Általános és szervetlen kémia laborelıkészítıelıadás...

• Fizikai módszerek anyagok tisztítására

- Szublimáció

Általános és szervetlen kémia

Laborelıkészítı elıadás I.

• Halmazállapotok, fázisok

• Fizikai állapotváltozások (fázisátmenetek), a Gibbs-féle fázisszabály

- Átkristályosítás

- Desztilláció (ideális/nemideális elegyek, azeotrópia)

beniszabi@gmail.com

Az anyag halmazállapotai I.

Szilárd - kristályos

Halmazállapot

- amorf

Entitások elhelyezkedése; mozgása Példa

Az anyag halmazállapotai II.

Halmazállapot Entitások elhelyezkedése; mozgása Példa

Az anyag halmazállapotai III.

Folyadék

Halmazállapot Entitások elhelyezkedése; mozgása

Gáz

Szuperkritikus fluid

állapot (nagy T, p)

• szuperkritikus N2 (T > -147 °C, p > 3,4 MPa)

• szuperkritikus CO2 (T > 31°C, p > 7,3 MPa)

• szuperkritikus H2O (T > 374 °C, p > 22 MPa)

Az anyag halmazállapotai IV.

Plazmaállapot:

túlhevített,

ionizált gáz

Halmazállapot Entitások elhelyezkedése; mozgása

molekulák → atomok → kationok és elektronok

a plazma elektromos vezető, áramok folynak benne

Definíciók a halmazállapot-változások tárgyalásához

• fázis: az anyag kémiai összetételben és fizikai tulajdonságaiban egységes

(homogén és izotróp) tartománya, a környezetétől határfelület

választja el

• gőznyomás (tenzió): zárt edényben egy kondenzált fázissal dinamikus

egyensúlyban levő gáz nyomása, adott hőmérsékleten

A tiszta víz fázisdiagramja

folyadék

szilárd

p (kPa)

T (°C)

gáz

A Gibbs-féle fázisszabály (a víz példáján)

F + Sz = K + 2

F =

Sz =

K =

• fázison belül:

p

T• fázisátalakulási görbe mentén:

A szén-dioxid fázisdiagramjap (kPa)

T (°C)

A jód fázisdiagramjap (kPa)

T (°C)

Többkomponensű rendszerek

• összetételi változók: tört (százalék), koncentrációfajták...

• telített oldat:

• oldhatóság:

• túltelített oldat:

0

20

40

60

80

100

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

szénpor

CuSO4

KAl(SO4)2

Old

ható

ság

(g /

100

g ví

z)

T (°C)

Szennyezett timsó átkristályosítása

Folyadék-gőz egyensúlyok

• Folyadék egyensúlyi gőznyomása (tenziója), forráspontja

• „B” folyadék illékonyabb, mint „A”, ha pB > pA és TB* < TA

*

Ideális biner folyadékelegyek

BA

A

A

+=

nn

nx

• az oldat feletti gőz össznyomása a két tenzió összege (Dalton-törvény):

A*AA = xpp

B*BB = xpp

• Raoult-törvény (1887)

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

Öss

sz gőzn

yom

ás (

kPa)

A benzol móltörtje, x B

Benzol-toluol elegy gőznyomásgörbéje

*Ap

*Bp

— gőzösszetétel-görbe

(vaporgörbe)

— folyadékösszetétel-

görbe (likviduszgörbe)

T = 20 °C

gőz

folyadék

Öss

z. gő

znyo

más

(kP

a)

A desztilláló berendezés részei és működése

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

75

80

85

90

95

100

105

110

115

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

For

rásp

ont

(°C

)

A benzol móltörtje, x B

Benzol-toluol elegy forráspontgörbéje

*BT

100 kPa külső nyomáson*

AT

gőz

folyadék

75

80

85

90

95

100

105

110

115

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

For

rásp

ont

(°C

)

A benzol móltörtje, x B

Benzol-toluol elegy frakcionált desztillációja

*BT

100 kPa külső nyomáson*

AT

gőz

folyadék

Desztillációs készülékek

egyszerű desztillációs berendezésfrakcionált desztillációra alkalmas berendezés

Nemideális elegy: a sósav desztillációja

90

95

100

105

110

0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30

Hő

mér

sékl

et (

°C)

A HCl tömegtörtje

• Ioncsere

Általános és szervetlen kémia

Laborelıkészítı elıadás II.

