A kémia és az atomok világa. Kémiai kötések és kölcsönhatások halmazokban. Elektrokémia

A kémia és az atomok világa Kémiai kötések és kölcsönhatások halmazokban Anyagi rendszerek Kémiai reakciók és reakciótípusok

Elektrokémia A hidrogén, a nemesgázok, a halogének és vegyületeik Az oxigéncsoport és elemeinek vegyületei A nitrogéncsoport és elemeinek vegyületei

Szerzők: Dr. Tóth Zoltán egyetemi docens Dr. Ludányi Lajos középiskolai tanár Somogyiné Ambrus Erika középiskolai tanár Lektorok: Dr. Adamkovich István nyugalmazott egyetemi adjunktus Prókai Szilveszter középiskolai tanár Tripolszky Imréné középiskolai tanár Az OH által kirendelt szakértők: Botka Lajosné Sarka Lajos Zarubay Attila Felelős szerkesztők: Dr. Mezõ Tamás Szabóné Mihály Hajnalka Mûszaki szerkesztõ: Szûcs József Korrektúra: Szuperákné Vörös Eszter Vajna Gyöngyi

Fotók: A szerzők saját fotói Nemzetközi képügynökségek Ábrák: Kelcz Roland Tóth Róbert Illusztrációk: Falcione Sarolta Borítóterv és layout: Daróczi Sándor

Második, átdolgozott kiadás Kiadói kód: MX-275 B/T Tankönyvi engedélyszám: TKV/4277 – 16/2013 (2013.05.06. – 2018.08.31.) Kerettanterv: 51/2012.(XII.21.) számú EMMI rendelet 3. melléklet (3.2.09.2.), 4. melléklet (4.2.10.2), 5. melléklet (5.2.14.2.), 6. melléklet (6.3.5.2.) Tömeg: 425 g Terjedelem: 212 oldal (19,35 ív) Minden jog fenntartva, beleértve a sokszorosítást, a mű bővített, illetve rövidített változata kiadásának jogát is. A kiadó írásbeli engedélye nélkül sem a teljes mű, sem annak része semmilyen formában nem sokszorosítható. ISBN 978 963 2612 51 5 © Maxim Könyvkiadó

Elõszó



Miért fontos a kémia? Miért lehet szeretni a kémiát?



A Szerzők és a Kiadó

Jelmagyarázat A leckék zöld háttérszínnel megjelenített családi beszélgetéssel kezdődnek. A gyerekek fogalmazzák meg azokat a kérdéseket, problémákat, amelyek az adott lecke tanulása közben felmerülhetnek. A kérdésekre a felnőttek adnak helyes választ, ők korrigálják az esetleges tévedéseket is. Ha a beszélgetés során emelt szintű tananyag kerül szóba, a betűk színe kékre változik. A szövegdobozok jobb alsó sarkában piros alapon fehér felkiáltójel figyelmeztet a tévedésekre, hibás előismeretekre. Az adott tananyagrész tudománytörténeti vonatkozásai a nagyapa „elbeszélésében” krémszínű háttérrel jelennek meg.

•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••

A kémia a minket körülvevő és a minket alkotó anyag felépítésének, tulajdonságainak és az anyagfajták egymásba alakulásának tudománya. A kémia éppen úgy jelen van a konyhában, az öltözködésünkben, a szórakozásunkban, az egészségünk megőrzésében és helyreállításában, mint a társtudományokban: a biológiában, a fizikában és a földrajzban. Mennyire fontos a kémia? Pontosan annyira, amennyire a fizika, a biológia vagy a földrajz. Elengedhetetlen része mindennapi életünknek és természettudományos műveltségünknek. Miért lehet szeretni a kémiát? Mert izgalmas, látványos és hasznos. Ennek ellenére a kémia az egyik legnehezebb iskolai tantárgy. Nem elég megérteni, tanulni is kell; és nem elég megtanulni, érteni is kell. Miért nehéz a kémia? Egyrészt azért, mert az anyagok tulajdonságait, átalakulásait érzékszerveinkkel nem érzékelhető, nehezen elképzelhető apró részecskék (atomok, molekulák, ionok) kölcsönhatásaként értelmezi. Ott van az a sok vegyjel, képlet és reakcióegyenlet is… Nem ígérjük tehát, hogy a kémia tanulása könnyű és üdítő lesz. Igyekszünk viszont rámutatni a kémia és a mindennapi életünk kapcsolatára. A kémiai ismeretekkel kapcsolatban rengeteg tévképzet (tudományosan nem helytálló ismeret) van az emberek fejében. Ezeket is próbáljuk bemutatni, hiszen ezek kialakulásának oka van, és ez nem szégyellni való. Ha viszont tisztában vagyunk tudásunk hiányosságaival, akkor már megtettük az első lépést a helyes tudás kialakulásának útján. Ebben segítenek a leckékben előforduló párbeszédek, melyek során elsősorban a gyerekek fogalmazzák meg azokat a problémákat, félreértéseket, amelyek bennetek is felmerülhetnek a kémia tanulása közben. A tanév során számos új fogalommal fogunk megismerkedni, és nagyon sok, korábban az általános iskolában tanult fogalmat fogunk újra megbeszélni, jelentését pontosítani, kibővíteni. Mi kell a sikeres tanuláshoz? Érdeklődés, nyitottság az újra, és kitartás, szorgalom, a nehézségeken, a kudarcokon való felülemelkedés képessége. Kívánjuk, hogy mindezek legyenek meg bennetek is!

Hogyan használd?

A törzsszövegben előforduló emelt szintű tartalmak világoskék alapon jelennek meg.

Ne csak nézd!

Törekedtünk arra, hogy az ábrák, képek a problé­ mák továbbgondolását, a jobb értelmezhetőséget szolgálják (legtöbbjükhöz közvetlenül kapcsolódik kérdés, feladat), miközben kellemesebbé teszik az olvasást.

3.11. Forró hűtővíz?

Félkövér kiemelésekkel hívjuk fel a figyelmet a fontosabb szakkifejezésekre és a definíciókra. A szakszavakat a könnyebb áttekinthetőség kedvéért a kötet végén a függelékben is feltüntetjük azzal az oldalszámmal együtt, amelyen az adott kifejezést legalaposabban tárgyaljuk. A listában csillaggal* jelöljük az érettségi követelményrendszerben szereplő tartalmakat, melyekből a kék* színnel jelöltek csak az emelt szintű követelményben szerepelnek. Az új szakkifejezéseket dőlt betűvel jelöljük. Újnak tekintjük mindazokat a fogalmakat, amelyek az alsóbb évfolyamokon a tantervek szerint, illetve a tanítási gyakorlatban nem fordulnak elő, vagy megjelennek ugyan, de tárgyalásunkban lényegesen mélyebb értelmet nyernek.

A leckék végén sárga alapon, vázlatpontokba rendezve újra kiemeljük, összefoglaljuk a legfontosabb tényeket. Ezekben a kiemelésekben az emelt szintű részeket kék betűvel jelöljük. Az összefoglalások után Válaszolj! Kutass! Mérj! Alkoss! Kísérletezz! címmel saját mérésre, kísérletek elvégzésére, jelenségek értelmezésére buzdító ajánlások fogalmazódnak meg. Szeretnénk, ha a keresési feladatok megoldása a könyvtárban és az interneten való értelmes tájékozódást is segítené. Ahol számítási feladatok megoldására is van mód, először a Kidolgozott feladatok című részben mutatjuk meg lépésekre bontva a feladatok megoldásának legegyszerűbb módját. Oldd meg! címmel következnek azok feladatok, melyek megoldása általában a sorszám növekedésével együtt egyre komolyabb kihívást jelenthet. 6

7

Tartalomjegyzék I. A KÉMIA ÉS AZ ATOMOK VILÁGA

11

1. M itől tudományos? A részecskemodell

12

2. Az osztható „oszthatatlan” Az atom

15

3. M ég mindig „magolunk” Az atommag átalakulásai

19

4. F őszerepben az elektronok A periódusos rendszer

23

5. A mikor egy vesszőnek is jelentősége van 28 Az anyagmennyiség II. KÉMIAI KÖTÉSEK ÉS KÖLCSÖNHATÁSOK HALMAZOKBAN 35

8

1. A három legerősebb Elsőrendű kémiai kötések

36

2. Több mint atomok együttese A molekula

42

3. Egyik ilyen, másik olyan A molekulák alakja

45

4. Molekulák akcióban Másodrendű kémiai kötések

49

5. Lehet pozitív, lehet negatív Az ion

54

III. ANYAGI RENDSZEREK

57

1. A plazmatévétől az LCD-ig 58 A gáz és a folyadék (cseppfolyós) halmazállapot

7. Párban 117 A sav­bázis reakció mint protonátmenet 8. A bőség zavara 121 A redoxireakciók értelmezésének három modellje

2. Ott túl a rácson … A szilárd halmazállapot

64

3. Majd ha fagy… Halmazállapot­változások

67

4. Fölöttébb fontos folyadékok Oldatok

71

1. Egy rázós téma 128 Az elektromos áram kémiai hatása

5. Megoldható, csak koncentráljunk! 78 Oldatok összetétele

2. Mindez mire jó? 132 Az elektrolízis gyakorlati alkalmazásai

6. Heterogén? Homogén? Diszperz rendszerek

3. Munkára fogott elektronok Galvánelemek

IV. KÉMIAI REAKCIÓK ÉS REAKCIÓTÍPUSOK

84

87

1. Végre kémia! De nem csak az! 88 A kémiai változások általános jellemzése 2. Egy hős téma A reakcióhő

95

V. ELEKTROKÉMIA

127

137

4. Miért megy végbe? 141 A redukáló­ és oxidálóképesség mértéke: az elektródpotenciál 5. Az elméletből gyakorlat lesz 145 Gyakorlatilag fontos galvánelemek

