1 / 82

Kovács Attila

Kovács Attila. Kémia terméktervezőknek. BME, Szervetlen és Analitikai Kémia Tanszék MTA-BME Anyagszerkezeti és Modellezési Kutatócsoport. akovacs@mail.bme.hu http://amkcs.ch.bme.hu/ka.htm Tel.: 463-22-78. Kurzussal kapcsolatos tudnivalók. Vizsgaidőszakban írásbeli vizsga

idania
Download Presentation

Kovács Attila

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Kovács Attila Kémia terméktervezőknek BME, Szervetlen és Analitikai Kémia Tanszék MTA-BME Anyagszerkezeti és Modellezési Kutatócsoport akovacs@mail.bme.hu http://amkcs.ch.bme.hu/ka.htm Tel.: 463-22-78

  2. Kurzussal kapcsolatos tudnivalók • Vizsgaidőszakban írásbeli vizsga • Opcionális: évközben előadásidőben 3 db zárthelyi  megajánlott jegy • Előadásanyag (ppt) honlapról előre letölthető • Előadás: K140, 17.15 - ?? (Időpont megegyezés szerint, csak az utolsó előadás napja fix) http://amkcs.ch.bme.hu/ka.htm

  3. A kémia helye a természettudományok között

  4. Miért van szüksége a gépész terméktervezőnek kémiai tudásra? • Vegyiparban, kutatóintézetekben, egyéb laborokban gépekkel, műszerekkel dolgoznak • Gépeket felépítő anyagnak vannak kémiai vonatkozásai • Gépek működésének kémiai vonatkozásai • fém, ötvözet, műanyag • megfelelő szilárdság, környezeti hatásokkal szembeni ellenállóság • működésbiztosítás (kenőolaj) • megmunkált anyag tulajdonságai • műszerekkel nyert kémiai információ (gép célja)

  5. 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)

  6. Tematika • Általános kémia • Szervetlen kémia • Szerves kémia • Elemek • Alkáli-, alkáliföld- és átmeneti fémek vegyületei • Nemfémes elemek vegyületei

  7. Tematika • Általános kémia • Szervetlen kémia • Szerves kémia • Alifás vegyületek • Aromás vegyületek • Alkoholok, karbonsavak, aminok • Polimerek (Dr. Wagner Ödön)

  8. Az atom Az atom az anyag azon legkisebb stabil része, melyre az anyag kémiai úton bontható. A különböző elemek különböző 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 idő 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

  9. Név (jel) Tömeg (kg) Töltés (C) Relatív Relatív tömeg töltés • Proton (p+) 1,673.10-27 +1,6.10-19 1 +1 • Elektron (e-) 9,109.10-31 -1,6.10-19 1/1840 -1 • Neutron (n0) 1,675.10-27 0 1 0 • + kb. 200 kis részecske Jellemzők: • Az atom semleges: protonok és elektronok száma azonos • Vegyjel: C, N, O, H, Al, Fe, stb. • Rendszám: protonszám (jelölés: 6C) • Tömegszám: protonok + neutronok száma (ezek a nukleonok), pl. 12C Izotóp: azonos protonszám mellett eltérő neutronszám, pl. 14C 6 6 Az atom felépítéseelemi részecskék: atommag + elektronok

  10. Elektronok Az elektronok a kb. 10-15 m átmérőjű atommagok körül mozognak meghatározott energiájú és alakú elektronpályákon. Elektronpálya (atomok esetében atompálya) = ahol az elektron mozgása közben 90%-os valószínűséggel megtalálható. Jellemzők: • Atommag – elektronok közötti vonzás • Elektron – elektron taszítás • Elektron mozog (tartózkodási valószínűség) • Energiaminimumra való törekvés = alacsonyabb energia kedvezőbb (helyzeti energia analógja) 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 kívülről belép

  11. Alhéj: egyúttal különböző alakú pályákat jelent: • s (l=0) • p (l=1) • d (l=2) • f (l=3) Elektronszerkezet Az elektronok az atommag körül jól definiált rendszer szerint mozognak. Az atompályák elektronhéjakba/alhéjakba csoportosíthatók, melyeket kvantumszámokkal jellemzünk. Főkvantumszám (n): elektronhéjat definiálja (K, L, M, N, …) Mellékkvantumszám (l): elektron alhéjat definiálja (s, p, d, f, …) • K (n=1): 1s2 • L (n=2): 2s2, 2p6 • M (n=3): 3s2, 3p6, 3d10 • N (n=4): 4s2, 4p6, 4d10, 4f14 • …… Mágneses kvantumszám: atompálya térbeli iránya mágneses térben Értéke: egész szám -l … +l tartományban • 1-féle s pálya (2 db s e-) • 3-féle p pálya (6 db p e-) • 5-féle d pálya (10 db d e-) • 7-féle f pálya (14 db f e-) Spinkvantumszám: +1/2 és -1/2 Két elektron lehet minden pályán

