KészítetteVarga István

VEGYÉSZETI-ÉLELMISZERIPARI KÖZÉPISKOLA

CSÓKA

HALMAZÁLLAPOTOK

A molekulákban levő atomokat, valamint az anyagot alkotó molekulákat különböző nagyságú vonzóerők

kapcsolják egymáshoz. A VONZÓERŐ kohéziós erő nagyságától függően, az

anyag lehet:Gáznemű,Cseppfolyós ésSzilárd halmazállapotú.

GÁZÁLLAPOT

A gázokban a molekulák távol vannak egymástól, és ezért kicsiny közöttük a kohézió. A gázoknál (alacsony

nyomáson) nem is vesszük a kohéziót tekintetbe. A gázok legszembetűnőbb tulajdonsága, hogy igyekeznek a rendelkezésükre álló teret teljesen és

egyenletesen kitölteni.

A gázmolekulák nagy sebességgel mozognak a tér minden irányában.

Meddig haladhat egyenes vonalban a molekula?

Nyilván addig, amíg egy másik molekulába, vagy esetleg az edény falába nem ütközik. Az ütközés rugalmas, hasonló a biliárdgolyók ütközéséhez.

Milyen sebességgel halad a molekula?

Ez két tényezőtől függ:

a molekula tömegétől és

a hőmérséklettől.

Egy példa: Az argon egy atomja 0°C-on 400 métert tesz meg

másodpercenként, 100°C-on 470 métert, 200°C-on pedig már 530 m/s a sebessége.

Látjuk, hogy a részecske sebessége a hőmérséklettel arányosan növekszik.

A tömeg fordítva hat: ugyanazon a hőmérsékleten a kétszeres tömegű molekula csak fél sebességgel repül.

Mi történik, ha egy gáz molekulái beleütköznek az edény falába?

A molekulák-tömegük és sebességük szorzatának megfelelő- impulzust adnak át a falnak.

A sok molekula összegeződő űtődése nyomás alakjában jelentkezik.

Mitől függ a nyomás nagysága?

Megint csak két tényezőtől: a molekulák mennyiségétől és impulzusától.

IDEÁLIS (TÖKÉLETES) GÁZOK

Olyan gázok, amelyek részecskéi egymással nincsenek kölcsönhatásban és nincs saját térfogatuk.

A kis sűrűségű és nem túl alacsony hőmérsékletű gázok kielégítő közelítéssel ideális gázoknak tekinthetők.

A hidrogén, az oxigén, a nitrogén és a hélium általános feltételek mellett legjobban megközelítik az ideális gázállapotot.

Egy adott mennyiségű gáz állapotát a termodinamikai állapotjelzők ismeretében tudjuk definiálni.

A termodinamikai állapotjelzők a: nyomás, hőmérséklet és a térfogat.

GÁZTÖRVÉNYEK

A tömeg, a hőmérséklet, a nyomás és a térfogat jellemzőek a gáz állapotára.

Bármelyik mennyiség változása a gáz állapotának változását eredményezi.

A gázok állapotváltozásainak törvényeit könnyebben felismerhetjük, ha először külön-külön vizsgáljuk azokat

a változásokat, amelyekben egy állapotjelző állandó marad.

BOYLE-MARIOTTE-TÖRVÉNYE

Adott tömegű gáz nyomásának és térfogatának a szorzata állandó.

T = const.Robert Boyle (1627-1691)

Edme Mariotte (1620-1684)

Ha

.p V const

A Boyle-Mariotte törvényt gyakran úgy használjuk, hogy egy adott gázmennyiség két különböző állapotát hasonlítjuk össze,

ha mindkét állapotban a hőmérséklet ugyanakkora:

1 1 2 2

1 2

2 1

p V p V

p V

p V

p

V

t1

t2

t3

t1 < t2 < t3

GAY-LUSSAC I. TÖRVÉNYE

Joseph Louis Gay-Lussac(1778 – 1850)

p = const. Ha

Ha adott tömegű gáz hőmérsékletét 1°C-al megváltóztatjuk, akkor a gáz 0°C-on mért

térfogata 1/273-ad résszel változik, függetlenül a gáz minőségétől.

0 0273,16t

tV V V

0 (1 )tV V t

α - a gáz hőtágulási együtthatója

GAY-LUSSAC II. TÖRVÉNYE

Joseph Louis Gay-Lussac(1778 – 1850)

V = const. Ha

Ha adott tömegű gáz hőmérsékletét 1°C-al megváltóztatjuk, akkor a gáz 0°C-on mért

nyomása 1/273-ad résszel változik, függetlenül a gáz minőségétől.

