SZILÁRD FOLYADÉK
4.3.3. A folyadék halmazállapot
A folyadék halmazállapotú anyagok részecskéi viszonylag könnyen el tudnak mozdulni egymás mellett, ezért felveszik a tárolóedény alakját (különbség a szilárd anyagoktól). Azonban a folyadékok térfogata külső nyomás hatására csak kismértékben változik (különbség a légnemű anyagoktól). Ennek oka, hogy nemcsak vonzó-, hanem taszítóerő is fellép a folyadékokban. Ez a – kis távolságoknál fellépő – taszítóerő akadályozza meg, hogy a folyadékokat nagymértékben összenyomjuk.
Tehát a folyadékokra jellemező, hogy nincs önálló alakjuk, de van önálló térfogatuk.
Felületi feszültség
Amennyiben a folyadék határfelülete fölött egy másik fázis (például gáz) található, a folyadék felszínén található részecskékre a folyadék belseje felől sokkal erősebbek a kölcsönhatások, mint a
gázfázis felől, a folyadék belseje befelé „húzza” a felszínen lévő részecskéket. A felületi feszültségnek nevezzük a folyadék felületét csökkentő erőhatást. (A felületi feszültséget megadja, hogy mekkora munkával tudjuk a folyadék felületét egységnyivel megnövelni.) A felületi feszültség következménye, hogy a folyadékok a lehető legkisebb felületűre húzódnak össze. Például a szappanbuborék gömb alakú, a nyugvó folyadékok felszíne sík.
Oldódás és elegyedés
A folyadékokra jellemző a diffúzió, melynek nagy szerepe van a különféle anyagok oldódásában.
Oldódás során az oldószer-molekulák körülveszik az oldott anyag részecskéit, ezt a folyamatot szolvatációnak nevezzük. Az egyik legfontosabb oldószer, a víz esetén hidratációról szoktunk beszélni.
A folyadékokat gyakran oldószerként alkalmazzuk, ismerünk poláris és apoláris oldószereket. Az oldódással vagy elegyedéssel kapcsolatban alapvető fontosságú a „hasonló hasonlót old”-elv, mely alapján a dipólusmolekulákból felépülő oldószer elsősorban ionokból álló sókat és dipólusmolekulákat oldanak, míg az apoláris oldószerek apoláris anyagokat oldanak jól.
Néhány példa: a poláris molekulákból álló szőlőcukor (C6H12O6) vagy az ionrácsos nátrium-hidroxidot (NaOH) a víz – mint poláris oldószer – igen jól oldja, ám az apoláris molekulákból álló szénhidrogénekkel gyakorlatilag nem elegyedik. Az apoláris szén-tetrakloridban (CCl4) viszont nem oldódnak a sószerű és dipólusmolekulákból álló anyagok, ellenben az apoláris jódot (I2), brómot (Br2) és szénhidrogéneket jól oldja.
A folyadékok nemcsak szilárd anyagokat, hanem gázokat is oldhatnak. Például a poláris molekulájú hidrogén-klorid- (HCl), kén-dioxid- (SO2) vagy az ammóniagáz (NH3) kiválóan oldódik a dipólusmolekulákból álló vízben. Ezt a következő, úgynevezett szökőkútkísérlettel is szemléltethetjük:
4.3.3.1. videó: A szökőkútkísérlet
Ezzel ellentétben a víz rosszul oldja az apoláris molekulájú anyagokat, így például az elemi oxigént (O2), nitrogént (N2), a metánt (CH4) vagy a nemesgázokat. Az apoláris oldószerek pedig jól oldják az apoláris molekulákból álló gázokat, például a metánt.
Beszélhetünk fizikai és kémiai oldódásról: a fizikai oldódás során az oldószer-molekulák úgy veszik körül az oldott anyagot, hogy annak összetétele nem változik meg, tehát az oldószer és az oldott anyag molekulái között másodrendű kötőerők lépnek fel.
Kémiai oldódás során viszont az oldott anyag reagál az oldószerrel, így új anyag keletkezik.
Például, ha hidrogén-kloridot oldunk vízben, a beoldódott molekulák ionosan disszociálnak
Megjegyzés: a szén-dioxid apoláris molekulájú, ám viszonylag jól oldódik vízben. Ennek oka, hogy az oldódás során kémiai változás történik, a szén-dioxid részlegesen szénsavvá alakul, mely ezután – szintén részlegesen – ionosan disszociál az oldatban.
Az alábbi videón két egymással nem elegyedő folyadékkal mutatunk be egy érdekes kísérletet:
4.3.3.2. videó: Az „ugráló” nátrium Gőztenzió
A folyadékok párolognak, mely során a felszíni részecskék elszakadnak a folyadékfázistól.