  12. Atompályák részletesen Bodonyi F., Pitter Gy.: Kémiai összefoglaló, Műszaki Könyvkiadó, Budapest

  13. 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 spinű elektron) lehet csak. Hund szabály: egy alhéjon adott számú elektron úgy helyezkedik el, hogy maximális legyen a párosítatlan spinű elektronok száma. Pl. Fe 3d6 betöltöttsége: Bodonyi F., Pitter Gy.: Kémiai összefoglaló, Műszaki Könyvkiadó, Budapest

  14. Elektronszerkezet 28Ni elektronszerkezet felépülése: • 28 elektron • 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, 4s2, 3d8 • Vegyértékelektronok: 4s2, 3d8 Vegyértékelektronok: telítetlen héj(ak)on levő elektronok. Ezek vesznek részt kémiai reakciókban és a másik atomokkal való kölcsönhatásokban.Atomtörzs: atommag + nem vegyértékelektronok (kémiailag inert)

  15. Lángfestés (gerjesztés) A lángban az elektronok a hő hatására magasabb energiájú pályára kerülnek. A gerjesztés után az energiaszinteknek megfelelő energia-különbség kisugárzása közben visszakerülnek az eredeti energia-szintre. Egyes elemeknél a kibocsátott foton hullámhossza a látható fény tartományába esik. foton kibocsátás hő 3p Na: 3s

  16. Tűzijáték 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 levő gyújtózsinórral. • A motortérben levő feketelőpor égése gázt termel, mely hajtja a rakétát. • Ha a feketelőpor elfogy, begyullad a robbanófej: csillagok, stb.

  17. Fluoreszcencia(UV fénnyel besugározva) Kalcit (CaCo3) Gipsz (CaSO4) Fluorit (CaF2) http://www.mineraltivadar.hu/AboutTheMinerals.htm

  18. 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 sFoszforeszcencia: 10-3 – 103 s Magyarázat: • UV foton hatására egy vegyértékelektron magasabb energiájú pályára gerjesztődik: EUVfoton=DEelektron + egyéb gerjesztés. • A rendszer az egyéb gerjesztett állapotból relaxálódik. • Az elektron visszaugrik az alapállapotba DEelektron-nak megfelelő látható tartományba eső foton kisugárzása közben.

  19. Periódusos rendszer(Mengyelejev, 1869) http://www.ptable.com/ nemesgáz csoport: zárt héj, extra stabil s-mező(fémek) p-mező(nemfém, félfém, fém) d-mező(fémek) f-mező(fémek) Rendezés elve: • növekvő rendszám (elektronszám, atomtömeg) • hasonló vegyértékelektron szerkezet egymás alatt

  20. Kémiai kötések Az atomok kémiai kötésekkel kapcsolódnak egymáshoz molekulákat vagy nagyobb rendszereket alkotva: • Elsőrendű kötések (általában atomok között) • Másodrendű kötések (általában molekulákközött) • Ionos kötés • Kovalens kötés (koordinatív kötés) • Fémes kötés • Hidrogénkötés • Dipólus-dipólus kölcsönhatás • Diszperziós kölcsönhatás Elektronegativitás: az atom elektronvonzó képessége. Két atom kölcsönhatásakor a nagyobb elektronegativitású képes bizonyos fokig elszívni a másik egyes vegyértékelektronjait. • Kis elektronegativitás: s-, d-, f-mező fémei (ENCs=0.7) • Nagy elektronegativitás: p-mező nemfémes elemei (ENF=4) • Változás: csoportban felfelé, sorban jobbra nő. Nemesgáz elektronszerkezetre való törekvés = stabilitás!

