Irodalom ehhez a szakaszhoz

Petrucci: 13. fejezet (1-6. szakasz)

Bevezetés

Az oldatok egynél több anyag homogén keverékei. A homogén szó arra utal, hogy az elegy egyetlen fázis, ahol a tulajdonságok azonosak lesznek, függetlenül attól, hogy honnan veszünk mintát.

Egynél több komponensből álló elegyről legtöbbször pusztán azzal is megbizonyosodhatunk, hogy az elegyünk oldat. Ha átlátunk a keveréken (Clear), akkor az nagy valószínűséggel egyfázisú, vagyis oldat. Ha az elegy átlátszatlan, akkor valószínűleg két vagy több fázis van benne, amelyek nem keverednek egymással, és ezért szórják a fényt, ami miatt zavaros. Így az almalé egy oldat, míg a tejben víz, olajcseppek és némi tejszilárd anyag van, amelyek mind szuszpenzióban vannak, de nem oldódnak egymásban. Ezt jobban láthatjuk, ha a nem homogonizált tejet egy ideig állni hagyjuk. A tejszín (olajok) felemelkedik a tetejére, és alatta egy áttetszőbb folyadék (többnyire víz, némi lebegő szilárd anyaggal, amit vajtejnek nevezünk) marad. További fizikai kezeléssel (pl. centrifugálással) még jobban szétválaszthatjuk a tej összetevőit. Nyilvánvaló, hogy az általunk “tejnek” nevezett keverék nem volt oldat, bár lehet, hogy néhány összetevője az volt (pl. többféle olaj oldódott egymásban, hogy az olaj a krém része legyen.”

Amikor a laboratóriumban folyékony keverékek megfigyelését végzed, ezért fontos, hogy a leírandó folyadékminta színe (piros, kék, rózsaszín…) mellett a tisztaságát (tiszta, átlátszatlan, zavaros, tejszerű…) is jelezd. Így az almalé egy tiszta és sárga oldat, míg a tej egy átlátszatlan, fehér keverék. A tisztaság megfigyelése lehetővé teszi számunkra, hogy biztosan kijelentsük, hogy az almalé egyfázisú, tehát oldat, míg a tej nem egyfázisú, tehát nem egy oldat.

Az oldatok lehetnek szilárd, folyékony vagy gázfázisúak (a vegyészek számára a folyékony oldatok a legérdekesebbek).

Gázfázisú

A gázfázisú oldatok könnyen kialakulnak bármilyen gázkeverékből, mivel a gáz molekulái olyan ritkán lépnek kölcsönhatásba egymással. Ha a gázkeverék valójában nem lép reakcióba, akkor szinte biztosan gázfázisú oldat képződik (legalábbis szobahőmérsékleten és nyomáson)

Folyadékfázis

A folyadékfázisban a molekulák elég közel vannak egymáshoz ahhoz, hogy a molekulák közötti erők fontossá váljanak. Ebben a fázisban (mondjuk) két A és B faj között csak akkor alakul ki oldat, ha az A—A, B—B és A–B intermolekuláris erők közel azonosak.

A hexán és a heptán például két nem poláris folyadék. Az intermolekuláris erők mindkét tiszta folyadékban elsősorban diszperziós erők, az átmeneti dipólusok miatt. Ezek meglehetősen gyenge erők. A hexán és a heptán között fellépő intermolekuláris erők azonban szintén elsősorban diszperziós jellegűek lennének. Ezért folyékony oldat fog kialakulni. A két folyadékról azt mondjuk, hogy teljesen elegyedik egymással.

Ha az egyik molekulának a saját fajtájára ható erői sokkal nagyobbak, mint a másiké, akkor nem alakulhat ki oldat. Vegyük például a vizet és a hexánt. A víz poláros molekula, ráadásul hidrogénkötésekkel kötődik más vízmolekulákhoz. Ez a két erősebb (és legerősebb) a molekulák közötti erők közül (a diszperziós erőkhöz képest). A hexán viszont e kétféle kölcsönhatás egyikébe sem tud bekapcsolódni, ezért nem keveredik a vízzel. Ezt a két folyadékot egymással keverhetetlennek mondjuk.

