Általános és szervetlen kémia 3e + 2gy A Mőszaki Anyagtudományi Kar hallgatóinak Anyagmérnök alapképzés Elıadó :
dr. Bánhidi Olivér egyetemi docens
Demonstrációs kísérletek: Ferencziné Bonczos Lídia vegyésztechnikus és Dubniczky Tibor elektromőszerész Gyakorlatvezetık: Hutkainé Göndör Zsuzsa mérnöktanár és Muránszky Gábor adjunktus Laboráns: 2012.09.15.
Császárné Türk Ilona 1
Tantárgyleírás és követelményrendszer A tantárgy kódja: MAKKEM218B
TANTÁRGYLEÍRÁS A tantárgy címe:
Félév: 1
Általános és szervetlen kémia A tantárgy elıadója és jegyzıje: Heti óraszám: Kreditek száma: Dr. Bánhidi Olivér egy docens 3e+2gy 5 A tantárgy típusa: Anyagmérnök BSc szak természettudományos tárgy A tantárgy felvételének elıfeltétele: --Tantárgy gondozó intézmény: MISKOLCI EGYETEM Mőszaki Anyagtudományi Kar Kémiai Tanszék A tárgy státusza a tanulmányi programon belül: A BSc anyagmérnök törzsanyagba tartozó kötelezı tárgy A tantárgy célja: Általános kémiai alapismeretek összefoglalása és a szervetlen kémia által nyújtott anyagismeret megszerzése. A gyakorlatok során el kell sajátítani a legalapvetıbb szakmai ismereteket, melyek a laboratóriumi munkában elengedhetetlenek. 2012.09.15.
2
A tantárgy leírása: Általános kémiai alapfogalmak: kémiai anyag, fizikai mezı, az atomszerkezet elemei. Kémiai kötések: elsırendő és másodrendő kötések. Az anyag halmazállapotai és jellemzésük. Állapothatározók és változásaik. Egyensúlyi fázisdiagramok. Savak, bázisok, sók. Oldódás. Hidratáció, szolvatáció, hidrolízis. Elektrokémiai alapfogalmak. A periódusos rendszer és az elektronszerkezet kapcsolata. A kémiai elemek és vegyületeik tárgyalása a periódusos rendszer alapján. Nemfémes elemek és vegyületeik, illetve fémes elemek és vegyületeik (s-, p-, d- és f mezı). Követelmények: Min. 60 %-ban kötelezı óralátogatás. Az aláírás megszerzésének feltétele a gyakorlaton a témakörönkénti elégséges szint elérése, valamint a félév folyamán egy alkalommal nagy zárthelyi eredményes írása az elıadás anyagából (Az elégséges szint az 50% teljesítése). További feltétel a kémiai laboratóriumi gyakorlatok legalább elégséges szintő elvégzése. Oktatási módszer: A szóbeli elıadások elıadási kísérletekkel, valamint számolási gyakorlatok és egyéni kémiai laboratóriumi gyakorlatok.
2012.09.15.
3
Oktatási segédeszközök: Elıadáson: írásvetítı használata, esetenként fénymásolat kiegészítések a hallgatónál (pl. táblázatok stb). • Dr. Berecz Endre szerkesztésében: Kémia mőszakiaknak Tankönyvkiadó, Budapest, 1991. • Náray-Szabó Gábor (fıszerkesztı): Kémia, Akadémiai Kiadó, 2006. • Lengyel B., Proszt J., Szarvas P.: Általános és szervetlen kémia Tankönyvkiadó, Bp. 1967. • Veszprémi Tamás: Általános kémia, Akadémiai Kiadó, 2008 • C. R. Dillard, D.E. Goldberg, Kémia, reakciók, szerkezetek, tulajdonságok, Gondolat, Bp.,1982. • Lengyel B., Proszt J., Szarvas P.: Általános és szervetlen kémia, Tankönyvkiadó, Bp., 1967 • Villányi Attila, Ötösöm lesz kémiából, Példatár /bármelyik kiadás/ • Báder I., Raisz I., Szakszon M. Török T., Általános Kémiai feladatok, Miskolc. Egy. Kiad.,1993. • Sipos l., Szabó Áné, Útmutató az Általános kémia II. címő tankönyvhöz, Tankönyvkiadó, 1981
2012.09.15.