  21. Összetett ionok: NH+, SO2-, CO2-, stb. 4 3 4 K+ F- Ionos kötés Egy negatív és egy pozitív töltésű ion közötti elektrosztatikus (Coulomb-féle) vonzóerő. Anion: semleges atomból elektron felvétellel (nemfémes elemek: F-, Cl-, O2-) Kation: semleges atomból elektron leadással (fémek: Na+, Ca2+, Al3+, stb.) Vegyületképzés: Al2O3semleges! (Első) Ionizációs energia (Ei): energia, mely ahhoz szükséges, hogy semleges atomból egyszeres pozitív töltésű kation képződjék. Elektronaffinitás (Ea): energia, mely felszabadul (vagy szükséges ahhoz), hogy semleges atomból egyszeres negatív töltésű anion képződjék. Kötéstávolság: elektrosztatikus vonzás és taszító (mag-mag, e--e-) erők egyensúlya határozza meg

  22. + - - + Kovalens kötés Az atomok nemesgáz elektronszerkezete elektronmegosztással alakul ki. Néhány (2 - 4 - 6) elektron közössé válik, majd a közös elektronok összekapcsolják az atomokat. Jellemző: nemfémes elemekre Molekulapálya: ahol az elektron két vagy több atommag erőterében 90%-os valószínűséggel tartózkodik. A molekulapálya a kötésben résztvevő elektronok eredeti atompályáiból, azok kombinálódásával alakul ki. Emiatt tükrözi bizonyos fokig az atompályák tulajdonságait. * lazító molekulapálya Kötő molekulapálya alacsonyabb energiájú mint az atompályák, elektronok számára kedvezőbb. Ez a kémiai kötés hajtóereje! E atompályák kötő molekulapálya

  23. Kovalens kötéss (egyszeres) kötés Kialakulhat: • s – s elektronok között • s – p elektronok között • px – px elektronok között Jellemző: az elektronsűrűség maximuma a két atomot összekötő egyenes (kötéstengely) mentén van. Egyszeres kötés = egyvegyértékű atom az egyik partner: • hidrogén vegyületei (HBr, H2O, NH3, CH4) • halogének vegyületei (F2, Cl2, SCl2, PF3, CCl4) F F2 F E http://dl.clackamas.edu/ch106-02/sigma.htm

  24. Kovalens kötésp kötés Kialakulhat: • py – py elektronok között • pz – pz elektronok között Jellemző: a két atomot összekötő egyenes (kötéstengely) mentén nincs elektron, az elektronsűrűség az egyenes alatt és felett épül ki (két érintkezési pont, de csak egy kötés!). A gyengébb p-p átlapolás miatt a p kötések gyengébbek mint a s kötés. Ezért a többszörös kötésekben az egyik általában s kötés, csak a második illetve harmadik p. p kötés = két- vagy háromvegyértékű atomok között • kettős kötés (O2, CO2, SO2, SO3, H2C=CH2) • hármas kötés (N2, HCCH, HCN) a második p merőleges az első síkjára N N2 N E p atompályák p pályák s pálya http://dl.clackamas.edu/ch106-02/sigma.htm

  25. Kovalens kötés egyéb fontosabb jellemzői: • Nemkötő elektronpár: kötésben részt nem vevő vegyértékelektronok pl: N2 a N vegyértékhéja: 2s2 2p3 • Kötéshossz: a kötést létesítő atomok magjai közti távolság • Kötésszög: a kapcsolódó atomok magjai által bezárt szög • Kötési energia: kötés felszakításához szükséges energia • Kötésrend = (kötőelektronok – lazító pályán levő elektronok)/2 Pl. H2: 1 H2: 0.5 H2: 0.5 N N + - Kovalens kötés lazító E E E atompályák kötő Miért nincs kovalens kötésű He2 molekula? (2e- kötő, 2e- lazító pályán lenne)

  26. C O Kovalens kötés Koordinatív (datív) kötés: A kötő elektronpárt az egyik atom adja (volt nemkötő elektronpárja) Pl. C (2s2 2p2) O (2s2 2p4) Molekulák között is: H3B + NH3 H3B NH3 p atompályák p pályák s pálya Vegyérték: egy adott molekulában az adott atomhoz tartozó kötő elektronpárok száma. HCl (1;1), H2O (1;2), NH3 (3;1), CH4 (4;1), H2S (1;2), SO2 (4;2), SO3 (6,2) (b) (a) S vegyértékhéja: 3s2 3p4 3d0 kis energia befektetéssel átalakulhat: (a) 3s2 3p3 3d1 illetve (b) 3s1 3p3 3d2-vé

