Általános kémia 2e. + 1gy.
Elıadó :
dr. Bánhidi Olivér egyetemi docens
Gyakorlatvezetık:
Hutkainé Göndör Zsuzsa mérnöktanár dr. Mogyoródy Ferenc adjunktus dr. Muránszky Gábor adjunktus Vanyorek László tanársegéd Zákányiné dr. Mészáros Renáta adjunktus
9/9/2012
1
Tantárgyleírás és követelményrendszer A tantárgy kódja: MAKKKEM219B
TANTÁRGYLEÍRÁS A tantárgy címe:
Félév: 1
Általános kémia A tantárgy elıadója és jegyzıje: Heti óraszám: Dr. Bánhidi Olivér egyetemi docens 2e.+1gy A tantárgy típusa: BSc szak természettudományos tárgy A tantárgy felvételének elıfeltétele: ---
Kreditek száma: 3
Tantárgy gondozó intézmény: MISKOLCI EGYETEM Mőszaki Anyagtudományi Kar Kémiai Tanszék A tárgy státusza a tanulmányi programon belül: A BSc gépészmérnök szak számára kötelezı tárgy A tantárgy célja: A szakmai tárgyakhoz és az általános mérnöki gyakorlathoz szükséges kémiai ismeretek biztosítása
9/9/2012
2
• A tantárgy leírása: Az anyagi rendszerek leírásának módszerei a kémiában. Az anyagi halmazok megjelenése, halmazállapotok és tulajdonságaik. A kémiai kötés kialakulása és fajtái. A kémiai reakciók fontosabb típusai. Termokémiai alapfogalmak. Elektrokémiai alapfogalmak. Elektrokémiai folyamatok ipari alkalmazása, a korrózió és a korrózió elleni védelem alapjai. Fémes és nemfémes anyagok. A szerves kémia és a mőanyagok kémiájának alapjai. Kenıanyagok.
• A kreditpontok megszerzésének követelményei: – Az elıadások min. 60 %-án kötelezı a megjelenés. A gyakorlatokat illetıen max. 2 igazolt hiányzás lehetséges (pótlási kötelezettség mellett)! – Az elıadások anyagából a félév vége felé megírandó zárthelyi dolgozat megírása „megfelelt” minıségőre! – A gyakorlatokon megírandó 2 db. zárthelyi dolgozat megírása minimum elégséges minıségőre! • A tárgy értékelése: gyakorlati jegy (1 – 5). 9/9/2012
3
Ajánlott szakirodalom: • • • • • • • • •
Dr. Berecz Endre szerkesztésében: Kémia mőszakiaknak Tankönyvkiadó, Budapest, 1991. Náray-Szabó Gábor (fıszerkesztı): Kémia, Akadémiai Kiadó, 2006. Lengyel B., Proszt J., Szarvas P.: Általános és szervetlen kémia Tankönyvkiadó, Bp. 1967. Veszprémi Tamás: Általános kémia, Akadémiai Kiadó, 2008 C. R. Dillard, D.E. Goldberg, Kémia, reakciók, szerkezetek, tulajdonságok, Gondolat, Bp.,1982. Lengyel B., Proszt J., Szarvas P.: Általános és szervetlen kémia, Tankönyvkiadó, Bp., 1967 Villányi Attila, Ötösöm lesz kémiából, Példatár /bármelyik kiadás/ Báder I., Raisz I., Szakszon M. Török T., Általános Kémiai feladatok, Miskolc. Egy. Kiad.,1993. Sipos l., Szabó Áné, Útmutató az Általános kémia II. címő tankönyvhöz, Tankönyvkiadó, 1981
9/9/2012
4
Mivel foglalkozik a kémia? • •
• •
A kémia vizsgálatának tárgya az anyag. Az anyagot azonban nem csak a kémia, hanem több más tudomány(ág) is tanulmányozza, pl. fizika, geológia, biológia, mőszaki tudományok. Miben különbözik ezektıl a kémia? A kémia az anyag, illetve tulajdonságainak változását vizsgálja az ún. kémiai változások során. Most már csak azt kell tisztázni, mi a kémiai változás?
