Kémia
Környezetmérnököknek és terméktervezıknek
Wagner Ödön
BME Szervetlen és Analitikai Kémia Tanszék
[email protected] Tel.: 463-31-06
Kurzussal kapcsolatos tudnivalók • Vizsgaidıszakban írásbeli vizsga • Opcionális: évközben elıadásidıben 2, ill. 3 db zárthelyi megajánlott jegy
• Elıadás: – Környezetmérnököknek: – Terméktervezıknek 1-7 hétig 8-14 hétig H 10,15-11,45
H 13,15-14,45 H 13,15-14,45 H 13,15-14,45
Miért van szüksége a környezetmérnöknek és a gépész terméktervezınek kémiai tudásra?
• Vegyiparban, kutatóintézetekben, egyéb laborokban •
•
gépekkel, mőszerekkel dolgoznak Gépeket felépítı anyagnak vannak kémiai vonatkozásai • fém, ötvözet, mőanyag • megfelelı szilárdság, környezeti hatásokkal szembeni ellenállóság Gépek mőködésének kémiai vonatkozásai • mőködésbiztosítás (kenıolaj) • megmunkált anyag tulajdonságai • mőszerekkel nyert kémiai információ (gép célja)
• • •
Tematika Általános kémia Szervetlen kémia Szerves kémia • • • • •
Atomok, molekulák, kémiai kötések Periódusos rendszer (http://www.ptable.com/) Anyagi halmazok (gáz, folyadék, szilárd, ötvözetek) Kémiai reakciók (reakcióegyenlet, egyensúlyok, energetika) Elektrokémia (galvánelem, akkumulátor, korrózió)
Tematika • • •
Általános kémia Szervetlen kémia Szerves kémia • Elemek • Alkáli-, alkáliföld- és átmeneti fémek vegyületei • Nemfémes elemek vegyületei
Tematika • • •
Általános kémia Szervetlen kémia Szerves kémia • • • •
Alifás vegyületek Aromás vegyületek Alkoholok, karbonsavak, aminok Polimerek (szilikonok, mőanyagok)
Az atom Az atom az anyag azon legkisebb stabil része, melyre az anyag kémiai úton bontható. A különbözı elemek különbözı atomokból állnak. Az adott atom határozza meg az adott elem kémiai tulajdonságait. Atomok egymásba való átalakítása csak nagy energiájú magreakciókkal történhet: • Radioaktív bomlás (14C → 14N + e-, felezési idı 5700 év) • Maghasadás (235U + n0 → kisebb atomok + 2-3 n) • Magfúzió (2H + 3H → 4He + n0) Az atomok mérete: 10-10 m (1 Å) nagyságrendnyi. Az atomok tömege: 10-27-10-25 kg között. Makroszkopikus dimenzió: 1 mól = 6.022.1023 db részecske (atom, molekula) Moláris tömeg: 1 mól anyag tömege. Avogadro-féle állandó, NA
Az atom felépítése
elemi részecskék: atommag + elektronok Név
• • • •
(jel)
Tömeg (kg)
Töltés (C)
Proton (p+) 1,673.10-27 +1,6.10-19 Elektron (e-) 9,109.10-31 -1,6.10-19 Neutron (n0) 1,675.10-27 0 + kb. 200 kis (szubatomi) részecske
Relatív Relatív tömeg töltés 1 +1 1/1840 -1 1 0
szubatomi részecskék • A kvarkok azok az elemi részecskék, amelyekbıl a mezonok és a barionok
(például a proton és a neutron) felépülnek. A spinjük 1/2 , tehát fermionok. A kvarkok részt vesznek mind az erıs, mind az elektromágneses, mind a gyenge kölcsönhatásban. Az erıs kölcsönhatáshoz azonban szorosabb kapcsolat is főzi ıket. magyar név
angol név
jelölés
nyugalmi tömeg
(GeV/c )
elektromos töltés (e)
2
Fel*
Up
u
0,0015-0,005
2/3
Le*
Down
d
0,017-0,025
- 1/3
Bájos
Charm
c
1,1-1,4
2/3
Furcsa
Strange
s
0,06-0,17
- 1/3
Felsı / Tetı*
Top / True
t
165-180
2/3
b
4,1-4,4
- 1/3
Alsó / Szépség* Bottom / Beauty
Három kvark alkotja a szokásos barionokat (három antikvark az antibarionokat), ahol a három kvarknak három különbözı színe van. A közismert proton összetétele uud, a neutroné udd. Minden barion fermion. A barionokat további két csoportba soroljuk, ezek a nukleonok és hiperonok. A nukleonok az atommag alkotórészei, a proton ill. a neutron.
