Szervetlen kémia (Óraszám: II. félév: 2 + 0 + 6 III. félév: 2 + 0 + 0) (Kreditszám: 10 = 3 + 0 + 4 3 + 0 + 0) Tantárgyfelelős: Dr. Sóvágó Imre egyetemi tanár Meghírdető tanszék: Szervetlen és Analitikai Kémia
Debrecen, 2005
2 A tárgy neve:
Szervetlen kémia I (előadás)
Tantárgyfelelős:
Dr. Sóvágó Imre egyetemi tanár
A tárgy oktatója:
Dr. Lázár István egyetemi docens
Óraszám/hét:
2 óra
Kreditszám:
3
Számonkérés módja:
kollokvium
Tematika: A szervetlen kémiai alapjainak megismertetése, a p-mezőbeli elemekre és a hidrogénre vonatkozó ismeretek tárgyalása, az elméleti és a gyakorlati ismeretek elsajátítása. Tartalma: A nemfémes elemek, valamint a p-mező félfémes és fémes elemeinek fizikai és kémiai tulajdonságai, előfordulásuk, előállításuk elvi alapjai. A vegyületek szerkezeteinek fontosabb típusai, kémiai reakcióik, termikus stabilitásuk, sav-bázis és redoxi tulajdonságaik áttekintése, különös tekintettel a hidridekre, hidroxidokra, oxidokra, oxisavakra és szulfidokra. A szóban forgó elemek és vegyületeik élettani hatásai. A fontosabb vegyületek laboratóriumi és ipari előállításának kémiai alapjai. A vegyületek és ionok ligandum tulajdonságainak az áttekintése, analitikai kémiájuknak az alapjai. A fontosabb elemek és vegyületeik alkalmazása a laboratóriumi gyakorlatban és az iparban. Az egyes elemekkel és vegyületekeikkel kapcsolatos környezetvédelmi kérdések.
A tárgy részletes tematikája: 1.
hét: Az elemek eredete és kozmikus gyakorisága a világegyetemben és a földkéregben. Hidrogénhélium ciklus, energiatermelés, elemek keletkezése a csillagokban és a csillagközi térben. A Föld keletkezése, az elemek földi gyakorisága, a vulkáni tevékenység szerepe, az ősi légkör összetétele és
változása.
Az
elemek
előfordulási
formái,
dúsulásaik,
kémiai
összetétel
szerinti
csoportosításaik. Az elemek elektronszerkezete, az azokból következő lehetséges oxidációs állapotok, hibridizációjuk, a legelterjedtebb hibridállapotok típusa, térszerkezete. Az elemek kinyerésének ill. előállításának általános módszerei. 2.
hét: A hidrogén legfontosabb fizikai tulajdonságai, a nagy diffúziósebesség jelentősége. A hidrogén oldódása az egyes anyagokban és ennek gyakorlati következményei. A hidrogén izotópjai, azok tulajdonságai, az izotópok jelentősége, gyakorlati alkalmazásaik. Az atommag spinje, az orto- és parahidrogén előfordulása, szerepe és felhasználása. A hidrogén elektronszerkezete, lehetséges oxidációs számai, redoxi tulajdonságai, legfontosabb kémiai tulajdonságai, reakciói. A hidrogén előfordulása, laboratóriumi és ipari előállításának a módszerei, laboratóriumi és ipari felhasználásai. A hidrogén mint alternatív üzemanyagforrás, a hidrogéntárolás
lehetőségei.
A
hidrogén
legfontosabb
vegyületeinek
típusai,
kovalens
3 hidrogénvegyületek, sószerű hidridek, intersticiális hidridek. A hidrogénkötés jellemzése. A hidrogén legfontosabb vegyületei, azok előállítása és gyakorlati felhasználásai. 3.
hét: A nemesgázok általános jellemzése. A nemesgázok előfordulása, felfedezésük történe, fizikai tulajdonságaik, a szuperfolyékonyság jelensége. A nemesgázvegyületek felfedezése, vegyületeik felosztása. A xenon elektronszerkezete, lehetséges oxidációs állapotai, a xenonvegyületek sztereokémiája. A xenon fluoridjainak, oxidjainak, oxosavainak és oxosav-sóinak lehetséges összetételei, előállításuk lehetőségei, stabilitásuk, kémiai reakcióik, gyakorlati felhasználásaik. A nemesgázok kinyerése, laboratóriumi és ipari felhasználásai. A halogéncsoport elemeinek általános jellemzése. A halogének atomi paraméterei, fizikai tulajdonságai, kémiai tulajdonságai, reakcióképességük, lehetséges oxidációs számaik. A halogénelemek kölcsönhatása a különböző oldószerekkel, hidratációjuk, a halogének zárványvegyületei és azok szerkezete. A halogénelemek kémiai reakciói, a polihalogenidionok szerkezete, a halogénelemek előfordulása, élettani hatásuk, a halogenidek biológiai jelentősége. A halogénelemek laboratóriumi és ipari előállítása, felhasználásaik.
4.
hét: Az elemek halogenidjeinek általános összetétele, legfontosabb típusaik, szerkezetük, főbb fizikai és kémiai jellemzőik. A hidrogén-halogenidek fizikai tulajdonságai, szerkezetük, legfontosabb kémiai tulajdonságaik, laboratóriumi és ipari előállításuk, gyakorlati felhasználásaik. Az interhalogének típusai, általános összetételük, a molekulageometria értelmezése a vegyértékelektronpár taszítási elmélet segítségével. Az interhalogének előállítása, fizikai és kémiai tulajdonságaik. A halogének oxigénnel alkotott vegyületei, a halogén-oxidok fizikai és kémiai tulajdonságai, előállításuk, felhasználásaik. A halogén-oxosavak és sóik általános összetétele, a bennük lévő halogének oxidációs száma, laboratóriumi és ipari előállítási módszereik, kémiai reakcióik, gyakorlati felhasználásaik. A vízfertőtlenítésben használatos halogénszármazékok tulajdonságai, alkalmazási köreik.