β - a gáz hőmérsékleti tényezője

0 1tp p t

V

t [°C] -273

p

t [°C] -273

p=const V=const

A gázok állandó nyomás és állandó térfogat melletti hőtágulása lineáris.

EGYESÍTETT GÁZTÖRVÉNY

Boyle-Mariotte és Gay-Lussac I. törvényéből kiindulva kifejezhetjük az ideális gázok egyesített gáztörvényét:

1 1 2 2

1 2

p V p V

T T

illetve p V

állandóT

1 mól mennyiségű, T0= 273 K hőmérsékletű gáz, légköri nyomáson (p0 =101325 Pa) V0=22,4·10-3 m3 térfogatú.

Behelyettesítjük az 1 mólnyi gáz adatait:

33

0 0

0

101325 22,41 108,314

273

mPap V Jmol

T K mol K

Az állandót R-rel jelöljük, és egyetemes gázállandónak nevezzük.

Tetszőleges mennyiségű gázra, a törvény a következőképpen fejezhető ki:

p V n R T

mp V R T

M illetve

DALTON TÖRVÉNYE

Az ideális gázok keveréke által kifejtett nyomás egyenlő azon

nyomások összegével, amelyet az egyes gázalkotók akkor fejtenek ki,

ha egyedül töltenék ki az adott térfogatot.

John Dalton(1766-1844)

1 2 3 ... n ip p p p p p

FOLYÉKONY HALMAZÁLLAPOT

A folyadékállapot közbenső helyet foglal el a gáz- és szilárd halmazállapot között.

Szemben a gázokkal, a folyadékrészecskék egymástól való távolsága olyan kicsi, hogy már érvényesülnek a

vonzóerők, az ún. van der Waals-erők, amelyek részben elektrosztatikus jellegűek, de fellépnek elektromosan

semleges molekulák között is. A folyadékok különböznek a szilárd anyagoktól is.

A folyadékban uralkodó kohéziós erők nagyságára több jelenségből következtethetünk. Ilyen jelenségek pl. :

a párolgáshő a belső súrlódás és a felületi feszültség.

A folyadékok igen nagy ellenállást tanúsítanak az összenyomás ellen. Gyakorlatilag a folyadékokat

összenyomhatatlanoknak tekintjük.

A Gőznyomás

A nyitott edényben levő folyadék párolgása során a folyadékgőzök a környezetbe kerülnek. A párolgás

mindaddig tart, míg az összes folyadék el nem párolog. A zárt edényben levő folyadék párolgása során a

folyadékgőzök koncentrációja egy bizonyos ideig növekszik, ezt követően nem változik. Néhány gőzmolekula a mozgása során a folyadékfelszínre kerül és visszajut a folyadékba. Ezáltal a párolgással egyidejűleg a lecsapódás (kondenzáció) is végbemegy.

Ha a párolgás sebessége kiegyenlítődik a lecsapódás sebességével, vagyis ha egységnyi idő alatt a

folyadékból kirepülő gőzmolekulák száma megegyezik a folyadékba visszakerülő gőzmolekulák számával,

akkor beáll a dinamikus egyensúly.

A saját folyadékával egyensúlyban levő gőzt telített gőznek, a nyomását pedig a telített gőznyomásnak nevezzük.

A telített gőz nyomása a folyadék anyagi minőségétől és a hőmérséklettől függ. A hőmérséklet növelésével a gőznyomás is növekszik.

A folyadék forrása azon a hőmérsékleten indul meg, amelyen telített gőzének nyomása kiegyenlítődik a folyadék felszínére ható külső nyomással.

A gőznyomás változását a hőmérséklet függvényében matematikailag a Clausius-Klapeyron egyenlet fejezi ki:

logp

1/T2

1 1 2

1 1log

2,303iHp

p R T T

∆Hi – moláris párolgáshő

Azt a hőmennyiséget, amelyet 1kg folyadékkal kell közölni, hogy ugyanolyan hőmérsékletű gőzzé alakuljon, párolgáshőnek nevezzük.

A párolgáshőt r-rel jelöljük. Mértékegysége a J/ kg vagy kJ/kg.

