(C) Minden jog fenntartva!
A kémia birodalmának magaslatain Életközeli kémia tankönyvsorozat
Dr. Kisfaludi Andrea
Életközeli kémiatankönyvsorozat 4.
A kémia birodalmának magaslatain /kézirat/ Szerző:
Dr. Kisfaludi Andrea 2012, Szentrendre
© Minden jog fenntartva
Dr. Kisfaludi Andrea_A kémia birodalmának magaslatain.docx
1
Tartalom jegyzék
Tartalom jegyzék ........................................................................................................................................................ 2
A következõ fejezetbõl megtudhatod, hogy ................................................................. 4 és olvashatsz a megújuló, másnéven szelíd energiaforrásokról .................................... 4 1. Vizsgáljunk az energiaváltozás szempontjából! ........................................................ 5 1.1. Mit vizsgálunk és hogyan? ............................................................................................................................ 5 1.2. Halmazállapot változások az energia szempontjából ....................................................................... 5 1.2.1. Egy jégkocka változásai .............................................................................................................................. 5 1.2.2. Egy pohár víz változásai ............................................................................................................................. 6 1.2.3. Egy luftballon változásai ............................................................................................................................. 7 1.2.4. A kõolaj finomítás és a pálinkafõzés energetikai háttere ............................................................. 9 1.3. A húsleves lángfestésének energetikai háttere .................................................................................. 10 1.4. A marónátron-, és a pétisó-oldat, valamint a fagyálló készítésének energetikai háttere ......................................................................................................................................................................................... 11 1.5. A mészégetés és a mészoltás energetikai háttere ............................................................................. 12 1.6. Amikor fõzünk, fûtünk és autózunk ........................................................................................................ 13 1.6.1. Megújuló energiaforrások ........................................................................................................................ 14 Napból származó energia ..................................................................................................................................... 14 A napkollektor ............................................................................................................................................................ 14 1.6.2. Az atomenergia ............................................................................................................................................. 16 1.7. És amikor eszünk... ......................................................................................................................................... 18 Mit tanultunk eddig? .............................................................................................................................................. 21
A következő fejezetből megtudhatod, hogy ............................................................... 23 2. Melyik reakció gyorsabb? ....................................................................................... 24 2.1. Mit vizsgálunk és hogyan? .......................................................................................................................... 24 2.2. A reakció gyorsításának lehetőségei ...................................................................................................... 25 2.2.1. Ha az oldat töményebb… ........................................................................................................................... 25 2.2.2. Ha a felület nagyobb… ................................................................................................................................ 26 2.2.3. Ha a hőmérsékletet növeljük… ................................................................................................................ 26 2.2.4. Egy anyag, amely “csodát” tesz .............................................................................................................. 27 2.2.5. Hogyan mennek végbe a kémiai folyamatok? .................................................................................. 28 Mit tanultunk eddig? .............................................................................................................................................. 29 A következõ fejezetbõl megtudhatod ........................................................................ 30 · 3. Látszólag nem történik semmi... ........................................................................ 31 3.1. Amikor kialakul az egyensúly… ................................................................................................................ 31 3.2. Ha az egyensúlyt megzavarják… .............................................................................................................. 31 3.2.1. A koncentráció megváltoztatása ........................................................................................................... 32 3.2.2. A hõmérséklet változtatása ...................................................................................................................... 33 3.2.3. A nyomás változtatása ............................................................................................................................... 33 3.3. Egyensúlyi folyamatok az iparban .......................................................................................................... 34 3.3.1. Az ammóniaszintézis .................................................................................................................................. 34 3.3.2. A salétromsav gyártása ............................................................................................................................. 35
Dr. Kisfaludi Andrea_A kémia birodalmának magaslatain.docx
2
3.3.3. Pétisó gyártása .............................................................................................................................................. 35 3.3.4. A kénsav gyártása ........................................................................................................................................ 35 3.3.5. Fischer-Trops szintézis ............................................................................................................................... 36 3.3.6. Poliészter mûanyagok képzõdése .......................................................................................................... 36 3.4. A savasság és a lúgosság mértéke ............................................................................................................ 36 3.4.1. Mennyire savanyú a háztartási sósav? ................................................................................................ 37 3.4.2. Mennyire savanyú az ecet? ....................................................................................................................... 37 3. 4.3. Szappanfõzéshez szükséges marónátron oldat pH-ja ................................................................ 39 3.4.3. A szalmiákszesz pH-ja ............................................................................................................................... 40 3.6. Miért sav, miért bázis? .................................................................................................................................. 41 3.6. A sók sem mindig semlegesek ................................................................................................................... 44 3.6.1. A konyhasó-oldat kémhatása .................................................................................................................. 44 3.6.2. A trisó-oldat kémhatása ........................................................................................................................... 44 3.6.3. A pétisó-oldat kémhatása ......................................................................................................................... 44
mit tanultunk eddig? ................................................................................................. 46 A következõ fejezetbõl megtudhatod, hogy ............................................................... 47 4. Állítsuk elõ és használjuk fel az elektromos áramot! .............................................. 48 4.1. Hogyan csináljunk elektromos áramot? .............................................................................................. 48 4.1.1. Hogyan mûködnek a galvánelemek? ................................................................................................... 48 4.1.2. Góliát, ceruza, bébi , gomb ........................................................................................................................ 50 4.1.3. Mekkora energiát termel a galvánelem? ........................................................................................... 51 4.1.4. Melyik folyamat játszódhat le? ............................................................................................................... 52 4.1.5. Újrahasználható elemek, az akkumulátorok ................................................................................... 54 4.1.4.1. Hogyan mûködik az ólomakkumulátor? ........................................................................................ 54 4.1.4.2. Vannak más akkumulátorok is... ........................................................................................................ 55 4.1.4.3. Mi lesz a kimerült elemekkel és az elhasznált akkumulátorokkal? .................................... 55 4.1.5.4. Néhány különleges elem ........................................................................................................................ 56 4.1.5.5. "Fogason függ rozsda marja" .............................................................................................................. 57 Mivel védhetjük meg a fémeket a korróziótól? ............................................................................................ 58 4.2. Használjuk fel az elektromos áramot! ................................................................................................... 59 4.2.1. Az alumínium elõállítása .......................................................................................................................... 59 4.2.2 A nátrium , a nátrium-hidroxid és a klór elõállítása ...................................................................... 62 4.2.3. Réztisztítás elektrolízissel ......................................................................................................................... 63 4.2.4. Galvanizálás .................................................................................................................................................... 64 Mit tanultunk kémiából? ........................................................................................... 68
Dr. Kisfaludi Andrea_A kémia birodalmának magaslatain.docx
3
A következõ fejezetbõl megtudhatod, hogy milyen energiaváltozások kísérik a víz halmazállapot változásait, a húsleves lángfestését, a permetlé készítését a főzést, a sütést, a fűtést, és az evést és olvashatsz a megújuló, másnéven szelíd energiaforrásokról
Dr. Kisfaludi Andrea_A kémia birodalmának magaslatain.docx
4
1. Vizsgáljunk az energiaváltozás szempontjából! Ha az autó motorháztetõjét érkezésünk után megérintjük érezzük, hogy forró. Amikor a patront a szifonba betekerjük, érezzük, sõt látjuk is hogy a patron lehûl. Ha a forrásban levõ húsleves fölé egy fedõt tartunk érezzük, hogy a fedõ felmelegszik, miközben nedves lesz. A nyári melegben a fagylaltot igyekszünk minél elõbb megenni, hiszen könnyen elolvad. Magyarázd meg , hogy az elõbbiekben felsorolt folyamatok, milyen fizikai vagy kémiai változásokra utalnak? Energetikailag milyen csoportba sorolhatók a fenti folyamatok?
1.1. Mit vizsgálunk és hogyan? Az elõzõ években a kémiai tanulmányok során sok fizikai és kémiai változást ismertünk meg. Most ezeket a már megismert változásokat egy új szempontból, a folyamatokat kísérõ energiaváltozás szempontjából szemléljük. Amikor a folyamatok energiaváltozását vizsgáljuk, nem szabad elfelejtkeznünk az energia-megmaradás törvényérõl. Hogyan hangzik az energia-megmaradás törvénye? Mit nevezünk belsõ energiának? Milyen folyamatokat nevezünk exoterm és milyen folyamatokat endoterm folyamatnak? Rajzold fel az exoterm és az endoterm változások energiadiagramját! Az exoterm folyamatokban a rendszer energiát ad le, a környezete energiát vesz fel. Matematikailag ezt úgy fejezzük ki, hogy a rendszer által leadott energiamennyiség elé negatív jelet teszünk, hiszen a rendszer energiája ezzel a mennyiséggel csökken. Az endoterm folyamatokban a rendszer a környezetétõl energiát vesz fel, tehát energiája nõ. Matematikailag ezt úgy fejezzük ki, hogy a felvett energiamennyiség elé pozitív elõjelet teszünk.
1.2. Halmazállapot változások az energia szempontjából 1.2.1. Egy jégkocka változásai Egy forró nyári napon jól esik egy pohár hideg narancslé. Ha ilyenhez nem tudunk hozzájutni, teszünk egy jégkockát a poharunkba és arra öntjük a narancslevet. Milyen részecskék alkotják a jégkockát? Milyen kötõerõk tartják össze a jégkocka részecskéit? Milyen rács a jégkocka? Diákk: Kísérletek jégkockával Készítsünk jégkockákat! Vegyünk ki a tartóból egy jégkockát, fúrjunk bele dugóhúzóval egy lyukat, helyezzük bele a hõmérõt, és mérjük meg a hõmérsékletét. Helyezzük a jégkockát egy óraüvegre és várjunk. Mi történik? Mérjük meg a keletkezett víz hõmérsékletét! Töltsünk meg egy poharat félig vízzel. Mérjük meg a víz hõmérsékletét! Tegyünk egy kémcsõbe két jégkockát. Helyezzük a kémcsövet a vízzel töltött pohárba! Várjunk míg a jégkockák elolvadnak, keverjük meg a kémcsõvel a vizet, majd mérjük meg a pohárban levõ víz hõmérsékletét! Hogyan mozognak a részecskék a jégkockában? Hogyan változik a részecskék mozgása, amikor a jégkocka megolvad? Milyen folyamatot nevezünk olvadásnak? Változik-e a jég hõmérséklete, olvadás közben? Amikor a jégkockát a vízbe helyeztük, megfigyelhetjük, hogy a jég hõmérséklete nõ, az italunk hõmérséklete viszont csökken. A jég hõmérsékletének növekedése jelzi, hogy a jég belsõ energiája nõ. Az italunk hõmérsékletének csökkenése jelzi, hogy az italunk belsõ energiája csökken. A jégkocka belsõ energiájának növekedése meg kell feleljen az italunk belsõ energiája csökkenésének, hiszen az
Dr. Kisfaludi Andrea_A kémia birodalmának magaslatain.docx
5
energia-megmaradás törvényének értelmében az energia nem veszhet el. (A kémcsõ energiafelvételétõl most eltekintünk.) MOLÁRIS OLVADÁSHÕ: EGY MÓL SZILÁRD ANYAG ÁLLANDÓ NYOMÁSON ÉS HÕMÉRSÉKLETEN VALÓ MEGOLVASZTÁSÁHOZ SZÜKSÉGES HÕMENNYISÉG JELE: HO MÉRTÉKEGYSÉGE KJ/MÓL A különbözõ anyagok olvadáshõjét kísérletben határozzák meg és táblázatokban teszik közzé. Az olvadás endoterm folyamat, ezért az olvadáshõ mindig pozitív elõjelû hõmennyiség. OLVADÁSHÕ TÁBLÁZAT Az elõzõekben láttuk, hogy a hõmérséklet mérése alapján a halmaz állapotáról képet kaphattunk. A HALMAZOK ÁLLAPOTÁT ÚN. ÁLLAPOTJELZÕKKEL JELLEMEZHETJÜK. ÁLLAPOTJELZÕK; A VIZSGÁLT RENDSZER HÕMÉRSÉKLETE, NYOMÁSA, TÉRFOGATA ÉS ÖSSZETEVÕI Mi az olvadás ellentéte? Összenyomható-e a jégkocka? (Nem eltörésrõl van szó.) Mit mondhatunk a jégkocka alakjáról, térfogatáról?
1.2.2. Egy pohár víz változásai Diákkis: Kísérletek egy pohár vízzel Öntsünk mérõhengerbe 100 cm3 vizet, majd öntsük a vizet fõzõpohárba aztán Erlenmeyer lombikba, végül vissza a mérõhengerbe! Változott-e a víz alakja és térfogata az öntögetés során? (A veszteségektõl tekintsünk el!) Cseppentsünk 3 csepp vizet egy óraüvegre, majd tegyük félre és tíz perc múlva nézzük meg újra. Mit tapasztalunk? Töltsünk meg félig egy kémcsövet csapvízzel. Mérjük meg a víz hõmérsékletét! Melegítsük a vizet forrásig, közben folyamatosan mérjük a hõmérsékletét! Forraljuk a vizet és közben is mérjük a hõmérsékletét! Észleléseinket foglaljuk táblázatba! Víz hõmérséklete oC csapból kifolyáskor melegítés közben melegítés közben melegítés közben melegítés közben melegítés közben melegítés közben melegítés közben forráskor forralás közben Mit mondhatunk a pohárban levõ víz alakjáról, és térfogatáról? Milyen kötések tartják össze a pohárban levõ vízmolekulákat? Hogyan képzeljük el a vízmolekulák elrendezõdését a pohárban? Milyen folyamat játszódott le az óraüvegen? Mi történik a vízmolekulákkal, amikor a víz párolog? Hogyan változott a víz belsõ energiája párolgáskor? Mi történik a vízmolekulákkal, amikor forr a víz? Hogyan változik a víz hõmérséklete forrás közben? Mi a forrás és a párolgás ellentéte? Rajzold fel a párolgás és a forrás energiadiagramját! Mi történik a vízmolekulákkal, amikor a víz megfagy? Hogyan változik a víz belsõ energiája, amikor a víz megfagy? Amikor a vizet melegítjük energiát közlünk vele. Ilyenkor a Bunsen-égõben levõ gáz elégetésekor felszabaduló hõmennyiség a víz belsõ energiáját növeli. A víz belsõ energiájának növekedését a víz hõmérsékletének mérésével követhetjük nyomon. Forrás közben azonban azt tapasztalhatjuk, hogy a víz hõmérséklete nem változik, hiába közlünk vele továbbra is energiát. Az energia-megmaradás törvénye alapján azonban tudjuk, hogy az energia nem veszhet el. Akkor mire fordítódik a közölt energia? A közölt energia segítségével a vízmolekulák
Dr. Kisfaludi Andrea_A kémia birodalmának magaslatain.docx
6
képesek lesznek legyõzni a köztük ható vonzóerõt és eltávolodnak egymástól, vagyis a közölt energia a halmaz állapotának megváltoztatására fordítódik. MOLÁRIS PÁROLGÁSHÕ: AZ A HÕMENNYISÉG, AMELYET ÁLLANDÓ NYOMÁSON ÉS HÕMÉRSÉKLETEN EGY MÓL FOLYADÉKKAL KÖZÖLNI KELL, HOGY AZ GÕZZÉ ALAKULJON. JELE: HP, MÉRÉKEGYSÉGE: KJ/MÓL A különbözõ anyagok párolgáshõjét kísérletben határozzák meg és táblázatba foglalják.
1.2.3. Egy luftballon változásai Milyen gázzal töltötték meg régen és milyen gázzal töltik meg manapság a luftballonokat? Mi a változtatás oka? Hogyan képzeljük el a luftballonban levõ gázmolekulák illetve gázatomok mozgását? Rendelkeznek-e a gázok állandó alakkal és térfogattal? Összenyomhatók-e a gázok? Miért? A gázokat alkotó részecskék (atomok vagy molekulák) mindig kitöltik a rendelkezésükre álló teret. Ha kidurran a lufi, akkor a lufiban levõ részecskék kikerülve a lufiból, a szobán belül igyekeznek a lehetõ legtávolabb elhelyezkedni egymástól. A gázok vizsgálatakor elképzelünk egy olyan állapotot, amely a valóságban nem létezik, ezt az állapotot tökéletes gázállapotnak nevezzük. Amikor tökéletes gázról beszélünk, akkor a gázrészecskék között semmilyen kölcsönhatás nincs, és a részecskék térfogatát (részecskék együttesen kitöltött teret) az edény vagy a szoba térfogatához képest elhanyagoljuk. Ez egy elképzelt, a valóságban nem létezõ állapot, ha azonban nagyon kevés gázt nagy térfogatú edénybe teszünk, akkor ez a gáz tökéletes gázokhoz rendkívül hasonlóan fog viselkedni. Mivel a tökéletes gázrészecskék között nincs kölcsönhatás, ezért a tökéletes gázok viselkedése nem függ a gáz anyagi minõségétõl, vagyis attól, hogy pl. oxigéngázról vagy nitrogéngázról van-e szó. Másképpen kifejezve, ha egy szobában három azonos méretû luftballont megtöltünk nitrogén, hélium és hidrogén gázzal elmondhatjuk, hogy a három luftballon mindegyikében azonos számú gázrészecske van, azaz az anyagmennyiségük megegyezik. Ezt a jelenséget Amadeo Avogadro Quaregna és Ceretto grófja itáliai fizikus és kémikus fedezte fel, és õ fogalmazta meg 1811-ben a róla elnevezett törvényt. A GÁZOK EGYENLÕ TÉRFOGATAIBAN AZONOS NYOMÁSON, AZONOS HÕMÉRSÉKLETEN A RÉSZECSKÉK SZÁMA EGYENLÕ. Hány gázmolekula van egy mól nitrogén gázban? Kirõl nevezték el a mólnyi mennyiségû részecskék számát meghatározó állandót? EGY MÓL ANYAG TÉRFOGATÁT MOLÁRIS TÉRFOGATNAK NEVEZZÜK JELE: Vm, MÉRTÉKEGYSÉGE: dm3/mól, m3/mól Mivel a tökéletes gázok térfogata nem függ a tökéletes gázok anyagi minõségétõl, ezért a különféle tökéletes gázok egy móljának térfogata normál és standard állapotban azonos. Állapot neve hõmérséklet nyomás térfogat normál 0oC 105 Pa 22,41 dm3/mól standard 25 oC 105 Pa 24,5 dm3/mól 1. Hány részecskét tartalmaz az az oxigénpalack, amelynek térfogata 22,41dm3, a benne uralkodó nyomás 105 Pa és a szoba hõmérséklete 25 oC? 2. Két egyforma villanykörte közül az egyik kripton, a másik argongázzal van megtöltve. Mindkét villanykörtében a nyomás megegyezik, és a két villanykörte azonos hõmérsékletû helyiségben van. Melyik villanykörte tartalmaz több részecskét? Melyik villanykörte a nehezebb? Diákkis: Kísérletek luftballonnal Vásároljunk egy lufit és fújjuk fel. Mérõszalaggal mérjük meg a lufi kerületét! Tegyük a lufit a fûtõtest mellé vagy egy lábas forró víz fölé. 5 perc eltelte után mérjük meg újra a lufi kerületét. Tegyük a lufit egy negyedórára a hûtõszekrénybe, utána mérjük meg a kerületét. A tökéletes gázok nyomása, hõmérséklete és térfogata között összefüggés van. Ez a megállapítás azt jelenti, hogyha van egy szét nem durranó léggömbünk, amely egy olyan szobában van, melynek hõmérséklete 16 oC-ról 25 oC-ra változik, akkor a léggömb térfogatának növekedése a szoba hõmérsékletének növekedése alapján kiszámítható.
Dr. Kisfaludi Andrea_A kémia birodalmának magaslatain.docx
7
1802-ben Louis Joseph Gay-Lussac (ejtsd: gé lüsszak) francia kémikus megállapította, hogy adott mennyiségû és adott nyomású tökéletes gáz térfogata egyenesen arányosan változik a tökéletes gáz hõmérsékletének változásával. Ez az összefüggés matematikailag megfogalmazva: V ---= állandó, ha n, p állandó T V: a gáz térfogata T: a gáz abszolút hõmérséklete n: a gáz anyagmennyisége p: a gáz nyomása Ha azonban a szoba hõmérsékletének növekedésekor a lufink nem tágul, de nem is durran szét, akkor a következõ összefüggés alapján számolható ki a lufinkban történõ nyomás változás: p ---= állandó, ha n, V állandó T p: a gáz nyomása T: a gáz abszolút hõmérséklete n: a gáz anyagmennyisége V: a gáz térfogata Ezt az összefüggést szintén Gay-Lussac fogalmazta meg. Szavakkal kifejezve a fenti összefüggést; ADOTT MENNYISÉGÛ ÉS TÉRFOGATÚ TÖKÉLETES GÁZ NYOMÁSA EGYENES ARÁNYOSAN VÁLTOZIK A TÖKÉLETES GÁZ HÕMÉRSÉKLETÉVEL.
Ezért sem szabad a kiürült spray-s flakonokat a tűzbe dobni , hiszen bennük levő maradék gáz nyomása a hőmérséklet növekedésével nő és szétvetheti a palackot. Hogyan változik a lufiban a gáz nyomása, ha a szoba hõmérsékletét nem változtatjuk, de a lufit vigyázva összenyomjuk, hogy szét ne durranjon. 1662-ben Robert Boyle (ejtsd: bojl) angol és Edmé Mariotte (ejtsd: máriot) francia fizikus egymástól függetlenül fedezték fel azt az összefüggést, hogy adott mennyiségû és hõmérsékletû gáz nyomása fordítottan arányos annak térfogatával. A fenti összefüggés matematikailag megfogalmazva: p . V = állandó, ha n, T állandó p: a gáz nyomása V:a gáz térfogata n: a gáz anyagmennyisége T: a gáz abszolút hõmérséklete Tehát ha a lufit összenyomtuk, vagyis térfogatát csökkentettük, akkor a lufiban a nyomás megnõtt. A három törvényt egy törvénnyé, az ún. Egyesített gáztörvénnyé olvaszthatjuk össze: Induljunk ki a Boyle-Mariotte törvénybõl. p.V =állandó , ha n,T állandó Osszuk el mindkét oldalt az állandó hõmérséklettel. Az egyenlet bal oldalán: p.V állandó ------------= --------- T T Az egyenlet jobb oldalán egy új állandót kell kapjunk, hiszen ha egy adott számot elosztunk egy másik adott számmal akkor is egy állandót kell kapjunk. Ennek a számnak az értéke az állapotjelzõk változásától nem függ.. Az Egyesített gáztörvény matematikailag megfogalmazva: p.V -----= állandó, ha n állandó T Ha a nyomás, térfogat és hõmérséklet értékeket egy mól normál állapotú gáz adataival helyettesítjük be, akkor ki tudjuk számolni az állandó értékét: p =101325 Pa Vmol =22,41 dm3/mól = 22,41.10-3m3/mól T =273 oK
Dr. Kisfaludi Andrea_A kémia birodalmának magaslatain.docx
8
p.V 101325Pa . 22,41.10-3 m3/mól -----= ------------------------------------------------= 8,3 J/mól oK T 273 oK A KISZÁMÍTOTT ÁLLANDÓT, MOLÁRIS GÁZÁLLANDÓNAK NEVEZZÜK. A MOLÁRIS GÁZÁLLANDÓ JELE: R, ÉRTÉKE 8,3 J/MÓL OK Ha nagyobb anyagmennyiségû gáz változását akarjuk nyomon követni, akkor az Általános gáztörvényt alkalmazzuk, melynek matematikai megfogalmazása: p.V -----= n.R T ahol p a gáz nyomása V a gáz térfogata, T a gáz hõmérséklete, n a gáz móljainak a száma, R a moláris gázállandó A fenti gáztörvények csak tökéletes gázokra érvényesek. Ahogyan már említettük, ha egy gáz, amelynek molekulái kis méretûek és a gáz nyomása kicsi , akkor ennek a gáznak a tulajdonságai jól leírhatók a tökéletes gázokra vonatkozó törvényekkel. A valódi gázok tulajdonságai azonban a gázok anyagi minõségétõl is függnek és vizsgálatukkor nem lehet eltekintenünk a gázrészecskék között ható vonzóerõktõl, valamint a gázrészecskék saját térfogatától. A következõ feladatokban említett gázokat tekintsük tökéletes gázoknak. 1. A gáztûzhely tisztítására alkalmas spray propán-bután vivõgázt tartalmaz. Hány cm3 25 oCos,105 Pa nyomású propán-bután vivõgáz nyerhetõ ki abból az ugyanilyen hõmérsékletû palackból, amelyben az uralkodó nyomás 1,5 .105 Pa? 2. Kipukkad-e az a 2,5 dm3-es léggömb, amelyet 3,7 dm3 6,76 104 Pa nyomású héliumgázzal töltünk meg? 3. Mekkora lesz a szén-dioxid nyomása abban a (vizet nem tartalmazó) szódáspalackban, amelybe egy 7g tömegû és 80 . 10 5 Pa nyomású gázt a patron segítségével becsavartuk. 4. Számítsd ki, hány mól oxigéngáz van szobahõmérsékleten a szobádban? (A számolásnál szoba légterének 20%-át tekintjük oxigéngáznak.) 5. Milyen térfogat növekedést okoz a piskótatésztában, ha egy késhegynyi (2g) szódabikarbónát szórunk a sütemény keverékébe? (Feltételezzük, hogy az összes keletkezõ szén-dioxid a tészta térfogatát növeli és a sütés hõmérséklete 180 oC, a sütõben légköri nyomás uralkodik.) 6. Hány dm3 standard állapotú szén-monoxid gáz szükséges egy kg vas elõállításához? 7. Nézd meg a gázszámlát és számold ki, hány dm3 80 oC-os, légköri nyomású szén-dioxid gáz keletkezik egy hónapban otthonotokban! 8. Hány cm3 70oC-os ammóniát lehet elõállítani 37 cm3, 25 m/m %-os szalmiákszesz kiforralásával?
1.2.4. A kõolaj finomítás és a pálinkafõzés energetikai háttere Milyen termékeket állítanak elõ a kõolaj finomításával? Milyen elválasztási eljárás a kõolaj finomítása? Milyen fizikai folyamatok játszódnak le a kõolaj finomításakor? Miért lehet szétválasztani a kõolaj finomításakor keletkezett termékeket? Milyen energiát kell befektetni a kõolaj finomításakor? Mibõl fedezik a kõolaj finomításához szükséges energiát? A fúrólyukból kibányászott kõolajban emulgeált víz, oldott gázok és más szuszpendált anyagok találhatók. Mi az emulzió?
Dr. Kisfaludi Andrea_A kémia birodalmának magaslatain.docx
9
Mi a szuszpenzió? Az oldott gázok legnagyobb része metán, kis részben tartalmaz etánt és propánt. A kőolaj feldolgozása során a gázokat el kell távolítani. Ezt a folyamatot az ún. gázelválasztóban végzik, ami úgy történik, hogy nagy felületű lemezeken át folyatják a kőolajat. A kőolajban oldott szennyeződéseket és az eloszlatott vizet ülepítéssel vagy centrifugával távolítják el. A kőolajban oldott maradék gázok eltávolítása desztillációval történik. A DESZTILLÁCIÓ KÉT FOLYAMATBÓL PÁROLGÁSBÓL ÉS LECSAPÓDÁSBÓL ÁLL. Hogyan végezzük el az egyszerû desztillációt? Az így kapott gázt propán-bután palackos gázként hozzák forgalomba. Ezt követően kerül sor a kőolaj frakcionált desztillációjára. Ehhez a kőolajat szivattyú segítségével csőkemencébe vezetik. Majd a csőkemencét felfűtik kb 400 oc-ra. ÁBRA CHEM COM 17.O. A felmelegített kőolaj ezután a frakcionáló oszlopba kerül. Az oszlop tetején a benzingőz távozik, amely hőtartalmának egy részét átadja a bejövő kőolajnak. Ez energia-megtakarítást eredményez. Majd a hűtőben a benzingőz lecsapódik. Az oszlop tetejétől az aljáig a párlatok növekvő hőmérsékleteken párolognak. A desztilláció maradékát egy másik desztilláló oszlopban, csökkentett nyomáson desztillálják. Az égetett szeszes italokat, mint pl. a gyümölcspálinka, whisky, brandy, konyak, is desztillálással állítják elő. Mibõl készül a vodka, a whisky, a brandy? Az égetet szeszesitalok alapanyagául szolgáló burgonyát, gyümölcsöt, gabonát először nagy kádakban erjesztik, ekkor keletkezik a cefre. Milyen kémiai folyamat megy végbe erjesztéskor? Erjedés után a cefrét desztillálják, mely folyamatnak terméke a nyersszesz. A nyersszeszt finomítás céljából mégegyszer desztillálják. 1. Milyen anyag lehet az elõpárlatban, ami káros és töményen vakságot , halált okozhat? 2. Milyen halmazállapotú a vaskohóból lecsapolt vas? 3. Vasöntéskor milyen energiaváltozás játszódik le? 4. Milyen folyamat játszódik le, amikor a forró serpenyõbe sütõmargarin teszünk? 5. Milyen folyamat játszódik le, amikor a méz ikrásodik? 6. Mit tehetünk, ha a pörkölt alá túl sok vizet öntöttünk?
