SZERVETLEN KÉMIA
SZERVETLEN KÉMIA Hidrogén Atom általános jellemzése: Elektronszerkezet: 1s1, rendszám: 1, atomtömeg: 1 mag szerkezete: 1H: prócium, 2H vagy D: deutérium, 3H vagy T: trícium Gyakoriság: univerzum leggyakoribb eleme, földfelszínen 3.(atom) ill 9.(tömeg) világegyetem 93%-a, emberi test 61%-a Vegyérték: 1; oxidációs szám: +1, -1 Elektronegativitás: 2,1 Természetes körülmények között kétatomos molekulákat alkot, kötési energia: -436 kJ/mol
Molekula általános jellemzése: Természetes körülmények között gáz, legkönnyebb, 14,4-szer könnyebb a levegőnél olvadáspont: 14,01K; forráspont: 20,28K kritikus pont: 32,97K, 1,293 MPa sűrűségség (273K, 101,325 kPa) 0,08988 g/dm3; 20K: 70.99 g/dm3; disszociációs energia: 435,9 kJ/mol orto ill. para -hidrogén
SZERVETLEN KÉMIA Hidrogén Előfordulása: légkörben kb. 1 ppm (elszökik) elemi formában: biológiai tevékenység eredménye vegyületeiben: víz, szénhidrogének
Előállítás: iparban (szükséges mennyiség, tisztaság, alapanyagok elérhetősége): C + H2O = CO + H2 CH4 + H2O = CO + 3H2 C3H8 + 3H2O = 3CO + 7H2 (Ni katalizátor, 900 C) CO + H2O = CO2 + H2 (Fe v. Co -oxid, 400 C)
elektrolízis (NaCl) laboratóriumban: fémhidridekből
CaH2 + 2H2O = Ca(OH)2 + 2H2
alkáli ill. alkáliföldfémek oldása vízben Ca + 2H2O = Ca(OH)2 + H2
fémek oldása savakban ill. lúgokban Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2 ill. 2Al + 6H2O + 2OH− = 2Al(OH)4− + 3H2
SZERVETLEN KÉMIA Hidrogén Felhasználás: • ammóniaszintézis, sósavgyártás • szénhidrogének reformálása (hidrokrakkolás, hidrodeszulfurizálás) • növényi olajok hidrogénezése • hidroformilezés (pl: CO + 2H2 = MeOH) • ércek redukálása (W, Mo, Fe) • Hidrogén alapú gazdaság: energiatermelés (gépjárműmotor, fúziós reaktor) !!!drága előállítás, oxigén jelenlétében robbanékony!!! Különlegességek: • protonálódási egyensúlyok (savak és bázisok) • hidrogénhidak (víz, jég, fehérjék, DNS) • oldódás fémekben (Pd, FeTi,LaNi5, Fe)
SZERVETLEN KÉMIA Nemesgázok Általános tulajdonságok • Elektronszerkezet: ns2 np6 • Egyedüli elemek, amelyek atomos állapotban előfordulnak a természetben • A zárt elektronhéj miatt meglehetősen inertek, a magasabb rendszámúak laboratóriumi körülmények között reakcióba vihetők: Xe[PtF6], XeF2, KrF4, BaKrO4 • Szilárd halmazállapot: „molekularács” – diszperziós kölcsönhatásokkal Legelterjedtebb felhasználás: • fénycsövek, izzólámpák töltése – – – – –
kisnyomású nemesgáz (általában keverék) + többnyire kevés Hg vagy fémsó feszültség hatására elektromos kisülés → ionizálja a gázt szabaddá váló elektronok gyorsulnak a feszültség hatására, ütköznek a gázfázisban levő atomokkal, ionokkal, ezzel gerjesztik elektronjaikat, a gerjesztett elektronok visszakerülve az alapállapotba UV és látható fotonokat sugároznak ki.
