Kémia

1. Kémia Fizika BSc. Tarczay György

2. Felkészülés, számonkérés • Segédanyagok: • Előadás diái (Ez csak ábraanyag, ezért saját órai jegyzettel kiegészítve!!!): http://www.chem.elte.hu/departments/altkem/tarczay/kemiaf/ • Középiskolai kémia könyvek (Villányi Attila: Kémia, Összefoglaló középiskolásoknak, 7. kiadás, Műszaki Kiadó, Budapest, 2010) • Náray-Szabó Gábor: Kémia, Akadémiai Kiadó, 2006 • Vizsga: írásbeli • Minimálkövetelmények és minta zh-k: http://www.chem.elte.hu/departments/altkem/tarczay/kemiaf/ • Konzultáció: • igény szerint • Elérhetőség • tarczay@chem.elte.hu • Kémia épület 542-es szoba és 5.120-as labor

3. A tárgy tematikája • A kémiai tudomány születése. • Elemek keletkezése és eloszlása a világegyetemben és a földkéregben. • Kémiai alapfogalmak. Vegyjel, képlet, anyagmennyiség, atom- és molekulatömeg. Tömegspektrometria. • Kémiai kötés típusai. Izoméria. Konstitúció, konformáció, konfiguráció fogalma. • Molekulák térszerkezete. VSEPR-elmélet. • Szerkezetkutató módszerek. Spektroszkópia alapjai és diffrakciós módszerek. • Kondenzált fázisú anyagok szerkezete. Kolloid rendszerek. • Kémiai folyamatok energetikája, termokémia: reakciók entalpiája és képződési entalpia. • Kémiai reakciók sebessége: elemi reakciók, reakciórend, kísérleti módszerek és elméleti leírások. • Reakciótípusok: sav-bázis és redoxireakciók. Redoxireakciók térbeli szétválasztása: elektrokémia. • Elemek és szervetlen vegyületek. Fémkomplexek és fémorganikus vegyületek. • Szénvegyületek alapvető csoportjai, bioorganikus molekulák.

4. Ókori görög anyagelmélet Arisztotelész (i.e. 384–322) folytonos anyagelmélet Démokritosz (i.e. ~460–371) atomelmélet

5. Középkori anyagtudomány folytonos anyagelmélet ALKÍMIA Cillei Borbála (1392 – 1451) szélhámosság vagy tudomány??? metallurgia, jatrokémia Theophrastus Bombastus von Hohenheim (Paracelsus) (1493–1541): minden anyag három elemből épül fel: Például ami a fában "... ég, az a Kén, ami füstöl, az a Higany, ami hamuvá lesz, az a Só".

6. A modern anyagelmélet felé → flogiszton-elmélet Johann Joachim Becher (1635 – 1682) Robert Boyle (1627 – 1691) 1661: „A szkeptikus kémikus” „alkímikus” szemlélet kritikája kísérletek: elrontott égési kísérlet Georg Ernst Stahl (1659 – 1734)

7. A modern anyagelmélet születése Anyag-, tömegmegmaradás törvénye Antoin Laurent Lavoisier (1743 – 1794) Mihail Vasziljevics Lomonoszov (1711 – 1765) Cavendish, Scheele, Priestley munkái alapján a flogisztonelmélet cáfolata: kémiai égés: oxigénnel való egyesülés Boyle korábbi hibás égési kísérletének megismétlése → flogisztonelmélet cáfolata ELEMEK és VEGYÜLETEK

8. A modern anyagelmélet születése Joseph Louis Proust (1754 – 1826) John Dalton (1766 – 1844) Állandó súlyviszonyok törvénye Többszörös súlyviszonyok törvénye

9. A modern anyagelmélet születése • DALTON: • Az anyagok atomokból épülnek fel. • Elemek azonos atomokból épülnek fel. A különböző atomoknak eltérő tulajdonságaik (pl. tömeg!) vannak. • Különböző atomok kémiai reakciójában vegyületek keletkeznek. • A vegyületek pontos formulákkal leírhatók: egészszámok törvénye.

