Dr. Lesny Juraj, Simon Gá bor: Műszaki kémia
1
SZÉCHENYI ISTVÁN EGYETEM Tá voktatá si tagozat 1994
Irta.:
Dr. Lesny Juraj egyetemi docens
Mû szaki Egyetem, Pozsony
Simon Gá bor tanszéki mérnök
Széchenyi Istvá n Fõiskola
Lektorá lta: Dr. Beinrorh Ernõ egyetemi docens
Mû szaki Egyetem, Pozsony
2
Minden jog fenntartva, beleértve a sokszorosítá s,a nyilvá nos elõadá s, a rá dió és televízió adá s, valamint a fordítá s jogá t, az egyes fejezeteket illetõen is.
3
Tartalomjegyzé k Előszó ......................................................................................................................................... 5 1. Kémiai nevezéktan ................................................................................................................. 6 1.1. Az elemek és a szervetlen vegyületek nevezéktana ........................................................ 6 1.1.1. Az elemek elnevezése .............................................................................................. 6 1.1.2. A szervetlen vegyületek képlete............................................................................. 10 1.1.3. A szervetlen vegyületek elnevezése ....................................................................... 11 1.1.4. Ellenőrző kérdések ................................................................................................. 17 1.2. A szerves vegyületek nevezéktana ................................................................................ 18 1.2.1. A szerves vegyületek képlete ................................................................................ 18 1.2.2. A szerves vegyületek elnevezése............................................................................ 19 1.2.2.1. Nyílt lá ncú szénhidrogének ............................................................................. 19 n n n....................................................................................... 20 1.2.2.2. Zá rt lá ncú (aliciklusos) szénhidrogének.......................................................... 23 1.2.2.3. Aromá s szénhidrogének .................................................................................. 24 1.2.2.4. A szén és hidrogén mellett egyéb atomokat is tartalmazó szerves vegyületek 25 1.2.3. Ellenőrző kérdések ................................................................................................. 26 2. A gá zok koncentrá ció já nak kifejezése és á tszá mítá si mó dszerei......................................... 27 2.1. Megoldott példá k........................................................................................................... 32 2.2. Megoldandó feladatok................................................................................................... 33 3. A sztöchiometriai együttható k meghatá rozá sa..................................................................... 34 3.1. Az atommennyiség mérlegelése .................................................................................... 34 3.2. Megoldott példá k........................................................................................................... 37 3.3. Megoldandó példá k ....................................................................................................... 39 4. Az anyagmérleg alapjai ........................................................................................................ 40 4.1. Egyensúlyban levő, inert rendszerek ............................................................................. 42 4.2. Egyensúlyban levő, nem inert rendszerek ..................................................................... 44 4.3. Megoldandó példá k ....................................................................................................... 50 5. Irodalomjegyzék ................................................................................................................... 50 5.1. Alapjegyzet.................................................................................................................... 51 5.2. Javasolt irodalom........................................................................................................... 51
4
Előszó A Mû szaki kémia címû tá voktatá si segédlet a tá voktatá sban részt vevõ hallgató k szá má ra készült. Azt a célt szolgá lja, hogy segítse a hallgató k öná lló felkészülését az á ltalá nos és a szervetlen kémia, illetve részben a szerves kémia anyagá bó l. A tá voktatá si segédlet a Mû szaki kémia címû tantá rgy oktatá sa sorá n felhaszná lt alapjegyzetre, a Budapesti Mû szaki Egyetem Villamosmérnöki és Informatikai Kará nak Á ltalá nos kémia címû jegyzetére (Mû egyetemi Kiadó , Budapest, 1993.) épül. Ez az alapjegyzet tartalmazza azt a tananyagot, amelyet a hallgató knak el kell sajá títani. A tá voktatá si segédlet az alapjegyzet témaköreibõl csak bizonyos anyagrészekkel foglalkozik. A segédlet elkészítésénél azt tekintettük fõ vezérlõ elvnek, hogy azokat az anyagrészeket tá rgyaljuk, amelyek az alapjegyzetben véleményünk szerint nem eléggé részletesen, nem eléggé á ttekinthetõen talá lható k meg, illetve hiá nyoznak. A tá voktatá si segédlet négy fõ fejezetbõl á ll. Mindegyik fejezet felépítése sorá n elõször a témá hoz tartozó alapvetõ ismereteket tá rgyaljuk, majd az adott témá ra vonatkozó példá kat, illetve szá mítá si feladatokat mutatjuk be. Az egyes fejezetek végén ellenõrzõ kérdések, illetve megoldandó szá mítá si feladatok szerepelnek, amelyek a megtanult anyagrészek otthoni, öná lló ellenõrzésére szolgá lnak. Az esetlegesen felmerülõ kérdésekre a hallgató k a konzultá ció kon kaphatnak vá laszt. Az irodalomjegyzékben az említett alapjegyzeten kívül javasolt irodalomként felsorolunk még néhá ny könyvet, amelyek szintén segítségül hívható k a tananyag jobb megértéséhez.
Gyõr, 1994. má jus
A szerzõk
5
1. Ké miai nevezé ktan A magyar kémiai elnevezés és helyesírá s szabá lyait a Magyar Tudomá nyos Akadémia A magyar kémiai elnevezés és helyesírá s szabá lyai (Szerkesztette: Erdey-Grúz Tibor és Fodorné Csá nyi Piroska, Akadémiai Kiadó , Budapest, 1972-74) című há romkötetes munká ban dolgozta ki. Ennek a terjedelmes munká nak az egykötetes rövidített vá ltozata A kémiai elnevezés és helyesírá s alapjai címmel 1977-ben jelent meg a fent említett szerkesztők munká jaként, szintén az Akadémiai Kiadó kiadá sá ban. A munka elvégzését az tette szükségessé, hogy a kémiai tudomá nyok gyors fejlődése következtében a kémiai elnevezések egységes rendszerének hiá nya az utó bbi időben egyre nagyobb zavarokat okozott. Régen ismert vegyületeknek több nevük alakult ki, és az újonnan felfedezett, illetve előá llított vegyületeket is többé-kevésbé önkényesen nevezték el. Egyre nagyobb igény merült fel egy egységes, nemzetközi elnevezési rendszerre, amelyben minden vegyületnek csak egy neve van, és a név alapjá n egyértelműen fel lehet írni a vegyület képletét. A kémiai elnevezések rendszerét a Tiszta és Alkalmazott Kémia Nemzetközi Unió ja (International Union of Pure and Applied Chemistry, rövidítve IUPAC) dolgozta ki. A IUPAC arra törekedett, hogy a vegyületek korá bbi neve minél kevésbé vá ltozzék meg, a szabá lyok vilá gosak, egyértelmû ek, könnyen megtanulható k és a tudomá ny fejlõdésével bõvíthetõk legyenek. A IUPAC nemzetközi elnevezé si rendszere (nó menklatúrá ja) szerint megalkotott ún. szisztematikus nevek ismeretében egyértelmû en fel lehet írni a vegyület összetételét. Azt az elvet azonban, hogy minden vegyületnek csak egy név feleljen meg, nem sikerült maradéktalanul érvényesíteni. Az IUPAC-nó menklatúra megengedi a nagyon elterjedt, közhaszná latú ún. triviá lis nevek haszná latá t is (pl. kénsav, salétromsav, ecetsav stb.). A kevésbé elterjedt triviá lis nevek haszná latá t, valamint új triviá lis nevek bevezetését azonban kerülni kell. A magyar kémiai elnevezés szabá lyai az IUPAC nemzetközi elnevezési szabá lyai alapjá n, velük összhangban készültek el.
1.1. Az elemek é s a szervetlen vegyü letek nevezé ktana 1.1.1. Az elemek elnevezé se Az elemek magyar nevét, jelét, rendszá má t és a nevükből képzett csoportneveket lá sd az 1. tá blá zatban.
6
1. tá blá zat
Név
aktínium alumínium amerícium antimon (stíbium) arany (aurum) argon arzén asztá cium bá rium berillium berkélium bizmut bó r bró m cérium cézium cink cirkó rium diszpró zium einsteinium erbium euró pium ezüst (argentum) fermium fluor foszfor francium gadolínium gallium germá nium hafnium hélium hidrogén higany (mercurium) holmium indium irídium itterbium ittrium
Jel Rendszá m Ac Al Am Sb Au Ar As At Ba Be Bk Bi B Br Ce Cs Zn Zr Dy Es Er Eu Ag Fm F P Fr Gd Ga Ge Hf He H Hg Ho In Ir Yb Y
89 13 95 51 79 18 33 85 56 4 97 83 5 35 58 55 30 40 66 99 68 63 47 100 9 15 87 64 31 32 72 2 1 80 67 49 77 70 39
Az elem neve komplex egyatomos anion elektronegatív összetevõként központi atomjaként aktinid aluminid aluminá t antimonid antimoná t aurid aurá t arzenid arzená t asztaká t berillid berillá t bizmutid bizmutá t borid borá t bromid bromá t cerid cerá t cinká t cirkonid cirkoná t argentid argentá t fluorid foszfid foszfá t germanid germaná t hafnid hafná t hidrid merkurid merkurá t iridid iridá t -
7
Név
jó d kadmium kalcium kalifornium ká lium kén (sulfur) kló r kobalt kripton kró m kû rium lantá n laurencium lítium lutécium magnézium mangá n mendelévium molibdén ná trium neodímium neon neptúnium nikkel nió bium nitrogén nobélium ó lom (plumbum) ó n (stannum) oxigén ozmiumm pallá dium platina plutó nium poló nium prazeodínium prométium protaktínium rá dium
Jel Rendszá m I Cd Ca Cf K S Cl Co Kr Cr Cm La Lr Li Lu Mg Mn Md Mo Na Nd Ne Np Ni Nb N No Pb Sn O Os Pd Pt Pu Po Pr Pm Pa Ra
53 48 20 98 19 16 17 27 36 24 96 57 103 3 71 12 25 101 42 11 60 10 93 28 41 7 102 82 50 8 76 46 78 94 84 59 61 91 88
Az elem neve komplex egyatomos anion elektronegatív összetevõként központi atomjaként jodid jodá t kadmá t szulfid szulfá t klorid klorá t kobaltid kobaltá t kromid kromá t kürid lantanid manganid manganá t molibdenid molibdená t nikkelid nikkelá t nió bid nió bá t nitrid nitrá t plumbid plumbá t sztannid sztanná t oxid ozmid ozmá t palladid palladá t platinid platiná t -
8
Név
radon rénium réz (cuprum) ró dium rubídium ruténium stroncium szamá rium szelén szén (carboneum) szilícium szkandium tallium tantá l technécium tellúr terbium titá n tó rium túlium urá n vaná dium vas (ferrum) volfrá m xenon
Jel Rendszá m Rn Re Cu Rh Rb Ru Sr Sm Se C Si Sc Tl Ta Tc Te Tb Ti Th Tm U V Fe W Xe
86 29 29 45 37 44 38 62 34 6 14 21 81 73 43 52 65 22 90 69 92 23 26 74 54
Az elem neve komplex egyatomos anion elektronegatív összetevõként központi atomjaként renid rená t kuprid kuprá t rodid rodá t rutenid rutená t szelenid szelená t karbid karboná t szilicid sziliká t tallid tallá t tantalid tantalá t technecid techneká t tellurid tellurá t titanid titaná t torid torá t uranid uraná t vanadid vanadá t ferrid ferrá t volframid volframá t -
1. tá blá zat: Az elemek neve, jele, rendszá ma és a nevükbõl képzett
csoportnevek
Valamely adott elem minden izotó pjá nak azonos a neve, kivéve a hidrogént, amelynek izotó pjaira megtartható a deutérium (2H vagy D) és a trícium (3H vagy T) elnevezés. Az egyes izotó pokat az elem jele mellett bal felsõ indexként elhelyezett tömegszá mmal kell jelölni. Pé lda: 14C, 60Co (kiejtve: szén-14, kobalt-60) Gyûjtõné vké nt a következõ kifejezések haszná lható k: halogé nek (F, Cl, Br, I, At), kalkogé nek (O, S, Se, Te, Po), alká lifé mek (Li, Na,K, Rb, Cs, Fr), alká liföldfé mek (Ca, Mg, Sr, Ba, Ra), nemesgá zok (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn) ritkaföldfé mek (Sc, Y és a La-tó l a Lu-ig terjedõ elemek) lantanoidá k (az 57 - 71 rendszá mú, a La-tó l a Lu-ig terjedõ elemek), aktinoidá k (a 89 - 103 rendszá mú az aktíniumtó l a laurenciumig terjedõ elemek), uranoidá k (a 92 - 103 rendszá mú, az urá ntó l a laurenciumig terjedõ elemek) és kü roidá k (a 96 - 103 rendszá mú, kû riumtó l a laurenciumig terjedõ elemek). Az elavult lantanidá k, aktinidá k, uranidá k és küridá k gyû jtõnév kerülendõ.