4
Vizsgáztatási módszer: Szóbeli vizsga. Kell-e jelentkezni a kurzusra: Igen, a regisztrációs héten, számítógépen a Neptun rendszeren keresztül Értékelés: Kollokvium: 5 fokozatú értékelés Gyakorlat: aláírás megszerzéséhez a követelmények legalább elégséges (50 %) szinten való teljesítése, a gyakorlatvezetı szintén 5 fokozatú értékeléssel jellemezi a hallgató gyakorlatokon mutatott teljesítményét, ez 1/3 részben beleszámít a vizsga jegybe!
2012.09.15.
5
Tantárgytematika Általános és szerves kémia Anyagmérnök BSc szak I. évf. 1. félév 3+2 Elıadás: 1. hét: Kémiai anyag. A természeti törvények sajátságai. Szimmetriák a természetben. A természettudományos megismerés módszerei ( induktív -, deduktív – és reduktív módszerek). Rendszer, komponens, fázis. Összetétel és megadásának különbözı módjai. 2. hét: Vegyjel, képlet, reakcióegyenlet. Atom, molekula, elem, vegyület. A kémiai anyagmennyiség, moláris tömeg. A kémiai reakciók osztályozása különbözı szempontok alapján. Redox-egyenletek szerkesztése. 3. hét: Elektronszerkezet, kvantumszámok, Pauli-elv. A periódusos rendszer elektronszerkezeti magyarázata. Elsırendő kötések: ionos, kovalens, datív és fémes kötés. 4. hét: Kötések kialakulásánál az EN (elektronnegativítás) szerepe. Apoláros és poláros molekulák. Molekulák közötti (másodrendő ) kötések és jelentıségük. Halmazállapotok és jellemzésük. A tökéletes és reális viselkedés értelmezése gázok esetében.
2012.09.15.
6
5. hét: Reakcióhı, képzıdéshı, Hess-tétel és alkalmazása. A kémiai egyensúly, egyensúlyi állandó. A legkisebb kényszer elve és alkalmazási lehetıségei. Standard szabadentalpiák. A kémiai potenciál. Állapotegyenletek. 6. hét: Elegy, oldat, híg oldat. Telített és túltelített oldat. Az oldódás. Állapotdiagramok. A fázisegyensúlyok feltétele. A Gibbs-féle fázis- szabály és alkalmazása. Mikroheterogén (kolloid) rendszerek. Felületi feszültség. 7. hét: A víz ionszorzata, a pH. Savak és bázisok erıssége. Hidrolízis. Sók hidrolízise. Galvánelemek, elektródpotenciál. Nernst összefüggés és alkalmazása. Az elektrolízis fogalma, a Faraday-törvények. 8. hét: A periódusos rendszerben a különbözı „mezık” értelmezése. Fıcsoportok és mellékcsoportok. Fémes és nemfémes elemek. A hidrogén és vegyületei. A víz és a nehézvíz tulajdonságai. A nemesgázok. 9. hét: A VII. fıcsoport (halogének) elemei és vegyületeik. A VI. fıcsoport ( oxigéncsoport) elemei és vegyületeik. A „magas légköri” és „talaj közeli” ózon problémája. Savas esık. 10. hét: Az V. fıcsoport elemei és vegyületeik. A nitrogén-oxidok és szerepük a légszennyezésben. A IV. és III. fıcsoport nemfémes elemei és vegyületeik. A széndioxid-kibocsátás csökkentésének lehetıségei. 11. hét: A fémek fizikai és kémiai tulajdonságai. Az s-mezı fémei és vegyületeik 12. hét.: A p-mezı fémei és vegyületeik. A d-mezı fémei és vegyületeik. 13. hét: A d-mezı fémei és vegyületeik. Az f-mezı fémei és vegyületeik. A fémek elıállítási lehetıségeinek áttekintése (elıállítás tőzi -, elektrokémiai – úton, ill. termikus disszociációval). 2012.09.15.