  27. H H H Ca F F C B H N H H H H H H Térbeli alak 3D szerkezet: a központi atom nemkötő elektronpárjainak és a s kötő elektron- párok kölcsönhatása határozza meg. Cél: • a kötő és nemkötő elekronpárok egymástól legtávolabb helyezkedjenek el • a rendelkezésre álló legnagyobb teret foglalják el • nemkötő elektronpár térigénye nagyobb (NH3 piramis míg CH4 tetraéder) 180º 109.5º 120º 107.3º lineáris (Ca2+: 3s0) síkháromszög (B: 2s22p1) tetraéder (C: 2s22p2) piramis (N: 2s22p3) CH4: a szén vegyértékelektronjai a CH kötések kialakítása előtt átrendeződnek E sp3 hibridpályák azonos energiájúak: ekvivalens kötéseket képeznek 2s22p2 2s12p3

  28. Polaritás Kötések polaritása: Az eltérő elektronegativitású atomok poláris kötéseket létesítenek. A nagyobb elektronegativitású atom jobban vonzza maga felé a kötő elektronpárt: a kötés elektronfelhője torzul. Megbomlik a töltésegyensúly, a nagyobb elektronega-tivitású atom parciálisan negatív, míg a másik parciálisan pozitív töltésű lesz. Pl. HCl, CO, H2O. Apoláris kötés van azonos atomok kapcsolódása esetén. Pl. H2, O2, N2, F2. Molekulák polaritása: Apoláris kötés esetén a molekula is apoláris. Poláros kötéssel kapcsolódó kétatomos molekulák polárisak. Poláris kötéssel kapcsolódó többatomos molekulák polaritása függ a szimmetriától: d+ d- d- d- O C O O H d+ H d+ 105º szén-dioxid: apoláris pozitív és negatív súlypont egybeesik víz: erős dipólus

  29. + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + Fémes kötés A fémek kis elektronegativitásuk miatt könnyen leadják vegyérték elektronjaikat. Szilárd és olvadt halmazállapotban pozitív töltésű fématomtörzsek és delokalizált (helyhez nem kötött) elektronrendszer jön létre. A szilárd halmazállapotban kialakuló szerkezet a fémrács: Alapja a fémes tulajdonságok: • elektromos vezetés • jó hővezetés • megmunkálhatóság (ugyanolyan környezet mint megmunkálás előtt)

  30. d- d- O O H H d+ d+ H H d+ d+ d+ d- d+ d- d+ d- d- d+ Másodrendű kötések(általában molekulák között) Elsőrendű kötések kötési energiája: 80-850 kJ/mol Másodrendű kötések (általában molekulák között) • Hidrogénkötés • Dipólus-dipólus kölcsönhatás • Diszperziós kölcsönhatás 8-40 kJ/mol 0.8-12 kJ/mol 1.0 Å Hidrogénkötés: O-H/N-H/Halogén-H kötések nagy polaritása miatt nagyon kicsi a H körüli elektron- sűrűség. Emiatt közelben levő másik elektronegatív atom vonzza a H-t. Vegyes ionos - kovalens jellegű a kölcsönhatás. Annál erősebb, minél elektronegatívabbak a nem-H atomok. 1.9 Å Dipólus-dipólus kölcsönhatás: aszimmetrikus elektronsűrűség (töltés) eloszlással rendelkező molekulák között. Pl. CO Diszperziós kölcsönhatás: apoláris molekulák térközelbe kerülve tudják egymást polarizálni, kistöltésű indukált dipólusok jönnek létre. Pl. dihalogének (F2, Cl2, Br2) Nagyobb méret → erősebb polarizáció.

  31. Állapot Jellemzők Moláris térfogat (dm3/mol) Standard 25ºC, 0,1 MPa 24,5 Szobahőmérséklet 20ºC, 0,1 MPa 24,0 Normál 0ºC, 0,1 MPa 22,41 HalmazállapotokGáz Avogadro törvénye: azonos nyomású és hőmérsékletű gázok egyenlő térfogatában – az anyagi minőségtől, molekula méretétől függetlenül – azonos számú molekula van. Általános gáztörvény: pV=nRT (R=8,314 m3Pa/molK, moláris gázállandó) mértékegységek R dimenziója alapján Példa: 0.5 mol Cl2 gáz térfogata 20 ºC-on 101300 Pa • V = 0.5 mol • 8,314 • (273 + 20) K V = 0.012 m3

  32. HalmazállapotokFolyadékok Folyadékkristályok: • Részlegesen rendezett állapotban levő folyadékok (átmenet a folyadék és kristályos anyagok között. • Hosszúkás molekulák, melyek hosszú távú rend kialakítására képesek. • Sok fizikai tulajdonságuk a kristályokéhoz hasonlóan anizotróp, azaz irányfüggő. • Elektromos vagy mágneses mező hatására a csoportok rendeződnek. Felhasználás: órák, számológépek, műszerekben kijelzők, LCD monitorok, TV különböző típusú (molekulától függő) elrendeződések