9/9/2012
5
Mi a kémiai változás? • Kémiai változás – fizikai változás (a régi „klasszikus” •
•
definíció szerint) az utóbbi esetben nem keletkezik új anyag, a kémiai változásnál azonban igen! Ez azonban így nem igaz, mert pl. rádioaktív sugárzás, vagy akár kozmikus sugárzás, neutron sugárzás hatására gyakran keletkezik „új” anyag, ezek a kölcsönhatások azonban semmiképp sem tekinthetık kémiai változásnak! A kémiai vizsgálatok során a molekulát tekinthetjük annak a legkisebb egységnek, amely a még rendelkezik a tanulmányozott anyag minden eredeti tulajdonságával!
9/9/2012
6
• A molekulák azonban kémiai módszerekkel tovább
•
bonthatók atomokra. Az atomok többnyire már csak kivételes esetekben (pl. nemesgázok) rendelkeznek a vizsgált anyag(halmaz) minden eredeti tulajdonságaival, viszont még „önálló” objektumként képesek részt venni kémiai reakciókban, változásokban, azaz kémiai szempontból még külön („kémiai”) entitásnak tekintendık! Például az atomos állapotú hidrogén, oxigén, nitrogén már nem minden tulajdonsága (reakcióképesség) egyezik meg a molekuláris hidrogén, oxigén, nitrogén tulajdonságaival!
9/9/2012
7
• A kémiai változások során tehát a részt vevı anyagok
•
•
•
molekulái többnyire felbomlanak, átalakulnak, új molekulák keletkez(het)nek, de az alap „entitás”-nak tekintett atomok nem alakulnak át más atomokká! A késıbbiekben majd az anyag szerkezetével kapcsolatos ismeretek birtokában meg fogjuk mutatni, hogy a kémiai változások az atomokban csak az elektronburkot érintik, az atom-mag változatlan marad! A kémiai változásnak tehát azok a folyamatok, amelyek során a molekulák felbomlanak/felbomolhatnak, átalakulhatnak, de az azokat alkotó atomok nem alakulnak át más atomokká. A kémia az anyag viselkedését tanulmányozza ilyen típusú változások végbemenetel, lezajlása során. 9/9/2012
8
A kémia szakterületei • Elméleti kémia – – –
Kvantumkémia Sztereokémia Kémiai számítástechnika
• Fizikai kémia – – – –
Termokémia Reakciókinetika Elektrokémia Kolloidika
• Magkémia 9/9/2012
9
• Szervetlen kémia – – – –
Ásványtan Komplexkémia Fémorganikus kémia Bioszervetlen kémia
• Szerves kémia – – –
Biokémia Gyógyszerkémia Polimerkémia • Dendrimerek
• Analitikai kémia – Klasszikus analitika • Kvalitativ analízis • Gravimetria • Titrimetria 9/9/2012
10
– Mőszeres analitika • Spektroszkópia • Polarimetria • Refraktometria • Elektroanalitika • Kromatográfia • Termoanalízis
• • •
Radiokémia Fotokémia Szerkezeti kémia
9/9/2012
11
• A kémia részben alaptudománynak tekinthetı, hiszen •
•
az anyag/anyagi rendszerek alapvetı törvényszerőségeit tanulmányozza. Másrészt a kémia alkalmazott tudomány is, hiszen több olyan területe is van amely szőkebb, a gyakorlathoz szorosabban kapcsolódó jelenségeket tanulmányoz, illetve az ipari (pl. vegyipar, gyógyszeripar, felületkezelı ipar, stb.) tevékenység során tapasztalt problémákra keres/fejleszt ki megoldást. A kémiában az ismeretek túlnyomó részét a kísérletek eredményeinek megfigyelésével szerezzük, azaz a kémia egy kísérleti tudomány.
9/9/2012
12
Az alapvetı mértékegységek • A kémia, - amint az már elhangzott kísérleti
• •
tudomány, ahol a megfigyelésnek kiemelt szerepe van. A megfigyelésen ma már nem csak vizuális megfigyelést értünk, hanem mérések elvégzését! A mérés a mérendı mennyiség etalonjával történı összehasonlítás! A sok mérendı mennyiség mérésére szolgáló mértékegységeket mértékegységrendszerbe foglaljuk. Ma alapvetıen az „SI” mértékegység rendszert használjuk!