(Megjegyzés: elvileg a szilárd anyagok is párolognak, viszont ennek mértéke általában olyan csekély, hogy gyakorlatilag nem is tapasztalható. Viszont bizonyos illékony szilárd anyagok jelentős mértékben szublimálhatnak/párologhatnak akár szobahőmérsékleten is. Gondoljuk az „elillan, mint a kámfor”
mondásra.)
Vizsgáljuk meg a következő gondolatkísérletet!
Egy lezárt, levákuumozott edénybe viszonylag nagy mennyiségű folyékony vizet spriccelünk, majd a hőmérsékletet állandó T1 értéken tartva mérjük az edényben a nyomást (a gőztér nyomását mérjük). Azt tapasztaljuk, hogy a víz párolog, és a nyomás folyamatosan növekszik. Viszont egy idő után lelassul a nyomás növekedésének sebessége, végül beáll egy telítési értékre. Ekkor a folyadék térfogata sem változik már tovább. A nyomást az időben ábrázolva a következő grafikont kapjuk:
4.3.3.1. ábra: A gőztenzió kialakulása
Az egyensúly beálltakor mérhető p° nyomást a folyadék telített gőznyomásának vagy gőztenziójának nevezzük.
Gőztenzió: folyadékkal vagy szilárd anyaggal egyensúlyban lévő telített gőz nyomása adott hőmérsékleten.
Mi történik, ha a fenti kísérletet sokkal kisebb mennyiségű vízzel ismételjük meg, azaz csak pár cseppnyi vizet spriccelünk az edénybe?
p
idő p°
Ekkor a víz teljes mennyisége elpárolog, és a mérhető parciális nyomás az előző kísérletben tapasztaltnál sokkal kisebb. A jelenség magyarázata a következő: a víz mennyisége kevés volt ahhoz, hogy a telített gőznyomást biztosítsa, tehát a gőztér telítetlen maradt.
Relatív páratartalom: a folyadékból keletkezett gőz nyomásának és az adott anyag azonos hőmérsékletén vett gőztenziójának a hányadosa. Általában százalékban fejezzük ki az értékét.
) T ( p
) T ( p
Például ha a nyomás p° / 2, akkor a relatív páratartalom értéke 50%, ha a nyomás p° / 4, akkor a relatív páratartalom 25%-os.
A gőztenzióval kapcsolatban nagyon fontos megjegyezni, hogy csak akkor alakul ki a telített gőznyomás, ha a gőz és folyadék között egyensúly jön létre, azaz folyadék is és gőz is van a rendszerben. (Az egyensúly itt azt jelenti, hogy a párolgás sebessége megegyezik a kondenzáció sebességével, a nyomás beáll egy állandó értékre.) Tehát a telített gőznyomás csak úgy jöhet létre, ha megfelelő mennyiségű folyadék áll rendelkezésre!
Most ismételjük meg a kísérletet magasabb állandó hőmérsékleten!
Nagyobb T2 hőmérsékleten a folyadékok illékonyabbak, ezért a görbe nagyobb nyomásértéknél telítődik. Ez azt jelenti, hogy a folyadék feletti gőztenzió függ a hőmérséklettől, méghozzá magasabb hőmérsékleten nagyobb a gőznyomás értéke [ha T2 > T1, akkor p°(T2) > p°(T1)].
4.3.3.2. ábra: A gőztenzió különböző hőmérsékleteken
Most vizsgáljuk meg, mi történik, ha nagy mennyiségű vizet nem levákumozott, hanem levegővel töltött tartályba spriccelünk állandó T1 hőmérsékleten!
A nyomás már a t = 0 időpontban sem nulla, mivel a levegőnek eleve van egy bizonyos nyomása.
Ám a nyomás ebben az esetben is növekszik. Egy arra alkalmas berendezéssel mérjük a levegő és a vízgőz nyomását, és azt tapasztaljuk, hogy a vízgőz telítődési nyomására éppen az előző gőztenzióértéket kapjuk! Ebből arra következtethetünk, hogy a gőztenzió nem függ a gőz melletti egyéb komponensektől.
(Megjegyzés: amikor a folyadékot bejuttatjuk a levegővel telt edénybe, a levegő összenyomódik.
A víz párolgása során a folyadék mennyisége folyamatosan csökken, így a levegő nyomása is változik valamelyest. Tehát az össznyomás értéke nem pontosan egyezik meg a kiindulási nyomásnak a gőztenzióval megnövelt értékével. Azonban ha a folyadék mennyisége nagy, és a hőmérséklet nem túl magas, akkor ez a térfogatváltozás, és a belőle származó levegő nyomásváltozása gyakorlatilag elhanyagolható.)
