalálható.

Az olvadásgörbe mentén egyensúlyt tart a szilárd és a folyadék fázis.

A tenziógörbe mentén egyensúlyt tart a gőz és a folyadék fázis.

A szublimációs görbe mentén egyensúlyt tart a gőz és a szilárd fázis.

13

Állapotváltozások a víz fázisdiagramján

víz

gőzjég

Hőmérséklet

Nyomás A B C

Szokásos halmazállapot-változási sorrend:

szilárd, folyadék, gőz

Szublimáció a hármaspont alatti nyomáson (liofilizálás)

D

E

F

Nem szokásos halmazállapot-változási sorrend:

gőz, szilárd, folyadék

A liofilizálás fagyasztássaltörténő, szárítási eljárás.

A megfagyasztott anyagból (pl.vérplazmából, élelmiszeriparitermékekből, italalapanyagokból)erős vákuum alkalmazásávaltávolítjuk el az oldószert.

Az alacsony hőmérsékleten atermékek biológiai értéke nemcsökken.

A liofilizált anyag nagy aktívfelülettel rendelkezik és könnyenveszi fel ismét a vizet.

14

Hőm

érséklet

ÖsszetételA B

Telítetlen oldat

Kétkomponensű rendszerek fázisdiagramjaSóoldatok fázisdiagramja

E

Telített oldat + sókristályok

Eutektikum + jégkristályok

Eutektikum + sókristályok

Telített oldat + jégkristályok

15

Hűtőkeverékek működése:

Só-víz rendszerek felhasználása: hűtőkeverékek készítése

Ha az eutektikus összetételnek megfelelő sót és darált jegetösszekeverünk, az lehűl az eutektikus hőmérsékletre. A só oldódik a jégfelületi rétegében, de a keletkezett telített oldat nincs egyensúlyban azalatta lévő, eredetileg nulla oC-os jéggel. Ezért a jég olvadásnak indul, ésaz ehhez szükséges hőt a környezetéből vonja el, tehát lehűl.

Néhány hűtőkeverék: KNO3 + jég -69 oCNaCl + jég: -19 oCCaCl2 + jég: -33 oC

16

Folyadék – folyadék elegyekA folyadékelegyek gőznyomása

Ideális folyadékelegyben a parciális tenzió a tiszta folyadék tenziójához képest azadott komponens folyadékban mért móltörtjének arányában csökken.

A folyadékelegyek a tiszta folyadékokhoz hasonlóan párolognak: afolyadékállapotból gőzállapotba juthat a folyadékelegy valamennyi komponense.Az elegyek esetén a tenzió a hőmérsékleten és az anyagi minőségen kívül azösszetételtől is függ.

Az egyes komponensek által kialakított nyomás a folyadékelegy felettigőznyomásnak csak bizonyos része, ezért azt a nyomást résznyomásnak,azaz parciális nyomásnak nevezzük.

Röviden: Az egyes komponensek gőznyomásait parciális tenziónak nevezzük.

oAAA Pxp o

BBB Pxp A folyadékelegyben felett az össztenziót a parciális tenziók összege adja.

oBB

oAABA PxPxppp

17

Tenziógörbék

Ideális folyadékelegy felett az össznyomás (össztenzió) lineárisan változik a folyadékfázisban mért móltörttel.

xB0 1

Tiszta „B” komponens

Tiszta „B” komponens

tenziójao

AP oBP

Tiszta „A” komponens

Tiszta „A” komponens

tenziója

1 0xA

18

A Raoult-törvény

Valamely folyadékelegyben w1 = 40% hexán, w2 = 25% heptán és w3 = 35% oktán van.Számítsuk ki az elegy gőznyomását 20 ºC-on, ha ezen hőmérsékleten a tiszta anyagok tenziói a következők:

Pa 1031,1 :)H(COktán

Pa 1050,1 :)H(CHeptán

Pa 1068,4 :)H(CHexán

4o3188

4o2167

4o1146

ppp

1. Számítsuk ki az elegy összetételét moltörtben!

300,0

11435

10025

8640

11435

)H(C

245,0

11435

10025

8640

10025

)H(C

455,0

11435

10025

8640

8640

)H(C

188

167

146

x

x

x

2. Számítsuk ki a parciális tenziókat!

Pa935 31031,1300,0)H(C

Pa669 31050,1245,0)H(C

Pa296211068,4455,0)H(C

4188

4167

4146

ppp

3. Az elegy felett a tenzió a parciális tenziók összege:

Pa009 82935 36693 29621

)H(C)H(C)H(C 188167146

P

pppP

19

Reális folyadékelegyek tenziógörbéiReális folyadékelegy felett az össznyomás változása nem lineáris. A szaggatott vonal az ideális elegy feletti tenziót mutatja.

