Gázhalmazállapot
Gázok jellemzése állapothatározóikkal (p, V, T) és anyagmennyiséggel (n);közöttük egyszerű összefüggések (gáztörvények):
BOYLE (-MARIOTTE) törvény:
(A törvény névadói: Robert Boyle (1627–1691) ír természettudósés filozófus volt, aki ezt a törvényt 1662-ben fedezte fel.Edme Mariotte (1620–1684) francia fizikustőle függetlenül 1676-ban szintén felfedezte.)
CHARLES törvény:
(A törvényt először Joseph Louis Gay-Lussac fogalmaztameg 1802-ben, de ő Jacques Alexandre Charles (fr.)1787 körül keletkezett kiadatlan művére hivatkozott.)
Mj.: V vs. T extrapolálásából T0 = -273,15°C (absz. hőm. skála)
AVOGADRO törvény:
Gay-Lussac „vegyülő gázok törvénye” (1809): „Ha két gáz elegye szintén gáz, akkor a két alkotórész gázoktérfogatának és az elegy térfogatának arányát kis egészszámokkal lehet kifejezni.”. Amadeo Avogadro (1811):Bármely két ideális gáz azonos térfogata azonos hőmérsékleten és nyomásonazonos számú molekulát tartalmaz. 1 mól (6,022×1023 db) molekulát tartalmazó gáztérfogata a moláris térfogat (VM). Bármely gázra:
Gáztörvények egyesítése:
IDEÁLIS GÁZTÖRVÉNY
Tökéletes (ideális) gázoknak nevezzük azokat a gázhalmazállapotúrendszereket, amelyek alkotórészei (molekulái) közötti kölcsönhatáselhanyagolhatóan kicsi.
1 mólra:Boyle + Charles: VM = konst·T/pkonstans: egyetemes gázállandó: R = 8,314 J mol–1K–1
Mértékegységek: [p] = Pa, [V] = m3
Bármely anyagmennyiségre (n): + Avogadro: V = n·R·T/p
Moláris tömeggel és sűrűséggel:
n = m / M, ρ = m / V → p = R·T·ρ/M
Mértékegységek: [n] = mol, [m] = g, [M] = g mol-1, [ρ] = g m-3
móltört
bármelyik
Reálisra NEM teljesül!
átrendezve
behelyettesítve
Alacsony hőmérsékleten, és nagy nyomáson a molekulák közel kerülnek
egymáshoz, így az 1. és a 3. posztulátum nem teljesül. Ezt korrigálni kell:
van der Waals egyenlet:
Viriál egyenlet:
Mindkét egyenlet paraméterei kísérletileg meghatározottak.
Kompresszibilitási tényező
(az intermolekuláris erők természetének
és hatásának kifejezője) :
Ideális gázokra → z = 1
REÁLIS GÁZOK
molekulák térfogatával
kölcsönhatásával
Több paraméter
→ nagyobb pontosság
Gázok viselkedése
Effúzió:
Az a folyamat, amelynek során a gázmolekulák egy vákuumba helyezett edényrésen keresztül kiáramolnak. A gáz ekkor ugyanakkora sebességgel távozik,mint amekkora a molekulák átlagos sebessége az edényben.
Graham-törvénye szerint az effúzió sebessége fordítottan arányos amoláris tömeg négyzetgyökével (Thomas Graham (skót), 1831):
Alkalmazás: pl. urán 235-ös izotópok dúsítása (elválasztás a238-as izotópoktól – atomerőművekhez)
Módszer: UF6 vegyületként gáz halmazállapotba vihető ésmegfelelő porózus membránokon áramoltatható át.
Gázdiffúzió:
A gázmolekuláknak a koncentrációkülönbség (parciális nyomáskülönbség)hatására végbemenő mozgása, amelynek során az egyik gáz molekuláikiterjednek a másik gáz által elfoglalt térfogatban egységes parciálisnyomást létrehozva.
Sokkal lassabb az effúziónál – az ütközések miatt!!!
Számítási feladatok és megoldások
Maleczkiné Szeness Márta
Kémiai feladatok – kémiai gondolatok
A gáztörvények alkalmazása – egykomponensű rendszerek
Számítási példák
Gázelegyek
Folyadék halmazállapot
.Intermolekuláris kölcsönhatások:
1.van der Waals féle kölcsönhatás
a.London-féle diszperziós kölcsönhatás
A leggyengébb intermol. kh., de mindig jelen van.Apoláris molekulák között ez az egyetlen összetartó erő.