  33. HalmazállapotokOldatok Jellemzők: • Ionos (és poláris) vegyületek poláris oldószerekben oldódnak jól (H2O, alkohol). A szilárd ionrács ionokra esik szét. • Nemfémes elemek (pl. I) és apoláris szerves anyagok apoláris szerves oldószerekben oldódnak (benzol, kloroform, éter) • Oldhatóság: pl. 100 g oldószer által feloldható anyag tömege • Telítetlen – telített – túltelített (instabil) oldat • Gázok oldhatóságát nyomással lehet növelni. • Hőmérséklet szerepe: • Oldáshő: mekkora hő szabadul fel, vagy mennyi hőt vesz fel a rendszer 1 mol anyag feloldásakor. Qoldás=DErács + DEszolv • 1 mol anyag szolvatációját (hidratációját) kísérő energiaváltozás a szolvatációs (hidratációs) energia. Értéke negatív (energiafelszabadulás). • Melegítés segít: KNO3, NH4Cl (itt oldódás endoterm) • Hűtés segít: NH3, SO2, H2SO4 (itt oldódás exoterm)

  34. HalmazállapotokOldatok: koncentrációszámítás Fontosabb koncentrációk: • moláris koncentráció (c): mol oldott anyag/1 dm3 oldatban (mol/dm3) • tömegszázalék: gramm oldott anyag/100 gramm oldatban (m/m%) • tömegkoncentráció: kg oldott anyag/1 m3 oldatban (kg/m3) Számítási példa: Számítsuk ki annak az oldatnak a moláris koncentrációját, melyet 100 g NaCl 0.4 dm3 vízben történt feloldásával kaptunk. Az atomtömegek: MNa=23, MCl= 35.5 Az NaCl moltömege: 23+35.5=58.5 g/mol 100 g NaCl = 100/58.5 = 1.71 mol ha 0.4 dm3 vizben van oldva 1.71 mol NaCl akkor 1 dm3 vizben van oldva 4.275 mol NaCl. Tehát az oldat koncentrációja 4.275 mol/dm3

  35. HalmazállapotokKristályos anyagok, atomrács Szilárd anyagok: kémiai kötések az atomok/ionok/molekulák között • Amorf: a részecskék elhelyezkedése rendezetlen, vagy csak kis körzetekben rendezett. Nincs határozott olvadáspontjuk = op (lágyulás → folyadék) • Kristályos anyagok: a részecskék a tér minden irányában szabályos rendben helyezkednek el. Jól definiált (anyag azonosítására is használt) olvadáspontjuk van. • Atomrács: rácspontokban atomok, melyek irányított egyszeres (s) kovalens kötéssel kapcsolódnak egymáshoz: gyémánt, Si, Ge, B, SiO2, ZnS, SiC Kemények, hőt és elektromosságot nem vezetik, op magas, sem vízben, sem szerves oldószerekben nem oldódnak. Gyémánt (Si, Ge, ZnS, SiC)Minden C atom körül tetra-éderes elrendeződésben van a többi azonos távol-ságra, azonos kötésszöggel. 109.5º

  36. + + + + + + + + + + + + + + + + + + HalmazállapotokFémrács aranyrög Jellemzők: • Rácspontokban pozitív töltésű fém atomtörzsek, amiket hozzájuk közösen tartozó delokalizált elektronok kötnek össze → vezetőképesség • Erős kötés: kemény, magas op (Cr, W) • Szürke szín (kivétel Cu, Au): minden típusú fotont elnyel (e--k gerjesztődnek) • Oldhatóság: egymás olvadékaiban → ötvözet, ill. kémiai átalakulással savakban Leggyakoribb rácstípusok: térben középpontos kockarács lapon középpontos kockarács hatszöges rács (Na, K, Fe, Cr) (Au, Ag, Al, Cu) (Mg, Ni, Zn) puha, megmunkálható mindenféle kemény, rideg