1.3. A húsleves lángfestésének energetikai háttere Ha kifut a húsleves szép sárgára színezi a lángot. A tûzijátékot nézve, gyönyörû piros kék és sárga formákat láthatunk az égen. Mit nevezünk alapállapotú atomnak? Mit nevezünk gerjesztett állapotú atomnak? Hogyan vizsgáltuk a nátrium, a kálium és a kalciumvegyületek lángfestését? A lángfestés vizsgálatakor a vegyületet hevítjük, aminek hatására a vegyület gõzzé alakul, majd atomjaira bomlik, végül az atomok gerjesztõdnek. Az atomok a gerjesztési energiát fény formájában sugározza ki. NaCl(szilárd)-------› NaCl(gõz) ------›Na(gõz) -------› Na gerjesztett Cl(gõz) GERJESZTÉSI ENERGIA AZ A HÕMENNYISÉG, AMELYET 1 MOL GÁZHALMAZÁLLAPOTÚ ATOMMAL KÖZÖLNI KELL, HOGY A LEGLAZÁBBAN KÖTÖTT ELEKTRONJA AZ ATOMMAGTÓL TÁVOLABBI PÁLYÁRA KERÜLJÖN JELE: H GERJ MÉRTÉKEGYSÉGE: KJ/MOL
Dr. Kisfaludi Andrea_A kémia birodalmának magaslatain.docx
10
1.4. A marónátron-, és a pétisó-oldat, valamint a fagyálló készítésének energetikai háttere Mi a marónátron kémiai összetétele? Mire használják a marónátront? Mi a pétisó? Mire használják a pétisót? Milyen kristályrácsban kristályosodik a marónátron és az ammónium-nitrát? Mi a rácsban az összetartó erõ? Diákkís: Készítsünk oldatokat! Oldjunk fel egy pasztilla marónátront és egy kanál ammónium-nitrátot egy-egy vízzel félig töltött kémcsõben. Az anyagok teljes feloldódása után fogjuk meg a kémcsõ falát. Mit tapasztalunk? Mi történik a NaOH-dal és az NH4NO3-tal oldódás közben? A két ionrácsos anyag ionjait a vízmolekulák megfelelõ oldalukkal körülveszik, majd az oldat belsejébe viszik. Ezt a folyamatot hidratációnak nevezzük. HIDRATÁCIÓNAK NEVEZZÜK AZ IONOK ÉS A VÍZMOLEKULÁK KÖZÖTT FELLÉPÕ KÖLCSÖNHATÁST. SZOLVATÁCIÓRÓL BESZÉLÜNK, HA AZ OLDÓSZER NEM VÍZ, HANEM MÁS DIPÓLUSOS MOLEKULÁJÚ ANYAG. HIDRATÁCIÓ ENERGIÁNAK NEVEZZÜK A VÍZMOLEKULÁK ÉS AZ IONOK KÖZÖTT KIALAKULÓ KAPCSOLAT SORÁN FELSZABADULÓ ENERGIÁT JELE: EH, MÉRTÉKEGYSÉGE: KJ/MOL ÁBRA Ahhoz hogy az ionrácsot ionokra bontsuk a rácsenergia befektetésére van szükség. Mi a rácsenergia? Milyen elõjelû energiafajtáról van szó? OLDÁSHÕNEK NEVEZZÜK EGY MÓL ANYAG NAGY MENNYISÉGÛ OLDÓSZERBEN TÖRTÉNÕ FELOLDÁSAKOR KELETKEZÕ VAGY ELNYELÕDÕ HÕMENNYISÉGET.
Oldódás során be kell fektetnünk a rácsenergiát és a hidratáció energia szabadul fel. A két energia különbsége adja meg az ionkristályos anyagok oldódásakor történõ energiaváltozást, vagyis az oldáshõt. Matematikailag megfogalmazva: Ho=Eh-Er AZ OLDÁSHÕ JELE: HO, MÉRTÉKEGYSÉGE:KJ/MOL Az elõbbiekbõl következik, hogy ha a hidratáció energia abszolút értéke nagyobb, mint a rácsenergia abszolút értéke, akkor az oldódás exoterm folyamat, fordított esetben viszont endoterm az oldódás folyamat. HOBINKA 90.OLD OLDÓDÁS ÁBRA Mibõl áll a fagyálló folyadék? Mi a szerepe a fagyállónak az autóban? Mi az etilén-glikol szerkezeti képlete? Miért oldódik jól az etilén-glikol a vízben? Amikor az autónk fagyálló folyadékát elkészítjük, oldatot csinálunk. A molekularácsos anyagok között is szép számmal akadnak olyanok, amelyek jól oldódnak vízben, ezek a molekulák képesek a vízmolekulák hidrogénkötés rendszerébe illeszkedni, vagyis a vízmolekulákkal hidrogénkötést kialakítani. Az etilén-glikol is ezek közé a molekulák közé tartozik. ETILÉNGLIKOL OLD Mi kell ahhoz, hogy egy molekula hidrogénkötést tudjon kialakítani? Sorolj fel olyan molekulákat, amelyek képesek hidrogénkötés kialakítására! A molekularácsban kristályosodó anyagok oldódása akkor exoterm folyamat, ha a vízmolekulák és az oldandó anyag molekulái közötti kölcsönhatás erõsebb mint az oldandó anyag molekulái közötti kölcsönhatás. Endoterm oldódási folyamatról beszélünk akkor, ha a vízmolekulák és az oldandó anyag molekulái közötti kölcsönhatás gyengébb, mint az oldandó anyag molekulái közötti kölcsönhatás. (Ha a két kölcsönhatás mértéke megegyezik nem történik energiaváltozás.)
Dr. Kisfaludi Andrea_A kémia birodalmának magaslatain.docx
11
Az elõbbiekben láttuk, hogy a különféle anyagok oldódása is energiaváltozással járó folyamat.
1.5. A mészégetés és a mészoltás energetikai háttere A meszelésrõl, a vakolásról, a mészégetés és a mészoltás folyamatáról már tanultunk. Felidézve az eddig tanultakat, most ezeket a folyamatokat az energiaváltozás szemszögébõl vizsgáljuk meg. Milyen anyaggal meszeljük a falat? Mi az égetett és az oltott mész képlete? Hogyan állítják elõ az oltott és az égetett meszet? Mi keletkezik a falon meszelés után? Mi a habarcs? Diákkis:Oltsunk meszet! Mérjünk ki 56 g CaO-ot és 18 cm3 vizet! Mérjük meg a víz hõmérsékletét! Öntsük a CaO-t egy 100 cm3-es fõzõpohárba, majd óvatosan, kevergetés közben öntsük hozzá a vizet. A reakció befejezõdése után mérjük meg a keletkezett anyag hõmérsékletét! A mérési eredményeket jegyezzük fel! (Vigyázzunk az esetleg kifröccsenõ anyagra!) Számoljuk ki a folyamat során végbement energiaváltozást, vagyis a reakcióhõt! REAKCIÓHÕNEK NEVEZZÜK A KÉMIAI REAKCIÓT KÍSÉRÕ ENERGIAVÁLTOZÁST JELE: HR MÉRTÉKEGYSÉGE:KJ/MOL Írjuk fel a folyamat egyenletét és jelöljük az egyes anyagok halmazállapotát! CaO(sz) +H2O(f) = Ca(OH)2(sz) Ahhoz , hogy a reakcióhõt ki tudjuk számolni, meg kell ismerkednünk a képzõdéshõ fogalmával. KÉPZÕDÉSHÕNEK NEVEZZÜK AZT AZ ENERGIÁT, AMELY KELETKEZIK VAGY ELNYELÕDIK, HA EGY MÓL STANDARD ÁLLAPOTÚ VEGYÜLET STANDARD ÁLLAPOTÚ ELEMEIBÕL KÉPZÕDIK JELE: HO MÉRTÉKEGYSÉGE: KJ/MOL AZ ELEMEK KÉPZÕDÉSHÕJE MEGÁLLAPODÁS SZERINT NULLA. Tehát úgy tekintjük, hogy a standard állapotú elemek képződése nem jár energiaváltozással. A VEGYÜLETEK KÉPZÕDÉSHÕJÉT KÍSÉRLETILEG MEGHATÁROZZÁK ÉS TÁBLÁZATBA FOGLALJÁK. KÉPZÕDÉSHÕ TÁBLÁZAT Gondolatban képzeljük el a következõ folyamatot! Bontsuk elemeire a vizet és a kalcium-oxidot! Az így képzõdött elemekbõl állítsuk elõ az oltott meszet. ENERGIADIAGRAM Ahhoz, hogy a vizet és a kalcium-oxidot elemeire bontsuk energiát kell befektetnünk. Ez az energia abszolút értékben megfelel az egyes anyagok képzõdéshõjének. Amikor az oltott mész elemeibõl keletkezik a képzõdéshõnek megfelelõ energia szabadul fel. Képzõdéshõk H H2O(f) = -286 kJ/mol H CaO(sz) = -636 kJ/mol H Ca(OH)(sz) = -987 kJ/mol A CaO és H2O elemeire bontásakor befektetett energia: 286 +636=922 kJ A Ca(OH)2 képzõdésekor felszabaduló energia: -987 kJ A reakcióhõ a két energia algebrai összege: 922 - 987= -65 kJ AREAKCIÓHÕ ENERGAIDIAG A energia-megmaradás törvénye szerint az energia nem veszhet el. Ha tehát a keletkezett termékek energiatartalmát összehasonlítjuk a kiindulási termékek energia tartalmával a kettõ különbsége megadja a reakció során történõ energiaváltozást. Matematikailag megfogalmazva: Hr= xHo termékek - yHo kiindulási anyagok x: kiindulási anyagok móljainak száma y: keletkezett anyagok móljainak száma REAKCIÓHÕNEK MEVEZZÜK A KÉMIAI REAKCIÓ SORÁN TÖRTÉNÕ HÕVÁLTOZÁST. JELE:HR, MÉRTÉKEGYSÉGE: KJ Írd fel a mészégetés folyamatának egyenletét! Az egyenletben jelöld az egyes anyagok halmazállapotát!
Dr. Kisfaludi Andrea_A kémia birodalmának magaslatain.docx
12
Keresd ki a táblázatból az egyes anyagok képzõdéshõjét! Számold ki a folyamat reakcióhõjét! Exoterm vagy endoterm folyamatról van szó?
1.6. Amikor fõzünk, fûtünk és autózunk Amikor gázzal fõzünk vagy fûtünk akkor a földgáz égési folyamatának energiáját használjuk fel. Ha az autónkba szállunk a benzin vagy a Diesel-olaj égetésébõl származó energiát használjuk fel. A szénerõmûvekben a szén égetésébõl származó energiát turbina és generátor közbeiktatásával alakítják villamos energiává. 1. Nézd meg a gázszámlát, mennyi földgázt fogyasztottatok az elmúlt hónapban? Számold ki, mennyi energia termelõdött az általatok elhasznált földgáz égétesékor! (A földgáz egész mennyiségét tekintsük metánnak!) A szükséges képzõdéshõ adatokat keresd ki a függvénytáblázatból! 2. Kérdezd meg szüleidet vagy ismerõseidet, mennyi és milyen benzint fogyaszt autójuk 100 km megtételekor. Számold ki mennyi energia keletkezik ilyen mennyiségû benzin elégetésekor! (Tekintsük úgy mintha a benzin heptán és izooktán keveréke lenne, bár tudjuk, hogy ez valójában nem igaz.) 3. Milyen végtermékek keletkeznek gázzal való fûtéskor és fõzéskor, valamint autózáskor? (A válasznál gondolj a kõolaj és földgáz eredetére is!) 4. Milyen veszélye van az égéskor keletkezõ különféle gázok légkörbe kerülésének? Egy-egy villanyszámla vagy gázszámla kifizetésekor a család bosszankodik, hogy milyen drága a melegvíz, a fûtés és a különféle háztartási gépek használata. Hogyan spórolhatunk? · Vizsgáljuk meg az ablakain és az ajtóink záródását. Ha úgy találjuk nem megfelelõen záródnak, akkor a zár megjavítására vagy utólagos szigetelésre van szükség. · Vizsgáljuk meg csöpög-e a melegvíz csapja! A percenként lecseppenõ melegvíz havonta kb. 800 liter melegvíz elpocsékolását jelenti. · Nézzük meg hûtõszekrényünk belsejét és ha szükséges olvasszuk le. A hûtõszekrény belsején keletkezõ jégréteg szigetel, ezért ugyanolyan hideg eléréséhez több energiára van szükség, mint a jégréteget nem tartalmazó készülék esetében. Ha erre odafigyelünk kb. 10-15% energiát takaríthatunk meg. · Vizsgáljuk meg azt is, jó helyen áll-e a hûtõszekrény. Ha radiátor vagy tûzhely mellett áll, akkor keressünk neki egy szellõsebb helyet, ahol kevesebb energiát fog fogyasztani. · Mérjük meg a hûtõszekrény belsejének hõmérsékletét! Ha eltér 7oC-tól akkor állítsuk be erre a hõmérsékletre, mert ekkor fogyasztja a legkevesebb energiát. · Ha villany forróvíz-tárolót használunk, törekedjünk arra, hogy a hõmérséklete 55 oC-nál ne legyen magasabb, mert ennél a hõmérsékletnél a legkisebb az energia felvétel. · Fontos, hogy a tûzhelyünket tisztán tartsuk, hiszen a ráégett ételmaradék nemcsak látványnak elborzasztó, de a hõvezetést is rontja. · A tepsitartókat, ha nincs rájuk szükség távolítsuk el sütõbõl, hiszen ezek csak az energiát fogyasztják feleslegesen. · Ha villanytûzhelyünk van akkor azt a fõzés befejezése elõtt kapcsoljuk ki, hiszen a forró fõzõlap tovább fõzi az ételt. · Fontos hogy a fõzõlap mérete az edény méretével megegyezzen és lapos legyen, mert így a legjobb az energia hasznosítás. · Amit lehet fõzzünk kuktában, hiszen a kuktában fõzött étel hamarabb készül el, ezért kevesebb energiát fogyaszt. (Nagyobb nyomáson az anyagok olvadáspontja alacsonyabb.) · Fõzés közben használjunk fedõt, hiszen az étel a felületén energiát ad le. · Ne hagyjuk feleslegesen égve a rádiót, televíziót és a villanykörtéket. · Új háztartási készülékek vásárlásakor érdemes megnézni a vásárlandó készülékek energia felhasználását is. · Érdemes azokat a villanykörtéket, amelyeket hosszabb ideig használunk, hosszabb élettartamú, 80%-kal kevesebb energia felhasználású izzókra kicserélni.
Dr. Kisfaludi Andrea_A kémia birodalmának magaslatain.docx
13
TSESZT 97/10/280 Vannak-e más ötleteid az energiatakarékossággal kapcsolatban? ZÖLD HÁZ KÜLÖN Az üveg, a papír, a különbözõ fémek, a mûanyagok, a textilnemûk és az élelmiszerek elõállítása rengeteg energiát igényel. Ez az energiamennyiség is csökkenthetõ lenne, ha az egyes, már felhasznált anyagokat elkülönítve összegyûjtenénk és újra hasznosítanánk õket. Keresd meg a Felfedezõúton a kémia birodalmában c. könyvben, mennyivel kevesebb energiát igényel a papír és az üveg újrahasznosítása, mint a nyersanyagokból való elõállítása! Ha az energiával takarékoskodunk, nemcsak kevesebbet kell fizetnünk, de kevesebb szennyezõanyag kerül a légkörbe. Mi az üvegházhatás, és mi az oka? Mi a savas esõ és mi az oka? Mi a savas esõ következménye? Milyen energiaforrások felhasználásával lehetne csökkenteni a légszennyezést? Mi az elõnye és mi a hátránya a különbözõ energiafajták felhasználásának?
1.6.1. Megújuló energiaforrások Honnan származnak a megújuló energiaforrások? A Föld mélyébõl A Föld, a Hold és a Nap mágneses terébõl közvetlen fûtésre A Föld közepe olvadt kõzeteket Apály-dagály jelenséget okoz napkollektor segítségével tartalmaz. A meleget a kõzetekben levõ radioaktív anyagok bomlási folyamatából származik. A szilárd kéregben ez a forró mag. Ennek segítségével a melegvízbõl gõz keletkezik elektromos árammá alakítás napelem segítségével zöld növények kémiai energiává alakítják klorofill segítségével szelet és hullámokat hoz létre, amelyek energiája hasznosítható Napból
·
· · ·
Napból származó energia A Napban a hidrogénatomok magfúziója során héliummagok keletkeznek, miközben óriási mennyiségû energia szabadul fel. Ez az energia sugárzás formájában éri el a földet. A napból érkezõ sugárzás 35,2%-a visszaverõdik, 17,4 %-a elnyelõdik a légkörben és 47,4 %-a éri el a földfelszínt. A földfelszínt elérõ sugárzás 14,4 %-a jut a szántóföldekre, 33 %-a a tengerek vizét melegíti és 0,1 %-t a zöld növények fotoszintézisre hasznosítják.
A napkollektor A földfelszínre jutó sugárzást a délre nézõ háztetõre helyezett napkollektorok segítségével alakítják hõvé. SAÉTERS SCIENCE 82 NAPKOLLEKTOR MÛKÖDÉSE A napkollektor lényegében egy rézcsõkígyót tartalmaz, amely egy feketére festett fémlemezre van felerõsítve. A fekete szín - mint tudjuk - a Napból érkezõ összes fényt elnyeli. Az egész szerkezet üveglap alá van elhelyezve. Az üveg átengedi a rövid hullámhosszúságú infravörös sugárzást és nem engedi vissza a hosszabb hullámhosszúságú sugárzást. (Gondoljunk az
Dr. Kisfaludi Andrea_A kémia birodalmának magaslatain.docx
14
üvegház hatásra). Egy -egy ilyen napkollektor ára 180-400 eFt egy négytagú család számára, amely beruházás fedezi az évi melegvíz költség 60-70 %-át. Számold ki mennyi pénzt takarítanátok meg, ha napkollektorral állítanátok elõ a melegvízhez szükséges energiát? Számold ki hány év alatt térülne meg ha napkollektort építenétek? Ha számításod meggyõzõ gyûjts érveket amelyekkel meg tudnád gyõzni szüleidet és rokonaidat, hogy napkollektort építsenek! A Naperõmû A naperõmûvek a napkollektoroknál nagyobb energiát képesek hasznosítani. A naperõmûvek nagyon sok tükörrel vannak felszerelve. A tükrök arra hivatottak, hogy egy pontba gyûjtsék össze a Nap sugarait. Az összegyûjtött hõ olvadt sóval, olajjal vagy folyékony nátriummal töltött toronyban levõ csöveket melegít fel . A felmelegített anyagot csövön keresztül egy vizet tartalmazó tartályba vezetik. A csõkígyóban levõ forró anyag energiáját átadva gõzzé alakítja a tartályban levõ vizet. A keletkezett gõzzel turbinát hajtanak meg, majd generátor segítségével elektromos energiát állítanak elõ. A lehûlt folyékony sót visszavezetik a toronyba. A lecsapódott gõz is vissza kerül a tartályba. SALTERS 83 Biomassza Mi a fotoszintézis? A zöld növények is képesek a Nap energiáját megkötni, ennek segítségével képesek növekedni, vagyis újabb növényi anyagot , biomasszát elõállítani. Brazíliában a cukornádból erjesztéssel alkoholt állítanak elõ, amelyet benzinhez kevernek és bizonyos autókhoz használják üzemanyagként. Szélenergia A Nap különbözõ mértékben melegíti fel a levegõt, így keletkezik a szél. Már régóta hasznosítják a szelet a szélmalmokban a búza õrlésére. Manapság a modern szélerõmûvek. elektromos áramot termelnek. Hullámenergia A hullámoknak rendkívül nagy energiájuk van, ezt viharban való fürdéskor, a vitorlások felborulásakor magunk is megtapasztalhatjuk. A nehézséget a hullám energiájának hasznosítása adja. A hullám energiájának kiaknázására a “bólogató kacsa” lehet a megoldás. A kacsa úgy bólogat elõre és vissza, ahogy a hullám áthalad rajta. Minden kacsában egy kis generátor van, amit a kacsa mozgása mûködtet. A termelt áramot vezetékeken át juttatják a szárazföldre. SALTER 83 A Föld mélyébõl származó energia Geotermikus energia Ahol természetes melegforrások vannak ott a föld a felszín alatt meleg. A geotermikus erõmûvekben a hideg vizet a meleg kõzetre pumpálják. A víz átszivárog a kõzet repedésein, miközben felmelegszik. A felmelegedett víz egy másik csövön keresztül feljut a Föld felszínére, ahol a nyomás csökkenés miatt gõz keletkezik belõle, amivel turbinát lehet meghajtani és egy generátor közbeiktatásával az energia elektromos árammá alakul át. Magyarország a geotermikus energia készletet tekintve nagyhatalomnak számít, ennek ellenére a hazai energia-felhasználás alig négy ezreléke származik a termálvizek hasznosításából. Békés és Csongrád Megyében fürdésre lakóházak és melegházak , fóliasátrak fûtéséra használják a termálvizet. SALTER 84 KÉP KÜLÖN A Nap, a Hold és a Föld mágneses terébõl származó energia Dagály-apály energia A tengerparton a folyó torkolatánál gátat építenek, amelyben egy turbinát helyeznek el. Amikor dagály van és a gát külsõ oldalán magasabban áll a víz, a kiegyenlítõdés miatt befelé áramlik a víz, meghajtva a turbinát. Amikor apály van a víz visszafelé áramlik, ami ismét a
Dr. Kisfaludi Andrea_A kémia birodalmának magaslatain.docx
15
turbina megforgatásával jár együtt. A turbina mozgását egy generátor segítségével árammá alakítják. SALTER 84, CHEM C 188. Olvassátok el az alábbi cikk részleteket! “Egy tipikus napfénykollektoros vízmelegítõ rendszer két 2 négyzetméteres kollektorból, a meleg vizet a tartályba nyomó szivattyúból , elektronikus szabályozóból és tárolótartályból áll. A családi házakban és a nagyobb lakóépületekben egyaránt megtalálható vízmelegítõkkel az egyik gyártó és forgalmazó adatai szerint kollektoronként évi 750-1000 kilowattóra energia takarítható meg.” Egy ilyen napkollektoros vízmelegítõ ára kb. 150 ezer Ft (HVG 1995. Július 1.) “Tatán közel 2 ezer lakást és 700 lakáséval azonos hõigényû intézményt lát el meleggel és forró vízzel a fahulladékkal üzemelõ két 3,5 megawattos , kazánból álló fûtõmû. Az önkormányzat tulajdonában levõ Tatai Távhõszolgáltató Kft. 1987 óta mûködik és üzemeltetési költsége 70 %-a a gáz - és 20-25 %-a az olajüzemûnek. Ráadásul a így a tatai fûtés hasznosítja a Balatonfelvidéki Erdõgazdaság és a környékbeli számtalan kisebb-nagyobb faüzem hulladékát. (HVG 1995. Július 1.) Szerepjáték 1.: Napkollektor értékesítésével foglalkozó cég eladási menedzsere vagy. Feladatod, hogy meggyõzd egy szálloda építõjét vegyen a terméketekbõl. Megbeszélt találkozóra érkezel. Szálloda építõje vagy, célod, hogy minél olcsóbban szép, kényelmes, a vendégek számára vonzó szállodát építsél. Megbeszélésre várod a napkollektorokat eladó cég alkalmazottját. A menedzser megérkezik, leültök tárgyalni… Szerepjáték 2.: Polgármester vagy egy községben. A lakosság egy része rendszeresen panaszkodik a tarlóégetések okozta bûz miatt. A lakosság 20%-ának nincs munkája, ezért gyakorta fordul az önkormányzathoz fûtési támogatásért. Falugyûlést hívsz össze a problémák megoldására. Részvevõk: falu lakosai energetikai szakértõ: ismerteti a különféle energiafajták elõnyeit és hátrányait környezetvédõ: a biomassza hasznosítás ismerõje az önkormányzat tagjai
1.6.2. Az atomenergia PAKSI ERÕMÛ V. SALTERS 80. O Az atomerõmû mûködéséhez sokkal kevesebb fûtõanyag szükséges mint a szénerõmûvek mûködéséhez. Ha a képet megnézzük az erõmû tetején nem látunk kéményt. Vagyis közvetlenül nem bocsát a környezetbe szennyezõ anyagokat. Ugyanakkor az atomerõmû fûtõanyaga rendkívül veszélyes, sugárzó anyag, ezért az erõmû mûködése különleges szerkezetet, rendkívül nagy szakértelmet, óvatosságot és szigorú biztonsági elõírásokat igényel. Az elhasznált fûtõelemek elhelyezése is sok veszélyt rejt magában, ezért nagy körültekintést igényel. Hogyan mûködik az atomerõmû? Mit nevezünk izotópnak?: Mit nevezünk radioaktív izotópnak? Ki fedezte fel a radioaktivitást? Az urán egy fém, amelynek két természetes izotópja van. A természetben 99,3 %-ban a 238-as, 0,7 %ban a 235-ös tömegszámú urán izotóp fordul elõ. Mindkét izotóp radioaktív. Ha egy neutron a 235-ös uránizotóp magjának ütközik, akkor az atommag két közel egyenlõ részre hasad, miközben nagy sebességû neutronok válnak szabaddá és nagy mennyiségû energia szabadul fel. Ezek a nagy sebességû neutronok újabb urán235-ös izotópmagokkal képesek ütközni, így a folyamat megsokszorozva önmagát megismétlõdik.
