Az anyagok felépítésének alapvető megértéséhez elengedhetetlen a homogén és heterogén rendszerek, valamint az elegyek és oldatok fogalmának tisztázása. Ezek a fogalmak a kémia és a fizika széles spektrumán alkalmazhatók, a mindennapi jelenségektől a komplex ipari folyamatokig.
Mi a különbség az elegyek és a keverékek között?
Az elegyek olyan rendszerek, amelyek két vagy több komponensből állnak. Gáz, folyékony és szilárd halmazállapotú elegyek egyaránt léteznek. Az elegyekben a komponensek molekuláris szinten oszlanak el, azaz a halmazösszetétel mindenütt egyforma, és nincsenek határfelületek. Ezért homogén rendszereknek tekinthetők.
Ezzel szemben a keverékekben a komponensek fázistulajdonságaikat megtartva makroszkopikusan diszpergált fázisokként oszlanak szét egymás között. A keverékek heterogén rendszerek, amelyekben a különbségek szabad szemmel vagy fénymikroszkóppal is felismerhetők. Például, a víz és az olaj keveréke egy heterogén rendszer, ahol két jól elkülöníthető fázis látható.
A kolloid rendszerek a keverékek és elegyek közötti átmenetet jelentik. Ezekben a részecskék mérete 1-500 nm közé esik, és bár szabad szemmel nem láthatók, fénymikroszkóppal már igen.
Homogén rendszerek: Elegyek és oldatok
A 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 (tiszta anyagok, például elemek vagy vegyületek) vagy többkomponensűek (elegyek, 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, és többnyire víz. Az oldott anyag lehet szilárd, cseppfolyós és légnemű is.
Oldószerek típusai
Az oldószerek két csoportra oszthatók:
- Poláris oldószerek: Dipólusmolekulából állnak, például a víz és az etil-alkohol.
- Apoláris oldószerek: Például a CCl4, CH4, C6H6 (benzol), benzin.
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!
Ionvegyületek oldódása
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 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 elektrolitnak nevezzük, mert vezeti az elektromos áramot.
Fémrácsos és atomrácsos anyagok oldhatósága
A fémrácsos anyagok vízben általában nem oldódnak (pl. vas, ólom). Az atomrácsos anyagok (gyémánt, kvarc) vízben oldhatatlanok.
Molekularácsos anyagok oldódása
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.
- Poláris anyagok poláris oldószerben: A poláris molekulák elkeverednek a víz poláris molekuláival, oldat jön létre. Különösen jól oldódnak vízben azok a poláris anyagok, amelyek képesek a vízmolekulákkal hidrogénkötést létesíteni; például az etil-alkohol, az ecetsav vagy a répacukor.
- Apoláris anyagok apoláris oldószerben: Az apoláris anyagok apoláris oldószerekben oldódnak, mivel szerkezetük hasonló. Például a zsír, az olaj benzinben, benzolban oldódik.
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 oldódás sebességét megnövelhetjük az oldandó anyag felületének növelésével (például felaprításával), segíti a keverés, valamint a hőmérséklet emelése.
Oldódás és kiválás egyensúlya, oldhatóság
Amikor az oldódás és a kiválás azonos sebességgel következik be, akkor dinamikus egyensúly alakul ki. Egyensúlyban időegység alatt ugyanannyi részecske épül be a rácsba, mint amennyi oldatba megy. A telített oldat koncentrációját az oldott anyag oldhatóságának nevezzük. A telített oldat az, amelyben az oldódás egyensúlya kialakult, azaz az adott hőmérsékleten az oldandó anyagból több már nem képes feloldódni.
- Telítetlen oldat: Még képes további anyagot feloldani.
- Túltelített oldat: Nem stabil állapotú oldat, amely az adott hőmérsékleten és nyomáson feloldható mennyiségű anyagnál több anyagot tartalmaz.
Gázok oldódása folyadékokban - Henry törvénye
Henry törvénye szerint: az oldószerrel reakcióba nem lépő gáz oldhatósága (c) egyenesen arányos a gáznak az oldat felszíne felett mért parciális nyomásával.
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.
Oldatok töménysége (koncentráció)
Az oldatok pontos összetételét, töménységét többféle módon határozhatjuk meg:
- Tömegszázalék (m/m%): Az oldott anyag tömegének és az oldat tömegének aránya százalékban kifejezve.
