Halmazállapotok Kristályos anyagok, atomrács Szilárd anyagok: kémiai kötések az atomok/ionok/molekulák között • Amorf: a részecskék elhelyezkedése rendezetlen, vagy csak kis körzetekben rendezett. Nincs határozott olvadáspontjuk = op (lágyulás → folyadék) • Kristályos anyagok: a részecskék a tér minden irányában szabályos rendben helyezkednek el. Jól definiált (anyag azonosítására is használt) olvadáspontjuk van.
• Atomrács: rácspontokban atomok, melyek irányított egyszeres (σ) kovalens kötéssel kapcsolódnak egymáshoz: gyémánt, Si, Ge, B, SiO2, ZnS, SiC Kemények, hıt és elektromosságot nem vezetik, op magas, sem vízben, sem szerves oldószerekben nem oldódnak. Gyémánt (Si, Ge, ZnS, SiC) Minden C atom körül tetraéderes elrendezıdésben van a többi azonos távolságra, azonos kötésszöggel. 109.5º
Halmazállapotok Fémrács aranyrög
++ ++++ +++ ++ +++++++
Jellemzık: • Rácspontokban pozitív töltéső fém atomtörzsek, amiket hozzájuk közösen tartozó delokalizált elektronok kötnek össze → vezetıképesség • Erıs kötés: kemény, magas op (Cr, W) • Szürke szín (kivétel Cu, Au): minden típusú fotont elnyel (e--k gerjesztıdnek) • Oldhatóság: egymás olvadékaiban → ötvözet, ill. kémiai átalakulással savakban Leggyakoribb rácstípusok:
térben középpontos kockarács (Na, K, Fe, Cr)
mindenféle
lapon középpontos kockarács (Au, Ag, Al, Cu)
puha, megmunkálható
hatszöges rács (Mg, Ni, Zn)
kemény, rideg
Halmazállapotok Fémrács: ötvözetek Az ötvözet fémes anyag, mely legalább két kémiai elembıl áll, s legalább az egyik fém. Legismertebbek: acél, sárgaréz (réz + cink), bronz (ón + réz) Fizikai tulajdonságok, mint a sőrőség, reakciókészség, rugalmassági modulus, elektromos- és hıvezetı képesség általában nem mutatnak nagy eltérést az alkotóelemekéhez képest, de a mechanikai tulajdonságok, mint a szakító- és nyírószilárdság lényegesen különbözhetnek. Oka az atomok különbözı mérete: a nagyobb atomok nyomóerıt fejtenek ki a szomszédos atomokra, míg a kismérető atomok húzóerıvel hatnak a szomszédjaikra, ami fokozza az ötvözet deformációval szembeni ellenálló képességét. Elıállítás: elsısorban fémek megolvasztásával és összekeverésével.
A tiszta fémekkel ellentétben a legtöbb ötvözetnek nem jól definiált olvadáspontja van, hanem olvadási tartománya:
• Szolidusz: az a hımérsékletet, amelyen az olvadás megkezdıdik • Likvidusz: az a hımérsékletet, amelyen az olvadás befejezıdik • Eutektikus ötvözet: alkotóknak egy olyan aránya, amikor egyetlen (vagy ritkán kettı) olvadáspont létezik
Halmazállapotok Ötvözetek: szilárd oldat Olyan szilárd halmazállapotú homogén keverék, melyben a kisebb mennyiségő ”oldott anyag” nem változtatja meg az oldószer kristályszerkezetét. A szerepek fel is cserélıdhetnek. • hasonló atomsugarak (<15% eltérés) • azonos kristályszerkezet • hasonló elektronegativitás • hasonló vegyérték Fázisdiagram (K)
A és B keverékének olvadása (hal-görbe): • T2 alatt csak szilárd anyag van • T1 felett csak olvadék van • a görbe belsejében olvadék+szilárd keverék • T1 – T2 között a szilárd illetve folyadék komponens összetétel a nyilak alapján
folyadék
T1
likvidusz görbe folyadék+szilárd szolidusz görbe
T2
szilárd oldat
xszilárd 100%A
70%A, 30%B
xfolyadék 10%A, 90%B 100%B
Halmazállapotok Ötvözetek Kétkomponenső rendszer eutektikus ponttal: • A és B nem képez szilárd oldatot, a szilárd fázis a két anyag kristályainak heterogén keveréke • Az eutektikus összetételő szilárd keverék egyszerre megolvad, a többi összetételnél az olvadás egy hımérséklet tartományban történik
p=állandó T
Eutektikus pont, hımérséklet
Folyadék szilárd A + folyadék
szilárd B + folyadék
szilárd A + B A
x%
B
Csoportosítás kristályrács szerint:
• Helyettesítéses (szubsztitúciós): Az alkotó elemek atomjai hasonló méretőek, • •
így a kristályrácsban egyszerően helyettesíthetik egymást (pl. sárgaréz). Intersticiós: az egyik alkotóelem atomja lényegesen kisebb a másiknál, és a kisebb atomok beépülnek a nagyobb atomok közti (rácsközi) helyekre. Kristályrács, ami nem hasonlít egyik összetevı kristályrácsához sem (nagyon bonyolult). Ezek nagyon kemény, rideg fémvegyületek, pl. Fe3C (cementit), WC (volfrámkarbid).