Dr. Kisfaludi Andrea_A kémia birodalmának magaslatain.docx
16
SALTERS ENERGY 80.O HASADÁS LÁNCREAKCIÓ Az uránmag szétválását maghasadásnak, a reakció egészét láncreakciónak nevezzük. Az atombombában a folyamat szabadon, szabályozás nélkül megy végbe, ezért hatalmas energia és radioaktív részecskék szabadulnak fel. “1945. Augusztus 6-án 8 óra 15 perckor három amerikai repülõgép tûnt fel Hirosima légterében. A vezérgép levált a többitõl és kiesett belõle a Little Boynak (ejtsd: litl boj)) keresztelt atombomba. Kékesfehér fény villant, iszonyatos mennydörgés következett, utána pedig füstös, törmeléket kavaró gombafelhõ szökellt az égig. A robbanási hely alatt 12 négyzetkilométeres körzetben a lángtenger mindent elpusztított, 24 négyzetkilométeres körzetben 60-90 ezer épület vált romhalmazzá, kb 139 ezer ember halt meg, ebbõl 20 ezer kisgyermek.” CHEM C 262. O HIROSÍMA “Augusztus 9-én Nagaszaki város felett egy Enola Gay (ejtsd enola gé) névre keresztelt B-29-es bombázó dobta le a Fat Man (ejtsd: fet men) névû plutóniumbombát. Ez a bomba nagyobb erejû volt, mint a három nappal elõtte ledobott elõdje.” HVG 1995. Augusztus 5. ÁBRA HVG 95 AUG 5 A KISFIÚ 50 ÉVE. Az atomreaktorban a maghasadási folyamat szabályozott. Fûtõanyagként urán-oxidot használnak, amelynek nagyobb része 238-as tömegszámú urán, de a 235-ös tömegszámú izotóp 2%-ra van dúsítva. A fûtõanyagot acélcsövekbe töltik, amely csöveket egymás mellé teszik egy acélhengerbe, majd így helyezik a reaktorba. Ezt nevezik fûtõelemnek. A fûtõelemet grafithengerbe teszik. A grafit az ún. moderátor anyag, amelynek az a feladata, hogy a gyors neutronokat lefékezze. Az szabályozó rúd általában bórból készül. Szerepe a láncreakció sebességének szabályozásában van. A hûtõközeg többféle lehet. A paksi reaktorban víz a hûtõközeg, de vannak gázhûtésû reaktorok is. Feladata a túlmelegedés megakadályozása. A hûtõvizet elvezetik, majd a forró vízbõl gõzt állítanak elõ, amellyel egy turbina lapátjait forgatják meg, ezáltal elektromos energiát állítanak elõ. A reaktor belseje rozsdamentes acélból készül, amelyet beton vesz körül. A betonréteg feladata, hogy a radioaktív sugárzást elnyelje, valamint a magas hõmérséklettõl és nyomástól védje a külvilágot. Magyarországon 1980-tól több lépcsõben helyezték üzembe a paksi atomerõmûvet. Az erõmû rendelkezik korszerû nukleáris környezetellenõrzési berendezésekkel. Magyarország energiaellátásának több mint 40%-át a paksi erõmû szolgáltatja. Csernobil, Atomerõmû 1986. Április. 25. 1 óra 6 perc 14 óra 0 perc 23 óra 10 perc 24 óra 0 perc 1986. április 26 0óra 28 perc 0 óra 32 perc 1 óra 7 perc 1 óra 19 perc
A személyzet hozzákezd egy kísérlethez, amelyben ki akarják próbálni. Hogy a turbina képes-e mûködtetni a hûtõberendezést vészhelyzetben. Ezrét csökkentik a reaktor teljesítményét. A kijevi központ a teljesítmény fogyasztói igények miatti növelését kéri. A vészhûtõrendszert kikapcsolják. Teljesítménycsökkentés Mûszakváltás A reaktor teljesítménye 30 MW-ra zuhan, mert az egyik kezelõ elfelejtette beindítani az automata ellenõrzõ rendszert, ami 700 MW alá nem engedi esni a teljesítményt. Észlelik a teljesítményesést és a megengedettnél jóval több szabályozó rúd felemelésével 28 perc alatt 200 Mw-ra emelik a teljesítményt. Elõzõ napi kísérlet elõírásának megfelelõen két hûtõszivattyút indítanak be emiatt megbomlik a hûtõrendszer egyensúlya. A kezelõk ezt a vízmennyiség csökkentésével próbálnak ellensúlyozni. A hõmérséklet és a nyomás csökkentésének ellensúlyozására növelik a reaktor teljesítményét
Dr. Kisfaludi Andrea_A kémia birodalmának magaslatain.docx
17
1 óra 23 perc 4 másodperc 10 másodperc 21 másodperc 40 másodperc 44 másodperc 1óra 24 perc
Lezárják a turbinát meghajtó gõzt szabályozó szelepeket A szabályozó rudak felemelésével növelik a teljesítményt A spontán gõzképzõdés miatt beindul az öngerjesztõ láncreakció A kezelõ megnyomja a vészjelzõt A rektor teljesítménye a megengedett érték 100 szorosára a normális kapacitás 500 szorosára ugrik A maradék víz gõzzé válik, szétrobbantja a reaktor fedelét, majd robbanás következik, késõbb lángra lobban a levegõvel érintkezõ grafit.
Részletek a jegyzõkönyvbõl (HVG nyomán) A robbanáskor 8 tonnányi sugárzó anyag, 7 millió curie radioaktív szennyezés került a légkörbe. A radioaktív anyagok között a jód 131 a pajzsmirigyet támadja meg és rákos megbetegedést okozhat. A vörösvérsejtek képzõdését gátló, fehérvérûséget okozó radium bomlásából keletkezõ radon 222 szintén rákeltõ. Az elõbbi megállapításokat támasztja alá, hogy Ukrajna, Beloruszja és Oroszország területén nõtt a sugárbetegek száma. Április 29-rõl 30-ra virradó éjjel Magyarországra is elérkezett a szennyezés. CHEM COUNTS 263. O CSERNOBIL A RADIOAKTIVITÁS EGYSÉGEI TERM VIL 53. O. Élete során mindenkit ér természetes sugárzás. Ez a sugárzás a világûrbõl (kozmikus sugárzás) és a földkéregben levõ radioaktív anyagok bomlásából (földkérgi sugárzás) származik. Életünk során érnek minket mesterséges sugárzások is, ilyen amikor röntgenvizsgálatra megyünk. TÁBLÁZAT TERM VIL. 63. O. Készíts egy ábrát, amelyen szemlélteted az atomenergia hasznosításának elõnyeit és hátrányait! Kistelepülésen éltek és a környéketeken atomhulladék temetõt akarnak létesíteni. A lakosság tiltakozó levelet ír a polgármesternek. Fogalmazz egy húsz sorból álló tiltakozó levelet. Te vagy a polgármester és megkapod a lakosság tiltakozó levelét. Értesültél róla, hogy az atomhulladék temetõért cserébe fedezik a falu közvilágítási költségeit. Kiknek a véleményét kéred, mit mérlegelsz, hogyan döntesz? Számold ki! 1. Mennyi energiára van szükség 1 kg vas, vas-oxidból (Fe2O3) szén-monoxiddal való elõállításához? Mennyi szén elégetésébõl tehetünk szert ennyi energiára? 2. Mennyi energia keletkezik 1 dm3 98-as oktánszámú benzin égetésekor? (Tekintsük a 98as oktánszámú benzint 98% i-oktán és 2% heptán keverékének.) 3. Mennyi energia szükséges 1 mól szõlõcukor elõállításához? 6CO2 + 6H2O -----› C6H12O6 + 6O2 Ezt az energiát a zöld növények a Napból nyerik. Mi a folyamat neve? 4. Melegíteni vagy hûteni érdemes a szobát meszelés után? Számold ki az alábbi folyamat reakcióhõjét! Ca(OH)2 + CO2 ------› CaCO3 + H2O 5. Mennyi energiát termel a borszeszégõ 10 cm3 alkohol elégetésekor? (A borszesz 70% alkoholt tartalmaz, sûrûséget a függvénytáblázatból keresd ki!)
1.7. És amikor eszünk... Mi a margarin kémiai összetételét tekintve? Diákkis: Mennyi energiát fogyasztunk el a margarinos kenyér evésekor? Egy májkonzerves dobozt mossál tisztára mosogatószerrel és utána öblítsd ki vízzel, majd alaposan szárítsd ki. Töltsd meg a dobozt a feléig margarinnal, simítsd le a margarin felületét és tegyél a közepébe egy cipõfûzõ darabot (ne legyen mûszálas), mely a margarin felszínétõl kb. 0,5 cm.re kilóg. Mérd meg az elkészített szerkezet tömegét és jegyezd fel az alábbi táblázatba a mért értéket! Mérjél ki mérõhengerben 250 cm3 vizet és öntsd egy 500 cm3-es fõzõpohárba. Mérd meg a víz hõmérsékletét és jegyezd fel a táblázatba. A fõzõpoharat helyezd egy azbeszteshálóból és
Dr. Kisfaludi Andrea_A kémia birodalmának magaslatain.docx
18
vasháromlábból álló készülékre. Bunsen-égõ segítségével gyújtsd meg a cipõfûzõ kanócot és helyezd a vasháromláb alá. A melegítést addig végezd, amíg a víz hõmérséklete 10 oC-kal magasabb nem lesz. Ekkor oltsd el a kanócot. Várj ameddig a készülék lehûl majd mérd meg újra a készülék tömegét és jegyezd fel a mérés eredményét! (ha jut idõ rá, akkor érdemes a kísérletet halvarinnal is elvégezni.) Tömeg(g) Hõmérséklet(oC) égés elõtt égés után változás Milyen anyagok keletkeznek a margarin égésekor? Számítsuk ki, mennyi energiát termel a margarin 1 g-jának elégése! Vvíz= 250 cm3 ró víz = 1 g/cm3 mvíz= 250cm3 . 1 g/cm3 mvíz= 250 g = 0,25 kg
delta t= 10 oC c = 4,183 kJ/kg oC Q= cvíz . mvíz . delta t Q= 4,183 kJ/ kg . oC . 0,25 kg . 10oC Q= 10 kJ
A margarinos kenyér elfogyasztásakor a szervezetben a margarin elég. Az égés folyamata a szervezetben másképpen megy végbe mint a konzervesdobozban, azonban a kiindulási anyagok (margarin és oxigén) és az égéstermékek (szén-dioxid és víz) mindkét folyamatban azonosak. Az energia-megmaradás törvénye értelmében az energia nem vész el, nem keletkezik csak átalakul. Ebből következik, hogy a reakció során felszabaduló energia nem függ attól az úttól , hogy hogyan jut el a rendszer a kiindulási állapotból a végállapotba. Tehát ugyanannyi energia keletkezik a margarin májkonzerves dobozban való elégetésekor, mint akkor amikor elfogyasztása után a szervezetben ég el. Ugyanez a helyzet a többi élelmiszer esetében is. Ezért lehet meghatározni az egyes élelmiszerek elfogyasztásakor felszabaduló energiaértékeket, amelyeket az ún. kalóriatáblázatokban teszik közzé. élelmiszer vizes zsemle (52 g) tejes kifli (44g)
energia kJ, kcal 634,151
élelmiszer
559, 133
csirke comb
energia kJ, kcal 571,136
élelmiszer tej 2,8%-os
energia kJ, kcal 1302, 310
1046, 249
joghurt, kefír
554, 132
685, 163 731, 174
907, 216 617, 147
félbarna kenyér rozskenyér
1033, 246 1096, 261
marhahús (hátszín) sertéscomb pulykahús
fonott kalács (250g) paradicsom
3041, 724
nyári burgonya
367, 88
tejföl 20% tehéntúró félzsíros trappista sajt
97, 23
395, 94
tojás
714, 170
paprika alma banán őszibarack teavaj
84, 20 130, 31 441, 105 172, 41 3133, 746
téli burgonya gyalult tök zöldborsó zöldbab gépsonka párizsi
67, 16 386, 92 126, 30 670, 157 920, 219
olaszrizling bor kinizsi sör Coca cola Boci csoki csoki fagyi
336, 80 190, 45 189,45 2402, 572 739, 176
1600, 381
Az életfolyamatok fenntartása: vagyis az állandó testhőmérséklet, a szervezet anyagainak felépítése, pótlása, a növekedés, az izommunka energiát igényel. Mint ahogy a táblázatból kitűnik vannak
Dr. Kisfaludi Andrea_A kémia birodalmának magaslatain.docx
19
energiadús és energiában szegény ételek. Az élelmiszerek energiatartalmának vizsgálata különösen fontos a túlsúlyos és a kórosan sovány emberek számára. (vigyázat, nem a manöken alkathoz kell viszonyítani testsúlyunkat!). Más az energiaigénye egy fizikai és egy szellemi munkát végző egyénnek, más energia-bevitelt igényel egy ágyban fekvő beteg, egy terhes vagy szoptatós anya, egy élsportoló. Ugyanígy más-más energiára van szüksége egy kamaszkorú lánynak és fiúnak és más mennyiségű energiát igényel egy középkorú nő vagy férfi. A kamaszkorú lányok átlagos napi energiaigénye 9600 kJ A kamaszkorú fiúk átlagos napi energiaigénye 11400 kJ Újságokban, televízióban naponta hallani különféle fogyasztó “csodaszerekről”. Az előbbiek alapján kétségbe vonható az ilyen készítmények hatásossága. Fogyni csak kevesebb energia-bevitel (energiaszegény táplálkozás) és/vagy fokozott energiafogyasztás (sok mozgás,. sportolás) árán lehet. Milyen tápanyagok nélkülözhetetlenek az egészséges táplálkozáshoz? Írd fel, hogy milyen élelmiszereket fogyasztottál az elmúlt 24 órában? Csoportosítsd az elfogyasztott élelmiszereket tápanyagtartalmuk szerint! (pl. fehérjedús, szénhidrátdús, stb.) Számold ki a táblázat segítségével, hogy mennyi energiát fogyasztottál az eltelt napon? Elegendõ energiát fogyasztottál az elmúlt napon, megfelelõ volt-e az elfogyasztott táplálék összetétele?
Dr. Kisfaludi Andrea_A kémia birodalmának magaslatain.docx
20
Mit tanultunk eddig? Energia-megmaradás törvénye Az energia semmiből nem keletkezhet, semmié nem veszhet el csak a különféle folymatok során az egyik energiafajtából a másik energiafajtává alakul át. Az energiaváltozások a rendszer szempontjából lehetnek: folyamat neve: energiaváltozás előjele energia leadás exoterm folyamat - energia felvétel endoterm folyamat + Az energia-megmaradás törvényéből következik, hogy az energia leadás és az energia felvétel mindig egyidejű folyamat. Halmazállapot-változásokat kísérő energiaváltozások: Moláris olvadáshõ: Egy mól szilárd anyag állandó nyomáson és hõmérsékleten való megolvasztásához szükséges hõmennyiség Jele: Ho Mértékegysége Kj/mol Moláris párolgáshõ: Az a hõmennyiség, amelyet állandó nyomáson és hõmérsékleten egy mól folyadékkal közölni kell, hogy az gõzzé alakuljon. jele: Hp, mértékegysége: kJ/mol Avogadro-törvénye: A gázok egyenlõ térfogataiban azonos nyomáson, azonos hõmérsékleten a részecskék száma egyenlõ. Gáztörvények ..V -----= állandó, ha n, p állandó ..T V: a gáz térfogata T: a gáz abszolút hõmérséklete n: a gáz anyagmennyisége p: a gáz nyomása p . V = állandó, ha n, T állandó p: a gáz nyomása V:a gáz térfogata n: a gáz anyagmennyisége T: a gáz abszolút hõmérséklete p.V -----= állandó, ha n állandó T p.V -----= n.R T ahol p a gáz nyomása V a gáz térfogata, T a gáz hõmérséklete, n a gáz móljainak a száma, R a moláris gázállandó Gerjesztési energia az a hõmennyiség, amelyet 1 mól gázhalamazállapotú atommal közölni kell, hogy a leglazábban kötött elektronja az atommagtól távolabbi pályára kerüljön
Dr. Kisfaludi Andrea_A kémia birodalmának magaslatain.docx
21
jele: H gerj mértékegysége: kj/mól Oldódással kapcsolatos energia változás: Hidratációnak nevezzük az ionok és a vízmolekulák között fellépõ kölcsönhatást. Szolvatációról beszélünk, ha az oldószer nem víz, hanem más dipólusos molekulájú anyag. Hidratáció energiának nevezzük a vízmolekulák és az ionok között kialakuló kapcsolat során felszabaduló energiát Jele: Eh, Mértékegysége: kj/mól Oldáshõnek nevezzük egy mól anyag nagy mennyiségû oldószerben történõ feloldásakor keletkezõ vagy elnyelõdõ hõmennyiséget. Az oldáshõ jele: Ho, mértékegysége:kj/mol Kémiai reakcióval kapcsolatos energiaváltozás Képzõdéshõnek nevezzük azt az energiát, amely keletkezik vagy elnyelõdik, ha egy mól standard állapotú vegyület standard állapotú elemeibõl képzõdik jele: Ho mértékegysége: kj/mol Az elemek képzõdéshõje megállapodás szerint nulla. A vegyületek képzõdéshõjét kísérletileg meghatározzák és táblázatba foglalják. Reakcióhõnek nevezzük a kémiai reakció során történõ hõváltozást. Jele:Hr, mértékegysége: kJ Hr= xHo termékek - yHo kiindulási anyagok x: kiindulási anyagok móljainak száma y: keletkezett anyagok móljainak száma
Dr. Kisfaludi Andrea_A kémia birodalmának magaslatain.docx
22
A következő fejezetből megtudhatod, hogy
• • •
hogyan mérhetjük meg egy kémiai reakció sebességét, hogyan gyorsíthatunk meg egy kémiai reakciót, hogyan mennek végbe a valóságban a kémiai reakciók
Dr. Kisfaludi Andrea_A kémia birodalmának magaslatain.docx
23
2. Melyik reakció gyorsabb? Az előző fejezetben az energiaváltozás szempontjából kísértük nyomon a különböző reakciókat. Most az érdekel minket, milyen gyorsan játszódnak le a reakciók, vagyis a reakciók sebességével foglalkozunk.
2.1. Mit vizsgálunk és hogyan? Diákkis: A reakciók sebességének vizsgálata Tölts meg félig egy kémcsövet tejjel és cseppents bele 5 csepp ecetet! Tölts meg félig egy kémcsövet félig teával és cseppents bele 5 csepp citromlevet! Egy színes papírra cseppents pár csepp hypót! Magyarázd meg, mi történik az előbbi folyamatokban! Mennyi időt vettek igénybe az előbb említett folyamatok? Vannak olyan folyamatok, amelyek rendkívül gyorsak szinte pillanatok alatt lejátszódnak, ilyen az előző fejezetben említett atombomba robbanás, de a durranógáz próba is ezek közé a folyamatok közé tartozik. Ugyanakkor vannak folyamatok, melyek évek hosszú során át zajlanak, ilyen a mészkő szobrok alakjának a környezeti tényezők hatására történő változásai, vagy az autók karosszériájának rozsdásodása. CHEM COUNT 218.O MÉSZKŐSZOBOR VÁLT Milyen környezeti jelenségek idézik elő a mészkőszobrok alakjának változását és az autók karosszériájának rozsdásodását? A legtöbb, hétköznapi életben végbemenő folyamat, mint pl. a krumpli főzése, az almás pite megsütése, a vízkő eltávolítása, az aludttej készítése reakciósebesség szempontjából a két szélső eset között foglalnak helyet a. Diákkis: Reakciósebesség mérése Vegyünk elő egy 200 cm3-es főzőpoharat és tegyünk bele egy nagy vasszöget, amelynek tömegét előzőleg lemértük. Öntsünk a vasszöge annyi 73g/dm3-es koncentrációjú sósavoldatot, hogy ellepje azt. Egy percig hagyjuk az oldatban a vasszöget, majd csipesz segítségével emeljük ki az oldatból, szűrőpapírral itassuk le és mérjük meg a tömegét. Ismételjük meg a fentieket 10 percen keresztül percenként mérve meg a vasszög tömegének változását. Észleléseinket táblázatban foglaljuk össze! Idő Vasszög tömege (g) Vasszög tömegének változása az adott percben (g) (perc) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Írjuk fel a vasszög és a sósavoldat között lejátszódó reakció egyenletét! Milyen színű volt és milyen színűvé vált az oldat? REAKCIÓSEBESSÉG A REAKCIÓ ELŐREHALADÁSÁNAK IDŐBELI VÁLTOZÁSA JELE: v A reakciók lefolyásának sebességét bármely, a reakció során bekövetkező, mérhető változással követhetjük nyomon. A vasszög sósavval történő reakcióját a vasszög tömegének változásával követtük nyomon. A vasszög sósavval való reakciójának sebessége: a vasszög tömegének változása (g) v=------------------------------------------
Dr. Kisfaludi Andrea_A kémia birodalmának magaslatain.docx
24
perc (min) Számold ki a reakció percenkénti sebességét és írd be a kapott eredményeket a táblázat harmadik oszlopába! Hogyan változik a folyamat percenkénti sebessége? Miért változik a folyamat sebessége?
2.2. A reakció gyorsításának lehetőségei Ahhoz, hogy két anyag reakcióba léphessen egymással a két anyag részecskéinek találkozniuk kell egymással. Ha az ecetesüveg a zacskós tej mellett áll az asztalon nem fog történni semmi. Ha azonban a tejbe belecseppen az ecet - mint láttuk - a tej kicsapódik, mert a két anyag részecskéinek van alkalmuk találkozni egymással..
2.2.1. Ha az oldat töményebb… Diákkísérlet: Koncentráció hatása a reakciósebességre Töltsünk meg félig tejjel két kémcsövet. Az egyik kémcsőbe töltsünk annyi vizet, hogy a kémcső tele legyen. Rázzuk össze a kémcső tartalmát. Ebből az utóbbi kémcsőből öntsünk át egy fél kémcsőnyit egy harmadik kémcsőbe és öntsünk hozzá annyi vizet hogy tele legyen. Rázzuk össze a kémcső tartalmát, majd öntsük ki a felét. Cseppentsünk mindhárom kémcsőbe 5-5- csepp ételecetet. Hányszor hígabb a harmadik kémcső tartalma tejre nézve, mint az első kémcső tartalma? Figyeljük meg melyik kémcsőben a leggyorsabb a reakció! Ha időegység alatt több találkozásra nyílik lehetőség a reagáló anyagok részecskéi között, akkor nagyobb a lehetőség a köztük végbemenő reakció lejátszódásának. A reakciósebesség tehát függ a reagáló anyagok koncentrációjától. ANYAGMENNYISÉG-KONCENTRÁCIÓ VAGY KONCENTRÁCIÓ VAGY MÓLOS OLDAT JELENTÉSE: MEGMUTATJA, HOGY EGY DM3 OLDATBAN HÁNY MÓL OLDOTT ANYAG VAN. AZ ANYAGMENNYISÉG KONCENTRÁCIÓ JELE: C NOLDOTT ANYAG AZ ANYAGMENNYISÉG KONCENTRÁCIÓ KISZÁMÍTÁSÁNAK MÓDJA: C = ----------------- VOLDAT MÓL AZ ANYAGMENNYISÉG KONCENTRÁCIÓ MÉRTÉKEGYSÉGE: ----- dm3 Hány mólos azaz ecetoldat, amelyet úgy készítettünk, hogy 150 cm3 ételecetet 300 cm3 vízbe öntöttünk? Az ételecet 10 m/m %-os és 1,0126 g/cm3 sűrűségű. Számoljuk ki, 150 cm3 ételecetben hány gramm ecet van? m= V . m= 150 cm3 1,0126 g/cm3 m= 151,89 g moldott anyag W%= -------------------------- 100 moldat w% Voldat moldott anyag= ---------------------------100 10 151,89 moldott anyag=----------------------------100 moldott anyag=15,189g
Dr. Kisfaludi Andrea_A kémia birodalmának magaslatain.docx
25
Számoljuk ki, hogy az oldott anyag mennyisége hány mólnak felel meg! m n=---…M 15,189g n=---------------------60g/mól n=0,25315 mól 0,25 mól Számoljuk ki mekkora a keletkezett oldat térfogata! Voldat= 150 cm3 + 300 cm3 Voldat= 450 cm3 = 0,45 dm3 Számoljuk ki mekkora a keletkezett oldat koncentrációja! n c=----------------V 0,25 mól c=-------------------------= 0,56 mól/dm3 0,45 dm3 Tehát az oldat 0,56 mól/dm3 koncentrációjú.
Mekkora a tiszta szesz koncentrációja etil-alkoholra nézve? Mekkora a szalmiákszesz koncentrációja? Mekkora a háztartási sósav koncentrációja? (A sűrűségértékeket a Függvénytáblázatból keressd ki!)
2.2.2. Ha a felület nagyobb… Diákkísérlet:A felület nagyságának hatása a reakciósebességre Mérjük meg egy kockacukor tömegét! Mérjünk le a kockacukor tömegével azonos tömegű porcukrot! Öntsünk egy-egy 50 cm3-es főzőpohárba 25 - 25 cm3 vizet. Tegyük az egyikbe a kockacukrot, a másikba szórjuk a porcukrot. Mindkét főzőpohárban levő oldatot kevergessük. Melyik főzőpohárban oldódik fel hamarabb a cukor? Azt mindenki tapasztalhatta már, hogy a krumpli annál hamarabb fő meg, minél apróbbra daraboltuk, hogy a kristálycukor hamarabb oldódik fel mint a kockacukor. Ha vasport szórtunk volna sósavoldatba gyorsabb reakciót figyelhettünk volna meg mint az általunk használt vasszög esetében. A heterogén reakcióknál, amikor a reagáló anyagok különböző halmazállapotban vannak a reakciók sebességét a szilárd halmazállapotú anyag felület nagyságának megnövelésével is gyorsíthatjuk. Ekkor ugyanis több lehetősége van a reagáló anyagok részecskéinek találkozniuk egymással, tehát a reakció végbemenetelének valószínűsége is megnő.
2.2.3. Ha a hőmérsékletet növeljük… Amikor bevásárlás után hazatérünk igyekszünk minél hamarabb a hűtőszekrénybe tenni a vásárolt tejet, húst, sajtot. Ennek azaz oka, hogy ezekben a termékekben romlási folyamatok indulnak meg, amelyeket az alacsony hőmérséklet lelassít. Azt hogy ezek a folyamatok csak lelassulnak bizonyítja az is, hogy még a hűtőszekrényben tárolt élelmiszerek sem használhatók fel korlátlan ideig. Diákkísérlet: A reakciósebesség hőmérsékletfüggése Tegyél két 50 cm3-es főzőpohárba egy-egy kanál sütőport. Az első főzőpohárba cseppentsünk 5 csepp hideg vizet, a másik pohárba 5 csepp 60oC-os vizet. Melyik pohárban hevesebb a pezsgés? Általában elmondhatjuk, hogy a kémiai folyamatok sebessége hőmérséklet emelkedésével nő. Ennek a növekedésnek két oka van, az egyik, hogy magasabb hőmérsékleten a részecskék mozgása gyorsabb, tehát időegység alatt több reagáló részecske találkozhat. A másik ok, hogy a hőmérséklet
Dr. Kisfaludi Andrea_A kémia birodalmának magaslatain.docx
26
növekedésének hatására az ütközések energiája is megnő, tehát a reagáló anyagok részecskéi nemcsak találkoznak egymással, hanem megtörténik az átalakulás. Az ilyen ütközéseket nevezzük hatásos ütközésnek. A benzinkútnál a benzingőz és a levegő együtt fordul elő mégsem történik semmi baj mindaddig míg valaki rá nem gyújt egy cigarettára. Gondoljunk arra, hogyha két autó kis sebességgel ütközik, koccan lehetséges, hogy nem történik semmi. Ha viszont két nagy sebességű autó rohan egymásba, bizonyosra vehetjük, hogy nagy kár éri mindkettőt. AKTIVÁLÁSI ENERGIA AZ AKTIVÁLT ÁLLAPOT ELÉRÉSÉHEZ SZÜKSÉGES ENERGIA AZ AKTIVÁLÁSI ENERGIA JELE: EAKTIVÁLÁSI ENERGIA AZ AKTIVÁLÁSI ENERGIA MÉRTÉKEGYSÉGE: KJ/MÓL A HATÁSOS ÜTKÖZÉSEK AKKOR KÖVETKEZNEK BE, HA A REAGÁLÓ RÉSZECSKÉK ANNYI ENERGIÁVAL RENDELKEZNEK, HOGY A BENNÜK LEVŐ KÖTÉSEK FELLAZULNAK. EZT AZ ÁLLAPOTOT AKTIVÁLT KOMPLEXUMNAK NEVEZZÜK. AZT AZ ENERGIÁT, AMI AZ AKTIVÁLT KOMPLEXUM KIALAKULÁSÁHOZ SZÜKSÉGES AKTIVÁLÁSI ENERGIÁNAK NEVEZZÜK. ENERGIADIAGRAM BERECZ 400.O Ha a hőmérsékletet emeljük, akkor több részecske rendelkezik az átalakulási energiával, tehát több lesz a hatásos ütközések száma, vagyis a reakció sebessége. Az aktiválási energiát ugyanakkor nemcsak hő hanem pl. fény formájában is közölhetjük. Gondoljunk a metán klórozására! Mi keletkezik a metán klórral való reakciójakor?