Szilárd fázis (kristályok)

A szilárd fázisban nemcsak a molekulák közötti erők nagyon jól meghatározottak, hanem a szilárd kristályok az atomok merev elrendeződéseit alkotják, amelyek távolsága meglehetősen szabályos. Ahhoz, hogy egy második típusú molekula elférjen, hasonló méretűnek és alakúnak kell lennie, mint a gazdamolekuláknak (vagy atomoknak).

Gyakori ilyen típusú szilárd “oldatok” találhatók többek között drágakövekben és fémötvözetekben.

Az oldatok összetétele:

Molaritás

Az oldatok összetételének megadására több elterjedt módszer is létezik, amelyekkel az általunk vizsgált oldatok összetételét közöljük. Az általunk használt konkrét módszer nagyban függ attól, hogy milyen célra fogjuk használni. A legtöbb viszonylag híg oldatnál, ahol gyors, egyszerű számításokra van szükségünk, amelyek az oldatban lévő mólok számát a térfogathoz viszonyítják, a molaritást használjuk. A koncentráció, molaritásban a következőképpen számítható ki:

\

mivel n = az oldott anyag mólszáma és V = az oldat térfogata. Így kapjuk a koncentrációt :
M ≡ mól × liter-1 vagy mol × L-1 mértékegységben.

Vigyázzunk az egyenletekkel. A tanulók gyakran összekeverik az egyenletekben használt változójeleket a számításokban használt egységjelekkel. Ez egy példa erre. Az itt szereplő egyenletben az M betű nem változó. A nagybetűs M betűt máshol a moláris tömeg jelölésére használják változóként, így ebben az egyenletben nem szabad a koncentráció jelölésére használni. A C változót bármilyen egységnyi koncentráció jelölésére használjuk, és itt a CM a koncentrációt jelenti molaritásban. A koncentráció egységének, a molaritásnak a szimbóluma egy dőlt betűs nagybetűs M , amelyet a teljesen kiírt egység, az oldott anyag mól per liter oldat (vagy egyszerűen mol/L) rövidítéseként használunk,

Példa:

Egy száraz, por alakú vegyület 0,243 mólnyi mintáját 1,45 L folyékony oldószerben oldjuk fel. Mekkora az oldat moláris koncentrációja?

A fenti egyenletet használhatjuk a megoldáshoz, egy kikötéssel. Az egyenletben a térfogatnak az oldat literjét kellene jelentenie, de a példában megadott térfogat az oldószer literje. Nem használhatjuk általános szabályként az egyik térfogatot a másik helyett. Ebben az esetben azonban kis mennyiségű vegyületet adunk egy nagy térfogatú folyadékhoz, így bár a folyadék térfogatának változnia kellett, nem sokat változott. Ha azt a feltételezést tesszük, hogy a változás elhanyagolható, azaz az oldat térfogata megegyezik az oldószer térfogatával, akkor folytathatjuk.

\

\

Egy másik lehetőségként (ez az én aktuális preferenciám) egyszerűen kitalálhattuk volna, hogyan csináljuk ezt dimenzióelemzéssel. Mivel tudjuk, hogy a kívánt koncentráció végső mértékegysége a literenkénti mól, egyszerűen elosztjuk az oldott anyag móljainak számát az oldat literben kifejezett térfogatával, és presto! ugyanaz a válasz, nem kell megjegyezni az egyenletet.

A molaritás használatának egyetlen hátránya, hogy az oldószer térfogata nem feltétlenül azonos az oldat térfogatával, ezért meg kell mérnünk az oldott anyag mennyiségét a keverés előtt, de meg kell mérnünk az oldat térfogatát a keverés után, majd ki kell számolnunk. A molaritási koncentrációk nagyon hasznosak olyan kísérleteknél, ahol térfogatmérést végzünk. A titrálás a legjobb példa az olyan kísérletekre, ahol a molaritás a legkényelmesebb mértékegység. Titrálásnál egy bürettából mérjük a hozzáadott oldat térfogatát, és gyorsan ki tudjuk számolni a hozzáadott molok számát.

