I. elsőéves BSc fizikus hallgatók számára

Minimumkérdések KÉMIA I tárgyból 2007-2008/I. elsőéves BSc fizikus hallgatók számára 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24. 25. 26. 27. 28. 29. 30. 31. 32. 33. 34. 35.

A mól fogalma és jelentése A különböző koncentráció egységek, a különböző egységben adott koncentrációk egymásba történő átszámítása A sav, a bázis, a só meghatározása (példák, legalább 5–5, azok jellemzőivel) Szerves savak, alkoholok, észterek, éterek általános képlete (legalább 2–2 példa) Az ideális oldat jelentése, Raoult törvénye Az elektrolitos disszociáció meghatározása A pH fogalma és számítása A hidrolízis fogalma (legalább 3 példa) Mit értünk puffer rendszer alatt? Mit fejez ki a reakció molekularitása és rendje? Ismertesse az elsőrendű reakció sebességi egyenletét! Hogyan függ egy reakció sebessége a hőmérséklettől? Mi a katalizátor? A termodinamika I., II., III. főtételének ismertetése A víz fázisdiagramjának (p-T) ábrázolása Az entrópia fogalma A termodinamika karakterisztikus függvényei (a változók feltüntetésével) Az entrópia hőmérsékletfüggése Ismertesse az elegyítési entrópia kifejezését! A kémiai potenciál fogalma Mi a kémiai reakciók hajtóereje? Ismertesse Hess tételét! Mi az elektrokémiai oxidáció és redukció? Az anód és a katód fogalma (1-1 példával) Ismertesse a Nernst-egyenletet! Írja fel az ólom akkumulátorok működését leíró reakcióegyenleteket! Tüzelőanyag-cellák működési elve Kolloidok felosztása (mit értünk „diszperziós” és „asszociációs” kolloidok alatt?) Mit fejez ki a szemcseméret eloszlási és megoszlási (sűrűség-) függvény ill. hisztogram? Mit jellemez a peremszög? Írja fel a Laplace-egyenletet! Ismertesse a Bohr-atommodellhez kapcsolódó posztulátumokat! Ismertesse a kvantumszámokat és azok jelentését! Sorolja fel a kémiai kötések típusait! Ismertesse a rácstípusokat!

Minimumkérdések Kémia I. tárgyból 2007–2008/1

Dr. Bóta Attila alapján

1.

A mól fogalma és jelentése A mól a kémia anyagok meghatározott mennyisége, ami 6,023·1023 db, tömegben pedig annyi gramm, amennyi az atom (molekula) relatív atomtömege. Egységének jelölése a [mol].

2.

A különböző koncentráció egységek, a különböző egységben adott koncentrációk egymásba történő átszámítása Tömeg-, térfogat-, vegyes és mólszázalék és -tört. Mólos oldat (molaritás): az oldott anyag móljainak száma 1 dm3 teljes térfogatban). Molális koncentráció (molalitás, Raoult-koncentráció): az 1000 g oldószerben oldott mólok száma Normál oldat (normalitás): az 1000 cm3 oldószerben lévő feloldott anyag normál mennyiségének száma (normál mennyiség = molaritás/(ható gyökök száma)).

3.

A sav, a bázis, a só meghatározása (példák, legalább 5–5, azok jellemzőivel) Sav: protonleadásra képes anyag. Példák: sósav (HCl), kénsav (H2SO4), foszforsav (H3PO4), ecetsav (CH3COOH), salétromsav (HNO3). Bázis: protonfelvételre képes anyag. Példák: nátrium-hidroxid (NaOH, nátronlúg), ammónia (NH3, szalmiákszesz), kálium-hidroxid (KOH), káliumhidroxid (KOH), lítium-hidroxid (LiOH) Só: kifele semleges töltésű ionos vegyület (bázismaradék-kation + savmaradékanion). Példák: konyhasó (NaCl), réz-szulfid (CuSO4), kalcium-karbonát (CaCO3), magnézium-klorid (MgCl2), magnézium-jodid (MgI2), nátriumhidrogénkarbonát (NaHCO3, szódabikarbóna, sütőpor).