9
Az elemeket mint fé meket, fé lfé meket és nemfé meket kell osztá lyozni. Az á tmeneti fé m olyan elem, amelynek atomjá ban telítetlen d-alhéj van, vagy amely telítetlen d-alhéjú kationokat képez. Az elem tömegszá má t bal felsõ, a rendszá má t bal alsó indexként adjuk meg. Az atomok szá má t a molekulá ban, ionban és má s részecskében jobb alsó , az iontöltést vagy az oxidá ció s szá mot jobb felsõ indexként jelöljük. A tömegszá mot, a rendszá mot, az atomok szá má t és az iontöltést arab szá mmal, az oxidá ció s szá mot ró mai szá mmal jelöljük. Az n iontöltés jelölése An+, ill. Bn-. Pé lda: 14 tömegszá m és rendszá m: 39 19 K, 7 N
2−
3−
atomok szá ma és az ion töltése: Cl − ; SO4 ; Ca 2 + ; PO4 oxidá ció s szá m: FeIIO; Fe2IIIO3; Pb2II; PbIVO4 (Pb3O4)
1.1.2. A szervetlen vegyü letek ké plete A vegyületek képletében mindig az elektropozitív összetevõ (a kation) á ll az elsõ helyen. Pé lda: NaCl, CaSO4, H2SO4, KOH Ha a vegyület egynél több elektropozitív vagy elektronegatív összetevõbõl á ll, az összetevõket mindkét csoporton belül vegyjelük á bécérendjében soroljuk fel, kivéve a savas hidrogént, amely az elektropozitív összetevõk között az utolsó helyre kerül. Pé lda: KMnO4, KNaCO3, FeSiO3 KHS, NaHCO3 Az azonos atomok vagy atomcsoportok szá má t a képletben arab szá mmal jelöljük. A szá mot a vegyjel, ill. a zá ró jelbe tett csoport jobb alsó indexeként írjuk. Pé lda: CaCl2, Na2SO4, (NH4)2S2O8 Az addíciós vegyü letek képletében az alkotó részeket (a bó rvegyületek és a víz kivételével) a molekulá k szá má nak növekvõ sorrendjében soroljuk fel. Ha a molekulá k szá ma azonos, akkor á bécérendben soroljuk fel õket. A bó rvegyületek és a víz mindig az utolsó helyre kerül. Az összetevõ vegyületek képletét a sorra (és nem a sorközépre) tett ponttal kapcsoljuk össze. Pé lda: Na2SO4 . 10H2O Al2(SO4)3 . K2SO4 . 24H2O NH3 . BF3 A komplex (vagy koordiná ciós) vegyü letek esetében a központi atomhoz ún. ligandumok kapcsoló dnak. A központi atom és a ligandumok együttese a komplex csoport (koordinatív képzõdmény). A képletben az elektropozitív összetevõ (kation) á ll az elsõ helyen. A komplex csoport képletét szögletes zá ró jelbe tesszük, és ezen belül természetesen fel kell tüntetni a központi atomhoz kapcsoló dó ligandumok szá má t is (koordiná ció s szá m).
10
Pé lda: K3 [Fe(CN)6] K4 [Fe(CN)6] [Cr(H2O)6]Cl3 1.1.3. A szervetlen vegyü letek elnevezé se A vegyületnevek a szisztematikus, a triviá lis, é s a fé lszisztematikus (vagy fé ltriviá lis) nevek csoportjá ba sorolható k. A szisztematikus né vbõl az elnevezési szabá lyok ismeretében egyértelmû en fel lehet írni a vegyület képletét. Pé lda: ná trium-klorid hidrogén-szulfid szén-dioxid A triviá lis né v a vegyület elõfordulá sá ra, vagy tulajdonsá gaira (színre, szagra, alkotó részre, leggyakoribb á svá nyá ra stb.) utaló , illetve köznyelvi név. Nem tartalmazza a szisztematikus név egyik összetevõjét sem. Pé lda: kénsav, salétromsav, víz Haszná lunk tová bbá olyan neveket is, amelyek ugyan az elnevezési szabá lyok elvei szerint keletkeztek, de egy vagy több összetevõ triviá lis csoportnéven szerepel. Ezek a fé lszisztematikus, vagy fé ltriviá lis vegyü letnevek. Példá ul a ná trium-szulfitban a szulfit, a ká lium-hipokloritban a hipoklorit a triviá lis csoportnév. A) Szisztematikus nevek A szisztematikus nevekben felsoroljuk a vegyület összetevõit és ezek ará nyait. Az elektropozitív összetevõk (kationok) neve megelõzi az elektronegatív összetevõk (anionok) nevét, azaz a sorrend megegyezik a vegyületnek a vegyület képletében követett sorrendjével. Az egyatomos elektropozitív összetevõ neve vá ltozatlan marad, azaz megegyezik az elem nevével. Több elektropozitív összetevõ nevének sorrendje a képletben levõ sorrendet követi. Pé lda: NaCl HCl H2S KNaCO3 MgNH4PO4 FeTiO3
ná trium-klorid hidrogén-klorid dihidrogén-szulfid (és nem kénhidrogén) ká lium-ná trium-karboná t magnézium-ammó nium-foszfá t vas-titá n-trioxid
A savas hidrogé nt tartalmazó sók (ún. savanyú só k) nevében az ionos kötésû , helyettesíthetõ hidrogént közvetlenül az elektronegatív összetevõ elé tett hirogén szó jelöli. Pé lda: NaHCO3 LiH2PO4
ná trium-hidrogén-karboná t lítium-dihidrogén-foszfá t 11
KHS
ká lium-hidrogén-szulfid
Az egyatomos kationok nevét úgy képezzük, hogy az elektropozitív összetevõ nevéhez az ion (félreértés lehetõsége esetén a kation) szó t kapcsoljuk. Ha a kation többféle oxidá ció s szá mmal, illetve iontöltéssel fordul elõ, akkor az elektropozitív összetevõ neve utá n az oxidá ció s szá mot, illetve az iontöltést is feltüntetjük. Pé lda: Na+ Cu+ Cu2+
ná triumion réz (I) ion vagy réz (1+) ion réz (II) ion vagy réz (2+) ion
Több atomos kationok nevét az egyatomos kationéhoz hasonló an képezzük. Pé lda: [Al(H2O)6]3+ [Cr(H2O)6]3+
[hexaakva-alumínium]-ion [hexaakva-kró m]-ion
Az olyan több atomos kation nevét, amely az egyatomos anionból több proton addíciója révén keletkezik, mint amennyi ahhoz kell, hogy semleges egységet kapjunk, úgy képezzük, hogy az anion elemének nevét (egyes esetekben rövidített, vagy rövidített latin) nevét -ónium végzõdéssel lá tjuk el. Pé lda: PH4+ AsH4+ H3O+
foszfó nium arzó nium oxó nium
Az NH4+ szisztematikus neve nitró nium, de á ltalá nos elterjedtsége miatt helyette az ammó nium nevet haszná ljuk. Egyatomos vagy azonos atomokból á lló elektronegatív összetevõ (anion) nevét az elem teljes, rövidített vagy latin nevébõl -id végzõdéssel képezzük. Több elektronegatív összetevõ nevének sorrendje a képletbeli sorrendet követi. Pé lda: Li3N KI3 N2O5 BiClO PBrCl2
lítium-nitrid ká lium-trijodid dinitrogén-pentaoxid bizmut-klorid-oxid foszfor-bromid-diklorid
Az egyatomos vagy azonos atomokból á lló anionok nevét úgy képezzük, hogy az elektronegatív összetevõ nevéhez az ion (félreérthetõség esetén az anion) szó t kapcsoljuk. Pé lda: HFClBrI-
hidridion fluoridion, kloridion, bromidion, jodidion,
O2S2S22N3C4-
oxidion szulfidion diszulfidion nitridion karbidion
12
Több atomos anionok nevét -á t végzõdéssel lá tjuk el. Szükség esetén megadjuk a központi atom oxidá ció s szá má t, illetve az ion töltését is. Pé lda: SO42SO32PO43-
szulfá tion [tetraoxo-szulfá t (VI)]-ion [tetraoxo-szulfá t] (2-)-ion [trioxo-szulfá t (IV)]-ion [trioxo-szulfá t] (2-)-ion foszfá tion [tetraoxo-foszfá t (V)]-ion [tetraoxo-foszfá t] (3)-ion
Kivé telké nt néhá ny több atomos anion neve -id-re végzõdik. Példa: OHNH2NH2CN-
hidroxid amid imid cianid
A sztöchiometriai ará nyokat közvetlenül az elemek neve elé írt görög szá mnévvel fejezzük ki: mono-, di-, tri, tetra-, penta-, hexa-, hepta-, okta-, ennea-, deka-, hendeka- é s dodeka. A 9 és 11 szá mra a latin nona és undeka-szá mnév is haszná lható . Ha az atomok szá ma nagy és ismeretlen, akkor a poli-elõtagot haszná ljuk. A mono-szá mnév elhagyható , kivéve, ha elhagyá sa zavart okoz. Pé lda: N2O NO2 N2O4 Fe3O4 U3O8
