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 természettudós és filozófus volt, aki ezt a törvényt 1662-ben fedezte fel. Edme Mariotte (1620–1684) francia fizikus tőle függetlenül 1676-ban szintén felfedezte.) CHARLES törvény: (A törvényt először Joseph Louis Gay-Lussac fogalmazta meg 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 gázok térfogatának és az elegy térfogatának arányát kis egészszámokkal lehet kifejezni.”. Amadeo Avogadro (1811): Bármely két ideális gáz azonos térfogata azonos hőmérsékleten és nyomáson azonos számú molekulát tartalmaz. 1 mól (6,022×1023 db) molekulát tartalmazó gáz térfogata a moláris térfogat (VM). Bármely gázra:

Gáztörvények egyesítése: IDEÁLIS GÁZTÖRVÉNY Tökéletes (ideális) gázoknak nevezzük azokat a gázhalmazállapotú rendszereket, amelyek alkotórészei (molekulái) közötti kölcsönhatás elhanyagolhatóan kicsi. 1 mólra: Boyle + Charles: VM = konst·T/p konstans: 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!

behelyettesítve átrendezve

REÁLIS GÁZOK 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 molekulák térfogatával kölcsönhatásával Több paraméter → nagyobb pontosság

Gázok viselkedése Effúzió: Az a folyamat, amelynek során a gázmolekulák egy vákuumba helyezett edény résen keresztül kiáramolnak. A gáz ekkor ugyanakkora sebességgel távozik, mint amekkora a molekulák átlagos sebessége az edényben. Graham-törvénye szerint az effúzió sebessége fordítottan arányos a moláris tömeg négyzetgyökével (Thomas Graham (skót), 1831): Alkalmazás: pl. urán 235-ös izotópok dúsítása (elválasztás a 238-as izotópoktól – atomerőművekhez) Módszer: UF6 vegyületként gáz halmazállapotba vihető és megfelelő porózus membránokon áramoltatható át.

Sokkal lassabb az effúziónál – az ütközések miatt!!! Gázdiffúzió: A gázmolekuláknak a koncentrációkülönbség (parciális nyomáskülönbség) hatására végbemenő mozgása, amelynek során az egyik gáz molekulái kiterjednek a másik gáz által elfoglalt térfogatban egységes parciális nyomást 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

1. van der Waals féle kölcsönhatás .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–

c. Indukciós kölcsönhatás (Debye-féle erő) Töltéssel rendelkező részecskék (ionok, dipólusok) idézik elő, ha a környezetükben apoláris 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 H atom lép kölcsönhatásba egy nagy elektronegativitású atom nemkötő elektronpárjával. Nagysága 10-40 kJ/mol (legerősebb intermol. kh.). Pl.: víz, etil-alkohol, HF, aminosavak, fehérjék.

A FOLYADÉKOK TULAJDONSÁGAI GŐZNYOMÁS, GŐZTENZIÓ: Adott hőmérsékleten a folyadékkal egyensúlyt tartó gáz parciális nyomása. Hőmérsékletfüggő! (PÁROLGÁS, KONDENZÁCIÓ)

Fázisdiagram (a víz példáján) P (105Pa) T (oC) T F B S 1,013 0,006 szilárd folyadék gőz A C (374oC, 218 kPa) Gibbs-féle fázisszabály: K+2 = F+SZ 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)

Viszkozitás (belső súrlódás) A viszkozitás értelmezését elsőként Newton adta meg, aki feltételezte, hogy a rétegek párhuzamos és egyenletes áramlása esetén az elmozdulás irányával ellentétes irányú súrlódó erő (F) egyenesen arányos a súrlódó felületek nagyságával (A) és a sebességgradienssel (du/dy). Az arányossági tényező az adott gáz vagy folyadék anyagi minőségére jellemző állandó a dinamikai viszkozitás (η): Néhány anyag din. viszkozitása: levegő: 0,00018 Poise víz: 0,01 Poise olaj: 1-10 Poise glicerin: 14,9 Poise méz: 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 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 a folyadék 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 ionok távolságával fordítva arányos - HIDRATÁCIÓ függ: ionok töltésével egyenes, ionmérettel fordítva arányos HASONLÓ FÜGGÉS!!!