4.

Szerves savak, alkoholok, észterek, éterek általános képlete (legalább 2–2 példa) Szerves savak: R–COOH. Példák: hangyasav (HCOOH), ecetsav (CH3–COOH) Alkoholok: R–OH. Példák: metanol (H3C–OH), etanol (CH3CH2–OH) Észterek: R–COO–R’. Példák: metil-etilészter (CH3–COOH–CH2–CH3, etilacetát, etil-acetát, ipari oldószer), dimetilészter (H3C–COOH–CH3) Éterek: R–O–R’. Példák: dimetiléter (H3C–O–CH3, erős narkotikum), dietiléter (H3C–H2C–O–CH2–CH3, altatószer)

5.

Az ideális oldat jelentése, Raoult törvénye Ideális oldat: olyan oldat, amelynek bármely két részecskéje között ugyanakkora a kölcsönhatás mértéke. A híg oldatok ideálisnak tekinthetők. Az oldatok tulajdonsága az ideális elegyhez hasonlóan az oldószer és az oldott anyag tulajdonságaiból összegződik. Például a gőznyomás (tenzió) ideális elegyre (tehát ideális oldatra is) a teljes koncentrációtartományban p = ∑ xi pi , ahol xi az i. anyag móltörtje (∑ xi = 1) . Raoult törvénye (híg oldatra): ideális oldatok esetében a relatív ∆p gőznyomáscsökkenés (tenziócsökkenés) = xoldott anyag (az oldott anyag tenziója p elhanyagolhatóan kicsi (az oldószerre vonatkozó p ≈ 0 )

6.

Az elektrolitos disszociáció meghatározása Az elektrolitos disszociáció semleges molekulák oldás hatására bekövetkező szétesése (disszociációja). Az ~ pozitív és negatív töltésű ionok keletkezésével jár.

2

Minimumkérdések Kémia I. tárgyból 2007–2008/1 7.


A pH fogalma és számítása A pH (hidrogénkitevő) a vizes oldatok kémhatását jellemzi. pH = − lg H + , mol ahol H + a -ben kifejezett teljes hidrogénkoncentráció számértéke (a víz dm 3 autoprotolízisét is figyelembe kell venni). Csak vizes rendszerekben használatos, külön megjegyzés nélkül a 20 °C-on mért ionszorzatra (L = [H+] [OH-] = 10–14) alapozva.

([ ])

[ ]

8.

A hidrolízis fogalma (legalább 3 példa) A hidrolízis oldott molekula (só) reakciója a vízzel. A só elektrolitos disszociációjával pozitív és negatív töltésű ionok keletkeznek, amelyek a víz szimultán bekövetkező disszociációjából (autoprotolízis) származó [H+] vagy [OH–] ionjaival reakcióba lépnek. (Az oldal egésze kifele semleges.) Ha a só nem egyforma erősségű savból és bázisból származik, akkor a hidrolízis eredményeképpen vagy savas, vagy lúgos kémhatású oldat keletkezik. Megjegyzés: erős az a sav vagy vízben oldható bázis (lúg), amelyre a disszociációfok α ≈ 1 , gyenge az a sav vagy lúg, amelynek disszociációfoka n α ≈ 0 , ahol α = disszociált . nösszes

Példák: NaCl aq → Na + CuSO4

aq

→ Cu 2+

CaCO3

aq

→ Ca 2+

aq

+ Cl −

aq

+ SO42−

aq

+ CO32−

aq

aq

,

,

aq

9.

Mit értünk puffer rendszeren? A puffer rendszer kémhatásának állandó értéken való tartását biztosítja. A puffer rendszer a kívánt hatást úgy biztosítja, hogy a rendszerben lévő anyagok elektrolitos disszociációja összefügg, és külső zavar (sav vagy lúg rendszerbe kerülése) esetén az egyensúlyi folyamatok olyan mértékben változnak meg, hogy a pH értéke csak kis mértékben módosul.

