Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Kovács Attila Kémiaterméktervezőknek BME, Szervetlen és Analitikai Kémia Tanszék MTA-BME Anyagszerkezeti és Modellezési Kutatócsoport

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "Kovács Attila Kémiaterméktervezőknek BME, Szervetlen és Analitikai Kémia Tanszék MTA-BME Anyagszerkezeti és Modellezési Kutatócsoport"— Előadás másolata:

1 Kovács Attila Kémiaterméktervezőknek BME, Szervetlen és Analitikai Kémia Tanszék MTA-BME Anyagszerkezeti és Modellezési Kutatócsoport Tel.:

2 Kurzussal kapcsolatos tudnivalók Vizsgaidőszakban írásbeli vizsga Vizsgaidőszakban írásbeli vizsga Opcionális: évközben előadásidőben 3 db zárthelyi  megajánlott jegy Opcionális: évközben előadásidőben 3 db zárthelyi  megajánlott jegy Előadásanyag (ppt) honlapról előre letölthető Előadásanyag (ppt) honlapról előre letölthető Előadás: K140, ?? Előadás: K140, ?? (Időpont megegyezés szerint, csak az utolsó előadás napja fix)

3 A kémia helye a természettudományok között

4 Miért van szüksége a gépész terméktervezőnek kémiai tudásra? Vegyiparban, kutatóintézetekben, egyéb laborokban gépekkel, műszerekkel dolgoznak Vegyiparban, kutatóintézetekben, egyéb laborokban gépekkel, műszerekkel dolgoznak Gépeket felépítő anyagnak vannak kémiai vonatkozásai Gépeket felépítő anyagnak vannak kémiai vonatkozásai Gépek működésének 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 Általános kémia Szervetlen kémia Szervetlen kémia Szerves kémia Szerves kémia Atomok, molekulák, kémiai kötések Periódusos rendszer (http://www.ptable.com/)http://www.ptable.com/ Anyagi halmazok (gáz, folyadék, szilárd, ötvözetek) Kémiai reakciók (reakcióegyenlet, egyensúlyok, energetika) Elektrokémia (galvánelem, akkumulátor, korrózió)

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

7 Tematika Általános kémia Általános kémia Szervetlen kémia Szervetlen kémia Szerves 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 ( 14 C → 14 N + e -, felezési idő 5700 év) Maghasadás ( 235 U + n 0 → kisebb atomok n) Magfúzió ( 2 H + 3 H → 4 He + n 0 ) Az atomok mérete: m (1 Å) nagyságrendnyi. Az atomok tömege: kg között. Makroszkopikus dimenzió: 1 mól = db részecske ( atom, molekula ) Moláris tömeg: 1 mól anyag tömege. Avogadro-féle állandó, N A

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

10 Elektronok Jellemzők: Atommag – elektronok közötti vonzás Elektron – elektron taszítás Elektron mozog (tartózkodási valószínűség) Energiaminimumra való törekvés = alacsonyabb energia kedvezőbb (helyzeti energia analógja) Az elektronok a kb m átmérőjű atommagok körül mozognak meghatározott energiájú és alakú elektronpályákon. Elektronpálya (atomok esetében atompálya) = ahol az elektron mozgása közben 90%-os valószínűséggel megtalálható. 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 Elektronszerkezet Főkvantumszám (n): elektronhéjat definiálja (K, L, M, N, …) Mellékkvantumszám (l): elektron alhéjat definiálja (s, p, d, f, …) K (n=1): 1s 2 L (n=2): 2s 2, 2p 6 M (n=3): 3s 2, 3p 6, 3d 10 N (n=4): 4s 2, 4p 6, 4d 10, 4f 14 …… Az elektronok az atommag körül jól definiált rendszer szerint mozognak. Az atompályák elektronhéjakba/alhéjakba csoportosíthatók, melyeket kvantumszámokkal jellemzünk. 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 Alhéj: egyúttal különböző alakú pályákat jelent: s (l=0) p (l=1) d (l=2) f (l=3)