2.2.4. Egy anyag, amely “csodát” tesz Az emberi szervezetben 37 oC-on, rendkívül sok olyan folyamat megy végbe, amely kémcsőben csak igen magas hőmérsékleten játszódna le. Diákkísérlet: egy reakció kétféle körülmény Egy karéj kenyérből tépjünk le 3-4 falatot, majd tegyük egy 50 cm3-es főzőpohárba. Öntsünk rá 10cm3 koncentrált kénsavat. Üvegbottal nyomkodjuk péppé, majd öntsünk rá 10 cm3 vizet. Tegyük a főzőpoharat azbesztes hálóra s forraljuk két percig. Hűtsük le az oldatot, majd szűrjük le és a szűrlettel végezzük el a Fehling reakciót. Kevés nyálat juttassunk egy falat kenyeret tartalmazó kémcsőbe. Üvegbottal kevergessük a kémcső tartalmát. Öntsünk a kémcsőbe 5 cm3 vizet és rázzuk össze a kémcső tartalmát. Szűrjük le az oldatot és a szűrlettel végezzük el a Fehling reakciót. Milyen anyag kimutatására alkalmas a Fehling reakció? A kenyér melyik összetevőjéből keletkezett a szőlőcukor? Hogyan nevezzük a savas forraláskor bekövetkező változást? Azokat az anyagokat - fehérjék, szénhidrátok, zsírok - amelyeket megeszünk a szervezetünk nem tudná lebontani 37oC-on, ha az emésztőrendszerünk nem tartalmazna különféle emésztő enzimeket. Ezek az enzimek fellazítják a kötéseket a lebontandó anyagokban, így aktivált állapotba hozzák őket, ezáltal alacsonyabb hőmérsékleten is végbemegy az átalakulás. Az enzimek a szervezet katalizátorai. A KATALIZÁTOROK OLYAN ANYAGOK, AMELYEKET A REAKCIÓELEGYHEZ ADVA MEGGYORSÍTJÁK A KÉMIAI REAKCIÓT, DE A REAKCIÓ LEZAJLÁSA UTÁN VÁLTOZATLAN FORMÁBAN MARADNAK VISSZA. A katalizátor azáltal képes meggyorsítani a kémiai folyamatokat, hogy egy olyan reakcióutat nyit meg, amelynek aktiválási energiája kisebb, mint az eredeti reakcióé. Ezzel a kisebb energiával több részecske rendelkezik, így több részecske képes adott idő alatt átalakulni , ezért gyorsabb a reakció. Diákkis: A katalizátor új reakcióutat nyit meg Fogjunk meg egy kockacukrot, majd a borszesz-égővel próbáljuk meggyújtani. Fogjunk meg egy másik kockacukrot és az egyik sarkát tegyük cigaretta hamuba, majd tegyük a borszesz-égő lángjába! Mit tapasztalunk? Mivé ég el a kockacukor? Mint láttuk és a konyhában tapsztalhattuk a kockacukor nem gyullad meg, hanem megolvad, majd vizet veszít és karamellizálódik. Ha azonban a kockacukor felületét cigarettahamuval bekenjük a kockacukor elég, víz és szén-dioxid keletkezik. A jelenség magyarázata abban rejlik, hogy a cukor olvadáspontja alacsonyabb hőmérsékleten van mint a gyulladáspontja. Ha azonban megfelelő katalizátort alkalmazunk pl. cigarettahamut, akkor a cukor égési folyamata egy kisebb aktiválási energiát igénylő reakcióúton megy végbe. Így a cukor katalizátor jelenlétében nem olvad meg, hanem elég.
Dr. Kisfaludi Andrea_A kémia birodalmának magaslatain.docx
27
KATALIZÁTOR HATÁSÁNAK ENERGIA DIAGR, BERECZ 400.O. Milyen káros gázokat bocsájt ki az autó működése közben? A személygépkocsik, buszok, teherautók mérgező gáz kibocsájtása szinte elviselhetetlenné teszi az egyes forgalmas csomópontokon a sétálást, kerékpározást. Kibocsájtott gázok élettani hatás CO a vér hemoglobinjához az oxigénnél erősebben kötődik, ezért oxigénhiányt, keringési elégtelenséget okoz CxHy (Policiklusos aromás vegyületek) rákkeltő hatás NOx légzőszervi elváltozást, fertőzőbetegségekkel szembeni ellenállóképesség csökkenését okozza A mérgező gázok légkörbe kerülésének elkerülése érdekében fejlesztették ki az autókban a katalizátorokat. A katalizátor felületén az alábbi folyamatok játszódnak le. mérgező gáz katalizátor légkörbe kerülő gáz CO -----› CO2 NOx -----› N2 CxHy -----› CO2 + H2O A katalizátor egy kipufogódobra hasonlít. Anyagát kerámiából vagy hőálló fémötvözetből készítik. Ekkor 20-30 ezer négyzetméter érdes felület keletkezik (2-3 futballpálya nagyság). Erre a hatalmas felületre 2g finom eloszlású palládiumot platinát és ródiumot visznek fel. A jól beállított, szabályozott üzemmódú gépkocsik károsanyag kibocsátása a katalizátor használatával 70-90 5-kal csökken. A katalizátorral azonban óvatosan kell bánni. Még véletlenül sem szabad ólmozott benzint tankolni az ilyen autókba, mivel az ólom katalizátor méreg és. tönkreteszi az aktív felületet. Ugyancsak kerülni kell a katalizátor hirtelen és túlzott felmelegedését, mert ekkor is tönkremehet a katalizátor. “A Californiai Clean Air Act például előírja, hogy 2003-tól A Kaliforniában forgalomba állított új gépkocsik legalább tíz százaléka nulla emissziójú legyen és ez a követelmény kizárólag villanyautókkal teljesíthető. További 13 észak-amerikai állam hasonló törvényeket készít elő, és a kérdés erősen foglalkoztatja az olyan mega-városok hatóságait, mint Honggkong, Szingapúr, vagy Bangkok , Európában a franciaországi La Rochelle játszik vezető szerepet.” “Egyidejűleg többfélr koncepción dolgoznak. Ide tartozik a villanyautó, a hidrogénmotor, a tüzelőanyag-cella, a bioüzemanyag(repceolaj, alkohol) és a gázautózás. “Ígéretesnek tűnik a tizenöt tonnás Mercedes prototípus hibrid meghajtással. Ez lakott területen csendes villanymotorral suhanna, országúton kedvező fogyasztású és alacsony károsanyag kibocsátású dízel hajtóművel közlekedne. “ “Sorozatban készülnek már a földgáz üzemű városi autóbuszok, valamint az elektromos hajtású Spronter , amely 36 kW teljesítményű motorjával 70 km/órás sebességre és hetven kilométeres útra képes egyszeri feltöltéssel.” Népszabadság Kerékvilág 1999.okt 20.
2.2.5. Hogyan mennek végbe a kémiai folyamatok? A kémiai folyamatok csak rendkívül ritka esetben mennek végbe úgy, ahogyan azt a kémiai egyenletben olvashatjuk. Vegyük példának a metán klórozását! Nézd meg újra a metán klórozásának egyes lépései! Láthatjuk, hogy a folyamat sok apró lépésből áll. Ezek között vannak lassúbb és gyorsabb lépések. Az egész folyamat sebességét ezek a lépések együttesen határozzák meg. Vagyis a kémiai egyenletből nem tudunk következtetéseket levonni egy reakció sebességére, hiszen az csak a reakció kiindulási anyagait és a végtermékeket tünteti fel, de nem ad felvilágosítást arról, mi történik az anyagokkal a két állapot között. Ezért egy-egy reakció sebességét mérések alapján állapítják meg.
Dr. Kisfaludi Andrea_A kémia birodalmának magaslatain.docx
28
Mit tanultunk eddig? REAKCIÓSEBESSÉG a reakció előrehaladásának időbeli változása jele: v
ANYAGMENNYISÉG-KONCENTRÁCIÓ VAGY KONCENTRÁCIÓ VAGY MÓLOS OLDAT Jelentése: Megmutatja, hogy egy dm3 oldatban hány mól oldott anyag van. Az anyagmennyiség koncentráció jele: c noldott anyag Az anyagmennyiség koncentráció kiszámításának módja: c = ----------------- Voldat mól Az anyagmennyiség koncentráció mértékegysége: ----- dm3 AKTIVÁLÁSI ENERGIA az aktivált állapot eléréséhez szükséges energia az aktiválási energia jele: Eaktiválási energia az aktiválási energia mértékegysége: Kj/mól A HATÁSOS ÜTKÖZÉSEK akkor következnek be, ha a reagáló részecskék annyi energiával rendelkeznek, hogy a bennük levő kötések fellazulnak. Ezt az állapotot aktivált komplexumnak nevezzük. Azt az energiát, ami az aktivált komplexum kialakulásához szükséges aktiválási energiának nevezzük. A KATALIZÁTOROK olyan anyagok, amelyeket a reakcióelegyhez adva egy új, kisebb aktiválási energiájú reakcióutat nyitnak meg miáltal meggyorsítják a kémiai reakciót, de a reakció lezajlása után változatlan formában maradnak vissza. EGY KÉMIAI REAKCIÓ SEBESSÉGE FÜGG: HOMOGÉN REAKCIÓKNÁL HETEROGÉN REAKCIÓKNÁL a kiindulási anyagok anyagi minősége a kiindulási anyagok anyagi minősége a kiindulási anyagok koncentrációja a kiindulási anyagok koncentrációja hőmérséklet hőmérséklet katalizátor katalizátor felület nagysága
Dr. Kisfaludi Andrea_A kémia birodalmának magaslatain.docx
29
A következõ fejezetbõl megtudhatod vannak megfordítható kémiai folyamatok az ipari folyamatok jelentõs része megfordítható kémiai folyamat mekkora az ételecet és a háztartási sósav pH-ja a sóoldatok sem semlegesek
Dr. Kisfaludi Andrea_A kémia birodalmának magaslatain.docx
30
·
3. Látszólag nem történik semmi...
A mindennapjainkban tapasztaljuk, hogy vannak folyamatok, amelyek csak egy irányban mehetnek végbe. Ilyen amikor piskótát sütünk, vagy tojást fõzünk, vagy meggyújtjuk a gáztûzhely lángját. Elképzelhetetlen, hogy a piskóta visszaalakuljon lisztté, tojássá, cukorrá, vagy a fõtt tojás lággyá váljék, de az is hogy a szén-dioxidból és a vízbõl újra metán és oxigén keletkezzen. NEM MEGFORDÍTHATÓ FOLYAMATNAK NEVEZZÜK AZOKAT A VÁLTOZÁSOKAT, AMELYEK CSAK EGY IRÁNYBAN JÁTSZÓDNAK LE MEGFORDÍTHATÓ FOLYAMATOKNAK NEVEZZÜK AZOKAT A VÁLTOZÁSOKAT, AMELYEK ELLENTÉTES IRÁNYBAN IS VÉGBEMEHETNEK HA A REAKCIÓ KÖRÜLMÉNYEIT MEGVÁLTOZTATJUK diákkísérlet: Készítsünk szódavizet! Hagyományos módon szifon segítségével készítsünk szódavizet! Töltsünk meg két poharat szódavízzel! Az egyik poharat fedjük le, a másikat hagyjuk nyitva állni. 1 óra elteltével kóstoljuk meg a két pohárban levõ szódavizet Nyomjuk ki az összes szódavizet a palackból, majd szereljük szét a szifont és égõ gyújtópálcát tegyünk bele? Mit tapasztalunk? Írd le a szódavíz készítésének kémiai egyenletét!
3.1. Amikor kialakul az egyensúly… Amikor becsavarjuk a patront patronból a szén-dioxid a beáramlik a palackba és részben elnyelõdik a vízben, ahol szénsav keletkezik belõle. A keletkezõ szénsav egy része visszaalakul szén-dioxiddá és vízzé. Mindkét folyamat egyidejûleg végbemegy, ezt az egyenletben úgy jelöljük, hogy két ellentétes irányú nyilat írunk az egyenlõségjel helyébe. CO2 + H2O <---->H2CO3 A patron becsavarásakor a szénsav gyorsabban képzõdik, mint ahogy elbomlik. Egy bizonyos idõ eltelte után azonban a bomlás és a keletkezés sebessége megegyezik és látszólag nem történik semmi. DINAMIKUS EGYENSÚLY ESETÉN SZEMMEL LÁTHATÓAN NEM TÖRTÉNIK SEMMI, AZONBAN AZ ELLENTÉTES IRÁNYÚ FOLYAMATOK ÁLLANDÓAN, MEGEGYEZÕ SEBESSÉGGEL FOLYNAK A dinamikus egyensúly esetén felírható az a matematikai összefüggés, ami kapcsolatot teremt a kiindulási és a keletkezett anyagok egyensúlyi koncentrációja között. TÖMEGHATÁSTÖRVÉNY: [H2CO3] K= ---------------------------- ahol K az egyensúlyi állandó a [H2O] [CO] [ ] mól/dm3 egyensúlyi koncentrációk a hõmérséklet állandó Szavakkal kifejezve a fenti összefüggést: EGY MEGFORDÍTHATÓ FOLYAMAT EGYENSÚLYÁNAK BEÁLLTAKOR A KELETKEZETT ANYAGOK KONCENTRÁCIÓJÁNAK MEGFELELÕ HATVÁNYON VETT SZORZATA OSZTVA A KIINDULÁSI ANYAGOK KONCENTRÁCIÓJÁNAK MEGFELELÕ HATVÁNYON VETT SZORZATÁVAL EGY ÁLLANDÓ SZÁM, AMELYET EGYENSÚLYI ÁLLANDÓNAK NEVEZNEK.
A törvényt 1867-ben Cato Maximilian Guldberg norvég matematikus és technikus, Peter Waage norvég kémikussal fogalmazta meg. Az egyensúlyi állandó értéke függ a hõmérséklettõl, vagyis minden hõmérsékleten más-más állandó szám.
3.2. Ha az egyensúlyt megzavarják… Amikor a szódavízzel telt poharat nem takartuk le tapasztalhattuk, hogy egy kis idõ múlva a szódavíz kissé “szúrós”, kellemes íze elmúlik és vízzé alakul át. Ez a változás azzal magyarázható, hogy a
Dr. Kisfaludi Andrea_A kémia birodalmának magaslatain.docx
31
szénsav bomlása során keletkezõ szén-dioxid szabadon eltávozhat, vagyis koncentrációja a rendszerben lecsökken. A szénsav keletkezésének és bomlásának egyensúlya ilyenkor megbomlik. Ezután a rendszerben olyan változások történnek amelyek igyekeznek a megbomlott egyensúlyt helyreállítani, vagyis a szén-dioxid koncentrációját megnövelni. Ezt a rendszer úgy érheti el, ha a szénsav bomlását fokozza. Ha ilyen esetben a poharat ismét letakarjuk a szén-dioxid nem képes eltávozni a rendszerbõl, és a szénsav bomlásából keletkezõ szén-dioxid visszaállítja az egyensúlyt. Természetesen ezek az egyensúlyi koncentrációk nem egyeznek meg az elõzõ egyensúlyi állapot egyensúlyi koncentrációival. Az egyensúly megzavarásakor kialakuló folyamatokat gondoljuk el úgy, mint amikor elindul velünk a villamos és elveszítjük az egyensúlyunkat, egy kicsit hátradõlünk. Utána igyekszünk a kapaszkodóért nyúlva visszahúzni magunkat, hogy visszanyerjük az egyensúlyunkat. LE CHATELIER - BRAUN ELV (EJTSD: LÖ SATELIÉ - BRAUN ELV): HA EGYENSÚLYBAN LEVÕ RENDSZERRE A KÜLSÕ KÖRÜLMÉNYEK MEGVÁLTOZTATÁSÁVAL KÉNYSZERT GYAKOROLUNK, AKKOR AZ EGYENSÚLY ÚGY TOLÓDIK EL, HOGY A RENDSZER A KÜLSÕ KÉNYSZER ALÓL KITÉRNI IGYEKSZIK. (1887) Henri Le Chatelier francia kémikus és Karl Ferdinand Braun ismerte fel ezt a szabályt 1887-ben.
3.2.1. A koncentráció megváltoztatása diákkis: A szódáspalack egyensúlyának befolyásolása A szódáspalack tartalmának a felét nyomjuk ki majd a szódáspalackba csavarjunk még egy patront és töltsünk ki belõle egy pohár szódavizet. Kóstoljuk meg az így kapott szódavizet és hasonlítsuk össze ennek a szódavíznek a “szúrósságát” az egy patronnal készült szódavízzel. A második patron becsavarásakor a palackban megnõ a szén-dioxid nyomása. Több szén-dioxid oldódik vízben, ezáltal hirtelen megnõ a szén-dioxid koncentrációja az oldatban. Az egyensúly megbillen. A palackban ezután olyan folyamatok mennek végbe, amelyek a megbomlott egyensúlyt igyekeznek helyreállítani, vagyis a szén-dioxid koncentrációját csökkenteni. Ez úgy lehetséges, hogy a második patron szén-dioxidjának egy része a vízzel szénsavvá alakul, így megnõ a szénsav koncentrációja, ezért érezzük szúrósabbnak a két patronnal készült szódavizet. CO2 H2O H2CO3 kiindulási koncentráció a b 0 egyensúlyi koncentráció a-c b-c c patron becsavarásakor a-c+k b-c c koncentrációk új egyensúly kialakulásakor a-c+k-x b-c-x c+x koncentrációk ahol k a második patron becsavarásából oldódott szén-dioxid móljainak száma x a vízzel reagáló szén-dioxid móljainak száma mivel a szódáspalack 1 dm3-es a mólok száma megegyezik a koncentrációval. Ha valamilyen módon az egyensúlyi rendszerbõl a keletkezõ szénsavat eltávolítjuk, pl. szódabikarbónává alakítjuk át, akkor a rendszert kibillentettük az egyensúlyából. Ekkor a rendszer a szénsav koncentrációjának növelésével képes visszanyerni az egyensúlyát. Ez úgy lehetséges, ha a szén-dioxid és a víz egy része szénsavvá alakul. Ha elfelejtettük a palackba belehelyezni a csövet és így nyomjuk meg a palackot, akkor a szén-dioxid távozik el a rendszerbõl és felborul az egyensúly. Az egyensúlyt a szén-dioxid koncentrációjának megnövelésével lehet helyreállítani. Ez úgy lehetséges, ha szénsav egy része elbomlik vízzé és széndioxiddá. A hosszantartó hatású gyógyszerek esetén is a kémiai egyensúly jelenségét használják ki. Ha a szervezetbe az illetõ anyag pl. a C vitamin koncentrációja lecsökken, akkor a kapszulából C vitamin oldódik ki. Így válhat lehetõvé , hogy pl. cukorbetegeknek, vagy más krónikus betegségben szenvedõknek csak egyszer egy hónapban kell a szervezetébe a gyógyszert bejuttatni.
Dr. Kisfaludi Andrea_A kémia birodalmának magaslatain.docx
32
3.2.2. A hõmérséklet változtatása Aki életében készített már kandírozáshoz cukorszirupot az tudja, hogy legegyszerûbb úgy csinálni, hogy a vizet felmelegítjük és a melegvízben oldjuk fel a cukrot. Így gyorsabban készül el az oldat és biztosan tömény oldatot készítünk. Miért oldódik gyorsabban a cukor meleg vízben? Diákkis: Cukorszirup egyensúlyának vizsgálata Egy 250 cm3-es fõzõpohárba öntsünk 150 cm3 vizet és melegítsük a pohár tartalmát 60°C-ig. Folytassuk a melegítést és közben oldjunk fel a vízben annyi kristálycukrot, hogy a pohár alján még maradjon feloldatlan kristálycukor. Ügyeljünk arra, hogy a hõmérséklet ne emelkedje 60°C fölé. Hagyjuk abba a melegítést és melegen szûrjük le az oldatot. Majd hûtsük le az oldatot 20°c-ra. A 60°C-os oldat készítése közben a szilárd kristálycukor mennyisége csökken , míg az oldott kristálycukor mennyisége nõ. A 60°C-os oldatban az oldódási egyensúly kialakult, vagyis a szilárd kristálycukorból egységnyi idõ alatt ugyanannyi oldódott fel mint amennyi az oldódott kristálycukorból kiülepedett. egyensúly esetén: c[szilárd kristálycukor]=állandó [coldott kristálycukor] = állandó Hûtéskor, mint azt láttuk az oldatból cukor ülepedett ki, vagyis az oldott kristálycukor móljainak a száma az oldatban lecsökknet. A szilárd kristálycukor móljainak száma (hozzáadva a leszûrt mennyiséget.) megnõtt. 20°C-on kialakult egy új egyensúly. Mint láttuk a hõmérséklet csökkenésével kevesebb kristálycukor oldódott fel ugyanannyi vízben mint magasabb hõmérsékleten. Az anyagok többségére igaz az az, hogy magasabb hõmérsékleten töményebb vizes oldat készíthetõ belõle. Ez a tapasztalati tény annak tudható be, hogy az egyensúly megzavarásakor, vagyis hûtéskor olyan folyamatok indulnak be, amelyek a hõmérsékletet visszaállítani, vagyis növelni igyekeznek. A hõmérsékletet növelõ folyamatok, az exoterm folyamatok. A kristálycukor esetében a kiülepedés az exoterm folyamat, tehát hûtés hatására kevesebb cukor fog feloldódni ugyanannyi vízben. Mi az oltott mész képlete? Diákkis: Oltott mész oldódásának vizsgálata Oldjunk fel egy vegyszereskanálnyi oltott meszet 50 cm3 vízben , majd szûrjük le az oldatot. A leszûrt oldatot melegítsük 80 °C-ra. (Az oltott mész azon kevés anyagok közé tartozik, amelyekbõl magasabb hõmérsékleten kevesebb oldódik.) A 20 °C-on telített oldat egyensúlyban volt a fel nem oldódott Ca/OH/2-dal. A hõmérséklet emelkedésével az egyensúly megbomlott és a rendszerben olyan változások indultak be, amelyek a hõmérsékletet csökkenteni igyekszenek, vagyis endoterm folyamatok. Az oltott mész esetében az a kiválás folyamata. Tehát magasabb hõmérsékleten hígabb oldatot lehet készíteni, mint alacsonyabb hõmérsékleten. Ha egy egyensúlyban levõ zárt rendszer hõmérsékletét növeljük a rendszer kibillen az egyensúlyából és a rendszerben endoterm folyamatok sebessége megnõ. Ha egy egyensúlyban levõ zárt rendszer hõmérsékletét csökkentem a rendszerben az exoterm folyamatok sebessége megnõ.
3.2.3. A nyomás változtatása diákkis: kísérlet sütõporral Egy kémcsõbe szórjunk egy fél csomagnyi sütõport. Öntsünk a sütõporra egy kanál vizet. Dugaszoljuk be a kémcsövet egy olyan dugóval, melyet egy, a dugó furatába illesztett dróttal a kémcsõben szabadon mozgathatunk. Az így készített dugattyúnkat lassan nyomjuk össze, mindaddig amíg a kémcsõben a pezsgés megszûnik. Majd ismét húzzuk vissza a dugattyút. Mit tartalmaz a sütõpor? Milyen gáz képzõdik, amikor a sütõporra vizet öntünk? Amikor a sütõporra vizet cseppentettünk a következõ folyamat ment végbe: víz NaHCO3 + H+ <----> Na+ + H2O + CO2
Dr. Kisfaludi Andrea_A kémia birodalmának magaslatain.docx
33
Amikor a dugattyút összenyomjuk akkor a dugattyúban a térfogat csökken és ezzel együtt a széndioxid nyomása megnõ. Ennek hatására a rendszerben olyan folyamatok indulnak be, amelyek a szén-dioxid nyomását csökkenteni igyekszenek. Ez úgy lehetséges, ha a szén-dioxid a képzõdött vízzel és nátriumionokkal nátrium-hidrogénkarbonáttá alakul, vagyis az alsó nyíl irányában folyik gyorsabban a reakció, majd kialakul egy új egyensúly. Ha a dugattyút visszahúzzuk akkor a dugattyú térfogata megnõ és a szén-dioxid nyomása lecsökken. A rendszerben olyan folyamatok indulnak be amelyek a szén-dioxid nyomását növelni igyekeznek. Ez a folyamat a szén-dioxid keletkezése, vagyis a felsõ nyíl irányába mutató reakció. Végül kialakul egy új egyensúly. A nyomás változtatásával csak olyan egyensúlyokat tudunk befolyásolni, amelyek gázképzõdéssel vagy gáz elnyelõdéssel járnak valamint, amelyekben a kiindulási gázok és a végtermék gázok móljainak a száma jelentõs mértékben eltér egymástól. Esetünkben a kiindulási anyagok között nem volt gáz halmazállapotú, míg a végtermékek egyike gáz halmazállapotú volt, tehát itt a nyomás változtatásával befolyásolhatjuk az egyensúlyt.
3.3. Egyensúlyi folyamatok az iparban Az ipari termelésben rendkívül fontos, hogy a terméket minél nagyobb mennyiségben, minél rövidebb idõ alatt és minél olcsóbban lehessen elõállítani. A termékek nagy része csak megfordítható folyamatokon keresztül állítható elõ. Ilyen esetekben nagyon fontos, hogy a folyamatot a termék keletkezésének irányába tolják el.