A neutron felépítése Kép forrása :http://hu.wikipedia.org/wiki/Kvark
A kvarkok nem létezhetnek szabadon. Az erıs kölcsönhatás az úgynevezett szín-töltésre hat. A kvarkok között ható erıs kölcsönhatás, amelyet a gluonok közvetítenek, a könnyő kvarkoknak kötött állapotokban észlelhetı tömegét jelentısen megnöveli. (Ne gondoljuk, hogy a kvarkoknak tényleges színük van, az elnevezés csak egy hasonlóságon alapul.) Mindegyik kvark elıfordulhat háromféle színben. Ezeket a három alapszínrıl vörösnek, zöldnek és kéknek nevezték el, amelyeket az angol rövidítésük után r g és b betővel rövidítenek. A kvarkok kis energián csak olyan kötött állapotban létezhetnek, amelyek színsemlegesek. Ilyenek például a három szín mindegyikét tartalmazó barionok, egy színt és egy antiszínt tartalmazó mezonok és a három antiszínt tartalmazó antibarionok (kvarkbezárás). A kvarkbezárás alapgondalata az, hogy a kvarkokat összetartó erı a kvarkok közötti távolság növekedésével nem csökken, ezért nem lehet azokat egymástól szétszakítani.
Az atom felépítése
elemi részecskék: atommag + elektronok Jellemzık: • Az atom semleges: protonok és elektronok száma azonos • Vegyjel: C, N, O, H, Al, Fe, stb. • Rendszám (Z): protonok száma (azonos az elektronok • számával, meghatározza az elektronburok szerkezetét, így • a kémiai tulajdonságokat!) (jelölés: 6C) • • Tömegszám (A): protonok (Z) és neutronok (N) számának • Összege (jelölés: 126C ) • • Elem: azonos rendszámú atomok alkotják. Az elemek • jelölésére vegyjeleket használunk. • – Izotópok: azonos rendszámú, de különbözı tömegszámú (eltérı • számú neutront tartalmazó) atomok – a legtöbb elem izotópok • keveréke, pl. szén izotópjai: 12C → 6 proton + 6 neutron • 13C → 6 proton + 7 neutron • – Tiszta elemek: csak egyetlen stabil izotópjuk létezik, pl. fluor: • 19F → 9 proton + 10 neutron
Elektronok Az elektronok a kb. 10-15 m átmérıjő atommagok körül mozognak meghatározott energiájú és alakú elektronpályákon. Elektronpálya (atomok esetében atompálya) = ahol az elektron mozgása közben 90%-os valószínőséggel megtalálható.
Jellemzık:
• • • •
Atommag – elektronok közötti vonzás Elektron – elektron taszítás Elektron mozog (tartózkodási valószínőség) Energiaminimumra való törekvés = alacsonyabb energia kedvezıbb (helyzeti energia analógja)
• • • • •
Bolygómodell (N. Bohr, 1913) • az elektronok meghatározott pályákon (energiaszinteken) lehetnek (héjak) • egy elektronhéjon maximálisan 2n2 elektron lehet (elsın 2, másodikon 8...)
• • • • • • •
• Kvantummechanikai atommodell (E. Schrödinger, 1926) • az elektronburok szerkezete (az elektronok tartózkodási valószínősége) összetett függvényekkel írható le. Ezek megoldásaiban állandók (konstansok) szerepelnek, amelyek kis egész számok (kvantumszámok). • egy elektron 4 kvantumszámmal írható le (fı-, mellék-, mágneses- és spinkvantumszám)
További fogalmak: Alapállapot: minden elektron a legalacsonyabb energiájú pályán van Gerjesztett állapot: egy vagy több elektron magasabb E-jú pályán (instabil) Pályaenergia: felszabadul, ha az elektron az atomon kívülrıl belép
Elektronszerkezet Az elektronok az atommag körül jól definiált rendszer szerint mozognak. Az atompályák elektronhéjakba/alhéjakba csoportosíthatók, melyeket kvantumszámokkal jellemzünk. Fıkvantumszám (n): elektronhéjat definiálja (K, L, M, N, …) Mellékkvantumszám (l): elektron alhéjat definiálja (s, p, d, f, …) • K (n=1): 1s2 Alhéj: egyúttal különbözı alakú pályákat jelent: • L (n=2): 2s2, 2p6 • s (l=0) 2 6 10 • M (n=3): 3s , 3p , 3d • p (l=1) • N (n=4): 4s2, 4p6, 4d10, 4f14 • d (l=2) • f (l=3) • …… Mágneses kvantumszám: atompálya térbeli iránya mágneses térben • 1-féle s pálya (2 db s e-) Értéke: egész szám -l … +l tartományban Spinkvantumszám: +1/2 és -1/2 Két elektron lehet minden pályán