SZERVETLEN KÉMIA Hélium Előfordulás: 2. leggyakoribb elem a világegyetemben Előállítás: földgáz cseppfolyósításakor gázfázisban marad, uránkőzetek hevítése
Felhasználás: • Hűtőanyag szupravezető mágnesekben, kriogenikában (< -150 oC) • He-Ne lézer különböző műszerekben • Léghajók, léggömbök (H után a legkönnyebb)
SZERVETLEN KÉMIA Argon Előfordulás: Föld légkörének 0.93 %-át alkotja
Előállítás: cseppfolyós levegő frakcionált lepárlásával Felhasználás: • Védőgáz fémkohászatban, ívhegesztésnél • Hőszigetelt üvegben az üveglapok között • Élelmiszeriparban csomagológáz
SZERVETLEN KÉMIA Kripton, Xenon, Radon Kripton (Kr) • Előállítás: cseppfolyós levegő frakcionált lepárlásával • Izzólámpa töltőgáza Xenon (Xe) • Előállítás: cseppfolyós levegő frakcionált lepárlásával • Elsőként előállított nemesgáz vegyület: Xe[PtF6]. • Xenonlámpa töltőgáza (vakuk) • Űreszközök ionhajtóművének hajtóanyaga (ionizációs kamrában ionizálják, majd az ionokat elektromos térben felgyorsítva kilövik. Kis, de hosszú ideig egyenletes tolóerő: bolygóközi utazásra optimális. Radon (Rn) • Radioaktív háttérsugárzás 40 %-a, 238U bomlásából keletkezik. Összegyűlik a lakóhelyiségek légterében. Tüdőrák 2. leggyakoribb okozója.
SZERVETLEN KÉMIA Halogének Általános jellemzésük: • Elektronszerkezet: ns2np5 • F, Cl, Br, I nemfém, At (mesterséges elem) félfém • Elektronegativitás: 4,0-2,2 • Kis EN-ú elemekkel ionos, nagy EN-ú elemekkel kovalens kötésű vegyületeket alkotnak. • Vegyérték: 1, 3, 5, 7 (oxidációs szám: -1, +1, +3, +5, +7) kivéve a F, aminek oxidációs száma csak -1 lehet. • Erős oxidálószerek (anionná redukálódnak) • Elemi állapotban kétatomos molekulákat képeznek. • Színesek: molekuláik a látható fény hatására gerjesztődnek. • Szobahőmérsékleten F, Cl gáz, Br folyékony, I szilárd. Előfordulás: tengervízben, ásványvizekben, többnyire Na-só formájában.
SZERVETLEN KÉMIA Fluor Jellemző tulajdonsága: • Legerősebb oxidáló elem, nemesgázokkal is (Kr, Xe, Rn) reagál. • Megtámadja a legtöbb elemet: esetenként a fejlődő hő mellett fényeffektus. Fontosabb vegyületei: • Hidrogén-fluorid (HF): középerős sav, üvegmaratásra használják SiO2 + 4HF = SiF4 + 2H2O Erős hidrogénkötés: H2F2, H4F4, H6F6 asszociátumokat képez • Nátrium-fluorid (NaF): fogpasztában • Nátrium-[hexafluoro-aluminát] = kriolit (Na3[AlF6]) Al gyártásban elektrolízisnél: 1000 oC-os olvadéka oldja a timföldet (enélkül 2000oC kellene)
SZERVETLEN KÉMIA Klór Általános jellemzése: • Fojtó szagú gáz, elemi állapotban vulkáni gázokban • Elemi állapotban kétatomos molekula • Reaktivitása hasonló (csak gyengébb) a fluoréhoz Előállítás: NaCl vizes oldatának elektrolízise → Cl2 + H2 Felhasználás: • fertőtlenítés (víz, gyógyászat) Cl2 + H2O ⇌ HCl + HClO HClO → HCl + ‘O‘ Hidrogén-klorid (HCl) • Szúrós szagú gáz, vizes oldata a sósav (erős sav), kis koncentrációban gyomorban • Előállítás: NaCl + H2SO4 = NaHSO4 + HCl • Felhasználás: PVC gyártás, gyógyszeripar + sok egyéb iparágban • (I. világháború — harci gáz)