3.3.1. Az ammóniaszintézis Ki oldotta meg az ammóniaszintézist ipari méretekben való kivitelezését? Milyen nyersanyagokból állítják elõ az ammóniát az iparban? Írd fel az ammóniaszintézis egyenletét! Keressd ki az ammónia képzõdéshõjét a Függvénytáblázatból! Az ammónia képzõdése is megfordítható folyamat. Az ipari gyártás szempontjából az a kedvezõ, ha minél több ammónia képzõdik, vagyis a keletkezés irányába toljuk el a folyamatot. N2 + 3H2 <=> 2NH3 Az egyensúly eltolásának lehetõségei: 1. A koncentráció : A nitrogént és a hidrogént folyamatosan juttatják a rendszerbe. 2. A hõmérséklet : Az ammónia képzõdéshõje negatív, vagyis a folyamat exoterm. Ezért a hõmérséklet csökknetésével lehet a reakciót az ammónia képzõdése irányába eltolni. Az alacsony hõmérséklet azonban a reakció sebességét annyira lelassítaná, hogy hosszú idõ alatt képzõdne csak megfelelõ mennyiségû ammónia. A két ellentétes hatásnak egy megfelelõ hõmérséklet megválasztásával tesznek eleget. Ez a hõmérséklet 500 oC. 3. A nyomás: A nyomás növelése kedvez az ammónia képzõdésének, hiszen a megnövekedett nyomásra a rendszerben olyan folyamatok indulnak be, amelyek a nyomást csökkenteni igyekeznek. Ez akkor következik be, amikor 4 mól gázból (1 mól nitrogén és 3 mól hidrogén) 2 mól gáz (ammónia) keletkezik ugyanakkora térfogatban. 4. A katalizátor: Vaskatalizátor jelenlétében a reakció gyorsabban megy végbe. Ilyen körülmények között is csak a kiindulási anyagok 15-35%-a alakul át ammóniává. Az el nem reagált hidrogén és nitrogén gázt visszavezetik a reakciótérbe és ismét reagáltatják egymással. ÁBRA A GYÁRTÁSI FOLYAMATRÓL
Dr. Kisfaludi Andrea_A kémia birodalmának magaslatain.docx
34
3.3.2. A salétromsav gyártása A salétromsavat ammóniából kiindulva állítják elõ. Az ammóniát elõször nitrogén-monoxiddá oxidálják az alábbi egyenlet szerint: 4NH3 + 5O2 ----› 4NO + 6H2O Számold ki a folyamat reakcióhõjét! ÁBRA GERECS 87. O. II.29. 1. Koncentráció: Levegõvel kevert ammóniagázt juttatnak folyamatosan a reakciótérbe. 2. Hõmérséklet: A reakció exoterm, de a reakciósebesség miatt nem választhatnak túl alacsony hõmérsékletet. 850 oC-on vezetik a reakciót. 3. Nyomás: A nyomás növelése vagy csökkentése itt nem jár eredménnyel, mivel 9 mólnyi gázból (4NH3 + 5O2) 10 mólnyi gáz(4NO + 6H2O) keletkezik. 4. Katalizátor: 5-10% ródiumot tartalmazó platina ötvözetet alkalmaznak katalizátorként. Az átalakulás mértéke a fenti környezeti tényezõk mellett 97-98%-os. A nitrogén-monoxidot az alábbi folyamatok szerint alakítják salétromsavvá: 2NO + O2 ----› 2NO2 NO + NO2 ----› N2O3 2NO2 ----› N2O4 N2O3 + H2O ----› 2HNO2 N2O4 + H2O ----› HNO3 + HNO2 3HNO2 ----› HNO3 + 2NO + H2O
összegezve a fenti részfolyamatokat: 2NO + 1,5O2 + H2O ----› 2HNO3 A salétromsav gyártása tornyokban történik. A tornyokat nagy felületû anyaggal töltik meg. A torony alján vezetik be a nitrogén oxiddal kevert oxigént. A torony tetején vizet vezetnek be. A keletkezõ salétromsav a vízben elnyelõdik. Több tornyot csatlakoztatnak egymás után, így végül 60 m/m%-os salétromsavat állítanak elõ. A folyamatot alacsony hõmérsékleten vezetik, mivel a végbemenõ folyamatok exotermek. GERECS 88.O.ÁBRA
3.3.3. Pétisó gyártása A pétisó mészkõliszttel kevert ammónium-nitrát. a gázok Miért kell mészkõliszttel keverni az ammónium-nitrátot? Írd fel az ammónium-nitrát képzõdésének egyenletét! Számold ki a folyamat reakcióhõjét! A torony tetejérõl csurgatják le a 60 m/m%-os salétromsavat, az ammóniagázt vezetnek be torony aljáról. Mivel a folyamat exoterm, a keletkezett víz nagy része elpárolog. A maradék vizet bepárló készülékben párologtatják el. Végül a keletkezett ammónium-nitrátot mészkõliszttel keverik. Mi a bepárlás?
3.3.4. A kénsav gyártása A kénsavat kén-dioxidból állítják elõ. A kén-dioxidot a kéntartalmú ásványok pl. a piritpörkölésével, másnéven oxidálásával állítják elõ. A keletkezõ kén-dioxidot kén-trioxiddá oxidálják: 2SO2 + O2 ----› 2SO3 Számold ki a folyamat reakcióhõjét! A gyártási folyamatot toronyban valósítják meg. ÁBRA GERECS 73.O. 1. Koncentráció: A reakciótérbe folyamatosan kén-dioxid és levegõ keverékét juttatják be. 2. hõmérséklet: Mivel a folyamat exoterm itt is egy megfelelõ hõmérsékletet kell keresni, ami 420oC.
Dr. Kisfaludi Andrea_A kémia birodalmának magaslatain.docx
35
3. Katalizátor: Platina vagy vanádium-pentoxid katalizátort alkalmaznak. A toronyban katalizátorral megtöltött csövek között áramlik a gáz és ott történik meg a reakció. A kén-dioxid 97-98%-a alakul át kén-trioxiddá. A keletkezõ kén-trioxidot 98m/m%-os kénsavat tartalmazó toronyba vezetik, ahol óleum keletkezik belõle. Mi az óleum? Milyen töménységû a tömény kénsav? Befolyásolja-e az egyensúlyt a nyomás növelése?
3.3.5. Fischer-Trops szintézis Az elmúlt esztendõben a motorhajtó anyagokról szóló fejezetben már utaltunk rá, hogy szénmonoxid és hidrogéngázból benzint is elõ lehet állítani. Bár ezt az eljárást benzin elõállítására manapság már nem használják. Ugyanakkor a paraffinok és az olefinek elõállítására alkalmas az eljárás. Mi volt az ösztönzõje a Fischer-Trops szintézis feltalálásának? (2n+1)H2 + nCO ----› CnH2n+2 + nH2O 1 (n+1) H2 + 2nCO ----› CnH2n+2 + nCO2 2 2nH2 + nCO ----› CnH2n + nH2O 3 nH2 + 2nCO ----› CnH2n + nCO2 4 A fenti egyenletek közül az 1,3 reakció kobalt, a 2,4 reakció vas katalizátorral gyorsítható. Mindegyik reakció exoterm, ezért a hõmérséklet túlzott emelése nem kedvezõ. A vaskatalizátorral gyorsított reakciók 200-350 oC-on, a kobaltkatalizátorral gyorsított reakciók 170-210 oC-on mennek végbe a leghatásosabban. A nyomás növelése mindegyik folyamatban kedvezõ, hiszen minden reakció esetében a kiindulási anyagok móljainak a száma meghaladja a keletkezett anyagok móljainak a számát. A kobaltkatalizátor esetén 1-14 . 105 Pa, a vaskatalizátor esetén 1-50 . 105 Pa a használt nyomás érték.
3.3.6. Poliészter mûanyagok képzõdése Milyen anyagokból képzõdnek az észterek? Írd fel az észterképzõdés általános egyenletét! Mibõl állítják elõ a terilént? A poliésztereket - mint azt már tanultuk is - többértékû karbonsavak és többértékû alkoholok reakciójával állítják elõ. Az észterképzõdés is egyensúlyra vezetõ folyamatok közé tartozik. A reakcióhoz katalizátorként fémvegyületeket alkalmaznak.
3.4. A savasság és a lúgosság mértéke A mindennapokban tapasztaljuk, hogy a teát citrommal kell megsavanyítani a kellemes íz eléréséhez, az uborkát, zöldparadicsomot ecetes lében tartósítjuk és savanyítjuk, a mosószerek és a szappanok oldata viszont lúgos kémhatású. A reklámokban gyakorta halljuk, hogy bõrbarát pH-jú tusfürdõvel érdemes zuhanyozni, mert az nem lúgos mint a szappan, ezért nem szárítja a bõrt. Tanultunk már a savas esõkrõl, tudjuk, hogy milyen hatással van a növényzetre a szobrokra. Tanulmányaink elsõ évében megtanultuk meghatározni ezeknek az oldatoknak a pH-ját indikátorok segítségével. Most megismerkedünk azzal, hogy mit jelent a pH érték és hogyan lehet ezeknek az oldatoknak a pH-ját kiszámítani. Mi okozza egy oldat savas kémhatását? Mi okozza egy oldat lúgos kémhatását? Mit nevezünk savnak és mit nevezünk lúgnak? Az oldatok milyen tulajdonságát jellemzi a pH? Milyen értékek között változhat egy oldat pH-ja?
Dr. Kisfaludi Andrea_A kémia birodalmának magaslatain.docx
36
3.4.1. Mennyire savanyú a háztartási sósav? Diákkis: Tízszeresére higított háztartási sósav pH-jának meghatározása Mérjünk ki 10 cm3 háztartási sósavat egy 100 cm3-es mérõhengerbe, majd egészítsük ki az oldatot 100 cm3-re. Öntsük ki a mérõhenger tartalmát egy fõzõpohárba és keverjük össze az oldatot. Mérjük meg a higított háztartási sósav pH-ját univerzál indikátorral! A sósav az erõs savak közé tartozik, ami azt jelenti, hogy vízben való bomlása kloridionra és oxóniumionra vízben gyakorlatilag egyirányú folyamatnak tekinthetõ. HCl + H2O< ----> H3O+ + Cl- Ebbõl következik, hogy a sósavoldat koncentrációja megegyezik a belõle keletkezõ oxóniumion koncentrációjával. Számoljuk ki a tízszeresére higított háztartási sósav pH-ját! Számoljuk ki a tízszeresére higított háztartási sósav oldat tömegét! w%=2m/m% ró = 1,0125 g/cm3 moldat= Voldat -ró oldat moldat= 1000 cm3 1,0125 g/cm3 moldat= 1012,5 g Számoljuk ki az oldott anyag tömegét! moldat w% moldott a. =------------- 100 1012,5g. 2 moldott a. =-------------- 100 moldott a.= 20,25 g Számoljuk ki az oldott anyag móljainak számát! n n=---- M 20,25 g n=--------------=0,55 mól 36,5 g/mól
Mivel a vízben oldott hidrogén-klorid teljes mértékben oxóniumionra és kloridionra bomlik, így a hidrogén-kloridbõl keletkezõ oxóniumionok koncentrációja megegyezik a hidrogénklorid koncentrációjával. Tehát az oxóniumion koncentráció szintén 0,55 mól/dm3. A PH AZ OLDATOK OXÓNIUMION KONCENTRÁCIÓJÁNAK TIZES ALAPÚ NEGATÍV LOGARITMUSÁNAK NEGATÍVJA. MATEMATIKAILAG MEGFOGALMAZVA: PH = -LG [H3O+] Paul Lauritz Sörensen (ejtsd: szörenzen) (1868-1939) 1909-ben vezette be a pH fogalmát. Számoljuk ki a tízszeresére higított háztartási sósav pH-ját! pH= -lg[0,55] pH= o,26
Hasonlítsuk össze a mért és a számolt értékeket!
3.4.2. Mennyire savanyú az ecet? Diákkis: Az ételecet pH-jának meghatározása Mérjük meg az ételecet pH-ját univerzál indikátorral! Az ételecet az ecetsav 10 m/m%-os vizes oldata. Az ételecet a gyenge savak közé tartozik, vagyis az ecetsavmolekulák vízben való bomlása megfordítható folyamat. Az oldatban az ecetsavmolekulák egy része acetát-ionra és hidrogénionra bomlik el. A hidrogénionok reagálnak a vízmolekulákkal és belõlük oxóniumionok képzõdnek. A folyamat visszafelé is lejátszódik az oldatban, vagyis az ecetsavmolekulák képzõdése is megfigyelhetõ. Amikor az oldatban az ellentétes irányú folyamatok sebessége megegyezik, beáll az egyensúly. CH3COOH + H2O <=> CH3COO- + H3O+
Dr. Kisfaludi Andrea_A kémia birodalmának magaslatain.docx
37
Az egyensúlyra felírható a tömeghatás törvénye: [CH3COO-] [H3O3] K=----------------------------------------- [CH3COOH] [H2O] Számold ki, hogy 1 dm3 víz hány mól víznek felel meg! 1dm3= 1000 cm3 róvíz= 1 g/cm3 m=ró V m=1g/cm3 . 1000 cm3 m=1000g m n=---- M 1000g n=----------- ---=55,5 mól 18g/mól
A vízmolekuláknak csak rendkívül kis része válik oxónium ionná, ezért a vízmolekulák koncentrációja gyakorlatilag nem változik , állandónak tekinthetõ. Ezzel az állandóval beszorozható az egyensúlyi állandó. Két állandó szorzataként egy új állandót kapunk, amelyet savi disszociáció állandónak nevezzük A savi disszociáció állandó értéke minden sav esetében más-más érték. A savi disszociáció állandó értékeket a Függvénytáblázatból kereshetjük ki. [CH3COO-] [H3O] Ksav= K [H2O] = -------------------------- [CH3COOH] Mekkora az oxóniumion koncentráció az ételecetben? Az ételecet sûrûsége: 1,0126 g/cm3 MCH3COOH= 60g/mól Ksav=1,8 10-5 mól/dm3 Elõször kiszámoljuk az oldat tömegét. moldat= V .ró ecetsav moldat=1000 cm3 . 1,0126g/cm3 moldat= 1012,6g Kiszámoljuk az oldatban levõ ecetsav tömegét. moldat . w% moldott anyag=--------------------------- 100 moldott anyag= 101,26 g Kiszámoljuk, hogy az oldatban levõ ecetsav hány mólnak felel meg. m n=------ M 101,26 g n=----------- = 1,69mól 60 g/mól
Tehát a z ecetsav koncentrációja 1,69 mól/dm3. Megvizsgáljuk a különféle anyagok koncentrációját kezdetben és az egyensúly beálltakor: ecetsav acetát-ion oxóniumion kiindulási 1,69 0 0 koncentráció
Dr. Kisfaludi Andrea_A kémia birodalmának magaslatain.docx
38
egyensúlyi 1,69-x x x koncentráció x: A protonját a vízmolekuláknak átadó ecetsavmolekulák móljainak száma. Helyettesítsük be az egyensúlyi értékeket a tömeghatás törvényébe:
x . x
K=- -------------------------------- [CH3COOH-x] A savi disszociáció állandót megvizsgálva láthatjuk, hogy az 10-5 nagyságrendû. Ebbõl következik, hogy x értéke 1,69 mellett elhanyagolhatóan kicsi. Ezért az x érékét a nevezõbõl elhanyagoljuk. x2 K=---------------------- 1,69 x2= 1,8 10-5 . 1,69 x2=3,042 10-5 x=5,5 10-3 pH= -lg 5,5 . 10-3 pH= 2,26
Hasonlítsuk össze a mért és a számolt értékeket!
3. 4.3. Szappanfõzéshez szükséges marónátron oldat pH-ja Mibõl készül a szappan? Hogyan készül a szappan, írd le a szappankészítés folyamatát egyenlettel! diákkis: Marónátron oldat készítése Mérj le mérlegen 10g NaOH pasztillát! Mozsárban porítsd, majd készíts belõle 1000 cm3 oldatot! Mérd meg az elkészült oldat pH-ját univerzál indikátorral! Számoljuk ki az elkészült marónátron oldat pH-ját! Számoljuk ki, hogy 10 g NaOH hány mól! m n=---- M 10g n=----------- = 0,25 mól 40g/mól Számoljuk ki az oldat koncentrációját! 0,25 mól c=----------- = 0,25 mól/dm3 1 dm3
A nátrium-hidroxid erõs lúg, ami azt jelenti, hogy bomlása gyakorlatilag egyirányú folyamat. NaOH <----> Na+ + OH- Ebbõl következik, hogy a nátrium-hidroxid oldat koncentrációja megegyezik a NaOH bomlásából származó hidroxil ionok koncentrációjával. [OH-] = 0,25 mol/dm3 A POH A HIDROXILIONOK KONCENTRÁCIÓJÁNAK TIZESALAPÚ LOGARITMUSÁNAK NEGATÍV ÉRTÉKE. MATEMATIKAILAG MEGFOGALMAZVA: POH= -LG [OH-] pOH = -lg [0,25] pOH = 0,6 A pOH és a pH értékek között - itt nem tárgyalt okok miatt - összefüggés van: pOH + pH = 14 Ezen összefüggés segítségével a marónátron-oldat pH-ja kiszámítható: pH= 14 - 0,6=13,4 Hasonlítsuk össze a mért és a számolt értékeket!
Dr. Kisfaludi Andrea_A kémia birodalmának magaslatain.docx
39
3.4.3. A szalmiákszesz pH-ja Mi a szalmiákszesz? Diákkis: Mérjük meg a szalmiákszesz pH-ját! Töltsünk meg egy kémcsövet kétharmad részig szalmiákszesszel és univerzál indikátor segítségével mérjük meg az oldat pH-ját! A szalmiákszesz az ammónia 25 m/m %-os vizes oldata. Mivel az ammónia gyenge bázis, vízzel való reakciója megfordítható folyamat. NH3 + H2O <-----> NH4+ + OH- A kialakuló egyensúlyra alkalmazható a tömeghatás törvénye: [NH4+][OH-] K=----------------- [NH3][H2O] A víz koncentrációjával ez esetben is beszorozhatjuk az egyensúlyi állandót, mivel híg oldat esetén a víz koncentrációja itt is állandónak tekinthetõ. Ekkor egy új állandót kapunk, amit bázis disszociációs állandónak nevezünk. Minden bázis eletében ez az érték más és más. Ezeket az értékeket is megtalálhatjuk a Függvénytáblázatban. [NH4+][OH-] Kbázis= K[H2O] = ------------------- [NH3] Számítsuk ki a szalmiákszesz pH-ját! sûrûség: 0,907 g/cm3 M=17g/mól Kbázis=1,79. 10-5 mól/dm3 számítsuk ki 1dm3 szalmiákszesz oldat tömegét! moldat=1000cm3 0,907g/cm3 moldat=907g számítsuk ki mennyi az oldott anyag az oldatban! moldott a. w%=------------ 100 moldat 25 .907g moldott a.=------------ 100 moldott a.=226,75g számítsuk ki ,hány mól oldott anyag van az oldatban? m n=--- M 226,75g n=------------ 17g/mól n=13,34mól Helyettesítsük be az értékeket a tömeghatás törvényébe! NH3 NH4+ kiindulási koncentráció 13,34 0 egyensúlyi koncentráció 13,34-x x x: a vízmolekulával reakcióba lépõ ammónia móljainak száma
Dr. Kisfaludi Andrea_A kémia birodalmának magaslatain.docx
OH- 0 x
40
x.x 1,79 . 10-5 =------------------- 13,34-x A bázis disszociáció állandót megvizsgálva láthatjuk, hogy az 10-5 nagyságrendû. Ebbõl következik, hogy x értéke 13,34 mellett elhanyagolhatóan kicsi. Ezért az x érékét a nevezõbõl elhanyagoljuk. x2 1,79 .10-5=----------- 13,34 23,88 10-5=x2 1,55 10-2=x Tehát a hidroxilionok koncentrációja: [OH-] = 1,55 .10-2 Számítsuk ki az oldat pOH-ját! pOH=-lg[1,55 10-2] pOH=1,8 Az oldat pH-ja: 14-1,8=12,2 Hasonlítsed össze a mért és a számolt értékeket!
1. 2.
Számold ki annak a salátalének a pH-ját, amelyet az ételecet ötszörös hígításával készítettél! Számold ki a gyomorban a pH értékét, ha tudjuk, hogy a gyomorsav kb. 2m/m %-os sósavoldatot tartalmaz! (A számításkor kapott érték nem pontosan mutatja a gyomor pHját, mert ez az elfogyasztott tápanyagok és emésztõnedvektõl is függ.) Számold ki a négyszeresére higított szalmiákszesz oldat pH-ját!
3. Diákkis: Mosószerek, mosogatószerek, tusfürdõk stb. pH-jának meghatározása Készíts oldatot az általad használt mosóporból úgy, hogy egy vegyszereskanál mosóport feloldasz 50 cm3 vízben. A mosogatószerbõl 5cm3-t kimérve készíts 100 cm3 oldatot. A tusfürdõbõl szintén 5 cm3-t mérj ki és készíts belõle 100 cm3 oldatot. Reszelj le 5g szappant és készíts belõle 100 cm3 oldatot. Mérd meg mindegyik oldat pH-ját. Ábrázold számegyenesen a mért értékeket! Számítsuk ki a mért értékekbõl az egyes oldatok hidrogénion koncentrációját! Ha a mért érték pH=5,5 akkor [H3O+]= 10 -5,5= 10 -6 10 0,5=3,162 10-6 (10 0,5 értékét a Függvénytábla A tíz hatványai táblázatából kerestük ki.)
3.6. Miért sav, miért bázis? Az elmúlt években megismerkedtünk a sav és a bázis fogalmával. A kémia tudományának fejlõdésével sokszor változott ennek a két fontos fogalomnak az értelmezése. Érdemes áttekinteni a sav-bázis fogalom fejlõdését, mert ez jó példaként szolgálhat arra, hogy megérthessük milyen lassan, néha tévutakon keresztül ismerhetjük meg a körülöttünk levõ világot, jó példája lesz annak is, hogy a tudomány fejlõdése sohasem áll meg legfeljebb mi hagyjuk abba tanulmányainkat. A XVII. sz-ban a kémikusok érdeklõdése a savak, bázisok és a sók tulajdonságainak megismerése irányába fordult. Otto Tachenius (ejtsd: tahéniusz) (1620-1690) velencei természettudós Hippocrates Chemicus c. könyvében úgy határozta meg "minden só két részbõl savból és bázisból áll" Rudolf Glauber felismerte, hogy a savak és a bázisok különbözõ erõsségûek lehetnek. Megállapította, hogy a különbözõ festékanyagok színe attól függ, hogy savas vagy lúgos oldatba cseppentjük.
Dr. Kisfaludi Andrea_A kémia birodalmának magaslatain.docx
41
Honnan ismerjük Glauber nevét? Hogyan nevezhetjük ezeket a festékanyagokat? Robert Boyle a savak közé azokat az anyagokat sorolta, amelyek a fémeket feloldják és a bázisokkal sót képeznek, valamint a szulfidokból ként szabadítanak fel és bizonyos növények színét jellemzõ módon megváltoztatják. Boyle a növények közül az ibolya, a búzavirág, a lakmusz és a kurkuma kivonatát használta. Honnan ismerjük Boyle nevét? Próbáld a Boyle által használt növényeket külön-külön savas oldatba tenni! Boyle a bázisok viselkedését nem tudta ilyen egyértelmûen leírni. Ez nem meglepõ, ha tudjuk, hogy ekkor még ebbe a csoportba sorolták a nátrium- és a kálim-karbonátot. A vegyületek melyik csoportjába soroljuk a nátrium-karbonátot? Lavoisier a savakat a fémek oxidjaiként határozta meg, mivel kísérletei során azt tapasztalta, hogy a kén, a szén és a foszfor elégetése során keletkezett termék vízbe vezetésekor savas kémhatású oldat keletkezett. Honnan ismerjük Lavoisier nevét? Mi keletkezik a szén, a kén és a foszfor égésekor? Írd le az égés egyenletét! Mi keletkezik, amikor ezeket az égéstermékeket vízbe tesszük? Hol tévedett Lavoisier? Davy 1815-ben kísérletei alapján kimondta " a savak a hidrogén sajátos vegyületei, amelyekben a hidrogént fémekkel lehet helyettesíteni. A semleges sók ugyanennek a csoportnak olyan vegyületei amelyekben a hidrogént egyenértéknyi fém helyettesíti" Svante Arrhenius (ejtsd: aréniusz) (1859-1927) vezette be 1885-ben az elektrolitos disszociáció fogalmát. ELEKTROLITOKNAK AZOKAT AZ ANYAGOKAT NEVEZZÜK, AMELYEK OLDÓDÁSKOR VAGY OLVADÁSKOR IONJAIKRA BOMLANAK ELEKTROLITOS DISSZOCIÁCIÓNAK AZT AZ OLDÓDÁSKOR VAGY OLVADÁSKOR LEJÁTSZÓDÓ FOLYAMATOT NEVEZZÜK, AMELYBEN AZ ELEKTROLITOK POZITÍV ÉS NEGATÍV IONOKRA BOMLANAK
elektrolit <=> [anionok] - + [kationok]+ Az erõs elektrolitok közül az oldószer molekulák hatására · az ionvegyületek teljes mértékben ionjaikra disszociálnak(pl. NaCl, KCl, MgSO4) · a molekularácsos vegyületek molekulái ionokra bomlanak (pl. HCl, H2SO4, HNO3,NaOH) A gyenge elektrolitok közül az oldószer molekulák hatására · az ionvegyületek csak részben bomlanak ionjaikra (pl. AgCl) · a molekularácsos vegyületek molekuláinak egy része bomlik ionokra (pl. CH3COOH,H2CO3,H2SO3) Sorolj fel elektrolitokat! Az elektrolitok olvadékukban és vizes oldatukban is vezetik az elektromos áramot. Miért vezeti egy anyag az elektromos áramot? Arrhenius elméletét nem túl nagy lelkesedéssel fogadták mígnem Wilhelm Ostwald , aki zseniális tudós volt meglátta Arrhenius elméletében a lehetõséget. Feltételezte, hogy a gyenge savak nem teljes mértékben disszociálnak, míg az erõs savak, bázisok és sók legnagyobb része ionokra válik szét. Úgy vélte, hogy a különféle savak azért viselkednek egymáshoz hasonlóan, mert az oldatban mindegyik azonos ionféleségre hidrogén kationra és savmaradék anionra disszociál. Bázisnak azokat az anyagokat nevezték, amelyek hidroxilionokra disszociálnak. Sorold fel az eddig megismert bázisokat! ELEKTROLIT FAJTÁK RAJZA USBORN? 1923-ban Nicolaus Brönsted (ejtsd: brönsted) (1879-1947) továbbfejlesztette és kiterjesztette a sav és a bázis fogalmát. BRÖNSTED SAVNAK TEKINTETT MINDEN OLYAN IONT, VEGYÜLETET, AMELY PROTON LEADÁSÁRA KÉPES ÉS BÁZISNAK NEVEZTE A PROTON FELVÉTELÉRE KÉPES ATOMOKAT, IONOKAT VEGYÜLETEKET. sav <=> bázis + proton Tehát a hidrogén-klorid disszociációja a következõképpen játszódik le. HCl <=> H+ + Cl-
Dr. Kisfaludi Andrea_A kémia birodalmának magaslatain.docx
42
sósav proton bázis Brönsted felfedezte, hogy az oldatokban valóságban nem protonok, (hidrogénionok), hanem oxóniumionok vannak. Tehát a hidrogén-klorid vízben való oldódásakor az alábbi folyamat játszódik le. HCl + H2O <=> H3O+ + Cl- sav1 bázis2 sav2 bázis1 Brönsted összetartozó sav-bázis párokat határozott meg. Így a hidrogén-klorid disszociációjában a HCl és a Cl- összetartozó sav-bázis pár, illetve a H2O és a H3O+ egy másik összetartozó sav-bázis pár. A két összetartozó sav-bázis pár megkülönböztetésére használják a számozást a jobb alsó sarokban a sav és a bázis név mellett. Brönsted fogalmazta meg azt is hogy egy anyagról nem lehet egyértelmûen kimondani azt, hogy sav vagy bázis, ez mindig attól függ, milyen reakciópartnerrel áll szemben pl.: HCO3- <=> H+ + CO3 2- hidrogénkarbonát-ion hidrogénion karbonátion SAV PROTON BÁZIS HCO3- + H+ <=> H2CO3 hidrogénkarbonát hidrogénion szénsav BÁZIS PROTON SAV (A mindennapi életben is használjuk a sav fogalmát, amikor szénsavról, sósavról, kénsavról beszélünk, ekkor hallgatólagosan a vízhez hasonlítjuk ezeknek az anyagoknak a savasságát.) Brönsted azt is megállapította, hogy minél erõsebb egy sav annál gyengébb bázis képzõdik belõle és minél erõsebb egy bázis annál gyengébb a belõle képzõdõ sav. Egy reakcióban mindig az erõsebb sav reagál az erõsebb bázissal, miközben gyengébb sav és gyengébb bázis keletkezik pl.: HCl + H2O <=> H3O + + Cl- SAV1 BÁZIS2 SAV2 BÁZIS1 erõsebb erõsebb gyengébb gyengébb Brönsted elmélete kiterjesztette · a nem vizes oldatokra is a sav és a bázis fogalmát, így például a hidrogén-klorid és az ammónia közötti reakció is értelmezhetõ sav-bázis reakcióként: HCl + NH3----› Cl- + NH4+ sav1 bázis2 bázis1 sav2 · nemcsak vegyületekre, de ionokra is értelmezte a sav és a bázis fogalmát: HSO4- + H2O ----› H3O+ + SO42- sav1 bázis2 sav2 bázis1 1924-ben Franklin, Walden, majd 1933-ban Andrieth felismerte hogy az oldószermolekulák öndisszociációra is képesek pl.: H2O+ H2O <=> H3O+ + OH- SAV1 BÁZIS2 SAV2 BÁZIS1 NH3+ NH3<=> NH4+ + NH2- SAV1 BÁZIS2 SAV2 BÁZIS1 Õk azokat a vegyületeket tekintették savaknak, amelyek az oldószer-kation mennyiségét növelik. Bázisoknak azokat a vegyületeket nevezték, amelyek az oldószer-anion mennyiségét növelték. Ez a meghatározás összhangban van a Brönsted meghatározással, azzal a bõvítéssel, hogy itt nemcsak a víznek adhatják át a protont, hanem más oldószermolekuláknak is. Így a sav-bázis fogalmat nem vizes oldószerekre is kiterjesztették. 1938-ban Lewis (ejtsd:luiz) továbbfejlesztette és kiterjesztette a sav-bázis fogalmát olsan kémiai folyamatokra, amelyeknél nem történik protonátadás. Lewis sav: elektronpár hiánnyal rendelkezõ vegyület pl. BF3 Lewis bázis: elektronpár többlettel rendelkezõ vegyülett pl.NH3
Dr. Kisfaludi Andrea_A kémia birodalmának magaslatain.docx
43
Az elmélet hibája, hogy a legjellegzetesebb savakat HCl, HNO3, H2SO4 nem lehet ezekbe a kategóriákba besorolni, ugyanakkor jól használható a komplex vegyületek reakcióinál. 1939-ben Lux újabb elméletet dolgozott ki. Lux sav:oxigénion felvételére képes Lux bázis oxigénion leadására képes Ez az elmélet az oxigéntartalmú vegyületeket tudta a savak és a bázisok közé besorolni. 1939-ben Uszanovics egy elméletben egyesítette a protonátmenettel és az elektronátmenettel járó kémiai folyamatokat. sav: protont vagy más kationt ad le bázis: elektront vagy aniont vesz fel Hogyan nevezzük az elektronátmenettel járó kémiai reakciókat? Uszanovics tehát a konyhasó képzõdését is sav-bázis reakciónak tekintette. 2Na + Cl2 = 2NaCl bázis sav só A nátrium elektront ad le, tehát bázis, a klór a sav, mert elektront vesz fel.. Az elõzõekben láttuk, hogyan változott bõvült változott a sav-bázis fogalom a kémia története során. A középiskolai kémia ismeretek megszerzéséhez az Arrhenius és a Brönsted elmélet tudása és megértése elegendõ.