- Térfogatszázalék (v/v%): Az oldott anyag térfogatának és az oldat térfogatának aránya százalékban kifejezve.
- Móltört (Xi): Az oldott anyag anyagmennyiségének és az oldat teljes anyagmennyiségének aránya.
- Mol/dm3-es koncentráció (kémiai vagy anyagmennyiség-koncentráció): Az oldott anyag anyagmennyiségének és az oldat térfogatának aránya.
A több oldott anyagot tartalmazó oldatot töményebbnek, a kevesebb oldott anyagot tartalmazót hígabbnak nevezzük.
Kémiai számolások - alapok - koncentráció (molaritás)
Az ideális és reális elegyek termodinamikája
Az elegyek (oldatok) termodinamikai tulajdonságait a klasszikus termodinamika módszereivel vizsgáljuk. Fontos állapotfüggvények, mint a belső energia, entalpia, entrópia, szabadenergia, szabadentalpia és a kémiai potenciál, segítenek meghatározni a folyamatok irányát és az egyensúlyi állapotokat.
Ideális elegyek (oldatok) elegyítési (oldási) hője nulla. Ideális elegyet képeznek például a benzol-toluol elegyek, melyek esetében a folyadék összetétel függvényében lineáris a tenzió.
Reális elegyek tenziógörbéi
A reális folyadékelegyek tenziógörbéi eltérhetnek az ideális viselkedéstől:
- A görbe monoton nő, de nem lineáris a változás.
- A görbének maximuma van (a parciális tenziók nagyobbak a tenziótörvény által meghatározhatókénál).
- A görbének minimuma van (a parciális tenziók kisebbek, mint a tenziótörvény alapján számított értékek).
Reális folyadékelegyek esetén van egy olyan összetétel, amelynél a gőz- és folyadékösszetétel megegyezik. Az ilyen összetételű folyadékelegyeket azeotrópos elegyeknek nevezzük, és desztillációval nem választhatók szét.
Kolligatív tulajdonságok
Az oldatok kolligatív tulajdonságai olyan fizikai jellemzők, amelyek az oldott anyag minőségétől függetlenül csak az oldott részecskék számától függnek. Ilyenek a gőznyomás csökkenés, a forráspont emelkedés, a fagyáspont csökkenés és az ozmózisnyomás.
Gőznyomás csökkenés
Az oldatok gőznyomása kisebb a tiszta oldószer gőznyomásánál. Ennek oka, hogy az oldott anyag részecskéi csökkentik az oldószer-molekulák számát a felületen, ami az oldat kisebb gőznyomásához vezet.
Forráspont emelkedés és fagyáspont csökkenés
A gőznyomás csökkenésének következtében az oldat forráspontja magasabb, mint az oldószeré. Hasonlóan, az oldatok fagyáspontja alacsonyabb, mint a tiszta oldószeré.
Ozmózisnyomás
Az ozmózis olyan jelenség, amikor egy féligáteresztő hártyán keresztül az oldószer molekulái a hígabb oldat felől a töményebb oldat felé áramlanak. Az ozmózisnyomás az a nyomás, amelyet az oldatnak a tiszta oldószerrel szemben kell kifejtenie ahhoz, hogy az ozmózis megálljon. Ez a nyomás arányos az oldott anyag koncentrációjával.
Kolloid rendszerek
A kolloid rendszerekben a részecskék mérete 1-500 nm közé esik. Ezek a rendszerek sok egyedi tulajdonsággal rendelkeznek, mint például a Tyndall-jelenség (a fény szóródása a részecskéken), az adszorpciós képesség és a stabilitás.
A kolloidokat felületi energiájuk és a kolloid állapot megszűnésének módja alapján is csoportosíthatjuk. Léteznek hidrofil és hidrofób kolloidok.
Felületaktív anyagok és micellák
A felületaktív anyagok olyan molekulák, amelyek egy hidrofil és egy hidrofób részből állnak. Ezek képesek csökkenteni a felületi feszültséget, és micellákat képeznek vizes oldatokban. A micellák olyan aggregátumok, amelyekben a hidrofób részek befelé, a hidrofil részek pedig kifelé, a víz felé fordulnak.