5.
hét: Az oxigéncsoport elemeinek előfordulása, általános jellemzése, elektronszerkezetük, jellemző oxidációs számok, fizikai tulajdonságaik. Az oxigén szerkezete, allotrop módosulai, oldékonysága vízben. Az oxigénmolekula lehetséges átalakulásai, kémiai reakciói. Az ózon szerkezete, előfordulása, fizikai és kémiai tulajdonságai, előállítása. Az ózonréteg szerepe a földi élet megőrzésében. Az ózonréteget károsító vegyi anyagok szerepe, aktuális környezetvédelmi problémák. Az oxidok általános jellemzése, sav-bázis tulajdonságaik, rácstípusaik. A kén allotrop módosulatai, fizikai tulajdonságai, lehetséges oxidációs számai, oldékonysága, reaktivitása, legfontosabb kémiai reakciói. A szulfidok általános jellemzése, sav-bázis tulajdonságaik, szerkezetük, főbb típusaik, előfordulásuk, előállításuk. A szelén és tellúr allotrop módosulatai, fizikai tulajdonságaik, szerkezetük, kémiai reakcióik, legfontosabb vegyületeik, előállításuk és felhasználásaik. Az oxigén és a kén előfordulási formái, biológiai jelentősége, körforgása a természetben, előállításuk laboratóriumi és ipari módszerei, gyakorlati felhasználásaik. Ózonizátorok, felhasználásaik.
6.
hét: Az oxigéncsoport elemeinek hidrogénnel alkotott vegyületei összetétele, előfordulása, fizikai tulajdonságaik, kémiai reakcióik, sav-bázis tulajdonságaik, redoxi-sajátságaik. A víz tulajdonságai, előfordulása, felhasználása, előállítása és tisztítása. A vizek keménysége, a keménység
4 megszüntetésének módszerei. A hidrogén-peroxid szerkezete, fizikai és kémiai tulajdonságai, laboratóriumi és ipari előállítása, felhasználása. A hidrogén-peroxid szerepe az élő szervezetekben. A kén, szelén, tellúr hidrogénvegyületeinek összetétele, fizikai tulajdonságai, előfordulása, kémiai reakciói, előállítása és gyakorlati felhasználásaik. 7.
hét: A kalkogén elemek halogénekkel alkotott vegyületeinek az összetétele, szerkezete, előfordulása, fontosabb fizikai és kémiai tulajdonságaik, előállításuk laboratóriumi és ipari módszerei, gyakorlati felhasználásaik. A kén, szelén és tellúr oxidjai, oxosavai és sói. Az oxidok összetétele, szerkezete, előfordulása, fizikai és kémiai tulajdonságaik. A kén oxidjai és oxosavai szerkezete, előállítása, fizikai és kémiai tulajdonságaik, előállításuk laboratóriumi és ipari módszerei, oxosavak legfontosabb sói, a savak és sók gyakorlati felhasználásai. Peroxo-kénsavak és kén-kén kötést tartalmazó kén-oxosavak szerkezete, előállítása, felhasználásaik. A kén-oxidok környezeti hatásai, savas esők. A kén-oxidok eltávolítási lehetőségei.
8.
hét: A nitrogéncsoport elemeinek elektronszerkezete, lehetséges hibridizációs állapotaik, a hibridállapotok szerkezete, legfontosabb képviselőik. A nitrogéncsoport elemeinek előfordulási formái a természetben, allotrop módosulataik. Az elemek fizikai tulajdonságai, lehetséges oxidációs állapotaik, fizikai és kémiai tulajdonságaik, laboratóriumi és ipari előállításuk módszerei, az elemek gyakorlati felhasználásai. A nitrogéncsoport elemei hidridjeinek összetétele, általános fizikai és kémiai tulajdonságaik, legfontosabb képviselőik.
9.
hét: Az ammónia és a hidrazin fizikai és kémiai tulajdonságai, szerkezete, sav-bázis és redoxi tulajdonságai, oldószertulajdonságai, laboratóriumi és ipari előállításának módszerei, gyakorlati felhasználásaik. A foszfor, arzén, antimon hidridjei. A nitrogéncsoport elemeinek halogenidjei, halogenokomplexei, összetételük, stabilitásuk, előállításuk, fizikai és kémiai tulajdonságaik. A nitrogén és a foszfor oxidjainak és oxosavainak az összetétele, szerkezete, kötésviszonyaik, előállításukra használható laboratóriumi és ipari módszerek, sav-bázis és redoxi tulajdonságaik, fizikai tulajdonságaik és kémiai reakcióik. A nitrogén-oxidok élettani hatásai. A nitrogén-monoxid szerepe az élő szervezetekben.