Az elektron pillanatnyi fluktuációja polarizálja a szomszédos atomot.
Nagysága néhány tized kJ/mol, Molekulamérettel nő (X2, polarizálhatóság).
F 1/r6.
Domináns erő pl.: He, Ar, Cl2, CCl4 , CH4.
b.dipol-dipol kölcsönhatás (Keesom-féle erők)
Poláris molekulák között hat (állandó dipólus),orientációs kölcsönhatás, nagysága néhány kJ/mol, F 1/r3
Domináns erő pl.: HCl, H2S, CO, CH2Cl2.
Dipólusok jellemzése elektromos dipólusmomentummal:r vektor a + töltéstől a – felé mutat. 1D = 1/3×10–29 Cm.
c.Indukciós kölcsönhatás (Debye-féle erő)
2.H-híd kötés
δ+
δ–
δ+
δ–
c.Indukciós kölcsönhatás (Debye-féle erő)
Töltéssel rendelkező részecskék (ionok, dipólusok) idézik elő, ha a környezetükbenapoláris molekulák vannak.
Dipólusos ás apoláris molekulák között lépnek fel
(állandó dipólus — indukált dipólus kh.).
Nagysága a London és a Keesom erők közötti.
Pl.: víz oldódása éterben, jód vizes oldata.
2.H-híd kötés (másodlagos kötés)
Olyan molekuláknál jöhet létre, ahol a H egy nagy elektronegativitású atomhoz (F,O, N) kapcsolódik, és ez az elektronban elszegényedett parciális pozitív töltésű Hatom lép kölcsönhatásba egy nagy elektronegativitású atom nemkötőelektronpárjával.
Nagysága 10-40 kJ/mol (legerősebb intermol. kh.).
Pl.: víz, etil-alkohol, HF, aminosavak, fehérjék.
A FOLYADÉKOK TULAJDONSÁGAI
GŐZNYOMÁS, GŐZTENZIÓ: Adott hőmérsékleten a folyadékkalegyensúlyt tartó gáz parciális nyomása. Hőmérsékletfüggő!
(PÁROLGÁS, KONDENZÁCIÓ)
P(105Pa)
T (oC)
T
F
B
S
1,013
0,006
szilárd
folyadék
gőz
0
A
Fázisdiagram (a víz példáján)
C (374oC,218 kPa)
T: harmatpont (hármaspont) C: kritikus pont
F: fagyáspont (olvadáspont)
B: forráspont
TBC görbe: folyadék-gőz egyensúly (párolgás, kondenzálás)
TA görbe: folyadék-szilárd egyensúly (olvadás, fagyás)
TS görbe: szilárd-gőz egyensúly (szublimálás, kondenzálás)
Gibbs-féle fázisszabály:
K+2 = F+SZ
Viszkozitás (belső súrlódás)A viszkozitás értelmezését elsőként Newton adtameg, aki feltételezte, hogy a rétegek párhuzamosés egyenletes áramlása esetén az elmozdulásirányával ellentétes irányú súrlódó erő (F)egyenesen arányos a súrlódó felületeknagyságával (A) és a sebességgradienssel(du/dy). Az arányossági tényező az adott gázvagy folyadék anyagi minőségére jellemzőállandó a dinamikai viszkozitás (η):
Néhány anyag din. viszkozitása:levegő: 0,00018 Poisevíz: 0,01 Poiseolaj: 1-10 Poiseglicerin: 14,9 Poiseméz: 100 Poise(1 Poise = 0,1 Pa s)
Intermolekuláris vonzás következménye. (pl. glicerin,
H-kötések). A hőmérséklet növekedésével CSÖKKEN.
álló felület
mozgó felület
y
u
fluid fázis
Az a munka, amely a felület egységnyi növeléséhez szükséges. (w = γ ·ΔA)
Meniszkusz kialakulása:Ha a folyadék és az edény fala között nagyobb a vonzó kölcsönhatás, mint afolyadék molekulái között, akkor a meniszkusz homorú (üveg – víz),ellenkező esetben domború (üveg – higany).
