Kémiai BSc Halmazok és oldatok Kémiai alapismeretek Kémiai BSc Halmazok és oldatok

Homogén rendszerek- ELEGYEK- OLDATOK Anyaghalmaz Tiszta anyagok Elegyek Keverékek Elemek Vegyületek Homogén rendszer Heterogén rendszer Homogén rendszerekben a szétoszlatott (diszpergált) részecskék nagysága 1 nm (10-9 m) alatt van, és a halmazösszetétel mindenütt egyforma. Nincsenek határfelületek, azaz a homogén rendszerek egyetlen fázisból állnak. (Lehetnek egykomponensűek, többkomponensűek.)

HALMAZOK, homogén és heterogén rendszerek Az olyan rendszereket, amelyekben az atomok, ionok, molekulák száma igen nagy, halmazoknak nevezzük. Az elemeket és a vegyületeket felépítő atomokat és molekulákat- igen kis méretük miatt- csak közvetett úton tudjuk vizsgálni. A közvetlen megfigyeléshez ugyanis sok atom, ill. molekula együttes jelenléte szükséges. Az elemek, vegyületek tulajdonságainak vizsgálata nem más, mint az illető anyaghalmazok tulajdonságainak vizsgálata. Az atomokból vagy ionokból vagy molekulákból felépülő anyagok halmazai nem tekinthetők csupán sok atomnak, ionnak, molekulának, mert a halmazok keletkezése energia felszabadulással járó folyamat. Ebből következik, hogy a halmazok részecskéi között kölcsönhatás (vonzóerő) van. Ha a részecskék közötti átlagos távolság kicsi, (szilárd, cseppfolyós anyagokban), akkor a kölcsönhatás számottevő, ha a távolság nagy, akkor elhanyagolható (légnemű anyagokban).

A molekulák, atomok közötti viszonylag gyengébb kapcsolatokat létrehozó másodlagos kötőerőket van der Waals-féle erőknek nevezzük. A van der Waals-féle erők általában legalább egy nagyságrenddel gyengébbek, mint a kémiai kötőerők. Ez annyit jelent, hogy míg a kémiai kötés pl. 20..30 ◦C-on erős, addig a van der Waals-féle kötés energiáját a szobahőmérsékletnek megfelelő hőmozgás energiája már meghaladja és így a van der Waals-féle kötés felbomlik. Ez a másodlagos kötőerő- kisebb-nagyobb mértékben- egyaránt hat az olyan molekulák között, amelyekben a pozitív és negatív töltések tömegközéppontja nem esik egybe (poláris molekulák, pl. NH3, H2O, SO2, H2S) és az olyanok között, amelyekben egybeesik (apoláris,pl. Br2, N2, O2, CCl4, zsírok).

Halmazállapotok A részecskék állandóan mozognak a halmazokban is. Ez a hőmozgás (amely csak az abszolút hőmérsékletskála nullapontján, vagyis 0 kelvinen szűnik meg). A halmaz tulajdonsága függ: A, a részecskék között ható erőktől, B, a hőmérséklettől, C, a nyomástól (gázok).

Szilárd h. Csak rezgőmozgás Kristályos és amorf Ionrács 2. atomrács 3. molekularács 4. fémrács Folyékony h. Állandó térfogat, de nincs állandó alak 1 m3 jég 9 %-kal könnyebb, mint 1 m3 0 ◦C-os víz. Olvadás-fagyás(pont); párolgás-kondenzálás; forrás(pont), szublimáció. Légnemű h. A rendelkezésre álló teret teljesen kitöltik. Sem állandó alak, sem állandó térfogat nincs. Gáz, gőz. Gáztörvények: B-M. G.-L. Egyesített- , Egyetemes g.t. Avogadro törvénye. Móltérfogat

OLDATOK Az oldat két (vagy több) anyag homogén keveréke, elegye. Azaz az OLDAT olyan két (vagy több) komponensű elegy, amelyben az egyik komponens az oldószer, a másik (vagy a többi) az oldódó anyag. Az oldószer általában nagyobb mennyiségben van jelen, rendszerint folyékony, többnyire víz. Az oldószerek két csoportra oszthatók, lehetnek dipólusmolekulából álló, azaz poláris oldószerek (ilyen például a víz és az etil-alkohol), és lehetnek apoláris oldószerek (például a CCl4, CH4, C6H6,benzol, benzin). Az oldott anyag lehet szilárd, cseppfolyós és légnemű is. ( Például a cukoroldat előállításakor szilárd anyagot oldunk folyadékban, a tömény ecetsav hígításakor folyadékot oldunk folyadékban, a szódavíz készítésekor szén-dioxid-gázt oldunk folyadékban. )

Az oldódás folyamata Az oldódás folyamata során kölcsönhatás alakul ki az oldószer és az oldandó anyag részecskéi között. Mindkét kötésben felszakad a részecskék közötti kötések egy része, és az oldószer és az oldott anyag között új kötések alakulnak ki. Vizsgáljuk meg, hogyan játszódik le a vízben való oldódás a különböző szerkezetű oldandó anyagok esetében! Az ionvegyületek szilárd halmazának rácspontjaiban pozitív és negatív töltésű ionok találhatók, melyeket elektrosztatikus kölcsönhatás tart össze. A kristály ionjai köré a víz dipólusmolekulái ellentétes pólusaikkal rendeződnek, és kölcsönhatás alakul ki közöttük. A vízmolekulák kiszakítják az ionokat a kristályrácsból, és vízburokkal körülvett ionok úsznak a vízben.

