Standardállapot

A standardállapot kémiai kifejezés. Azokat a reakciókörülményeket nevezik így, amelyeknél a nyomás 1 bar, azaz 100 000 Pa. Mivel a többi körülmény (például a hőmérséklet) nincs fixálva, nemcsak a 25 °C-ra, hanem bármely más hőmérsékletre is vonatkozhat (feltéve, ha a nyomás 1 bar), ezért a hőmérséklet megadása is szükséges. A kifejezés a fizikai kémiában használatos mint standardentrópia, vagy standardentalpia; ebben az értelmezésben nem feltétlenül gázállapotra.^[1]

A standardállapotú ideális gázok egységnyi anyagmennyisége (1 mól), 25,0 Celsius-fokon (298,15 kelvin), 100 000 Pa légköri nyomáson 0,02479 m³ térfogattal rendelkezik.^[2][3] Ez tehát magában foglalja a moláris térfogat meghatározását is: az ideális gáz moláris térfogata 100 000 Pa nyomáson és 25 °C hőmérsékleten 0,02479 m³/mol. A standardállapoton kívül megkülönböztetnek normálállapotot is.^{[* 1]}

Értelmezése

A standardállapotok részben légnemű anyagok mennyiségének és áramlásának egyértelműsítésére használatosak. Másrészt a kémia, termodinamika és a fizikai kémia területén az állapotjelzők egyértelmű megadásához szükségesek.^[4] Az IUPAC ajánlása elsődlegesen a nyomás értékét rögzíti; a hőmérséklet referenciaértéke lehet akár a 0 K, a fagypont, vagy a szobahőmérséklet. A standardállapotot jelölő szimbólumra vonatkoztatva azt írja (például B anyag moláris normálentrópiája, ${\displaystyle S_{B}^{\ominus }}$):

„Since ${\displaystyle T^{\ominus }}$ would mean a standard temperature in general, the use of ${\displaystyle T^{\ominus }}$ to mean exclusively 298.15 K is strongly discouraged.”

„Minthogy a ${\displaystyle T^{\ominus }}$ csak általánosságban jelenti a normál hőmérsékletet, erősen ellenjavallt, hogy 298,15 K-ként értelmezzék.”

A fentiek vonatkoznak az állapotváltozások, az állapotok, a halmazállapotok, a képződéshő, a kémiai reakciók, kristályosodás, az oldás, és sok más egyéb jelenség jelölésére; a kémiai potenciál, a normálentalpia, a normálentrópia, a Gibbs energia, a fugacitás, az egyensúlyi állandó referenciaértékének megadására. A szabványos nyomás jele (és értéke) ennek értelmében ${\displaystyle p^{\ominus }=100\ 000\ \mathrm {Pa} }$

Példa a kémiai potenciál jelölésére: ${\displaystyle \mu _{B}^{\ominus }(g,T)}$, ahol B bármely anyagot jelölhet, g a légnemű halmazállapot jele (gas), T a referencia hőmérséklet. Ha a definíció eltérő referenciaállapotra vonatkozik, azt jelölni kell, például: ${\displaystyle \mu _{B}^{\ominus }(g,T,p,y)}$, ahol p a nyomás és y a móltört (ha elegyről van szó). A bután gőz parciális moláris térfogata így adható meg 100 Celsius-fokon, 2 bar nyomáson és 0,8 móltörtre: ${\displaystyle V_{C_{4}H_{10}}(g,373,15\ \mathrm {K} ,2\ \mathrm {bar} ,0,8)}$.

Magyar nyelvű szövegben a felsorolás jele és a tizedesvessző összetéveszthető, ezért célszerű a pontosvessző használata, pl.: ${\displaystyle V_{C_{4}H_{10}}(g;373,15\ \mathrm {K} ;2\ \mathrm {bar} ;0,8)}$

Fizikai mennyiség változásának standard értéke

Egy mennyiség megváltozásának jelölése során a nyomás jele elhagyható, amennyiben állandó nyomásra vonatkozik a változás: ${\displaystyle \Delta _{s}^{l}H^{\ominus }=H^{\ominus }(l)-H^{\ominus }(s)}$, ahol l a folyékony halmazállapot (liquid), s a szilárd (solid), ez így együtt tehát nem más, mint a moláris fagyáshő.

Az IUPAC jelölésrendszer a fizikai és kémiai változásokra sorol fel jeleket. Leggyakrabban a moláris entalpiára és a moláris entrópiára ismertetik ezek értékét a nemzetközi források, főként a standard képződési entalpia (képződéshő), a standard reakcióentalpia (reakcióhő), illetve a fázisátalakulások esetére. Megadható lenne, de nem használják például a belső energia, a Gibbs-függvény, a szabadentalpia, az oldáshő, és sok más fizikai–kémiai mennyiségre.