A párolgáshő

pQ kJr

m kg

p gőz folyadékQ H H

A víz párolgáshője, forráshője 2256 kJ/kg.

A párolgáshoz szükséges energia nagysága kismértékben függ a párolgó folyadék

hőmérsékletétől és a környezet nyomásától is.

– párolgási hő = + kondenzációs hő

A telített gőz hűtésekor, a hőmérséklete változatlan marad, mert latens (rejtett) párolgási hő szabadul fel, a gőz pedig lecsapódik

(kondenzálódik). Ebből kifolyólag a párolgási hő és a kondenzációshő egyenlőek, de ellentétes előjellel rendelkeznek.

A latin eredetű kifejezés – „latens hő” – rejtett hőt jelent, amelyet a tudósok a XVIII. század második felében vezettek be, amikor a jég olvadását és a víz forrását vizsgálták. Ha pl. –25oC-os jeget egyenletesen melegítünk, a hőmérséklet 0oC-ig emelkedik. 0oC-on a jég olvadni kezd, és hőmérséklete nem növekszik tovább, ameddig az egész jég el nem olvadt, a víz-jég keverék hőmérséklete mindvégig 0oC marad. Tehát olvadás közben a melegítés hatása nem mutatkozik

meg a hőmérséklet-növekedésében, ilyen értelemben a közölt hő rejtve marad, ez a magyarázata a latens hő kifejezésnek.

A belső súrlódás (viszkozitás)

Áramlásakor belső súrlódási erők keletkeznek, amelyek gátolják a fluidum mozgását. Ezek az erők, az egymáson elcsúszó szomszédos

fluidumrétegek között jönnek létre.

A fluidumrétegek az 1 álló, és 2 mozgó felületek között

helyezkednek el. A felső 2-es felület c sebességgel mozog. Kísérletileg bizonyított, hogy a 2-es felülettel

határos fluidumréteg is c sebességgel mozog, míg az 1-es

felülettel határos, mozdulatlan marad.

A fluidumnak azt a tulajdonságát, hogy ellenállást tanúsít a részecskék egymás közti relatív elmozdulása

során keletkezett erőhatásokkal szemben, viszkozitásnak nevezzük.

Megkülönböztetünk dinamikai és kinematikai viszkozitást.

Ha valamely fluidumréteg egy másikhoz képest elmozdul, akkor az így fellépő súrlódási erő nem függ a nyomástól, egyenesen arányos az elmozdult rétegek viszonylagos sebességével és felületével, valamint fordítottan arányos a rétegek közötti távolsággal, továbbá függ a fluidum tulajdonságaitól (Newton törvénye).

2

,

t

F erő amely hatására a réteg elmozdul N

F súrlódási erő N

A felület m

mc sebesség

s

y a rétegek közötti távolság m

dinamikus viszkozitás

2, t

t

Fc y NF A N ahonnan s Pa s

y A c m

A gyakorlatban a fluidum viszkozitását a kinematikai viszkozitási tényezővel (ν) fejezik ki, ami a dinamikus viszkozitás (μ) és a fluidum sűrűségének (ρ) hányadosa:

2m

s

A folyadékok viszkozitása a hőmérséklet növekedésével jelentősen csökken, a gázok viszkozitása növekszik.

A felületi feszültség

Ha folyadék érintkezik gázzal (vagy gőzzel) vagy másik nem elegyedő folyadékkal, az érintkezési felületek a felületi feszültség következtében, minimális értéket igyekeznek felvenni (gömb alakúak lesznek).

Ez azzal magyarázható, hogy a folyadék belsejében azonos molekulák közötti kölcsönhatások érvényesülnek, míg azokra a molekulákra, amelyek közvetlenül a fázisfelületnél helyezkednek el nagyobb vonzás érvényesül a belső folyadékréteg irányába, mint a környező anyag molekuláihoz.

Ennek eredményeképpen a folyadékfelszínen a felszínre merőleges irányú, a folyadék belseje felé mutató nyomás hat, amely ezt a felületet minimálisra igyekszik csökkenteni. Tehát, ha a felületet növelni akarjuk, akkor ehhez energiabefektetés szükséges.

Az egységnyi új felület létrehozásához szükséges energiát fázisok közötti vagy felületi feszültségnek nevezzük és σ-val

jelöljük.