7
Gyakorlat: 1. hét: Számolási gyakorlatok. Kémiai alapfogalmak átismétlése. Összetétel számítások. 2. hét: Számolási gyakorlatok. Vegyületek elnevezésének szabályai. Oxidációs szám fogalma és alkalmazása a helyes képlet felírásában A kémiai reakcióegyenletek megszerkesztése 3. hét: Számolási gyakorlatok. A kémiai reakcióegyenlet használata a sztöchiometriai számításoknál I. 4. hét: Számolási gyakorlatok. A kémiai reakciók használata a sztöchiometriai számításoknál II. 5. hét: Számolási gyakorlatok. Gáztörvények 6. hét: Számolási gyakorlatok. Oldatok tulajdonságai. 7. hét: Számolási gyakorlatok. Reakcióhı, képzıdéshı, Hess-tétel és alkalmazása. 8. hét: Számolási gyakorlatok. Elektrokémia 9. hét: Számolási gyakorlatok. A kémiai egyensúly, egyensúlyi állandó.. 10. hét: A számolási feladatokból „kis” zárthelyi írása, valamint a munkavédelmi szabályok ismertetése. 11. hét: Laboratóriumi gyakorlatok: kationok reakcióinak vizsgálata 12. hét: Laboratóriumi gyakorlatok: anionok reakcióinak, valamint egyes fémionok lángfestéses vizsgálata 13. hét: Oldatok készítése (sztöchiometriai számítás, bemérés, hígítás) 14. hét: Az elkészített oldatok analízise, pótgyakorlatok és pótzárthelyik Megjegyzés: az órákon mobiltelefon használata tilos! 2012.09.15.
8
Vizsgakérdések, a vizsgáztatás módja A vizsga szóbeli. A hallgató 20 perc felkészülési idıt kap, hogy a tételsorból húzott két kérdéshez vázlatot készíthessen. A vizsgázónak minden tételbıl 10 perc áll rendelkezésére ismereteinek folyamatos beszéddel történı bemutatására, melynél természetesen a vázlatát használhatja. Vizsgatételek: 1. Kémiai anyag. Megmaradási tételek és alkalmazhatóságuk 2. Rendszer, komponens, fázis., összetétel 3. A tökéletesen viselkedı gázok állapotegyenletei, állapotdiagrammok. A reálisan viselkedı gázok állapotegyenlete 4. Vegyjel, képlet, reakcióegyenlet 5. Atom, molekula, elem, vegyület. Kémiai anyagmennyiség, moláris tömeg 6. A kémiai reakciók típusai. Az oxidációs szám 7. Elektronszerkezet, kvantumszámok, Pauli-elv 8. A periódusos rendszer elektronszerkezeti magyarázata 9. Az atommag szerkezete és átalakítása 10. Elsırendő kötések 11. másodrendő kötések 12. Elegy, oldat, híg oldat. Telített oldat. Oldhatóság 13. Mikroheterogén (kolloid) rendszerek. Felületi feszültség 14. Reakcióhı, képzıdéshı, Hess-tétel 15. A kémiai egyensúly, egyensúlyi állandó. A legkisebb kényszer elve 16. A víz ionszorzata, pH. Bázisok és savak erıssége 17. A hidrolízis fogalma, sók hidrolízise 18. Galvánelemek, elektródpotenciál, Nernst-összefüggés 19. Elektrolízis, Faraday törvények 20. A hidrogén és a nemesgázok 2012.09.15. 9
21. A hidrogén és a nemesgázok 22. A halogén elemek és vegyületeik 23. Az oxigén csoport elemei és vegyületei 24. A nitrogén csoport elemei és vegyületei 25. A széncsoport elemei és vegyületei. A bór és vegyületei 26. A fémek fizikai és kémiai tulajdonságai 27. Az s-mezı fémei és vegyületei 28. A p-mezı fémei és vegyületei 29. A d-mezı fémei és vegyületei 30. Az f-mezı fémei és vegyületei 31. Fémek elıállítása tőzi úton 32. Fémek elıállítása és tisztítása elektrokémiai úton 33. Fémek elıállítása és tisztítása termikus disszociációval
2012.09.15.
10
A kémia rövid története • A kezdetek az emberiség eszköz-készítı tevékenységéhez kapcsolódnak. • Rézkor/kırézkor, i.e. 4500 – 3300 • Bronzkor, i.e. 3500 – 1200 • Vaskor, i.e. 1200 – • Égetett kerámiák készítése, i.e. 8000 – • Ókori Egyiptom: a halotti kultusz része a mumifikálás, illó-olajok kultikus alkalmazása, használata gyógyítási célokra 2012.09.15.
11
• Ókori görög (város)államok: a kísérleti kémia • •
háttérbe szorul, jelentıs viszont a görög természetfilozófia (atomelmélet) Római birodalom: sok gyakorlati ismeret halmozódott fel, - Pliniustól származik a korrózió (rozsdásodás) elsı leírása is. Középkor: az alkímia. Az alkimisták célja az életelixír és a fémeket arannyá változtató bölcsek köve elıállítása volt. Ez természetesen sikertelen volt, de kísérleteik közben sok értékes gyakorlati megfigyelést tettek és értékes tapasztalatokat is szereztek.