10. A vegyjelek BERZELIUS: A kémiai jeleknek betűknek kell lenniük, mert ezeket könnyebb leírni, és nem formátlanítják el a nyomtatott könyveket. … Ezért én kémiai jelnek minden elem latin nevének kezdőbetűjét fogom használni. DALTON: Berzelius jelei szörnyűségesek; a vegytan ifjú hallgatói a hébert sem tanulnák meg nehezebben, mint ezeket. Mintha az atomok káoszát látnánk, [amely csak arra szolgál,] ... hogy összezavarja a tudóst, elbátortalanítsa a tanulót és elhomályosítsa az atomelmélet szépségét. Jons Jacob Berzelius (1779 – 1848)

11. A modern anyagelmélet születése Joseph Louis Gay-Lussac (1778 – 1850) Amedeo Carlo Avogadro (17761856) azonos nyomású és hőmérsékletű gázok egységnyi térfogata azonos számú részecskét tartalmaz ATOM és MOLEKULA fogalma (H2, O2, H2O!) többszörös súlyviszonyok törvényének alátámasztása gázokra

12. Mengyelejev-féle periódusos rendszer Dimitri Mendeleev (1834 – 1907)

13. Modern atomelméletek Ernest Rutherford (1871 – 1937) a- és b-sugárzás atommag 1908: kémiai Nobel-díj Niels Bohr (1885 – 1962) Joseph John Thomson (1856–1940) kvantumelméleten alapuló atomszerkezet 1922: fizikai Nobel-díj 1897: az elektron felfedezése 1906: fizikai Nobel-díj

14. A kémiai elemek keletkezése: nukleoszintézis Francis William Aston (1877 – 1945) 1922: kémiai Nobel-díj Sir Arthur Stanley Eddington (1882 – 1944) 1920: Felveti, hogy a csillagok energiájukat hidrogén és hélium fúziójából nyerik. 1919: 212 IZOTÓP pontos tömegének mérése tömegspektrográffal, egész-szám szabály 1927: „tömeghiány”

15. Atomok és molekulák tömegének mérése alapfogalmak: RENDSZÁM TÖMEGSZÁM ATOMTÖMEG RELATÍV ATOMTÖMEG jelölés: MÓL (1 mol = 6,022∙1023 db) (ÁTLAGOS) MOLÁRIS TÖMEG TÖMEGSPEKTROMETRIA könnyebb minta elpárologtatása becsapódó elektronok ionizálnak töltött részecskék Newton: F=ma Lorentz: F=qv×B q=ze e: egységtöltés z: töltésszám a=(z/m)ev×B legnehezebb minta szeparáció elektronforrás gyorsítás (U) elektromos térrel mágneses tér (B)

16. A tömegspektrum Ma is az egyik legfontosabb szerkezetkutató módszer relatív intenzitás

17. A kémiai elemek keletkezése: nukleoszintézis Robert d'Escourt Atkinson 1898 –1982 Friedrich Georg Houtermans 1903 –1966 1929: Első elmélet elemek nukleoszintézisére proton és hélium illetve proton és nehezebb magok fúziójával csillagokban

18. Georgiy Antonovich Gamov 1904  1968 Ralph Alpher 1921  2007 A kémiai elemek keletkezése: nukleoszintézis Hans Albrecht Bethe 1905  2005 Nobel-díj: 1967 „abg cikk”: Alpher, R. A., H. Bethe, G. Gamow, “The Origin of Chemical Elements,” Physical Review, 73 (1948), 803. Ősrobbanás, táguló világegyetem, de még hibás nukleoszintézis elmélet 1957: Burbidge, Burbidge, Fowler és Hoyle: nukleoszintézis helyes, átfogó elmélete