VI. A HIDROGÉN, A NEMESGÁZOK, A HALOGÉNEK ÉS VEGYÜLETEIK

149

3. Egy tétel és következményei A reakcióhő számítása

100

1. Kémiailag tiszta anyagok Elemek és vegyületek

150

4. Lássuk, melyik a gyorsabb! A kémiai reakciók sebessége

102

2. A világegyetem őseleme A hidrogén

157

5. Mindkét irányú forgalom A kémiai egyensúly

105

3. A levegő „nemesei” A nemesgázok

161

6. „Szók, szavak, frázisok” Sók, savak, bázisok

111

4. Veszedelmes elemek Halogének

163

5. Ételeink sava, borsa Fontos halogénvegyületek

168

VII. AZ OXIGÉNCSOPORT ÉS ELEMEINEK VEGYÜLETEI 173 1. Védd, hogy védhessen! Az oxigén és az ózon

174

2. Két „különleges” anyag A víz és a hidrogén­peroxid

178

3. A sárga kincs A kén

183

4. Mérgező gázok a levegőben Kén­dioxid, kénessav és sói

187

5. Vitriolba mártjuk tollunkat Kén­trioxid, kénsav és sói

191

VIII. A NITROGÉNCSOPORT ÉS ELEMEINEK VEGYÜLETEI

195

1. E gy élettelen gáz, amely nélkül nincs élet 196 A nitrogén, az ammónia és sói 2. A miért háborúztak, csatáztak: háborús veteránok 200 A salétromossav, a salétromsav és sóik 3. A fényt hordozó: barát vagy ellenség? 205 A foszfor és vegyületei

IX. FÜGGELÉK

210 210 9

relatív atomtömeg

vegyjel protonszám

A hidrogén, a nemesgázok, a halogének és vegyületeik

Csoport

Az atomok periódus rendszere

VI. fejezet

Periódus 10

Könnyű gázok és mások

A hidrogén, a nemesgázok, a halogének és vegyületeik

1.1. A fehér- és a vörösfoszfor a foszfor allotróp módosulatai

Én hallottam már egykomponensű és többkomponensű anyagi rendszerekről is. Mit jelentenek ezek?

Egykomponensű az anyagi rendszer, ha csak egy elem vagy vegyület alkotja. Részecskeszinten ez azt jelenti, hogy az anyag csak egyféle atomból (pl. gyémánt) vagy egyféle molekulából (pl. víz) vagy egyféle ionpárból (pl. nátrium-klorid) épül fel. Az egykomponensű anyagi rendszereket szokás kémiailag tiszta anyagoknak is nevezni. A többkomponensű rendszereket többféle elem vagy vegyület alkotja. Részecskéiket tekintve a többkomponensű rendszerek többféle atomból (pl. argon és neon elegye), többféle molekulából (pl. cukros víz) vagy többféle ionpárból (pl. jódozott konyhasó) épülnek fel. A többkomponensű anyagi halmazokat szokták összetett anyagi rendszereknek is nevezni. Az egykomponensű vagy kémiailag tiszta anyagi rendszerek kétfélék lehetnek: elemek és vegyületek. Elemek A kémiailag tiszta (egykomponensű) anyagi rendszerek egyik képviselője a kémiai elem. Kémiai elemnek nevezzük az azonos rendszámú atomok halmazát, függetlenül attól, hogy az atomok kapcsolódnak-e egymáshoz vagy sem. Például a hélium különálló atomokból felépülő elem. Az oxigén általában kétatomos molekulákból (O2) épül fel, de ismeretes háromatomos módosulata (O3) is. A gyémánt is atomokból (pontosabban atomtörzsekből) áll, de ezek egymáshoz kovalens kötéssel kapcsolódva kristályrácsba rendeződnek. Az elemeket többféle szempontból csoportosíthatjuk. Az egyik ilyen csoportosítás alapja, hogy szilárd halmazállapotban milyen típusú kristályrácsot alkotnak. Ennek megfelelően vannak atomrácsos elemek (pl. szén, szilícium), molekularácsos elemek (pl. hidrogén, oxigén, kén, halogének, nemesgázok) és fémrácsos elemek (pl. vas, higany, réz). (Az elemek ionrácsban nem fordulhatnak elő.) Vannak olyan elemek (pl. a foszfor, az oxigén, a szén, a kén, az ón), amelyek különböző formákban fordulhatnak elő elemi állapotban is (1.1. ábra). Az elemek különböző molekulaképletű vagy kristályszerkezetű formáit allotróp módosulatoknak nevezzük.

grafit

gyémánt

C60 fullerén

1.2. A grafit, a gyémánt és a fullerén a szén allotróp módosulatai

150

Erről már tanultunk, ilyen esetben különbözik az atomokban a neutronok száma.

Te most az izotópokra gondolsz. A két fogalomnak semmi köze egymáshoz. Ne keverd össze! Az izotópok ugyanazon elem különböző tömegszámú atomjai. Az allotróp módosulatok ugyanazon elem különböző molekulaképletű vagy kristályszerkezetű módosulatai. Az egyik fogalom az atomra mint kémiai részecskére, a másik az elemre mint anyagi rendszerre vonatkozik.

••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••

••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••

1. Kémiailag tiszta anyagok Elemek és vegyületek

Allotróp módosulatok például a grafit (rétegrácsos szén), a gyémánt (atomrácsos szén) és a fullerének (pl. a C60 molekulákból álló molekularácsos szén) (1.2. ábra); vagy a fehérón (fémrácsos ón) és a szürke ón (atomrácsos ón); vagy az oxigén (O2) és az ózon (O3). Az allotróp módosulatok nemcsak fizikai, hanem kémiai tulajdonságaikban is különbözhetnek egymástól. Az elemeket kétféleképpen jelölhetjük: vegyjellel (pl. C, S, H, O) és képlettel (pl. C60, S8, H2, O2, O3). A két jelölés a molekulákból álló elemek esetén különbözik egymástól (pl. O2 és O3 vagy fehérfoszfor és vörösfoszfor). Nyolcadik osztályban a kémiatanárom majdnem leharapta a fejemet, amikor a hidrogéngáz és az oxigéngáz reakcióját úgy írtam fel, hogy 2 H + O → H2O. Szerinte a 2 H2 + O2 → 2 H2O a helyes, mert a hidrogéngáz és az oxigéngáz is kétatomos molekulákból áll. De amikor a kén égését írtuk fel, akkor a reakcióegyenletben simán a kén vegyjelét használtuk, pedig a kén is molekulákból, méghozzá nyolcatomos molekulákból épül fel. Egyik esetben szabad a képlet helyett vegyjelet használni, a másik esetben nem? Ez valóban nagyon zavaró a kémiával még csak ismerkedő emberek számára. Talán segít a következő szabály: a molekularácsos elemek jelölésére a molekulaképletet szoktuk használni abban az esetben, ha az elem két- vagy háromatomos molekulákból áll. Négy- vagy többatomos molekulák esetén inkább a vegyjelet használjuk az elem jelölésre, kivéve, ha hangsúlyozni akarjuk, hogy milyen összetételű molekulákból áll az elem. A kémiatanárodnak tehát igaza volt.

Világegyetem hidrogén (73,5%) hélium (26,4%) C, N, O, Ne, Fe (0,1%) Földkéreg oxigén (46,4%) szilícium (28,2%)

Al (8,32%) Fe (5,63%) Ca (4,15%) Na (2,36%)

Mg (2,33%) K (2,09%) Ti (0,57%) H (0,14%)

Emberi szervezet oxigén (61%) szén (23%) H (10%) N (2,6%) Ca (1,4%) P (1,1%)

Mg (0,50%) K (0,20%) S (0,20%) Na (0,14%)

1.3. Az elemek előfordulási gyakorisága a világegyetemben, a földkéregben és az emberi testben (az adatok anyagmennyiség-százalékban vannak megadva)

Jelenleg 118 elemet ismerünk, de a mindennapokban csak kb. 90 elemmel találkozhatunk. Az elemek nem egyforma gyakorisággal fordulnak elő a természetben. Ahogy az 1.3. kördiagramokból is kiderül, az elemek előfordulási aránya különbözik attól függően, hogy a világegyetem egészében, a földkéregben, a légkörben, a tengervízben vagy az ember szervezetében vizsgáljuk. Földi körülmények között az elemek nagy része vegyületek formájában található meg, mert így satbilizálódnak, és csak néhány (pl. nemesgázok, nemesfémek) fordul elő elemi állapotban.

151

A hidrogén, a nemesgázok, a halogének és vegyületeik

Csoport Főcsoport Csoportnév

1. I. Alkálifémek

2. II.

13. III.

AlkáliFöldféföldfémek mek

14. IV.

15. V.

16. VI.

Széncso- Nitrogén- Oxigénport csoport csoport

17. VII. Halogének

18. VIII. Nemesgázok

1.4. Főcsoportok

••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••

1.5. A második főcsoport elemei az alkáliföldfémek

A ma használatos vegyjeleket a 19. század elejétől használják a tudósok. A képletekben viszont még a 19. század vége felé is egyaránt használták az indexeket a vegyjel jobb felső és jobb alsó sarkában is. Voltak tehát olyan országok, ahol a víz képletét H2O-nak írták. A 20. század elején egyeztek meg a tudósok abban, hogy egységesen a vegyjel jobb alsó sarkába írják az indexet. A döntésben közrejátszott az is, hogy a matematikában gyakran használják a jobb felső indexet, és az mindig hatványkitevőt jelent.

Az elemeket feloszthatjuk továbbá fémekre és nemfémes elemekre. Az elemek többsége fém. A fémek a periódusos rendszer bór– asztácium (B–At) képzeletbeli vonaltól balra elhelyezkedő elemek. A fémek fémrácsban kristályosodnak, jelölésükre vegyjelüket használjuk (nincs tehát Na2 és Fe2!). A bór–asztácium vonaltól jobbra helyezkednek el a nemfémes elemek. Ezek többsége molekularácsban, néhány tagjuk atomrácsban kristályosodik. A bór–asztácium vonal mentén található fémes elemek a körülményektől függően mutathatnak fémes tulajdonságokat (fémrács, jó elektromos és hővezetés), és mutathatják a nemfémes elemek tulajdonságait is (atom- vagy molekularács, rossz elektromos vezetés). Szép példa erre a korábban már tárgyalt ón, amelynek létezik fémes módosulata (fehér ón) is, és nemfémes módosulata is (szürke ón).

