Az oldat gőznyomása és Raoult törvénye

1. Az oldat gőznyomása és Raoult törvénye Készítette Varga István VEGYÉSZETI-ÉLELMISZERIPARI KÖZÉPISKOLA CSÓKA

2. Zárt rendszerben minden folyadék egy adott hőmérsékleten egyensúlyban van a gőzfázisban lévő molekuláival. Az egyensúly akkor áll be, amikor a párolgás sebessége kiegyenlítődik a kondenzáció (lecsapódás) sebességével. • Ha szilárd anyagot oldunk, akkor az oldat feletti gőzfázisban gyakorlatilag csak oldószer molekulákat lehet találni, mert a szilárd anyagok szobahőmérsékleten és normál légköri nyomáson alig párolognak. Ezért az oldat gőznyomása megegyezik az oldószer gőznyomásával, ami kisebb, mintha az oldószer tiszta állapotban lenne.

3. Raoult törvénye • Valamely komponens gőznyomása állandó hőmérsékleten, egyenlő az illető tiszta komponens gőznyomásának és oldatbeli koncentrációjának szorzatával. pA − az oldószer gőznyomása az oldat felett p0A − a tiszta oldószer gőznyomása adott hőmérsékleten nA− az oldószer móljainak száma nB − a feloldott anyag móljainak száma

4. híg oldatok kolligatív (mennyiségtől függő) tulajdonságai

5. A fagyáspont csökkenése és a forráspont növekedése • A fagyáspontcsökkenés (krioszkópia) és a forráspontnövekedés (ebullioszkópia) alatt azt értjük, hogy az oldatok alacsonyabb hőmérsékleten fagynak és magasabb hőmérsékleten forrnak, mint a tiszta oldószerek. A kolligatív sajátságok abból származnak, hogy a folyékony oldószer kémiai potenciálját az oldott anyag jelenléte csökkenti.

6. Ha például, vízben feloldunk valamilyen sót, akkor a szemlélt és állandó hőmérsékleten az oldat fölötti gőz nyomása kisebb lesz, mint a tiszta víz esetében mért gőznyomás. Ebből kifolyólag az oldat forrásponti hőmérséklete nagyobb, míg fagyásponti hőmérséklete kisebb lesz, mint a tiszta oldószeré. ΔTe− forráspont-növekedés ΔTk− fagyáspontcsökkenés b − az oldat koncentrációja (molális koncentráció) Kk− krioszkópos állandó (molális fagyáspontcsökkenés) Ke− ebullioszkópos állandó (molális forráspont-emelkedés) ΔTe = t1 – t0 = Ke · b ΔTk = t0 – t1 = Kk · b

7. A krioszkópos állandóaz egységnyi koncentrációjú (egymolálos) oldat fagyáspontcsökkenése, melynek értéke csak az oldószer minőségétől függ. Tehát, ha b = 1, akkor ΔTk = Kk. Az ebullioszkópos állandóaz egységnyi koncentrációjú (egymolálos) oldat forráspont-növekedése, melynek értéke csak az oldószer minőségétől függ. Ha b = 1, akkor ΔTe = Ke.

8. Néhány oldószer molális forráspont-emelkedése

9. Néhány oldószer molális fagyáspont-csökkenése

10. Az ozmózis • Görög eredetű szó, jelentése: nyomás • Az ozmózis az a jelenség, amely során a tiszta oldószer a féligáteresztő hártyával elválasztott oldatba átkerül. • A féligáteresztő hártya csak az oldószer-molekulák számára átjárható membrán. • A P ozmózisnyomás a folyadék átáramlásának megakadályozásához szükséges külső nyomás. • Erős elektrolitok ozmózisnyomása a következő képlettel számítható:

11. i− Van’t Hoff-féle szám, amely megmutatja, hogy az elektrolit oldatokban a disszociáció következtében milyen mértékben növekszik a részecskék száma a kiinduló részecskék számához viszonyítva.