10. hét: A nitrogén és a foszfor oxosavainak és oxosavak legfontosabb sóinak a laboratóriumi és ipari előállítása, felhasználási lehetőségeik. A nitrogéncsoport további eleminek oxidjai, oxosavai, hidroxidjai, azok fizikai és kémiai tulajdonságaik, előállításuk, felhasználásuk. A nitrogéncsoport elemeinek szulfidjai, azok szerkezete, fizikai tulajdonságai, előállítása, analitikai felhasználásaik. 11. hét: A széncsoport elemeinek előfordulása és körforgása a természetben, elektronszerkezetük, lehetséges oxidációs számaik. A szén elektronszerkezete, lehetséges kötésviszonyai, a szén sztereokémiájának tárgyalása a hibridizációs lehetőségek alapján. A szén és a szilícium szerkezetének és kötésviszonyainak az összehasonlítása, az eltérések magyarázata atomszerkezeti alapon. A szén előfordulása, az allotropok előállításának ipari és laboratóriumi módszerei, fizikai tulajdonságai, allotrop módosulatai, legfontosabb izotópjai, a radiokarbon kormeghatározás alapjai. A szilícium és a germánium előfordulása, fizikai és kémiai tulajdonságaik, reaktivitásuk, előállításukra használható módszerek, gyakorlati felhasználásaik. Az ón és az ólom előfordulása, fizikai és kémiai tulajdonságaik, reaktivitásuk, előállításukra használható módszerek, gyakorlati felhasználásaik. A szilicium és a germánium hidridjeinek összetétele, szerkezete, termikus, redoxi
5 és oxidatív stabilitásuk, hidrolízisük. A hidridek előállítására szolgáló módszerek, ipari és laboratóriumi felhasználásaik. Az ón és az ólom hidridjeinek összetétele, stabilitásuk, előállításuk. 12. hét: A szén és a szilícium halogenidjeinek összetétele, szerkezete, fizikai tulajdonságaik. A szén és a szilícium halogenidjei hidrolítikus és redoxi tulajdonságai, az eltérések magyarázata. A germánium, ón és ólom halogenidjeinek összetétele, fizikai és kémiai tulajdonságaik, reaktivitásuk, oldékonyságuk, hidrolítikus és redoxi tulajdonságaik. A szén és a szilícium oxidjainak a szerkezete, kötésviszonyaik, sav-bázis tulajdonságaik, előfordulásuk, mesterséges előállításuk laboratóriumi és ipari módszerei, gyakorlati felhasználásaik. A szén-dioxid környezeti szerepe, az üvegházhatás értelmezése, a globális felmelegedés és a szén-dioxid koncentráció összefüggése. A szén és a szilícium oxosavainak fizikai és kémiai tulajdonságai, szerkezeti jellegzetességeik áttekintése és magyarázata, stabilitásuk, sav-bázis tulajdonságaik, előállításukra szolgáló módszerek, gyakorlati felhasználásaik. Az előforduló legfontosabb karbonátok és hidrogénkarbonátok. az ón és az ólom oxidjai. Szén-nitrogén kötést tartalmazó szervetlen vegyületek, hidrogén-cianid, dicián, ciánsav és izociánsav. Szén-kén kötést tartalmazó szervetlen vegyületek, szén-diszulfid, tiosavak és tiobázisok. A karbidok összetétele, csoportosítása és szerkezete, fizikai tulajdonságaik, gyakorlati felhasználásaik. 13. hét: A bórcsoport elemeinek előfordulási formái, legfontosabb ásványaik, előállításukra használható
eljárások.
A
bór
és
az
alumínium
elállítása.
A
bórcsoport
elemeinek
elektronszerkezete, lehetséges hibridizációs állapotaik, az elektronszerkezetből következő savbázis tulajdonságaik. A bórcsoport elemei halogenidjeinek összetétele, szerkezete, fizikai és kémiai tulajdonságai, sav-bázis tulajdonságaik értelmezése. A bór hidridjeinek lehetséges összetétele, szerkezeti jellegzetességeik, semleges és anionos boránok és bór-hidridek. A két- és többcentrumú kötések bemutatása a bór-hidridek vonatkozásában. A diborán előállítása, tulajdonságai. A bór poliéderes hidridjeinek szerkezete, stabilitása. 14. hét: A karboránok szerkezete, kötésviszonyai, reaktivitása, gyakorlati felhasználásaik. Az alumínium és a bór komplex hidridjei, azok reaktivitása, gyakorlati felhasználásaik. A bór-trioxid, a bórsav, a bórax és az ortobórsav-észterek összetétele, szerkezete, fizikai és sav-bázis tulajdonságaik, kémiai reakcióik, előállításuk, gyakorlati felhasználásaik. Az alumínium oxidjai és összetett oxidjainak az öszetétele, szerkezete, előfordulása a természetben. Az alumíniumhidroxidok tulajdonságai, ipari előállításuk, gyakorlati felhasználásaik. Nagy felületű alumíniumoxid előállítása és alkalmazásai. Az ipari alumíniumgyártás legfontosabb lépései. Az alumíniumcsoport elemei vegyületeinek élettani hatásai, gyógyászati alkalmazásaik. Ajánlott irodalom: 1. 2. 3. 4.