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

13 Elektronszerkezet Pályaenergiák és beépülés: K (n=1): 1s 2 L (n=2): 2s 2, 2p 6 M (n=3): 3s 2, 3p 6, 3d 10 N (n=4): 4s 2, 4p 6, 4d 10, 4f 14 …… Hund szabály: egy alhéjon adott számú elektron úgy helyezkedik el, hogy maximális legyen a párosítatlan spinű elektronok száma. Pl. Fe 3d 6 betöltöttsége: 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. Pályaenergiák sorrendje kicsit eltér: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, … (lásd majd a periódusos rendszert) Bodonyi F., Pitter Gy.: Kémiai összefoglaló, Műszaki Könyvkiadó, Budapest

14 Elektronszerkezet 28 Ni elektronszerkezet felépülése: 28 elektron 1s 2, 2s 2, 2p 6, 3s 2, 3p 6, 4s 2, 3d 8 Vegyértékelektronok: 4s 2, 3d 8 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. fémszín lítium (Li)bíborvörös nátrium (Na)sárga kálium (K)fakóibolya kalcium (Ca)téglavörös bárium (Ba)sárgászöld réz (Cu)zöld 3s 3p hő foton kibocsátás Na:

16 Tűzijáték rakéta 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. 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

17 Fluoreszcencia (UV fénnyel besugározva) Kalcit (CaCo 3 ) Gipsz (CaSO 4 ) Fluorit (CaF 2 )

18 Fluoreszcencia (foszforeszcencia) (G. G. Stokes, 1852, fluorit) Néhány anyag UV fénnyel megvilágítva elnyeli az UV sugárzást és helyette látható fényt bocsát ki. Magyarázat: 1. UV foton hatására egy vegyértékelektron magasabb energiájú pályára gerjesztődik: E UVfoton =  E elektron + egyéb gerjesztés. 2. A rendszer az egyéb gerjesztett állapotból relaxálódik. 3. Az elektron visszaugrik az alapállapotba  E elektron -nak megfelelő látható tartományba eső foton kisugárzása közben. Fluoreszcencia: s Foszforeszcencia: – 10 3 s

19 Periódusos rendszer (Mengyelejev, 1869) f-mező (fémek) d-mező (fémek) p-mező (nemfém, félfém, fém) s-mező (fémek) nemesgáz csoport: zárt héj, extra stabil 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 molekulák között) 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 (EN Cs =0.7) Nagy elektronegativitás: p-mező nemfémes elemei (EN F =4) Változás: csoportban felfelé, sorban jobbra nő. Nemesgáz elektronszerkezetre való törekvés = stabilitás!

21 Ionos kötés Egy negatív és egy pozitív töltésű ion közötti elektrosztatikus (Coulomb- féle) vonzóerő. Anion: semleges atomból elektron felvétellel (nemfémes elemek: F -, Cl -, O 2- ) Kation: semleges atomból elektron leadással (fémek: Na +, Ca 2+, Al 3+, stb.) Összetett ionok: NH +, SO 2-, CO 2-, stb (Első) Ionizációs energia (E i ): energia, mely ahhoz szükséges, hogy semleges atomból egyszeres pozitív töltésű kation képződjék. Elektronaffinitás (E a ): 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 Vegyületképzés: Al 2 O 3 semleges! K+K+ F-F-

22 Kovalens kötés Az atomok nemesgáz elektronszerkezete elektronmegosztással alakul ki. Néhány ( ) 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. E atompályák kötő molekulapálya lazító molekulapálya Kötő molekulapálya alacsonyabb energiájú mint az atompályák, elektronok számára kedvezőbb. Ez a kémiai kötés hajtóereje! *

23 Kovalens kötés  (egyszeres) kötés Jellemző: az elektronsűrűség maximuma a két atomot összekötő egyenes (kötéstengely) mentén van. Kialakulhat: s – s elektronok között s – p elektronok között p x – p x elektronok között Egyszeres kötés = egyvegyértékű atom az egyik partner: hidrogén vegyületei (HBr, H 2 O, NH 3, CH 4 ) halogének vegyületei (F 2, Cl 2, SCl 2, PF 3, CCl 4 ) E F F 2 F

24 Kovalens kötés  kötés 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  kötések gyengébbek mint a  kötés. Ezért a többszörös kötésekben az egyik általában  kötés, csak a második illetve harmadik . Kialakulhat: p y – p y elektronok között p z – p z elektronok között  kötés = két- vagy háromvegyértékű atomok között kettős kötés (O 2, CO 2, SO 2, SO 3, H 2 C=CH 2 ) hármas kötés (N 2, HCCH, HCN) a második  merőleges az első síkjára p atompályák  pálya  pályák E N N 2 N