10.

Mit fejez ki a reakció molekularitása és rendje? A reakció molekularitása: a reakcióban ütköző molekulák száma (mono-, bi- és különleges esetekben trimolekuláris reakciók fordulnak elő). A reakció rendje: a reakciósebesség–koncentráció függvényben a koncentráció 1 dni 1 dci = = kcir , ahol ni az i. komponens kitevője. v = vi = Vν i dt ν i dt anyagmennyisége, V a reakcióedény térfogata, ν i a komponens sztöchiometriai együtthatója a kémiai egyenletben (előjel-konvenció: reaktánsra negatív, termékre mol   pozitív), vi a reakció sebessége  [vi ] = 3  , c az i. komponens koncentrációja, m s  és r a reakció rendje.

11.

Ismertesse az elsőrendű reakció sebességi egyenletét! Az A → B sémával jellemzett reakció során [A] (az A anyag koncentrációja) d [ A] monoton csökken, a reakciósebesség v = − = k [ A] és [ A] = [ A]0 , ha t = 0. dt

3



Hogyan függ egy reakció sebessége a hőmérséklettől? A reakciók erős hőmérsékletfüggése a k reakciósebességi együttható hőmérsékletfüggésén alapszik. − ∆E

Arrhenius-összefüggés: k = Ae Rt , ahol A a preexponenciális együttható és ∆E a reakció beindításához szükséges, ún. aktiválási energia. 13.

Mi a katalizátor? A katalizátorok olyan anyagok, amelyek a reakciók sebességét maradandó változásuk nélkül nagymértékben megnövelik. A kémiai reakcióban részt vesznek, de a termék képződésével visszaalakulnak eredeti állapotba. Fajtái: homogén fázisú katalizátor (a reaktánsokkal és a termékekkel egy fázisban), heterogén fázisú katalizátor (nem homogén katalizátor, pl. szilárd katalizátor felszínén gáz fázisú reakció).

14.

A termodinamika I., II., III. főtételének ismertetése A termodinamika I. főtétele: az energiamegmaradás termodinamikai folyamatokra érvényes alakja, zárt rendszerre vonatkozóan ∆E = Q + W , ahol ∆E a belső energia megváltozása, Q a rendszer által felvett hő és W térfogati munka. Infinitezimális formában (nyitott rendszerre, ha a rendszer K-féle komponenst K

(kémiailag különböző anyagot) tartalmaz): dU = TdS − pdV + ∑ µ i dni , ahol T a i =1

rendszer hőmérséklete, dS az entrópia megváltozása, p a rendszer nyomása, dV a térfogat megváltozása, µ i az i. anyag kémiai potenciálja és dni az i. anyag anyagmennyiségének megváltozása. A termodinamika II. főtétele: hő önként nem mehet át hidegebb testről a melegebbre, csak munkavégzés által. A termodinamika III. főtétele: tiszta, kristályos anyag entrópiája a 0 K hőmérsékleten nulla. (Azaz 0 K hőmérséklet nem érhető el.) A termodinamika „nulladik” főtétele: ha két test külön-külön egyensúlyban van egy harmadikkal (azaz azonos a hőmérsékletük), akkor egymással is egyensúlyban vannak.

4



A víz fázisdiagramjának (p-T) ábrázolása

1

Az ordinátán a rendszer nyomásával megegyező külső nyomás, az abszcisszán az abszolút hőmérséklet. Majdnem nullából kezdődő, növekedő szublimációs görbe a szilárd és gőz (gáz) fázisokat elválasztva, majd a hármasponton szétválik az olvadásgörbére (amely víz esetén negatív meredekségű!) és a forráspont-görbére (amely pozitív meredekségű). Utóbbi véget ér a kritikus hőmérsékletnél, ahol eltűnik a folyadék és gőz (gáz) halmazállapot közötti különbség. (Ebből az következik, hogy a forrás megkerülhető.) 16.