20. Csillagok evolúciója: HertzsprungRussel diagram

21. Csillagok fejlődése

22. A kémiai elemek keletkezése: nukleoszintézis – magreakciók típusai • Exoterm reakciók: • Hidrogénégés proton-proton láncreakció CNO ciklus • He-égés • C(O,Ne)-égés • a-folyamat • e-folyamat • Neutronbefogásos reakciók: • s-folyamat (slow, lassú neutronbefogás) • r-folyamat (rapid, gyors neutronbefogás) • Egyéb reakciók: • p-folyamat (protonbefogás) • x-folyamat (kozmikus sugárzás-befogás)

23. A kémiai elemek keletkezése: nukleoszintézis– H-égés proton – proton láncreakció • Naptömegű és könnyebb fősorozatbeli csillagokban domináns (Napban ~ 90%), kb. 1 ×107 K és 1,6 ×107 K között • Első lépés a leglassabb (sebesség-meghatározó): ~1010 év felezési idő, míg a második lépés felezési ideje mindössze 0,6 s • Bruttó egyenlet (az 1. ágra): 41H → 4He + 2e+ + 2ne + 26,72 MeV • A Napban 1 s alatt 600 × 109 kg 1H konvertálódik át, ebből 0,7% tömeg→energia konverzió • A g sugárzás kb. 106 év alatt jut ki a felszínre, eközben különféle kölcsönhatások következtében csökken az energiája (nő a hullámhossza) • 1H + 1H → 2H + e+ + ne + 0,42 MeV • e+ + e− → 2g + 1,02 MeV • 2H + 1H → 3He + g + 5,49 MeV • 1.ág • 3He +3He → 4He + 1H + 1H + 12,86 MeV • 2. ág • 3He + 4He → 7Be + g • 7Be + e− → 7Li + ne • 7Li + 1H → 4He + 4He • 3. ág • 3He + 4He → 7Be + g • 7Be + 1H → 8B + g • 8B → 8Be + e+ + ne • 8Be ↔ 4He + 4He • 4. ág • 3He + 1H → 4He + ne + e+

24. A kémiai elemek keletkezése: nukleoszintézis – H-égés CNO ciklus • Nehéz, fősorozatbeli csillagokban domináns, 1,6 ×107 K fölött • 4He és g részecskék keletkezése (+ neutrino és pozitron) • C, N és O katalizátor: visszatermelődnek • 10 % H elégése után összehúzódás: hőmérséklet 2 ×108 K -re ugrik Főág 12C + 1H → 13N + g +1,95 MeV 13N → 13C + e+ + ne +1,37 MeV 13C + 1H → 14N + g +7,54 MeV 14N + 1H → 15O + g +7,35 MeV 15O → 15N + e+ + ne +1,86 MeV 15N + 1H → 12C + 4He +4,96 MeV Mellékág (0,04 %) 15N + 1H → 16O + g 16O + 1H → 17F + g 17F → 17O + e+ + ne 17O + 1H → 14N + 4He

25. A kémiai elemek keletkezése: nukleoszintézis – He-,C-égés He-égés (Hármas a-folyamat) • Vörös óriásokban, 1 ×108 K és 5 ×108 K közötti hőmérsékleten • 16O keletkezéséig nagy valószínűséggel, utána kevésbé • 8Be és 2 4He között kicsi az energiakülönbség → egyensúly 4He + 4He ↔ 8Be 8Be + 4He → 12C + g + 7,367 MeV Nettó reakció: 3 4He → 12C + g + 7,275 MeV További reakciók: 12C + 4He → 16O + g + 7,148 MeV 16O + 4He → 20Ne + g + 4,75 MeV 20Ne + 4He → 24Mg + g + 9,31 MeV 24Mg + 4He → 28Si + g C-égés 12C + 12C → 24Mg + g → + 13,85 MeV → 23Mg + n → 23Na + 1H + 2,23 MeV → 20Ne + 4He + 4,62 MeV → 16O + 24He • Csak nagyon nagy tömegű csillagokban, 5 ×108 K feletti hőmérsékleten