2 2

E J N m N

A m m m

SZILÁRD HALMAZÁLLAPOT

A szilárd anyagoknak meghatározott térfogatuk és alakjuk van. Az anyagokban az alkotó részecskék közel

vannak egymáshoz és erős a részecskék közötti vonzás. A részecskék nincsenek nyugalomban, hanem állandó

rezgő mozgást végeznek. A rezgés amplitúdója a hőmérséklettől függ.

A hőmérséklet emelkedésével növekszik a rezgések amplitúdója.

A szilárd anyagok lehetnek: kristályos felépítésűek és amorfak.

Azokat az anyagokat, amelyekben a részecskék szabályosan helyezkednek el, kristályos anyagoknak

nevezzük. A szilárd anyagok egy kisebb részében a részecskék szabálytalanul helyezkednek el. Ezeket amorf anyagoknak

nevezzük. Amorf anyagok pl. az üveg, a gyantafélék, műanyagok, a vízben

oldhatatlan proteinek stb. Az amorf anyagoknak a szabálytalan térbeli elrendeződés miatt

nincs meghatározott olvadáspontjuk, melegítéskor fokozatosan megpuhulnak.

KRISTÁLYOS ANYAGOK

A kristályok szabályos sík lapokkal határolt különböző geometriai formájú homogén testek.

A kristályt felépítő alkotórészek milyensége szerint megkülönböztetünk:

• atomrácsos,

• ionrácsos,

• molekularácsos és

• fémrácsos anyagokat.

A kristályos anyagok jellemzői: a rácsenergia, az elemi cella és a koordinációs szám.

A rácsenergia (Er) egyenlő azzal az energiával, amely szükséges, hogy 1 mól kristályos anyagból gáz

halmazállapotú ionok keletkezzenek.

NaCl(sz)= Na+(g) + Cl-(g) Er(NaCl)=756 kJ/mol

Az elemi cella (elemi kristályrács) a kristály legkisebb jellemző része, amely még ugyanolyan tulajdonságokkal rendelkezik, mint a makroszkópikus kristály. Az elemi cellák alakja azonos a kristályéval.

Az elemi kristályrács alakja szerint a kristályos anyagokat hét kristályrendszerbe sorolhatjuk.

Lapközepes kockarács Térközepes kockarács

Hexagonális (hatszöges) rács

A koordinációs szám a központi atom vagy ion ligandumainak száma. A kristályrács esetén egy kiszemelt atomtörzshöz, molekulákhoz vagy ionhoz legközelebb lévő atomtörzsek, molekulák vagy ellentétes töltésű ionok száma.

Kristályrácstípusok

A kristályos anyagokat az alkotórészek minősége szerint feloszthatjuk:

molekularácsos, ionrácsos, atomrácsos és fémrácsos anyagokra.

A molekularácsban két- vagy többatomos molekulák vannak. A molekulák között ható vonzóerőt van der Waals-kötésnek nevezzük.

Két szomszédos molekula atommagjának a távolsága, a van der Waals kötéstávolság. Ez a kötés minden irányban egyformán hat.

A molekularácsos anyagok: nem kemények, olvadáspontjuk, forráspontjuk alacsony, vízben főleg kémiailag oldódnak.

Molekularácsos anyagok pl. a: jég, szilárd CO2, szilárd HCl, fehérfoszfor (P4), Cl2, Br2, H2O, H2SO4, HNO3, stb.

Az ionrácsban egymás mellett ellentétes töltésű ionok vannak. Az ellentétes töltésű ionok között elektrosztatikus vonzóerő hat.

Az ionok között ható erős vonzóerő miatt az ionrácsos anyagok: kemények, olvadáspontjuk, forráspontjuk magas, vizes oldatuk és olvadékuk vezeti az áramot. Az áram vezetésében az oldatban és olvadékban

mozgó ionok vesznek részt.

Ionrácsos anyagok pl. a: NaCl, ZuCl2, NaNO3, KCl, NaOH, ZuSO4, K2CO3 stb.

Az atomrácsban az atomok összefüggően, lokalizált kovalens kötésekkel kapcsolódnak egymáshoz.

Az atomrácsos anyagok: nagyon kemények, olvadáspontjuk, forráspontjuk magas, a hőt és az elektromosságot nem, vagy rosszul

vezetik.

Atomrácsos anyagok pl. a: C, B, Si, Ge, SiC, SiO2, ZuS, stb.