dinitrogén-oxid nitrogén-dioxid dinitrogén-tetraoxid trivas-tetraoxid triurá n-oktaoxid
Az összetevõk ará nyá t a vegyületben közvetve a Stock-fé le, vagy az Ewens-Bassett-fé le jelölé ssel lehet megadni. A Stock-fé le jelölé s szerint az oxidá ció s szá mot az elem neve utá n kerek zá ró jelbe tett ró mai szá mmal adjuk meg, a pozitív elõjel elhagyá sá val. A nulla oxidá ció s szá m jele a nulla (0). Pé lda: FeCl2 vas (II) -klorid FeCl3 vas (III)-klorid K4[Ni(CN)4] ká lium-[tetraciano-nikkelá t (0)] Az Ewens-Bassett-fé le jelölé s szerint az ion töltését közvetlenül az ion neve utá n zá ró jelbe tett arab szá mmal és +, ill. − jellel adjuk meg. Pé lda: FeCl2 vas (2+) -klorid FeCl3 vas (3+) -klorid K4[Ni(CN)4] ká lium-[tetraciano-nikkelá t] (4-)
13
A komplex vegyü letek elnevezése esetén a komplex csoport nevét az írott szövegben is szögletes zá ró jelbe kell tenni. A komplex csoport elnevezését a má r megadott szá mnevek felhaszná lá sá val a koordiná ció s szá m megadá sá val kezdjük, ezt követi a ligandum neve, majd a központi atom nevével fejezzük be. A kationok központi atomjá t az elem nevével, az anionét pedig az elem neve utá n írt -á t végzõdéssel adjuk meg. A komplex csoport nevének jeleznie kell a központi atom töltését is, amely a Stock-szá mmal, vagy az Ewens-Bassettszá mmal adható meg. A komplex nevét úgy is alkothatjuk, hogy a sztöchiometriai ará nyokat adjuk meg, de az elõbbi két mó d ajá nlatosabb. Pé lda: K3[Fe(CN)6]
ká lium-[hexaciano-ferrá t(III)] (Stock) ká lium-[hexaciano-ferrá t](3-) (Ewens-Bassett) triká lium-[hexaciano-ferrá t] (Sztöchiometriai)
K4[Fe(CN)6]
ká lium-[hexaciano-ferrá t(II)] ká lium-[hexaciano-ferrá t] (4-) tetraká lium-[hexaciano-ferrá t]
[Cr(H2O)6]Cl3
[hexaakva-kró m(III)]-klorid [hexaakva-kró m] (3+)-klorid [hexaakva-kró m]-triklorid
Az addíció s vegyületek nevében az összetevõ vegyületek nevét nagykötõjellel kapcsoljuk össze. A molekulá k szá má t a név utá n zá ró jelbe tett és egymá stó l ferde törtvonallal elvá lasztott arab szá mokkal adjuk meg. A vegyületek nevének sorrendje azonos a képletek sorrendjével. A víztartalmú addíció s vegyületekben a korá bban szoká sos hidrá t helyett a víz elnevezést haszná ljuk. Pé lda: 3CdSO4 . 8H2O kadmium-szulfá t víz (3/8) Al2(SO4)3 . K2SO4 . 24H2O alumínium-szulfá tká lium-szulfá t víz(1/1/24) NH3 . BF3 ammó niabó r-trifluorid (1/1) B) Triviá lis nevek A triviá lis nevek a közhaszná latban elterjedt vegyületnevek, melyek nem utalnak a vegyület összetevõire és ezek ará nyaira. Az alá bbi triviá lis nevek tová bbra is haszná lható k: H2O NH3 H2N-NH2 PH3
víz ammó nia hidrazin foszfin
14
AsH3 SbH3 BiH3
arzin sztibin bizmutin
Az alá bb felsorolt savakat szisztematikus nevük helyett triviá lis névvel is elnevezhetjük. H3AsO4 H3AsO3
arzénsav arzénessav
H3BO3 (HBO2)n
ortobó rsav vagy bó rsav metabó rsav
HBrO4 HBrO3 HBrO2 HBrO
perbró msav bró msav bró mossav hipobró mossav
H2CO3 HOCN HNCO HONC
szénsav ciá nsav izociá nsav fulminsav
HClO4 HClO3 HClO2 HClO
perkló rsav kló rsav kló rossav hipokló rossav
H2CrO4 H2Cr2O7
kró msav dikró msav
H5IO6 HIO4 HIO3 HIO
ortoperjó dsav perjó dsav jó dsav hipojó dossav
HMnO4 H2MnO4
permangá nsav mangá nsav
HNO3 HNO4 HNO2 HOONO H2NO2 H2N2O2 H3PO4 H4P2O7 (HPO3)n H3PO5 H4P2O8
salétromsav peroxo-salétromsav salétromossav peroxo-salétromossav nitroxilsav hiposalétromossav ortofoszforsav vagy foszforsav difoszforsav (nem pirofoszforsav) metafoszforsav peroxo-monofoszforsav peroxo-difoszforsav
15
(HO)2OPPO(OH)2 hipofoszforsav vagy difoszfor(IV) sav (HO)2POPO(OH)2 difoszfor (III, V) sav H2PHO3 foszfonsav H2P2H2O5 difoszfonsav HPH2O2 foszfinsav HReO4 H2ReO4
perréniumsav réniumsav
H2SO4 H2S2O7 H2SO5 H2S2O8 H2S2O3 H2S2O6 H2SO3 H2S2O5 H2S2O2 H2S2O4 H2SO2 H2SxO6 (x= 3, 4, ...)
kénsav dikénsav peroxo-monokénsav peroxo-dikénsav tiokénsav ditionsav kénessav dikénessav tiokénessav ditionossav szulfoxilsav politionsavak
HSb(OH)6
hexahidroxo-antimonsav
H2SeO4 H2SeO3
szelénsav szelénessav
H4SiO4 (H2SiO3)n
ortokovasav metakovasav
HTcO4 H2TcO4 H6TeO6
pertechnéciumsav technéciumsav ortotellúrsav
A tiosavak esetében az oxigént részben vagy egészben kén helyettesíti. A tiosavak elnevezésében a sav neve elé a tio-elõtagot kapcsoljuk. A kénatomok szá má t görög szá mnévvel jelöljük. Pé lda: HSCN tiociá nsav H3PO3S monotiofoszforsav H3PO2S2 ditiofoszforsav H2CS3 tritioszénsav Végül a 2. tá blá zatban néhá ny közismert szervetlen vegyületet sorolunk fel, és összehasonlítá sul megadjuk e vegyületek szisztematikus és triviá lis vagy féltriviá lis nevét is. Ké plet Na2SO3
Szisztematikus né v diná trium-[trioxo-szulfá t]
Triviá lis vagy fé ltriviá lis né v ná trium-szulfit
16
Na2S2O3 H2SO4 HNO3 HNO2 H3PO4 HCIO HCIO4
diná trium-[trioxo-tio-szulfá t] dihidrogén-[tetraoxo-szulfá t] hidrogén-[trioxo-nitrá t] hidrogén-[dioxo-nitrá t] trihidrogén-[tetraoxo-foszfá t] hidrogén-[oxo-klorá t] hidrogén-[tetraoxo-klorá t]
ná trium-tioszulfá t kénsav salétromsav salétromossav foszforsav hipokló rossav perkló rsav
2. tá blá zat: Szervetlen vegyületek szisztematikus és triviá lis neveinek összehasonlítá sa
1.1.4. Ellenőrző ké rdé sek 1) Miért volt szükség az egységes kémiai elnevezési rendszer
bevezetésére?
2) Milyen gyû jtõneveket ismer az elemcsoportok elnevezésére? 3) Írja fel az alá bbi vegyületek képletét: kalcium-klorid ó n (II)-oxid ó n (IV)-oxid ká lcium-magnézium-karboná t vas-[trioxo-sziliká t] 4) Írja fel az alá bbi vegyületek szisztematikus nevét: Na2SO4 HClO2 HClO3 H2[SiF6] K3[Co(NO2)6] 5) Írja fel az alá bbi ionok szisztematikus nevét: Se2P3Si4MnO4[PCl6]-
17
1.2. A szerves vegyü letek nevezé ktana 1.2.1. A szerves vegyü letek ké plete A szerves vegyületek jelölésére a molekulaké pletet, a szerkezeti ké pletet és a gyökcsoportos ké pletet haszná ljuk. A szerves vegyületek nagyon nagy szá ma, és az összetevő atomok kapcsoló dá si lehetőségeinek sokfélesége miatt a szerves vegyületek jelölésére nem elegendő az ún. molekulaképlet haszná lata. Példá ul a sztearinsav nevű vegyület molekulaképlete C18H36O2, de a kapcsoló dá si lehetőségek sokfélesége miatt ezzel az összegképlettel nagyon sok szerves vegyület rendelkezhet. Ezért ezen a jelölési mó don kívül haszná ljuk még a szerkezeti képletet és a gyökcsoportos képletet is. A molekulaké plet csupá n a kapcsoló dó atomok minőségét és mennyiségét fejezi ki. A szerkezeti ké plet ezen kívül bemutatja az egyes atomok kapcsoló dá sá t és térbeli elrendeződését is. A gyökcsoportos ké plet a szerkezeti képlethez hasonló an felvilá gosítá st nyújt a vegyületek szerkezetéről, kiemeli a funkció s csoportokat, de főként a nagy szénatomszá mú szerves vegyületek esetében jó val rövidebb és á ttekinthetőbb. Példaként bemutatjuk a metá n és a tejsav molekula-, szerkezeti- és gyökcsoportos képletét.