Az entrópia fogalma S, termodinamikai állapotfüggvény, atomi ill. molekuláris rendezettségének (és egyben rendezetlenségének) azaz az állapot mértéke energiában. Statisztikus oldalról a termodinamikai állapot jellemzője ( S = k ln W , ahol W a termodinamikai valószínűség, és k a Boltzmann-állandó.

17.

A termodinamika karakterisztikus függvényei (a változók feltüntetésével) Csak a hőt, a térfogati munkát és a kémiai munkát vesszük figyelembe.

18.

Belső energia

U = U (S , V , n )

dU = TdS − pdV + ∑ µ i dni .

Entalpia

H = U + pV = H (S , p, n )

dH = TdS + Vdp + ∑ µ i dni .

Szabadenergia

A = U − TS = A(T ,V , n )

dA = − SdT − pdV + ∑ µ i dni .

Szabadentalpia

G = U + pV − TS = G (T , p, n )

dG = − SdT + Vdp + ∑ µ i dni

Az entrópia hőmérsékletfüggése Az entrópia a hőmérséklettel monoton nő, a fázisátmeneti pontban ugrik a Q ∆S = képlet alapján. A 0–T intervallumban , ha nincs fázisugrás, akkor T T C dQ a dS = képlet alapján dQ = CdT , ahol C a mólhő, és S = ∫ dT * . 0 T T S (T = 0) = 0 felhasználásával az entrópia T hőmérsékleten az integrál alapján adódik.

1

A kép forrása: http://www.nyf.hu/others/html/kornyezettud/kornykem/Kornykemalapmenu/41abra.jpg 5



Ismertesse az elegyítési entrópia kifejezését! K

∆S elegyítés = − R ∑ xi ln xi , ahol K db komponens van, és xi az i. komponens i =1

móltörtje. 20.

A kémiai potenciál fogalma A termodinamika I. főtételének, a kémiai munkát is figyelembevevő alakjából ∂U következik, hogy az i. kémiai komponens kémiai potenciálja µ i = . ∂ni

Ha a keveredési entrópia konkrét alakját figyelembe vesszük, µ i = µ i0 + RT ln xi , ahol xi az i. anyag móltörtje. A kölcsönhatást is figyelembe véve: µ i = µ i0 + RT ln a i , ahol ai az i. komponens aktivitása: ai = γ i xi , ahol γ a kölcsönhatást kifejező faktor (aktivitási együttható). 21.

Mi a kémiai reakciók hajtóereje? Az energiaminimum elérése, olyan kémiai formává történő átalakulás, ami minimális energiával jár.

22.

Ismertesse Hess tételét! A reakció energia- és hőváltozása csak a kezdeti és a végállapottól függ és független a részfolyamatok minőségétől, sorrendjétől és a reakció lezajlásának idejétől.

23.

Mi az elektrokémiai oxidáció és redukció? Elektrokémiai oxidáció: elektronleadás. Bekövetkezhet semleges atom átalakulásával (pl. fématomból), aminek eredményeképpen pozitív fémion és negatív töltésű elektron jelenik meg. Evvel egyenértékű elektrokémiai oxidáció a negatív töltésű részecskék (=anionok) töltésvesztése is, amelynek során semleges atom és elektron keletkezik. Elektrokémiai redukció: elektronfelvétel, az előző esetek fordítottja

24.

Az anód és a katód fogalma (1-1 példával) Anód: az elektrokémiai cellákban azon pólusa, ahol az elektrokémiai oxidáció zajlik. Katód: az elektrokémiai cellákban azon pólusa, ahol az elektrokémiai oxidáció zajlik. Példák: Zn és Cu rudak merülnek rendre a ZnSO4 és CuSO4 oldatokba. A fémeket fémesen , az oldatokat pedig sóhíddal összekötjük. A Zn „oldódik” Zn2+ ion keletkezése mellett (anód), míg a Cu2+ ion kiválik a Cu rúdra (katód).