Dr. Emri József, Szervetlen kémai I/a, (oktatásai segédanyag), A hidrogén, a nemesgázok, a halogének és az oxigéncsoportbeli elemek kémiája, DE Szervetlen és Analitikai Kémiai Tanszék, 2003/2004 Dr. Győri Béla, A IV/1 és III/1 csoport, (oktatási segédanyag), KLTE Szervetlen és Analitikai Kémiai Tanszék Dr. Győri Béla, Az V. oszlop főcsoportjának elemei és vegyületei, (oktatási segédanyag), DE Szervetlen és Analitikai Kémiai Tanszék Greenwood, Earnshaw, Az elemek kémiája I-III, Tankönyvkiadó, Budapest, 2004
6 A tárgy neve: Tantárgyfelelős: A tárgy oktatója: Óraszám/hét: Kreditszám: Számonkérés módja:
Szervetlen kémia II. (előadás) Dr. Sóvágó Imre egyetemi tanár Dr. Sóvágó Imre egyetemi tanár 2 óra 3 kollokvium
Tematika: A tárgy az előző félévben a "Szervetlen Kémia I" tárgyban elkezdett ismeretek tárgyalásának folytatása és célja a fémes elemekre vonatkozó elméleti és gyakorlati ismeretek elsajátítása. Tartalma: Az alkáli- és alkáliföldfémek általános jellemzése, tulajdonságaik és fontosabb vegyületeik. Az átmenetifémek általános jellemzése, tulajdonságaik, előállításuk és fontosabb vegyületeik. A komplexvegyületek képződése, típusai, tulajdonságaik. A fémionok és ligandumok komplexképző hajlama. A lantanoidák és aktinoidák általános jellemzése, fontosabb vegyületeik. A kémiai elemek biológiai szerepe, a szervetlen vegyületek környezeti hatásai, a bioszervetlen kémia alapjai. A fémorganikus vegyületek fogalma, típusai és ismertebb képviselőik. A tárgy részletes tematikája: 1.
2.
3.
4.
5.
hét: A fémek általános jellemzése, a fémek szerkezete, a fémes kötés. A sávelmélet alapjai, vezetők, félvezetők és szigetelők. A fémek alapvető fizikai és kémiai tulajdonságai, alkalmazási területeik, ötvözetek típusai. Az alkálifémek általános jellemzése, fizikai és kémiai tulajdonságaik, előfordulásuk, előállításuk és felhasználásuk. Az alkálifémek oldódása cseppfolyós ammóniában. Az alkálifémek és vegyületeik élettani hatásai. hét: Az alkálifémek fontosabb vegyületei: hidridek, halogenidek, oxidok, hidroxidok és oxoanionokkal alkotott sóik. A nátrium-klorid gyakorlati jelentősége, a nátrium-hidroxid és a szóda előállítása. Az ionrácsos vegyületek általános jellemzői, az ionrács típusai. Az alkálifémek kovalens vegyületei, a lítium eltérő sajátságainak értelmezése. Az alkálifémek komplexképző sajátságai, koronaéterek és kriptándok. Az alkáliföldfémek általános jellemzése, fizikai és kémiai tulajdonságaik, előfordulásuk, előállításuk és felhasználásuk. Az alkáliföldfémek és vegyületeik élettani hatásai, szerepük az emberi környezetben. hét: Az alkáliföldfémek fontosabb vegyületei: hidridek, halogenidek, oxidok, hidroxidok és oxoanionokkal alkotott sóik. A kalcium és magnézium, valamint vegyületeik gyakorlati jelentősége, a mészégetés, mészoltás, gipsz, foszfátok és egyéb kalciumsók jelentősége. A berillium és vegyületeinek eltérő sajátságai. Az alkáliföldfémek kovalens vegyületei, a Grignardreagens és gyakorlati alkalmazásai. Az alkáliföldfémek komplexképző sajátsága. hét: Az átmenetifémek általános jellemzése. Az elektronszerkezet, ionizációs energia, elektronegativitás, atom- és ionméret, valamint az oxidációs szám változása a d-mezőben. Az átmenetifémek fontosabb fizikai és kémiai sajátságai, a tulajdonságok "vízszintes és függőleges" hasonlósága, az átmenetifémek csoportosítása. Az átmenetifémek gyakorisága és előfordulása, az előfordulás különböző formái, a gyakoriság/előfordulás és a fém jelentőségének/ ismertségének kapcsolata. hét: Az átmenetifémek előállításának módszerei. A nemesfémek kinyerése, a ciánlúgozás és a hidrometallurgia alapjai. A redukciós módszerek típusai, a redukálószerek kiválasztásának elvi és gyakorlati szempontjai. A szulfidok feldolgozása, a fémkohászat környezeti vonatkozásai. Az elektrokémiai módszerek, az oldat-és olvadékelektrolízis. Termikus módszerek.
7 6.
hét: Koordinációs kémiai alapfogalmak. A komplexvegyületek geometriája, izomériája és nevezéktana. A komplexképződés termodinamikai és kinetikai jellemzése, inert és labilis komplexek. A stabilitási állandó és értékét befolyásoló tényezők, a "hard-soft" (kemény-lágy) savbázis elmélet alkalmazhatósága a koordinációs/szervetlen vegyületek stabilitásának értelmezésére. A komplexvegyületek és ligandumok csoportosítása, σ-donor és π-akceptor ligandumok. A kelát
7.
8.
9.
10.
11.
12.