Vegyü let neve
metá n
tejsav
Molekula ké plet
Szerkezeti ké plet
Gyökcsoportos ké plet
CH4
H HCH H
CH3H
H H O HCCC H O O H H
CH3CHCOOH OH
C3H6O3
18
1.2.2. A szerves vegyü letek elnevezé se A jegyzet keretein belül csak a szénből és hidrogénből á lló vegyületek elnevezéseinek szabá lyaival foglalkozunk, az egyéb atomokat is tartalmazó szerves vegyületek elnevezését csak röviden ismertetjük. A szerves vegyületek elnevezésére á ltalá ban haszná lhatunk: a) szisztematikus nevet, amely a vegyület molekulaszerkezetérõl ad, b) triviá lis nevet, amely nem szisztematikusan levezetett, a alapjá n a gyakorlatban elterjedt, többnyire rövid elnevezés.
is felvilá gosítá st megszoká s
A szisztematikus nevet a szervetlen vegyületekhez hasonló an a IUPAC-nevezé ktan szabá lyaival adjuk meg. Példaként a 3. tá blá zatban felsorolunk néhá ny közismert szerves vegyületet, és megadjuk a hozzá juk tartozó szisztematikus és triviá lis nevet is.
Ké plet
Szisztematikus né v
Triviá lis né v
CH2 = CH2 CH3CH=CH2 CHCl3 CHBr3 CH3OH C2H5OH CH3COOH
etén propén trikló r-metá n tribró m-metá n metanol etanol etá nsav
etilén propilén kloroform bromoform metilalkohol etilalkohol ecetsav
CH3CCH3 O
propanon (dimetil-keton)
aceton
metil-benzol
toluol
vinil-benzol
sztirol
3. tá blá zat: Szerves vegyületek szisztematikus és triviá lis neveinek összehasonlítá sa
1.2.2.1. Nyílt lá ncú szé nhidrogé nek
19
A) Telített, nyílt lá ncú szé nhidrogé nek A telített, alifá s, nem elá gazó é s elá gazó lá ncú szé nhidrogé nek IPUAC-nevezéktan szerinti á ltalá nos neve . A telített nem elá gazó lá ncú, alifá s szé nhidrogé nek homoló g sorá ban az első négy tagnak triviá lis neve van: metá n, etá n, propá n és butá n. A homoló g sor többi tagjá nak nevét úgy képezzük, hogy a szénatomok szá má nak megfelelő görög, ill. latin szá mnév tövéhez a telítettségre utaló -á n végződést illesztjük. Pé lda: n = a szénatomok szá ma n
n
5. pentá n 6. hexá n 7. heptá n
8. oktá n 9. noná n 10. deká n
n 11. undeká n 12. dodeká n 13. trideká n
Az alká nokbó l egy hidrogénatom elvételével levezethető egyértékű csoportokat alkilcsoportoknak nevezzük. Az alkilcsoport nevét úgy képezzük, hogy a szénhidrogén nevének -á n végződését -il végződésre vá ltoztatjuk. Pé lda:
metil etil pentil
CH3 CH3CH2 CH3CH2CH2CH2CH2
Két hidrogénatomot má r kétféle mó don vehetünk el a molekulá tó l. Ha azonos szénatomró l vesszük el mindkettőt, akkor a levezetett kétértékű csoport neve az -ilidé n végződést kapja. CH3CH< etilidén CH3CH2CH< propilidén CH2 metilén (metilidén helyett) de kivételként:
Pé lda:
Ha egy normá l alká nró l két lá ncvégi hidrogénatomot veszünk el, a csoport neve -ilé nre végződik. Pé lda:
CH2CH2 etilén CH2CH2CH2 propilén
Az elá gazó lá ncú, telített alifá s szé nhidrogé neket a vegyület képletében levő leghosszabb szénlá nccal, a főlá nccal megegyező szénatomszá mú nem elá gazó lá ncú szénhidrogén oldallá nccal helyettesített szá rmazékaként nevezzük el. Az oldallá nc (alkilcsoport) nevét és a főlá nchoz való kapcsoló dá sá nak helyét az alapvegyületként vá lasztott szénhidrogén neve elé írjuk.
20
A főlá nc szénatomjait a lá nc egyik végétől elindulva arab szá mokkal szá mozzuk úgy, hogy az oldallá ncok helyzetére a lehető legkisebb szá mok adó djanak. 5
4
3
2
1
CH 3 − CH 2 − CH 2 − CH − CH 3 CH 3 2-metil-pentá n
Pé lda:
Ha a molekulá ban több azonos, nem helyettesített oldallá nc van, akkor az oldallá nc neve elé di-, tri-, tetra- stb. sokszorozó tagot írunk. CH 3 5
4
3
2
1
C H3 − C H2 − C − C H2 − C H3
Pé lda:
CH 3 3,3-dimetil-pentá n
Ha ké t vagy több kü lönböző oldallá nc van a molekulá ban, akkor á bécérendben soroljuk fel őket. Pé lda: 7
6
5
4
3
2
1
CH 3 − CH 2 − CH 2 − CH − CH − CH 2 − CH 3 CH 2 CH 3
CH3 4-etil-3-metil-heptá n
B) Telítetlen, nyílt lá ncú szé nhidrogé nek A kettős köté seket tartalmazó telítetlen, nyílt lá ncú szé nhidrogé nek á ltalá nos elnevezése alké n. Az ilyen szénhidrogének elnevezésekor a megfelelő telített szénhidrogén -á n végződését -é n végződéssel helyettesítjük. A kettő vagy há rom darab kettős kötést tartalmazó telítetlen szénhidrogének á ltalá nos neve alkadié n ill. alkatrié n, ebben az esetben a név végződése -adié n ill. -atrié n. Pé lda: CH 2 = CH 2 CH 3 - CH = CH 2 CH 2 = CH - CH = CH 2
etén propén butadién
A há rmas köté seket tartalmazó telítetlen, nyílt lá ncú szé nhidrogé neket á ltalá nosan alkin szénhidrogéneknek nevezzük, erre utal nevük -in végzõdése. A kettõ vagy há rom darab há rmas kötést tartalmazó telítetlen szénhidrogének á ltalá nos neve alkadiin ill. alkatriin, ekkor nevük végzõdése -adiin ill. - atriin. 21
Pé lda: CH 3 - C ≡ CH CH 3 - CH 2 - CH 2 - C ≡ CH
propin pentin
A szénlá ncot úgy szá mozzuk, hogy a kettõs, ill. a há rmas kötések helyszá ma a lehetõ legkisebb legyen. 6
Pé lda:
5
4
3
4
3
2
1
CH 3 − CH 2 − CH 2 − CH = CH − CH 3 2 - hexén 6
5
2
1
C H3 − C H = C H − C H2 − C H = C H2 1,4 - hexadién
Az elnevezési szabá lyok megengedik, hogy az etén helyett az etilén, a propén helyett pedig a propilén elnevezést haszná ljuk, míg a legegyszerû bb há rmas kötést tartalmazó szénhidrogén /CH≡CH/ neve acetilén. A telítetlen, elá gazó lá ncú, alifá s szé nhidrogé neket a képletükben levõ nem elá gazó lá ncú szénhidrogén szá rmazéká nak tekintjük, és ennek alapjá n nevezzük el. Fel kell tüntetni az elá gazó lá nc nevét és helyét, valamint a telítetlen kötések helyzetét is. 7
Pé lda:
6
5
4
3
2
1
C H2 = C H − C H − C H = C H − C H = C H2 CH 3 5 - metil - 1,3,6 - heptatrién
22
1.2.2.2. Zá rt lá ncú (aliciklusos) szé nhidrogé nek A monociklusos (azaz egy gyû rû s), oldallá ncot nem tartalmazó, telített szé nhidrogé nek nevét az azonos szénatomszá mú, telített alifá s szénhidrogének nevébõl a gyû rû s szerkezetre utaló ciklo-elõtaggal képezzük. Ezeknek a vegyületeknek az á ltalá nos neve cikloalká n. Pé lda:
A monociklusos, oldallá ncot nem tartalmazó, telítetlen szé nhidrogé nek nevét hasonló mó don képezzük, csak értelemszerû en a megfelelõ nyíltlá ncú telítetlen vegyület neve elé írjuk a ciklo-elõtagot. A telítetlen kötéseket a lehetõ legkisebb helyszá mmal jelöljük. Pé lda:
ciklohexén
1,3-ciklohexadién
23
1.2.2.3. Aromá s szé nhidrogé nek A benzolgyûrût tartalmazó szé nhidrogé nek aromá s vegyü letek. Ezeknek a vegyületeknek az á ltalá nos elnevezése aré n. Lehetnek egy gyû rû sek (monociklusosak) és több gyû rû sek (policiklusosak). Ebben a jegyzetben a monociklusos aromá s szé nhidrogé nek elnevezésével foglalkozunk. Egy oldallá nc esetén a kapcsoló dó alifá s csoport neve utá n tesszük a benzol szó t. Példá ul metil-benzol, etil-benzol stb. Az egyszerû bb szá rmazékoknak gyakran a triviá lis nevét haszná ljuk: példá ul a metil-benzol helyett a toluol nevet. Pé lda:
metil-benzol toluol
etil-benzol
Két csoport há romféle mó don kapcsoló dhat a benzolgyû rû höz: 1,2−; 1,3−; vagy 1,4−helyzetben. A szá mozá s helyett az o-(orto-); m-(meta-) és p-(para-) jelöléseket is szoká s haszná lni, különösen akkor, ha a két csoport azonos. Példaként a dimetilbenzol (triviá lis nevén xilol) izomereket mutatjuk be. Pé lda:
1,2-dimetil-benzol 1,3-dimetil-benzol 1,4-dimetil-benzol orto-xilol meta-xilol para-xilol Ha a gyû rû höz több, nem azonos oldallá nc kapcsoló dik, akkor a lá ncok egymá shoz viszonyított helyzetét szá mozá ssal adjuk meg úgy, hogy a kisebb szénatomszá mú csoport kapja a kisebb helyzetjelölõ szá mot.