Halmazállapotok Ionrács Jellemzık: • Rácspontokban szoros illeszkedéssel kationok és anionok vannak. Kifelé semleges. • Kemények, ridegek, magas olvadáspontúak, elektromos áramot nem vezetik • Olvadékuk és oldataik vezetık • Többségük vízben oldódik, ionjaira disszociál Leggyakoribb rácstípusok:
CsI, térben középpontos kockarács
NaCl, lapon középpontos kockarács
Halmazállapotok Molekularács Jellemzık: • Rácspontokban molekulák vannak, melyek másodlagos kötıerıkkel kapcsolódnak egymáshoz. • Hidrogénkötés 8-40 kJ/mol
• Dipólus-dipólus kölcsönhatás • Diszperziós kölcsönhatás
0.8-12 kJ/mol
• Szinte minden szerves molekula, valamint H2, O2, N2, CO2 (szárazjég), stb. • Keménység kicsi, olvadás- és forráspont alacsony, kis sőrőség, áramot sem •
szilárd, sem olvadt állapotban nem vezetik. Apoláris szerves oldószerekben (pl. CCl4) oldódnak. Jég: 16 különbözı szilárd fázisú szerkezetben létezik.
Hexagonális kristályrendszer
Grafit gyémánt
Három rácstípusból van benne: • Szénatomok egyszeres σ kovalens kötéssel kapcsolódnak 3 szomszédjukhoz (atomrács). • A negyedik elektron delokalizáltan van a kovalens kötéső síkokban (fémrács). • A hexagonális szerkezető síkok között másodlagos kötıerık hatnak (molekularács). Ebbıl adódnak tulajdonságai: • Magas op. (3700 ºC) • Vezeti az áramot • Jó kenıanyag (síkok egymáson elcsúsznak)
Kémiai reakciók reakcióegyenletek A kémiai reakciókban atomok/molekulák/ionok elektronszerkezete változik (kötések bomlanak fel, új kötések jönnek létre): • bomlás: CaCO3 = CaO + CO2 • egyesülés: NH3 + HCl = NH4Cl • atom/atomcsoport csere: CaCO3 + HCl = CaCl2 + H2CO3 (→CO2 + H2O) Reakcióegyenlet: reagáló anyagok => termékek • tömegmegmaradás: azonos típusú atomok száma mindkét oldalon azonos • töltésmegmaradás: töltések összege mindkét oldalon azonos (általában 0 ) • kémiai számítások alapja általában az egyenlet Számítási példa: Számítsuk ki hány cm3 1 mol/dm3-es kénsav kell 2 dm3 normál állapotú HCl gáz készítéséhez a következı kiegészítendı reakcióegyenlet alapján: CaCl2 + H2SO4 = CaSO4 + HCl
Periódusos rendszer s-mezı (fémek)
(Mengyelejev, 1869) http://www.ptable.com/
nemesgáz csoport: zárt héj, extra stabil
p-mezı (nemfém, félfém, fém)
d-mezı (fémek) Rendezés elve: • növekvı rendszám (elektronszám, atomtömeg) • hasonló vegyértékelektron szerkezet egymás alatt
f-mezı (fémek)
Kémiai reakciók kémiai számítás Számítási példa: Számítsuk ki hány cm3 1 mol/dm3-es kénsav kell 2 dm3 normál állapotú HCl gáz készítéséhez a következı kiegészítendı reakcióegyenlet alapján: CaCl2 + H2SO4 = CaSO4 + HCl Egyenlet rendezése anyagmegmaradás elve alapján: CaCl2 + H2SO4 = CaSO4 + 2HCl 22,41 dm3 a térfogata 1 mol HCl gáznak normál állapotban (0 ºC, 0,1 MPa) Ez alapján 2 dm3 HCl megfelel (1/22,41)*2=0,089 molnak 2 mol (molekula) HCl fejlesztéséhez kell 1 mol (molekula) H2SO4 0,089 mol HCl fejlesztéséhez kell (1/2)*0,089=0,0445 mol H2SO4 1 mol H2SO4 van 1000 cm3 (1 dm3) 1 mol/dm3-es oldatban 0,0445 mol H2SO4 van (1000/1)*0,0445=44,5 cm3 oldatban
Tehát 44,5 cm3 1 mol/dm3-es H2SO4 oldat kell.