Aszerint, hogy a képletben szereplő indexnek milyen jelentése van, a képleteket két nagy csoportba osztjuk. Tapasztalati (vagy sztöchiometriai) képletről beszélünk akkor, ha a képlet csak az alkotó atomok anyagmennyiség-arányát fejezi ki. Ilyen képlettel szoktuk megadni az ionrácsos és az atomrácsos vegyületek összetételét (1.7. ábra). Molekulaképletről beszélünk, ha a képlet az alkotó atomok anyagmennyiség-arányán kívül kifejezi a molekulát felépítő atomok számát is. A szőlőcukornak megadható a tapasztalati képlete (CH2O) és a molekulaképlete (C6H12O6) is. A csupán a vegyület összetételét kifejező képleteket összefoglaló néven szoktuk összegképletnek is nevezni. Az összegképlettől eltérő a szerkezeti képlet, amely az összetételen kívül már az atomok kapcsolódásáról is nyújt felvilágosítást. Szerkezeti képlet pl. a molekuláknál tárgyalt elektronszerkezeti képlet is (1.8. és 1.9. ábrák).

Vegyületek

1.6. Nátrium reakciója klórral. A keletkező konyhasó (NaCl) tulajdonságai jelentősen különböznek a nátrium és a klór tulajdonságaitól

152

A kémiailag tiszta anyagok másik nagy csoportját alkotják a vegyületek. A vegyület két vagy több elem atomjaiból felépülő, meghatározott összetételű anyag, melynek tulajdonságai jelentősen eltérnek az alkotóelemek tulajdonságaitól (1.6. ábra). Részecskeszinten a vegyület olyan anyagi halmaz, amely egyféle vegyületmolekulából (pl. H2O), egyféle ionpárból (pl. NaCl) vagy többféle, egymással kovalens (pl. SiO2) vagy fémes kötéssel kapcsolódó atomból épül fel (pl. Cu5Zn8). A vegyületek szilárd állapotban mind a négy rácstípusban előfordulhatnak. A molekularácsos vegyületek kristályrácsában molekulák (pl. H2O, CO2, C6H12O6), az ionrácsos vegyületekben ellentétes töltésű ionok (pl. NaCl, NH4NO3), az atomrácsos (pl. SiO2) és a fémrácsos vegyületekben atomtörzsek találhatók (pl. CuZn3). A vegyületeket nemcsak rácstípus szerint, hanem az őket felépítő elemek minősége szerint is csoportosíthatjuk. Szerves vegyületeknek nevezzük azokat a vegyületeket, amelyek felépítésében elsősorban szén és hidrogén, számos esetben oxigén és nitrogén is részt vesz. Ilyen szerves vegyület például a metán (CH4), a szőlőcukor (C6H12O6), az etilalkohol (C2H5OH), az ecetsav (CH3COOH) és a répacukor (C12H22O11).

••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••

A szerves vegyületek túlnyomó többsége molekularácsos vegyület, számuk több millióra tehető. A szervetlen vegyületek csoportjába tartoznak az egyéb vegyületek, pl. a konyhasó (NaCl), a kénsav (H2SO4), a víz (H2O), a salétrom (KNO3). A szervetlen vegyületek mind a négy rácstípusban előfordulhatnak, számuk néhány tízezerre tehető. A vegyületeket képletettel jelöljük. A képlet vegyjelekből áll. A vegyjelek jobb alsó indexében szereplő számok a vegyületet felépítő atomok anyagmennyiség-arányát fejezik ki. (Megállapodás szerint az 1-est nem írjuk ki.) A K2SO4 képlet jelent egy olyan vegyületet, amelyben a K : S : O anyagmennyiség-aránya 2 : 1 : 4. Molekularácsos vegyületek esetén ezek az indexek nemcsak mólarányt, hanem a molekulát felépítő atomok számát is jelentik. A H3PO4 jelentései tehát: 1. olyan vegyület, amelyben a H : P : O anyagmennyiség-aránya 3 : 1 : 4; 2. olyan molekula, amely 3 H-, 1 P- és 4 O-atomból épül fel.

•••••••••••••••••••••••••

Az elemek rendszerezésére a periódusos rendszert használjuk. Az elemek periódusos rendszerét könnyen levezethetjük az atomok periódusos rendszeréből. Mindössze annyit kell tennünk, hogy az atomra jellemző tulajdonságokat, adatokat kicseréljük az ugyanazon atomból felépülő elemre jellemző tulajdonságokra, adatokra. Az elemek periódusos rendszerében a hasonló fizikai és kémiai tulajdonságú elemek egymás alatt helyezkednek el. Ezek alkotják a főcsoportokat (1.4. ábra):

Kétdimenziós modell C

CC

szerkezeti képlet

CC

térszerkezeti képlet

Térbeli modell CC

pálcika- és gömbmodell

C

gömbcsonkmodell

1.9. Ugyanannak a metánmolekulának (CH4) különböző szerkezeti képletei és modelljei

Ne csak nézd! Nem, ez most nem egy sakktábla. Ez egy vegyület kristályának kétdimenziós modellje, ahol a fehér négyzetek az A anyagot, a feketék a B anyagot jelentik. Mi lehet ennek a vegyületnek a képlete?

1.7. Sakktábla? Nem, ez modell

CH C2H2 H—C

C—H

1.8. Az etin tapasztalati képlete, molekulaképlete és szerkezeti képlete

153

A hidrogén, a nemesgázok, a halogének és vegyületeik

tapasztalati képlet M molekulaképlet

••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••

tömeg%-os összetétel

1.10. A molekulaképleteket gyakran a tömegszázalékos összetételből számítjuk ki

A szemetekből látom, hogy ez most nagyon „kínai” nektek. Megpróbálom egy hasonlattal szemléletessé tenni. Tételezzük fel, hogy egy osztály összetételét kell megadnunk. Megadhatjuk például a lányok és fiúk számának arányát. Legyen 2:1. Ezt fejezi ki a vegyületek esetén a tapasztalati képlet. De megadhatjuk a lányok és fiúk számát is: az osztályban 18 lány és 9 fiú van. Ezt fejezi ki a vegyületek esetén a molekulaképlet. És azt is megadhatjuk, hogy a fiúk és lányok hogyan helyezkednek el egymáshoz képest az osztályban, ez az ülésrend. A vegyületek esetén ez lenne a szerkezeti képlet.

A képlet ismeretében ki tudjuk számolni a vegyületet alkotó atomok mennyiségét és a vegyület tömegszázalékos összetételét is. Ha ismerjük egy vegyület tömegszázalékos összetételét, abból meg tudjuk adni a vegyület tapasztalati képletét. Amennyiben a tömegszázalékos összetételen kívül a vegyület moláris tömege is ismert, akkor meg tudjuk határozni a molekulaképletet is (1.10. ábra).

Az anyagi halmaz: B az anyag eloszlása szerint lehet: C homogén vagy C heterogén; B a bennük lévő elemek vagy vegyületek száma szerint lehet: C többkomponensű vagy C egykomponensű (vagy kémiailag tiszta anyag), mely lehet; C elem: azonos rendszámú atomok halmaza, C minőség szerint: fém vagy nemfém, C rácstípus szerint: molekularácsos, fémrácsos vagy atomrácsos, C allotróp módosulatok: egy elem különböző molekulaképletű vagy kristályszerkezetű formái, C periódusos rendszerbe rendezhetők: hasonló fizikai és kémiai tulajdonságaik alapján, C vegyjellel vagy képlettel jelöljük; C vegyület: C két vagy több elem atomjaiból épül fel, C meghatározott összetételű, C tulajdonságai eltérnek az alkotóelemek tulajdonságaitól, C rácstípus szerint: molekularácsos, ionrácsos, atomrácsos és fémrácsos, C képlettel jelöljük.

Keressük az oxigén tömegét. B Az ismeretlen kiszámítása 1. módszer A módszer jellemzője, hogy a számolás során mind az ismert mennyiségű anyag (jelen esetben a kéntrioxid), mind a keresett mennyiségű anyag (jelen esetben az oxigén) anyagmennyiségét kiszámoljuk (1.11. ábra). m  SO3  40, 0 g n  SO3  0, 500 mol M  SO3  80, 0

g mol

SO3

n(O)  1, 50 mol m  O  24, 0 g g M  O  16, 0 mol

1.11. Az 1. kidolgozott példa megoldási hálója

a) A SO3 anyagmennyiségének számítása (képlettel vagy következtetéssel): 40,0 g SO3 anyagmennyisége: n (SO3) = 0,500 mol. b) Az oxigén anyagmennyiségének számítása: a kén-trioxid képletéből adódik, hogy mivel 1 mol SO3-ban 3 mol oxigén van, így 0,500 mol SO3-ban 1,50 mol oxigén van. c) Az oxigén tömegének számítása (képlettel vagy következtetéssel): 1,50 mol oxigén tömege: m (O) = 24,0 g. 2. módszer A módszer jellemzője, hogy közvetlenül az ismert és a keresett mennyiségek között írunk fel egyenes arányosságot. a) Mivel az ismert mennyiség, és a keresett mennyiség is tömeg, ezért a molekulaképletnek is a tömegekre vonatkozó jelentését használjuk fel. b) Az SO3 képlet alapján: 1 mol, azaz 80,0 g SO3-ban van 3 mol, azaz 48,0 g oxigén. c) Az egyenes arányosság felírása: ha 80,0 g SO3-ban van 48,0 g oxigén, akkor 40,0 g SO3-ban van x g oxigén. 80,0 g 48,0 g d) Az egyenes arányosságot kifejező matematikai egyenlet felírása: = . 40,0 g xg e) Az ismeretlen kiszámítása: x = 24,0. B 40,0 g kén-trioxidban 24,0 g oxigén van. 2. Egy vegyület tömegének 43,3%-a nátrium, 11,3%-a szén és 45,3%-a oxigén. Határozzuk meg a vegyület tapasztalati képletét! (Ar(Na) = 23,0; Ar(C) = 12,0; Ar(O) = 16,0)

1. Hány g oxigén található 40,0 g kén-trioxidban? (Ar(S) = 32,0; Ar(O) = 16,0) Megoldás: B Adatok:

A kén-trioxid (SO3) tömege: m = 40,0 g; relatív molekulatömege: Mr = 80; moláris tömege: M = 80 154

g . mol

Megoldás: B Adatok: A vegyület nátriumtartalma: 43,3 tömeg%; széntartalma: 11,3 tömeg%; oxigéntartalma: 45,3 tömeg%. Keressük a vegyület tapasztalati képletét. 155

A hidrogén, a nemesgázok, a halogének és vegyületeik B Számítás az alkotóelemek tömege alapján (1.12. ábra):

100 g

45,3 g O

2,83 mol O

11,3 g C

0,942 mol C

43,3 g Na

1,88 mol Na

4. Mi az alkotóelemek tömegaránya a) az Fe2O3-ban; b) a C6H6-ban; c) a H3PO4-ben? 5. Mi annak a vegyületnek a tapasztalati képlete, amelynek tömegszázalékos összetétele a következő: 35,0% nitrogén, 60,0% oxigén és 5,00% hidrogén? n  Na : n  C : n  O  2 : 1 : 3

Na2CO3

g , tömegszázalékos összetétele: 18,18% hidrogén és 81,82% mol szén. Mi a vegyület molekulaképlete?