\

Végeredményben ismétlem: használjuk a dimenzióelemzést, hogy kitaláljuk, hogyan csináljuk, ahelyett, hogy bemagoljuk ezeket az egyenleteket. Ha megértetted a tényleges számokat, amelyeket az n-hez és a V-hez kell használnod, akkor már nincs szükséged az egyenletre.

Molalitás

Némely esetben nem könnyű megmérni az oldatok térfogatát keverés után, vagy talán csak nem fontos. Ilyen esetekben a molaritás nem biztos, hogy hasznos egységkészlet. A koncentráció alternatív egységkészlete a molalitás. A molalitás nem térfogategység, és nem lenne hasznos olyan helyzetekben, amikor folyékony oldatok térfogatát kell mérnünk. Nagyon hasznos azonban olyan helyzetekben, amikor egyszerűen csak ismert koncentrációjú oldatokat kell létrehoznunk. A molalitás mértékegységei az oldott anyag egy kilogramm oldószerre jutó moljai. A molalitásra a dőlt kisbetűs m rövidítést használjuk. Ez az egységkészlet azt jelenti, hogy gyorsan megmérhetjük gravimetrikusan mind az oldott anyagot, mind az oldószert, összekeverhetjük őket, és egy olyan oldatot kapunk, amelynek koncentrációja könnyen kiszámítható a molalitás mértékegységében.

\

Itt a Cm a koncentrációt jelölő változó molalitásban (kisbetűs m) n az oldott anyag mólja, ahogy a molaritás definíciójában is szerepelt, az m pedig az oldószer tömege (kg-ban).

Megjegyezzük, hogy az m betűt itt kétféleképpen használjuk. Változóként az m az oldószer tömegét jelenti kg-ban, de egységként az m a molalitás szimbóluma. A Cm koncentrációváltozóhoz tartozó egység az m, ami az oldott anyag kilogrammjára vonatkoztatott molnyi oldott anyagot (vagy egyszerűen mol/kg) jelölő rövidítés.

Példa:

Mi a molális koncentrációja annak az oldatnak, amely 0.213 g oxálsav (COOH)2 1200 g vízhez?

A következő egyenletre van szükségünk:

\

Az oldott anyag, az oxálsav molszámára, n-re van szükségünk. Az oxálsav moláris tömegét használhatjuk arra, hogy a g-t átváltjuk az oxálsav moljára.

\

Most kiszámíthatjuk az oldat koncentrációját

\

Molaritás

A molaritáshoz és a molalitáshoz hasonló skálák csak olyan viszonylag híg oldatok esetében hasznosak, ahol az egyik faj egyértelműen a legnagyobb mennyiségben van jelen (ezt nevezzük oldószernek), a másik pedig viszonylag kis arányban (az oldott anyag). Az oldatok koncentrációtartományának nagy része nem érhető el ilyen típusú teminológiával. mi van akkor, ha van egy oldatunk, amely A és B azonos számú moljából áll? Melyik az oldott anyag? Melyik az oldószer?

Az oldott anyag/oldószer megkülönböztetést nem igénylő, minden koncentrációtartományban működő mértékegység a móltört $\chi$, amikor olyan oldatokról beszélünk, amelyek széles koncentrációtartományban alakulnak ki. Erre a koncentrációváltozóra a görög chi betűt használjuk ( $\chi$, nem nagy X), ami a mi C betűnknek felel meg. Gyakran azonban nem teszünk különbséget

Egy komponens (i) molfrakcióját egy több komponensből álló keverékben (I a komponensek száma) a következőképpen határozzuk meg:

\

ahol $\chi_i$ az i komponens molfrakciója, ni az i komponens molszáma és $n_T\;=\;\;\sum_i^I n_i$ az oldat összes molszáma. Az egyes komponensek $\chi_i$ móltörtje 0 és 1 között változhat, ahol 0 azt jelenti, hogy az oldatban nincs i vegyület, 1 pedig azt, hogy az oldat 100%-ban i vegyületből áll. Az összes móltört összege mindig egy, $\sum_i^I \chi_i\;=\;1$ .