és a makrociklusos effektus fogalma, jelentősége. Az elektrosztatikus kristálytérelmélet alapjai, a komplexvegyületek színe és mágneses visselkedése, kis és nagy spinszámú komplexek. A kristálytér stabilizációs energia fogalma és jelentősége. hét: Az átmenetifémek vegyületeinek általános jellemzése. Az átmenetifémek hidridjei és gyakorlati alkalmazásaik. A Pd/H2 rendszer jellemzése. A halogenidek csoportosítása összetétel, kötésviszonyok és szerkezet szerint. A halogenidek előállításának módszerei. Az oxidok, hidroxidok és oxosavak jellemzése. Az oxidok csoportosítása összetétel és kötésviszonyok szerint. Az oxidok termikus stabilitása, a kémiai tulajdonságok és az oxidációs szám összefüggése. Az oxidok előállításának módszerei. hét: Az átmenetifémionok létezése vizes oldatokban: kationok, oxokationok és oxoanionok. Az izo-és heteropolisavak kialakulásának feltétele, a képződést befolyásoló tényezők. Az összetett oxidok fontosabb képviselői, jellemző rácstípusok. Oxidbronzok, ferritek, szupravezető oxidok. Az átmenetifémek szulfidjai, a szulfidok analitikai és geokémiai jelentősége. A fémionok analitikai besorolása (Fresenius rendszer). Az átmenetifémek karbidjai. hét: A titáncsoport (Ti, Zr, Hf) elemeinek fizikai és kémiai tulajdonságai, előfordulásuk, előállításuk és felhasználásuk. A titáncsoport elemeinek jellemző oxidációs állapotai és vegyületeik általános jellemzése. A titán-tetraklorid, titán-dioxid és cirkónium-dioxid tulajdonságai és gyakorlati jelentőségük. A vanádiumcsoport (V, Nb, Ta) elemeinek fizikai és kémiai tulajdonságai, előfordulásuk, előállításuk és felhasználásuk. A vanádiumcsoport elemeinek jellemző oxidációs állapotai és vegyületeik általános jellemzése. A vanádium-pentaoxid és a vanadátok, izopolivanadátok jellemzése. A vanádium koordinációs kémiája. hét: A krómcsoport (Cr, Mo, W) elemeinek fizikai és kémiai tulajdonságai, előfordulásuk, előállításuk és felhasználásuk. A krómcsoport elemeinek jellemző oxidációs állapotai és vegyületeik általános jellemzése. Halogenidek, oxidok, izo- és heteropolisavak. A krómcsoport elemeinek koordinációs kémiája. A mangáncsoport (Mn, Tc, Re) elemeinek fizikai és kémiai tulajdonságai, előfordulásuk, előállításuk és felhasználásuk. A mangáncsoport elemeinek jellemző oxidációs állapotai és vegyületeik általános jellemzése. A mangán koordinációs kémiája és a mangán-dioxid és kálium-permanganát reakciói, alkalmazásaik. A technécium szerepe az orvosi diagnosztikában. hét: A vascsoport (Fe, Co, Ni) elemeinek fizikai és kémiai tulajdonságai, előfordulásuk, előállításuk és felhasználásuk. A vas és acélgyártás. A vascsoport elemeinek jellemző oxidációs állapotai és vegyületeik általános jellemzése, fontosabb halogenidek, oxidok, hidroxidok és sóik. A vascsoport elemeinek koordinációs kémiája. A platinafémek fizikai és kémiai tulajdonságai, előfordulásuk, előállításuk és felhasználásuk. A platinafémek jellemző oxidációs állapotai és vegyületeik általános jellemzése. A platinafémek koordinációs kémiája: Wilkinson-komplex, Vaska- komplex, ciszplatin, transz-hatás. hét: A rézcsoport (Cu, Ag, Au) elemeinek fizikai és kémiai tulajdonságai, előfordulásuk, előállításuk és felhasználásuk. A rézcsoport elemeinek jellemző oxidációs állapotai és vegyületeik általános jellemzése. Fontosabb halogenidek, oxidok és sóik. A fényképezés kémiája. A rézcsoport elemeinek koordinációs kémiája. A cinkcsoport (Zn, Cd, Hg) elemeinek fizikai és kémiai tulajdonságai, előfordulásuk, előállításuk és felhasználásuk. A cinkcsoport elemeinek jellemző
8 oxidációs állapotai és vegyületeik általános jellemzése. Fontosabb halogenidek, oxidok és sóik. A higany(I)vegyületek jellemzése. A cinkcsoport elemeinek koordinációs kémiája. 13. hét: Az átmenetifémek biológiai hatása: létfontosságú és toxikus elemek, a bioszervetlen kémia alapjai. A fémorganikus vegyületek csoportosítási lehetőségei. A hapticitás fogalma. Kovalens fémorganikus vegyületek, alkének, alkinek és a ciklopentadién komplexvegyületei. A karbonilkomplexek jellemzése: összetétel, előállítás, reakciók. 14. hét: Az f-mező elemeinek elektronszerkezete és az elemek általános jellemzése. A lantanoidák fizikai és kémiai tulajdonságai, előfordulásuk, előállításuk és felhasználásuk. A lantanoidák, hidridjei, halogenidjei, oxidjai és komplexképző sajátságai. A lantanoidák és aktinoidák összehasonlító jellemzése. A tórium és urán fizikai és kémiai tulajdonságai, előállításuk és fontosabb vegyületeik. A transzurán elemek előállítása. Az atomenergia hasznosításának lehetőségei. Maghasadás és magfúzió, az atomreaktorok és atombomba működésének elve. Mesterséges elemek, a periódusos rendszer "vége". Ajánlott irodalom: 1. 2. 3.
Brücher Ernő, Szervetlen kémia (A fémek és vegyületeik) (Egyetemi jegyzet, Debrecen, 2001.) N.N. Greenwood, A. Earnshaw, Az elemek kémiája (Nemzeti Tankönyvkiadó, Budapest, 2004.) Bodor Endre, Szervetlen kémia (Tankönyvkiadó, Budapest)
9 A tárgy neve:
Szervetlen kémia (gyakorlat)
Tantárgyfelelős:
Dr. Sóvágó Imre egyetemi tanár
A tárgy oktatója:
Dr. Buglyó Péter egyetemi adjunktus
Óraszám/hét:
6 óra
Kreditszám:
4
Számonkérés módja:
gyakorlati jegy
Tematika: A szervetlen kémia laboratóriumi gyakorlat célja, hogy – építve az általános kémia gyakorlaton megszerzett elméleti ismeretekre és manuális készségekre – megismertesse a hallgatókkal a nemfémes és fémes elemek valamint fontosabb vegyületeik legalapvetőbb tulajdonságait előállítási és átalakítási lehetőségeit, reakcióit, segítségül szolgáljon az atomszerkezet és kémiai viselkedés közötti összefüggések mértéséhez, elmélyítse a hallgatók anyagismeretét és manuális készségét, korszerű alapokat nyújtson a preparatív kémiai, a klasszikus és műszeres analitikai területekhez. A gyakorlaton elvégzett vagy bemutatott kísérletek egy része modellül szolgálhat ipari technológiák megismerésére vagy felhívhatja a figyelmet környezeti vagy környezetvédelmi vonatkozásokra továbbá fejleszteni kívánja a hallgatók környezettudatos viselkedését és munkavégzését. Ajánlott irodalom: 1.