6. Egy vegyület moláris tömege 44,0

27. Milyen összetételű vegyületek képezhetők a következő ionokból: Na+; Ca2+; NH +4; Cl-; PO 34 ; S ?

1.12. A 2. kidolgozott példa megoldási hálója

B A vegyület tapasztalati képlete: Na2CO3.

1. Gyűjtsétek össze a következő szavak lehetséges jelentéseit: a) elem; b) vegyül! 2. Mit jelent az, ha valakinek a) magnéziumhiánya; b) vashiánya; c) káliumhiánya van? Kémiai szempontból miért nem helyes ez a kijelentés? Milyen anyagok fogyasztásával lehetne pótolni ezeket a hiányokat?

1. Hány gramm oxigén található a) 6,00 g CO2-ban; b) 200 g H2SO4-ban; c) 90,0 g C6H12O6-ban? 2. Számítsd ki a következő vegyületek tömegszázalékos összetételét: a) CH4; b) CaO; c) NH4NO3! 3. Hány g NaNO3-ban van ugyanannyi nitrogén, mint amennyi 200 g NH3-ban található? 156

2. A világegyetem őseleme A hidrogén Olvastam, hogy 14-15 milliárd évvel ezelőtt a világegyetem csak hidrogénatomokból állt. Ezért is nevezik a hidrogént a világegyetem őselemének. Igen, így van. A létrejött csillagok belsejében a hidrogénatomok héliumatomokká alakultak, miközben hatalmas energia szabadult fel (2.1. ábra). A nagy nyomás és a magas hőmérséklet hatására a héliumatomokból nagyobb atomok (pl. szénatomok, oxigénatomok) jöttek létre. A Földünkön megtalálható valamennyi elem tehát hidrogénből keletkezett évmilliárdok alatt.

••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••

a) Mivel az ismert adatok nem tartalmaznak tömeget, térfogatot, anyagmennyiséget vagy részecskeszámot, tehát olyan mennyiségi adatot, amely az anyagi rendszer mennyiségétől függne, ezért egy ilyen adatot önkényesen megválaszthatunk. Vegyünk célszerűen 100 g vegyületet! b) A nátrium, a szén és az oxigén tömegének kiszámítása (képlettel vagy következtetéssel): 100 g vegyületben van 43,3 g nátrium, 11,3 g szén, 45,3 g oxigén. c) A tömegek átszámítása anyagmennyiségekre (képlettel vagy következtetéssel): 100 g vegyületben van 1,88 mol nátrium, 0,942 mol szén, 2,83 mol oxigén. d) Az anyagmennyiség-arány felírása a kapott anyagmennyiségekkel: n(Na) : n(C) : n(O) = 1,88 : 0,942 : 2,83. e) A kapott anyagmennyiség-arány egész számokkal történő kifejezése (valamennyi anyagmennyiséget elosztjuk a legkisebb értékkel): n(Na) : n(C) : n(O) = 2,00 : 1 : 3,00.

A hidrogén (H) a periódusos rendszer első eleme. Rendszáma 1, tehát atomjának magjában 1 proton található. Három izotópatomja a prócium (1H), a deutérium (2H=2D) és a trícium (3H=3T). Egy elektron leadásával vagy felvételével ér el stabilis elektronszerkezetet. Így jönnek létre egyszerű ionjai: a hidrogénion (H+) és a hidridion (H−). Vegyületeiben mindig egy vegyértékű. Jellemző oxidációs száma +1 (pl. H2O-ban, NH3-ban, CH4-ben, HCl-ban), de előfordul –1-es oxidációs számmal is az alkálifémekkel és az alkáliföldfémekkel képzett vegyületeiben (pl. a LiH-ben és CaH2-ben). A hidrogén közönséges körülmények között kétatomos molekulákból áll (H2). A hidrogénmolekulában erős egyszeres kovalens kötés található az atomok között. A hidrogénmolekula a molekulák között a legkisebb. Kis tömege és kis mérete miatt nagy a diffúziósebessége (lásd III. fejezet, 1.15. ábra). A hidrogénmolekulák között nagyon gyenge diszperziós kölcsönhatás léphet fel. Ezért igen alacsony az olvadáspontja (−259 °C) és a forráspontja (−253 °C). Közönséges körülmények között színtelen, szagtalan, a levegőnél 14,5-szer kisebb sűrűségű gáz. Vízben rosszul oldódik (2.2. ábra).

Ne csak nézd! Nézz utána, hogy mitől függ az, hogy a csillagokban milyen atomok jöhetnek létre!

2.1. A csillagok belsejéban hidrogénatomok alakulnak át

H–H

Olvadáspont: –259 °C Forráspont: –253 °C Sűrűség (25 °C): 0,0816

g dm

3

2.2. A hidrogénmolekula szerkezeti képlete és halmazának fizikai tulajdonságai

157

A hidrogén, a nemesgázok, a halogének és vegyületeik

2.3. Hidrogénnel töltött léghajó: a zeppelin

Nagyon kis sűrűsége miatt kezdetben hidrogéngázzal töltötték a léghajókat és a léggömböket is. A zeppelin léghajók töltőgáza is hidrogén volt, és a haladását belsőégésű motorok biztosították. A zeppelineket felderítésre és bombázóként használták az első világháború alatt. A német vezérkar nagy km sebességgel is tudreményeket fűzött a léghajókhoz, mivel 100 h tak haladni, nagy mennyiségű fegyvert és bombát tudtak szállítani. Másik előnyük volt, hogy a léghajók az akkori repülőgépeknél jóval nagyobb távolságba jutottak el egy feltöltéssel. A hidrogéngáz révén olyan magasságba is fel tudtak emelkedni, ahová az akkori repülőgépek már nem tudtak utánuk repülni. Legnagyobb gyengéjük azonban hamar megmutatkozott, mivel méretük miatt jó célpontot nyújtottak az ellenségnek. A gyúlékony hidrogén töltőgáz miatt a személyzet állandó rettegésben volt. Csak éjszaka támadtak, de akkor az elsötétítés miatt nem tudták helyesen meghatározni a célpontokat (2.3. ábra).

Standardpotenciálja közepes (ε° = 0 V), ezért a reakciópartnertől függően lehet redukálószer is és oxidálószer is. Redukálószer például a következő reakciókban: CuO + H2 = Cu + H2O, N2 + 3 H2  2 NH3, H2 + Cl2 = 2 HCl, C2H4 + H2 = C2H6. Oxidálószerként a nagyon kis elektronegativitású fémekkel (alkálifémekkel, alkáliföldfémekkel) szemben viselkedik: 2 Li + H2 = 2 LiH, Ca + H2 = CaH2. Égése során víz keletkezik: 2 H2 + O2 = 2 H2O. Levegővel (oxigénnel) alkotott elegye robbanásveszélyes. A hidrogéngáz és az oxigéngáz 2:1 térfogatarányú elegyét durranógáznak nevezzük. A hidrogéngáz tisztaságát laboratóriumi körülmények között az ún. durranógáz-próbával kell ellenőrizni. Amennyiben a próba pozitív – azaz a kismennyiségű gázt lánghoz közelítve sivító hangot ad –, akkor a hidrogéngáz még nem kellően tiszta. Az ilyen gázt meggyújtani tilos!

2.4. Az ólomakkumulátor töltése robbanásveszélyes lehet!

158

Most már értem, hogy miért robbanásveszélyes a gépkocsi-akkumulátorok töltése. A gépkocsi-akkumulátorokban (ólomakkumulátorokban) kénsav vizes oldata található. Feltöltött állapotban a kénsav koncentrációja viszonylag nagy, lemerült állapotban kicsi. Töltéskor kisebb-nagyobb mértékben a víz bomlásából származó gázok (hidrogén és oxigén) is keletkeznek. A hidrogén az oxigénnel (és a levegővel) robbanó elegyet képez. Ez a gáz szikra vagy nyílt láng hatására robban. Ezért nem szabad az akkumulátortöltést zárt, szellőzetlen helyiségben végezni, és töltéskor nyílt lángot használni (2.4. ábra).

Más elemekkel alkotott vegyületei a hidridek. Kötésrendszerük és rácstípusuk alapján lehetnek molekularácsos hidridek (pl. H2O, NH3, HCl, CH4), ionrácsos hidridek (pl. LiH, CaH2) és olyan hidridek, amelyekben bizonyos fémekben (platinában, palládiumban, nikkelben) oldott hidrogént tartalmaznak (lásd: V. fejezet, 5. lecke). A hidrogént laboratóriumban általában cink és sósav reakciójával állítják elő: Zn + 2 HCl = ZnCl2 + H2. Képződik negatív standardpotenciálú fémek híg savakkal való reakciójában, alkálifémek és víz reakciójában, sőt fém-hidridek vízzel való reakciójában is. Hallottatok már olyan mentőcsónakokról és mentőmellényekről, amelyek vízzel érintkezve fújódnak fel (2.5. ábra)? Nos, ezekben lítium-hidrid található. A lítium-hidrid vízzel érintkezve hidrogéngázt fejleszt: LiH + H2O = LiOH + H2. És azért lítium-hidrid, mert ennek a vegyületnek a legnagyobb a fajlagos hidrogéntartalma. Ilyen mentőmellényeket először a II. világháborúban használtak az amerikai pilóták.