2012.09.15.
12
• XVI. Század: a jatrokémia (a kémia gyógyászati •
• •
alkalmazása). Legismertebb képviselıje: Philippus Aureolus Theoprastus Paracelsus Bombastus von Hohenheim (1493 – 1541) volt. Gyógyításra fıként arzén-, higanyés bizmut-vegyületeket alkalmazott. A kémia fejlıdése felgyorsult a XVIII. században. (Az ipari kénsavgyártás kifejlesztése, az égés, illetve oxidáció fogalmának tisztázása – Lavoisier, stb.). XIX. század: az atomelmélet (Dalton), periódusos rendszer (Mengyelejev), új elemek felfedezése, elıállítása (Berselius), a „vis vitalis” elmélet megdöntése, Wöhler.
2012.09.15.
13
• XX. század: új tudományágak, iparágak megjelenése (petrolkémia, mőanyag-kémia, radiokémia, biokémia, gyógyszerkémia, stb.)
2012.09.15.
14
Mivel foglalkozik a kémia? • •
• •
A kémia vizsgálatának tárgya az anyag. Az anyagot azonban nem csak a kémia, hanem több más tudomány(ág) is tanulmányozza, pl. fizika, geológia, biológia, mőszaki tudományok. Miben különbözik ezektıl a kémia? A kémia az anyag, illetve tulajdonságainak változását vizsgálja az ún. kémiai változások során. Most már csak azt kell tisztázni, mi a kémiai változás?
2012.09.15.
15
Mi a kémiai változás? • Kémiai változás – fizikai változás (a régi „klasszikus” •
•
definíció szerint) az utóbbi esetben nem keletkezik új anyag, a kémiai változásnál azonban igen! Ez azonban így nem igaz, mert pl. radioaktív sugárzás, vagy akár kozmikus sugárzás, neutron sugárzás hatására gyakran keletkezik „új” anyag, ezek a kölcsönhatások azonban semmiképp sem tekinthetık kémiai változásnak! A kémiai vizsgálatok során a molekulát tekinthetjük annak a legkisebb egységnek, amely a még rendelkezik a tanulmányozott anyag minden eredeti tulajdonságával!
2012.09.15.
16
• A molekulák azonban kémiai módszerekkel tovább
•
bonthatók atomokra. Az atomok többnyire már csak kivételes esetekben (pl. nemesgázok) rendelkeznek a vizsgált anyag(halmaz) minden eredeti tulajdonságaival, viszont még „önálló” objektumként képesek részt venni kémiai reakciókban, változásokban, azaz kémiai szempontból még külön („kémiai”) entitásnak tekintendık! Például az atomos állapotú hidrogén, oxigén, nitrogén már nem minden tulajdonsága (reakcióképesség) egyezik meg a molekuláris hidrogén, oxigén, nitrogén tulajdonságaival!
2012.09.15.
17
• A kémiai változások során tehát a részt vevı anyagok
•
•
•
molekulái többnyire felbomlanak, átalakulnak, új molekulák keletkez(het)nek, de az alap „entitás”-nak tekintett atomok nem alakulnak át más atomokká! A késıbbiekben majd az anyag szerkezetével kapcsolatos ismeretek birtokában meg fogjuk mutatni, hogy a kémiai változások az atomokban csak az elektronburkot érintik, az atom-mag változatlan marad! A kémiai változások tehát azok a folyamatok, amelyek során a molekulák felbomlanak/felbomolhatnak, átalakulhatnak, de az azokat alkotó atomok nem alakulnak át más atomokká. A kémia az anyag viselkedését tanulmányozza ilyen típusú változások végbemenetel, lezajlása során. 2012.09.15.
18
A kémia szakterületei • Elméleti kémia – – –
Kvantumkémia Sztereokémia Kémiai számítástechnika
• Fizikai kémia – – – –
Termokémia Reakciókinetika Elektrokémia Kolloidika
• Magkémia 2012.09.15.
19
• Szervetlen kémia – – – –
Ásványtan Komplexkémia Fémorganikus kémia Bioszervetlen kémia
• Szerves kémia – – –
Biokémia Gyógyszerkémia Polimerkémia • Dendrimerek
• Analitikai kémia – Klasszikus analitika • Kvalitativ analízis • Gravimetria • Titrimetria 2012.09.15.