A hidratált ionok leszakadása után a vízmolekulák újabb ionokat vehetnek körül vízburokkal. A hidrátburok kialakulását hidratációnak nevezzük. Az ionok körüli hidrátburok „leárnyékolja” az ellentétes töltésű ionokat, így az ionok nem tudnak egyesülni. A szabadon mozgó ionokat tartalmazó oldatot eletrolitnak nevezzük, mert vezeti az elektromos áramot. Ionrács

A fémrácsos anyagok vízben általában nem oldódnak ( vas, ólom) A fémrácsos anyagok vízben általában nem oldódnak ( vas, ólom). (Vannak olyan fémek, például a nátrium vagy a kálium, amelyek miközben kémiai reakcióba lépnek a vízzel, látszólag feloldódnak. Ilyenkor nem a fém oldata keletkezik, tehát az oldat bepárlásával nem kapjuk vissza az eredeti fémet. Ezt a látszólagos oldódást kémiai oldódásnak nevezzük. Az atomrácsos anyagok (gyémánt, kvarc) vízben oldhatatlanok. A molekularácsos kristályok poláris vagy apoláris molekulákból állhatnak. A poláris molekulájú anyagok poláris molekulákból álló oldószerben, az apoláris molekulájú anyagok apoláris molekulákból álló oldószerben oldódnak.

A poláris molekulák elkeverednek a víz poláris molekuláival, oldat jön létre. Különösen jól oldódnak vízben azok a poláris anyagok, amelyek képesek a vízmolekulákkal hidrogén-kötést létesíteni; például az etil-alkohol, az ecetsav vagy a répacukor. Az apoláris anyagok apoláris oldószerekben oldódnak, mivel szerkezetük hasonló. Például a zsír, az olaj benzinben, benzolban oldódik.

Megoszlási egyensúlyok Ha két egymással nem elegyedő (poláris-apoláris, pl. H2O-CCl4) folyadékban egy harmadik anyagot (pl: I2) oldunk, akkor a két fázisban az oldott anyag koncentrációjának hányadosa adott nyomáson és adott hőmérsékleten állandó. K= c1/c2 A megoszlás jelenségét a laboratóriumokban (iparban) a nagy térfogatú oldatban lévő anyag kivonására (extrahálására) használhatjuk. (Pl.: A vizes jódoldatból kis mennyiségű szén-tetrakloriddal való jód eltávolítására. Vizes I2 CCl4-os I2

Az oldódás energiaviszonyai és sebessége Az ionrács felbontásához és az oldószer-molekulák egymás közti kölcsönhatásának megbontásához energia szükséges. Az oldatban létrejövő új kötések kialakulása, a hidratáció viszont energia felszabadulással járó folyamat. Az ionkristályok általában akkor oldódnak, ha a hidratáció folyamán felszabaduló energia nagyobb, mint a kristályrács felbontásához szükséges energia. (Az oldat energiája kisebb, mint az oldószer és az oldandó anyag energiájának összege.) Az oldódást kísérő hőváltozás nagyságát a hidratációs energia és a rács felbontásához szükséges energia különbsége dönti el. Ha a hidratáció során felszabaduló energia nagyobb, mint amennyi a rács felbontásához szükséges, az oldódás energia felszabadulással jár, a környezet felmelegszik. Az oldódás sebességét megnövelhetjük az oldandó anyag felületének növelésével, például felaprításával, segíti a keverés, valamint a hőmérséklet emelése.

Oldódás és kiválás egyensúlya Minél több oldott részecskét tartalmaz az oldat, annál valószínűbb, hogy ezek a mozgó részecskék neki ütköznek a még kristályrácsot alkotóknak, és ismét megkötődnek. Amikor a kristályrács közelében olyan sok részecske van, hogy a kiszakadás és a rácsban való visszalépés azonos sebességgel következik be, akkor az oldódás és a kiválás között dinamikus egyensúly alakul ki. A dinamikus egyensúlyban az oldódás folyamata látszólag megáll, de a valóságban az oldódás és a kiválás szakadatlanul folyik. Egyensúlyban időegység alatt ugyanannyi részecske épül be a rácsba, mint amennyi oldatba megy, vagyis az oldódás és kiválás sebessége azonos. Külső hatással (például az oldószer mennyiségének növelésével vagy a hőmérséklet megváltoztatásával) a dinamikus egyensúly megváltoztatható. A hőmérséklet emelésével egyes anyagok oldhatósága jelentős mértékben megnő, másoké alig változik. Azok az anyagok oldódnak jobban magasabb hőmérsékleten, amelyek oldódása energia felvétellel jár.