Dr. Lengyel Béla, Általános és szervetlen kémiai praktikum (Nemzeti Tankönyvkiadó, Budapest)
2.
Dr. Győri Béla, Dr. Emri József, Szervetlen kémiai gyakorlatok (Kossuth Egyetemi Kiadó, Debrecen)
A kurzus részletes tematikája (heti bontásban) A laboratóriumi gyakorlat (14 oktatási hét x 6 óra) az 1. héten 6 órás, a 2–14. héten pedig 5 órás. A 2–14. héten a gyakorlathoz 1–1 óra szemináriumi foglalkozás is tartozik. A szemináriumok (amelyek anyaga szorosan kapcsolódik a gyakorlat anyagához) célja, hogy tisztázzák a gyakorlaton szereplő anyag elméleti alapjait és konzultációs lehetőséget teremtsenek a gyakorlatra történő egyéni hallgatói felkészülés során felmerült problémák megbeszélésére. A feladatok túlnyomó részét a hallgatók önállóan végzik. Néhány idő-, eszköz- vagy anyagigényes gyakorlaton (ún. bemutatókísérlet) 10-12 fő együtt vesz részt, ahol egy-két kijelölt hallgató végzi el a feladatot a gyakorlatvezető jelenlétében. A feladatok egy további részét ismeretlenek analízise jelenti vagy a hallgató egy előre kijelölt preparátumot készít el. Az elvégzett munkáról, az észlelésekről, kísérleti tapasztalatokról a hallgatók jegyzőkönyvet vezetnek, amely elkülönülten tartalmazza a gyakorlatra való felkészülés során otthon, előre írtakat és a gyakorlaton tett bejegyzéseket. 1. hét Bevezetés a laboratóriumi munkába, a hidrogén és a halogének A laboratóriumi munka szabályai, laboratóriumi rend, közös felszerelések használata. A biztonságos és balesetmentes munkavégzés feltételei és módjai. Balesetmegelőzés, egyéni és laboratórumi
10 védőfelszerelések és használatuk, baleseti források, baleset- és tűzvédelmi szabályok. Tennivalók baleset esetén. A laboratóriumi veszélyes hulladékok kezelése, tárolása. A hidrogén és a halogén elemek előállítási lehetőségei laboratóriumban, fizikai tulajdonságaik megismerése. A hidrogénnel kapcsolatos munka szabályai, durranógáz próba. A molekuláris és atomos hidrogén viselkedése: a reakciókészség és szerkezet kapcsolata. Elvégzendő feladatok: Hidrogén fejlesztése sav és bázis vizes oldatából Hidrogén fejlesztése Kipp-készülékben, tisztítása és meggyújtása, atomos hidrogén (csoportos kísérlet) Klór előállítása sósav oxidálásával Jód és bróm előállítása redukcióval 2. hét A halogének reakciói, halogénvegyületek Ismerkedés a halogének tulajdonságaival. Az elemek vagy vegyületeik fizikai tulajdonságainak (pl. szín, oldhatóság) változása egy oszlopon belül a periódius rendszerben. A csoportos kísérlet mint eszköz a csoportban való munkavégzés (team work) és a hallgatóság előtti szereplés (tanárjelöltek) készségének a fejlesztésére. A komplexképződés hatása az oldhatóságra. Elemek, vegyületek vagy anyagkeverékek potenciális veszélyességének megismerése, veszélyes anyagokkal való munkavégzés. Elvégzendő feladatok: Klór reakciója fémekkel (kettesével) Halogének színe (csoportos kísérlet) Jód oldódása vízben és KI-oldatban A hidrogén égése klórban (csoportos kísérlet) Alkáli-klorid, -bromid, -jodid reakciója tömény kénsavval Ezüst-halogenidek előállítása és oldódása Kálium-klorát reakciója vörös foszforral (csoportos kísérlet) 3. hét Preparátumok készítése A meglévő manuális készségre is figyelemmel, a hallgatók eltérő nehézségű preparátumok elkészítését végzik. A feladat tervezőmunkát igényel (a feladat lépései, szükséges anyagok és eszközök), sztöchiometriai számításokat, a reaktánsok és oldószer tömeg- és térfogatmérését. A munkához szükséges eszközök kiválasztása, a készülék összeszerelése, a már megtanult laboratóriumi alapműveletek (pl. oldás, szűrés, bepárlás, kristályosítás, gázfejlesztés, gázpalack használata) és új műveletek (pl. munka csiszolatos eszközökkel, vízmentes körülmények) alkalmazása kiszélesíti és elmélyíti a manuális ismereteket. A kísérlet közbeni várható és váratlan észlelések és az elvégzett feladatok részletes rögzítése fejleszti a jegyzőkönyv-vezetési készséget. A termék hozamának kiszámítása és tisztaságának ellenőrzése is ösztönzi a hallgatót a jóminőségű és megfelelő mennyiségű vegyület előállítására. Elvégzendő feladatok: Hipohalogenitionok vizsgálata Oxigén előállítása kálium-klorát hőbontásával. Ózon előállítása elektrolízissel (csoportos kísérlet) Prepatátumok: a./ [I(C5H5N)]Cl b./ KClO3