Vissza a tetejére

Folyadék-gőz egyensúly

Két komponens, A és B ideális oldatában az A—A, B—B és A—B molekulák közötti molekulaközi erők azonosak. A valóságban ez soha nem valósulhat meg, de találhatunk olyan megoldásokat, ahol az erők nagyon közel azonosak. Egy példa olyan keverékre, amely közel ideális oldatokat képez, a hexán és a heptán. Ez a két “egyenes láncú” szénhidrogén hasonló molekulatömegű (hat, illetve hét szénatomos). Mindkettő nem poláris, ezért csak diszperziós típusú intermolekuláris erőkkel tudnak kölcsönhatásba lépni.

Gondoljunk hexán (A) és heptán (B) keverékére. Mivel mindkét folyadék illékony, arra számítunk, hogy az oldatnak is lesz gőznyomása. A gőz a két gáz keverékéből fog állni. Ennek az elegynek a teljes nyomása a Dalton-törvény szerint:

P*Soln = pA + pB {a parciális nyomások összege}

Ideális oldatok esetén meghatározhatjuk az oldattal egyensúlyban lévő gőz parciális nyomáskomponensét az oldatban lévő folyadék móltörtjének függvényében. Ez a Raoult-törvény:

pA = xAP*A és pB = xBP*B

Az első egyenletbe behelyettesítve megkapjuk,

P*Soln = xAP*A + xBP*B vagy
P*Soln = xAP*A + (1-xA)P*B
= P*B + xA(P*A – P*B )

Az összefüggésből, látjuk, hogy A és B oldatának gőznyomása az A (vagy B) móltörtjének lineáris függvénye, ahol P*B a metszéspont és P*A – P*B a meredekség.

Az oldat fölött összegyűlő gőz összetétele nem feltétlenül azonos a folyadékéval. Az illékonyabb komponens könnyebben elpárolog, ezért a gőzfázisban nagyobb lesz a móltörtje, mint a folyadékfázisban.
A felírhatjuk

A gőzfázisban lévő A molfrakciója = yA

B gőzfázisban lévő B molfrakciója = yB

Az oldat koncentrációiból az alábbi módon számíthatjuk ki ezeket az értékeket Daulton törvénye segítségével.

A gőzösszetétel görbét az alábbi ábrán látható módon ábrázolhatjuk. Ez valójában két grafikon, az egyik (az egyenes vonal) az oldat gőznyomása az xA folyadékösszetétel függvényében, a másik (a görbe vonal) pedig ugyanez az oldat gőznyomása, de az yA gőzösszetétel függvényében ábrázolva. Úgy lehet elképzelni, hogy a folyadék vonalát jobbra húzza (az illékonyabb A folyadék felé). A két görbét vízszintes összekötő vonalak kötik össze úgy, hogy bármely adott Gőznyomás esetén meghatározható a folyadékxA összetétele és a megfelelő yA gőzösszetétel, amint azt az ábrákon a nyilak jelzik.

Normális esetben nem állandó hőmérsékleten végezzük a kísérleteket, ahogyan azt az előző két ábrán és a hozzájuk tartozó megbeszélésen jelezni látszott. Ehhez bonyolult nyomásmérő eszközökre, lezárt merev tartályokra és állandó hőmérsékletű eszközökre lenne szükség. Sokkal egyszerűbben elvégezhetjük a hőmérséklet mérését rögzített nyomáson (mondjuk egy bar) a móltört függvényében. Így az oldat forráspontját az oldat mólhányadának függvényében kapnánk. Ehhez hozzáadhatjuk a gőz összetételének grafikonját. Ezt a görbét az állandó hőmérséklet esetére fentebb tárgyaltakhoz hasonló fogalmakkal lehet kiszámítani. Az így kapott görbe (alább látható) a magasabb gőznyomású komponens felé tolódik el, ugyanúgy, mint a fenti diagramon.