Kémiai reakciók kémiai számítás Számítási példa: Számítsuk ki hány g 36 m/m%-os HCl oldat kell 100 g FeCl3 készítéséhez a következı kiegészítendı reakcióegyenlet alapján: MFe=55.8, MO=16, MCl= 35.5, MH=1 Fe2O3 + HCl = FeCl3 + H2O Egyenlet rendezése anyagmegmaradás elve alapján: Fe2O3 + 6HCl = 2FeCl3 + 3H2O Molekulatömegek: MFeCl3=162,3, MHCl=36.5 100 g FeCl3 = (1/162,3)*100 = 0,616 mol 2 mol FeCl3 keletkezése igényel 6 mol HCl-at 0,616 mol FeCl3 keletkezése igényel (6/2)*0,616=1,848 mol = 1,848*36,5=67,452 g HCl-at 36 g HCl van 100 g 36 m/m%-os HCl oldatban 67,452 g HCl van (100/36)*67,452=187,37 g HCl oldatban
Tehát 187,37 g 36 m/m%-os HCl oldat kell.
Kémiai reakciók reakcióhı Reakcióhı (Qr, kJ): reakcióegyenlet által definiált reakció hıváltozása A kémiai reakciókban kötések bomlanak fel és új kötések alakulnak ki. • Kötésfelbomlás: energia befektetést igényel (+ elıjel) • Kötés kialakulás: energia szabadul fel (- elıjel) • Ha fázisátalakulás történik, annak is van energiavonzata. Pl. gáz kondenzálása energia felszabadulással jár a szilárd fázisbeli kötések kialakulása miatt. (CO2 miért gáz szobahımérsékleten?)
• Exoterm reakció: energia szabadul fel (C + O2 = CO2, Qr < 0) • Endoterm reakció: energiát igényel (H2O → H2 + ½O2, Qr > 0) Képzıdéshı (Qk, kJ/mol): annak a reakciónak az energiaváltozása, melyben egy vegyület 1 mólja standard körülmények (25 ºC, 0,1 MPa) között alapállapotú elemeibıl keletkezik. Alapállapotú elemek képzıdéshıje standard körülmények között 0 kJ/mol.
Kémiai reakciók reakcióhı Reakcióhı a képzıdéshıkbıl: a termékek együtthatókkal szorzott képzıdéshıinek összegébıl levonjuk a kiindulási anyagok együtthatókkal szorzott képzıdéshıinek összegét. Hess tétel: a reakcióhı független a reakció útjától (általában többféle útvonal van), csak a kezdeti és végállapottól függ. I.
CaCO3 + 2HCl = CaCl2 + CO2 + H2O Qr = QkCaCl2 + QkCO2 + QkH2O – QkCaCO3 – 2QkHCl
II. CaCO3 = CaO + CO2 CaO + 2HCl = CaCl2 + H2O Qr = QkCaO + QkCO2 + QkH2O + QkCaCl2 – QkCaO - QkCaCO3 – 2QkHCl A CaO csak átmeneti termék, keletkezik és megszőnik, ezért képzıdéshıje a II. összetett reakcióban kiesik. Reakcióentalpia (∆H, kJ): ugyanaz mint a reakcióhı, csak ki van kötve a nyomás állandóságának feltétele (zárt edényben gázok reakciójakor lehet különbség ha mólszám változás van)
Kémiai reakciók Szabadentalpia Entrópia (S, kJ/K): egy rendszer rendezetlenségének mértéke. A rendezetlenség kedvezıbb állapot: • kristályos anyag oldódása (oldott anyag oldószerben való eloszlása) • gázok keveredése (kibocsátott CO2, füst) A természetes folyamatokat az irányítja, hogy: • csökkenjen a rendszer energiája (energia-felszabadulás) • növekedjen a rendezetlenség mértéke G: szabadentalpia, kJ Ezt fejezi ki a szabadentalpia: G = H – TS H: entalpia, kJ Valamely folyamat (kémiai reakció) szabadentalpia változása: ∆G = ∆H – T∆S
T: hımérséklet, K
Spontán folyamat akkor megy végbe, ha szabadentalpia változás negatív (∆G<0). Az entrópia tagnak inkább csak magas hımérséklet esetén (T > 1500 K) van jelentısége, szobahımérsékleten általában elhanyagolható, azaz ∆G ≈ ∆H
Kémiai reakciók Kémiai reakció feltételei:
• részecskék ütközése – nagyobb koncentrációban gyakoribb: • a részecskék megfelelı térhelyzetben legyenek Aktivált komplexum:
• részecskék ütközés utáni nagyon rövid ideig tartó összekapcsolódása • tartalmazza mind a megszőnı, mind a létrejövı kötéseket, de azok sokkal gyengébbek, •
hosszabbak mint a kiindulási ill. termék molekulákban kötésszögek teljesen mások Aktivált komplexum ∆Ea Reaktánsok Reaktánsok
Átmeneti komplexum
Termék
Reakcióút
∆E’a
Termékek
Aktiválási energia (kJ/mol): az az energiatöbblet, amelynek következtében a részecskék átalakulásra képes aktív állapotba jutnak = az aktivált komplexum keletkezéséhez szükséges energia