Oldhatóság A telített oldat koncentrációját jelenti. Az oldatok töménységét egy bizonyos határon túl már nem lehet növelni. Telített az az oldat, amelyben az oldódás egyensúlya kialakult, vagyis az adott hőmérsékleten az oldandó anyagból több már nem képes feloldódni. Azt az oldatot, amelynek töménysége kisebb, mint a telítetté, telítetlen oldatnak nevezzük. A telítetlen oldat még képes további anyagot feloldani. Ha egyes anyagok magas hőmérsékleten telített oldatát nagyon óvatosan hűtjük le, óvjuk a rázkódástól és szennyeződést sem tartalmaz, akkor nem stabil állapotú, úgynevezett túltelített oldathoz juthatunk, mely az adott hőmérsékleten és nyomáson feloldható mennyiségű anyagnál több anyagot tartalmaz.

A gázok oldódása folyadékokban Henry törvénye szerint: az oldószerrel reakcióba nem lépő gáz oldhatósága ( c ) egyenesen arányos a gáznak az oldat felszíne felett mért parciális nyomásával. Zárt rendszerben dinamikus egyensúly eléréséhez vezet, amikor is a gázból az oldatba lépő molekulák száma megegyezik az oldatból a gáztérbe kilépő molekulák számával. Az így elért telítési koncentráció a gáznak a folyadékban való oldhatósága, amely a gáz minőségétől, a hőmérséklettől és a gáz nyomásától ( gázelegy esetén parciális nyomásától) függ: c= k*p Ahol c= a gáz telítési koncentrációja (oldhatósága) k= arányossági tényező, ami a gáz és az oldószer minőségétől, valamint a hőmérséklettől függ p= a gáz (parciális) nyomása. A gázok oldhatósága a hőmérséklettel fordítottan arányos, alacsonyabb hőmérsékleten a gázok jobban oldódnak a folyadékokban, mint magasabb hőmérsékleten. A gázok oldhatósága tehát a folyadékokban a hőmérséklet csökkentésével és a nyomás emelésével fokozható.

Töménység (koncentráció) Az oldatok pontos összetételét, töménységét sokszor kell ismernünk, megadnunk. Ezt többféle módon határozhatjuk meg, és ezek is átválthatók egymásba. A tömeg és térfogat a sűrűség ismeretében átváltható (ρ=m/v). A tömegszázalékos (m/m%-os) összetétel az oldott anyag tömegének és az oldat tömegének aránya százalékban kifejezve. (Ez azt mutatja meg, hogy 100g oldatban hány gramm oldott anyag van.)

A térfogatszázalékos összetétel az oldott anyag térfogatának és az oldat térfogatának aránya százalékban kifejezve. (Ez azt mutatja meg, hogy 100 térfogategység oldatban hány térfogategység oldott anyag van.) Moltört : Xi= ni/ n Móltört x 100 = mólszázalék

A mol/dm3-es koncentráció, kémiai vagy anyagmennyiség- koncentráció az oldott anyag anyagmennyiségének és az oldat térfogatának aránya. Az anyagmennyiséget mólban adjuk meg, az oldat térfogatát dm3-ben. (Ez azt mutatja meg, hogy 1 térfogategységnyi oldatban mennyi az oldott anyag mennyisége). Jelölése leírásoknál: [ ] A több oldott anyagot tartalmazó oldatot töményebbnek, a kevesebb oldott anyagot tartalmazót hígabbnak nevezzük. A töményebb oldatból hígítással készíthetünk hígabb oldatot és bepárlással töményebbet.

Titrálás Az oldatok koncentrációjának meghatározását titrálással végezzük, azaz egy ismeretlen koncentrációjú oldatból ismert térfogatot reagáltatunk egy pontosan ismert koncentrációjú oldattal. Az ún. „fogyásból” a reakcióegyenlet alapján határozhatjuk meg az ismeretlen koncentrációt. Milyen koncentrációjú az a sósavoldat, amelynek 10,0cm3-ét 11,5 cm3 0,100 mol/dm3 koncentrációjú NaOH oldat semlegesíti? HCl NaOH, indikátor

Oldatkészítés 200 g 60 m/m%-os vizes oldatot 100 g vízzel hígítunk. Hány m/m%-os lesz a keletkezett oldat? Hány m/m%-os a 15,95%-os, 1, 063 g/cm3 sűrűségű répacukoroldat? Hány m/v%-os a 2 mol/dm3-es koncentrációjú H2SO4-oldat? /M=98g/ Hány gramm cukrot (glükózt, fruktózt) tartalmaz a 200 liter 20 m/m%-os (d= 1,1) sűrűségű szőlőmust? Hogyan készítek 400 g 6 m/m% -os konyhasóoldatot? Hogyan készítek 400 cm3 6 m/v%-os konyhasóoldatot? Mennyi annak a NaCl oldatnak a koncentrációja, amelynek 10,0 cm3-ével 9,80 cm3 0,100 mol/dm3 koncentrációjú AgNO3 oldat reagál maradéktalanul?