25.

Ismertesse a Nernst-egyenletet! Az elemek semleges és töltött (energia)állapotai közötti különbség jellemzésére szolgál. A kérdéses elem és annak ionos állapotát biztosító elektrolit rendszert (félcella) egy megállapodás szerinti elektródrendszerrel, az ún. normál hidrogénelektróddal hasonlítjuk össze. (A normál hidrogénelektród olyan állandó potenciálú félcella, amely egységnyi aktivitású H+-ionból és abba belemerülő H2 gázelektródból áll). A kérdéses elem és a normál hidrogénelektród közötti potenciálkülönbség (elektromotoros erő, EME, feszültség voltban mérve) kifejezése a Nernst RT ln c , ahol E0 az egységnyi koncentráció esetén mért egyenlet: E = E 0 + zF

6

Minimumkérdések Kémia I. tárgyból 2007–2008/1


elektromotoros erő, z a töltésszám, F a Faraday-állandó, c a kérdéses elem mol -ben. koncentrációja dm 3 26.

Írja fel az ólomakkumulátorok működését leíró reakcióegyenleteket! Az ólomakkumulátor 30 % kénsavat tartalmaz, kapocsfeszültsége: 2,05 V. Reakcióegyenlete az egyes pólusokon (használatkor (kisütéskor) a balról jobbra irány, töltéskor a jobbról balra irány érvényes): Pb + SO42− ⇔ PbSO4 + 2e − PbO2 + 4 H 3O + + SO4 + 2e − ⇔ PbSO4 + 6 H 2 O .

27.

Tüzelőanyag-cellák működési elve A felhasznált anyagok elektrokémiai oxidációja és redukciója térben elkülönítve zajlik, így az egyik félcellában elektronfelesleg, míg a másik félcellában elektronhiány keletkezik. Példa: H2 – O2 alapú cella: a hidrogén „elégetése” katalizátorok felhasználásával, szeparáltan történik, a 2 H 2 + O2 → 2 H 2 O bruttó reakcióval, ami az egyes félcellákban az alábbi részfolyamatokkal jellemezhető: 2H 2 → 4H → 4H + + e − O2 → 2O + + 4e − → 2O 2−

28.

Kolloidok felosztása (mit értünk „diszperziós” és „asszociációs” kolloidok alatt?) Diszperziós kolloid: olyan rendszer, amely kolloidméretű (nanométertől a néhány száz mikrométerig terjedő mérettartomány) részecskéket tartalmaz, és azok nagyobb, makroszkopikus méretű forma darabolásával (aprításával, őrlésével) jöttek létre (nagyobbról a kisebb méret felé). Asszociációs kolloid: atom- vagy molekulacsoportok összeállásával (=asszociációjával) jönnek létre (kisebb atomi méretről a nagyobb, kolloid méret felé).

29.

Mit fejez ki a szemcseméret eloszlási és megoszlási (sűrűség-) függvény ill. hisztogram? Az eloszlásfüggvény integrális forma, azt fejezi ki, hogy a részecskék száma (vagy tömege) az adott r0 mérethatárig (0 < r < r0 ) mekkora hányadát teszi ki a teljes részecskeszámnak (vagy tömegnek). A sűrűségfüggvény az előző függvény r szerinti differenciálhányados-függvénye. A hisztogramok hasonló értelműek, csak nem folytonos, hanem diszkrét mérettartományokba osztott részecskékkel.

30.

Mit jellemez a peremszög? A peremszög a folyadékok szilárd felületen történő szétterülésének mértékét jellemzi. (Ha a folyadék egy másik folyadék felületén terül szét, akkor is értelmezhető lencsealak formájában.) Ha a peremszög 0° közelében van, akkor az adott folyadék teljesen szétterül (jól nedvesíti a szubfázist), ha nagyobb mint 90°, akkor nem nedvesíti az adott folyadék az adott felületet.