24
Pé lda:
1-metil-4-izopropil-benzol para-cimol
Az aromá s szénhidrogénekbõl egy hidrogénatom elvételével szá rmaztatható csoportokat összefoglaló néven arilcsoportoknak nevezzük (á ltalá nos jelük: Ar−), két hidrogénatom elvételével pedig az arilé ncsoportokat kapjuk. Így példá ul benzolbó l egy hidrogénatom elvételével a fenilcsoport (C6 H 5 − vagy Ph-), két hidrogénatom elvételével pedig az orto-, meta-para-feniléncsoport, vagy para-feniléncsoport vezethetõ le.
1.2.2.4. A szé n é s hidrogé n mellett egyé b atomokat is tartalmazó szerves vegyü letek A szénen és hidrogénen kívül egyéb atomokat is tartalmazó szénhidrogének elnevezésére különféle nó menklatúratípusokat haszná lhatunk. A legfontosabb nó menklatúratípusok a következõk: a) csoportfunkciós nómenklatúra b) szubsztitúciós nómenklatúra c) konjuktív nómenklatúra A csoportfunkciós nómenklatúra szabá lyait röviden ismertetjük. Elõször kivá lasztjuk a vegyülettípusra jellemzõ atomot vagy atomcsoportot és ezt megnevezzük. Ez a funkciós csoportné v. Az
25
összes többit elõtagként jelöljük. Ezutá n megnevezzük a jellemzõ csoporthoz kapcsoló dó csoportot (ha a funkció s csoportnévvel jelölt csoport egy vegyértékû ), illetve a csoportokat (ha több vegyértékû ). Ezek a nevek a funkció s csoportnév elõtt á llnak á bécésorrendben. Pé lda: CH 3 − CH 2 − CO − CH 3 CO funkció s csoport neve: CH 3 − CH 2 − csoport neve: CH 3 − csoport neve:
keton etil metil
A vegyület teljes neve:
etil-metil-keton
1.2.3. Ellenőrző ké rdé sek 1) Milyen képleteket haszná lhatunk a szerves vegyületek jelölésére? 2) Írja fel az etanol és propanol, illetve az ecetsav és a propionsav képletét mindhá rom képlettípus segítségével! 3) Mi a szisztematikus neve a 12 C-atomot tartalmazó telített, alifá s szénhidrogén vegyületnek? 4) Írja fel az elnevezési szabá lyok segítségével az alá bbi szerves vegyületek képletét: 2,3,5−trimetil−hexá n 2−etil−3−metil−pentá n 1,3−hexadién 5−metil−1−hexén ciklopentá n 2−ciklopentén 5) Írja fel a csoportfunkció s nó menklatúra segítségével az alá bbi szerves vegyületek képletét: dimetil−keton dietil−keton metil−alkohol etil−alkohol
nem elá gazó lá ncú
26
2. A gá zok koncentrá ciójá nak kifejezé se é s á tszá mítá si módszerei A gá zok koncentrá ció ja á ltalá ban tömeg/térfogat egységekben vagy térfogatszá zalékokban ill. térfogatszá zalékokbó l levezethető egységekben van kifejezve. Az első esetben a koncentrá ció kifejezésénél meg kell adni a hőmérséklet és a nyomá s értékeit. Sok okbó l kifolyó lag (nem egységes normá k, az analitikai eredmények interpretá lá si okokbó l legcélszerűbb kifejezési mó djá ra való törekvés, a szerzők következetlensége, stb.) a szakirodalomban a gá zok koncentrá ció ja kifejezésénél az egységek széles ská lá já val talá lkozhatunk. Tekintettel arra, hogy a koncentrá ció k kifejezései nem egységesek és az eredmények feldolgozá sá ná l sok félreértés lehetséges, a következő összefüggéseket ismertetjük:
%=
ré sz ⋅102 egé sz
(2.1)
ppm (az angol parts per million-bó l)=
ré sz ⋅106 = % ⋅104 (2.2.) egé sz
pphm(az angol parts per hundred million-bó l)=
ppb (az angol parts per billion-bó l)=
ré sz ⋅108 = % ⋅106 (2.3) egé sz
ré sz ⋅109 = % ⋅107 egé sz
(2.4)
A felsorolt egységek ugyan az SI-mértékegység-rendszer szerint nem helyesek, de fõleg a külföldi irodalomban nagyon gyakran talá lkozunk velük. A rész ill. az egész kifejezésénél esetrõl-esetre egyforma (térfogat/térfogat ill. tömeg/tömeg) vagy kü lönbözõ (fõleg tömeg/térfogat) jellemzõket haszná lnak. A legtöbb esetben be van tartva az a konvenció , amely szerint a ppm vagy a ppb haszná latá ná l má s feltü nteté s hiá nyá ban té rfogat/té rfogat típusú kifejezé srõl van szó. A gá zok koncentrá ció ja kifejezésénél a térfogatszá zalék és a tömeg/térfogat típusú koncentrá ció -egységek között a következõ mó don lehet az összefüggéseket levezetni: A V [m3 ] térfogatú és ρ[kg ⋅ m−3 ] sû rû ségû gá z tömege m [kg]: m = V ⋅ ρ [kg]
(2.5)
Ha a normá lá llapotban levõ (To = 273,15 K; Po = 101 325 Pa) tökéletes (ideá lis) gá z sû rû sége ρo, akkor az egyetemes gá ztörvénybõl kifolyó lag a T hõmérsékleten és P nyomá son való tökéletes gá z sû rû sége ρ-val egyenlõ.
27
ρ = ρo
To ⋅ P Po ⋅ T
[kg ⋅ m−3 ]
(2.6)
Levezetés:
P ⋅ V Po ⋅ Vo = (egyetemes gá ztörvény) T To ahol
(2.7)
Vo [m3 ⋅ kmól −1 ] a normá lá llapotban levõ 1 kilomó lnyi gá z térfogata 3 −1 V [m ⋅ kmól ] a T hõmérsékleten és P nyomá son levõ 1 kilomó lnyi gá z térfogata
A (2.7) a következõképpen is írható : T To = P ⋅ V Po ⋅ Vo
(2.8)
A (2.8) a gá z mó ltömegével, M-mel [kg ⋅ kmól −1 ] való szorzá sa utá n: T ⋅ M To ⋅ M = P ⋅ V Po ⋅ Vo
(2.9)
Mivel M/V [kg ⋅ m−3 ] egyenlõ a gá z T hõmérsékleten és P nyomá son levõ sû rû ségével (ρ) és M/Vo egyenlõ a normá lá llapotban levõ gá z sû rû ségével (ρo ), ezért: T T ⋅ ρ = o ⋅ ρo P Po
(2.10)
To ⋅ P Po ⋅ T
(2.6)
és
ρ = ρo A (2.5)-bõl
m = V ⋅ ρo
To ⋅ P Po ⋅ T
(2.11)
de mivel 28
ρo =
M Vo
(2.12)
A (2.11) a következõképpen írható :
m=
To V⋅P⋅M ⋅ [kg] Vo ⋅ Po T
(2.13)
Az ismert értékek szerint:
To 273,15K = = 1, 20267 ⋅10−4 K ⋅ kmól ⋅ m−3 Pa −1 3 Vo ⋅ Po 22, 415m ⋅ kmól −1 ⋅101325Pa
Ezért a (2.13) a következõképpen írható :
m = 1, 20267 ⋅10−4 K ⋅ kmól ⋅ m−3 Pa −1 ⋅
V m3 ⋅ P Pa ⋅ M ⋅ kg ⋅ kmól −1 TK
kg
(2.14)
ahol m [kg] a V [m3 ] térfogatú, P [Pa] nyomá sú és T [K] hõmérsékleten levõ 100 %-os koncentrá ció jú tökéletes gá z tömege. Ha a gá z koncentrá ció ja ε [tf %], akkor a (2.14) szerint:
m=
és a gá z koncentrá ció ja
1, 20267 ⋅10−6 ⋅ V ⋅ ε ⋅ P ⋅ M [kg] T
(2.15)
m [kg ⋅ m−3 ] : V
m 1, 20267 ⋅10−6 ⋅ ε ⋅ P ⋅ M = konc.( I.) = [kg ⋅ m−3 ] V T
(2.16)
A (2.16) írható a következõképpen is:
29
m 1, 20267 ⋅10−3 ⋅ ε ⋅ P ⋅ M = konc.( II.) = [g ⋅ m−3 ] V T
(2.17)
m 1, 20267 ⋅ ε ⋅ P ⋅ M [mg ⋅ m−3 ] = konc.( III.) = V T
(2.18)
vagy:
stb. Az ismertetett egyenletek ugyan csak tökéletes gá zokná l érvényesek, de fõleg kisebb konentrá ció kná l nagy hibá k nélkül haszná lható ak reá lis gá zok koncentrá ció ja á tszá mítá sá ná l is. A (2.16), (2.17), (2.18) mó dosítá s utá n:
8, 31483 ⋅105 ⋅ konc.(I.) ⋅ T ε= [tf %] M⋅P
(2.19)
ahol a gá z koncentrá ció ja [ kg ⋅ m−3 ] egységben van, stb.
ε=
831, 483 ⋅ konc.( II.) ⋅ T [tf %] M⋅P
(2.20)
ahol a gá z koncentrá ció ja g . m-3 egységben van.
ε=
0, 831483 ⋅ konc.( III.) ⋅ T M⋅P
(2.21)
ahol a gá z koncentrá ció ja mg . m-3 egységben van, stb. A 29. oldali tá blá zatban a gá zok á tszá mítá si lehetõségeit tüntettük fel, á ttekinthetõen.
30
31
2.1. Megoldott pé ldá k 1. Hatá rozzuk meg egy széndioxid gá zminta koncentrá ció já t 100 000 Pa nyomá son és 20 Co hõmérsékleten mg.m-3 egységben, ha a gá zminta 0,1 tf % széndioxidot tartalmaz. A széndioxid relatív mó ltömege 44,01. Megoldá s: A (2.18) szerint: konc. [mg ⋅ m−3 ] =
1, 20267. ε tf % . P. M T
T = (273,15 + 20) K = 293,15 K
konc. [mg ⋅ m−3 ] =
1, 20267 ⋅ 0,1 ⋅100000 ⋅ 44, 01 = 1805, 54 293,15
A gá zminta széndioxid koncentrá ció ja 1805,54 mg ⋅ m−3 .
2. Hatá rozzuk meg a vá rosi levegõ (valamikori) kéndioxid koncentrá ció já t ppm-ben, ha 103 500 Pa nyomá son és 283 K hõmérsékleten 150 µg SO2 talá lható 1 m3 levegõben. A kéndioxid relatív mó ltömege 64,065.