••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••

••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••

Ne csak nézd! Nézz utána, mlyen léghajókatasztrófák történtek a jármű feltalálása óta!

2.5. A víz hatására felfújódó mentőcsónakokban hidrogén képződik

Az iparban a hidrogént többnyire földgázból állítják elő a következő reakciókkal: 2 CH4 = C2H2 + 3 H2, CH4 + H2O = CO + 3 H2. A hidrogén felhasználása sokrétű. Szintézisek során ammóniát és metanolt állítanak elő belőle. Használják telítetlen vegyületek hidrogénezésére, pl. a növényi olajok hidrogénezésével állítják elő a margarint (2.6. ábra). Bizonyos fémeket (pl. volfrámot) oxidjaik hidrogénnel történő redukciójával nyernek. Az autogén hegesztés során energiaforrásként használják a hidrogént, mivel égésekor nagy hő szabadul fel. A hidrogén oxigénnel való reakcióján alapszik a legismertebb tüzelőanyag-elem működése is (lásd: V. fejezet, 5.7. ábra).

2.6. A margarint növényi olajok hidrogénezésével állítják elő

A hidrogén: a periódusos rendszer első eleme; három izotópatomja: prócium, deutérium, trícium; kétatomos, apoláris molekulákból (H2) áll; a legkisebb sűrűségű gáz, ezért C szájával lefelé fordított kémcsőben (vagy víz alatt) fogjuk fel, C nagy a diffúziósebessége; B standardpotenciálja közepes (ε0 = 0 V), ezért C redukálószer és C oxidálószer is lehet; B vegyületeiben oxidációs száma C +1 (pl. H2O), vagy C −1 (pl. LiH) lehet; B B B B

159

A hidrogén, a nemesgázok, a halogének és vegyületeik

1. Csempén vagy óraüvegen lévő cinkdarabkára (vagy alufóliából gyúrt galacsinra) csepegtess sósavat vagy (híg kénsavat)! Tarts a képződő buborékokhoz égő gyufaszálat (2.7. ábra)! (Védőszemüveg viselése ajánlott!) Mi történik? Az égő gyufa hatására hallható pukkanások éghető gáz képződésére utalnak. Írd fel a hidrogéngáz égésének reakcióegyenletét! 2. Projektmunka keretében dolgozzátok fel a következő problémákat! Készítsetek számítógépes beszámolót! a) A hidrogénnel hajtott autó. Álom vagy valóság? b) A hidrogén az univerzumban. 2.7. A hidrogén éghető gáz. Égő gyufa hatására c) A hidrogén izotópatomjai. A deutérium és a tríci- bekövetkező pukkanások jelzik ezt um gyakorlati jelentősége. 3. Keressetek a videomegosztókon (pl. youtube-on) olyan filmeket, amelyek a) különböző fémek (lítium, nátrium, kálium, rubídium, kalcium, alumínium) hidrogénfejlődéssel járó reakcióit; b) a hidrogéngáz égését, a durranógáz robbanását mutatják be!

1. Hány mól hidrogénmolekula van 3,00 mol molekulát tartalmazó durranógázban? 2. Hány gramm ammónia keletkezhet 10,0 g hidrogéngáz és 10,0 g nitrogéngáz reakciójában?

160

3. A levegő „nemesei” A nemesgázok A barátnőm születésnapi ünnepségén héliummal töltött léggömböket engedtünk el a szabadban (3.1. ábra). Ahogy szálltak az égen eszembe jutott, hogy megkérdezzem miért olyan drágák ezek a gázok? Gondolom, a nevük erre utal. A nemesfémek, az arany, ezüst, platina is drágák. Vagy nem ezért nevezik őket nemesgázoknak? Nem ezért. A „nemes” jelző ebben az esetben és a nemesfémek esetében is arra utal, hogy ezek az elemek nehezen vegyülnek, nem könnyen képeznek vegyületeket. A nemesgázok esetén ennek oka atomjaik stabilis vegyértékelektronszerkezete.

••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••

B egyszerű ionjai C a hidrogénion (H+) és C a hidridion (H−); B a levegővel robbanóelegyet képez C durranógáz: H2 és O2 2:1 térfogatarányú elegye; B vegyületei a hidridek; B előállítása: C laboratóriumban: cink és sósav reakciójával, C iparban: metán vagy víz bontásával; B felhasználása: C szintézisekhez, C telítetlen vegyületek hidrogénezésére, C redukálószerként, C energiaforrásként.

A nemesgázok (hélium, neon, argon, kripton, xenon, radon) a periódusos rendszer VIII. főcsoportjának elemei. Atomjaik vegyértékhéján 8 elektron található – kivéve a héliumatomot –, ami a stabilis vegyértékelektron-szerkezetnek („nemesgáz-szerkezetnek”) felel meg (3.2. ábra). Emiatt a nemesgázok azok az elemek, amelyek közönséges körülmények között csak atomos állapotban fordulnak elő. Az atomok között gyenge diszperziós kölcsönhatás alakulhat ki, ezért mind olvadás-, mind forráspontjuk nagyon alacsony (pl. a hélium forráspontja 4 K, azaz −269 °C). Kellően alacsony hőmérsékleten megszilárdulnak, és szilárd halmazállapotban molekularácsot alkotnak. Molekularácsot?! Az előbb arról volt szó, hogy atomosan fordulnak elő, nem képeznek molekulákat. Ezért én úgy gondoltam, hogy a nemesgázok atomrácsban kristályosodnak. A nemesgázok valóban molekularácsot alkotnak úgy, hogy a rácspontokban atomok találhatók. Kétségtelen, hogy a molekularácsos anyagok túlnyomó többsége molekulákat tartalmaz a rácspontokban. Ezért is nevezték ezt a rácstípust molekularácsnak. Az elnevezés azonban még azelőtt történt, mielőtt felfedezték a nemesgázokat. A molekularács legfontosabb jellemzője azonban az, hogy milyen kémiai kötés van a rácspontokban található részecskék (többnyire molekulák, nagyon ritkán atomok) között. Amennyiben a részecskék között másodrendű kémiai kötés (diszperziós kölcsönhatás, dipólus-dipólus kölcsönhatás vagy hidrogénkötés) van, akkor molekularácsról beszélünk.

3.1. Héliummal töltött léggömbök

Ne csak nézd! A héliumnak miért csak két vegyértékelektronnal stabilis az elektronszerkezete?

He

Ne

Ar

Kr

Xe

Rn

3.2. A nemesgázok atomjainak stabilis vegyértékelektron-szerkezete van

161

A hidrogén, a nemesgázok, a halogének és vegyületeik

3.3. A nemesgázok a fénycsövek gyakori töltőgázai

3.4. A szellőztetés jelentősen csökkenti a radonkoncentrációt a lakásban!

162

A fényforrások fejlesztésében nagy jelentőségű volt a ma is használatos volfrámszálas izzólámpák megalkotása. Ebben úttörő szerepet játszottak a magyar tudósok is. A volfrámszálas izzólámpát Juszt Sándor szabadalmaztatta horvát munkatárásával együtt a 19. század elején. Az izzólámpa hatásfokának jelentős növelése az ugyancsak magyar fizikus, Bródy Imre nevéhez fűződik. Az ő javaslatára használnak a korábbi argon helyett kriptont töltőgázként az izzókban. Ez lehetővé tette, hogy a volfrámszálat a korábbi 2700 K helyett akár 3300 K-re melegítsék. Ez nem csak az izzólámpa hatásfokát növelte meg, hanem a napfényhez közelebb álló fénye is kellemesebbé teszi használatát (3.5. ábra).

3.6. A mesterséges levegő héliumot is tartalmaz

A nemesgázok: B He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn; B a periódusos rendszer VIII. főcsoportjának elemei; B stabilis elektronszerkezet (nemesgáz-szerkezet) következtében: C atomosan fordulnak elő (szilárd állapotban: molekularács), C nagyon alacsony olvadás- és forráspontúak; B kémiai reakciókba nagyon nehezen vihetők; B előfordulásuk: a levegőben.

1. Készítsetek számítógépes beszámolót a környezetünkben található radonról! 2. A gyertyától a LED-ig – a fényforrások története. Projektmunka keretében dolgozzátok fel a témát! Készítsetek számítógépes beszámolót is!

4. Veszedelmes elemek Halogének Annyi szörnyűséget hallottam mostanában a klórról. Az I. világháborúban harci gázként használták, mostanában pedig többen az uszodában lettek rosszul tőle. Olyat is hallottam már, hogy valaki a fürdőszoba takarítása közben lett rosszul, és a kórházban kiderült, klórmérgezést kapott (4.1. ábra). A többi halogénelem is ilyen veszélyes?

••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••

3.5. Bródy Imre találmánya a kriptonnal töltött izzólámpa

Természetes környezetünkben a radon forrása a kőzetekben (talajokban) található rádium. A 226Ra (rádium) alfa-bomlásából keletkezik a 222Rn (radon), amely szintén alfa-részecske kibocsátásával bomlik. Felezési ideje 3,8 nap. A belélegzett radont általában ki is lélegezzük; közvetlen élettani szerepe elhanyagolható. Különösen veszélyessé akkor válik, ha bomlástermékei, az alfa-sugárzó 218Po (polónium) és a 214Pb (ólom) megtapadnak a levegőben található aeroszol részecskéken, majd a tüdő falán. Ezért például a dohányzás, valamint a levegőben lebegő finom eloszlású por jelentősen növeli a tüdő sugárterhelését. Mivel az alfa-részecskék hatótávolsága élő szövetben 30 μm körül van, e sugárzás jelentős részét már a bőrt borító, elhalt hámsejtek felfogják – ezért a légköri radon kizárólag a tüdőt veszélyezteti; más szövetek, szervek károsodása szinte teljesen kizárható. A zárt terekben (például lakásokban) felhalmozódó radon felelős a tüdőrákos esetek közel 10%-áért. A tüdőrákot okozó tényezők sorában a radon a cigaretta után a második helyen áll. A veszély rendszeres szellőztetéssel jelentősen csökkenthető (3.4. ábra).