25 Kovalens kötés egyéb fontosabb jellemzői: Nemkötő elektronpár: kötésben részt nem vevő vegyértékelektronok pl: N 2 a N vegyértékhéja: 2s 2 2p 3 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. H 2 : 1 H 2 : 0.5 H 2 : Kovalens kötés Miért nincs kovalens kötésű He 2 molekula? ( 2e - kötő, 2e - lazító pályán lenne ) N E E E atompályák kötő lazító

26 Kovalens kötés Koordinatív (datív) kötés: A kötő elektronpárt az egyik atom adja (volt nemkötő elektronpárja) Pl. p atompályák  pálya  pályák C O C (2s 2 2p 2 ) O (2s 2 2p 4 ) Vegyérték: egy adott molekulában az adott atomhoz tartozó kötő elektronpárok száma. HCl (1;1), H 2 O (1;2), NH 3 (3;1), CH 4 (4;1), H 2 S (1;2), SO 2 (4;2), SO 3 (6,2) Molekulák között is: H 3 B + NH 3 H 3 B NH 3 S vegyértékhéja: 3s 2 3p 4 3d 0 kis energia befektetéssel átalakulhat: (a) 3s 2 3p 3 3d 1 illetve (b) 3s 1 3p 3 3d 2 -vé (a) (b)

27 Térbeli alak lineáris (Ca 2+ : 3s 0 ) 3D szerkezet: a központi atom nemkötő elektronpárjainak és a  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 (NH 3 piramis míg CH 4 tetraéder) F CaF H B H H H N H H H C H H H síkháromszög (B: 2s 2 2p 1 ) piramis (N: 2s 2 2p 3 ) tetraéder (C: 2s 2 2p 2 ) CH 4 : a szén vegyértékelektronjai a CH kötések kialakítása előtt átrendeződnek 2s 2 2p 2 2s 1 2p 3 sp 3 hibridpályák azonos energiájúak: ekvivalens kötéseket képeznek E 180º 120º 107.3º 109.5º

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, H 2 O. Apoláris kötés van azonos atomok kapcsolódása esetén. Pl. H 2, O 2, N 2, F 2. Molekulák polaritása: Apoláris kötés esetén a molekula is apoláris. Poláros kötéssel kapcsolódó kétatomos molekulák polárisak. Poláris kötéssel kapcsolódó többatomos molekulák polaritása függ a szimmetriától: szén-dioxid: apoláris pozitív és negatív súlypont egybeesik O CO H O H víz: erős dipólus 105º -- ++ ++ -- -- ++

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 Másodrendű kötések (általában molekulák között) 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. Dipólus-dipólus kölcsönhatás: aszimmetrikus elektronsűrűség (töltés) eloszlással rendelkező molekulák között. Pl. CO H O H -- ++ ++ Diszperziós kölcsönhatás: apoláris molekulák térközelbe kerülve tudják egymást polarizálni, kistöltésű indukált dipólusok jönnek létre. Pl. dihalogének (F 2, Cl 2, Br 2 ) Nagyobb méret → erősebb polarizáció. Elsőrendű kötések kötési energiája: kJ/mol Másodrendű kötések (általában molekulák között) Hidrogénkötés Dipólus-dipólus kölcsönhatás Diszperziós kölcsönhatás kJ/mol 8-40 kJ/mol ++ -- ++ -- ++ -- ++ -- H O H -- ++ ++ 1.9 Å 1.0 Å

31 Halmazállapotok Gáz Állapot Jellemzők Moláris térfogat (dm 3 /mol) Standard 25ºC, 0,1 MPa 24,5 Szobahőmérséklet 20ºC, 0,1 MPa 24,0 Normál 0ºC, 0,1 MPa 22,41 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 m 3 Pa/molK, moláris gázállandó) mértékegységek R dimenziója alapján Példa: 0.5 mol Cl 2 gáz térfogata 20 ºC-on Pa V = 0.5 mol 8,314 ( ) K V = m 3