9/9/2012
13
Az SI mértékegységrendszer alapjai
9/9/2012
14
9/9/2012
15
Az SI rendszer jövıje • XXIV. Általános Súly-, és Mértékügyi Konferencia, 2011 október 16 – 22: – – – – – – –
a 133Cs által kibocsátott fény frekvenciája: 9 192 631 770 Hz a fény sebessége: 299 792 458 m/s a Planck állandó: 6,62606 * 10-34 J s az elemi töltés nagysága: 1,60217 * 10-19 C a Boltzman állandó: 1,3806 * 10-23 J/K az Avogadro állandó: 6,02214 * 1023 mol-1 a fényhasznosítás értéke: 683 lm/W
9/9/2012
16
Az anyagi rendszerek (halmazok) csoportosítása • Tiszta anyagok • • •
összetételük állandó fizikai módszerekkel nem választhatók szét a halmazon belül tulajdonságaik nem változnak
– elemek – vegyületek
• Keverékek • összetételük nem állandó • fizikai módszerekkel összetevıikre bonthatók • tulajdonságaik változhatnak a halmazon belül – homogén halmazok – heterogén halmazok 9/9/2012
17
• Homogén keverékek - az alkotórészek nem különböztethetık meg; – – –
gázelegyek folyadékelegyek oldatok
• Heterogén keverékek – az összetevık (legtöbbször) szabad szemmel is láthatóak, külön fázist/fázisokat alkotnak – egymással nem elegyedı folyadékok – folyadék – gáz rendszerek – folyadék – szilárd rendszerek 9/9/2012
18
Többkomponenső rendszerek mennyiségi jellemzése (összetétel) • A tiszta anyagok között is lehetnek többkomponenső halmazok • • • •
(pl. fémötvözetek és a vegyületek). Jellemzésük egyik fı paramétere az összetétel. Az összetétel megadása az egyes komponensek koncentrációinak megadását jelenti. A koncentráció származtatott mennyiség, azt fejezi ki, hogy a vizsgált komponens mennyisége a teljes rendszer mennyiségének hányad részét teszi ki. Attól függıen, hogy a kérdéses komponens, illetve a rendszer mennyiségét milyen paraméterrel reprezentáljuk (tömeg, térfogat, mol), a koncentrációt számos mértékegységgel adhatjuk meg. 9/9/2012
19
A legalapvetıbb koncentráció-egységek • • • • • • • • • •
tömeg % : cWI = 100* Wi /Σ Wi (m/m %) térfogat % : cVI = 100 * Vi /Σ Vi (V/V %) tömegkoncentráció : cφi = Wi /Voldat (pl. g/dm3) vegyes % : 100 cm3 oldatban lévı Wi g-ban megadva (m/V %) anyagmennyiség-koncentráció (molaritás): cn,i = ni / Voldat (pl. mol/dm3 ) molalitás: cm,i = ni/Woldószer (pl. mol/1 kg o.sz.) mol-tört: x i = n i /Σ n i mol %: c(n/n)i = 100 * xi 9/9/2012
20
Az anyagi rendszerek megjelenése (halmazállapotok)
• Gáz – Nem alak-, és nem térfogattartó.
• Folyadék – Nem alaktartó, - de térfogatát megtartja.
• Szilárd – Alaktartó és térfogat-tartó.
• Plazma – Gáz-szerő, de fontos különbség, hogy elektromos töltéssel rendelkezı részecskék (elektronok és pozitív töltéső ionok) találhatók benne, ezért elektromos vezetıképességgel rendelkezik. 9/9/2012
21
A gázok további jellemzıi • Az anyagi halmazok közül a gázok tekinthetık a • • •
legegyszerőbb eszközökkel tanulmányozható, és a legkönnyebben tárgyalható rendszereknek. Állapotuk egyértelmő jellemzésére (leírására) elegendı 3 paraméter (állapotjelzı, állapothatározó), - a nyomás, hımérséklet és a térfogat. Ezen 3 paraméter segítségével a gázok állapota leírható, a közöttük lévı kapcsolat matematikai reprezentációja az „állapotegyenlet”. A gázokat általában molekulák, - a nemesgázok esetében atomok, - alkotják. Az elemi gázok (pl. oxigén, nitrogén, hidrogén, klór, stb.) kétatomos molekulákat alkotnak.