12. Például: Az alábbi anyagok vizes oldatainak koncentrációja egyenlő. Ha a disszociáció mindegyik oldatban teljes, melyikben legnagyobb az ozmózisnyomás? • nátrium-klorid b) kálium-szulfát c) alumínium- klorid d) alumínium-szulfát e) kálium-nátrium-szulfát • Az ozmózisnyomás ez esetben, az oldatban levő oldott anyag disszociációjából származó ionok számától függ. • Felírjuk a megadott anyagok disszociációjának egyenleteit:

13. a) NaCl → Na+ + Cl−egy molekulából két ion keletkezik b) K2SO4 → 2K+ + SO42− „ „ három „ c) AlCl3 → Al3+ + 3Cl−„ „ négy„ d) Al2(SO4)3 → 2Al3+ + 3SO42−„ öt „ e) KNaSO4 → K+ + Na+ + SO42−három „ • A Van’t Hoff-féle szám az Al2(SO4)3 esetében a legnagyobb, ezért ahelyes válasz a d).

14. A molekuláris diffúzió • Molekuláris diffúziónak nevezzük az anyagátmenetnek azt a formáját, amely a molekulák, atomok, ionok, vagy kolloid részecskék rendezetlen hőmozgásánakeredményeként megy végbe.

15. A molekuláris diffúziót Fick első törvénye írja le, amelynek megfelelően a diffúzió irányára merőleges A elemi felületen, a τidő alatt átdiffundáló anyag tömege marányos a Dmolekuláris diffúziós tényezővel és a diffundáló komponens fázisokbeli Δckoncentrációkülönbségével, valamint fordítottan arányos δ-val a fázisok között kialakult határréteg vastagságával.

16. A diffúziós tényező D, azt mutatja meg, hogy mekkora tömeg diffundál egységnyi idő alatt egységnyi felületen keresztül, ha a koncentrációkülönbség egységnyi. A hőmérséklet növelésével a diffúziós tényező értéke is növekszik. Gázoknál és gőzöknél a nyomás növelése is javítja a D- értékét.

17. Ficktörvényételemezve, megállapítható, hogyazanyagátbocsátásakkornagy, ha: • Nagy a koncentrációkülönbség, • Nagy a fázisokérintkezésifelületeés • Kicsia határrétegvastagsága.

18. Folyadékelegyek

19. Két különböző folyadék összekeverésekor folyadékelegyet kapunk. • A keveredő folyadékok milyenségétől függően megkülönböztetünk: • Egymással teljesen (korlátlanul) keveredő folyadékokat, • részben keveredő folyadékokat, • egymással nem keveredő folyadékokat.

20. Egymással teljesen keveredő folyadékok • Ide tartoznak az ideális, és az azeotróp elegyek. Az ideális folyadékelegyekre jellemző, hogy: • A kohéziós erők körülbelül megegyeznek az adhéziós erőkkel, tehát az azonos molekulák között ható erők körülbelül egyenlők a különböző molekulák között ható erőkkel. • hasonló fizikai tulajdonságokkal rendelkeznek és kémiailag, egymással nem reagálnak. • Keveréskor a keverék össztérfogata egyenlő az egyes komponensek térfogatának összegével. • Viselkedésükbenkövetik Raoult törvényét.

21. Ideális elegyet alkotnak például: benzol - toluol, benzol - aceton, hexán – heptán, folyékony nitrogén - folyékony oxigén.

22. Az elegy melegítésekor, a forrás akkor következik be, amikor az össz gőznyomás kiegyenlítődik a külső nyomással.

23. Azt az elegyet, amelynek állandó forráspontja van és desztilláláskor az összetétele változatlan marad, azeotróp elegynek nevezzük. Pl.: Ha az elegy több mint 0,63 mólrész kloroformot tartalmaz, desztilláláskor a gőzfázis több kloroformot fog tartalmazni, mint a folyadékfázis, és a kloroform mennyisége a folyadékfázisban mindaddig csökken, míg el nem éri a 0,63 mólrészt. Eközben a forráspont növekszik.

24. Egymással részben keveredő folyadékok • Adott hőmérsékleti értékek mellett csak meghatározott arányban keverhetők. • A hőmérséklet növelésével vagy csökkentésével olyan hőmérsékleti értékekig juthatunk el, amelyektől kezdve a részben keveredő folyadékok teljesen keveredőkké válnak. • Az anilin és a víz egymással részben keverednek. Ha pl.,100°C-on tiszta vízhez anilint adunk, homogén keveréket kapunk, amíg egy meghatározott összetételt el nem érünk. Az anilin további hozzáadásával két réteg keletkezik, az oldat zavaros lesz, emulzió képződik.

25. tk- az oldhatóság felső kritikus hőmérséklete. tk= A1összetételű keverék az anilin telített oldata vízben. A2a víz telített oldata anilinben.