32 Halmazállapotok Folyadékok 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 Halmazállapotok Oldatok Jellemzők: Ionos (és poláris) vegyületek poláris oldószerekben oldódnak jól (H 2 O, 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. Q oldás =  E rács +  E szolv 1 mol anyag szolvatációját (hidratációját) kísérő energiaváltozás a szolvatációs (hidratációs) energia. Értéke negatív (energiafelszabadulás). Melegítés segít: KNO 3, NH 4 Cl (itt oldódás endoterm) Hűtés segít: NH 3, SO 2, H 2 SO 4 (itt oldódás exoterm)

34 Halmazállapotok Oldatok: koncentrációszámítás Fontosabb koncentrációk: moláris koncentráció (c): mol oldott anyag/1 dm 3 oldatban (mol/dm 3 ) tömegszázalék: gramm oldott anyag/100 gramm oldatban (m/m%) tömegkoncentráció: kg oldott anyag/1 m 3 oldatban (kg/m 3 ) Számítási példa: Számítsuk ki annak az oldatnak a moláris koncentrációját, melyet 100 g NaCl 0.4 dm 3 vízben történt feloldásával kaptunk. Az atomtömegek: M Na =23, M Cl = 35.5 Az NaCl moltömege: =58.5 g/mol 100 g NaCl = 100/58.5 = 1.71 mol ha 0.4 dm 3 vizben van oldva 1.71 mol NaCl akkor 1 dm 3 vizben van oldva mol NaCl. Tehát az oldat koncentrációja mol/dm 3

35 Halmazállapotok Kristályos 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 (  ) kovalens kötéssel kapcsolódnak egymáshoz: gyémánt, Si, Ge, B, SiO 2, 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 º

36 Halmazállapotok Fémrács térben középpontos kockarács lapon középpontos kockarács hatszöges rács (Na, K, Fe, Cr) (Au, Ag, Al, Cu) (Mg, Ni, Zn) 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: aranyrög puha, megmunkálható kemény, ridegmindenféle

37 Halmazállapotok Fémrács: 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 Halmazállapotok Ötvözetek: 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): T 2 alatt csak szilárd anyag van T 1 felett csak olvadék van a görbe belsejében olvadék+szilárd keverék T 1 – T 2 között a szilárd illetve folyadék komponens összetétel a nyilak alapján folyadék folyadék+szilárd szilárd oldat Fázisdiagram (K) T2T2 T1T1 100%B 100%A x szilár d x folyadék 70%A, 30%B 10%A, 90%B szolidusz görbe likvidusz görbe

39 Halmazállapotok Ötvözetek 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. Fe 3 C (cementit), WC (volfrámkarbid). Kétkomponensű rendszer eutektikus ponttal: Folyadék T p=állandó x% szilárd A + B szilárd A + folyadék szilárd B + folyadék Eutektikus pont, hőmérséklet A B 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

40 Halmazállapotok Ötvözetek 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 Cu 2 AlMn 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. Arany tisztasága: 24 karát: 100 % arany 18 karát: 75 % arany 12 karát: 50 % arany

41 Halmazállapotok Ionrács 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: NaCl, lapon középpontos kockarácsCsI, térben középpontos kockarács

42 Halmazállapotok Molekularács Jellemzők: Rácspontokban molekulák vannak, melyek másodlagos kötőerőkkel kapcsolódnak egymáshoz. Szinte minden szerves molekula, valamint H 2, O 2, N 2, CO 2 (szárazjég), stb. Keménység kicsi, olvadás- és forráspont alacsony, kis sűrűség, áramot sem szilárd, sem olvadt állapotban nem vezetik. Apoláris szerves oldószerekben (pl. CCl 4 ) oldódnak. Jég: 16 különböző szilárd fázisú szerkezetben létezik. Hidrogénkötés Dipólus-dipólus kölcsönhatás Diszperziós kölcsönhatás kJ/mol 8-40 kJ/mol Hexagonális kristályrendszer

43 Grafit Három rácstípusból van benne: Szénatomok egyszeres  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). gyémánt Ebből adódnak tulajdonságai: Magas op. (3700 ºC) Vezeti az áramot Jó kenőanyag (síkok egymáson elcsúsznak)