Ebben az esetben, mivel már tudjuk, hogy a gőznyomás nem lineáris függvénye a hőmérsékletnek (vö. Clausius-Clapeyron-egyenlet), nem számítunk a forráspont egyenes vonalú grafikonjára az összetétel függvényében. Egy ideális oldat esetében azonban az egyenes görbülete csak csekély.

Vizsgáljuk meg a kötésvonalat részletesebben. A fenti “T vs. A móltört A” grafikonon három régió található.

1. A görbék felett egyetlen fázis található. Bármilyen hőmérséklet és móltört állapot esetén minden komponens gőzfázisban van.
2. A görbe alatt, egyfázisú. A görbék alatti bármely hőmérsékleten és móltörtállapotban minden komponens folyékony fázisban van.
3. Minden hőmérséklet/összetétel helyzet a két vonal között, két fázis van egyensúlyban egymással. Az egyik a gázfázis, amelynek komponens móltörtjei yi. A másik a folyadékfázis xi komponens móltöredékekkel.

Minden olyan kísérleti elrendezés esetén, amelynek hőmérsékleti/összetételi pontja a két fázis között helyezkedik el, a két fázis relatív mennyiségét (összes molszámát) a pont két oldalán lévő kötésvonalszakaszok relatív hosszának segítségével kiszámíthatjuk. Az alábbi ábra az előző ábra kötővonalas területének felnagyítása; a kék vonal a folyékony oldat összetételét, a zöld vonal a gőz összetételét jelöli. A függőleges tengely a hőmérséklet, a vízszintes tengely pedig az A komponens mólfrakciója az A és B kétkomponensű keverékben. A függőleges lila vonal a rendszer (folyékony és gőzfázisú) teljes mólfrakcióját mutatja. A kötővonal függőleges helyzete a rendszer hőmérsékletét jelöli.

A karszabály szerint (amelyet először valódi karokra fejlesztettek ki, de itt is működik) a szakasz hossza szorozva az egyik oldal mólszámával egyenlő a másik oldal mólszámának hosszával szorozva.

n1 × L1 = n2 × L2

Ezt egy kicsit átrendezve, az L1 és L2 hosszúságok segítségével a következőképpen határozhatjuk meg az n1 folyadék móljainak és az n2 gőz móljainak arányát:

\

Ez értelmet nyer, ha a grafikonra nézünk. Ha L1 rövidebb, mint L2 (az ábrán látható módon), akkor a rendszer teljes összetétele közelebb áll a folyadékfáziséhoz, mint a gőzfáziséhoz. Ez azt jelenti, hogy a legtöbb mólnyi anyag a folyadékfázisban van.

Példa: Egy zárt rendszert, amely két illékony, egymással keverhető folyadékot, A-t és B-t tartalmaz, hagyunk egyensúlyba kerülni. A rendszer összes molszáma 1,32 mol. Az egyensúlyi állapotban 0,36 mol található a gőzfázisban. Mekkora az L1 és L2 vonalszakaszok hosszának aránya a fenti képen látható kötésvonal-diagramon?

folyadékmólok (n1) = összes mol (nT)-gőzmólok (n2)

n1 = 1.32 mol – 0,36 mol = 0,96 mol.

\

\

A két egyenes szakasz hosszának aránya tehát 2,66 lesz. Vagy: L2 2,66-szor hosszabb, mint L1.

Vissza a tetejére

Desztilláció

Ha a forrásponton lévő folyadék feletti összes gőzt összegyűjtenénk, majd kondenzálnánk, akkor olyan folyadékot kapnánk, amelynek magasabb az illékonyabb összetevője, mint a kiindulási anyagé. Ha ezt a folyadékot ezután újra felforraljuk, akkor a keletkező desztillátumban ismét megnő az illékonyabb komponens. A forralás, kondenzálás, ismételt forralás ismétlődő lépéseivel végül teljesen szét tudjuk választani a két komponenst. Ehhez azonban végtelen számú lépésre lenne szükség.