3.6. A sók sem mindig semlegesek diákkis: mérjük meg a sók pH-ját! Mérjük meg 1M-os konyhasó-oldat, 1M-os trisó-oldat, 1M-os Pétisó-oldat, 1M-os szódabikarbóna-oldat és 1M-os Glaubersó-oldat pH-ját! A kísérletbõl kitûnik , hogy a sóoldatok kémhatása nem minden esetben semleges, vannak savas és vannak lúgos kémhatású sóoldatok is.
3.6.1. A konyhasó-oldat kémhatása A konyhasó egy elektrolit, vagyis vízben oldva a konyhasó ionjaira bomlik. NaCl<-----> Na+ + Cl- Mivel a keletkezõ kation erõs bázis kationja és a keletkezõ anion erõs sav savmaradék ionja, egyik sem lép reakcióba a vízmolekulákkal. Az elõbbiekbõl kitûnik, hogy azoknak a sóknak a vizes oldata, amelyek erõs bázis kationjából és erõs sav anionjából állnak semleges kémhatású.
3.6.2. A trisó-oldat kémhatása A trisó-oldat esetében is lejátszódik az elektrolitos disszociáció: Na3PO4<----> 3Na+ + PO43- A gyenge sav savmaradék anionja reakcióba lép a vízmolekulákkal: PO43- + H2O <-----> HPO42- + OH- Hogyan nevezzük azt a folyamatot, amelyben egy ion reakcióba lép a vízmolekulával? A hidrolíziskor keletkezõ hidroxilionok okozzák a trisó-oldat lúgos kémhatását. A nátriumionok nem reagálnak a vízmolekulákkal, mivel erõs bázis kationjai. Azoknak a sóknak a vizes oldata, amelyek erõs bázis kationjából és gyenge sav anionjából állnak lúgos kémhatásúak.
3.6.3. A pétisó-oldat kémhatása A pétisó-oldatban is végbemegy az elektrolitos disszociáció: NH4NO3 <----> NH4+ + NO3- A keletkezõ kation egy gyenge bázis kationja ezért reakcióba lép a vízmolekulával: NH4+ + H2O <----> NH3 + H3O+ A képzõdõ oxóniumionok okozzák az oldat savas kémhatását.
Dr. Kisfaludi Andrea_A kémia birodalmának magaslatain.docx
44
Azoknak a sóknak a vizes oldata, amelyek gyenge bázis kationjából és erõs sav anionjából állnak savas kémhatásúak. Magyarázd meg a Glaubersó-oldat és a szódabikarbóna-oldat kémhatását egyenletek segítségével!
Dr. Kisfaludi Andrea_A kémia birodalmának magaslatain.docx
45
mit tanultunk eddig? nem megfordítható folyamatnak nevezzük azokat a változásokat, amelyek csak egy irányban játszódnak le megfordítható folyamatoknak nevezzük azokat a változásokat, amelyek ellentétes irányban is végbemehetnek ha a reakció körülményeit megváltoztatjuk dinamikus egyensúly esetén szemmel láthatóan nem történik semmi, azonban az ellentétes irányú folyamatok állandóan, megegyezõ sebességgel folynak TÖMEGHATÁSTÖRVÉNY: [H2CO3] K= ---------------------------- ahol K az egyensúlyi állandó [H2O] [CO] [ ] mól/dm3 egyensúlyi koncentrációk egy megfordítható folyamat egyensúlyának beálltakor a keletkezett anyagok koncentrációjának megfelelõ hatványon vett szorzata osztva a kiindulási anyagok koncentrációjának megfelelõ hatványon vett szorzatával egy állandó szám, amelyet egyensúlyi állandónak neveznek. Az egyensúlyi állandó értéke függ: - a reagáló anyagok anyagi minõségétõl, - hõmérséklettõl, - katalizátor használatát Le Chatelier - Braun elv (ejtsd: lö satelié - braun elv): Ha egyensúlyban levõ rendszerre a külsõ körülmények megváltoztatásával kényszert gyakorolunk, akkor az egyensúly úgy tolódik el, hogy a rendszer a külsõ kényszer alól kitérni igyekszik. (1887) elektrolitoknak azokat az anyagokat nevezzük, amelyek oldódáskor vagy olvadáskor ionjaikra bomlanak elektrolitos disszociációnak azt az oldódáskor vagy olvadáskor lejátszódó folyamatot nevezzük, amelyben az elektrolitok pozitív és negatív ionokra bomlanak A pH az oldatok oxóniumion koncentrációjának tizes alapú negatív logaritmusának negatívja. matematikailag megfogalmazva: pH = -lg [H3O+] a pOH a hidroxilionok koncentrációjának tizesalapú logaritmusának negatív értéke. matematikailag megfogalmazva: pOH= -lg [OH-] Arrhenius sav olyan anyag, amelynek vizes oldatában az oxóniumionok mennyisége meghaladja a hidroxilionok mennyiségét Arrhenius bázis olyan anyag, amelynek vizes oldtaában a hidroxilionok mennyisége kisebb mint az oxóniumionok mennyisége Brönsted sav: olyan anyag, amely egy másik anyagnak protont képes leadni (az Arrhenius sav a víznek képest protont átadni) Brönsted bázis: olyan anyag, amely egy másik anyagtól protont képes felvenni (az Arrhenius bázis a víztõl képes protont felvenni)
Dr. Kisfaludi Andrea_A kémia birodalmának magaslatain.docx
46
A következõ fejezetbõl megtudhatod, hogy · · ·
mibõl áll és hogyan mûködik a ceruzaelem és az akkumulátor hogyan lehet elõállítani nátriumot, alumíniumot elektromos áram segítségével mitõl csillog az autók lökhárítója,
Dr. Kisfaludi Andrea_A kémia birodalmának magaslatain.docx
47
4. Állítsuk elõ és használjuk fel az elektromos áramot!
4.1. Hogyan csináljunk elektromos áramot? Az utcán sétálva sétálómagnóval, hordozható CD lejátszóval zenét hallgathatunk, kedvenc csapatunk meccsét kisrádiónkon követhetjük nyomon, az áruházban zsebszámológépen számoljuk ki a fizetendõ összeget, a szobában vakuval fényképezünk, a barlangokban, pincékben, sátorban zseblámpával világítunk, a televíziót távirányítóval kapcsolhatjuk be. Ezeket az eszközöket csak akkor tudjuk használni, ha van bennük galvánelem, amelyet a hétköznapi életben szárazelemnek vagy egyszerûen csak elemnek nevezünk.
4.1.1. Hogyan mûködnek a galvánelemek? Diákkis: Készítsünk galvánelemet! Vegyünk elõ egy üvegkádat és öntsünk bele 0,25 M-os CuSO4 oldatot. Tegyünk az oldatba egy réz és egy cinklemezt. Kössük össze a két lemezt vezetékkel, amelyhez árammérõ mûszert csatlakoztatunk a rajz szerint. Figyeljük az árammérõ mûszert! RAJZ AZ ELEMRÕL Mi történik az elemben? A galvánelemek két - egy pozitív és egy negatív - elektródból, valamint elektrolitból állnak. Az elektródoknak több fajtája létezik. Az elõbbi esetben olyan elektródokat használtunk, amikor a fém saját ionjainak oldatába merült. A fém és saját ionjai közötti átalakulási folyamatot elektródfolyamatnak nevezzük. fémion n+ + ne- ----› fém Az elektródok közül az egyik a pozitív a másik a negatív elektród. Annak eldöntéséhez, hogy melyik elektród lesz az elem negatív pólusa segítségül hívjuk a Függvénytáblázat Az elemek standardpotanciálja címû táblázatát. Kikeressük azt a két elektródfolyamat standarpotenciálját. elektródfolyamat standardpotenciál Eo (V) Zn2+ + 2e- ----› Zn -0,76 Cu2+ + 2e- ----› Cu +0,34 Az elektródok közül az lesz az elem negatív pólusa, amelyik elektródfolyamat standardpotanciálja negatívabb. Ebben az esetben a cink-cinkion elektród lesz az elem negatív pólusa. A negatív póluson megy végbe az oxidációs folyamat: Zn----› Zn 2+ + 2e- A keletkezõ cinkionok az oldatba kerülnek, míg az elektronok a vezetõn és az árammérõ mûszeren keresztül átvándorolnak a rézlemezre. A rézlemezen redukciós folyamat zajlik. Az elektrolit-oldatban levõ rézionok a rézlemezhez vándorolnak és az odaérkezett elektronokkal rézatomokat képeznek: Cu2+ + 2e- ----› Cu A keletkezõ rézatomok egy új rézréteget képeznek a rézlemez felületén. Az elõbbiekbõl következik, hogy az elem mûködése során a cinklemez tömege csökken, míg a rézlemez tömege nõ. AZ ELEKTRONOK EGYIRÁNYÚ MOZGÁSA A FÉMEKEN ÉS A VEZETÉKEKEN, VALAMINT AZ IONOK EGYIRÁNYÚ MOZGÁSA AZ ELEKTROLITOKBAN EREDMÉNYEZI AZ ELEKTROMOS ÁRAMOT AZ ELEMBEN. RAJZ AZ ELEKTRONOK IONOK VÁNDORLÁSA AZ ELEMBEN Ha a két lemezen lejátszódó folyamatokat összegezzük az alábbi egyenletet kapjuk: Zn----›Zn2+ + 2e- Cu2+ + 2e- ----› Cu ----------------------------------- Zn + Cu2+ ----›Zn2+ + Cu
Dr. Kisfaludi Andrea_A kémia birodalmának magaslatain.docx
48
A fenti folyamat végbemehet akkor is amikor cinklemezt vagy cinkdarabot teszünk réz-szulfát oldatba. diákkis: Cinkdarabot helyezünk réz-szulfát oldatba Öntsünk egy fõzõpohárba 0,25 M-os réz-szulfát oldatot s mérjük meg az oldat hõmérsékletét. Helyezzünk egy cinklemezt az oldatba és várjunk öt percig. Ekkor vegyük ki az oldatból a cinklemezt és mérjük meg újra az oldat hõmérsékletét. Ebben az esetben ugyanaz a kémiai folyamat játszódik le mint a galvánelem esetében. Itt azonban a rézionok közvetlenül a fémlemez felületérõl veszik fel az elektronokat így a kémiai átalakulás energiája hõenergiává alakul át. Az elem esetében a kémiai átalakulás energiájának egy része elektromos energiává alakul át, a maradék energia itt is hõvé alakul. A hõtermelõdést közvetlenül is tapasztalhatjuk, ha az elemet mûködése közben megtapintjuk. A GALVÁNELEMEKBEN A KÉMIA ENERGIA ELEKTROMOS ENERGIÁVÁ ALAKUL ÁT Az elsõ galvánelemet 1800-ban Alessandro Volta (1745-1827) készítette el, amelyet Volta-oszlopnak neveztek. Volta felhasználta Luigi Galvani (ejtsd: lujdzsi gálváni) békacombbal kapcsolatos felfedezéseit. Galvani olasz természettudós, a bolognai egyetem szülészprofesszora volt. Híres kísérletében egy rézkampóra akasztott békacombot egy vaslemezre helyezett és meglepve tapasztalata hogy a békacomb rángani kezdett. A jelenséget Galvani állati elekromosságnak tulajdonította. Ilyen jelenség valóban megfigyelhetõ az elektromos ráják esetében, amelyek áramütéssel bénítják meg az áldozatukat. A békacombos kísérletnek azonban más a magyarázata. Volta, aki a páviai egyetem fizika professzora volt olvasta Galvani könyvét és három évi kísérletezés után jutott el a jelenség magyarázatához "Tulajdonképpen a fémek a szülõi a villamos áramnak, míg az idegek passzívak." Az idézetben Volta arra utal, hogy ha kétféle fém (vas és réz) egy elektroliton (békacomb) keresztül érintkezik ott feszültségkülönbség keletkezik. A rejtély megfejtése után Volta megalkotta a róla elnevezett oszlopot, mely az elsõ galvánelem volt. Az oszlop Volta leírása szerint a következõképpen nézett ki: "Harminc, negyven , hatvan vagy még több darab ezüstkorong, amelyek mindegyikét egy cinkkorongra helyezzük. Sóval vagy lúggal átitatott posztódarabka melyeket a fémek érintkezései közé rakunk. Ez minden, amibõl a készülék áll. Ha az ember megérinti a felsõ lemezt másik kezét pedig a kivezetõ edénybe mártja villamos ütést érez." Volta azt tapasztalta, hogy minél több korongot használ fel az oszlop készítéséhez annál nagyobb feszültségkülönbséget lehet elérni. GALVANI KÉPE SAZBADVÁRY 99.O VOLTA " 101.O Diákkis: Készítsünk Volta-oszlopot Gyûjtsünk össze 10 db. 20 és 10 db 10 forintos pénzérmét. Vágjunk ki szûrõpapírból a 20 Ft-os pénzérmének megfelelõ méretû korongokat. A kivágott korongokat helyezzük 0,25 M-os CuSO4 oldatba. Készítsük el az oszlopot úgy , hogy egy 20 Ft-ost helyezzünk egy üveglapra majd erre egy 10 Ft-ost helyezünk ezt követi egy szûrõpapírkorong, ezután ismét 20, 10 forintos és szûrõpapír következik mindaddig amíg van érménk. Érintsünk az oszlop aljához és tetejéhez egy-egy vezetéket, amelyek árammérõvel vannak összekötve. Volta nevét és emlékét a feszültség mértékegységeként Galvani nevét a galvánelem és a késõbb ismertetésre kerülõ galvanizálási eljárás nevében õrzi az utókor. Az elõbbiekben láttuk, hogyan mûködik a cink-réz galvánelem. Ennek az elemnek az a hibája, hogy az elem mûködése közben az feszültség hamarosan lecsökken. Ez a jelenség annak tudható be, hogy a cinklemezt rézbevonat vonja be, mivel a cink által hátrahagyott elektronok közvetlenül is átadódhatnak az oldatban levõ rézionokra. Így csökken azoknak az elektronoknak a száma, amelyek a vezetéken keresztül a rézlemezre kerülnek és ezáltal
Dr. Kisfaludi Andrea_A kémia birodalmának magaslatain.docx
49
csökken a galvánelem által termelt elektromos áram mennyisége. A hiba kiküszöbölése érdekében elválasztották a két elektródot egymástól. RAJZ A SÓHÍDDAL ÖSSZEKÖTÖTT ELEKTRÓDOKRÓL A cinklemezt ekkor cink-szulfát-oldatba, a rézlemezt réz-szulfát-oldat merítjük. A két oldat között egy ún. sóhíd létesít kapcsolatot, ez teszi lehetõvé az ionvándorlást. Az elkülönítéssel kiküszöbölték a közvetlen elektronátadást, amely rontotta az elem mûködésének hatékonyságát. Diákkis: Készítsünk Daniell-elemet! 50 cm3 0,25 M-os K2SO4-oldatban oldjunk fel egy vegyszereskanálnyi zselatint, majd az oldatot melegítsük forrásig. Töltsünk meg az oldattal egy U-csövet és várjuk meg míg az oldat kihûl. Öntsünk egy 250 cm3-es fõzõpohárba 150 cm3 cink-szulfát -oldatot és egy másik fõzõpohárba 150 cm3 réz-szulfát-oldatot. Az elsõ fõzõpohárba tegyünk egy cinklemezt, a második fõzõpohárba tegyünk egy rézlemezt. A két lemezt vezetõkkel és árammérõvel kössük össze. A két oldat között a már elkészített sóhíddal létesítsünk kapcsolatot. Az elemet a következõ órán fogjuk felhasználni. John Frederic Daniell a róla elnevezett elemben a két elektrolitet féligáteresztõ membránnal választotta el. A féligáteresztõ membrán a kis méretû ionokat átereszti, míg a nagyméretûek számára átjárhatatlan. A sóhíd ugyanezt a szerepet tölti be. A Daniell-elem tökéletesítésekor a rezet szénnel helyettesítették.
4.1.2. Góliát, ceruza, bébi , gomb DANIELLE ELEM RAJZA LECLANCHE ELEM RAJZA SALTERS 172.O. ELEM ÁBRA A Daniell-elem tökéletesített változatát a Leclanche elemet ma is használjuk a zseblámpákban, játékokban. Ezen az elven mûködnek a ceruza, a bébi és a laposelemek. 1866-ban George Leclanche (ejtsd: szorzs löklansé) francia vasútmérnök megalkotja a róla elnevezett elemet. A Volta elemet már addig is többször tökéletesítették pl. sóoldat helyett savoldatot használtak, ami jobb áramfejlesztést eredményezett, de a rézlemezeken hidrogén fejlõdött. A hidrogén képzõdése csökkentette az elembõl kinyerhetõ feszültséget. Leclanche a szenet mangán-oxiddal keverte össze és elektrolitként szalmiák-oldatot használt. Az õ nevéhez fûzõdik a szárazelem feltalálása is. A száraz elem nevében foglalja jelentését mivel nem oldatként tartalmazza az elektrolitot hanem paszta formájában. Az általa megalkotott elem sokkal hatékonyabban mûködött mint az elõdei és nagy elõnye volt a szállíthatóság, hiszen nem tartalmazott folyadékot. Nemsokára teljesen kiszorította a piacról elõdeit .VOLTA " 101.O A Leclanche elem negatív elektródja a cink, amely az elem külsõ burkolatát alkotja. A pozitív elektródja a mangán-oxid és a szén. Az elektrolit ammónium-klorid és cink-klorid. Milyen kémhatású az elektrolit-oldat? A negatív elektródon lejátszódó folyamat: Zn ----› Zn2+ + 2e- A pozitív elektródon lejátszódó leegyszerüsített folyamat: Mn4+ + e- ----› Mn3+ (2 (NH4+ (aq) + MnO2 + 2e- ----› Mn2O3 + H2O + 2NH3) Az elektronátadás szempontjából, milyen folyamat játszódott le a negatív és a pozitív elektródon? Az elem mûködésének kezdetén kinyerhetõ feszültség 1,5 V. Az elem mûködése közben a kinyerhetõ feszültség rohamosan csökken. Az alkálielemek hasonlítanak a Leclanche-elemhez, de ezekben az ammónium-kloridot kálium-hidroxiddal helyettesítették. Ha nagyobb feszültségre van szükségünk akkor több elemet sorba kapcsolunk, így 6, 9, 12 V -ot is kinyerhetünk az elemekbõl.
Dr. Kisfaludi Andrea_A kémia birodalmának magaslatain.docx
50
Az elektolitoldat savas kémhatású, ami mûködés közben roncsolja a cinkbõl készült külsõ burkolatot. Ennek hatására a burkolaton apró lyukak keletkeznek és azt tapasztaljuk, hogy az elem folyik. Ezért javasolják, hogy használat után vegyük ki az elemet a zseblámpából , rádióból és csak akkor helyezzük bele, ha újra mûködtetni akarjuk. Így elkerülhetõ a készülékben az elem okozta károsodás. Manapság már lehet olyan elemeket kapni, amelyeket mûanyag vagy ólom burkolat vesz körül, amelyek megakadályozzák az elem folyását. A Leclanche elem lehetõvé tette, hogy az elemet ide-oda szállíthassuk, de viszonylag nagy mérete miatt mégsem lehetett apró használati tárgyakban alkalmazni. A karórák, távirányítók és a videokamerák mûködéséhez gombelemekre van szükség. A gombelem negatív elektródja szintén cinkbõl készül. A pozitív elektród a higany-oxid. A gombelemekben felhasznált elektrolit cink-oxid és kálium-oxid. Az elemet kívülrõl nikkel-acél ötvözet védi. Az elemben lejátszódó folyamat a következõ: Zn ----› Zn2+ + 2e- HgO + 2e- ----› Hg + O2- ------------------------------------ Zn + HgO ----›ZnO + Hg Némelyik elemben HgO helyett Ag2O-ot használnak. Melyik anyag oxidálódott és melyik redukálódott a gombelem mûködése során? GOMBELEM RAJZA TESZT 97. 06 16
4.1.3. Mekkora energiát termel a galvánelem? A zseblámpa, a távirányító, a kisrádió mûködéséhez energia szükséges. Tapasztalatból tudjuk, hogy az egyik készülékhez elegendõ egy ceruzaelem, másik esetleg három bébi elemet igényel. Számítsuk ki a múlt órán elkészített elem által létrehozott feszültség különbséget! A számításhoz használjuk fel a Függvénytáblázat "Az elemek standardpotenciálja táblázatból kikeresett értékeket. A két elektród elektródpotenciáljának különbsége adja meg számunkra az elemben létrejött feszültség különbséget. ELEKTROMOTOROS ERÕNEK NEVEZZÜK A GALVÁNELEM ÁLTAL LÉTREHOZOTT FESZÜLTSÉG KÜLÖNBSÉGET, AMELY ÁRAMOT HOZ LÉTRE AZ ÁRAMKÖRBEN. AZ ELEKTROMOTOROS ERÕ JELE: EMF (elektromotive force) kiszámításának módja: A pozitív pólus elektródpotenciáljából kivonjuk a negatív pólus elektródpotenciálját EMF= E+ - E- diákkis: Mérjük meg a múlt órán elkészített galvánelem elektromotoros erejét! Az egyes elektródok elektródpotenciál értékei azt az elektromotoros erõt jelentik, amelyet egy olyan galvánelemben határoztak meg, amelynek egyik elektródja a vizsgált elektród, a másik elektród a standard hidrogén elektród. A standard hidrogénelektród egy platinaszál melynek vége egy platinalemez, amelyet finom ún. platinakorommal vontak be. Ez a platina szál 1 mól/dm3 koncentrációjú sósavoldatba van behelyezve. A platinaszálat 10 5 Pa nyomású hidrogéngáz veszi körül. A standard hidrogénelektród elektródpotenciálja megállapodás szerint 0. Erre a megkötésre azért van szükség, mert egyetlen elektród elektródpotenciálja önmagában nem határozható meg. Az elektródpotenciál meghatározásához mindig két elektródra van szükség. Más elemek elektródpotenciálját úgy határozzák meg, hogy galvánelemet állítanak össze a standard hidrogénelektódból és a vizsgálandó elektródból, majd megmérik a galvánelem elektromotoros erejét. A kapott érték lesz a vizsgált elektród elektródpotenciálja. A standard hidrogénelektród elektródpotenciáljának meghatározása önkényes ugyan, de mivel minden elektród potenciálját a standard hidrogénelektród elektródpotenciáljához
Dr. Kisfaludi Andrea_A kémia birodalmának magaslatain.docx
51
viszonyítjuk, el tudjuk dönteni melyik elem elektródpotenciálja nagyobb vagy kisebb. A galvánelemek elektromotoros erejének számításakor (két elektród elektródpotenciáljának a kivonásakor sem okoz nehézséget, hogy az elektródpotenciál viszonyított érték) valós értéket kapunk. (Gondoljunk arra, hogy a hõmérsékleti értékeket is egy önkényesen kiválasztott értékhez, a víz olvadáspontjához viszonyítjuk.) Az elektródpotenciál értékeket vizes oldatokban határozták meg, tehát csak vizes oldatokra érvényesek. Az eddigiekbõl kitûnik, hogy egy-egy galvánelem elektromotoros ereje függ a két elektród elektródpotenciáljától. Az elektródpotenciálok értéke függ: · az elektródok anyagi minõségétõl, · az elektrolit koncentrációjától, · a hõmérséklettõl, · gázelektródok esetén a nyomástól standard elektródok esetén a · koncentráció: 1 mól/dm3 · hõmérséklet: 25 oC · nyomás: 1 .10 5 Pa tehát a standard elektródpotenciál, vagy egyszerûbben standpotenciál csak az anyagi minõségtõl függ.