44 Kémiai reakciók reakcióegyenletek A kémiai reakciókban atomok/molekulák/ionok elektronszerkezete változik (kötések bomlanak fel, új kötések jönnek létre): bomlás: CaCO 3 = CaO + CO 2 egyesülés: NH 3 + HCl = NH 4 Cl atom/atomcsoport csere: CaCO 3 + HCl = CaCl 2 + H 2 CO 3 ( → CO 2 + H 2 O) 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 cm 3 1 mol/dm 3 -es kénsav kell 2 dm 3 normál állapotú HCl gáz készítéséhez a következő kiegészítendő reakcióegyenlet alapján: CaCl 2 + H 2 SO 4 = CaSO 4 + HCl

45 Kémiai reakciók kémiai számítás Számítási példa: Számítsuk ki hány cm 3 1 mol/dm 3 -es kénsav kell 2 dm 3 normál állapotú HCl gáz készítéséhez a következő kiegészítendő reakcióegyenlet alapján: CaCl 2 + H 2 SO 4 = CaSO 4 + HCl Egyenlet rendezése anyagmegmaradás elve alapján: CaCl 2 + H 2 SO 4 = CaSO 4 + 2HCl 22,41 dm 3 a térfogata 1 mol HCl gáznak normál állapotban (0 ºC, 0,1 MPa) Ez alapján 2 dm 3 HCl megfelel (1/22,41)*2=0,089 molnak 2 mol (molekula) HCl fejlesztéséhez kell 1 mol (molekula) H 2 SO 4 0,089 mol HCl fejlesztéséhez kell (1/2)*0,089=0,0445 mol H 2 SO 4 1 mol H 2 SO 4 van 1000 cm 3 (1 dm 3 ) 1 mol/dm 3 -es oldatban 0,0445 mol H 2 SO 4 van (1000/1)*0,0445=44,5 cm 3 oldatban Tehát 44,5 cm 3 1 mol/dm 3 -es H 2 SO 4 oldat kell.

46 Kémiai reakciók kémiai számítás Számítási példa: Számítsuk ki hány g 36 m/m%-os HCl oldat kell 100 g FeCl 3 készítéséhez a következő kiegészítendő reakcióegyenlet alapján: Fe 2 O 3 + HCl = FeCl 3 + H 2 O M Fe =55.8, M O =16, M Cl = 35.5, M H =1 Egyenlet rendezése anyagmegmaradás elve alapján: Fe 2 O 3 + 6HCl = 2FeCl 3 + 3H 2 O Molekulatömegek: M FeCl3 =162,3, M HCl = g FeCl 3 = (1/162,3)*100 = 0,616 mol 2 mol FeCl 3 keletkezése igényel 6 mol HCl-at 0,616 mol FeCl 3 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 reakciók reakcióhő Reakcióhő (Q r, 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. (CO 2 miért gáz szobahőmérsékleten?) Exoterm reakció: energia szabadul fel (C + O 2 = CO 2, Q r < 0) Endoterm reakció: energiát igényel (H 2 O → H 2 + ½O 2, Q r > 0) Képződéshő (Q k, 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 Kémiai reakciók reakcióhő Hess tétel: a reakcióhő független a reakció útjától (általában többféle útvonal van), csak a kezdeti és végállapottól függ. Reakcióhő a képződéshőkből: a termékek együtthatókkal szorzott képződéshői- nek összegéből levonjuk a kiindulási anyagok együtthatókkal szorzott képződés- hőinek összegét. I.CaCO 3 + 2HCl = CaCl 2 + CO 2 + H 2 O Q r = Q kCaCl2 + Q kCO2 + Q kH2O – Q kCaCO3 – 2Q kHCl II. CaCO 3 = CaO + CO 2 CaO + 2HCl = CaCl 2 + H 2 O Q r = Q kCaO + Q kCO2 + Q kH2O + Q kCaCl2 – Q kCaO - Q kCaCO3 – 2Q kHCl A CaO csak átmeneti termék, keletkezik és megszűnik, ezért képződéshője a II. összetett reakcióban kiesik. Reakcióentalpia (  H, kJ): ugyanaz mint a reakcióhő, csak ki van kötve a nyomás állandóságának feltétele (zárt edényben gázok reakciójakor lehet különbség ha mólszám változás van)