26. A nikotin és a víz csak meghatározott hőmérsékleti tartományban keveredik részlegesen. Itt már az oldhatóság felső és alsó kritikus hőmérsékletéről is beszélhetünk. A felső tk felett és az alsó tk alatt a nikotin és a víz minden arányban keveredik.

27. Egymással nem keveredő folyadékok • Két réteget képeznek. • Mindkét folyadék úgy viselkedik, mintha a másik nem létezne, ezért az ilyen keverékek gőznyomása egyenlő az összetevő folyadékok tiszta állapotú gőznyomásának összegével ugyanazon a hőmérsékleten. • Az ilyen keverék alacsonyabb hőmérsékleten forr, mint az alkotórészei. • Például:101325 Pa nyomáson a benzol forráspontja 80,4°C, a vízé 100°C, a keverékük 69,13°C-on forr, mert ezen a hőmérsékleten a benzol gőznyomása 71314 Pa, a vízgőzé pedig 30011 Pa és az összegük 101325 Pa.

28. A Gibbs-féle fázistörvény • Egy adott rendszert (itt kémiai rendszereket értünk) minőségileg és mennyiségileg is definiálni tudunk képletekkel, amelyekhez az anyag mennyiségére vonatkozó adatok tartoznak. • A komponensek száma alatt a vegyi képletek és a vegyjelek számát értjük. • Ha nem játszódik le kémiai reakció, a komponensek száma megegyezik a jelenlévő anyagok számával.

29. A komponensek száma alapján a rendszereket egy-, két- és háromkomponensűekre osztjuk. A fázis fogalma A rendszernek azt a részét, amely homogén vegyi összetétellel rendelkezik, és amelyben a molekulák arányosan vannak elkeveredve, valamint határfelület választja el a rendszer többi részétől, fázisnak nevezzük. A fázisok száma alapján a rendszereket egy-, két- és háromfázisúakra osztjuk.

30. Minden rendszerben csak egy gőzfázis lehet, mert a gázok és a gőzök minden arányban keverednek, homogén keveréket alkotnak, amelyekben a molekulák egyenletesen oszlanak el. • A valódi oldatok függetlenül a komponensek számától egy fázist képeznek. • Egy rendszer állapothatározói a: • hőmérséklet, • nyomás és • a komponensek koncentrációja.

31. Az állapothatározók kismértékben változtathatók meg úgy, hogy fázisváltozás ne játszódjon le. Nagy mértékű változásuk fázisváltozáshoz vezet. A szabadsági fok fogalma Az egy rendszerben még szabadon, fázisváltozás nélkül választható (változtatható) állapothatározók számát szabadsági foknak nevezzük.

32. A heterogén rendszerek egyensúlyát a fázistörvény határozza meg, amelyet 1876-ban Gibbs, amerikai fizikus fogalmazott meg. Egyensúlyi állapotban egy rendszer fázisainak és szabadsági fokainak összege kettővel nagyobb, mint a komponensek száma. F + S = K + 2 Josiah Willard Gibbs (1839 – 1903)

33. Egykomponensű rendszerek Az egykomponensű rendszereknél a szabadsági fokok száma: S + F = K + 2 S = K + 2 – F • Az egykomponensű egyensúlyi rendszereknek háromtól több fázisa nem lehet. A víz hármaspontjának koordinátái: t = 0,01°C és p = 610,48 Pa. Ilyen körülmények között a víz három fázisa termodinamikai egyensúlyban van.

34. Kétkomponensű rendszerek • A kétkomponensű rendszereknél a szabadsági fokok száma a következőképpen alakul: S = K + 2 – F • Ha: F = 1 akkor S = 2 + 2 – 1 = 3 • F = 2 S = 2 + 2 – 2 = 2 • F = 3 S = 2 + 2 – 3 = 1 A szabadsági fokok száma maximálisan 3 lehet, ami azt jelenti, hogy 3 paramétert változtathatunk meg tetszőlegesen, a nyomást (p), a hőmérsékletet (t) és a relatív összetételt (c).

35. A kétkomponensű rendszer fázisdiagramjának ábrázolásához három tengelyre lenne szükségünk, ami azt jelenti, hogy háromdimenziós illetve térben elhelyezett koordináta rendszert kellene szerkeszteni. • Ha valamelyik paramétert állandónak vesszük, akkor már kétdimenziós koordináta rendszer is elég, amelynek tengelyeire a megmaradt két paramétert visszük fel. • Például, at-x, p-x, x-y diagramok is ilyenek.