  37. HalmazállapotokFémrács: ötvözetek Az ötvözet fémes anyag, mely legalább két kémiai elemből áll, s legalább az egyik fém. Legismertebbek: acél, sárgaréz (réz + cink), bronz (ón + réz) Fizikai tulajdonságok, mint a sűrűség, reakciókészség, rugalmassági modulus, elektromos- és hővezető képesség általában nem mutatnak nagy eltérést az alkotóelemekéhez képest, de a mechanikai tulajdonságok, mint a szakító- és nyírószilárdság lényegesen különbözhetnek. Oka az atomok különböző mérete: a nagyobb atomok nyomóerőt fejtenek ki a szomszédos atomokra, míg a kisméretű atomok húzóerővel hatnak a szomszédjaikra, ami fokozza az ötvözet deformációval szembeni ellenálló képességét. Előállítás: elsősorban fémek megolvasztásával és összekeverésével. A tiszta fémekkel ellentétben a legtöbb ötvözetnek nem jól definiált olvadáspontja van, hanem olvadási tartománya: • Szolidusz: az a hőmérsékletet, amelyen az olvadás megkezdődik • Likvidusz: az a hőmérsékletet, amelyen az olvadás befejeződik • Eutektikus ötvözet: alkotóknak egy olyan aránya, amikor egyetlen (vagy ritkán kettő) olvadáspont létezik

  38. Fázisdiagram (K) folyadék T1 folyadék+szilárd T2 szilárd oldat xfolyadék xszilárd 100%B 100%A 10%A, 90%B 70%A, 30%B HalmazállapotokÖtvözetek: szilárd oldat Olyan szilárd halmazállapotú homogén keverék, melyben a kisebb mennyiségű ”oldott anyag” nem változtatja meg az oldószer kristályszerkezetét. A szerepek fel is cserélődhetnek. • hasonló atomsugarak (<15% eltérés) • azonos kristályszerkezet • hasonló elektronegativitás • hasonló vegyérték A és B keverékének olvadása (hal-görbe): • T2 alatt csak szilárd anyag van • T1 felett csak olvadék van • a görbe belsejében olvadék+szilárd keverék • T1 – T2 között a szilárd illetve folyadék komponens összetétel a nyilak alapján likvidusz görbe szolidusz görbe

  39. p=állandó T Eutektikus pont, hőmérséklet Folyadék szilárd A + szilárd B + folyadék folyadék szilárd A + B B A x% HalmazállapotokÖtvözetek Kétkomponensű rendszer eutektikus ponttal: • A és B nem képez szilárd oldatot, a szilárd fázis a két anyag kristályainak heterogén keveréke • Az eutektikus összetételű szilárd keverék egyszerre megolvad, a többi összetételnél az olvadás egy hőmérséklet tartományban történik Csoportosítás kristályrács szerint: • Helyettesítéses (szubsztitúciós): Az alkotó elemek atomjai hasonló méretűek, így a kristályrácsban egyszerűen helyettesíthetik egymást (pl. sárgaréz). • Intersticiós: az egyik alkotóelem atomja lényegesen kisebb a másiknál, és a kisebb atomok beépülnek a nagyobb atomok közti (rácsközi) helyekre. • Kristályrács, ami nem hasonlít egyik összetevő kristályrácsához sem (nagyon bonyolult). Ezek nagyon kemény, rideg fémvegyületek, pl. Fe3C (cementit), WC (volfrámkarbid).

  40. HalmazállapotokÖtvözetek Egyéb csoportosítás: • Természetes ötvözetek: geológiai folyamatok által jönnek létre, például az égitestek belsejében. Nincs jól meghatározott összetételük és tulajdonságaik. • Vasötvözetek: acélok és öntöttvas; a széntartalom szerint tesznek köztük különbséget. Nemesacélok: krómot és nikkelt tartalmaznak. • Nemvas ötvözetek: nem vas alapú ötvözetek. Pl. sárgaréz, bronz, amalgámok. • Diffúziós ötvözetek: az ötvöző elem atomjai az alapfémbe diffundálnak. Főleg a periódusos rendszer kis rendszámú elemei (pl. szén), kis atomjaik miatt. • Heusler-ötvözetek: ferromágneses ötvözetek, amik nem tartalmaznak vasat, nikkelt vagy kobaltot. Ilyen például a Cu2AlMn fémvegyület. • Emlékező ötvözetek: átformálás után, ha újra felveszik az eredeti hőmérsék-letüket, visszanyerik az eredeti alakjukat. • Fémporok összekeverése, felhevítése, majd összenyomása: olyan fémekkel, amik folyékony állapotban nem keverednek egymással. Pl. volfrámötvözetek. Leírás: az egyes fémek tömegszázaléka szerint. Például a CuZn 37 ötvözetben 37% a cink, és 63% a réz. • 24 karát: 100 % arany • 18 karát: 75 % arany • 12 karát: 50 % arany Arany tisztasága:

  41. HalmazállapotokIonrács Jellemzők: • Rácspontokban szoros illeszkedéssel kationok és anionok vannak. Kifelé semleges. • Kemények, ridegek, magas olvadáspontúak, elektromos áramot nem vezetik • Olvadékuk és oldataik vezetők • Többségük vízben oldódik, ionjaira disszociál Leggyakoribb rácstípusok: CsI, térben középpontos kockarács NaCl, lapon középpontos kockarács

  42. Hidrogénkötés • Dipólus-dipólus kölcsönhatás • Diszperziós kölcsönhatás 8-40 kJ/mol 0.8-12 kJ/mol HalmazállapotokMolekularács Jellemzők: • Rácspontokban molekulák vannak, melyek másodlagos kötőerőkkel kapcsolódnak egymáshoz. • Szinte minden szerves molekula, valamint H2, O2, N2, CO2 (szárazjég), stb. • Keménység kicsi, olvadás- és forráspont alacsony, kis sűrűség, áramot sem szilárd, sem olvadt állapotban nem vezetik. • Apoláris szerves oldószerekben (pl. CCl4) oldódnak. Jég: 16 különböző szilárd fázisú szerkezetben létezik. Hexagonális kristályrendszer

  43. Grafit gyémánt Három rácstípusból van benne: • Szénatomok egyszeres s kovalens kötéssel kapcsolódnak 3 szomszédjukhoz (atomrács). • A negyedik elektron delokalizáltan van a kovalens kötésű síkokban (fémrács). • A hexagonális szerkezetű síkok között másodlagos kötőerők hatnak (molekularács). Ebből adódnak tulajdonságai: • Magas op. (3700 ºC) • Vezeti az áramot • Jó kenőanyag (síkok egymáson elcsúsznak)

  44. Kémiai reakciókreakcióegyenletek A kémiai reakciókban atomok/molekulák/ionok elektronszerkezete változik (kötések bomlanak fel, új kötések jönnek létre): • bomlás: CaCO3 = CaO + CO2 • egyesülés: NH3 + HCl = NH4Cl • atom/atomcsoport csere: CaCO3 + HCl = CaCl2 + H2CO3 (→CO2 + H2O) Reakcióegyenlet: reagáló anyagok => termékek • tömegmegmaradás: azonos típusú atomok száma mindkét oldalon azonos • töltésmegmaradás: töltések összege mindkét oldalon azonos (általában 0 ) • kémiai számítások alapja általában az egyenlet Számítási példa: Számítsuk ki hány cm3 1 mol/dm3-es kénsav kell 2 dm3 normál állapotú HCl gáz készítéséhez a következő kiegészítendő reakcióegyenlet alapján: CaCl2 + H2SO4 = CaSO4 + HCl

  45. Kémiai reakciókkémiai számítás Számítási példa: Számítsuk ki hány cm3 1 mol/dm3-es kénsav kell 2 dm3 normál állapotú HCl gáz készítéséhez a következő kiegészítendő reakcióegyenlet alapján: CaCl2 + H2SO4 = CaSO4 + HCl Egyenlet rendezése anyagmegmaradás elve alapján: CaCl2 + H2SO4 = CaSO4 + 2HCl 22,41 dm3 a térfogata 1 mol HCl gáznak normál állapotban (0 ºC, 0,1 MPa) Ez alapján 2 dm3 HCl megfelel (1/22,41)*2=0,089 molnak 2 mol (molekula) HCl fejlesztéséhez kell 1 mol (molekula) H2SO4 0,089 mol HCl fejlesztéséhez kell (1/2)*0,089=0,0445 mol H2SO4 1 mol H2SO4 van 1000 cm3 (1 dm3) 1 mol/dm3-es oldatban 0,0445 mol H2SO4 van (1000/1)*0,0445=44,5 cm3 oldatban Tehát 44,5 cm3 1 mol/dm3-es H2SO4 oldat kell.

  46. Kémiai reakciókkémiai számítás Számítási példa: Számítsuk ki hány g 36 m/m%-os HCl oldat kell 100 g FeCl3 készítéséhez a következő kiegészítendő reakcióegyenlet alapján: Fe2O3 + HCl = FeCl3 + H2O MFe=55.8, MO=16, MCl= 35.5, MH=1 Egyenlet rendezése anyagmegmaradás elve alapján: Fe2O3 + 6HCl = 2FeCl3 + 3H2O Molekulatömegek: MFeCl3=162,3, MHCl=36.5 100 g FeCl3 = (1/162,3)*100 = 0,616 mol 2 mol FeCl3 keletkezése igényel 6 mol HCl-at 0,616 mol FeCl3 keletkezése igényel (6/2)*0,616=1,848 mol = 1,848*36,5=67,452 g HCl-at 36 g HCl van 100 g 36 m/m%-os HCl oldatban 67,452 g HCl van (100/36)*67,452=187,37 g HCl oldatban Tehát 187,37 g 36 m/m%-os HCl oldat kell.