49 Entrópia (S, kJ/K): egy rendszer rendezetlenségének mértéke. A rendezetlenség kedvezőbb állapot: kristályos anyag oldódása (oldott anyag oldószerben való eloszlása) gázok keveredése (kibocsátott CO 2, 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:  G =  H – T  S Spontán folyamat akkor megy végbe, ha szabadentalpia változás negatív (  G<0). Az entrópia tagnak inkább csak magas hőmérséklet esetén (T > 1500 K) van jelentősége, szobahőmérsékleten általában elhanyagolható, azaz  G ≈  H Kémiai reakciók Szabadentalpia G: szabadentalpia, kJ H: entalpia, kJ T: hőmérséklet, K

50 Kémiai reakciók Kémiai reakció feltételei: részecskék ütközése – nagyobb koncentrációban gyakoribb: a részecskék megfelelő térhelyzetben legyenek Aktiválási energia (kJ/mol): az az energiatöbblet, amelynek következtében a részecskék átalakulásra képes aktív állapotba jutnak = az aktivált komplexum keletkezéséhez szükséges energia 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 Aktivált komplexum Reakcióút Termékek EaEa  E’ a Reaktánsok Átmeneti komplexum Termék

51 Kémiai reakciók reakciósebesség Katalizátor: olyan anyag, mely a kémiai reakciók sebességét nagymértékben megnövelik (alacsonyabb energiájú aktivált komplexumot képeznek. A reakció lejátszódása után újra felszabadulnak (kis mennyiség elég), reakcióhőt nem befolyásolják, csak az aktiválási energiát. Reakciósebesség: egységnyi térfogatban egységnyi idő alatt hány mol alakul át a ki- indulási anyagok valamelyikéből, vagy hány mol keletkezik a termékek valamelyikéből. Inhibítor: kémiai reakciókat lassító vagy gátló anyagok. Függ: a reakciótól (reagáló anyagok minősége) reagáló anyagok koncentrációjától hőmérséklettől katalizátortól 2H 2 + O 2 = H 2 O v= k c H2 2 c O2 mol/(dm 3 s) k= reakciósebességi állandó Reakcióút Reakció katalizátor nélkül Reakció katalizátorral E X → Y Y → X

52 Kémiai reakciók katalízis Egyszerű reakciók: az előbb ismertetett módon a katalizátor csökkenti az aktiválási energiát. Pl: 2H 2 + O 2 2H 2 O Pt felületén megköti a H 2 és O 2 molekulákat, felbontja a H 2 és fellazítja az O 2 kötését, így kisebb energiát kell a reakcióhoz befektetni. Pt Összetett reakciók: az eredeti reakció mellett egy másik, gyorsabban lejátszódó reakcióút nyílik meg. Pl: NH 3 és HCl reakciója víz jelenlétében (katalizátor nélkül a két molekula megfelelő ütközése kellene) NH 3 + H 2 O = NH OH - NH HCl = NH 4 Cl + H + H + + OH - = H 2 O A H 2 O átmeneti vegyületet hoz létre NH 3 -al, mely könnyebben reagál a HCl- el. A katalizátor visszaalakul, s újabb reakcióra kész.

53 Katalizátorok fajtái: Aszerint, hogy a katalizátor és a reaktánsok azonos vagy különböző fázisban vannak, megkülönböztetünk homogén katalízis (azonos fázis) – –NH 3 és HCl előbbi reakciója (víz = folyadék fázisban) – –élő rendszerekben, katalizátorok az enzimek heterogén katalízis (különböző fázis) – –az ipari méretű szintéziseknél, (a reakció után a katalizátor egyszerűen kinyerhető a rendszerből), pl. hidrogénezések = telítetlen szerves vegyületek telítése H 2 -el Pd katalizátor alkalmazásával Kémiai reakciók katalízis Katalizátor autókban: Pt (Pd, Rh) környezetre kevésbé ártalmas termékek. kerámia méhsejt szerkezetű mag: Nitrogén-oxidok redukciója: 2NOx → xO 2 + N 2 CO oxidációja: 2CO + O 2 → 2CO 2 Elégetlen szénhidrogének oxidációja: C x H 2x+2 + 2xO 2 → xCO 2 + 2xH 2 O