20
– Mőszeres analitika • Spektroszkópia • Polarimetria • Refraktometria • Elektroanalitika • Kromatográfia • Termoanalízis
• • •
Radiokémia Fotokémia Szerkezeti kémia
2012.09.15.
21
• A kémia részben alaptudománynak tekinthetı, hiszen •
•
az anyag/anyagi rendszerek alapvetı törvényszerőségeit tanulmányozza. Másrészt a kémia alkalmazott tudomány is, hiszen több olyan területe is van amely szőkebb, a gyakorlathoz szorosabban kapcsolódó jelenségeket tanulmányoz, illetve az ipari (pl. vegyipar, gyógyszeripar, felületkezelı ipar, stb.) tevékenység során tapasztalt problémákra keres/fejleszt ki megoldást. A kémiában az ismeretek túlnyomó részét a kísérletek eredményeinek megfigyelésével szerezzük, azaz a kémia egy kísérleti tudomány.
2012.09.15.
22
A tudományos ismeretszerzés módszerei • Indukció, vagy induktív következtetés: egyedi
• • •
esetekbıl (megfigyelésekbıl) kiindulva halad az általános törvényszerőségek felé, amelyek az egyedi esetek magyarázatai is lesznek. Feltételezései is a tapasztalatokból származnak. Az igazolás is tapasztalati úton történhet. A konkrét tények megismerésével, a valós esetekben győjtött adatok elemzésével alkot általános törvényt.
2012.09.15.
23
• A dedukció, vagy deduktív eljárás a már ismert • •
általános törvényszerőségbıl következtet, - ad magyarázatot, - az egyedi esetekre. Általános elvekbıl, törvényekbıl indul ki a feltételek megfogalmazása során is. Gyakran alkalmazzák a matematikában, elméleti fizikában.
2012.09.15.
24
Szimmetriák • Közös fogalom a természettudományban, • • •
mővészetben és a technikában. Köznapi értelemben a szimmetria valamiféle szabályosságra, tökéletességre szépségre, harmóniára utal. A geometriában leggyakrabban valamely geometriai transzformációra történı invarianciát jelent. A matematikában és a többi természettudományban a szimmetria többé-kevésbé a geometriai szimmetria általánosításaként, illetve speciális interpretációjaként jelenik meg.
2012.09.15.
25
• A szimmetria alapvetı fontosságú a fizikában is. • A Noether tétel szerint ugyanis minden
• • •
szimmetriához (azaz egy adott szimmetriatranszformációval szembeni invarianciához) egy megmaradási törvény tartozik. Így pl.: az idıbeli eltoláshoz az energia-megmaradás törvénye, a térbeli eltoláshoz az impulzus-megmaradás törvénye, a térbeli elforgatáshoz az impulzus-momentum megmaradásának törvénye tartozik.
2012.09.15.
26
• A kémiában is fontos a szimmetria, esetleges sérülésének köszönhetı bizonyos izomer vegyületek létezése (cisz-transz izomerek – geometriai izoméria, jobba-, illetve balra-forgató, esetleg racem izomerek – optikai izoméria).
2012.09.15.
27
Az alapvetı mértékegységek • A kémia, - amint az már elhangzott kísérleti
• •
tudomány, ahol a megfigyelésnek kiemelt szerepe van. A megfigyelésen ma már nem csak vizuális megfigyelést értünk, hanem mérések elvégzését! A mérés a mérendı mennyiség etalonjával történı összehasonlítás! A sok mérendı mennyiség mérésére szolgáló mértékegységeket mértékegységrendszerbe foglaljuk. Ma alapvetıen az „SI” mértékegység rendszert használjuk!
2012.09.15.
28
Az SI mértékegységrendszer alapjai
2012.09.15.
29
2012.09.15.
30
Az SI rendszer jövıje • XXIV. Általános Súly-, és Mértékügyi Konferencia, 2011 október 16 – 22: – – – – – – –
a 133Cs által kibocsátott fény frekvenciája: 9 192 631 770 Hz a fény sebessége: 299 792 458 m/s a Planck állandó: 6,62606 * 10-34 J s az elemi töltés nagysága: 1,60217 * 10-19 C a Boltzman állandó: 1,3806 * 10-23 J/K az Avogadro állandó: 6,02214 * 1023 mol-1 a fényhasznosítás értéke: 683 lm/W
2012.09.15.