Emlékeztek, a gázok oldhatóságának tárgyalásakor (III. fejezet, 4. lecke) beszéltünk a búvárok réméről, a mélységi mámorról és a keszonbetegségről. Mindkettőnek az oka, hogy nagy nyomáson a levegő nitrogénje viszonylag jól oldódik a vérben. Ezt a problémát úgy lehet kiküszöbölni, hogy levegő helyett mesterséges levegővel töltött palackot használnak a mélytengeri búvárok. A mesterséges levegő 20 térfogatszázalék oxigént és 80 térfogatszázalék héliumot tartalmaz (3.6. ábra). A hélium még nagy nyomáson is alig oldódik a vérben.

•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••

••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••

A stabilis vegyértékelektron-szerkezet miatt a nemesgázok nem könnyen képeznek vegyületeket. A nagyobb rendszámú elemeknek azonban ismeretesek nagy elektronegativitású elemekkel képzett vegyületei (pl. KrF2, XeF4, XeF6, XeO4 stb.). A nemesgázok főleg a levegőben fordulnak elő. Előállításuk is onnan történik, a cseppfolyós levegő fokozatos felmelegítésével. A Világegyetemben a hélium a második leggyakrabban előforduló elem. A csillagokban – így a Napban is – hidrogénből képződik, miközben hatalmas energia szabadul fel (lásd: I. fejezet, 3. lecke). Felhasználásuk igen sokrétű. A héliummal légballonokat töltenek, cseppfolyós halmazállapotú formájával műszereket (pl. MRI) hűtenek, a búvárok mesterséges levegő alkotójaként használják. Az argont mind az élelmiszeripar, mind a fémipar védőgázként alkalmazza. A neont, a kriptont és a xenont fénycsövekben, színes fényreklámokban, plazmatévékben találjuk meg (3.3. ábra). A radon a lakásunkban és bizonyos gyógyvizekben is jelenlévő radioaktív gáz.

A halogénelemek (fluor, klór, bróm, jód, asztácium) a periódusos rendszer VII. főcsoportjának elemei. Atomjaiknak hét vegyértékelektronja van. Mivel egy elektron felvételével érik el a nemesgázszerkezetet, így leggyakoribb oxidációs számuk a −1, de – elsősorban a nagyobb rendszámú elemek atomjai – vegyületeikben előfordulhatnak +1, +3, +5 és +7-es oxidációs számmal is. Egyszerű ionjaik

4.1. A takarítás veszélyeket is rejthet

163

A hidrogén, a nemesgázok, a halogének és vegyületeik

Br2

I2

4.2. A halogénelemek kétatomos molekulákból állnak

4.3. A halogénelemek halmazállapota molekuláik polarizálhatóságától függ

164

A halogénelemek egymás ionjaival is reakcióba lépnek. A nagyobb standardpotenciálú halogénelem oxidálja a kisebb standardpotenciálú elem anionját, pl.: Cl2 + 2 Br− = 2 Cl− + Br2, Cl2 + 2 I− = 2 Cl− + I2, Br2 + 2 I− = 2 Br− + I2.

••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••

Cl2

••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••

F2

a halogenidionok: a fluoridion (F−), a kloridion (Cl−), a bromidion (Br−) és a jodidion (I−). A halogénatomok normál körülmények között kétatomos molekulákat képeznek (4.2. ábra). Atomjaik mérete a rendszámmal nő, elektronegativitásuk viszont csökken. Ezért mind atomjaik, mind kétatomos molekuláik polarizálhatósága a rendszámmal, illetve a molekulatömeggel nő. Ennek megfelelően olvadás- és forráspontjuk is nő a rendszámmal, illetve a molekulatömeggel. Közönséges körülmények között a fluor (F2) sárgászöld színű gáz, a klór (Cl2) zöldessárga színű gáz, a bróm (Br2) vörösbarna folyadék, a jód (I2) pedig acélszürke szilárd anyag (4.3. ábra). A halogénelemek szilárd halmazállapotban molekularácsban kristályosodnak. A rácspontokban kétatomos apoláris molekulák találhatók, közöttük diszperziós kölcsönhatás van. A molekulák közötti viszonylag gyenge kölcsönhatás miatt a jód könnyen szublimál. A halogének jól oldódnak apoláris oldószerekben (pl. benzinben) és alkoholban. Standardpotenciáljuk pozitív és a rendszámmal csökken. Ennek megfelelően jó oxidálószerek, oxidáló hatásuk a F > Cl > Br > I sorrendben csökken. Vízzel reakcióba lépnek. A fluor annyira erélyes oxidálószer, hogy a vízből oxigént, illetve ózont tesz szabaddá: 2 F2 + 2 H2O = 4 HF + O2, 3 F2 + 3 H2O = 6 HF + O3. A többi halogénelem hipohalogénessav (pl. hipoklórossav) és hidrogénhalogenid (pl. sósav) képződése közben reagál a vízzel, pl.: Cl2 + H2O  HOCl + HCl. Hidrogénnel hidrogén-halogenideket képeznek. A fluor már sötétben és alacsony hőmérsékleten is robbanásszerűen reagál a hidrogénnel. A klór robbanásszerű reakciójához viszonylag nagy aktiválási energia (hő vagy fény) szükséges. A klórgáz és a hidrogéngáz 1 : 1 térfogatarányú elegyét klórdurranógáznak nevezzük: H2 + Cl2 = 2 HCl. A bróm és a jód hidrogénnel való reakciójában nem teljes mértékű az átalakulás, a hidrogén-bromid és a hidrogén-jodid képződése egyensúlyra vezető kémiai reakció. A legtöbb fémmel reagálnak, és halogenideket képeznek, pl.: 2 Na + Cl2 = 2 NaCl, Mg + Cl2 = MgCl2, 2 Fe + 3 Cl2 = 2 FeCl3. Különösen heves a reakció nedvesség (víz) jelenlétében. Az alumínium és a jód keverékében víz hatására exoterm reakció játszódik le, melynek terméke az alumínium-jodid: 2 Al + 3 I2 = 2 AlI3. A reakció közben fejlődő hőtől a jód egy része szublimál (IV. fejezet, 2.2. ábra).

Legegyszerűbben ezekkel a reakciókkal lehet kimutatni például a klórgázt. A színtelen kálium-jodid-oldat klórgáz hatására barna színűvé változik. A halogénelemek nagy reakciókészségük miatt elemi állapotban nem, csak vegyületeikben fordulnak elő. Előállításuk általában vegyületeik oxidációjával történik. A klórt például sósav és kálium-permanganát reakciójával állíthatjuk elő laboratóriumban: 2 KMnO4 + 16 HCl = 2 KCl + 2 MnCl2 + 5 Cl2 + 8 H2O Klórgáz képződhet számos klórtartalmú vegyület savakkal való reakciójában is. A leggyakoribb ilyen veszélyforrás a két háztartási vegyszer, a hipó és a sósav vagy vízkőoldó összeöntése. Ilyenkor annyi klórgáz képződhet, hogy zárt helyen (konyhában, fűrdőszobában, vécében) akár halálos mérgezést is okozhat (4.4. ábra). Nagyon tanulságos megismerni a jód felfedezésének történetét. 1811-ben, amikor Bernard Courtois a jódot felfedezte, nem az a fajta kutatói kíváncsiság hajtotta, hogy miként tudna baktériumölő szereket felkutatni az emberiség javára. Ellenkezőleg, feladata a puskapor minél nagyobb mennyiségben történő előállítása volt. Ő volt az, akit Napóleon megbízott azzal, hogy találjon megfelelő és nagy menynyiségben rendelkezésre álló, vagy könnyen beszerezhető nyersanyagforrást a puskapor előállításához. A salétrom előállításához ugyanis akkoriban a kálium-karbonátot használták, amelyet fűzfa elégetésével nyert hamuból oldottak ki. A hosszan elnyúló háborúskodás során szinte az összes fűzfát kiirtották, ezért új forrás után kellett nézni. Ekkor a tudósok a szárított tengeri algát (4.5. ábra) javasolták, amelynek hamujából ez az anyag szintén kinyerhető volt. A választás jól sikerült, a háború folytatódhatott. A rossznyelvű történetírók szerint nem is ő az igazi felfedező, hanem a macskája. A kotnyeles macska ugyanis a laboratóriumában a polcon tárolt kénsavas üveget feldöntötte, és annak tartalma az alatta lévő laborasztalon felhalmozott alga hamura ömlött. Abból lila színű gőzök szálltak fel. A felszálló gőzök útjába Courtois egy hideg fémlapot tett, amelyre a jód kikristályosodott. A tengeri algák ugyanis jelentős mennyiségű jódot tartalmaznak.

4.4. Veszélyes párosítás! Klórtartalmú fertőtlenítőt és vízkőoldót soha ne használj együtt! A klórmérgezés halálos kimenetelű is lehet

4.5. A szárított algából jód vonható ki

165

A hidrogén, a nemesgázok, a halogének és vegyületeik

4.6. Az uszodák vizének fertőtlenítésére általában klórtablettákat használnak

4.7. A halogénizzókban jód vagy bróm biztosítja a jobb hatásfokot és hosszabb élettartamot

166

A halogénelemek egyik fontos felhasználása oxidáló hatásukon alapszik. Mind a klórt, mind a jódot gyakran használják fertőtlenítésre. A klórt vízfertőtlenítésre, a jódot alkoholos oldata (jódtinktúra) formájában sebek fertőtlenítésére. Halogéneket használnak számos fontos vegyület (pl. sósav, hipó, klórmész, PVC, freon stb.) előállításához is.

••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••

Ne csak nézd! Nézz utána, hogy mit tartalmaz a klórtabletta!