4.1.4. Melyik folyamat játszódhat le? Emlékezzünk vissza, hogy amikor a múlt évben a fémek vízzel való reakcióját vizsgáltuk láttuk, hogy vannak fémek, amelyek nem reagálnak vízzel , ugyanakkor más fémek igen hevesen lángra lobbanva reagálnak vízzel. Mely fémek nem reagálnak Vízzel? Mely fémek reagálnak hevesen vízzel? Keressük meg a standardpotenciál táblázatban azokat a fémeket, amelyek nem reagálnak vízzel? Milyen elõjelû standardpotenciállal rendelkeznek ezek a fémek? Az elõbbiek alapján összefoglalóan elmondhatjuk, hogy · a negatív standardpotenciálú fémek vízzel és savakkal hidrogéngáz fejlõdése közben reagálnak, vagyis redukálni képesek a hidrogénionokat.(Kivétel, ha a védõréteg akadályozza az oldódást, mint pl. az alumínium esetében.) · a pozitív standardpotenciálú fémek vízzel nem reagálnak és ha savakkal reagálnak is nem fejlesztenek hidrogént, vagyis ezek a fémek nem képesek a hidrogénionokat redukálni. diákkis: Az elemek oxidáló és redukáló képességének vizsgálata 1. Töltsünk egy 100cm3-es fõzõpohárba 50 cm3 0,25 M-os réz-szulfát-oldatot. Helyezzünk az oldatba egy vasszöget, amelyet elõzõleg csiszolóvászonnal megtisztítottunk. Várjunk 5 percig, majd vegyük ki az oldatból a vasszöget és vizsgáljuk meg a felületét! 2. Töltsünk egy 100 cm3-es fõzõpohárba 50 cm3 0,1 M-os Pb(NO3)2 oldatot. Helyezzünk az oldatba cinklemezt, majd várjunk 5 percig. Emeljük ki az oldatból a cinklemezt és vizsgáljuk meg felületét. 3. Egy kémcsõbe öntsünk 2 cm3 KI-oldatot, majd öntsünk hozzá 2 cm3 brómos vizet. Rázzuk össze a kémcsõ tartalmát. Öntsünk az oldathoz 2 cm3 szén-tetrakloridot és ismét rázzuk össze a kémcsõ tartalmát. Mit tapasztalunk? Milyen anyag képzõdése okozza a széntetraklorid lila színét? Az elsõ kísérletben , amikor a vasszöget a réz-szulfát oldatba helyeztük a vasatomok elektronjaikat a rézionoknak átadták és oldatba mentek, miközben a rézatomok a vasszög felületére váltak ki. A folyamat egyenlettel leírva a következõ: 2e- ----------------------- I ¡
Dr. Kisfaludi Andrea_A kémia birodalmának magaslatain.docx
52
Cu2+ + SO4 2- + Fe <--->Cu + SO4 2- + Fe2+ A folyamatban a vasatomok oxidálódtak, miközben a rézionok redukálódtak. Mit nevezünk redoxi folyamatnak? Keressük meg a vas- vasion és a réz-rézion rendszerek standardpotenciálját a Függvénytáblázatban! (A redoxirendszerek , mint pl. a vas + rézion folyamat standardpotenciálját standard redoxipotenciálnak nevezzük.) Látjuk, hogy a vas- vasionrendszer standardpotenciálja negatívabb, mint a réz- rézion rendszer standardpotenciálja. A vasatom képes volt redukálni a rézionokat, vagyis A NEGATVABB STANDARDPOTENCIÁLÚ RENDSZER REDUKÁLT ALAKJA (FÉMATOM) REDUKÁLNI KÉPES A POZITÍVABB STANDARDPOTENCIÁLÚ RENDSZER OXIDÁLT ALAKJÁT(FÉMION). (A szabály a folyamat végbemenetelének csak szükséges, de nem elégséges feltétele. A folyamatot gátolhatja védõréteg, az alacsony ionkoncentráció, hiszen ne feledjük az elektródpotenciál értéke a koncentrációtól is függ.) Alkalmazzuk az elõbbi szabályt a második kísérlet magyarázatánál! Elõször kikeressük a függvénytáblázatból az alábbi folyamatok elektródpotenciál értékeit! folyamat standardpotenciál (V) Zn2+ + 2e- ---›Zn -0,76 Pb2+ + 2e- ---›Pb -0,13 A fenti szabály szerint a negatívabb a standardpotenciálú rendszer redukált alakja, esetünkben a cinkatomok redukálni képesek a pozitívabb standardpotenciálú rendszer oxidált alakját, esetünkben az ólomionokat. A lejátszódó folyamat tehát: 2e- --------- I I Zn + Pb2+ ----› Zn2+ + Pb Alkalmazzuk a fenti szabályt a harmadik kísérlet magyarázatakor is, de ne tévesszük szem elõl, hogy most nemfémekrõl van szó! Elõször kikeressük a Függvénytáblázatból az alábbi folyamatok elektródpotenciál értékeit! folyamat standardpotenciál (V) Br2 + 2e- ----› 2Br- + 1,087 I2 + 2e- ----› 2I- + 0,54 A negatívabb standardpotenciálú folyamat redukált alakja esetünkben a jodidionok (nemfémionok) redukálni képesek a pozitívabb standardpotenciálú folyamat oxidált alakját esetünkben brómatomokat (nemfématomokat). A lejátszódó folyamat tehát: 2I- + Br2 ----› I2 + 2Br- Láthatjuk tehát, hogy a standardpotenciál táblázat segítségével akár egy soha el nem végzett reakcióról is meg tudjuk mondani, hogy lejátszódhat-e? Végbemehetnek-e az alábbi reakciók? Amelyik végbemehet azt rendezd! 1. Zn + Mg2+ ----› 2. Cu + Ag+ ----› 3. Cl2 + Br- ----› 4. I2 + Br- ----› 5. Pb2+ + Cu ----›
Dr. Kisfaludi Andrea_A kémia birodalmának magaslatain.docx
53
Amikor a vasszöget réz-szulfát oldatba helyeztük a vasszög felületén rézréteg keletkezhetett. Eközben a vasszög tömege csökkent. Mennyivel változott meg a vasszög tömege, amikor 2,8 g vas oldódott fel vasion formájában? Fe + Cu2+ +SO42-----›Fe2+ + Cu + SO4 Ha egy mól vas oldódna fel oldódik kiválik vasszög tömege nõ vasion formájábanakkor 56g 63,5g 63,5-56= 7,5g Esetünkben csak 2,8 g vas 2,8g x y oldódott fel 2,8g .63,5g.....................2,8g . 7,5g x=----------------- y=----------------- 56g 56g x=3,175g y=0,375g A vasszög tömege 0,375g-mal nõtt meg. Egy rézbõl készült golyó alakú medált ezüstözni akarunk, ezért a golyót 250 cm3 0,1M-os AgNO3 oldatba helyezzük. Hogyan változik az oldat koncentrációja, annyi idõ alatt amikor a golyón 1mm vastagságú bevonat képzõdik? A golyó sugara 0,3 cm. Az ezüst sûrûsége:10,5 g/cm3. A lejátszódó folyamat: 2Ag+ + Cu ----› 2Ag + Cu2+ A gömb felülete A gömb= 4 P .r2 A gömb= 1,13cm2 A gömbréteg térfogata Vgömbréteg= Agömb . 0,1cm Vgömbréteg= 1,13 cm2 . 0,1cm= 0,113cm3 A kiváló ezüst mennyisége mAg= 0,113cm3 . 10,5g/cm3 mAg= 1,1867g A kíváló ezüst anyagmennyisége nAg= 1,1867g/108g/mól nAg=0,011mól, ami ugyanennyi mól ezüstnitrátból keletkezik. Az ezüst-nitrát oldatban az oldott nAgNO3=VAgNO3 . cAgNO3 anyag mennyisége nAgNO3=0,250dm3 . 0,1mól/dm3 nAgNO3=0,025mól Az oldatban maradt ezüst-nitrát 0,025-0,011=0,014 mól mennyisége Az ezüst-nitrát oldat új 0,014 mól koncentrációja cAgNO3= ------------- 0,250 dm3 cAgNO3=0,056mól/dm3 Tehát az ezüst-nitrát-oldat koncentrációja 0,056 mól/dm3 lett.
4.1.5. Újrahasználható elemek, az akkumulátorok A század elején egy autó elindulásának nélkülözhetetlen eszköze volt a kurbli. A gépkocsivezetõ elõvette a kurblit belehelyezte az autó elején levõ lyukba és megforgatta, ennek hatására beindult az autó motorja. 1910-ben Charles Franklin Kettering amerikai mérnök feltalálta az önindítót, mely feleslegessé teszi a kurbli használatát.. Az önindító indítja be a motort, de mûködéséhez energiára van szükség, amelyet az akkumulátor szolgáltat. Az akkumulátor fedezi a reflektorok és a duda mûködéséhez szükséges energiát is. Az autó akkumulátorát jó esetben 3-4 évig nem kell újratölteni és mégis fedezi az autó energiaszükségletét. Ez úgy lehetséges, hogy az eddig megismert galvánelemekkel szemben az autó mûködése közben az akkumulátor feltöltõdik.
4.1.4.1. Hogyan mûködik az ólomakkumulátor? Az autó akkumulátora az ún. ólomakkumulátor.
Dr. Kisfaludi Andrea_A kémia birodalmának magaslatain.docx
54
Az akkumulátor mûködésének alapját jelentõ elektrokémiai jelenséget Wilhelm Joseph Sinsteden (ejtsd: szinszteden) katonaorvos fedezte fel. TESZT 98 10 31 Az ólomakkumulátor: negatív elektródja az ólom: Pb ----› Pb2+ + 2e- pozitív elektródja az ólom-oxid: Pb4+ + 2e- ----› Pb2+ az elektrolit a kénsav. Az ólomionok (Pb2+) képzõdésekor a kénsav szulfát-ionjaival fehér szilárd csapadékot képeznek: Pb2+ + SO42- ----› PbSO4 Ha az elektródot bevonja ez a fehér, szilárd réteg, akkor az akkumulátor lemerült. Lemerüléskor az akkumulátor újra tölthetõ. Ekkor akkumulátor töltõ közbeiktatásával elektromos áramot kapcsolunk a hálózatról az akkumulátorra. Ennek hatására az elõbbiekkel ellentétes folyamatok játszódnak le: Pb2+ + 2e- ----› Pb Pb2+ ----› Pb4+ + 2e- Így az akkumulátor feltöltõdik és ismét használhatóvá válik. Elvileg az akkumulátor bármennyiszer újra tölthetõ és kisüthetõ, a gyakorlatban azonban 2-3 év alatt az elektródák tönkremennek és az akkumulátor használhatatlanná válik, cserére szorul. Az ólomakkumulátorok némi gondoskodást igényelnek, mivel a hõmérséklet ingadozásának hatására kevés víz párolog el az akkumulátorból. Az elpárolgott vizet desztillált vízzel pótolhatjuk. Manapság kaphatók ún. "zselés" akkumulátorok Ezekben az akkumulátorokban a kénsavat szilikagéllel felitatják. Így nem folyékony, hanem gél formában van jelen az elektrolit. A zselé formájában hozzáadott elektrolit nehezebben párolog, ezért az autó tulajdonosától nem igényel külön gondoskodást.
4.1.4.2. Vannak más akkumulátorok is... A mobiltelefonok használata közben gyakran lemerülhetnek az elemek, ezért célszerû ezekben a készülékekben is akkumulátorokat használni. Bár az ólomakkumulátor a legismertebb akkumulátor fajta, méretét és tömegét tekintve nem alkalmazható kisebb eszközökben. Megjelentek azonban ceruzaelem méretû akkumulátorok, melyek alkalmasak kisebb méretû készülékek, így mobiltelefonok, sétáló magnók üzemeltetésére. Az egyik legismertebb ilyen akkumulátor a nikkel-kadmium akkumulátor, melynek negatív pólusa: Cd ----› Cd2+ + 2e- pozitív pólusa: Ni4+ + 2e- ---› Ni2+ Ez az akkumulátor is újratölthetõ egy különleges akkumulátortöltõ segítségével. Sajnos ennek az akkumulátornak az ára ma még nem engedi meg, hogy minden ceruzaelem helyett akkumulátort vásároljunk, de a sokat használt eszközökben a töltõ és az akkumulátor ára megtérül. ÚJRATÖLTHETÕ ELEM TESZT 94 AUG 24.O. TESZT 98 12 NIKKEL METAL HYDRID
4.1.4.3. Mi lesz a kimerült elemekkel és az elhasznált akkumulátorokkal? Amikor kimerül az elem a sétálómagnóban vagy a zseblámpában elemet cserélünk a régi elem feleslegessé válik. A kimerült feleslegessé vált elemet kidobhatjuk a kukába és így a háztartási hulladékkal együtt kerül a szeméttelepre, veszélyes hulladékká téve a háztartási hulladékot. Az elemek ugyanis -mint azt az elõbbiekben láttuk - nehézfémionokat tartalmaznak. A
Dr. Kisfaludi Andrea_A kémia birodalmának magaslatain.docx
55
szeméttelepre kerülve a csapadékkal együtt a talajba, majd onnan a táplálékláncon keresztül a növényekbe, állatokba és az emberbe kerülhetnek. Erdei sétáinkon láthatjuk az erdõszélén "felejtett" akkumulátorokat, amelyek belsejébõl csendben szivárog a kénsav és a benne oldott ólomionok, szennyezve és elcsúfítva az erdõt. Milyen betegségeket okozhat ha ezek a fémionok az élõ szervezetbe kerülnek? A Fõvárosi Közterület -fenntartó RT adatai szerint a budapesti háztartások hulladékába évente 590 tonna elem kerül. Mit tehetünk a kimerült elemekkel és akkumulátorokkal? Az elhasznált elemeket nagyobb élelmiszerboltokban elhelyezett tartályokban gyûjtik. Gyakran rendeznek az iskolákban is gyûjtõnapokat, amikor a család, a szomszédok kimerült elemeit az iskolába lehet vinni, majd onnan szelektíven elszállítják. A kimerült akkumulátorokat gyûjtik és újrahasznosítják: Akkumulátor és Szárazelemgyár RT. (1138 Bp. váci út 135-137) Metalloglóbus RT. (1135 Bp. Jász u. 5.) A kimerült akkumulátorokat gyûjti még: Biokom Pácsi Környezetgazdálkodási KFT. (7632 Pécs Siklósi út 52.) Dél-Magyarországi MÉH RT. (6721 Szeged Bocskai u. 8/b. A használt gépkocsi ólomakkumulátorok kimerült állapotban - 21 m/m % kénsavat, - PVC vagy keménygumi házat, - elektródokat - ólomrácsot, - PVC elválasztólemezt, - PbO, PbSO4-et tartalmaz Az újrahasznosítás során a kénsavat vízzel kimossák. Az PbO-t, PbSO4-ot redukálják, majd a fémólommal együtt finomítják és így az akkumulátorgyártáshoz alkalmas ötvözet válik belõle. Az akkumulátor mûanyag alkotórészeit elégetik és a felszabaduló energiát gõz termelésére használják. A savtalanított hulladékakkumulátor tömegének harmada 65-70 m/m %-os fémtartalmú ólomkoncentrációnak felel. meg. Az elõbbiekbõl következik, hogy az elhasznált ólomakkumulátorból értékes nyersanyagot lehet elõállítani. Miért jó, ha egy termék újrahasznosítható? Találj ki olyan reklámszöveget, vagy akár teljes reklámot, ami ösztönzi az embereket a használt elemek, akkumulátorok szelektív gyûjtésére! Találj ki olyan módszert, amelyekel a vásárlókat, így magadat is érdekeltté teszed az elemek gyûjtésében!
4.1.5.4. Néhány különleges elem A pacemakerben... (ejtsd:pészméker) Bizonyára hallottál már olyan emberekrõl, akiknek a szíve bármikor leállhat, ezért olyan parányi szerkezetet helyeztek el a szervezetükben amely a szívük ritmusát szabályozza. Ezt a szerkezetet nevezik pacemakernek. A szívritmus szabályozó készülék energiáját egy különleges galvánelem szolgáltatja, amelyet a beteg bõre alá a szívéhe közel helyeznek el. PACEMAKER ÁBRA SALTERS 164.O. Az elem pozitív pólusa Ag2CrO4 (ezüst-kromát) negatív pólusa Li elektrolit LiClO4 (lítium-perklorát) propén -karbonátban oldva Látjuk, hogy az elem nem tartalmaz vizet, mit gondolsz miért? (Gondolj a lítium tulajdonságaira!)
Dr. Kisfaludi Andrea_A kémia birodalmának magaslatain.docx
56
Rakétában... A rakéták hajtómûvében is egy galvánelem szolgáltatja az energiát. A NASA , az amerikai ûrkutató intézet 1988 szeptemberében pályára állította a Discovery (ejtsd: diszkáveri) nevû ûrrepülõgépet, amelyben egy különleges galvánelemet használt. A galvánelemben a hidrogén vízzé való égésének energiáját használták fel. Mekkora energia keletkezik a hidrogén vízzé való égésekor? Az elem pozitív pólusán égbemenõ folyamat: O2 + H2O + 4e- ----› 4 OH- Az elem negatív pólusán végbemenõ folymat: 2H2 ---- › 4 H+ + 4e- GALVÁNELEM RAJZA SALTERS 165. O. A "villamosszáj" Szájunkban égetõ érzést okozhat egy a szájunkban létrejövõ, de nemkívánatos galvánelem. Oka egészen egyszerû. A lyukas fogak betöméséhez - mint azt már tanultuk - a fogorvosok amalgámtömést használnak. A fogorvosok által használt amalgám a higany ezüsttel készült ötvözete. Életünk során többféle ilyen tömés kerül a fogsorba és ha hozzászámítjuk a szájba elhelyezett , fémbõl készült pótlásokat, akkor már könnyen megérthetjük, hogyan alakul ki a galvánelem. A különbözõ fémek és ötvözetek a kialakuló elem elektródjai. A nyál, amely ebben az esetben elektrolitként szolgál lehetõséget teremtve a galvánelem kialakulásához. Az elektromos áram keletkezését égõ zsibbadás, keserû szájíz, sugárzó fájdalom jelezheti. A megoldás a régi tömések kicserélése új, fémet nem tartalmazó tömésekre. Kipróbálhatod, hogy milyen érzés, ha valakinek villamosszája van. Ha van amalgámmal tömött fogad, tépj le egy vékony alufóliát és harapj rá!
4.1.5.5. "Fogason függ rozsda marja" Mi a korrózió? Mely fémek esetében számíthatunk gyors korrózióra? Mibõl készítik a konzervdobozokat? Hogyan lehet kiküszöbölni a korróziót? Az esõ, a köd, a pára vagy az olvadt jég, valamint a légkörben levõ szennyezõ anyagok hatására a gépkocsik, az ásók, a gereblyék, a kerítések, lámpaoszlopok és más fémbõl készült tárgyak lassan tönkremennek. A vasból készült ásó felülete nem sima, hiszen ásás közben horpadások, karcolások keletkeznek rajta, amelyek egyenetlenné teszik a felületet. A felület egyes pontjain a köd, a pára és az esõ hatására a vas feloldódik, vagyis a vasionok oldatba mennek, Fe ----› Fe2+ + 2e- a leadott elektronjaikat a levegõ oxigénje veszi fel és a vízmolekulákkal hidroxidionokat képez. O2 + H2O + 4e- ----› 4OH- A vízben oldott vasionok a hidroxidionokkal vas-hidroxid csapadékot vagy másnéven rozsdát képeznek. Fe2+ + 2OH- ----›Fe(OH)2 A FÉMEK ÉS AZ ÖTVÖZETEK VIZES KÖZEGBEN TÖRTÉNÕ KORRÓZIÓJA MINDIG ELEKTROKÉMIAI FOLYAMAT. A FOLYAMAT ALAPJA AZ ÖNKÉNTES FÉMOLDÓDÁS , AMI EGY A KORRÓZIÓ SORÁN KIALAKULÓ GALVÁNELEM ANÓDFOLYAMATÁNAK TEKINTHETÕ. A GALVÁNELEM KIALAKULÁSÁHOZ SZÜKSÉG VAN EGY, AZ ADOTT FÉMNÉL POZITÍVABB STANDARDPOTENCIÁLÚ RENDSZER JELENLÉTÉRE, EZ LEHET A CSAPADÉK H3O+ IONJA ( A CSAPADÉKBAN MINDIG VAN OLDOTT SZÉN-DIOXID, AMELY A CSAPADÉKOT MEGSAVANYÍTJA) VAGY A LEVEGÕ OXIGÉNJE. 2H3O+ + 2e-= H2 + 2H2O O2 + 2H2O + 4e- = 4OH-
Dr. Kisfaludi Andrea_A kémia birodalmának magaslatain.docx
57
A FENTI FOLYAMATOK A KORRÓZIÓ SORÁN KIALAKULÓ GALVÁNELEM KATÓDFOLYAMATÁNAK FELELNEK MEG.
“Nyugat-Európában évente kilencmillió jármûvet (autót, motorkerékpárt, kisteherautót) vonnak ki a forgalomból - ez pedig kilencmillió tonna rozsdás vas és szennyezõ anyag, amivel valamit kezdeni kell. Az ügy komolyságát bizonyítja, hogy az Európai Bizottság nemrég “autóroncs-jogszabályt” dolgozott ki.” “A fõ gond, hogy az autók tele vannak olyan környezetszennyezõ anyagokkal (ólom, higany, króm) amelyeket senki sem von ki, mielõtt a kiöregedett kocsikat a roncstelepre küldené.” “Az EU-jogszabály tervezete azt javasoltja, hogy 2005-tõl a kiszuperált autók 85 százalékát hasznosítsák újra.” Népszabadság Kerékvilág II. évf. 9.szám 7.o. Az ötvözetek esetében mindig kialakul a. galvánelem, vagy egyszerûbben helyi elem, amelynek az adja meg a lehetõségét, hogy az ötvözet felületén a különbözõ helyek standardpotenciálja különbözõ. A helyi elemek képzõdésekor mindig az a fém vagy fémrészlet oldódik, amelynek standard elektródpotenciálja negatívabb. 1. Egy vaslemezt, amely a lépcsõ korlátját tartja rézcsavarokkal rögzítettünk. Mivel a korlát a házon kívül van ezért a vaslemezt esõ, hó éri. Melyik fémet támadja meg a korrózió? A lemez és a csavar érintkezésénél, mivel két különbözõ fémrõl van szó galvánelem alakulhat ki. A galvánelem negatív pólusa a vaslemez lesz, mivel a vas vasion rendszer standarpotenciálja a negatívabb Itt történik a fémoldódás. Fe ----> Fe 2+ + 2e- Fe2+ + OH - ----> Fe(OH)2 A pozitív póluson a levegõ oxigénje veszi fel a vasatomok által leadott elektronokét és az esõcsepp vagy a vízpára vízmolekuláival hidroxilionok keletkeznek. O2 + 2H2O + 4e- ----> 4OH- A folyamat gyorsabb, mintha vasszöggel rögzítenék a korlátra a vaslemezt. ÁBRA BRANDT 4. 121.O. 9.28 2. Egy behorpadt konzervdoboz marhagulyást tartalmaz. Me lehet-e enni a dobozban levõ marhagulyás? A konzervdobozok fehérbádogból készülnek. Mint azt már tanultuk a fehérbádog ónnal bevont acélt jelent. Horpadáskor repedés keletkezik és a két fém érintkezésénél galvánelem alakulhat ki. A negatívabb standardpotenciálú fém, esetünkben a vas oldódik fel a gulyás levében. A vasionok nem mérgezõek így a egészségkárosodást nem okoznak a gulyáslevesben. HA a konzerv sokáig áll az üzletben, akkor egy idõ után csöpögni folyni kezd.
Mivel védhetjük meg a fémeket a korróziótól? Már az elõbbiekben is szóltunk arról, hogy egy összefüggõ, az idõjárás hatásaival szemben ellenálló bevonat megóvja a fémeket. • gondoljunk csak a mûanyag bevonattal ellátott fémdrótból készült kosarakra, kerítéshuzalokra, az autók festésére, a zománcfestékkel befestett fazekakra, vagy a küszöbök lakkozására. A felsorolt módszerek mindegyike a fémek megvédését szolgálja. • Az alumínium esetében láttuk, hogy a gyártás során vastag oxidréteget alakítanak ki a fém felületén - ezt nevezik eloxálásnak- és így biztosítják a fém korróziótól való védelmét. Hogyan lehet megbontani az alumínium felületén levõ oxidréteget? • A fehérbádog esetében láttuk, hogy az is védelmet jelent, ha a fémet egy pozitívabb standardpotenciálú fémmel vonjuk be. Minden eddig felsorolt módszer csak addig biztosít védelmet , míg a bevonat összefüggõ réteget képez a fémen. A bevonat sérülése esetén a fém korrodál. Különösen igaz ez a harmadik esetben, amikor a fémbevonat sérülésekor a két fém érintkezik az elektroliton
Dr. Kisfaludi Andrea_A kémia birodalmának magaslatain.docx
58
(csapadékon) keresztül és kialakul a galvánelem amelynek negatív pólusán éppen a védeni kívánt fém oldódása történik. Ebben az esetben a galvánelem kialakulása miatt a korrózió még gyorsabb mintha a fém önmagában lenne kitéve a környezeti hatásoknak. AZ ELÕBBIEKBEN FELSOROLT KORRÓZIÓVÉDELMI LEHETÕSÉGEKET PASSZÍV KORRÓZIÓVÉDELEMNEK NEVEZZÜK. Gyakran hallunk rozsdamentes, saválló acélból készült mosogatókról, csaptelepekrõl és más a mindennapi életben használatos tárgyakról. Ezek a használati tárgyak a korrózióállandóságukat annak köszönhetik, hogy felületükön, hogy felületükön már a levegõ oxigénjének hatására összefüggõ, passzíválló oxidréteg alakul ki, amely karcolások, horpadások után újra tud képzõdni. AZ AKTÍV KORRÓZIÓVÉDELEMNEK KÉT LEHETÕSÉGE VAN: • Ha egy fémet egy nála negatívabb standard potenciálú fémmel vonunk be akkor a bevonat sérülése esetén is megvédi a bevont fémet hiszen a bevonat lesz a kialakuló galvánelem negatív pólusa. Ilyen pl. a horganyzott bádog, vagyis a cinkkel bevont vaslemez. • Egy másik lehetõség az ún. katódos fémvédelem. Tengerjáró hajók, tengerben futó csõvezetékek közvetlenül érintkeznek a sós vízzel, amely kitûnõ elektrolit, így a galvánelem kialakulásának feltételei adottak. A vezetékeket nem lehet idõrõl idõre kiemelni a vízbõl és újra festeni vagy befedni a védelem érdekéban. Ekkor úgy járnak el, hogy vezetékhez vagy a hajó vízbemerülõ testéhez bizonyos távolságban egy-egy negatívabb standard potenciálú fémtömböt csatlakoztatnak. Így a helyi elem kialakulása esetén a fémtömb, vagyis a galvánelem negatív pólusának tömege csökken. Ugyanakkor a vezeték vagy a hajónak, amely a galvánelem pozitív pólusa tömege nem változik. ÁBRA BRANDT 4. 123O. 9.32.
4.2. Használjuk fel az elektromos áramot! 4.2.1. Az alumínium elõállítása Mibõl állítják elõ az alumíniumot? Mi a timföld? Ki dolgozta ki a timföldgyártást ipari méretekben?: Mi a timföldgyártás lényege? Milyen anyagot adnak a timföldhöz az alumínium elõállításakor, hogy annak olvadáspontját csökkentsék? Az alumíniumot bauxitból állítják elõ két lépésben. Az elsõ lépés, amikor a bauxitot timfölddé alakítják, második lépésben a timföldbõl alumíniumot állítanak elõ. 1. Timföldgyártás: A bauxitot nátrium-hidroxidban oldják, amely az ásvány alumíniumtartalmát feloldja: bauxit + NaOH ----› Na[Al/OH/4] nátrium -tetrahidroxi-aluminát Az oldás után az oldatot leszûrik. Hogyan nevezik a szûrés után visszamaradó csapadékot, Mit tartalmaz a visszamaradó csapadék? Mire lehet használni a visszamaradó anyagot? Az oldatot vízzel meghígítják és alumínium-hidroxid kristályokat adnak hozzá, aminek hatására a nátiumtetrahidroxi aluminát elbomlik és a keletkezõ alumínium-hidroxid kicsapódik: +H2O Na[Al/OH/4] --------------› NaOH + Al/OH/3
Dr. Kisfaludi Andrea_A kémia birodalmának magaslatain.docx
59
Az alumínium-hidroxidot izzítják, aminek hatására a víz távozik el és alumínium-oxid, másnéven timföld keletkezik: 2Al(OH)3 ----› Al2O3 + 3H2O Keressd ki a Függvénytáblázatból a timföld olvadáspontját! 2. Alumíniumgyártás: A timföldbõl az alumíniumot a timföld olvadékának elektrolízisével állítják elõ.
