Veszprémi Tamás, Veszprémi Tamás veszpremi.tamas@vbk.bme.hu

Általános kémia

Negyedik, átdolgozott kiadás

4. kiad.

5.3.2.4. Korlátoltan elegyedő folyadékpárok

Noha említettük, hogy a korlátolt elegyedésnek a „nem elegyedés” elvi határa csupán, de mégis kezdjük ezzel az esettel. Vagyis képzeljünk magunk elé egy edényben pl. vizet és egy másik, vele egyáltalán nem elegyedő folyadékot. (Ezt jól közelíti mondjuk a benzol vagy a toluol.) A két folyadék két jól szétváló fázist ad és így tulajdonképpen mindegy is, hogy összeöntjük a két folyadékot, vagy csak egymás mellé helyezzük őket két külön főzőpohárban. A két folyadék egyen- súlyi gőztenziója is egymástól független, csupán a hőmérséklettől függ. Ha mondjuk a hőmérséklet 47 °C, akkor víz és benzol esetén pv = 10,6 kPa, pb = 32,0 kPa. Ez a gőztenzió teljesen független a komponensek relatív arányától, a „koncentrációtól”, mivel nincs elegyedés. A gőzök viszont elegyednek, hiszen csak egy légnemű fázis van. A teljes gőz- nyomás természetesen a két tenzió összege, 42,6 kPa lesz. Ennélfogva a forráspontot is együttesen érik el, azon a hőmérsékleten, melyen a tenziók összege eléri a külső nyomást. Ez pedig az eddigi eszmefuttatás alapján bármely víz–benzol folyadékarány mellett csak kisebb lehet, mint akár a benzol, akár a víz forráspontja. A víz atmoszféranyomáson vett forráspontja 100 °C, a benzolé 80,1 °C, a kettő bármely arányú keverékéé 69,25 °C! Mindez az 5.86. ábrán látható. A forráspont tehát független az összetételtől, ezért a fázisdiagramon a teljes tartományban a likvidusz „görbe” egy vízszintes egyenes. Illetve – minthogy a két tiszta folyadék is a diagram része – a tiszta folyadékok forráspontjához a likviduszgörbe a tengelyen függőlegesen felfut. Ugyanakkor a kétfázisú, forrásban lévő folyadékhoz csupán egy adott koncentrációjú egyensúlyi gőzelegy tartozik x = 0,29 értékkel, teljesen függetlenül a komponensek arányától. Az egész úgy néz ki, mint egy azeotrópos elegy csúnyán eltorzult fázisdiagramja.

5.86. ábra. Egymással nem elegyedõ folyadékok (benzol és víz) T–x fázisegyensúlyi diagramja

Vizsgáljuk meg a diagram egyes tartományait kicsit részletesebben! Az 1-es pont egy 60 °C-os, x = 0,65 móltörtű folyadékelegyet jelképez. Minthogy a folyadékok nem elegyednek, a kék likviduszgörbe alatt teljes egészében kétfázisú tartomány van, vagyis az 1. pont csak egy átlagot jelképez, a valódi fázisok a ponton áthaladó vízszintes egyenes végpontjain a tiszta benzol és az ugyancsak tiszta víz. Az egyenes szakaszok arányára megint csak érvényes a mérlegszabály, mely a benzol–víz arányt megadja. Ha most ezt a folyadékot felmelegítjük, akkor 69,25 °C-on megjelenik az első gőzbuborék és az elegy forrni kezd (F pont). Forrás közben a folyadékkal mindig azeotrop (A) összetételű gőzök vannak egyensúlyban. Minthogy azonban a gőz benzolban dúsabb, mint vízben, ebből következően a maradék folyadék benzolban egyre szegényedik, vagyis a benzol fázis fogy. Ez azt jelenti, hogy a folyadékfázis átlagos koncentrációja a nyíl irányába tolódik el. Eközben a hőmérséklet jottányit sem változik. Mindez egészen addig tart, míg a benzol fázis teljes egészében el nem párolog. E pillanatban a rendszerben az A gőzfázis és már csak egy folyadékfázis, a tiszta víz van jelen. Ezután már a hőmérséklet is emelkedhet és a gőzfázis összetétele is változhat. Elérve a 2. pontot, itt is két fázis tart egyensúlyt, egy 2’ koncentrációjú gőz és egy 2” koncentrációjú (vagyis tiszta) víz. (A kettő arányát megint csak a mérlegszabály bla-bla-bla.) Tovább melegítve az elegyet, a gőzfázis mennyisége egyre nő, a folyadéké egyre csökken. 3-ban az utolsó folyadékcsepp is elpárolog, ettől kezdve a rendszer már csak egy fázist tartalmaz.