KOLLOIDOK Kolloid típusok (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 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 - zsiradék oldódik a micellában hidrofil környezet

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 oldószeréhez képest 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)

szilárd/oldat hármaspont A gőznyomáscsökkenés következményei a fázisdiagrammon A hármaspont eltolódásával!!! P (105Pa) T (oC) 1,013 0,006 szilárd/folyadék hármaspont szilárd/oldat hármaspont Tf Td (1 atm) tiszta oldószer Td a forráspont emelkedése a dermedéspont csökkenése

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 van az egymással érintkező két oldat komponensei között és az önként végbemenő kiegyenlítődés folyamán a részecskék méretviszonyai miatt a kisebb koncentrációjú oldat felől több oldószer-molekula jut időegység alatt a féligáteresztő hártyán keresztül a töményebb oldatba, mint onnét vissza a hígabb oldatba. Ennek az egyensúlyra vezető folyamatnak az eredményeként az oldott anyag kémiai potenciálja a töményebb oldatban csökken (a vízé pedig nő), a kisebb koncentrációjú oldatban pedig az oldott anyag kémiai potenciálja megnő (a vízé pedig csökken). A folyadékszint a csőben addig emelkedik, ameddig a hidrosztatikai nyomás (h) egyenlővé nem válik az ozmózisnyomással ():               =  g h Nem túl tömény oldatokra (van’t Hoff-törvény):  = i C R T féligáteresztő hártya 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 olyan féligáteresztő hártya vesz körül, amely a vizet átengedi, a nedvekben oldott más anyagokat nem. Vízbe téve a sejtet az ozmózisnyomás következtében a víz behatol a sejtbe, az megduzzad, esetleg szét is reped. Ilyen jelenség az érett gyümölcsök széthasadása sok eső esetén. A növényi nedvek ozmózisnyomása 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 ezt stabilizálni. 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, mert a szervezet vízfelvétellel igyekszik a nagy ozmózisnyomás hatását csökkenteni. Az emberi szervezet sejtjeinek 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 nevű szűrőben kering a vér, a szűrőben levő speciális kapillárisok külső oldalán pedig egy testhőmérsékletre felmelegített, a vérnek megfelelő összetételű speciális sóoldat, az ún. dializáló oldat, és ebbe jutnak át a két teret elválasztó membránon keresztül a vérből a salakanyagok. A sóoldat állandóan cserélődik és mindig magával viszi, kimossa a méreganyagokat. A salakanyagok a dializátor kapillárisainak membránján szűrődnek ki, melyen nagyszámú finom lyuk van. Ezeken a kisméretű lyukakon a sók, a víz és méreganyagok átjutnak, de a nagyméretű anyagok és vérsejtek nem.

Koncentrációszámítás 31. oldal: 3. Hány g vízben kell feloldani 10 g anyagot, hogy 5 %-os (m) legyen az oldat? 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. Hány mólos 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 móltörtekkel kifejezett 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-on telített oldatot kapjunk? Mi a telített oldat mólszázalékos összetétele?

Híg oldatok törvényei 59. oldal: 121. Hány fokon forr légköri nyomáson az a szőlőcukor-oldat, amelynek tenziója 1 %-kal kisebb, mint a tiszta vízé? 122. Befagy-e a folyadék abban a cukorgyári csővezetékben, amelyben egy kilogrammonként 450 g répacukrot (C12H22O11) tartalmazó vizes oldat kering, ha a környezet hőmérséklete -2,0 C? 127. 4,32 g ként 40 g benzolban oldunk. Az oldat forráspont-emelkedése 1,10 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 776 kPa?