AZ ELEKTROLÍZIS ELEKTROMOS ENERGIA HATÁSÁRA BEKÖVETKEZÕ KÉMIAI VÁLTOZÁS
Elektrolízis gyakorlati megvalósításakor az egyenáramú áramforrást két elektródhoz csatlakoztatjuk, majd ezeket az elektródokat bemerítjük egy elektrolit oldatába vagy olvadékába. Az elektromos áram hatására az elektrolit oldat vagy olvadék ionjai szétválnak egymástól és az elektrolizáló berendezés megfelelõ pólusához vándorolnak. A pozitív töltésû ionok, másnéven kationok a katódhoz, a negatív töltésû ionok másnéven anionok az anódhoz vándorolnak. A pólusokon a megfelelõ ionok töltésüket vesztik és anyagi minõségüktõl függõen vagy gáz alakban távoznak, vagy reagálnak az elektród anyagával, vagy kiválnak az elektródon. Az alumínium elõállításához használt elektrolizáló kemence egy szénnel kibélelt kádból (ez a katód) és az ebbe felülrõl benyúló grafitrudakból áll (ez az anód). A kádba timföldet adagolnak és az olvadáspont csökkentése érdekében kriolitot adnak hozzá. Az elektromos áram hatására az alumínium-oxid a kádban bomlik el: Al2O3 ----› 2Al3+ + 3O2- A keletkezett ionok a megfelelõ pólushoz vándorolnak és a katódon redukció: Å Al3+ + 3e- ----› Al az anódon oxidáció történik: - 2O2- ---› O2 + 4e- A katódon, vagyis a kád aljában kiváló alumíniumot idõnként lecsapolják. Az anódon képzõdõ oxigén reakcióba lép az anód anyagával és szén-dioxiddá vagy szén-monoxiddá alakul, fogyasztva ezzel az anód anyagát. Az elõbbiekbõl következik, hogy az anód anyagát idõközönként pótolni kell. Mennyi alumínium gyûlik össze a kádban az elektrolízis ideje alatt? Michael Faraday (ejtsd: májkl feredé) 1834-ben vezette be az elektrolízis fogalmát és õ honosította meg az anód, a katód, az anion, a kation valamint az elektród fogalmakat az elektrokémiában. Faraday szegény sorból származott és könyvkötõként dolgozott. Munka közben kezébe kerültek olyan, elektromossággal foglalkozó könyvek, amelyek felkeltették az érdeklõdését. Kitartása, szorgalma és nem utolsó sorban tehetsége révén elérte, hogy fiatalon az angol tudományos akadémia tagjává, majd számos egyetem díszdoktorává választotta Faraday zseniális kísérletezõ és felfedezõ volt. 1833-ban fogalmazta meg azt a két törvényt, amelynek segítségével kiszámítható, hogy az elektrolízis során mekkora tömegû anyag válik ki az elektródokon. Faraday matemetikai elõképzettsége hiányzott
Dr. Kisfaludi Andrea_A kémia birodalmának magaslatain.docx
60
ahhoz, hogy matematikailag is megfogalmazza felfedezéseit, ezt helyette Clerk Maxwell (ejtsd: mekszvel) angol fizikus tette meg. Faraday elsõ törvénye: AZ ELEKTRÓDOKON LEVÁLÓ ANYAGMENNYISÉG ARÁNYOS AZ ELEKTROLITON ÁTHALADÓ TÖLTÉS MENNYISÉGÉVEL, MATEMATIKAILAG MEGFOGALMAZVA:
n ~ Q ahol n: anyagmennyiség Q: töltésmennyiség, Q= I.t I: az elektrolízis áramerõssége t : az elektrolízis ideje Az arányossági tényezõ a Faraday féle szám, jele: F, értéke: 96500 C/mól, ami egy mól elektron töltésének felel meg. SZAVAKKAL KIFEJEZVE: 1 MÓL EGYSÉGNYI TÖLTÉSÛ ION ELEKTRÓDON VALÓ SEMLEGESÍTÉSÉHEZ 96500 C TÖLTÉSMENNYISÉG ELEKTROLITON VALÓ ÁTHALADÁSA SZÜKSÉGES. A fentiekbõl következik, hogy nagyobb töltéssel rendelkezõ ionok leválásához arányosan nagyobb töltésmennyiségre van szükség: Q n=--------------- ,ahol z: a leváló ion töltése abszolút értékben Z.F Faraday második törvénye: KÜLÖNBÖZÕ ANYAGOKBÓL AZONOS TÖLTÉSMENNYISÉG HATÁSÁRA KIVÁLT ANYAGMENNYISÉGEK ÚGY ARÁNYLANAK EGYMÁSHOZ MINT IONJAIK TÖLTÉSEI HÁNYADOSÁNAK RECIPROK ÉRTÉKE, MATEMATIKAILAG MEGFOGALMAZVA: n1 z2 ---=- ---- n2 z1 Számítsuk ki mennyi alumínium válik ki az elektrolizáló kád aljában! Az elektrolízis idõtartama t=1 óra " használt áramerõsség I= 100 000 A Tehát az áthaladó töltésmennyiség: Q= I.t Q= 100 000 A . 3600s Az alumíniumion töltésének abszolút értéke z=3 A végbemenõ elektródfolyamat: Al3+ + 3e- ----› Al Alkalmazzuk Faraday elsõ törvényét! Q n= -------------- z.F 100 000 A . 3600s n= ------------------------------- 3 . 96500 n= 1243 mól A kapott anyagmennyiség kilogrammokban kifejezve: m = n.M m =1243 mól .27g/mól m= 33575 g= 33,575 kg Alkalmazzuk Faraday második törvényét!
Dr. Kisfaludi Andrea_A kémia birodalmának magaslatain.docx
61
CuSO4 olvadékának szén elektródok között történõ elektrolízisekor hány kilogramm réz keletkezne a katódon? Az elektrolízis idõtartama és az elektrolizáló áramerõsség megegyezik az alumínium elõállításánál leírtakkal. Cu2+ + 2e- ----› Cu Faraday második törvénye értelmében azonos töltésmennyiség hatására kivált anyagmennyiségek úgy aránylanak egymáshoz mint ionjaik töltése hányadosának reciprok értéke: nAl 2 ---- = ---- nCu 3 3 nCu = ---- . 1243 mól 2 nCu = 1865 mól
4.2.2 A nátrium , a nátrium-hidroxid és a klór elõállítása Amikor az egyes elemek ipari elõállításáról tanultunk említettük, hogy nemcsak az alumíniumot, de más elemeket is elõ lehet állítani elektrolízis segítségével Mit Mibõl? Hogyan? ? H2 H2O − H+ + e- ----› H2 + OH- ----› O2 + 4e- + H2O O2 H2O -H+ +e- ----› H2 + OH- ----› O2 + 4e- + H2O F2 CaF2 olvadék − Ca2+ + 2e- ---- › Ca + 2F- ----› F2 + 2e- Cl2 NaCl vagy KCl − Na+ + e- ----› Na olvadék vagy − K+ + e- ----› K oldat + 2Cl - ----› Cl2 + 2e- Br2 KBr vagy NaBr − Na+ + e- ----› Na olvadék − K+ + e- ----› K + 2Br- ----› Br2 + 2e- Na NaCl olvadék − Na+ + e- ----› Na + 2Cl - ----› Cl2 + 2e- K KCl olvadék − K+ + e- ----› K + 2Cl - ----› Cl2 + 2e- Ca CaCl2 olvadék − Ca2+ + 2e- ---- › Ca + 2Cl - ----› Cl2 + 2e- Mg MgCl2 olvadék − Mg2+ + 2e- ----› Mg + 2Cl - ----› Cl2 + 2e- A különbözõ iparágak, mint a tisztítószergyártás a timföldgyártás és a mûszálgyártás nagy mennyiségben igényli a nátrium-hidroxidot a különféle gyártási folyamatokhoz. A szappangyártás mely folyamatához szükséges nátrium-hidroxid? Írd le a folyamat egyenletét! A timföldgyártás mely folyamatához szükséges nátrium-hidroxid? Írd le a folyamat egyenletét! A viszkózgyártás mely folyamatához szükséges nátrium-hidroxid? Írd le a folyamat egyenletét Milyen fizikai és kémiai tulajdonságokkal rendelkezik a nátrium-hidroxid és a nátrium? A nátrium-hidroxidot az ún. higanykatódos eljárással állítják elõ. Mint az eljárás nevébõl is kitûnik, katódként higanyt használnak, az anód pedig grafitból készül.
Dr. Kisfaludi Andrea_A kémia birodalmának magaslatain.docx
62
Az elektrolízis egy 14 méter hosszú, vasból készült vályúban végzik, melynek belseje gumival van bevonva. A vályú nem vízszintesen áll, hanem az egyik irányba egy kicsit lejt. Ez teszi lehetõvé, hogy a vályúban levõ higany lassan folyjon a vályú alacsonyabban fekvõ vége felé. A grafit anódok belógnak a vályúba. RAJZ GERECS 107. OLD Az elektrolíziskor a vályúba 60-70 oC-os tömény sóoldatot vezetnek higanykatódon nátrium válik ki és higannyal amalgámot képez: Hg Na+ + e- ----› Na ------------› NaHg Az anódon klórgáz keletkezik: 2Cl- ----› Cl2 + 2e- A nátrium-amalgám lassan átfolyik egy másik vasból készült vályúba, ahova az amalgámmal szemben vizet folyatnak. A víz hatására az amalgám elbomlik higany, valamint nátriumhidroxid keletkezik belõle. 2NaHg + 2H2O ----› 2NaOH + H2 + Hg A képzõdött higanyt és a sóoldatot visszavezetik az elektrolizáló vályú elejére. A keletkezett nátrium-hidroxid tisztítást nem igényel, közvetlenül felhasználható. A gyártási folyamat melléktermékeként keletkezett klórgáz szintén felhasználható a különféle ipari folyamatokban. Sorolj fel olyan vegyületeket, amelyek elõállításához klórgázra van szükség!
4.2.3. Réztisztítás elektrolízissel A réz tisztítására olyan elektrolizáló berendezést használnak, amelynek mindkét elektródja rézbõl készült és réz-szulfát-oldatba merül. A réz-szulfát-oldatban réz-, szulfát-, hidroxid-, és oxóniumionok vannak. A katódhoz oxónium-ionok és rézionok vándorolnak. A rézionok semlegesítõdnek. A katódon végbemenõ folyamat: Cu2+ + 2e- ----› Cu A kiváló réz a katódot új és tiszta rézréteggel vonja be. Az anódhoz hidroxidionok és szulfátionok vándorolnak. Az anód anyaga a réz ionok formájában oldatba megy. Az anódon végbemenõ folyamat: Cu ----› Cu2+ + 2e- CHEMCOUNTS 81.O. Az elektrolízis eredményeként az anód elfogy és a katódra tiszta rézbevonat kerül. Az iparban ezt a réztisztítási eljárást használják, ilyenkor katódként vékony rézlemezt használnak. Ha a réz-szulfát elektrolízisét nem réz, hanem grafit elektródok között végezzük más eredményhez jutunk. Az oldatban az alábbi ionok fordulnak elõ: Cu2+, SO42-, OH-, H3O+ A fenti ionok közül a katódhoz vándorolnak: Cu2+, H3O+ A fenti ionok közül az anódhoz vándorolnak: OH-, SO42- A katódon a rézionok, az anódon a hidroxilionok semlegesítõdnek: - Cu2+ +2e- ----› Cu + 4OH- ----› O2 + 2H2O + 4e- USBORN 66.O
Dr. Kisfaludi Andrea_A kémia birodalmának magaslatain.docx
63
A fentiek alapján elmondható, hogy az elektrolíziskor semlegesítõdõ ionok anyagi minõsége több környezeti tényezõtõl függ. EGY ELEKTOLIT ELEKTROLÍZISEKOR AZ ELEKTRÓDOKON KIVÁLÓ ANYAG MINÕSÉGE FÜGG n AZ ION ANYAGI MINÕSÉGÉTÕL n AZ ELEKTROLITOLDAT KONCENTRÁCIÓJÁTÓL n AZ ELEKTRÓD ANYAGI MINÕSÉGÉTÕL n AZ ELEKTROLIZÁLÓ FESZÜLTSÉGTÕL
4.2.4. Galvanizálás CHEM COUNTS 82.O Amikor a fülbevalók között válogatunk az üzletben gyakran látunk a fülbevalók között arannyal vagy ezüsttel bevont fülbevalót. A csaptelepek, az evõeszközök, a teáskannák, az autók lökhárítója csillogásukat az õket védõ krómbevonatnak köszönhetik. AZT A FOLYAMATOT, AMELYBEN EGY TÁRGY FELÜLETÉT ELEKTROLÍZIS SEGÍTSÉGÉVEL EGY MÁSIK FÉMMEL VONJÁK BE GALVANIZÁLÁSNAK NEVEZZÜK. A galvanizálás alapja ugyanaz a folyamat , mint amelyet a réz tisztításakor megismertünk. A galvanizálásra szánt tárgyat (fülbevaló, evõeszköz, csaptelep, stb.) elektrolízis során az elektrolizáló kád katódjaként kapcsolják. Az anódként használt fém elõször feloldódik az elektrolitban, majd kiválik a katód felületén. CHEM COUNTS 83.O. Szép egyenletes fémfelület kialakításához figyelemmel kell lenni a galvanizálás körülményeire, vagyis • a galvanizálandó tárgynak tisztának és zsírmentesnek kell lennie, • a galvanizáló feszültség nem lehet túl nagy, mert csak lassú kiváláskor képzõdik tartós fémfelület , • a galvanizálás hõmérsékletének és a galvanizáló-oldat koncentrációjának folyamatos ellenõrzése fontos Az acéltárgyak krómozása különös figyelmet igényel, mivel az acélfelületen a krómatomok nem tapadnak meg, ezért az acéltárgyak felületén elõször nikkel bevonatot hoznak létre, majd erre viszik fel a krómbevonatot. 1. Mennyi idõre van szükség egy 30 g tömegû ezüstgyûrû anyagának megtisztításához, ha a folyamatot 6 A árammal végzik? 2. Vízcsaptelep krómozott felületû. Miért van szükség krómozásra? Mennyi krómra van szükség egy 67 cm hosszúságú és 1,5 cm átmérõjû acélcsõ krómozásához? Mekkora töltésmennyiség szükséges ennyi króm elõállításához? 3. Mekkora áramerõsséget használtunk annak a 3,6 kg 30 m/m %-os konyhasó-oldatnak a higanykatódos elektrolíziséhez, ha az oldatból 8 óra alatt 20 m6m %-os nátrium-hidroxid oldatot állítottunk elõ? 4. Három galvanizáló kádat sorba kapcsoltunk és három órán keresztül folytattuk bennük az elektrolízist. Az elsõ kádban a katód ezüst, az elektrolit ezüst-nitrát-oldat, a második kádban a katód réz, az elektrolit réz-szulfát-oldat, a harmadik kádban a katód nikkel és az elektrolit nikkel-szulfát-oldat volt. Melyik anódon vált ki a legnagyobb anyagmennyiségû fém?
Dr. Kisfaludi Andrea_A kémia birodalmának magaslatain.docx
64
mit tanultunk eddig? elektródok többfélék lehetnek ezek egyik típusa az amikor egy fém saját ionjainak oldatába merül A galvánelem két, vezetékkel és elektrolit-oldattal összekötött elektródból áll a galvánelemekben a kémia energia elektromos energiává alakul át A galvánelem negatív pólusán az oxidációs folyamat megy végbe A pozitív póluson redukciós folyamat megy végbe elektromotoros erõnek nevezzük a galvánelem által létrehozott feszültség különbséget, amely az áramot hoz létre az áramkörben. Az elektromotoros erõ jele: Emf (elektromotive force) Az elektromotoros erõ kiszámításának módja: A pozitív pólus elektródpotenciáljából kivonjuk a negatív pólus elektródpotenciálját Emf= E+ - E- galvánelem elektromotoros ereje függ: · az elektród anyagi minõségétõl, · az elektrolitok koncentrációjától, · a hõmérséklettõl, · gázelektródok esetén a nyomástól A Leclanche-elem: A negatív elektródon lejátszódó folyamat: Zn ----› Zn2+ + 2e- A pozitív elektródon lejátszódó leegyszerüsített folyamat: Mn4+ + e- ----› Mn3+ (2 (NH4+ (aq) + MnO2 + 2e- ----› Mn2O3 + H2O + 2NH3) Daniell-elem: A negatív elektródon lejátszódó folyamat: Zn ----› Zn2+ + 2e- A rézlemezen redukciós folyamat zajlik. Az elektrolit-oldatban levõ rézionok a rézlemezhez vándorolnak és az odaérkezett elektronokkal rézatomokat képeznek: Cu2+ + 2e- ----› Cu Az ólomakkumulátor: negatív elektródja az ólom: Pb ----› Pb2+ + 2e- pozitív elektródja az ólom-oxid: Pb4+ + 2e- ----› Pb2+ az elektrolit a kénsav. A nikkel-kadmium akkumulátor, melynek negatív pólusa: Cd ----› Cd2+ + 2e- pozitív pólusa: Ni4+ + 2e- ---› Ni2+ a fémek és az ötvözetek vizes közegben történõ korróziója mindig elektrokémiai folyamat. a folyamat alapja az önkéntes fémoldódás , ami egy a korrózió során kialakuló galvánelem anódfolyamatának tekinthetõ. a galvánelem kialakulásához szükség van egy, az
Dr. Kisfaludi Andrea_A kémia birodalmának magaslatain.docx
65
adott fémnél pozitívabb standardpotenciálú rendszer jelenlétére, ez lehet a csapadék H3O+ ionja ( a csapadékban mindig van oldott szén-dioxid, amely a csapadékot megsavanyítja) vagy a levegõ oxigénje. 2H3O+ + 2e-= H2 + 2H2O O2 + 2H2O + 4e- = 4OH- a fenti folyamatok a korrózió során kialakuló galvánelem katód folyamatánek felelnek meg. passzív korrózióvédelemnek nevezzük. Az aktív korrózióvédelemnek két lehetõsége van: az elektrolízis elektromos energia hatására bekövetkezõ kémiai változás Faraday elsõ törvénye: elektrolízis alkalmával az elektródokon leváló anyagmennyiség arányos az elektroliton áthaladó töltés mennyiségével, matematikailag megfogalmazva: Q n=--------------- z.F ahol z: a leváló ion töltése abszolút értékben n: anyagmennyiség Q: töltésmennyiség, Q= I.t I: az elektrolízis áramerõssége t : az elektrolízis ideje Faraday féle szám, jele: F, értéke: 96500 C/mól, ami egy mól elektron töltésének felel meg. Szavakkal kifejezve: 1 mól egységnyi töltésû ion elektródon való semlegesítéséhez 96500 C töltésmennyiség elektroliton való áthaladása szükséges. Faraday második törvénye: Az elektrolízis során különbözõ anyagokból azonos töltésmennyiség hatására kivált anyagmennyiségek úgy aránylanak egymáshoz mint ionjaik töltései hányadosának reciprok értéke, matematikailag megfogalmazva: n1 z2 ---=- ---- n2 z1 egy elektolit elektrolízisekor az elektródokon kiváló anyag minõsége függ · az ion anyagi minõségétõl · az elektrolit-oldat koncentrációjától · az elektród anyagi minõségétõl · az elektrolizáló feszültségtõl Az alumínium-oxid (timföld) elektrolízise: Az elektromos áram hatására az alumínium-oxid a kádban elbomlik: - Al2O3 ----› 2Al3+ + 3O2- A keletkezett ionok a megfelelõ pólushoz vándorolnak és a katódon redukció: + Al3+ + 3e- ----› Al az anódon oxidáció történik: 2O2- ---› O2 + 4e- Nátrium elõállítása: Az elektrolíziskor 60-70 oC-os tömény sóoldatot vezetnek a vályúba. A higanykatódon nátrium válik ki és higannyal amalgámot képez: Hg
Dr. Kisfaludi Andrea_A kémia birodalmának magaslatain.docx
66
Na+ + e- ----› Na ------------› NaHg Az anódon klórgáz keletkezik: 2Cl- ----› Cl2 + 2e- Galvanizálás azt a folyamatot, amelyben egy tárgy felületét elektrolízis segítségével egy másik fémmel vonják be galvanizálásnak nevezzük.
Dr. Kisfaludi Andrea_A kémia birodalmának magaslatain.docx
67
Mit tanultunk kémiából? Az elmúlt négy év kémia tanulmányai alatt saok ismeretre tettél szert. A következõkben olyan problémákat kell megoldanod és olyan kérdésekre kell válaszolnod, amelyekkel a mindennapi életben is szembetalálhatod magad. A válaszaid alapján képet kaphatsz arról, mennyire sikerült felkészülnöd az élet kémia leckáinek megoldására. 1. Miért nem szabad kétféle tisztítószert összeönteni? 2. Miért ne használjuk korlátlanul sütésre a fritõz olaját? 3. A fehér mosásba véletlenül bekerült egy piros kendõ, ezért az egész mosás rózsaszínû lett. Mit tehetünk? 4. Mi a vízkõ kémiailag? Mivel tudnánk eltûntetni a vízkövet a csempérõl és a teafõzõbõl? 5. A fritõz fedelében szûrõ található, amely megköti a kellemetlen olajszagot. Mibõl készült a szûrõ anyaga? Miért kell idõnként kicserélni a betétET? 6. Mi a koffein kémiailag? Mely élelmiszerek tartalmaznak koffeint? Mi a koffein élettani hatása? 7. Milyen édesítõszereket ismersz? Sorold fel az egyes édesítõszerek elõnyeit és hátrányait! 8. Sítúra alkalmával az auto szélvédõmosó folyadéka kifogyott és a tartályt vízzel töltöttük meg. Mi történt azután? Mi volt a hiba ? Mit kellett volna tennünk?: 9. Milyen anyagok az aeroszolos flakonok vivõgázai? 10. Miért nem szabad az aeroszolos flakonokat tûzbe dobni? 11. Mibõl állnak a növényi rostok kémiailag? Milyen élelmiszerek tartalmaznak sok növényi rostot? Miért fontos a rostban dús táplálkozás? 12. 14 karátos arany tárgyak 585 ezredrész aranyat tartalmaznak. Az ötvözõ fém vagy réz vagy ezüsst. Hány gramm aranyat tartalmaz egy 2,36 g tömegû 14 karátos aranygyûrû? Miért nem használnak tiszta aranyat gyûrûkészítéshez? 13. A durumbúzából késazült széraztészták nem tartalmaznak tojást. Kiknek ajánlható az ilyen tésztafélék fogyaszátsa? Milyen anyagot tartalmaz a tojás, amelynek fogyasztását korlátok között kell tartani? 14. Mi a skér? 15. Háromféle csomagolásban kapható ugyanaz az üódítõital (alumíniumdoboz, prolipropilén mûanyagpalack, kombidoboz). Melyik csomagolású terméket vásárolnád meg? Miéert? Hogyan állítják elõ az egyes csomagolóanyagokat? 16. Mi a szennxyvíz? Hogyan keletkezik a szennyvíz? Hogyan lehetne csökkenteni a háztartások szennyvíztermelését? Hogyan tisztítják a szennyvizet? 17. Milyen bevonatokkal készülhetnek a fõzõedények? Milyen az egyes bevonatok kémiai összetétele? 18. Mit jelentenek az egyes mûanyagpalackokon található jelzések (PS, PP,PÉ)? Hogyan és mibõl állítják elõ az egyes mûanyagféleségeket?? 19. Mi a különbség a margarin és a vaj között? Hogyan állatják elõ a felsorolt élelmiszereket? 20. Mi a különbség a napraforgóolaj és a kenõolaj között? Hogyan állítják elõ az egyes olajféleségeket? 21. Mi a különbség a sör és a pezsgõ között? (Hoögyan állítjék elõ az egyes italféleségeket? 22. Miért kell idõnként leolvasztani a hûtõszekrény mélyhûtõjét? 23. Mi a hasonlóság és ami a különbség a ceruzaelem és az ólomakkumulátor között? 24. Környezetbarát-e az ólommentes benzin? 25. Milyen pH tartományba tartozik az esõvíz pH-ja? Miért? 26. Mi a komposzt? Mire használható? Miért jó? 27. Lehet-e háztartásokban használni alternatív energiaforrásokat? Melyekat , hogyan? 28. Sorolj fel a háztartásban keletkezõ hulladékokat, amelyek újrasznosíthatók? 29. Hogyan lehetne megakadályozni a kerítés, a gázvezeték csövének rozsdásodását? 30. A bicikli kormányának csillogó felülete egy esés alkalmával megsérült. Hogyan lehetne megjavítani a kormány felületét? 31. Milyen gázok távoznak az autok katalizátorából? 32. Mi az ózonlyuk és mi a kapcsolata a napozással?
Dr. Kisfaludi Andrea_A kémia birodalmának magaslatain.docx
68
33. Mi az üvegházhatás és mi a kapcsolata az idõjárással? 34. Mi a savas esõ és mi a kapcsolata a korrózióval, a szobrok alakjának megváltozásával, valamint a talajok fémiontartalmának növekedéséval? 35. Szabad-e mûanyagpalackokat otthopn a kazánban elégetni? Miért? 36. Mi a különbség a villankörte és a halogénizzó között? Hol alkalmaznád az egyiket és hol a másikat? 37. Mit jelent a tejérzékenység? Milyen anyagra érzékeny az ilyen betegségben szenvedõ ember? 38. Milyen kémhatású az aludttej, a szappanoldat, a szódavíz, a citromlé, mosószeroldat? 39. Miért nem lehet mozgatás nélkül csak mosópor és víz hozzáadásával kimosni a szennyest? 40. Hogyan készül az almaecet? 41. Mi az elõnye és mi a hátránya a mûszálból készült ruhadaraboknak? 42. Hasonlítsd össze a z üvegbõl és a mûanyagból készült edényeket, valamint a szemüveglencséket! Mi az egyes edények és lencsék használéatának elõnye és hátránya? 43. Miért tartósabb a krómacél mosogató, mint a zománcozott? Milyen anyagból készült az egyik és milyenbõl a másik? 44. Mi a különbség qa hõre lágyuló és a hõre keményedõ mûanyagok kémiai összetétele között? 45. Mi az újrapapír, hogyan állítják elõ? Miért jó ha ilyen füzetet veszünk? 46. Miért van ráírva a szifonpatronok dobozára, hûvös helyentartandó? 47. Miért csomagolják az étolajat sárgaszínû mûanyagpalackba? 48. A tortazselé hamarabb megszilárdult, mint ahogy a tortára öntöttük volna. Mit tehetünk? 49. Mit jelentenek az E számok az élelmiszereik összetételében? 50. Ha egy új házat építenél, milyne energiatakarékos megoldásokat választanál? 51. Egy autó könyezetbarát jellegét milyen mûszaki adatok alapján tudod megállapítíni? 52. Miért értékesebb táplálkozási szempontból a nyers gyüm,ölcs és zöldség , mint a fõzelék befõtt? 53. Hasonlítsd össze a teflonbevonattal vasból készült lábas tulajdonságait az alumíniumlábaséval! (tartósság, étel elkészülésénak ideje, tisztíthatóság, ár) 54. Mi tartalmaz kevesebb alkoholt 1 korsó(0,5 dm3) sör vagy 1 pohár (0,2 dm3) bor? 55. Kétféle tisztítószer van , ami fertõtlenítõ hatású. Az egyik hypót, a másik hyperol tartalmú. Melyik a környezetre kevésbé ártalmas. Sorolj fel a fenti leírásnak megfelelõ, kereskedelmi forgalomban kapható tisztítószereket! 56. Miért lágy az esõvíz? 57. Melyik gumigyûrût éri meg jobban megvásárolni a szilikongumit vagy a szénalapú gumit? 58. Miért hasonlít egy gyerek az édesapájára és az édesanyjára? Mi történik ? Miért? 59. Ha a fekete-fehér film elõhívás elõtt fényt kap. Indokolj a kémiai folyamat egyenletével! 60. Ha tejbe citrom cseppen? 61. Hypohoz háztartási sósavat adunk. Kémiai egyenlettel indokolj! 62. Liszthez vizet adunk 63. Vöröskáposztát olajon párolunk majd pár csepp ecettel ízesítjük. 64. Polietilén palackot tûzbe dobunk. 65. Ha egy hétig csak csokoládét ennél és szénsavas üdítõitalt fogyasztanál. 66. Kristálycukrot megolvasztunk, majd hevítünk. 67. Ha krumpli megfagy? 68. Amikor az akkumulátor lemerül? 69. Kétféle töménységû szilvapálihnkát összeöntünk? 70. Ha megkarcoltuk az autónkat? 71. Ha a fridzsider belsejét vastag jégréteg borítja?
Dr. Kisfaludi Andrea_A kémia birodalmának magaslatain.docx
69