  47. Kémiai reakciókreakcióhő Reakcióhő (Qr, kJ): reakcióegyenlet által definiált reakció hőváltozása A kémiai reakciókban kötések bomlanak fel és új kötések alakulnak ki. • Kötésfelbomlás: energia befektetést igényel (+ előjel) • Kötés kialakulás: energia szabadul fel (- előjel) • Ha fázisátalakulás történik, annak is van energiavonzata. Pl. gáz kondenzálása energia felszabadulással jár a szilárd fázisbeli kötések kialakulása miatt. (CO2 miért gáz szobahőmérsékleten?) • Exoterm reakció: energia szabadul fel (C + O2 = CO2, Qr < 0) • Endoterm reakció: energiát igényel (H2O → H2 + ½O2, Qr > 0) Képződéshő (Qk, kJ/mol): annak a reakciónak az energiaváltozása, melyben egy vegyület 1 mólja standard körülmények (25 ºC, 0,1 MPa) között alapállapotú elemeiből keletkezik. Alapállapotú elemek képződéshője standard körülmények között 0 kJ/mol.

  48. CaCO3 + 2HCl = CaCl2 + CO2 + H2O • Qr =QkCaCl2 + QkCO2 + QkH2O – QkCaCO3 – 2QkHCl • II. CaCO3 = CaO + CO2 • CaO + 2HCl = CaCl2 + H2O • Qr =QkCaO + QkCO2+ QkH2O + QkCaCl2 – QkCaO - QkCaCO3 – 2QkHCl • A CaO csak átmeneti termék, keletkezik és megszűnik, ezért képződéshője a • II. összetett reakcióban kiesik. Kémiai reakciókreakcióhő Reakcióhő a képződéshőkből: a termékek együtthatókkal szorzott képződéshői-nek összegéből levonjuk a kiindulási anyagok együtthatókkal szorzott képződés-hőinek összegét. Hess tétel: a reakcióhő független a reakció útjától (általában többféle útvonal van), csak a kezdeti és végállapottól függ. Reakcióentalpia (DH, kJ): ugyanaz mint a reakcióhő, csak ki van kötve a nyomás állandóságának feltétele (zárt edényben gázok reakciójakor lehet különbség ha mólszám változás van)

  49. Kémiai reakciókSzabadentalpia Entrópia (S, kJ/K): egy rendszer rendezetlenségének mértéke. A rendezetlenség kedvezőbb állapot: • kristályos anyag oldódása (oldott anyag oldószerben való eloszlása) • gázok keveredése (kibocsátott CO2, füst) A természetes folyamatokat az irányítja, hogy: • csökkenjen a rendszer energiája (energia-felszabadulás) • növekedjen a rendezetlenség mértéke Ezt fejezi ki a szabadentalpia: G = H – TS Valamely folyamat (kémiai reakció) szabadentalpia változása: DG = DH – TDS Spontán folyamat akkor megy végbe, ha szabadentalpia változás negatív (DG<0). Az entrópia tagnak inkább csak magas hőmérséklet esetén (T > 1500 K) van jelentősége, szobahőmérsékleten általában elhanyagolható, azaz DG≈DH G: szabadentalpia, kJ H: entalpia, kJ T: hőmérséklet, K

  50. Aktivált komplexum DEa DE’a Reaktánsok Átmeneti komplexum Termékek Reakcióút Reaktánsok Termék Kémiai reakciók Kémiai reakció feltételei: • részecskék ütközése – nagyobb koncentrációban gyakoribb: • a részecskék megfelelő térhelyzetben legyenek Aktivált komplexum: • részecskék ütközés utáni nagyon rövid ideig tartó összekapcsolódása • tartalmazza mind a megszűnő, mind a létrejövő kötéseket, de azok sokkal gyengébbek, hosszabbak mint a kiindulási ill. termék molekulákban • kötésszögek teljesen mások Aktiválási energia (kJ/mol): az az energiatöbblet, amelynek következtében a részecskék átalakulásra képes aktív állapotba jutnak = az aktivált komplexum keletkezéséhez szükséges energia

More Related