Megoldá s:
150µg ⋅ m−3 = 150 ⋅10−6 g ⋅ m−3 A (2.20) szerint: ε tf % =
ε tf % =
831, 483 ⋅ konc. g. m−3 ⋅ T M⋅P
831, 483 ⋅150 ⋅10−6 ⋅ 283 = 5, 323 ⋅10−6 tf % 64, 065 ⋅103500
32
A (2.2)szerint: ppm = tf% . 104 ezérttf% = ppm ⋅10-4 ε[ppm] = 5,323.10-6 . 104ppm = 0,05323 ppm.
A vá rosi levegõ (valamikori) kéndioxid koncentrá ció ja 0,05323 ppm.
2.2. Megoldandó feladatok 1. Egy mérõmû szer gyá rtó ja szerint 10 ppm - 15 000 ppm koncentrá ció méréshatá rokon belül nitrogén-dioxidot képes elemezni. Milyen koncentrá ció knak felelnek meg ezek a hatá rok mg . m-3 egységben normá lá llapotban? A nitrogéndioxid relatív mó ltömege 46,007. 2. Az atmoszférikus levegõ Gyõrben egy januá ri reggel (O Co; 101 325 Pa) 340 ppm széndioxidot tartalmaz. a) Milyen koncentrá ció nak felel ez meg mg . m-3 egységben? b) Mennnyi széndioxidot tartalmaz az egyforma összetételû levegõ a Kékesen (-8,2 Co ; 90840 Pa) ppm-ben (Vigyá zz!) és mg . m-3-ben?
33
3. A sztö chiometriai együ tthatók meghatá rozá sa A sztöchiometria görög eredetű szó (stoicheion = elem; metron = mérleg), melyet a kémiai összetétel ill. a kémiai reakció k kvantitativ kifejezésével összefüggően haszná lunk. Egy kémiai egyenlet á ltalá nos formá ja: aA + bB + ... = pP + qQ + ...
(3.1)
Ahol A, B... a kiinduló - ill. P, Q... a termék anyagoknak a szimbó luma; a, b... p,q... a sztöchiometriai együttható k abszolút értékei. Az i-edik anyag sztöchiometriai együttható já t νi -vel fogjuk jelölni. A kiinduló anyagokná l νi -nek negatív értéke van (ν (A) = -a; ν (B) = -b;...) és a termékeknél pozitív értéke van (ν (P) = p; ν (Q) = q;...). Az ilyen hozzá rendelés a kémiai reakció k megá llapodá si írá sformá já bó l ered. O = pρ + qQ + ... -aA -bB - ...
(3.2)
A sztöchiometriai együttható k azt fejezik ki, milyen anyagmennyiségi viszonyokban reagá lnak és keletkeznek az anyagok. Többnyire úgy vannak vá lasztva, hogy a lehetõ legkisebb egész szá mok legyenek. Meghatá rozá sukat többféle mó dszerrel lehet végrehajtani. A leggyakoribb mó dszert az atommennyiség mérlegelése képviseli.
3.1. Az atommennyisé g mé rlegelé se Vizsgá ljunk meg egy kémiai reakció t, amelyben reagá l és keletkezik l-féle anyag és ezek az anyagok összesen p-féle elemet tartalmaz- nak:
CS2 + 3 Cl2 = CCl4 + S2Cl2 Itt:
(3.3)
l = 4 (CS2,, Cl2, CCl4, S2Cl2) p = 3 (C, S, Cl).
A vizsgá lt reakció t a következõképpen lehet felírni: l
∑ νi Bi = 0
(3.4)
i =1
Ahol νi az i-edik anyag (Bi) sztöchiometriai együttható ja.
34
Az i-edik anyag képlete viszont: p
Bi = ∑ N ijA i
(3.5)
j=1
ahol Nij a j-edik elem vagy a j-edik atomcsoport szá ma az i-edik anyag képletében. A (3.4) és a (3.5) összekötésével: l
p
i =1
j=1
∑ νi ∑ N ijA j = 0
(3.6)
és az összegezés szimbó lumainak cserélése utá n:
F∑ N ν IA = 0 ∑G H JK p
j=1
l
i =1
ij i
j
(3.7)
De mivel
p
∑A j ≠ 0
(3,8)
j =1
(Az egyes elemek atomjainak összege nem lehet egyenlõ a nullá val) ezért a (3.7) csak akkor érvényes, ha
l
∑ i =1
N ijνi = 0 (j = 1, 2, ... p)
(3.9)
A (3.9) az á ltalá nos kifejezése annak a feltételnek, hogy a kémiai egyenlet bal oldalá n lévõ egyes elemek atomjainak szá ma egyenlõ az egyenlet jobb oldalá n lévõ egyes elemek atomjainak szá má val. Ez a tény feltüntethetõ egy lineá ris egyenletcsoport homogén rendszerével N11ν1 + N 21ν2 +... + N l1νl = 0 N12 ν1 + N 22 ν2 +... + N l 2 νl = 0 ______________________
(3.10)
N1p ν1 + N 2 p ν2 +... + N lp νl = 0 A (3.10) egyenletek vá ltozó i a kémiai reakció sztöchiometriai együttható i. Példaképpen a (3.3) egyenletnél:
35
j = 1 = C: j = 2 = S: j = 3 = Cl:
1ν1 + Oν2 + 1ν3 + Oν4 = 0 2ν1 + Oν2 + Oν3 + 2ν4 = 0 Oν1 + 2 ν2 + 4 ν3 + 2 ν4 = 0
(3.11)
A (3.10) egyenletrendszernek végtelen szá mú megoldá sa van, ha az elemek (ill. az atomcsoportok) szá ma (p) kisebb mint a reakció ban szereplõ anyagok szá ma (1). A lineá risan független egyenletek szá ma többnyire egyenlõ az elemek (ill. az atomcsoportok) szá má val. Ha viszont az egyenletek között r relá ció (lineá ris függvény) létezik, akkor a független egyenletek szá ma csak p − r. Ha l − p = 1, ill. ha l − (p − r) = 1, akkor az egyenletrendszernek csak egy független megoldá sa van (a többi ennek a megoldá snak a lineá ris kombiná ció ja) és a rendszerben csak egy kémiai reakció megy végbe. Ha viszont l − p > 1, illetve l − (p − r) > 1 , az egyenletrendszernek l − p, ill. l − (p − r) független megoldá sa van, ami annyit jelent, hogy a rendszerben l − p, ill. l − (p − r) független kémiai reakció megy végbe.
Megjegyzés: Kémiai reakció kat akkor nevezünk függetleneknek (vagy lineá risan függetleneknek) ha ezeket nem tudjuk kifejezni mint má s reakció k lineá ris kombiná ció it.
Pró bá ljuk megoldani a (3.11) egyenletrendszert:
ν1 + ν3 = 0
(3.12)
2ν1 + 2ν4 = 0
(3.13)
2ν2 + 4 ν3 + 2 ν4 = 0
(3.14)
_________________ A (3.13) szerint:
A (3.12) szerint:
ezért:
ν1 = − ν4
(3.15)
ν3 = ν4
(3.16)
ν3 = − ν1
A (3.14) és a (3.16) szerint:
2ν2 = −4 ν4 − 2ν4 = −6 ν4 (3.17)
ν2 = −3 ν4 36
Írjuk a (3.15), (3.17) és (3.16) egyenleteket egymá s alá :
ν1 = − ν4 ν2 = −3 ν4
(3.18)
ν3 = ν4 A ν4 vá lasztá sá val végtelen szá mú megoldá sokat kaphatunk (mert ebben az esetben p < l). De mivel l − p = 1, az egyenletrendszernek csak egy független megoldá sa van (a többi ennek a megoldá snak a lineá ris kombiná ció ja). Ahogy az má r említve volt - a sztöchiometriai együttható k a lehetõ legkisebb egész szá mokat képviselik. Ezért a (3.18) megoldá sá ná l a ν4 részére az egyes szá mot vá lasztjuk. Ha ν4 = 1, akkor ν1 = −1, ν2 = −3, ν3 = 1. A (3.2) szerint:
ν1 = −a ν2 = −b ν3 = p ν4 = q
ezért ezért ezért ezért
a=1 b=3 p=1 q=1
Ezek az eredmények megfelelnek a (3.3) egyenlet sztöchiometriai együttható inak.
3.2. Megoldott pé ldá k
1. Hatá rozzuk meg a következõ reakció sztöchiometriai
együttható it.
ν1 FeS2 + ν2 O2 = ν3 Fe2O3 + ν4 SO2 Megoldá s: Fe: S:
1ν1 + Oν2 + 2ν3 + Oν4 = 0 2 ν1 + Oν2 + Oν3 + 1ν4 = 0
O: Oν1 + 2ν2 + 3 ν3 + 2 ν4 = 0 ____________________________
37
ν1 + 2ν3 = 0 2ν1 + ν4 = 0 2ν2 + 3ν3 + 2 ν4 = 0 _________________
1 ν1 = − ν4 2 11 ν2 = − ν4 8 1 ν3 = ν4 4 A sztöchiometriai együttható k akkor lesznek a legkisebb egész szá mok, ha ν4 = 8 ekkor: ν1 = −4, .ν2 = −11, ν3 = 2 ezért:
4 FeS2 + 11O2 = 2Fe2O3 + 8SO2 2. Hatá rozzuk meg a következõ reakció sztöchiometriai együttható já t:
ν1 S + ν2 HNO3 = ν3 SO2 + ν4 NO + ν5 H 2O S:
ν1 + ν3 = 0
H:
ν2 + 2ν5 = 0
N:
ν2 + ν4 = 0
O:
3 ν2 + 2ν3 + ν4 + ν5 = 0 _____________________
3 ν1 = − ν5 2 ν2 = −2 ν5 3 ν3 = ν5 2 ν4 = 2ν5 A sztöchiometriai együttható k akkor lesznek a legkisebbek, ha ν5 = 2, 38
ekkor: ν1 = −3, ν2 = −4 , ν3 = 3, ν4 = 4. ezért: 3S + 4 HNO3 = 3SO2 + 4 NO + 2H 2O
3.3. Megoldandó pé ldá k 1.
KOH + CS2 = K2CS3 + K2CO3 + H 2O (-6, -3, 2, 1, 3)
2.
NCl3 + NH3 = N 2 + NH4Cl (-1, -4, 1, 4)
3.
SeO2 + NH3 = N 2 + H 2O + Se (-3, -4, 2, 6, 3)
4.
b g+ Na SO
ZnSO4 + Na2 HPO4 = Zn3 PO4
2
2
4
+ NaH2 PO4
(-3, -4, 1, 3, 2) 5.