31
Az anyagi rendszerek (halmazok) csoportosítása • Tiszta anyagok • • •
összetételük állandó fizikai módszerekkel nem választhatók szét a halmazon belül tulajdonságaik nem változnak
– elemek – (a kémiai entitást illetıen) azonos atomokból épülnek fel – vegyületek – azonos molekulákból, de különbözı atomokból állnak
• Keverékek • összetételük nem állandó • fizikai módszerekkel összetevıikre bonthatók • tulajdonságaik változhatnak a halmazon belül – homogén halmazok – heterogén halmazok 2012.09.15.
32
• Homogén keverékek - az alkotórészek nem különböztethetık meg; – gázelegyek – folyadékelegyek – oldatok
• Heterogén keverékek – az összetevık (legtöbbször) szabad szemmel is láthatóak, külön fázist/fázisokat alkotnak – egymással nem elegyedı folyadékok – folyadék – gáz rendszerek – folyadék – szilárd rendszerek
Fázis: az anyagi rendszer azonos fizikai és kémiai paraméterekkel rendelkezı részeinek összessége. 2012.09.15.
33
• A vegyületekre (szigorúan) érvényes az állandó súlyviszonyok törvénye (Proust törvény), mely szerint – a különbözı vegyületekben a vegyületeket alkotó elemek súlyaránya (tömegaránya) állandó. – Pl. a vízben az oxigén és a hidrogén tömegaránya 8 : 1
• Valamint a többszörös súlyviszonyok törvénye (Dalton törvény), – vagyis ha két elem egymással többféle súlyviszony (tömegarány!) szerint egyesül vegyületté, akkor az egyik elemnek azok a mennyiségei amelyek a másik elem ugyanazon mennyiségével egyesülnek, úgy viszonyulnak egymáshoz mint a kis egész számok. – Pl. a kén-dioxidban az S : O tömegarány 1:1; a kén-trioxidban pedig 1:1,5. A Dalton törvény alapján a kén tömegaránya a 2 vegyületben, azonos tömegő oxigénre vetítve: 3 (SO2) : 2 (SO3) 2012.09.15.
34
• A vegyületek és a keverékek egyaránt többfajta atomból
• • • •
álló rendszerek, a különbség közöttük, hogy a vegyületek a molekulákon belül tekinthetık több komponenső anyagoknak de azonos molekulák alkotják a halmazaikat, a keverékek pedig különbözı molekulákból álló halmazoknak tekinthetık. A vegyületek összetétele (szigorún) állandó, a keverékeké nem. A vegyületek (egyszerő) fizikai módszerekkel választhatók szét komponenseikre, és tulajdonságaik nem változnak a halmazon belül. Komponensek: a rendszer kémiailag független alkotórészei (egymástól függetlenül létezı anyagfajták). 2012.09.15.
35
Többkomponenső rendszerek mennyiségi jellemzése (összetétel) • A tiszta anyagok között is lehetnek többkomponenső halmazok • • • •
(pl. fémötvözetek és a vegyületek). Jellemzésük egyik fı paramétere az összetétel. Az összetétel megadása az egyes komponensek koncentrációinak megadását jelenti. A koncentráció származtatott mennyiség, azt fejezi ki, hogy a vizsgált komponens mennyisége a teljes rendszer mennyiségének hányad részét teszi ki. Attól függıen, hogy a kérdéses komponens, illetve a rendszer mennyiségét milyen paraméterrel reprezentáljuk (tömeg, térfogat, mol), a koncentrációt számos mértékegységgel adhatjuk meg. 2012.09.15.
36
A legalapvetıbb koncentráció-egységek • • • • • • • • • •
tömeg % : cWI = 100* Wi /Σ Wi (m/m %) térfogat % : cVI = 100 * Vi /Σ Vi (V/V %) tömegkoncentráció : cφi = Wi /Voldat (pl. g/dm3) vegyes % : 100 cm3 oldatban lévı Wi g-ban megadva (m/V %) anyagmennyiség-koncentráció (molaritás): cn,i = ni / Voldat (pl. mol/dm3 ) molalitás: cm,i = ni/Woldószer (pl. mol/1 kg o.sz.) mol-tört: x i = n i /Σ n i mol %: %(n/n)i = 100 * xi 2012.09.15.