Vissza a tetejére

Azeotrópok

Bonyolultabb a helyzet két olyan folyadék, A és B esetében, amelyek teljesen keverednek, de a molekulák közötti erők erősségei jelentősen eltérnek. Két lehetőség van:

1. Az oldatban az átlagos molekulaközi erők erősebbek, mint az egyes folyadékokban
2. Az oldatban az átlagos molekulaközi erők gyengébbek, mint az egyes folyadékokban.

Mivel a folyadékot összetartó intermolekuláris erők határozzák meg a gőznyomást (és így a folyadék forráspontját), megjósolhatjuk, hogy az előbbi esetben (1) az oldat várható forráspontja magasabb lesz, mint bármelyik tiszta folyadéké, míg az utóbbi esetben (2) az oldat alacsonyabb hőmérsékleten fog forrni, mint a két tiszta folyadék bármelyikének forráspontja.

Gondoljunk egy benzol és etanol oldatára. A benzol és az etanol teljesen keverhető, de az oldatban a molekulák közötti erők kisebbek, mint az egyes folyadékokban. Mivel a molekulákat összetartó erők kisebbek, az erők megbontásához szükséges energia (hőmérséklet) is kisebb. Ezért azt várjuk, hogy a forráspontgörbén lesz egy minimum (lásd az alábbi ábrát). az oldat minimális forráspontjánál (etanol móltörtje = 0,46) azt is megállapíthatjuk, hogy a gőz összetétele megegyezik a folyadékéval. Ezt nevezzük azeotróp keveréknek, a forráspontgörbe adott pontját pedig azeotrópnak.

A maximális forráspontú azeotróp akkor következik be, ha a keverék intermolekuláris erői erősebbek, mint az egyes folyadékoké. Ez azt eredményezi, hogy az elegy magasabb forráspontú (alacsonyabb gőznyomású), mint az egyes anyagok. Ebben az esetben a folyadékkal egyensúlyban lévő gőzök összetétele az azeotróp keverék összetételétől távolodik, a tiszta folyadék felé.

Vissza a tetejére

Szilárd-folyadék egyensúly

Ha egy oldatot kellően lehűtünk, az megfagy. Ha hagyjuk, hogy a fagyás elég lassan történjen, és a kikristályosodó szilárd anyag tiszta lesz. Az a hőmérséklet, amelyen az oldat fagyni kezd, az oldat összetételétől függ. Vegyünk például egy ecetsav és víz keverékét. A tiszta víz 0 ºC-on, a tiszta ecetsav pedig +16,6 ºC-on fagy meg. A következő szemléltetés céljából szeretném tisztázni az állapot és a fázis szó közötti különbséget.

• Az állapot három állapot egyike, a szilárd, a folyékony vagy a gáz. Nem teszünk különbséget az adott állapotban lévő anyagra vonatkozóan.

• A fázis olyan állapotot jelöl, amelyben az adott állapotban lévő anyag összetétele meghatározott.

A fenti fázisdiagramon négy különböző színkódolású terület látható.

• A sárga terület egyfázisú folyékony oldat.
• A kék terület egyállapotú, de kétfázisú régiót jelöl, ahol szilárd jég és szilárd ecetsavkristályok keverednek (lehet, hogy szilárd oldat, lehet, hogy nem, feltételezzük, hogy nem).
• A piros terület kétállapotú egyensúlyt képvisel tiszta szilárd jég és oldat között, ahol az oldat összetételét bármely adott hőmérsékleten a piros és a sárga területeket elválasztó vonal helyzete képviseli.
• A lila terület kétállapotú egyensúlyt képvisel tiszta szilárd ecetsav és oldat között, amelynek összetételét (bármely adott hőmérsékleten) a lila és a sárga területeket elválasztó vonal helyzete képviseli.