26. A kémiai elemek keletkezése: nukleoszintézis – a- és e-folyamat a-folyamat 20Ne + g → 16O + 4He 4,75 MeV 20Ne + 4He → 24Mg + g +9,31 MeV Nettó: 220Ne + 4He → 16O + 24Mg + g +4,56 MeV Hasonlóan: 28Si, 32S, 36Ar, 40Ca • Fehér törpékben, 109 K hőmérsékleten e-folyamat („egyensúlyi” folyamat) • Fősorozatbeli, nagy (1,43,5) naptömegű csillagok robbanásakor (szupernóva robbanás) • 3 × 109 K körül elemi részecskék lehetséges kapcsolódásának statisztikus „egyensúlya” • Ti – Cu elemek, különösen a legstabilabb 56Fe, szintézise

27. A kémiai elemek keletkezése: nukleoszintézis – s- és r-folyamat s-folyamat • Neutronok forrása a (Napnál nagyobb) csillagban végbemenő folyamatok • b-bomlásnál (elektron kibocsátás) leggyakrabban lassabb, ezért b-bomló izotópoknál nem jut tovább: 209Bi + n → 210Bi + g 210Bi → 210Po + b 210Po → 206Pb + α • A=63209 (pl. 89Y, 90Zr, 109Ba, 140Ce, 208Pb, 209Bi) és az a-folyamatban nem keletkező A=2346 izotópok szintézisének fő útja r-folyamat • Neutronok forrása szupernóva robbanások, T~109 K • b-bomló izotópoknál tovább juthat • Neutronban gazdag izotópok szintézise pl. 36S, 46Ca, 48Ca, illetve nehéz, instabil izotópok, pl. 232Th • Az utóbbiak relatív mennyisége lehetőséget ad a Naprendszer korának becslésére

28. A kémiai elemek keletkezése: nukleoszintézis – p- és x-folyamat p-folyamat • Szupernóva robbanáskor keletkező nagy kinetikus energiájú protonok befogása • Ritka, protonban gazdag magok szintézise, pl. 74Se, 196Hg x-folyamat • Kozmikus részecskék becsapódása atommagokba → atommagok szétesése • Könnyű, stabil, ritka magok 6Li, 7Li, 9Be, 10B, 11B szintézise Cygnus Loop szupernova

29. diffúz felhők molekulafelhők szuper- óriások csillag körüli burok szupernóva robbanások sűrűsödések forgó korongok csillagok, naprenszerek Az anyag körforgása a galaxisban molekulák nehéz elemek elemek szintézise a Fe-ig

30. A kémiai elemek stabilitása Energia/nukleon /1011 J A (tömegszám)

31. A kémiai elemek stabilitása

32. Elemek gyakorisága az Univerzumban

33. H He C N Ne O Si Ar Mg S Fe Az asztrofizikusok (asztrokémikusok) periódusos rendszere

36. A Föld szerkezete Atmofil elemek a légkörben: O, N, He, Ne, Ar, Kr, Xe, H, C Biofil elemek (H, C, O, N, P) a biomasszában. Litofil elemek: oxidvegyület-képzők (alkálifémek, az alkáli földfémek, az alumínium, szilícium) szilikátkéregben Kalkofil elemek: Szulfidképzők (kén , arzén , réz- és cinkcsoport) a kalkoszférában halmozódnak fel. Sziderofil elemek: Vas-csoport, platina-csoport, Au, Ge, Sn (Pb), C, P, Mo, Re vasmagban.

42. Átlagos moláris atomtömegek pontossága

43. „Szén-14-es kormeghatározás” A módszer kidolgozása: 1949, Willard Frank Libby (1908 –1980), kémiai Nobel-díj: 1960

45. Molekulák keletkezése csillagközi felhőkben Sűrű Diffúz

46. Molekulák keletkezése (sűrű) csillagközi felhőkben

47. Csillagközi térben észlelt molekulák (2007 november)

48. Bolygók atmoszférájának kémiai összetétele

49. Kémiai evolúció (?) Miller-Urey kísérlet (1953, University of Chicago)