• IONOS OLDATOK
- ionos anyagok pl. vízben ionokra disszociálódva oldódnak(RÁCSENERGIA < HIDRATÁCIÓ)
- RÁCSENERGIA függ: ionok töltésével egyenes, szomszédos ionoktávolságával fordítva arányos
- HIDRATÁCIÓ függ: ionok töltésével egyenes, ionmérettel fordítvaarányos
HASONLÓ FÜGGÉS!!!
KOLLOIDOK
(nem valódi oldatok)
•a diszpergált részecskék mérete: 10-2000 Angström
•Tyndall-effektus: különbség a valódi oldatoktól, a fény a diszpergált
részecskéken szóródik (reflektorfény a ködben)
Kolloid típusok
-
zsiradék oldódik a micellában
-
hidrofil környezet
HIDROFIL KOLLOIDOK
- víz + nedvesített részecske = hidrofil kolloid (liofil)
-pl. fehérjék vizes oldata, tej, tojás fehérje, zselatin
HIDROFÓB KOLLOIDOK
- víz + nem nedvesített részecske = hidrofób kolloid
- instabil, egy idő után aggregáció = a kolloid részecske kiválik
- DE: a felületen adszorbeálódott azonos töltésű ionok taszítása lassítja a
kiválást
- koagulálódás: kolloid kicsapódik az oldatból, pl. só vagy savanyítás,
vagy hőmérséklet emelés hatására (pl. deltatorkolat kialakulása)
ASSZOCIÁCIÓS KOLLOIDOK
- micellák = hidrofób + hidrofil végződésű molekulák
diszpergálódnak vízben
- pl. a szappan a vízben:
CH3(CH2)16COO- Na+
hidrofób hidrofil
végződés
A valódi oldatok kolligatív sajátságai
Az oldott anyag minőségétől NEM, hanem a RÉSZECSKESZÁMától
és az oldószer MINŐSÉGÉtől függ, a változásokat a híg oldatok törvényei(Raoult-törvények) írják le.
Nem illékony anyag oldásával az oldat GŐZNYOMÁSA a tiszta oldószeréhezképest csökken:
ahol
P az oldat, P0 a tiszta oldószer gőznyomása
X az oldott (nem illó) anyag móltörtje
CR a Raoult koncentrációja (molalitása)
Mo az oldószer moláris tömege
i a van’t Hoff-féle koefficiens (nem ionos oldatokban i = 0)
A gőznyomáscsökkenés következményei a fázisdiagrammon
a dermedéspont csökkenése
a forráspont emelkedése
A hármaspont eltolódásával!!!
Td
P(105Pa)
T (oC)
1,013
0,006
szilárd/folyadék
hármaspont
szilárd/oldathármaspont
Tf
Td
(1 atm)
tiszta oldószer
Az oldószerre jellemző értékek:
Pl. a víz ebullioszkópos állandója: TMf = 0,52 fok mol-1 kg
krioszkópos állandója: TMd = 1,86 fok mol-1 kg
Az oldat ozmózisnyomása
Az ozmózis oka az, hogy kémiai potenciálkülönbség vanaz egymással érintkező két oldat komponensei között és azönként végbemenő kiegyenlítődés folyamán a részecskékméretviszonyai miatt a kisebb koncentrációjú oldat felőltöbb oldószer-molekula jut időegység alatt a féligáteresztőhártyán keresztül a töményebb oldatba, mint onnét vissza ahígabb oldatba. Ennek az egyensúlyra vezető folyamatnakaz eredményeként az oldott anyag kémiai potenciálja atöményebb oldatban csökken (a vízé pedig nő), a kisebbkoncentrációjú oldatban pedig az oldott anyag kémiaipotenciálja megnő (a vízé pedig csökken).
féligáteresztő hártya
A folyadékszint a csőben addig emelkedik, ameddig ahidrosztatikai nyomás (h) egyenlővé nem válik azozmózisnyomással ():
= g h
Nem túl tömény oldatokra (van’t Hoff-törvény):
= i C R T
ahol C a mol/dm3 koncentráció (molaritás)
Az ozmózisnyomás gyakorlati jelentősége
Pl. az élő szervezetekben. A növényi és állati sejtek jelentős része vizes oldat, amelyet olyanféligáteresztő hártya vesz körül, amely a vizet átengedi, a nedvekben oldott más anyagokat nem. Vízbetéve a sejtet az ozmózisnyomás következtében a víz behatol a sejtbe, az megduzzad, esetleg szét isreped. Ilyen jelenség az érett gyümölcsök széthasadása sok eső esetén. A növényi nedvekozmózisnyomása a 20 bar-t is elérheti. Ez teszi lehetővé, a nedvesség – s vele együtt a tápanyag –felszívódását a magas növények csúcsáig.