A halogének: F2, Cl2, Br2, I2; a periódusos rendszer VII. főcsoportjának elemei; jellemző oxidációs számuk vegyületeikben: −1; pozitív standardpotenciál → oxidálószerek C reakció vízzel (pl. Cl2 + H2O  HOCl + HCl), C reakció hidrogénnel (pl. Cl2 + H2 = 2 HCl), C reakció fémekkel (pl. 3 Cl2 + 2 Fe = 2 FeCl3), C reakció egymás ionjaival (pl. Cl2 + 2 I– = 2 Cl– + I2); B előállításuk: vegyületeikből oxidációval; B felhasználásuk: fertőtlenítésre, vegyületek előállítására. B B B B

Én olvastam már klórtablettákról is. Uszodák, fürdőmedencék vizének fertőtlenítésére használják. Mik ezek tulajdonképpen? Az uszodák vizének fertőtlenítése alapvető fontosságú a fertőzések megelőzése céljából (4.6. ábra). Erre leggyakrabban a klórozást használják. Régebben sósav és hipó megfelelő mennyiségének adagolásával, ma már ún. klórtabletták feloldásával klórozzák az uszodák vizét. A klórtabletta olyan szilárd anyagot tartalmaz, melynek vízzel való kölcsönhatásakor klórmolekulák képződnek. A baktériumölő hatás szempontjából a klórgázból víz hatására képződő HOCl-molekula az aktív, semlegessége révén ez tud átjutni a baktériumok sejtfalán. A hatékony klórozás szempontjából alapvető fontosságú a víz pH-ja. Ha savas az oldat (pH < 7), akkor a klór jelentős része klórgáz formájában távozik a vízből. Ez nemcsak a klórozás hatékonyságát csökkenti, hanem az úszókra is veszélyes. A klórozás szempontjából optimális pH a 7,2–7,6. Ebben a pH-tartományban lesz a legnagyobb a hipoklórossav (HOCl) koncentrációja. A szintén fertőtlenítésre, a hipó helyettesítésére ajánlott Hypopor ugyanazt a hatóanyagot tartalmazza, mint a klórtabletta. A halogénizzókban jódot vagy brómot használnak az izzó hatékonyságának növelésére. A normál izzók nagy problémája ugyanis, hogy a volframspirálról az atomok egy része a magas hőmérsékleten elpárolog, és a búra hidegebb üvegfelületén csapódik le, ahol egy nagyon vékony fémfelületet képez, amely tovább csökkenti a hagyományos izzók amúgy sem túl jó hatásfokát. Egy idő után a spirál annyira elvékonyodik, hogy bekapcsoláskor megolvad és megszakad (kiég). Ezt küszöbölik ki a halogénizzókban, amelyekben kis mennyiségű jód vagy bróm található. Ha a hőmérséklet elég magas (250 °C), a fal mellett a halogén reagál az elpárolgott volfrámatomokkal. Ezért a halogénizzók burája kisebb, hogy elég magas legyen a hőmérséklet a közelében. Hogy ellenálljon a maró gázoknak, kvarcból van. A bura fala mellett keletkezett volfrám-jodid a szál közelébe kerül, a magas hőmérsékleten elbomlik, és a volfrám visszaépül a szálba. Így a bura feketedését okozó volfrám visszakerül a szálba. Ezért adnak a halogénizzók fényesebb fényt, és a spirál élettartama is hosszabb, mint a hagyományos izzóé (4.7. ábra).





1. A klórdurranógáz a hidrogéngáz és a klórgáz 1:1 térfogatarányú elegye. A két elem gyújtásra vagy megfelelő energiájú fény hatására robbanásszerűen egyesül hidrogén-kloriddá. Óraüvegre vagy fehér csempére (esetleg üveglapra) helyezz egy olyan cinkszemcsét, amelynek a közepe öblös! Tegyél ebbe a kis mélyedésbe egy gyufafejet! Cseppents sósavat a gyufafejre! Tarts égő gyufát a fejlődő gázokba! Használj védőszemüveget! a) Írd fel a végbemenő reakció kémiai egyenletét! b) Keress a videomegosztókon filmeket, melyek a klórdurranógáz fényhatására bekövetkező (fotokémiai) robbanását mutatják be! 2. Olvasd el a következő idézetet, majd válaszolj a feltett kérdésekre! Ha szükséges, keress további információkat a világhálón! Sir Arthur Conan Doyle skót krimiíró szemtanúja volt az első világháború gáztámadásának. Így írta le: „Április 22-én 18 óra körül a német vonalak felől hosszantartó, erős sziszegő hang hallatszott, majd hirtelen sárgás felhők kezdtek a francia vonalak felé gomolyogni. A francia katonák félelemmel teli érdeklődéssel figyelték ezeket a felhőket, amelyek áthömpölyögtek rajtuk. Aztán hirtelen látni lehetett hogyan csapódnak fel a karok a magasba, szorulnak a kezek görcsösen a torkokra, hogyan rángatóznak az emberek elszürkült arccal a földön, fejüket a sárba fúrva. Sokan többé már föl sem keltek, míg bajtársaik megszállottként, fegyvereiket elhányva, fejvesztve menekültek visszafelé. A csatorna hídján lövészek, afrikaiak, zuávok, tüzérek tébolyodottan tülekedtek hátrafelé, kétségbeesetten kiáltoztak vízért, vért köptek, a földön fetrengtek és levegő 4.8. Angol katona és lova kezdetután kapkodtak.” leges maszkban védekeznek a har a) Hol történt ez a gáztámadás? cigáz ellen. Gáztámadások csak az b) A klórgáz milyen fizikai tulajdonsága tette lehetővé a harci gáz- I. világháborúban voltak, a II. világháborúban egyik fél sem vetette ként való alkalmazását? c) Melyik híres tudós játszott aktív szerepet a klórgáz harci gázként be ezt a brutális fegyvert a harctéren történő bevetésében? d) A későbbiekben milyen módon próbáltak védekezni a katonák a klórgáz ellen (4.8. ábra)? 167

A hidrogén, a nemesgázok, a halogének és vegyületeik

5.1. A jódozott konyhasó nem elemi jódot (I2), hanem kálium-jodidot (KI) tartalmaz

És mit jelent a csökkentett nátriumtartalmú só? Hogyan lehet a konyhasóban csökkenteni a nátriumionok mennyiségét anélkül, hogy a kloridionok mennyiségét csökkentenénk?

Újabban sokat hallok a jódozott konyhasóról (5.1. ábra). Ezek szerint jódot is tartalmaz. De én csak színtelen kristályokat látok benne. Hol van a jód? És egyáltalán, miért kell jódozni a konyhasót? Hazánkban a termőföld jódban szegény, így az itt termő növények is alacsony jódtartalmúak. Ha táplálkozásunkkal a szükségesnél kevesebb jód jut a szervezetünkbe, a jódhiány szövődményeként gyakran jelentkezik a pajzsmirigy megnagyobbodása (5.2. ábra). A pajzsmirigy a jód segítségével állít elő két, szervezetünk számára szükséges hormont. Ha kevesebb jód jut a szervezetbe, akkor a pajzsmirigy méretének növelésével igyekszik biztosítani a szervezet számára szükséges hormonmennyiséget, ami miatt a gégefőn jellegzetes duzzanat keletkezik. Ezt a beteg „gombócként” érzi meg a torokban. A tartósan fennálló jódhiány növekedési zavart, mentális problémákat okoz. Ennek kivédésére Magyarországon a konyhasót jódozzák, azaz kilogrammonként 25 mg-jódtartalmú sót (kálium-jodidot vagy nátrium-jodidot) kevernek bele. A jódozott konyhasó tehát nem elemi jódot (I2) tartalmaz!

Egyik legfontosabb klórtartalmú vegyületünk a nátrium-klorid (kősó, konyhasó, NaCl). Ionrácsos vegyület. A rácspontokban nemesgáz-szerkezetű nátriumionok (Na+) és kloridionok (Cl−) találhatók. Fehér színű, vízben jól oldódó anyag. Vizes oldata semleges kémhatású. Tengervízben, sós tavakban, vérben, sejtnedvekben és sóbányákban fordul elő. m Ételízesítésre, tartósításra, fiziológiás (0,9 %-os) sóoldat formájám ban vérpótlásra használják.

5.2. A pajzsmirigy-megnagyobbodás gyakori oka a jódhiányos táplálkozás

168

Mit jelent az, hogy fiziológiás sóoldat? És miért pont 0,9 tömegszázalékos nátrium-kloridra nézve?

A szervezetünkben lévő folyadékok (vizes oldatok) féligáteresztő hártyaként viselkedő sejthártyán keresztül érintkeznek egymással. Ezért nagyon fontos, hogy a sejtekbe, szövetekbe juttatott folyadék ozmózis nyomása pontosan annyi legyen, mint a szervezetünkben található oldatoké. Ellenkező esetben a sejtek összezsugorodnak vagy szértrobbannak (pl. ha tiszta vizet fecskendeznénk a szövetekbe). A 0,9 tömegszázalékos konyhasóoldatnak az ozmózis nyomása megegyezik a szervezetünkben lévő folyadékok (vér, sejtnedv) ozmózis nyomásával.

Bár életműködésünkhöz a nátrium-klorid alapvető fontosságú, fogyasztásával vigyázni kell (5.3. ábra). Kimutatták ugyanis, hogy a sófogyasztás és a magas vérnyomásos megbetegedés között szoros kapcsolat van. A tudományos vizsgálatok során az is kiderült, hogy a magas vérnyomás kialakulásáért elsősorban a sóban található nátriumionok a felelősek. A csökkentett nátriumtartalmú konyhasóban a nátrium-klorid egy részét a hasonló ízű és fizikai, kémiai tulajdonságú kálium-kloriddal (KCl) helyettesítik. Ha többet szeretnétek tudni a csökkentett nátriumtartalmú konyhasóról, akkor keressétek meg az Országos Élelmezéstudományi Intézet honlapján (www.oeti.hu) az úgynevezett. Stop Só program leírását!