A fenti kísérleteket megismételhetjük különféle folyadékokkal is, ekkor azt tapasztalnánk, hogy a folyadék gőztenziója függ a folyadék anyagi minőségétől.
Összefoglalva a fenti kísérletek eredményeit:
Tiszta anyagok gőztenziója:
– függ a hőmérséklettől: magasabb hőmérsékleten nagyobb a gőztenzió, mint alacsonyabb hőmérsékleten,
– függ az anyagi minőségtől: az illékonyabb anyagok gőztenziója egy adott hőmérsékleten nagyobb, mint a kevésbé illékonyaké,
– független a folyadék feletti egyéb anyagok (például levegő) nyomásától és annak összetételétől, értéke a külső nyomással nem befolyásolható.
Megjegyzés: a legutolsó jellemző szigorúan nem igaz, extrém nagy külső nyomás esetén a tiszta anyag gőztenziója csekély mértékben függ a külső nyomástól.
Ahogy növeljük a hőmérsékletet, a gőztenzió növekszik. Azon a hőmérsékleten, melyen a gőztenzió értéke megegyezik a légköri nyomás (külső nyomás) értékével, a folyadék belsejében is megindul a párolgás, a buborékok képződése, és az anyag elkezd forrni. Tehát a forráshőmérséklet az a hőmérséklet, melyen a folyadék gőztenziója éppen megegyezik a külső nyomással.
4.3.3.3. ábra: A forráspont
A fenti ábrán kék görbével a víz gőztenzióját ábrázoltuk a hőmérséklet függvényében, a piros vízszintes vonal pedig a normál légköri nyomást jelenti (p0 = 101,325 kPa). Az ábrát megvizsgálva kiderül, hogy a gőztenziógörbe 100 °C hőmérsékleten metszi a vízszintes vonalat, tehát a víz forráspontja a jól ismert 100 °C.
Megjegyzés: Mi történik, ha a Himalája tetején melegítünk folyékony vizet? A Himalája tetején a nyomás sokkal kisebb, mint a tengerszinten, mintegy 40 kPa. Ha behúzunk egy vízszintes vonalat ehhez az értékhez, az 77 °C-nál metszi a gőztenzió görbéjét, azaz a Himalája tetején már 77 °C-on forr a tiszta víz!
Fontos megjegyezni a következőket: a tiszta folyadék gőztenziója független a külső nyomástól, viszont a folyadék forráspontja a külső nyomás függvénye!
Természetesen nemcsak folyadékoknak, hanem szilárd anyagoknak is van gőztenziója, mivel a szilárd anyagok felszínéről is elszakadhatnak részecskék, melyek így a gőz fázisba kerülnek. A szilárd anyagok feletti, a szilárd anyaggal egyensúlyban lévő telített gőznyomást is gőztenziónak nevezzük. A szilárd anyag feletti gőztenzió is függ a hőmérséklettől és az anyagi minőségtől.
A Clausius–Clapeyron-egyenlet
A fent bemutatott ábra alapján sejthető, hogy a gőztenzió és a hőmérséklet között exponenciális összefüggés áll fenn. A tiszta anyag feletti gőztenzió és az abszolút hőmérséklet közötti kapcsolatot a Clausius–Clapeyron-egyenlet jelenti, mely a következő formában írható fel:
T R
L
e C ) T (
p .
A képletben L egy moláris látens hőt jelent, mely szilárd anyag szublimációja esetén a szublimációs hő, míg egy folyadék párolgása esetén a moláris párolgáshő, C az adott anyagra jellemző konstans, R az egyetemes gázállandó (R = 8,314 J/(mol∙K)), T pedig az abszolút hőmérséklet.
Az egyenletet szokás az alábbi logaritmusos formában is felírni:
T R C L ln ) T ( p
ln .
Fontos megjegyezni, hogy a Clausius–Clapeyron-egyenlet közelítőleg érvényes csak, ám ennek ellenére rendszerint igen jól alkalmazható. A közelítő jelleg abból adódik, hogy az egyenletben szereplő látens hő hőmérsékletfüggését általában elhanyagoljuk, illetve a termodinamikai összefüggésekből történő levezetések során más elhanyagolásokat is teszünk. A Clausius–Clapeyron-egyenlet segítségével egy adott hőmérsékleten megmért gőznyomás és a látens hő ismeretében egy közeli hőmérsékletre át tudjuk számítani a gőznyomást.
A gőztenzióval kapcsolatos számítási feladatokkal a fejezet végén ismerkedünk meg.