A fémek elektronegativitása kicsi. Ezért a legkülső héjukon levő elektronok az összes fématom között delokalizálódnak. A delokalizált elektronok és a fématomok között a vonzóerő minden irányban egyformán hat. Egy fématom körül ezért annyi másik fématom van, amennyi köréje fér. Ezt az összes fématomra kiterjedő delokalizált kötést fémes kötésnek nevezzük.

+ + + + + + +

+ + + + + + +

+ + + + + + +

fémionok

delokalizált elektronok

A fémrácsos anyagok a fémek delokalizált elektronjai miatt: jó áramvezetők, jól alakíthatók, mert a fématomok elmozdulásuk után

ugyanolyan környezetbe kerülnek, kötésállapotuk nem változik meg.

Legjobban megmunkálhatók a lapon középpontos kockarácsot alkotó fémek mint pl. a: Fe, Cu, Ag, Au, Pd, Pt, Ca, Al, Pb, Mn, Ni stb.).

ZEOLITOK

A zeolitok az alumínium-szilikátok családjába tartozó anyagok, amelyeknek első kristályait több mint kétszáz évvel ezelőtt fedezték fel egy lappföldi rézbányában.

A zeolitok egy része a természetben is előfordul, de mesterségesen is elő lehet őket állítani nátrium-hidroxid, alumínium-oxid és szilícium-dioxid hevítésével.

A zeolitok egyik legfontosabb tulajdonsága, hogy a vázukat alkotó AlO4 és SiO4 tetraéderek térbeli kapcsolódása úgy jön létre, hogy a zeolitok kristályrácsa csatornákat és üregeket tartalmaz, amiket a természetbeni keletkezés és a mesterséges előállítás során egyaránt vízmolekulák töltenek ki.

Ha a zeolitokat 300-400oC-ra melegítve a vizet eltávolítjuk (aktiválás), több száz m2 /g felületű szelektív adszorbenshez jutunk.

Amikor a zeolitot hevítik, víztartalma távozik, és az anyag olyan, mintha forrna. Egy svéd ásványtudós, Alex Cronstedt (1722–1765) alkotta meg a nevét a görög zein (forrni) és litosz (kő) szóból.

Zeolit molekularács

Képlete általánosan: X(Al,Si)O3xn(H2O). Ahol X lehet: Na, Ca, Li, K, Ba, Mg, Sr. és a H2O tartalom is változik.

Sűrűsége: 2,0-2,9 g/cm³. Keménysége: 3,5-6,5 (Mohs szerint). Hasadása: változó, nem mindig észlelhető. Törése: könnyen földesen törik. Színe: színtelen vagy enyhén színezett. Fénye: üvegfényű. Átlátszósága: ritkán átlátszó, többnyire áttetsző. Pora: színtelen, fehér.

Ipari alkalmazás Molekulaszűrőként,

Vízlágyításra, ioncserélő anyagként.

Szagelszívó anyagként és nedvességmegkötésre.

Szénhidrogének elválasztására, szintetikus benzinszármazékok gyártásakor katalizátorként alkalmazzák.

Biológiai víztisztító szerepe van, mert a szennyező baktériumokat kiszűrik.

Mosószerek gyártásánál kettős szerepük van: egyrészt a vizet lágyítják, másrészt a mosószerek káros foszfát-tartalma csökkenthető alkalmazásukkal.

Az utak téli karbantartásánál, már kis mennyiségben adagolva használható fagyáspont csökkentésre a környezetkárosító sóoldatok helyett.

Kiváló adszorbensek.

Radioaktív szennyeződések megkötésére.

Fontosabb zeolitok Amicit K2Na2(Al4Si4O16)x5(H2O) monoklin rendszerű.

Barrerit (NaKCa)2(Al2Si7O18)x7(H2O) rombos rendszerű.

Bikitait Li(AlSi2O6)x(H2O) monoklin rendszerű.

Brewsterit (Sr,Ba)2(Al4Si12O32)x10(H2O) monoklin rendszerű.

Cowlesit (cowlesin) Ca(Al12Si3O10)x6(H2O) rombos rendszerű.

Edingtonit BaAl2Si3O10x4(H2O) monoklin rendszerű.

Erionit (K2CaNa2)2(Al4Si14O36x15(H2O) hexagonális rendszerű.

Faujasit (Na2Ca)(Al2Si4O12)x8(H2O) szabályos rendszerű.

Ferrierit (Na,K)2Mg(Si,Al)18O36OHx9(H2O) rombos rendszerű.