Fe +H 2 O = Fe3O4 +H 2 (-3, -4, 1, 3)
6.
HBr + KMnO4 = Br2 + MnBr2 + KBr + H 2O (-16, -2, 5, 2, 2, 8)
7.
NaN3 + Na = Na3 N (-1, -8, 3)
8.
S2Cl2 + NH3 = S4 N 4 + NH4Cl + S (-6, -16, 1, 12, 8)
9.
NH 3 + Br2 = NH 4 Br + N 2 (-8, -3, 6, 1)
10.
HCl + K2Cr2O7 = Cl2 + CrCl3 + KCl + H 2O (-14, -1, 3, 2, 2, 7)
39
4. Az anyagmé rleg alapjai Mindennek valahová menni kell. Ez a legegyszerû bb és legmegalapozottabb kifejezése a mérnöki elvnek. Pontosabban a tömegmegmaradá s törvénye azt fejezi ki, hogy ha kémiai reakció történik, akkor anyag se nem keletkezik, se nem vész el (itt szeretnénk megjegyezni, hogy magreakció k esetében az anyag energiá vá vá ltozhat). Az anyagmérleg vizsgá latá ná l az elsõ lépés az adott anyagi rendszer hatá rainak megá llapítá sa (a térben való meghatá rozá sa). Példaként a tér része jelenthet egy adott térfogatú tartá lyt, vagy egy erõmû vet, vagy egy vá ros felett levõ légkört, vagy az egész földgömböt. Ilyen mó don lerajzolhatunk egy elképzelt hatá rt a tér egy adott része körül, ahogy az a 4.1. á brá n lá tható , és meghatá rozhatjuk az anyag á ramlá sá t ezeken a hatá rokon keresztül, illetve az anyag koncentrá ló dá sá t ezeken a hatá rokon belül. Az anyagnak, amely á tlépi az adott térrész hatá rait, há rom lehetséges sorsa van: - egy része elhagyhatja a térrész hatá rait vá ltozá s nélkül, - egy része koncentrá ló dhat a hatá rokon belül, - egy része má s anyaggá vá ltozhat (pl. CO oxidá ló dhat CO2-
dá ).
Ha a 4.1. á brá t követjük, akkor az anyagmérlegre a következõ egyenlet írható a résztvevõ anyagokra nézve:
Fbemenő I G anyagmennyisé gJ= G Hsebessé ge JK I Fbomlá si I Fkoncentrá lódá siI Fkimenő anyagmennyisé gJ+ G =G J+ Gsebessé g JK G J sebessé gK H H Hsebessé ge K
(4.1)
40
4.1. á bra
Ezen a helyen jegyezzük, hogy a 4.1. egyenlet nem mond ellent az anyagmegmaradá s törvényének. Az atomok megmaradnak, de ez nem mond ellent a kémiai reakció knak, amelyek az "egyik anyagbó l" egy "má sik anyagot" hozhatnak létre. A 4.1. egyenlet gyakran egyszerû síthetõ. A leggyakoribb egyszerû sítés akkor jön létre, ha egyensúlyi á llapotró l lehet beszélni. Az egyensúlynak az alapja azt fejezi ki, hogy semmi sem vá ltozik az idõ folyamá n. Ez akkor jön létre, ha az anyagok beá ramlá si sebessége hosszú ideig egyforma. Ekkor a hatá rokon belül az anyagok koncentrá ció ja á llandó . Ennek az a következménye, hogy a koncentrá ló dá si sebesség nulla. Egy következõ egyszerû sítése a 4.1. egyenletnek akkor következik be, ha a vizsgá lt anyag a rendszer hatá rain belül nem bomlik (nem jön létre radioaktív, vagy bakterioló giai bomlá s, illetve kémiai reakció ). Ebben az esetben a bomlá si sebesség a 4.1. egyenletben zérus. Az erre vonatkozó példá k a következõk lehetnek: feloldott tömény anyagok egy adott térfogatú vízben (egy tó ban), vagy szén-dioxid a levegõben. Ezeket az anyagokat inert anyagoknak is nevezhetjük. A nem inert anyagok példá i: radioaktív Rn-gá z egy laká sban, vagy egy bomló szerves hulladék egy tó ban. Sok esetben egy nem egészen inert anyag kezelése egyszerû síthetõ, ha a reakció sebessége (amely az anyagot megvá ltoztatja) elhanyagolható . Az anyagmé rleg matematikai feldolgozá sá nak az a feltétele, hogy néhá ny fontos fogalmat definiá ljunk és megadjuk ezeknek a fogalmaknak a pontos dimenzió it. Az anyagmérlegben szereplõ fontosabb fogalmakat a 4.2. á bra mutatja be.
41
4.2. á bra Az á brá n levõ szimbó lumokat a következõképpen nevezzük:
Mi :
e j bemenõ tömegá ram e mg ⋅ s j
Ci :
bemenõ koncentrá ció mg ⋅ m−3
.
Vi : .
bemenõ térfogatá ram m3 ⋅ s−1 −1
e
j
C:
e j bemenõ szennyezõanyag tömegá rama e mg ⋅ s j bemenõ szennyezõanyag koncentrá ció ja e mg ⋅ m j a rendszerben levõ anyag koncentrá ció ja e mg ⋅ m j
V:
a rendszer térfogata (m3)
K:
az anyag bomlá si á llandó ja óra −1
Cv :
a koncentrá ció vá ltozá s sebessége a rendszerben
.
Vp : .
Mp : Cp :
bemenõ szennyezõanyag térfogatá rama m3 ⋅ s−1 −1
−3
−3
e j
M v : az anyagmennyiség vá ltozá sá nak sebessége a rendszerben .
Vo : .
Mo:
Co :
e j kimenõ tömegá ram e mg ⋅ s j kimenõ koncentrá ció e mg ⋅ m j
emg ⋅ m ⋅ s j emg ⋅ s j −3
−1
−1
kimenõ térfogatá ram m3 ⋅ s−1 −1
−3
4.1. Egyensú lyban levő, inert rendszerek A legegyszerû bb rendszer, amelyet megvizsgá lunk, az egyensúlyban lé võ rendszer, amelyben a vizsgá lt anyag kémiailag, bioló giailag nem vá ltozik. A 4.1. egyenletet ekkor így egyszerû sítjük:
42
Fbemenő I Fkimenő I G anyagmennyisé gJ anyagmennyisé gJ= G G J G Hsebessé ge K Hsebessé ge JK
(4.2.)
A bomlá si sebesség és a koncentrá ló dá si sebesség ebben az esetben zérus. A 4.3. á brá n a hatá rokon belüli rendszer jelenthet egy tavat, vagy egy vá ros felett levõ légkört, egy terem levegõjét, egy folyó adott szakaszá t stb. A rendszerbe bemenõ anyag (input) legyen egy folyó , .
amelynek térfogatá rama V i , és amelyben a vizsgá lt anyag koncentrá ció ja Ci. A má sodik bemenõ anyag (a 4.2. á brá n jelölt szennyezõanyag) legyen egy gyá ri szennyvízelvezetõ ⋅
csatorna, melynek térfogatá rama Vp , és a vizsgá lat anyag koncentrá ció ja Cp. A kimenõ anyag .
(output) egy keverék, melynek térfogatá rama V o , melyben a vizsgá lt anyag koncentrá ció ja Co. Ha a vizsgá lt anyagot inertnek tekinthetjük, és ha egyensúlyi á llapotot tételezünk fel, akkor a 4.2. egyenlet szerint felírhatjuk: .
.
.
Ci ⋅ Vi + Cp ⋅ V p = Co ⋅ Vo
(4.3.)
1. pé lda: Egy folyó ba, amelynek térfogatá rama 10 m3.s-1, egy csatorna ömlik 5 m3.s-1 térfogatá rammal. A folyó eredeti Cl--koncentrá ció ja 20,0 g.m-3, a csatorná bó l folyó víz Cl-koncentrá ció ja 40,0 g . m-3. Ha a Cl--iont inert anyagnak tekintjük, és a hatá rokon belüli rendszerben tökéletes keverést tételezzük fel, hatá rozzuk meg a rendszerbõl kimenõ Cl--ion koncentrá ció já t. Megoldá s: A példá t a 4.3. á bra mutatja be.
43
4.3. á bra A 4.3. egyenlet á talakítá sa utá n a következõ egyenletet kapjuk:
.
Co =
.
Ci ⋅ Vi + C p ⋅ Vp .
.
=
.
Ci ⋅ V i + C p ⋅ Vp .
.
(4.4)
Vi + Vp
Vo .
Ahogy lá tjuk, a kimenõ térfogatá ram ( Vo ) egyenlõ a bemenõ térfogatá ramok összegével. Az adatok behelyettesítésével: 20, 0g ⋅ m−3 x10m3 ⋅ s−1 + 40g ⋅ m−3 x5m3 ⋅ s−1 Co = (10 + 5) m3 ⋅ s−1
Co =
200 ⋅ g ⋅ s−1 + 200g ⋅ s−1 15m3 ⋅ s−1
=
400g ⋅ s−1 15m3 ⋅ s−1
Co = 26,66 g . m-3 A rendszerbõl kimenõ Cl--ion koncentrá ció ja 26,66 g . m-3.
4.2. Egyensú lyban levő, nem inert rendszerek Az anyagok legtöbbje kémiai vagy bioló giai vá ltozá st szenved, vagy magreakció kban vesz részt, éspedig olyan sebességgel, amely nem elhanyagolható . Mivel ismét egyensúlyban levő rendszerekről lesz szó , a 4.1. egyenlet a következőképpen mó dosul:
Fbemenő I Fkimenő I Fbomlá si I G anyagmennyisé gJ= G anyagmennyisé gJ+ G J G J G J sebessé gK H Hsebessé ge K Hsebessé ge K (4.5)
Ebben az esetben a koncentrá ló dá si sebesség nulla.