Példaképpen az ammónia párolgáshőjének értéke:

${\displaystyle \Delta _{vap}H_{100000Pa}^{\ominus }=23,34\ {\mbox{kJ/mol}}}$

${\displaystyle \Delta _{vap}H_{101325Pa}^{\ominus }=23,32\ {\mbox{kJ/mol}}}$

Párolgási standard entrópia:

${\displaystyle \Delta _{vap}S_{100000Pa}^{\ominus }=97,4\ {\mbox{J/mol K}}}$

${\displaystyle \Delta _{vap}S_{101325Pa}^{\ominus }=97,2\ {\mbox{J/mol K}}}$

Párolgási belső energia:

${\displaystyle \Delta _{vap}U_{100000Pa}^{\ominus }=21,34\ {\mbox{kJ/mol}}}$

${\displaystyle \Delta _{vap}U_{101325Pa}^{\ominus }=21,33\ {\mbox{kJ/mol}}}$

Klasszikus meghatározása

A normálállapot a következőket jelenti: pontosan 0 °C hőmérséklet (273,15 K), és 1 atmoszféra nyomás (101 325 Pa), 0,02241 m³ térfogat.^{[* 2]} Ezek az értékek megközelítőleg megegyeznek a tengerszinten mért légköri nyomással és a víz fagyáspontjával.

Változatok

Magyarországon két referencia-állapotot értelmeztek. Technikai normálállapotnak^[5] nevezték a technikai nyomás-mértékegységgel értelmezett állapotot:

98 066,5 Pa nyomás és 20 °C hőmérséklet

Fizikai normálállapotnak (megkülönböztetésül):

101 325 Pa nyomás és 0 °C hőmérséklet

Az IUPAC 1982-ig a 101 325 Pa, azaz 1 atm értéket ajánlotta a standard nyomás definíciójaként, elsősorban praktikus okokból; ez a légköri nyomás tengerszinten. Ez az ajánlott érték 1982-től megváltozott 100 000 Pa-ra, azaz 1 bar-ra.^[6] Az Amerikai Egyesült Államok területén ma is 101 325 Pa a szabványos normálállapot (a NIST definícióját követve), szemben az ISO (Nemzetközi Szabványügyi Szervezet) ajánlásával.

Megjegyzések

1. A „standard” szó angol eredetű, és azt jelenti: szabvány. A „normál” szó német közvetítéssel a latinból származik, és a köznapi nyelvhasználatban ugyanazzal a jelentéssel bír. A fizikai-kémiai alapállapotot gyakran nevezik reference state-nek is.
2. Ez az adat csak ideális gázra igaz.

Hivatkozások

1. Kaptay György. Fizikai kémia anyagmérnököknek [archivált változat]. Miskolci Egyetem (2005). Hozzáférés ideje: 2013. július 1. [archiválás ideje: 2014. július 24.]  Normálentrópia, vagy normálentrópia: minden hozzáadott energia a kezdeti, legstabilabb állapotból kiindulva, egészen a szabványos nyomás és hőmérséklet értékéig
2. Donald W. Rogers. Concise Physical Chemistry. John Wiley & Sons, Inc., 4. o. (2011). ISBN 978-0-470-52264-6 
3. Georg Job, Regina Rüffler. Physical Chemistry from a Different Angle - Introducing Chemical Equilibrium, Kinetics and Electrochemistry by Numerous Experiments. Springer International Publishing AG, 275. o. (2016). ISBN 978-3-319-15665-1 
4. Ewing, Lilley, Oloffson, Rätzsch, Somsen: Standard quantities in chemical thermodynamics. iupac.org. (Hozzáférés: 2011. június 21.)
5. Bevezetés a pneumatikába (application/pdf objektum). FESTO, 2010. [2011. június 27-i dátummal az eredetiből archiválva]. (Hozzáférés: 2011. június 8.)
6. Compendium of Chemical Terminology - Gold Book (version 2.3.3), 2014. február 24. [2018. november 5-i dátummal az eredetiből archiválva]. (Hozzáférés: 2018. augusztus 25.)

Források

• International Union of Pure and Applied Chemistry (1982). „Notation for states and processes, significance of the word standard in chemical thermodynamics, and remarks on commonly tabulated forms of thermodynamic functions”. Pure and Applied Chemistry 54 (6), 1239–50. o. DOI:10.1351/pac198254061239.  A standard szó fontossága a termodinamikai táblázatokban és függvényekben

• Kémiaportál • összefoglaló, színes tartalomajánló lap