5.17. feladat

Alkalmazzuk a Gibbs-fázisszabályt az 5.89. ábra F pontjára!

5.18. feladat

Mit tapasztalunk, ha az 5.87. ábrán az F ponthoz tartozó vizes butanololdatot desztilláljuk?

5.87. ábra. Korlátoltan elegyedő folyadékok (butanol–víz) T–x fázisegyensúlyi diagramja

Az 5.87. ábra egy korlátoltan elegyedő folyadékpár fázisegyensúlyi diagramját mutatja. A legfontosabb különbség az előző esethez képest, hogy most már mindkét folyadékfázis jól láthatóan oldani képes bizonyos mennyiségű másik folyadékot. Jó példa erre a butanol–víz rendszer.

Az ábrán az A pont és vele együtt a teljes 1. tartomány a két folyadékfázis egyensúlyát mutatja. Csakhogy most nem a tiszta komponensek tartanak egyensúlyt egymással, hanem egy butanolra telített vizes fázis (B pont) és egy vízre telített butanolos fázis (C pont). Ezeknek a telített oldatoknak a koncentrációja (és aránya) is leolvasható a diagramról. Ha pl. tiszta vízből indulunk ki (D pont), és fokozatosan csepegtetünk hozzá butanolt, akkor a vízszintes vonal mentén haladunk jobbra. Először még oldódik a butanol, de előbb-utóbb az oldat telítetté válik (B pont) és ekkor megjelenik a butanolos fázis első cseppje. Ha újabb butanolmennyiséget adagolunk a rendszerhez, az már a butanolos fázis mennyiségét növeli, hiszen a vizes fázis telített. Továbbhaladva egyre több a butanolos fázis, mely a vizet oldja, és minthogy a szükséges vizet máshonnan nem tudja megszerezni, csak a vizes fázisból, ezért a vizes fázis mennyisége egyre csökken. Elérve a C pontot, elfogy a vizes fázis és már csak egy, vízre telített butanolos fázisunk marad. A 2-es és 3-as tartományok egy-egy fázist, vizes butanolt, ill. butanolos vizet tartalmaznak, a 4-es és 5-ös tartományok ismét kétfázisúak (folyadék–gőz), míg a 6-os a tiszta gőzfázist jelenti.

5.17. megoldás

Az F pontban 3 fázis van egyensúlyban, a két tiszta folyadék és egy gázfázis, vagyis ez egy tipikus hármaspont.

Sz = K – F + 2 = 1.

Minthogy két komponensünk van, a hármaspont már nem anyagi állandó, hanem befolyásolni lehet valamilyen állapotjelzővel, pl. a nyomással. Ebből következik, hogy változtatva a nyomást, változik az A pont, vagyis a gőzök koncentrációja is. A hármaspont helyzete befolyásolható a koncentrációval is, vagyis a benzol és a víz arányával. Ebből az következik, hogy a vízszintes kék vonal minden pontja hármaspont.

5.18. megoldás

A desztilláció útvonalát a mellékelt fázisdiagramon láthatjuk. Az elegyet felmelegítve az 1-es pontban érjük el a forráspontot. Eközben végig a folyadék egyfázisú, vizet tartalmazó butanol. Az ehhez tartozó egyensúlyi gőzösszetételt a 2. pont mutatja. Ezt lehűtve a 3. pontban kondenzál minden gőz, miközben két egyensúlyi folyadékfázist nyerünk. A folyadékot továbbhűtve jutunk el a 4. pontig. Milyen érdekes! Egy fázisból indultunk ki és lám a desztilláció végén két fázishoz jutottunk.