Az állati és az emberi szövetek sejtjeiben az ozmózisnyomás kb. 8 bar, s a szervezet igyekszik eztstabilizálni. Ha azonban a sejtek a sejtnedvnél kisebb ozmózisnyomású (hipotóniás) oldatba kerülnek,megduzzadnak, esetleg szétpattannak. Ha viszont a környező oldat ozmózisnyomása nagyobb(hipertóniás), akkor a sejt vizet veszít és zsugorodik. A túl sós ételek azért okoznak szomjúságot, merta szervezet vízfelvétellel igyekszik a nagy ozmózisnyomás hatását csökkenteni. Az emberi szervezetsejtjeinek oldatai a 0,9% (m) nátrium-klorid oldattal azonos ozmózisnyomásúak (izotóniás oldatok),ezért használnak ún. fiziológiás NaCl-oldatot injekcióhoz, infúzióhoz és a gyógyászat más területén.
Nagyon fontos a szerepe az ozmózisnak a vér tisztítása, a hemodialízis terén. A dializátor nevűszűrőben kering a vér, a szűrőben levő speciális kapillárisok külső oldalán pedig egytesthőmérsékletre felmelegített, a vérnek megfelelő összetételű speciális sóoldat, az ún. dializálóoldat, és ebbe jutnak át a két teret elválasztó membránon keresztül a vérből a salakanyagok. A sóoldatállandóan cserélődik és mindig magával viszi, kimossa a méreganyagokat. A salakanyagok adializátor kapillárisainak membránján szűrődnek ki, melyen nagyszámú finom lyuk van. Ezekena kisméretű lyukakon a sók, a víz és méreganyagok átjutnak, de a nagyméretű anyagok és vérsejteknem.
Koncentrációszámítás
31. oldal:
3. Hány g vízben kell feloldani 10 g anyagot, hogy 5 %-os (m) legyen azoldat?
4. Hány mólos az az oldat, amely 200 ml-ében 0,4 g NaOH-t tartalmaz?
6. Adja meg a tiszta víznek a „koncentrációját”
a) tömegtörtben és tömegszázalékban,
b) móltörtben és mólszázalékban
c) molalitásban.
(Sűrűsége 20 oC-on 0,998 g/cm3)
32. oldal:
13. A 60 tömegszázalékos ecetsav-oldat sűrűsége 1,064 g/cm3. Hánymólos az oldat?
34. oldal:
54. 1000 cm3 50 tömegszázalékos, 1,636 g/cm3 sűrűségű Cd(NO3)2-oldathoz 2,00 dm3 vizet öntünk. Mi a keletkezett oldat móltörtekkelkifejezett koncentrációja és térfogata, ha sűrűsége 1,220 g/cm3?
35. oldal:
76. Mennyi vízben kell 30,0 g CuSO4.5H2O-t feloldani, hogy 50 C-ontelített oldatot kapjunk? Mi a telített oldat mólszázalékos összetétele?
Híg oldatok törvényei
59. oldal:
121. Hány fokon forr légköri nyomáson az a szőlőcukor-oldat, amelynektenziója 1 %-kal kisebb, mint a tiszta vízé?
122. Befagy-e a folyadék abban a cukorgyári csővezetékben, amelybenegy kilogrammonként 450 g répacukrot (C12H22O11) tartalmazó vizesoldat kering, ha a környezet hőmérséklete -2,0 C?
127. 4,32 g ként 40 g benzolban oldunk. Az oldat forráspont-emelkedése1,10 C. Hány atomos a kén molekulája a benzolos oldatban? (Lásd a 6.táblázatot is.)
129. Mi az emberi vér fagyáspontja, ha ozmózisnyomása 37 C-on 776kPa?