9/9/2012
22
• A gázokat alkotó részecskék (molekulák, ill. atomok)
•
•
rendszertelen mozgást végeznek, ennek során gyakran ütköznek egymással és az edény falával is. A közötti kölcsönhatás sok esetben elhanyagolhatóan kicsi, és a részecskék által elfoglalt térfogat általában szintén elhanyagolható a rendelkezésre álló térfogathoz képest. Azokat a gázokat amelyek eleget tesznek a fenti 2 feltételnek tökéletes gázoknak nevezzük, szemben az ún. reális gázokkal, amelyek nem elégítik ki teljesen ezeket a feltételeket. Elıször célszerően az egyszerőbb esetnek tekinthetı tökéletes gázokat tanulmányozzuk!
9/9/2012
23
Gáztörvények • A 3 állapothatározó kapcsolatának tanulmányozásához célszerő elıször olyan esetet választani, amikor az egyik közülük állandó, és csak a másik 2 paraméter változik.
• Ilyenformán vizsgálhatjuk a gázokat állandó hımérsékleten (izoterm állapotváltozás), állandó nyomáson (izobár állapotváltozás) és állandó térfogaton (izochor állapotváltozás).
9/9/2012
24
Izoterm állapotváltozás – Boyle-Mariotte törvény • (p*V)T = konstans, • (p1*V1)T = (p2*V2)T
9/9/2012
25
Izobár állapotváltozás – Gay-Lussac I. törvénye
• Vt = V0 * (1 + t/273,15) • A gáz térfogata állandó nyomáson 1 oC hımérséklet• • •
változás hatására 1/273,15-ével változik meg. Az egyenletbıl elvi következménye, hogy ha 0 oC-on a gáz térfogata V0, akkor – 273,15 oC-on V = 0! Ez adta az ötletet Lord Kelvinnek az abszolút hımérsékleti skála bevezetésére (T = t + 273,25 K) Áttérve az abszolút hımérsékleti skálára kapjuk, hogy:
• (V1/T1) = (V2/T2) 9/9/2012
26
Izochor állapotváltozás – Gay-Lussac II. törvénye
• pt = p0 * (1 + t/273,15) • Illetve • (p1/T1) = (p2/T2)
9/9/2012
27
A gáztörvények általános alakja, az egyesített gáztörvény • A gyakorlatban olyan eset is elıfordul, amelyben egyszerre
•
változik mindhárom állapothatározó értéke, azaz a gáz a p1; V1; T1-el jellemezhetı állapotból a p2; V2; T2-vel leírható állapotba kerül. Ez a változás 2 egymást követı, egyszerő állapotváltozással egyenértékő: – Állandó p1 nyomáson változtassuk meg a gáz hımérsékletét T1-rıl T2-re. Ekkor: Vx = V1*(T2/T1) – Ezt követıen az állandó T2 hımérsékleten emeljük a nyomást p1rıl p2-re. A Boyle-Mariotte törvény értelmében:
p2* V2 = p1*Vx 9/9/2012
28
• Vx helyébe beírva az elızı egyenlet összefüggését: • p2*V2 = p1*V1*(T2/T1), azaz • (p2*V2)/T2 = (p1*V1)/T1 • Bármely tökéletes gázra p*V/T = K (állandó!!!!) • 1 mol tökéletes gázra (Vm = V/n) p*Vm/T = Km • Legyen T0 = 273,15 K és p0 = 101 325 Pa, ekkor • a Vm értéke 0,022413 m3, ezt behelyettesítve Km-ra • •
kapjuk hogy Km = 8,314 J*K-1*mol-1 = R Ezt figyelembe-véve 1 mol gázra: p*Vm = R*T, n mol gázra pedig: p*V = n*R*T, illetve n = m/M és így • p*V = (m/M)*R*T 9/9/2012
29