44
A nem inert anyagok bomlá si sebességét az elsõrendû reakció kra vonatkozó összefüggésekbõl á llapíthatjuk meg. Ez azt jelenti, hogy a vizsgá lt anyag bomlá si sebessége ará nyos a jelenlevõ anyag mennyiségével: dC = − KC dt
(4.6)
ahol K a végbemenõ reakció bomlá si á llandó ja, melynek a dimenzió ja idõ-1. A 4.6. egyenletben jelen levõ mínusz jelnek az a jelentõsége, hogy bomlá sró l (koncentrá ció csökkenésrõl) van szó . A 4.6. egyenletet a következõképpen oldjuk meg.
z zb g C
Co
dC = C
t
− K dt
(4.7)
o
Ebbõl az alá bbi egyenlet következik:
bg b g
ln C − ln Co = ln
C = −K ⋅ t Co
(4.8)
A 4.8. egyenlet megoldá sa:
C= Co ⋅ e − Kt
(4.9)
ahol Co a kiindulá si koncentrá ció . A 4.9. egyenlet azt mutatja, hogy elsõrendû reakció kná l a vizsgá lt anyag koncentrá ció ja exponenciá lisan csökken. A 4.6. egyenlet mutatja a vizsgá lt anyag koncentrá ció já nak idõbeli vá ltozá sá t (koncentrá ció vá ltozá sá nak sebességét). Ha feltételezzük, hogy az anyag a rendszer térfogatá ban egyenletesen oszlik el, akkor az anyag mennyisége CV-vel egyenlõ. Ebbõl az következik, hogy az anyagmennyiség vá ltozá sá nak (bomlá sá nak) a sebességére felírható :
bg
d CV dC =V dt dt
(4.10)
Bomlá si sebesség = K ⋅ C ⋅ V
(4.11)
Mv = Ezért a 4.6. egyenlet felhaszná lá sá val:
A 4.11. és a 4.5. egyenletek egybevetésével egy egyszerû és nagyon hasznos kifejezést kapunk az egyensúlyban levõ, nem inert rendszerek anyagmérlegére vonatkozó an:
45
Fbemenő I Fkimenő I G anyagmennyisé gJ= G anyagmennyisé gJ+ K ⋅ C ⋅ V G J G Hsebessé ge K Hsebessé ge JK (4.12)
A 4.12. egyenletnek az a feltétele, hogy a vizsgá lt anyag koncentrá ció ja a rendszer egész térfogatá ban azonos. A tökéletes keverés feltétele gyakori a kémiai reakció edényekben (reaktorokban), és ennek a folyamatosan kevert reaktor modellje felel meg.
2. pé lda: Vizsgá ljunk meg egy tavat, amelynek a térfogata 10x106 m3, és amelybe egy folyó vize folyik. A folyó térfogatá rama 5,0 m3.s-1, a folyó t szennyezõ anyag koncentrá ció ja 10 g ⋅ m-3. A tó ba ezenkívül egy szennyvíz-csatorna is ömlik, amelynek térfogatá rama 0,5 m3.s-1, és a vizsgá lt anyag koncentrá ció ja ebben 100 g . m-3. A vizsgá lt anyag reakció -(bomlá si-) á llandó ja 0,2 nap-1. Ha feltételezhetjük, hogy a tó egy folyamatosan kevert reaktornak felel meg (és nem kell szá mítani a víz elpá rolgá sá val, sem csapadékkal), hatá rozzuk meg a vizsgá lt anyag egyensúlyi koncentrá ció já t.
46
4.4. á bra
Megoldá s: A példá t a 4.4. á bra mutatja be. Ha feltételezzük, hogy a tó víze folytonosan van keverve, akkor a tó ban levõ vizsgá lt anyag koncentrá ció já t egyenlõnek tekinthetjük a kimenõ á ram (víz) koncentrá ció já val (C = Co). A 4.12. egyenlet szerint:
Fbemenő I Fkimenő I Fbomlá si I G anyagmennyisé gJ= G anyagmennyisé gJ+ G J G J G J sebessé gK H Hsebessé ge K Hsebessé ge K (4.13)
a) Bemenõ anyagmennyiség sebessége = .
.
= Ci ⋅ Vi + Cp ⋅ V p = = 10g. m−3 x5, 0m3 . s−1 + 100g. m−3 x0, 5m3 . s−1 = = 100 g . s-1
b) Kimenõ anyagmennyiség sebessége =
.
F IJ G H K .
= Co ⋅ Vo = C ⋅ Vi + Vp = = (5, 0 m3 . s−1 + 0, 5m3 . s−1 ) xCg. m−3 = = 5, 5m3 . s−1xCg. m−3 = 5, 5xC g . s-1
c) Bomlá si sebesség = = K ⋅ C⋅ V =
0, 2nap −1xCg ⋅ m−3 x10x106 m3 = 24óra / napx3600s / óra
47
= 23,15 x C g . s-1
Ezért a 4.13. egyenlet szerint: 100g ⋅ s−1 = 5, 5xCg ⋅ s−1 + 23,15xCg ⋅ s−1 = 28, 65xC g ⋅ s-1 C=
100g ⋅ s−1 3, 49 28, 65g ⋅ s−1
Megjegyzés: A C csak mint egy szá m szerepel a fenti szá mítá sokban. Ez nem mond ellent annak, hogy a C dimenzió ja g . m-3.
A vizsgá lt anyag egyensúlyi koncentrá ció ja a tó ban (és a tó bó l kimenõ víz koncentrá ció ja egyará nt) egyenlõ 3,49 g . m-3. A példá hoz hasonló modellek, amelyekben folytonosan kevert, egyensúlyban lévõ, nem inert anyagok rendszerérõl van szó , sok, gyakorlatban elõforduló probléma megoldá sá t segítik elõ. A következõ példa, amely levegõszennyezõdéssel foglalkozik, ugyanezt az egyszerû modellt haszná lva oldható meg. 3. pé lda: Egy vendéglõben, amelynek térfogata 500 m3, 50 dohá nyos iszogat, miközben mindegyikük 2 cigarettá t szív el ó rá nként. Egy cigaretta elszívá sá ná l 1,4 . 10-3 g metanal kerül a vendéglõ levegõjébe. A metanal a levegõben szén-dioxiddá oxidá ló dik: HCHO + O2 = CO2 + H2O. A fenti reakció t elsõrendû reakció nak tarthatjuk, mert az oxigén nagy feleslegben van jelen. A reakció bomlá si á llandó ja K = 0,4 ó ra-1. Ventillá tor á ltal friss levegõ kerül a vendéglõbe, éspedig 1000 m3 . ó ra-1 bemenõ térfogatá rammal. A szennyezett levegõ kimenõ térfogatá rama (természetesen) szintén 1000 m3 . ó ra-1. Folytonos keverést feltételezve hatá rozzuk meg a metanal egyensúlyi koncentrá ció já t a vendéglõben.
Megoldá s: A példá t a 4.5. á bra mutatja be.
48
4.5. á bra
A bemenõ anyagmennyiség sebessége (a metanal anyagmennyiség sebessége) = 50 dohá nyos x 2 cigaretta . ó ra-1 x 1,4 . 10-3 g = 0,14 g . ó ra-1. Mivel folytonos keverést tételezünk fel, a metanal vendéglõbeli koncentrá ció ja egyenlõ a metanalnak a vendéglõbõl kimenõ koncentrá ció já val. Ezért: Kimenõ anyagmennyiség sebessége = 1000 m3 . ó ra-1 x x C g . m-3 = 1000 C g . ó ra-1 Bomlá si sebesség = KCV = 0,4 ó ra-1 x C g . m-3 x 500 m3 = = 200 C g . ó ra-1 A (4.12) egyenlet szerint .
Fbemenő I Fkimenő I Fbomlá si I G anyagmennyisé gJ= G anyagmennyisé gJ+ G J G J G J sebessé gK H Hsebessé ge K Hsebessé ge K 0,14 g . ó ra-1 = 1000 C g . ó ra-1 + 200 C g . ó ra-1 = =1200 C g . ó ra-1
49
C=
0,14 = 1,17 ⋅10−4 g ⋅ m−3 = 0,117mg ⋅ m−3 1200
A vendéglõ levegõje egyensúlyi á llapotban 0,117 mg . m-3 metanalt tartalmaz.
4.3. Megoldandó pé ldá k 1. Egészségügyi okokbó l a fenti vendéglõ levegõjében 0,05 ppm metanal a legmagasabb megengedett koncentrá ció . A vendéglõ hõmérséklete 25 Co és légnyomá sa 101 325 Pa. A metanal mó ltömege 30,026. a) Ha feltételezzük, hogy 50 dohá nyos van a vendéglõben, milyen teljesítményû ventillá torra lesz szükség? b) Ha nem lehet a fenti ventillá tor teljesítményét vá ltoztatni, mennyi dohá nyost engedhetünk a vendéglõbe? 2. A 3. példá t követve hatá rozzuk meg a vizsgá lt anyag egyensúlyi koncentrá ció já t a tó ban, ha a) A folyó térfogatá rama 4,0 m3 . s-1-ra csökken; b) A csatorná ban levõ vizsgá lt anyag koncentrá ció ja 130 g . m-3-re növekszik.
5. Irodalomjegyzé k 50
5.1. Alapjegyzet Budapesti Műszaki Egyetem, Villamosmérnöki és Informatikai Kar: Á ltalá nos kémia; Mû egyetemi Kiadó , Budapest, 1993.
5.2. Javasolt irodalom Nyilasi Já nos: Á ltalá nos kémia; Gondolat, Budapest, 1975. Szabó Zoltá n-Nyilasi Já nos: A szervetlen kémia alapjai; Mû szaki Könyvkiadó , Budapest, 1972. Berecz Endre: Á ltalá nos kémia I; Tankönyvkiadó , Budapest, 1977. Bodonyi Ferenc: Kémiai összefoglaló ; Mû szaki Könyvkiadó , Budapest, 1983. Bot György: Á ltalá nos és szervetlen kémia; Medicina Könyv kiadó , Budapest, 1983. Erdey-Grúz Tibor, Fodorné Csá nyi Piroska: A kémiai
elnevezés és helyesírá s
alapjai; Akadémiai Kiadó , Budapest, 1977.
51
tf ⋅ % ppm ppb g.m-3 mg.m-3 µg.m-3 ng.m-3
tf ⋅ % 1 10-4 10-7 10-3/KA 10-6/KA 10-9/KA 10-12/KA
ppm 104 1 10-3 10/KA 10-2/KA 10-5/KA 10-8/KA
ppb 107 103 1 104/KA 10/KA 10-2/KA 10-5/KA
Megjegyzés: A = M p / T,
g ⋅ m−3 103.KA 10-1.KA 10-4.KA 1 10-3 10-6 10-9
mg ⋅ m−3
µg ⋅ m −3
106.KA 102.KA 10-1.KA 103 1 10-3 10-6
109.KA 105.KA 102.KA 106 103 1 10-3
ng ⋅ m−3 1012.KA 108.KA 105.KA 109 106 103 1
K = 1,20267.10-6
52