SZERVETLEN KÉMIA Bróm Bróm (Br) • Vörösbarna, rossz szagú folyadék (büzeny). • A periódusos rendszer egyetlen folyékony halmazállapotú nemfémes eleme. • Könnyen elpárolog. • Oldódik szeves oldószerekben és vízben. • Klóréhoz hasonló jellegű reaktivitás (de gyengébb) • Felhasználás: gyógyászatban nyugtatóként (KBr, NaBr), a fényképészetben (AgBr)
SZERVETLEN KÉMIA Jód Általános jellemzői: • Kristályos állapotban szürke, vizes oldata sárgásbarna, gőze lila színű. • Vízben rosszul oldódik, de KI-os oldatban már jól: I2 + I- = I3- komplex ion. • Oxidálószer (leggyengébb a halogének közül). Fontos élettani szerep: (pajzsmirigy által termelt tiroxin növekedési hormon) Hiánya: pajzsmirigy megnagyobbodás (golyva), törpeség, szellemi visszamaradottság. Napi szükséglet felnőttkorban: 0.15 mg (jódozott só) De: 2-3 g már halálos méreg. Előfordulás: tengervíz, édesvíz, NaIO3 salétrombányákban Radioaktív jód: 131I (urán maghasadásakor), felezési ideje 8 nap Illékony, levegőben relatíve nagy koncentráció katasztrófa esetén. Pajzsmirigyben összegyűlik → daganatos betegség. Védekezés: napi 130 mg KI tabletta Előállítás: NaIO3 + 3 NaHSO3 = NaI + 3NaHSO4 NaIO3 + 5NaI + 3H2O = 3I2 + 6NaOH Felhasználás: • halogén izzólámpákban W szál párolgásának csökkentésére • eső indítás: AgI felhőkbe porlasztása • fertőtlenítésre: 3 %-os alkoholos—vizes oldatát (oxidáló hatása miatt) • reagens (analitikai laborokban)
SZERVETLEN KÉMIA Oxigéncsoport Általános jellemzésük: • Elektronszerkezet: ns2np4 • O, S, Se nemfém; Te, Po félfém • Közepes elektronegativitás: 2,0-3,5 (többnyire kovalens kötést képeznek) • Vegyérték: 2, 4, 6
SZERVETLEN KÉMIA Oxigén Előfordulása: • 3. leggyakoribb elem a világegyetemben • Leggyakoribb elem a Földön a földkéreg (30-40 km) 42 %-a (szilikátok, karbonátok, foszfátok). Levegő 20.9 %-a. Jellemző tulajdonságai: • Szobahőmérsékleten gáz, • Cseppfolyós és szilárd halmazállapotban kék • Kétatomos molekula (O2), kevésbé stabilabb mint N2. Egy kötés, és két azonos spinű magános p elektron (két fél Előállítás: • cseppfolyós levegő frakcionált desztillációjával • vízből elektrolízissel Legjelentősebb allotróp módosulata az ózon (O3) Fertőtlenítő hatású, légkörben UV védelem
kötés)
SZERVETLEN KÉMIA Oxigén Felhasználás elemként (O2): • Acélgyártás, • Nagyhőmérsékletű kohók, kemencék fűtése, • Hegesztés, • TiO2 előállítása, • Rakéta hajtóanyag, • Szennyvízkezelés, • Orvosi alkalmazások.