• Reális elegyek desztillációja: etanol

• Megoszlási egyensúly, folyadék-folyadék extrakció

• A víztisztítás további módszerei

• Az anyagtisztítási módszerek összefoglaló áttekintése

• Arrhenius sav-bázis elmélete

- savak és bázisok erőssége

- sók előállítása

78

80

82

84

86

88

90

92

94

96

98

100

102

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Hő

mér

sékl

et (

°C)

V /V % alkohol

Alkohol-víz elegyek frakcionált desztillációja

folyadék

gőz

A és B folyadékok ideális és reális elegyei

Ideális elegy Reális elegy

2. típus

Kölcsönhatás

erőssége

Példa

1. típus

Elegyedési hő

Elegyedési

térfogatváltozás

Összes

gőznyomás

Szélsőérték (p-konc.)

Szélsőérték (T-konc.)

Megoszlási egyensúly, kirázás

• Apoláris anyag átoldódása vízből egy vízzel nem elegyedő oldószerbe

• pl. I2 megoszlása víz és CHCl3 között:

⇒

85'

'

aq

org==

c

cD

org

aq

aq

org

/)(

/

V

V

xm

x

Vxm

VxD ⋅

−=

−=

aqorg

aqorg

/1

/

VDV

VDVmx

+⋅=

n

VDV

VDVm

+⋅=

aqorg

aqorg

/1

/

Ioncserélő gyanta előállítása

• nagy molekulatömegű, szintetikus, térhálós polimer

• sztirol és divinil-benzol (térhálósító) kopolimerizációja:

CH

CH2

+

CH

CH2

CH

CH2

+

CH

CH2CH

CH2

+ +

CH

CH2CH

CH2

+ ...

+ ...

...

CH

CH2

CH2

CH

CH2

CH2

CH

CH2

C

CH2

C

CH2CH2

...

térhálósodási fok ~ % DVBsztirol

divinil-benzol(DVB)

kopolimer

RR

RSO3 SO3 SO3 SO3 SO3

SO3 SO3 SO3 SO3 SO3

- -- - -

- - - - -

Kationcserélő gyanta szerkezete

• erősen savas gyanta:

• gyengén savas:

• erősen bázikus gyanta:

• gyengén bázikus:

RR

RN(CH3)3 N(CH3)3

N(CH3)3

N(CH3)3 N(CH3)3 N(CH3)3

++ +

+ + +

Anioncserélő gyanta szerkezete

Az ioncsere gyakorlata

• Mindig először kationcsere, aztán anioncsere

• Kevertágyas ioncserélő:

• A teljes kationcsere H+-okat termel,

a teljes anioncsere ugyanannyi OH− iont (elektroneutralitás):

H+ + OH− = H2O

• A gyanta ioncserélő kapacitása:

• A kationcserélő gyanta regenerálása:

• Az anioncserélő regenerálása:

• Gázhidrátok képződése

További víztisztítási módszerek alapjai I.

nagy

Sótartalom Gazdaságos eljárás

• Desztilláció

(tengervíz:

3.5%)

�

�

�

�

�

�

�

�

�

��

< 1%

”brakkvíz”• Fordított ozmózis

További víztisztítási módszerek alapjai II.

Sótartalom Gazdaságos eljárás

< 1%

”brakkvíz”

• Elektrodialízis

< 0.1% • Ioncsere

További víztisztítási módszerek alapjai III.

Sótartalom Gazdaságos eljárás

Módszerek az oldószer víz eltávolítására

• Bepárlás csökkentett nyomáson

• Liofilizálás (fagyasztva szárítás)

T (°C)

Az anyagtisztítási módszerek összefoglalása

Egyensúly

Szilárd / gőz

Tisztítási módszer Alapfeltétele Példa

Folyadék/foly.

megoszlás

Szilárd / gőz

Szilárd /

oldott anyag

Folyadék / gőz

Ionmegoszlás

oldat / gyanta

Ozmózis