••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••

••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••

5. Ételeink sava, borsa Fontos halogénvegyületek

5.3. A túlzottan fűszeres és sós ételek fogyasztása magas vérnyomás kialakulásához vezethet

Fontos ionos halogénvegyület még a kálium-jodid (KI) is. A nátriumkloridhoz hasonló fizikai tulajdonságú anyag. Anionja, a jodidion könynyen jóddá oxidálható. Vizes oldatában jól oldódik a jód (Lugol-oldat). Szilárd állapotban konyhasó jódozására, tabletta formájában radioaktív jód elleni védekezésre használják. Érdekes, és nem haszontalan megismerkedni azzal, hogy miként véd a kálium-jodid-tabletta a radioaktív jód-131-es izotóptól. A pajzsmirigy termelte hormonok (pl. tiroxin) előállításához a pajzsmirigy jódot vesz fel a vérből. Ha a vérben a radioaktív jódizotóp (a 131-es tömegszámú) van jelen, akkor ez épül be a pajzsmirigybe, és ott rákot okozhat. Nagy mennyiségű radioaktív jódizotóp kerülhet a levegőbe és a táplálékláncba atomerőműbalesetek (pl. Csernobil) során. Az atomerőművekben használt urán maghasadásakor ugyanis 131I is keletkezik. Kálium-jodid tabletták szedésével a pajzsmirigy telíthető a nem sugárzó, 127-es tömegszámú jódizotóppal, ezáltal kivédhető vagy csökkenthető a radioaktív izotóp felvétele. Ezért fordulhatott elő, hogy a 2011-es fukushimai atomerőmű baleset után a gyógyszertárakból elfogyott a kálium-jodid-tabletta, amit normális esetben a jódhiány pótlására adtak. Napi 130 mg KItabletta elegendő a pajzsmirigy telítéséhez. Mivel a 131I felezési ideje rövid (8 nap), a tabletta szedését pár hét után abba lehet hagyni.

Nagyon fontos halogéntartalmú vegyület a hidrogén-klorid (HCl). Színtelen, szúrós szagú, vízben jól oldódó gáz. Ezen a tulajdonságán alapul a sósavszökőkút-kísérlet (5.4. ábra). Vízben oldva teljes mértékben ionjaira disszociál: HCl = H+ + Cl− vagy HCl + H2O = H3O+ + Cl−. Vizes oldata a sósav.

Ne csak nézd! Tanári irányítással végezd el a kísérletet! Amennyiben nincs lehetőséged a kísérlet elvégzésére, keress a videó megosztókon ezzel kapcsolatos filmeket! Magyarázd el társaidnak, hogyan is működik a sósavszökőkút! hidrogénklorid

víz

5.4. A hidrogén-klorid-gáz nagyon jól – nagy mértékben és gyorsan – oldódik vízben. Ez az alapja a sósavszökőkút-kísérletnek

169

A hidrogén, a nemesgázok, a halogének és vegyületeik ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••

A sósav erős sav. A hidrogénnél kisebb standardpotenciálú fémek a sósavból hidrogént fejlesztenek pl.: Zn + 2 HCl = ZnCl2 + H2, Fe + 2 HCl = FeCl2 + H2. A karbonátokkal szén-dioxid fejlődése közben reagál, ezért vízkő oldására is használják (5.5. ábra), pl.: CaCO3 + 2 HCl = CaCl2 + H2O + CO2. Bázisokkal közömbösíthető. Ezt a reakcióját használják fel a gyomorsav-fölösleg közömbösítésére, a gyomorégés megszüntetésére, pl.: NaHCO3 + HCl = NaCl + H2O + CO2, Al(OH)3 + 3 HCl = AlCl3 + 3 H2O. A természetben a gyomornedvben (gyomorsavban), vulkáni gőzökben fordul elő. Laboratóriumban konyhasó és tömény kénsav reakciójával állítható elő: NaCl + H2SO4 = NaHSO4 + HCl. Iparban szénhidrogének klórozásának melléktermékeként nyerik.

5.5. A vízkő (CaCO3) eltávolítása a szénsavnál erősebb savval (sósavval, ecetsavval) történhet: CaCO3 + 2 HCl → CaCl2 + H2O + CO2. A képen egy vízköves mosógép fűtőszál látható

szimbólum

Fontos klórtartalmú vegyületek még a legismertebb klórtartalmú fertötlenítőszerek: a hipó és a klórmész. A hipó hatóanyaga a nátriumhipoklorit (NaOCl). A klórmész lényegében szilárd kalcium-hipoklorit (Ca(OCl)2). Mindkét anyag maró és mérgező hatású. A velük való munka nagy figyelmet, óvatosságot kíván (5.6. ábra).

veszélyességi osztály

angol megnevezés

veszélyességi osztály

angol megnevezés

robbanásveszélyes (E)

explosive

rendkívül gyúlékony (F+)

extremly flammable

égést tápláló, oxidálószer (O)

oxidizing

maró (C)

corrosive

mérgező (T)

toxic

ingerlő (Xi)

irritant

erősen mérgező (T+)

very toxic

ártalmas (Xn)

noxious

könnyen gyulladó (F)

highly flammable

szimbólum

környezetre veszélyes environmental (N) danger

5.6. A következő táblázat segítségével nézd meg, hogy mit jelentenek a hipó, a fehérítő, a sósav, a klórtabletta és a klórmész csomagolásán található jelek!

•••••••••••••••••••••••••

170

Nátrium-klorid (NaCl): B konyhasó, kősó; B ionrácsos vegyület; B jódozott konyhasó: NaI-ot vagy KI-ot tartalmaz; B csökkentett nátriumtartalmú só: KCl-ot tartalmaz; B felhasználása: C ételízesítés, C tartósítás, C vérpótlás (fiziológiás sóoldat). A hidrogén-klorid (HCl): B molekularácsos vegyület; B vízben jól oldódó gáz: C sósavszökőkút, C vizes oldata a sósav, C erős sav, C a negatív standardpotenciálú fémeket hidrogénfejlődés közben oldja, C sói a kloridok. A hipokloritok: B hipó: NaOCl vizes oldata; B klórmész: Ca(OCl)2; B fertőtlenítőszerek.

Az áruházakban nagyon sok klórtartalmú fertőtlenítőszer kapható. Lényegében ezek is ugyanolyan a hatóanyagot tartalmaznak mint a hipó, csak ezekben zsíroldó anyagok (mosószerek) is vannak. Vagyis számos esetben elegendő a sokkal olcsóbb hipót használni.

1. Az 5.7. ábra a hidrogén-halogenidek forráspontjának molekulatömegtől való függését mutatja. a) Mi az anyagszerkezeti oka annak, hogy a HCl → HBr → HI sorrendben nő a vegyületek forráspontja? b) Mivel magyarázható a HF kiugróan magas forráspontja?

Ne csak nézd! Értelmezd a grafikont! Mi az oka annak, hogy így változik a hidrogén-halogenidek forráspontja a molekulatömegtől?

Tfp (°C) 50

0

HF

15

45

75

105

135

Mr

HI

100

HCl

HBr 5.7. A hidrogén-halogenidek forráspontjának függése a molekulatömegtől

171

A hidrogén, a nemesgázok, a halogének és vegyületeik 2. Gázok moláris tömegét viszonylag egyszerűen meghatározhatjuk a gáz sűrűségének mérésével. Amennyiben ismerjük az adott állapothoz tartozó moláris térfogatot, a gáz moláris tömege kiszámítható (M = ρ . Vm). Kiderült, hogy a hidrogén-fluorid-gáz sűrűsége 25 °C-on és standard g nyomáson háromszorosa a 20 moláris tömeg alapján várt értéknek. Mi lehet ennek a magyamol rázata?

tÁJÉKOZTATÓ

3. Nézz utána, hogy milyen halogéntartalmú vegyületeket tartalmaz az üvegmarató paszta! 4. A szervezetünkben lévő fluorid 95 százaléka csontjainkban és fogainkban található. A fluorid biztosítja a fogzománc szilárdságát. A fluortartalmú fogkrémekben többnyire nátrium-fluorid (NaF) található. Az ilyen fogkrémek hatékonyak a fogszuvasodással szemben. Ugyanakkor, a fluoros fogkrémek ellenzői azt a tényt hozzák fel a nátrium-fluorid ellen, hogy az egykoron patkányméregként volt használatos. Egy tubus fogkrém általában 150 milligramm fluoridot tartalmaz, és a súlyos mérgezéshez szükséges adag pedig 1-10 gramm között van. Hány tubus fluoridos fogkrémet kellene lenyelni ahhoz, hogy mérgező legyen? 5. Keményítő kimutatása Lugol-oldattal. A Lugol-oldat kálium-jodid (KI) vizes oldatában oldott jód oldata. A jód – apoláris molekulájú anyag lévén – vízben rosszul oldódik, de KI-oldatban megnő az oldhatósága. Ez az oldat alkalmas a keményítő kimutatására. A barna színű oldat keményítő jelenlétében kék színűre változik (5.8. ábra). Ezzel az oldattal lehet pl. ellenőrizni a tejföl minőségét, hogy sűrítés céljából nem kevertek-e hozzá lisztet. Vizsgáld meg néhány anyag (burgonya, búzaliszt, kenyér) keményítőtartalmát Lugol-oldattal!

A

5.8. Keményítő kimutatása Lugol-oldattal

6. Fehér csempére vagy üveglapra cseppents egymástól néhány centiméterre sósavat, konyhasóoldatot és hígított hipót! Adj mindegyik csepphez 2-3 csepp sav-bázis indikátort (metilnarancsot vagy vöröskáposzta levét)! Figyeld meg a színváltozást!

a) Milyen kémhatásúak a vizsgált oldatok?



b) Egy idő után a hipóhoz adott indikátor elszíntelenedik. Vajon miért? 7. Projektmunka keretében dolgozzátok fel Semmelweis Ignác magyar orvos életét és munkásságát! Miért nevezik az anyák megmentőjének? Melyik klórtartalmú vegyület használatával sikerült megelőznie a gyermekágyi lázat? Milyen fertőtlenítőszert használnak ma az orvosok a műtét előtti „bemosakodáshoz”?

magas minőségi szint mellett a középiskolai tankönyvek kiadására szakosodott tankönyvkiadónk elkészítette a tankönyv másik felét is, amely nyomdailag kivitelezett kész könyv formában megtekinthető könyvbemutatóinkon. A kiadvány tankönyvvé minősítését elindítottuk, amelynek az eljárása várhatóan április végéig befejeződik. Így a tankönyv a rendeletben előírt május 15-e határidőig megrendelhető, ezt követően június 15-ig a könyv címe már nem változtatható, csak a könyv darabszáma 10%-on belül. Köszönjük, hogy megtekintette az Út a tudáshoz: Kémia 9. tankönyvünket. Szakmai kérdésekben szerkesztőink állnak a rendelkezésükre: Szabóné Mihály Hajnalka természettudományi főszerkesztő és fizika, kémia szakos szerkesztő [email protected] 62/551-101 2013. február 28.

172