0 11 0xA

oAP

oBP

xB

1. A tenziógörbe eltér az ideálistól, de nincs se minimuma, se maximuma.

2. A tenziógörbe eltér az ideálistól, és maximuma van.

3. A tenziógörbe eltér az ideálistól, és minimuma van.

20

Ideális folyadékelegy felett az össznyomás (össztenzió) lineárisan változik a folyadékfázisban mért móltörttel. Ha gőznyomást a gőzfázis összetétele szerint ábrázoljuk, az összefüggés ideális folyadékelegyek esetén sem lineáris:

Folyadék és gőzösszetétel szerinti tenziógörbék

xB0 1

oAP o

BP

x’B

21

Vizsgáljuk meg, milyen összetétel tartozik egy adott tenzióhoz a folyadék- és a gőzfázisban!

Konovalov I. törvénye

oBP

0 1

oAP

x’B xBFolyadékfázis összetétele

Gőzfázis összetétele

A folyadékfázisban a „B” kompo-nensből több van, mint a gőz-fázisban.

Az ábra szerint az „A” komponensillékonyabb, mint a „B” komponens.(Nagyobb a tenziója.)

A gőzfázisban az „A” komponensbőltöbb van, mint a folyadékfázisban.

Konovalov I. törvénye:

A gőzfázis az illékonyabbkomponensben dúsabb, mint a veleegyensúlyban lévő folyadékfázis.

22

Reális folyadékelegyek tenziógörbéi

oBP

0 1

oAP

x’B xB

V

L

oBP

0 1

oAP

x’B xB

oBP

0 1

oAP

x’B xB

V

V VV

LL

LL

A reális folyadékelegyek három típusának megfelelően három tenziógörbe van.

A középső és a jobboldali tenziódiagramoknak van egy olyan pontja, ahol afolyadékfázisnak és a gőzfázisnak azonos az összetétele. Az ilyen összetételűfolyadékelegyet azeotrópos elegynek nevezzük.

Konovalov II. törvénye:

Az azeortópos összetételű folyadékelegyek változatlanösszetétellel párolognak.

xexe

23

A folyadékelegyek forráspontgörbéiFolyadékelegyekkel való munka soránjellemzően nem a hőmérséklet állandó,hanem a folyadékelegy feletti nyomás. Pl.desztilláció során forrásig melegítjük azelegyet, miközben a külső nyomás nemváltozik.

Forrás értelmezése folyadékelegyekre: Afolyadékelegyek akkor forr, ha a parciálistenziók összege eléri a folyadékelegy felettinyomást.

0 11 0xA

xB

T

V

LA forráspontgörbén a folyadékelegy és agőzfázis összetételének függvényébenábrázoljuk az elegy forráspontját (állandónyomáson.)

A forráspontgörbe még ideális folyadék-elegyek esetén sem lineáris.

0 11 0xA

xB

p

L

V

A felső ábrán egy ideális folyadékelegytenziógörbéje, az alsó ábrán pedig ugyanannak a folyadékelegynek a forrás-pontgörbéje látható.

24

A forráspontgörbe értelmezése

0 11 0xB

xA

T

V

L

A forráspontdiagramon a vaporgörbe felettiterület minden pontjában az elegy gőzhalmazállapotú.

A likvidusz- és a vaporgörbe között az elegyegy gőz- és egy folyadékfázisra válik szét.Ez tehát kétfázisú terület.

Gőz

Folyadék

A forráspontdiagramon a likviduszgörbealatti terület minden pontjában az elegyfolyadék halmazállapotú.

T

B Ax

V

L

Gőz

Foly

adék

A kétfázisú terület értelmezése

xA xAfoly.xAgőz

T1

Melegítsük az xA összetételű folyadékelegyet T1 hőmérsékletre!

Ekkor szétválik egy xAfoly össze-tételű folydékfázisra és egy xAgőzösszetételű gőzfázisra.

25

A forráspontgörbe értelmezése

Induljunk ki az 1. pontból. A gőzelegyösszetétele xA1. Hűtés során avaporgörbe T1 hőmérsékletén a gőzelkezd kondenzálódni. Alekondenzálódott folyadékelegyösszetétele xA2.

T

B AxA

V

L

Gőz

Foly

adék

xA2xA1

T1

1.