31.

Írja fel a Laplace-egyenletet! 2γ ∆p = , ahol ∆p = p1 − p 2 a görbült folyadékfelszín két oldalán uralkodó r nyomás különbsége (kapillárisnyomás), γ a felületi feszültség, és r a görbült folyadékfelszín görbületi sugara.

7



Ismertesse a Bohr-atommodellhez kapcsolódó posztulátumokat! 1. posztulátum: ∫ Ldφ = nh (A körpályán mozgó elektron

impulzusmomentumának körintegrálja a h Planck-állandó egészszámszorosa. (Itt n pozitív egész szám, a Bohr-modell kvantumszáma 2. posztulátum (a fény elnyelése és kibocsátása): ∆E = hν , ahol ∆E a két elektronpálya közötti energiakülönbség, ν a fény frekvenciája, és h a Planck-állandó. A fény abszorpciója (elnyelése) az elektron energiáját megnöveli és magasabb (nagyobb kvantumszámmal jellemzett) pályára kerül, a fény emissziója együtt jár az elektron alacsonyabb (kisebb kvantumszámú) pályára történő ugrásával. 3. posztulátum (korrespondenciaelv): a kvantummechanika kifejezései határesetben átmennek a klasszikus törvényeknek megfelelő alakba. 33.

Ismertesse a kvantumszámokat és azok jelentését! Főkvantumszám (n): a radiális (sugártól függő) tag kvantumszáma, az elektron energiáját alapvetően meghatározza, n = 1, 2, 3… (betűjelöléssel: K, L, M, N…). Mellékkvantumszám (l): az azimut szög függését kifejező kvantumszám. Pozitív érték esetén befolyásolja az elektronenergiát, meghatározza az elektron impulzusmomentumát, l = 0, 1, …, n–1 értéket vehet fel (betűjelöléssel: s, p, d, f). Mágneses kvantumszám (m): a csapásszög függését kifejező kvantumszám, a külső mágneses tér irányára eső vetületek száma, m = –(n–1), …, 0,…, (n–1). Spinkvantumszám: a Schrödinger-egyenlet megoldásából nem következik.

34.

Sorolja fel a kémiai kötések típusait! Ionos kötés: azok az elemek, amelyek elektronszerkezete közel áll a nemesgáz elektronszerkezetéhez, elektronleadással ill. elektronfelvétellel pozitív vagy negatív ionokká alakulnak, és a keletkező ionok elektrosztatikus kölcsönhatásban vannak egymással. Kovalens kötés: azonos vagy egymáshoz közeli elektronfelvevő (elektronleadó) képességű atomok elektronmegosztással stabilizálódnak, és a megosztott elektronok sajátos, az atomi elektronpályáktól eltérő molekulapályákra kerülnek. Szigma- (σ) kötés: a molekulapálya (a kötésben résztvevő elektronok térbeli alakja) az atomkapcsolatot létrehozó atomokat összekötő tengely mentén hengerszimmetrikus. A szigmakötés s–s pályák vagy s–p típusú pályák, továbbá a kötés irányába orientált p–p pályák átlapolásával jön létre. π kötés: a már létrejött szigmakötés mellett jön létre, a kötéstengelyre merőlegesen orientált p pályák kapcsolódásával jön létre. A π kötés gyengébb, mint a σ.

35.

Ismertesse a rácstípusokat! Fémrács: periodikus elhelyezkedésű fémionok merülnek „elektrontengerbe” Ionrács: pozitív és negatív töltésű ionok foglalnak helyet a rács pontjain, közöttük erős elektrosztatikus kölcsönhatásokkal, Atomrács: atomok a rácspontokon és közöttük kovalens kötések, Molekularács: rácspontokon molekulák, amelyek között gyenge elektrosztatikus (ún. van der Waals-típusú) erők hatnak.

8

I. elsőéves BSc fizikus hallgatók számára

Recommend Documents