37
A kémiai folyamatok leírásának sajátosságai
• A kémiai folyamatok/reakciók leírásának eszköze a
• •
(kémiai) reakcióegyenlet, amely – hasonlóan a matematikában, fizikában alkalmazott egyenletekhez, egy mérleg. A baloldalon szerepelnek az egymással reakcióba lépı kiindulási anyagok, a jobboldalon pedig a keletkezett termékeket tüntetjük fel. Az egyenletek felírása során figyelembe kell venni a tömeg-, az energia-, és az elektromos töltés megmaradásának törvényét is. A reakcióegyenletek információt adnak az általuk reprezentált reakció minıségi és mennyiségi viszonyairól. 2012.09.15.
38
• Mikro-szinten a kémiai folyamatokban atomok, •
• •
molekulák, elektromos töltéssel rendelkezı ionok, illetve semleges atomcsoportok vesznek részt. Ennek megfelelıen a reakcióegyenletekben elemek, vegyületek szerepelnek. A mennyiségi viszonyokat „sztöchiometriai együttható”-nak nevezett számok reprezentálják. Atom: az anyag kémiai módszerekkel tovább (már) nem bontható egysége, azonban még önálló kémiai sajátosságokkal rendelkezik. Molekula: az anyag azon legkisebb része, amely még az eredeti anyaghalmaz minden tulajdonságával rendelkezik, kémiai módszerekkel atomokra bontható. 2012.09.15.
39
• Ion: elektromos töltéssel rendelkezı részecske, lehet
•
•
egyszerő ion, - amely egy töltéssel rendelkezı atom (pl. kloridion, szulfidion, kalcium-ion, stb.), - és lehet töltéssel rendelkezı atomcsoport (pl. szulfát-ion, foszfátion, stb.). Gyök: párosítatlan elektronnal rendelkezı atomcsoport, (pl. metil-csoport, vagy metil-gyök), rendszerint rendkívül reakcióképes, de bizonyos körülmények között létezhetnek stabilis szabad gyökök is. A kémiai egyenletekben az elemeket és egyszerő ionokat a vegyjel segítségével tüntetjük fel, a vegyületek és az összetett ionok, gyököket pedig képletük reprezentálja. 2012.09.15.
40
A kémia jelrendszere: a vegyjel és a képlet
• A vegyjel a kémiai elemek jelölésére használt szimbólum, • • • • •
egyidejőleg jelenti az adott elem 1 atomját, illetve 1 molnyi mennyiségét. 1 vagy 2 nyomtatott latin betőbıl áll. Az elsı bető mindig nagybető és az elem tudományos nevének kezdıbetője, a második bető (ha van) kisbető. Lássunk néhány példát: ólom plumbum Pb kém sulfur S vas ferrum Fe ezüst argentum Ag arany aurum Au hafnium hafnium Hf 2012.09.15.
41
2012.09.15.
42
A képlet • A kémiában a képlet a vegyületek rövid kémiai
•
jelölésére szolgál, ilyen módon a vegyjelhez hasonlóan jelenti az adott vegyület 1 molekuláját, illetve a szóban forgó vegyület 1 mol-nyi mennyiségét. A képlet információt ad arról, hogy milyen elemek alkotják a molekulát, milyen mennyiségben szerepelnek ezek a vegyületben, és felvilágosítást nyújthat a molekula szerkezetérıl.
2012.09.15.
43
• Tapasztalati képlet: a vegyületet alkotó elemek
•
atomjainak legkisebb egész számokkal kifejezett aránya. Feírása során feltüntetjük az alkotó elemek atomjait, és az atomok vegyjele után alsó indexben pedig a legegyszerőbb arányukat adjuk meg. Például: CH2 (etén!); CH (benzol); H2O; CH4 Összegképlet: A valóságban önállóan létezı molekula minıségi és mennyiségi összetételét fejezi ki. Segítségével (a relatív atomtömegek ismeretében) kiszámítható a relatív molekulatömeg. Pl. C2H4; C6H6; H2O; NaCl; K2SO4; KAl(SO4)3; Cu(NH3)2+; NO3-
2012.09.15.
44
• Szerkezeti vagy konstitúciós képlet: az összetétel mellett megadják a molekulát alkotó atomok kapcsolódását, esetleg azok térbeli elhelyezkedését.