A kondenzáció során a magasabbforráspontú (kevésbé illékony)komponensből több kondenzálódott le,így a folyadék a kevésbé illékonykomponensben dúsult.

T

B AxA

V

L

Gőz

Foly

adék

2.

xA1xA2

Induljunk ki a 2. pontból. A folyadékelegyösszetétele xA1. Melegítés során alikviduszgörbe T1 hőmérsékletén afolyadék elkezd forrni. A távozó gőzelegyösszetétele xA2.

A forrás során az alacsonyabb forráspontú(illékonyabb) komponensből több párolgottel, így a gőz az illékonyabb komponensbendúsult.

T1

26

A reális folyadékelegyek tenzió- és forráspontgörbéi

oBP

0 1

oAP

x’B xB

V

L

oBP

0 1

oAP

x’B xB

VV

LL

xe

0 1x’B xB

V

LAT

BT

oBP

0 1

oAP

V VL

L

xex’B xB

AT

0 1

V V

LL

xe

x’B xB

BTVV

L

0 1xe

x’B xB

ATBT

L

27

Az egyszerű desztilláció

A folyadékelegyből forrás közben azalacsonyabb forráspontú (illékonyabb)komponensből több távozik el. Így alecsepegő desztillátum az illékonyabbkomponensben lesz dúsabb.

A folyadékelegyből egyes komponenseieltérő mértékben párolognak.

Az egyszerű desztilláció során nemlesz teljes szétválasztás. Csak annyitörténik, hogy a desztillátum azillékonyabb komponenesben, míg adesztillációs maradék a kevésbéillékony komponensben lesz dúsabb.

28

A frakcionált desztillációA desztilláció hatásosságát, vagyis a tökéletesebbszétválasztását úgy lehet növelni, hogy a távozógőzök egy részét lekondenzáltatjuk ésvisszavetetjük. A távozó gőzök egy részénekkondenzáltatását deflegmációnak nevezzük.

Ekkor, a deflegmálás során gőzökből a magasabbforráspontú, tehát kevésbé illékony komponensekfognak nagyobb mértékben lecsapódni, azillékonyabb komponens pedig gőz formábantávozik az elpárologtató térből. Így a desztillátumlényegesen tisztább lesz.

29

A rektifikáló oszlop működése

Ipari mértetekben a több-komponensű folyadékelegyekszétválasztására a rektifikálóoszlopot használnak.

A fölfelé szálló gőzök a buboréksapka miattbelebuborékolnak a tányéron lévő folyadékba.Részen lekondenzálnak, ekkor hőt adnak le, ésezáltal forrásban tartják a tányéron lévőfolyadékot. Ekkor az illékonyabb komponensnagyobb mértékben párolog, a gőzök azalacsonyabb forráspontú komponensbendúsulnak.

A visszamaradó folya-dék a magasabb for-ráspontú komponens-ben dúsul, és a túl-folyón keresztül egyalacsonyabb tányérrafolyik vissza.

Alac

sony

abb

forr

áspo

ntú

kom

pone

ns

Mag

asab

b fo

rrás

pont

ú ko

mpo

nens

30

A frakcionált desztilláció termékei

AT

0 1

V V

LL

xe

x’B xB

BTVV

L

0 1xe

x’B xB

ATBT

L

0 1x’B xB

V

LAT

BT

Fej-termék

Fenék-termék

„A” komponens Azeotrópos elegy

„B” komponens Azeotrópos elegy„A” komponens vagy„B” komponens

illéko-nyabb

kevésbé illékony

„A” komponens vagy„B” komponens

31

A kíméletes desztillációkVannak olyan folyadékelegyek, melyek a légköri nyomáshoz tartozó forráspontonelbomlanak. Ezért ezeket csak alacsonyabb hőmérsékleten lehet desztillálni.

A forráspont csökkentésének egyik lehetősége, hogy csökkentsük a folyadékfelett a nyomást, vagyis vákuumdesztillációt hajtunk végre.

A kíméletes desztillációnak másik módja a vízgőzdesztilláció.

A vízgőzdesztilláció alkalmazásának egyik feltétele, hogy kinyerni kívántkomponens ne elegyedjen a vízzel. Ilyenkor a desztillálandó elegybe vízgőztvezetünk. Az elegy akkor forr, ha a vízgőz és az értékes komponens gőznyomásaegyütt éri el a légköri nyomást.

Azok az anyagok választhatók el így gazdaságosan, melyeknek nagy a moláristömege.