850 likes | 1.23k Views
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
E N D
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 • 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
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)
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 (Dr. Wagner Ödön)
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
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
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
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
Atompályák részletesen Bodonyi F., Pitter Gy.: Kémiai összefoglaló, Műszaki 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 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
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)
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
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.
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 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.
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
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!
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
+ - - + 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
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
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
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)
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
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
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
+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 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)
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.
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
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
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)
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
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
+ + + + + + + + + + + + + + + + + + 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
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
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
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).
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:
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
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
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)
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
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.
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.
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.
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)
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
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