Vízgőzdesztilláció

Számos olyan szerves anyag létezik, mely olyannyira érzékeny, hogy már az atmoszféranyomáshoz tartozó forráspontja előtt elbomlik. Ha egy ilyen anyag vízzel nem elegyedik, de elviseli a vizes közeget, tisztításának egyik legkényelmesebb módja a vízgőzdesztillálás, melynek során azt használjuk ki, hogy két, egymással nem elegyedő folyadék együttes forráspontja kisebb, mint bármelyik komponensé.

5.88. ábra. Laboratóriumi készülék vízgőzdesztillációhoz

A vízgőzdesztilláció laboratóriumi kivitelezését az 5.88. ábrán mutatjuk be. A bal oldali edény egy gőzkazán, melyben vízet forralunk, és melyből egy csövön keresztül vezetjük a vízgőzt a középső desztilláló lombikba. A cső a desztillálólombik aljáig nyúlik le, ezáltal a desztillálandó anyagon a vízgőz keresztülbuborékol és lekondenzál. A kondenzáció hőleadással jár, ez a hő a közös forráshőmérsékletre melegíti fel az elegyet. A távozó gőzök egy hűtőn keresztül jutnak a szedőbe, melyben a szerves és a vizes fázis szétválik és könnyen elkülöníthető. A komponensek a gőznyomásuk arányában desztillálnak, vagyis minél nagyobb a desztillálandó anyag forráspontja, annál kisebb az aránya a desztillátumban. A desztillációt mindaddig folytatjuk, amíg a szerves fázis el nem fogy.

Érdekes szabályozó szerepe van a gőzkazánba benyúló hosszú, függőleges csőnek. A desztilláló lombikban a nyomást a beáramló gőzök nyomása határozza meg. A kazán nyomását viszont éppen ezzel a csővel szabályozzuk. Forralás közben a csőben a víz szintje állandó. Ha viszont a rendszerben valahol dugulás lépne fel, a kazán nem robbanhat fel, mivel a csövön keresztül a felesleg kifúj.

Tartalomjegyzék

Kiadó: Akadémiai Kiadó

Online megjelenés éve: 2026

Nyomtatott megjelenés éve: 2026

ISBN: 978 963 664 114 6

Kémia

A kémiának számos ága létezik (szerves, szervetlen, fizikai, analitikai, bio- és polimer-kémia stb.), de általános kémia nevű diszciplínát nem ismerünk. Mégis: a General Chemistry, Allgemeine Chemie, Общая химия kifejezések jól ismertek az egész világon. A világ minden részén százszámra találhatók ilyen címmel könyvek, és aligha van olyan egyetemi kémia fakultás, ahol ez a tantárgy ismeretlen. Az általános kémia kurzusok és könyvünk célja az, hogy az olvasó középiskolából hozott kémiai ismereteit olyan szintre segítse, amelyre a fenti szaktárgyak alapozhatnak. Feladata az alapfogalmak definiálása, mintegy a kémiai nyelv alapszókincsének megismertetése, a fontosabb fizikai és kémiai jelenségek és összefüggések megvilágítása.

A könyv több – tipográfiailag is elkülönített – szinten használható. Anyaga a középiskolai kémiától elvezet az egyetemek másod- és harmadéves fizikai kémia tárgyáig. A fontos jelenségek mellé a haladók számára mélyebb magyarázatokat mellékel, melyeket a kezdők nyugodtan átugorhatnak anélkül, hogy ez gátolná a fő gondolat-menet megértését. Az olvasót számos érdekesség, tudománytörténeti kitekintés, rengeteg színes ábra, fénykép és több száz kidolgozott példa is segíti.

Könyvünk elsőrendű célja tehát adott: bevezetés vagy inkább átvezetés a felsőfokú kémiába. A megcélzott olvasókör is adott: érdeklődő középiskolásoknak éppúgy szól, mint első- és másodéves, kémiát tanuló egyetemi hallgatóknak. Emellett ajánlható a középiskolák kémiatanárainak is: számos, a középiskolákban is könnyen használható anyagot tartalmaz – másként, mint ahogyan a középiskolákban általában tanítani szokás. Végül, de nem utolsósorban ajánljuk a könyvet mindazoknak, akik bármikor, bármilyen szinten belekóstoltak vagy belemerültek a kémia izgalmas világába.

Hivatkozás: https://mersz.hu/altalanos-kemia-uj//

BibTeX EndNote Mendeley Zotero