• 3-féle p pálya (6 db p e-) • 5-féle d pálya (10 db d e-) • 7-féle f pálya (14 db f e-)
Atompályák részletesen
Bodonyi F., Pitter Gy.: Kémiai összefoglaló, Mőszaki Könyvkiadó, Budapest
Elektronszerkezet Pályaenergiák és beépülés: • • • • •
K (n=1): 1s2 L (n=2): 2s2, 2p6 M (n=3): 3s2, 3p6, 3d10 N (n=4): 4s2, 4p6, 4d10, 4f14 ……
Pályaenergiák sorrendje kicsit eltér: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, … (lásd majd a periódusos rendszert)
Pauli elv: egy atomban nem lehet két olyan elektron, melynek mind a négy kvantumszáma megegyezik. Azaz minden cellában maximum két (ellentétes spinő elektron) lehet csak. Bodonyi F., Pitter Gy.: Kémiai összefoglaló, Mőszaki Könyvkiadó, Budapest Hund szabály: egy alhéjon adott számú elektron úgy helyezkedik el, hogy maximális legyen a párosítatlan spinő elektronok száma. Pl. Fe 3d6 betöltöttsége:
Elektronszerkezet • 28Ni
elektronszerkezet felépülése: 28 elektron 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, 4s2, 3d8 Vegyértékelektronok: 4s2, 3d8
Vegyértékelektronok: telítetlen héj(ak)on levı elektronok. Ezek vesznek részt kémiai reakciókban és a másik atomokkal való kölcsönhatásokban. Atomtörzs: atommag + nem vegyértékelektronok (kémiailag inert)
Az atompályák feltöltıdésének szabályai • Energiaminimum elve • • Pauli-elv • • Hund-szabály
Elektronok gerjesztése
Az alapállapot és a gerjesztett állapotok közötti energiaátmenetek teszik lehetıvé a különbözı spektroszkópiai módszerek alkalmazását a mőszeres kémiaielemzésben!
Lángfestés (gerjesztés) A lángban az elektronok a hı hatására magasabb energiájú pályára kerülnek. A gerjesztés után az energiaszinteknek megfelelı energiakülönbség kisugárzása közben visszakerülnek az eredeti energiaszintre. Egyes elemeknél a kibocsátott foton hullámhossza a látható fény tartományába esik. Na:
3p
foton kibocsátás
hı
3s
fém lítium (Li) nátrium (Na) kálium (K) kalcium (Ca) bárium (Ba) réz (Cu)
szín bíborvörös sárga fakóibolya téglavörös sárgászöld zöld
Tőzijáték rakéta
Színek: vörös: stroncium-klorid, stroncium-hidroxid stroncium-nitrát zöld: bárium-klorid, kék: réz-oxid, réz-klorid bíbor: réz-klorid + stroncium-klorid lila: stroncium-klorid, lítium-klorid halvány ibolya: kálium-klorid
• Begyújtás a bal oldalon levı gyújtózsinórral. • A motortérben levı feketelıpor égése gázt termel, mely hajtja a rakétát. • Ha a feketelıpor elfogy, begyullad a robbanófej: csillagok, stb.
Fluoreszcencia
(UV fénnyel besugározva)
Kalcit (CaCo3)
Gipsz (CaSO4)
Fluorit (CaF2)
http://www.mineraltivadar.hu/AboutTheMinerals.htm
Fluoreszcencia (foszforeszcencia) (G. G. Stokes, 1852, fluorit) Néhány anyag UV fénnyel megvilágítva elnyeli az UV sugárzást és helyette látható fényt bocsát ki. Fluoreszcencia: 10-9 s Foszforeszcencia: 10-3 – 103 s Magyarázat: 1. UV foton hatására egy vegyértékelektron magasabb energiájú pályára gerjesztıdik: EUVfoton=∆Eelektron + egyéb gerjesztés. 2. A rendszer az egyéb gerjesztett állapotból relaxálódik. 3. Az elektron visszaugrik az alapállapotba ∆Eelektron-nak megfelelı látható tartományba esı foton kisugárzása közben.
Radioaktivitás
• Alfa-bomlás: az atommagból egy hélium atommag (erısen kötött 2 • • • • • • • •
proton és 2 neutron) válik ki. Erısen ionizáló, viszont hatótávolsága levegıben 1 cm alatt van. Béta-bomlás: az atommagban neutronból lesz proton elektron kibocsátása közben (a béta-sugárzás tehát elektronsugárzás). Közepesen ionizáló hatású, hatótávolsága levegıben pár 10 cm. Gamma-bomlás: energia távozik nagy energiájú fotonként. Az elıbbiek kísérıjelensége szokott lenni. Hatótávolsága levegıben praktikusan végtelen, a nagy tömegszámú elemek (általában ólom) nyelik el hatékonyan. Felezési idı: megmutatja, mennyi idı alatt bomlik el a radioaktív magok fele.