SZERVETLEN KÉMIA Ózon ÓZON (O3): mérgező, rossz szagú gáz. Keletkezése a sztratoszférában:
Bomlása: Katalizálva:
"véletlen" keletkezés: nagyfeszültséget alkalmazó elektromos eszközökben (fénymásolók, lézernyomtatók, elektromotorok)
SZERVETLEN KÉMIA Ózon Ózon ipari előállítása (alkalmazás helyén, szállítani nem lehet, bomlik): • koronakisülés • UV -besugárzás • DBD (dielectric barrier discharge) Ózon felhasználása: • levegő ill. víz sterilizálása (hamar lebomlik, nincs vegyszermaradvány) • fehérítés • szerves szintézisek (kettős kötések szakítása) • víz mangánmentesítése (2Mn2+ + 2O3 + 4H2O = 2MnO(OH)2(s) + 2O2 + 4H+) • cianidos szennyvizek/iszapok ártalmatlanítása (CN− + O3 = CNO− + O2)
SZERVETLEN KÉMIA Oxigén: vegyülete a víz Legfontosabb vegyületei:
Víz (H2O) • • • • •
Földelszín 71% -át borítja, 97% -a sós (tengerek, óceánok), 2,4% -a jég (gleccserek, sarki jégsapkák), 0,6% -a folyók, tavak Erős hidrogénkötés, vízben legstabilabbak a négyes asszociátumok (H8O4) Jég: folyadéknál lazább szerkezete miatt sűrűsége kisebb mint a vízé (térfogata nagyobb 9%-al). Víz sűrűsége +4 oC-on a legnagyobb.
Tulajdonságok • Átlátszó (vízi élet), szagtalan, íztelen. • Erősen poláris kötések, következmény: hidrogénkötések, magas forráspont. • Nagy dielektromos állandó, nagy felületi feszültség. • Folyadékfázisban is strukturált (hidrogénkötés-hálózat). • Szilárd fázisban legstabilabb formájában "üreges" rács. • Öndisszociáció, sav-bázis reakciók, H3O+ és OH− ionok nagy mobilitása. • Tiszta állapotban jó szigetelő. • Jó oldószer. humán célokra használható víz "előállítása" (ipari folyamatok gyakran sokkal tisztább vizet igényelnek mint az ivóvíz, pl. nagynyomású kazánok tápvize 99.999998% tisztaságú): • sótalanítás (desztilláció, ioncsere, reverz ozmózis) • víztisztítás (koaguláció/flokkulálás-szűrés-lágyítás-fertőtlenítés)
SZERVETLEN KÉMIA Oxigén: vegyülete a víz Előfordulási formák más molekulákkal asszociátumokban (kristályvizek, akvakompexek, szilárd hidrátok): • koordináció kationos komplexekben (*Ni(OH2)6](NO3)2,H3O+) • koordináció hidrogénkötéssel oxoanionokhoz (CuSO4 · 5H2O egyik vize) • rácsvizek (kationok és anionok méretkülönbségének kiegyenlítésére) • zeolitvizek • klatrát hidrátok (metánhidrát)
SZERVETLEN KÉMIA Oxigén: vegyülete a H2O2 • Hidrogén-peroxid (H2O2) - Színtelen, szagtalan, nem éghető folyadék - Erős hidrogénkötést képez, vízzel korlátlanul elegyedik - Peroxokötés gyenge, erősen bomlékony: H2O2 = H2O + ,O’ - A felszabaduló naszcensz (atomos) oxigén miatt erős oxidálószer. 2HCl + H2O2 = Cl2 + H2O Előállítása: BaO2 + H2SO4 = BaSO4 + H2O2 (BaO + O2 = BaO2 500 ºC-on) Fontosabb alkalmazásai: fertőtlenítőszer, színtelenítőszer, rakéták üzemanyaga Bomlását nehézfémek és sóik katalizálják