11 c./ NaIO3 d./ CuCl2 . 2H2O e./ CuCl f./ PbCl2 4. hét A hatodik oszlop elemeinek hidridjei, oxidjai és oxosavai Az egyszerű eszközökkel kivitelezhető, látványos kísérleteknek (ilyenek pl. az égéssel kapcsolatosak is) fontos didaktikai szerepe van a kémia tantárgy népszerűsítésében, így ezek közül néhány megismerése alapvető a kémia szakos hallgatók számára. A köztes oxidációs állapotú formát tartalmazó vegyületek redukáló vagy oxidáló tulajdonságának a megismerése a redoxi partner függvényében. Gázfejlesztés, speciális gáztisztítás és szárítás. Környezetszennyező
füstgázok
ártalmatlanítására
szolgáló
ipari
technológia
laboratóriumi
modellezése. A kén-hidrogén analitikai jelentősége. A laboratóriumban leggyakrabban használt, a szervetlen kémia tárgykörébe tartozó anyagok fizikai és kémiai tulajdonságainak alapos megismertetése. Elvégzendő feladatok: Preparátumok befejezése és beadása Oxigén előállítása hidrogén-peroxidból kálium-dikromáttal, elemek égetése oxigénben (csoportos kísérlet) A hidrogén-peroxid oxidáló és redukáló tulajdonságának megfigyelése Kén-hidrogén előállítása vas(II)-szulfidból sósavval (olvasmány) Kén-dioxid laboratóriumi előállítása (olvasmány) Kén-hidrogén reakciója kén-dioxiddal (csoportos kísérlet) A kénsav kémiai tulajdonságai Tioszulfátionok reakciói 5. hét Az ötödik oszlop elemei, hidridjei, nitrogén-oxidok, oxosavak A foszfor allotróp módosulatainak eltérő fizikai, kémiai és fiziológiai tulajdonságai, az erősen mérgező anyagokkal való munkavégzés. Alacsony hőmérséklet biztosítása a laboratóriumban, hűtőközegek. A folyékony ammónia mint oldószer; oldószer- és sav-bázis tulajdonságainak összehasonlítása a vízével. A hidridek stabilitásának változása egy oszlopon belül. Gázfejlesztés szilárd anyag termikus bontásával, ismerkedés a nitrogén-oxidokkal. Oxidáló savak reakciókészségének változása a koncentrációval. Elvégzendő feladatok: A fehér- és vörösfoszfor tulajdonságainak összehasonlítása Cu(II)ionok redukciója fehérfoszforral (kettesével) Ammónia cseppfolyósítása, anyagok oldódása cseppfolyós ammóniában (csoportos kísérlet) Az ammónia kémiai tulajdonságai (olvasmány) Foszfin előállítása foszforból (olvasmány) A nitrogén-dioxid előállítása és kísérletek nitrogén-dioxiddal (csoportos kísérlet) Kísérletek salétromsavval A nitrátok stabilitása (olvasmány) A nitrition reakciói 6. hét
12 Az ötödik oszlop elemeinek oxovegyületei, a negyedik oszlop elemei és hidridjei Az eltérő oxidációs állapotú központi atomot tartalmazó oxosavak/oxoanionok redoxitulajdonságainak változása az oszlopban lefelé haladva. Az illékonyság és termikus stabilitás valamint a savi erősség kapcsolata. A (fél)fémek amfoter sajátságának megismerése. A fémek oldódása nem oxidáló savakban; az oldódás termodinamikai és kinetikai kérdései. A negyedik oszlopbeli hidridek és halogenidek termikus, oxidatív és hidrolitikus stabilitásának összehasonlítása és a különbségek értelmezése. Elvégzendő feladatok: Foszforossav képződése és vizsgálata Foszfor(V)-oxid reakciója vízzel és tömény kénsavval A foszforsav tulajdonságai Az arzén(III)- és arzén(V)-oxid kémiai tulajdonságai (olvasmány) Az arzenit- és arzenátionok redoxitulajdonságai (olvasmány) A szilícium oldódása nátrium-hidroxidban Az ón kölcsönhatása savakkal és lúgokkal Az ólom kölcsönhatása savakkal Szilán képződése magnézium-szilicidből (csoportos kísérlet) A szén-tetraklorid és a szilícium-tetraklorid valamint a szilícium-tetraklorid és a szilán hidrolitikus stabilitásának összehasonlítása 7. hét A negyedik oszlop elemeinek vegyületei A szén mint az élővilág és a szilícium mint az élettelen természet építőköve. A szén oxidjainak élettani hatása és kémiai tulajdonságaik kapcsolata. Valódi és formális savanhidridek tulajdonságai. Adott oxidációs állapot redoxitulajdonságainak változása az oszlopban lefelé haladva ón- és ólomvegyületek viselkedésének összehasonlításával. A karbonátok oldhatóságával kapcsolatos jelenségek a természetben és környezetünkben. Elvégzendő feladatok: Szilícium-tetrafluorid képződése és hidrolízise Az ón(II)-klorid tulajdonságai Az ólom(II)-halogenidjei A szén-monoxid előállítása és tulajdonságai (csoportos kísérlet) hidrogén-karbonátok és karbonátok Szilikátásványok feltárása (olvasmány) Az ón oxigénvegyületei Az ólom oxigénvegyületei 8. hét A harmadik oszlop elemei és fontosabb vegyületeik A fémek oxidációja, a korrózióvédelem témakörébe tartozó kémiai változások rendszerezése. A cianiddal való munkavégzés szabályai. A kémiai reakciók során használt redukálószerek típusai, alkalmazhatóságuk lehetőségei. Oxigén- és vízmentes körülmények biztosítása a laboratóriumban, oldószerek tisztítása és szárítása, a Schlenk technika alapjai. A melegítés különböző megvalósítási módjai a laboratóriumban, melegítőfürdők. Komplexképzők analitikai alkalmazásának lehetőségei. Elvégzendő feladatok: A cianidionok reakciói Az ón és az ólom szulfidjai