A piros-sárga és a lila-sárga határvonal metszéspontja az eutektikus pontot jelenti. Ez jelenti az oldat legalacsonyabb olvadáspontú összetételét. Az ecetsav, víz esetében ez a pont -26,7ºC hőmérsékleten van. E hőmérséklet alatt a jég és az ecetsav bármilyen keveréke szilárd.

Ez a diagram többféle jelenség magyarázatára is használható.

Tegyük fel, hogy egy folyékony oldatot, amelynek mólhányadosa ecetsav = 0,1, szobahőmérsékletről kiindulva lassan hűtünk. Milyen fázisátalakulások következnek be a hűtés előrehaladtával. Kövessük a függőleges (csillaggal jelölt) vonalat x = 0,1-nél.

• Az első fázisátalakulás azon a hőmérsékleten következik be, amely annak a pontnak felel meg, ahol a függőleges vonal a piros zónába lép. Ezen a hőmérsékleten az oldatból jég kezd kikristályosodni. Ezáltal víz távozik az oldatból, így az ecetsavban koncentráltabbá válik. Ennélfogva a fagyáspont csökken. Ez a folyamat a hőmérséklet csökkentésével folytatódik, így az oldat összetétele a piros-sárga határvonalat követi egészen az eutektikus pontig.
• Az eutektikus pont alatt mind a jég, mind a szilárd ecetsav kikristályosodik.

A mindennapi tapasztalatainkban használjuk ezeket a tulajdonságokat, például az autók hűtőjébe etilénglikol és víz keverékét tesszük. E két vegyület megfelelő arányban olyan oldatot adhat, amely akár -50 ºC-os hőmérsékleten is megfagy. Még ha meg is fagy, azt lassan teszi, miközben csökken a fagyáspont, és nem egyetlen szilárd fázist, hanem egy latyakos keveréket hoz létre. Így még rendkívül hideg hőmérsékleten is, mint például Észak-Kanadában, a hűtő “hűtőfolyadék” keveréke átfolyik a motoron, és nem tömíti el azt.

Nézze meg újra a diagramot. Ha 10 ºC-on (a tiszta ecetsav olvadáspontja alatt) olyan kísérletet végzünk, amelyben tiszta vízzel kezdünk, és lassan ecetsavkristályokat adunk hozzá, akkor a kék szaggatott vonal mentén nyomon követhetjük a folyamatot.

Az ecetsav először feloldódik a vízben. Az ecetsav arányának növekedésével elérjük azt a pontot, ahol a szaggatott vonal átmegy a lila tartományba. A lila-sárga határon túl az ecetsav kristályait látnánk a főzőpohár alján ülni. Az oldat telített lenne (egyensúlyban van), és bármennyi szilárd ecetsavat adunk is a főzőpohárba, a feloldódó mennyiség nettó növekedése nem fog tovább növekedni. Ha azonban a hőmérsékletet szobahőmérsékletre emelnénk, akkor azt látnánk, hogy a maradék ecetsav feloldódik, mivel a fázisdiagramon ismét a sárga tartományba lépünk át. Ezért a diagram segítségével meghatározhatjuk az ecetsav vízben való oldhatóságát (egyensúlyi koncentrációját) bármely adott hőmérsékleten.

Minden ilyen fázisdiagramnak ugyanazok a jellemzői. A tiszta folyadékok jellegzetes olvadáspontokkal rendelkeznek, az eutektikus pont pedig az oldat legalacsonyabb olvadáspontú összetételét jelenti. Mindig ugyanaz a négy tartomány van, és mindig, mindig meg tudjuk magyarázni a fagyási/oldódási folyamatokat ezekkel a diagramokkal.

A szerves kémiában gyakran használjuk az oldatok tulajdonságait arra, hogy megmondjuk, megfelelően választottuk-e el a kívánt vegyületet. Például a szintézis-kísérletek során, amelyeket a laboratóriumban végzel, az általad készített kristályok tisztaságát az olvadáspontjuk mérésével teszteled. Ha a kristályaid egy jól meghatározott hőmérsékleten a megfelelő hőmérsékleten olvadnak, akkor a kristályaid valószínűleg közel tiszták. Ha viszont nagy hőmérséklet-tartományban vagy jóval a helyes olvadáspont alatt olvadnak, akkor biztos lehetsz benne, hogy a kristályaid nem túl tiszták.