SZERVETLEN KÉMIA Oxigén: vegyületei az oxidok Csoportosítás (vizes oldatban hidroxidok alapján): • bázisos: elektropozitív elemek oxidjai: 2NaO + H2O = 2NaOH • amfoter: köztes elektronegativitású elemek oxidjai: Al(OH)3 + 3H+ = Al3+ + 3H2O Al(OH)3 + OH− = [Al(OH)4]− • savas: elektronegatív elemek oxidjai: SO3 + H2O = H2SO4 • semleges: nem reagál vízzel, lúgokkal, savakkal: CO
SZERVETLEN KÉMIA Kén Jellemző tulajdonsága: • Sárga,szilárd • Elemi állapotban 8-atomos molekulák ( -kötés) Előfordulása: • Természetben elemi állapotban vulkángőzökben. • földkéregben 340 ppm (elemi forma, szulfidok, diszulfidok, kénhidrogén,szerves kénvegyületek, szulfátok (gipsz)) • Kőolajfinomítás mellékterméke
SZERVETLEN KÉMIA Kén Előállítása: • bányászat (Frasch-eljárás) • piritek (pörköléskor SO2, közvetlenül használható kénsavgyártásnál) • földgáz (H2S, etanolaminban elnyeletés, majd Clauseljárás) • hidrodeszulfrizálás : • C2H5SH + H2 = C2H6 + H2S • Claus-eljárás: • 2H2S + 3O2 = 2SO2 + 2H2O • 2H2S + SO2 = 3S + 2H2O
SZERVETLEN KÉMIA Kén Felhasználás elemként: • vulkanizálás • széndiszulfid gyártás, műanyagipar • rovar és gombairtószerek szintézise • gyógyszerek előállítása • borászat (baktériumölő), • kénsav előállítás
SZERVETLEN KÉMIA Kén Legfontosabb vegyületei: Hidrogén-szulfid (H2S, kén-hidrogén) Előfordulás: vulkáni gázok, kénes ásványvizek, záptojás (fehérjék bomlásterméke) Savas jellege miatt fémekkel reagál (pl. ezüst: fekete Ag2S) Kén-dioxid (SO2) Vulkáni tevékenységből, szén és kőolajszármazékok elégetésekor → savas esők Redukálható (oxidáló tulajdonság): SO2 + 2H2S = 3S + 2H2O Oxidálható (redukáló tulajdonság): 2SO2 + O2 = 2SO3 Ezen reakció vanádiumpentoxid (V2O5) katalizátorral a kénsavgyártás fő lépése. Borászatban hasznos tulajdonságok: antioxidáns, antiszeptikus (mikroorganizmus ölő), íz, zamat és színalakító hatás Kén-trioxid (SO3) kénsavgyártás
SZERVETLEN KÉMIA Kén vegyületei Kénsav (H2SO4) • Egyik legnagyobb mennyiségben előállított vegyszer (szinte minden vegyipari ágazatban használt alapanyag) Max. 98 %-os vizes oldatát használják (e fölött SO3 párolog ki belőle). Akkumulátorban 33,5 %-os van. Kétértékű nagyon erős sav. Tömény H2SO4 erősen vízelvonó, még szerves vegyületekből is elvonja a H és O-t → elszenesíti őket. • Tömény forró kénsav erős oxidálószer, de HNO3-nál gyengébb. • Autoprotolízis: 2H2SO4 ⇌ H3SO4+ + HSO4- K=2,7.10-4 (mol/dm3)2 sokkal erősebb mint a vízben (10-14), vezeti az áramot. • Vízben disszociációja: H2SO4 + H2O = H3O+ + HSO4- (hidrogén-szulfátion) HSO4- + H2O = H3O+ + SO42- (szulfátion) Szulfátok (SO42-) • Tetraéderes szerkezetű, de – a sok helyen látható ábrával ellentétben - a 4 oxigén ekvivalens, 8 e--ból álló delokalizált -rendszer van a 4 S-O kötés körül. • Fontosabb szulfátok: PbSO4, CaSO4, MgSO4, CuSO4.5H2O (növényvédőszer)