Etilén
2012.09.15.
kalcium-karbonát
45
A vegyérték és az oxidációs állapot fogalma
• A hagyományos értelmezés szerint a vegyérték az a
•
szám amely megmutatja hogy a szóban forgó elem egy atomja hány hidrogén-atomot képes lekötni, vagy vegyületeiben helyettesíteni. Bizonyos mértékig elavult fogalom, de a gyakorlatban ma is eléggé elterjedten használjuk. Kötéstípusonként mást és mást jelent. Pl. ionos kötésnél a felvett, vagy leadott elektronok számát, kovalens kötés esetében pedig az adott atomhoz tartozó elektronpárok számát adja meg.
2012.09.15.
46
• A vegyületekben, ionokban lévı atomok oxidációs •
• • •
állapota egy rendkívül fontos jellemzı. Az oxidáció elektronleadást jelent, önmagában nem, hanem csak a redukcióval (elektronfelvétel) együtt értelmezhetı, azaz ha egy komponens oxidálódik, egy másiknak értelemszerően redukálódnia kell. A vegyületekben, ionokban lévı atomok oxidációs állapotát az oxidációs számmal jellemezzük. Ez a szám lehet nulla, pozitív, vagy negatív egész szám. Az oxidációs szám kiszámításával kapcsolatos legfontosabb szabályok: Elemi állapotban az atomok oxidációs száma 0.
2012.09.15.
47
• Az oxigén oxidációs száma -2, kivétel a peroxid-kötést (• • • •
O-O-) tartalmazó vegyületek képeznek. Az egyszerő ionok oxidációs száma megegyezik a töltésükkel, pl. a kalcium oxidációs száma + 2, a kloridion oxidációs száma -1. Töltéssel nem rendelkezı molekulák esetében az oxidációs számok algebrai összege 0. A halogén elemek oxidációs száma általában -1, kivételt képeznek az oxigénnel alkotott vegyületeik. Az összetett ionokban és molekulákban lévı többi atom oxidációs számát a fentiek figyelembe-vételével úgy számítjuk ki, az atomok közötti kötés elektronpárját a a nagyobb elektronegativitású elemhez rendeljük, ennek, oxidációs száma 1-el csökken, a másiké pedig 1-el nı. 2012.09.15.
48
• Nézzünk pár egyszerőbb példát: • +1 -1 +2 -1 +3 -2 +4 -2 +2 +6 -2 +1 -2
• KCl CaCl2 Fe2O3 CO2 CuSO4 H2O • +1 +6 -2 +1 -1 +1 +7 -2 +5 -2 +1+7 -2 • K2Cr2O7 H2O2 KMnO7 PO43- HClO4 • Oxidáció során az oxidációs szám pozitív irányba változik (nı), redukció során pedig negatív irányban változik (csökken)!
2012.09.15.
49
Atomtömeg, molekulatömeg • A kémiai elemek atomtömege alatt a relatív •
atomtömeget értjük. A relatív atomtömeg a kémiai elem atomjának átlagos tömege, egy viszonyszám, amely megmutatja, hogy adott kémiai elem atomja hányszor nagyobb a 12C izotóp tömegének 1/12 részénél. Mivel a legtöbb elem több izotópot is tartalmaz, ez általában nem egész szám. Kiszámításánál a kérdéses elem természetes izotópjai tömegszámának, és százalékos arányának súlyozott átlagát képezik. 2012.09.15.
50
Az elemek atomtömege Elem Aktínium Aluminium Americium Antimon Arany Argon Arzén Asztácium Bárium Berillium Berkélium Bizmut Bór 2012.09.15.
Vegyjel Ac Al Am Sb Au Ar As At Ba Be Bk Bi B
Rendszáma 89 13 95 51 79 18 33 85 56 4 97 83 5
Atomtömege 227,0278 26,98154 243,0614 121,75 196,96654 39,948 74,9216 209,9871 137,327 9,012182 247,0703 208,98037 10,811 51
• A molekulatömeg: a relatív molekulatömeget értjük • • •
alatt. Ez az a szám amely megmutatja hogy az anyag egy molekulájának átlagos tömege hányszorosa a 12-es tömegszámú szénizotóp tömegének 1/12-énél. A molekulát felépítı atomok relatív atomtömegébıl számolható. Ha egy adott elembıl, vagy vegyületbıl 1 mol-nyi mennyiséget veszünk, ennek tömege g-ban kifejezve egyenlı a relatív atomtömeg, számértékével. Pl. 1 mol alumínium tömege 26,98154 g.
2012.09.15.
52