Vissza a tetejére

Olvadékonyság

Néha az oldatok kialakításához összekeveredő komponensek olvadáspontja nagyon eltérő. Vegyük például a víz és egy só, például a KCl keveredését. A só nagyon magas hőmérsékleten (770 ºC) olvad meg. A fázisdiagramnak csak a fenti ábrán látható része érdekel minket. Ugyanaz a négy terület látható, mint amit a víz/ecetsav fázisdiagramon észrevettünk. Ebben az esetben azonban csak a vízben lévő KCl viszonylag alacsony koncentrációját vizsgáljuk.

Követjük (balról jobbra) a szobahőmérsékletet jelképező vízszintes vonalat. Ahogy sót adunk a vízünkhöz, a só először feloldódik. A só addig fog oldódni, amíg a koncentráció a sárga zónában van. Végül a só már nem oldódik, csupán leülepszik a főzőpohár aljára. A szilárd sóval egyensúlyban lévő oldatkoncentrációt a vízszintes vonal és a lila-sárga határvonal metszéspontja mutatja. Ez a só oldhatósága móltörtben kifejezve. Az oldhatóságot általában az oldott anyag literenkénti móljában mérjük. Az itt meghatározott móltörtet könnyen át tudjuk számítani általánosabb egységekre, például molaritásra. Könnyen láthatjuk, hogy az oldat hőmérsékletének növelésével az oldhatóság is emelkedik.

Azt is láthatjuk, hogy a só vízhez való hozzáadásával – az előző esethez hasonlóan – a víz olvadáspontja csökken. Ezért a járdákon és utakon lévő jéghez só hozzáadása csökkenti az olvadáspontot, és (remélhetőleg) a jég elolvad. Kanada számos részén, például Saskatchewanban, a hőmérséklet télen gyakran jóval alacsonyabb, mint ahol a só jótékonyan hat (~-20ºC), ezért ott ritkán használják.

Vissza a tetejére

Henry törvénye

A közös tapasztalatok szerint a gázok is oldódnak a folyadékokban. A halak például úgy tudnak a víz alatt élni, hogy kopoltyúikkal leválasztják a vízből az oldott oxigént. Ha a víz állottá válik, és a levegőztetés (levegővel való keveredés) hiánya miatt csökken az oldott oxigéntartalom, sok halfaj nem tud benne élni. Más fajok speciális mechanizmusokat fejlesztettek ki, hogy megbirkózzanak az alacsony oxigénszinttel… De ez már egy másik történet.

A folyadékban oldott gáz hatását akkor is látjuk, amikor kinyitunk egy szénsavas italt. Az italban szén-dioxid van feloldva, és amíg a doboz (vagy palack) zárva van, a folyadék feletti gáznyomás egyensúlyban van az oldott gázoldattal. Ez természetesen az oldatban lévő CO2 gőznyomása. Amikor a dobozt kinyitjuk, a CO2, amelynek gőznyomása magasabb, mint a normál környezeti nyomás, a légkörbe kerül, és a folyadék elkezd buborékolni, mivel az oldott CO2 elkezd visszaalakulni a gázfázisba. Ha kinyitás előtt felrázzuk a dobozt, a CO2 nyomása a folyadék felett észrevehetően megemelkedik, miért?

Ezekből a megfigyelésekből láthatjuk, hogy a folyadékban oldott gáz mennyisége két dologtól függ. Az első a gáz folyadék feletti parciális nyomása. A második a gáz oldódásának/fejlődésének sebessége.

Csak az első lehetőséggel fogunk foglalkozni, és feltételezzük, hogy elég idő telt el az egyensúly eléréséhez.

Henry törvénye matematikailag kifejezi azt, amit kísérletileg láttunk,

\