13 Az alumínium oxidációja Az alumínium kölcsönhatása savakkal és lúgokkal A nátrium-[tetrahidro-borát] tulajdonságai Kísérletek lítium-[tetrahidro-aluminát]-tal (csoportos kísérlet) Nátrium-[hexafluoro-aluminát] képződése Sósav felszabadítása bórsavval (olvasmány) Alumínium-hidroxid képződése és amfoter jellege 9. hét Az s mező fémei és fontosabb vegyületeik Higanyötvözetek (amalgámok) típusai, előállításuk és tulajdonságaik. Szervetlen vegyipari folyamatok modellezése: a higanykatódos kősó elektrolízis megvalósítása, környezetvédelmi vonatkozásai. A magyarországi szervetlen kémiai vegyipar fontosabb termelőegységei, termékskálájuk. A fázistranszfer katalízis fogalma, jelentősége a kémiában. A legegyszerűbb makrociklusos ligandumok és komplexképző tulajdonságaik demonstálása. Vegyületek előállítása elemi szintézissel. Elvégzendő feladatok: Nátriumamalgám előállítása és tulajdonságai Nátrium-klorid-oldat elektrolízise Hg-katóddal Vízben rosszul oldódó alkálifémsók vizsgálata Alkálifémionok koronaéter komplexei Kalcium-hidrid előállítása Magnéziumionok reakciói Alkáliföldfém-ionok reakciói 10. hét Preparátumok Fémelőállítási lehetőségek; az aluminotermia mint módszer megismerése nehezen redukálható fémek előállítására. A nagy hőfejlődéssel járó kémiai reakciókkal kapcsolatos munkavégzés szabályai. A félév során megszerzett manuális ismeretekre támaszkodva, általában összetettebb feladatot jelentő vegyületek előállítása, az ismert alapműveletek alkalmazásával, néhány esetben tűzveszélyes szerves oldószer használatával. Elvégzendő feladatok: Átmenetifémek aluminotermiás előállítása. (Cr vagy Mn előállítása, kettesével) Preparátumok: a./ KNO3 b./ Mg(ClO4)2 ⋅ 6 H2O c./ (NH4)6V10O28 ⋅ 6 H2O
d./ K3[Mn(C2O4)3] ⋅ 3 H2O e./ [{(NH3)5Cr}2 (µ-OH)]Cl5 f./ [Co(NH3)6]Cl3 g./ [Co(NH3)4(NO2)2]Cl h./ [Co(SCN)2(NC5H5)2] i./ [Trisz(pentán-2,4-dionáto)-vas(III)] 11. hét Átmenetifém-halogenidek és oxidok
14 Ismerkedés az átmenetifém-halogenidekkel. Vízmentes átmenetifém-halogenidek előállítási lehetőségei és felhasználási területei. A halogenokomplexek sztöchiometriáját, geometriáját, stabilitását befolyásoló legfontosabb tényezők. A fényképezés alapjai. Elvégzendő feladatok: A preparátumok befejezése és beadása Átmenetifémek fluoridjai és fluorokomplexei Ezüst-klorid, [dikloro-argentát(I)]- komplex és higany(I) klorid képződése és vizsgálata Ezüst-, Higany(I)- és higany(II)-jodidok képződése és vizsgálata 12. hét Átmenetifém-oxidok és hidroxidok Kémcsőkísérletek redoxitulajdonságaik
az
átmenetifém-oxidok
megismerése
és
és
hidroxidok
értelmezése.
A
Mn2O7
témakörében; potenciális
sav-bázis
és
veszélyességének
megismerése. Elvégzendő feladatok: Vízmentes vas(III)-klorid előállÍtása (csoportos kísérlet) Átmenetifém-oxidok képződése oxoanionokból vizes oldatokban. Króm(VI)-oxid előállítása és tulajdonságai Mangán-heptaoxid képződése és oxidáló tulajdonsága Átmenetifém-oxidok képződése vizes közegben 13. hét Átmenetifém-oxoanionok és szulfidok Átmenetifém-oxoanionok képződésének és kémiai tulajdonságainak a megismerése. Izo- és heteropolisavak képződése, szerkezetük, analitikai jelentőségük. Elvégzendő feladatok: Átmenetifém-hidroxidok és hidroxokomplexek képződése és tulajdonságai Átmenetifém-hidroxidok leválÁsa és oldódása ammónia vizes oldatában (amminkomplexek) Kromát- és dikromátionok képződése és tulajdonságaik Permanganátionok képződése A kálium-permanganát oxidáló tulajdonsága 14. hét Elektrokémiai
oxidáció
nagy
oxidációs
állapotok
kialakítására.
Az
átmenetifém-szulfidok
csoportosítása, analitikai jelentőségük megismerése. Átmenetifém-cianokomplexek és analitikai jelentőségük. Elvégzendő feladatok: Oxoanionok képződése anódos oxidációval (csoportos kísérlet) Átmenetifém-szulfidok képződése és vizsgálata Átmenetifém-cianidok és cianokomplexek képződése és vizsgálata A felszerelés tisztítása és leadása.