54 Kémiai reakciók egyensúlyi reakciók: A B (Gyakorlatilag) egyirányú reakciók: nagyon stabilis a termék a termék más halmazállapota miatt eltávozik a rendszerből: - gáz: H 2 CO 3 → H 2 O + CO 2 - csapadék: AgNO 3 + HCl → AgCl + HNO 3 Aktivált komplexum Reakcióút Termékek EaEa  E’ a Reaktánsok Minden kémiai reakció elvileg oda-vissza mehet, a fő különbség a befektetendő aktiválási energiában van. Aktivált komplexum Reakcióút Termékek EaEa  E’ a Reaktánsok

55 Kémiai reakciók kémiai egyensúly Kiindulási anyagok felé tolódott egyensúlyban végig: c kiindulási anyag > c termék Termék felé tolódó egyensúlyban egy idő után: c kiindulási anyag < c termék Egyensúlyban az oda-vissza alakulás reakciósebessége megegyezik (v 1 = v 2 ) ! A koncentrációban nincs változás, de az oda-vissza reakció folyamatosan történik! DINAMIKUS EGYENSÚLYI ÁLLAPOT Kémiai egyensúly kifejeződése a koncentrációkban és a reakciósebességekben: Reakcósebesség → Idő → v1v1 egyensúly v2v2 Koncentráció → Idő → c kiindulási anyag egyensúly c termék Koncentráció → Idő → c kiindulási anyag egyensúly c termék

56 Kémiai reakciók egyensúlyi állandó Az egyensúlyi állandó (K) csak a külső körülményektől (nyomás, hőmérséklet) függ, független a koncentráció értékektől. K>1: egyensúlyban a termékek vannak nagyobb mennyiségben K<1: egyensúlyban a kiindulási anyagok vannak nagyobb mennyiségben Tömeghatás törvénye: egyensúlyban a termékek megfelelő hatványon vett egyensúlyi koncentrációinak szorzata, osztva a kiindulási anyagok megfelelő hatványon vett egyensúlyi koncentrációinak szorzatával, egy adott hőmérsékleten és nyomáson állandó érték. aA + bB cC + dD reakcióra: (levezetve: v 1 =k 1 [A] a [B] b, v 2 =k 2 [C] c [D] d egyensúlyban: v 1 =v 2, azaz k 1 [A] a [B] b =k 2 [C] c [D] d → [A] a [B] b [C] c [D] d k2k2 k1k1 =

57 Kémiai reakciók egyensúlyi állandó b) hőmérsékletváltoztatás: K-t változtatja, s azon keresztül a reakciósebességeket, koncentrációkat. T növelés: endoterm reakciónál termékképződés exoterm reakciónál visszaalakulás T csökkentés: exoterm reakciónál termékképződés endoterm reakciónál visszaalakulás Le Chatelier-Braun elv (legkisebb kényszer elve): egy dinamikus egyensúlyban levő rendszer megzavarásakor annak a folyamatnak lesz nagyobb a sebessége, amely a zavaró hatást csökkenteni igyekszik. a) koncentrációváltoztatás (K-t nem változtatja, de a reakciósebességeket igen A + B C + D reakcióban megnöveljük B mennyiségét y-al: eredeti egyensúlyban k 1 [A][B]=k 2 [C][D], változtatva k 1 [A][B+y] → k 2 [C][D] új egyensúlyban: k 1 [A-x][B+y-x]=k 2 [C+x][D+x] [A-x][B+y-x] [C+x][D+x] K =   BA DC =K

58 Kémiai reakciók egyensúlyi állandó Le Chatelier-Braun elv: c) nyomásváltoztatás: csak molekulaszám változással járó reakciókban K-t változtatja, s azon keresztül a reakciósebességeket, koncentrációkat. p növelés: molekulák számának csökkenése felé p csökkentés: molekulák számának növekedése felé pl: H 2 O + CO 2 H 2 CO 3 : megfelelő mennyiségű CO 2 -t nyomással oldanak az ásványvízben d) katalizátor nem változtatja meg az egyensúlyi állandót, csak a reakciósebességeket (mindkét irányét) növeli Ok: az egyensúlyi állandó a kiindulási anyagok és végtermékek relatív energiájától függ, ezt pedig a katalizátor nem befolyásolja.

59 Kémiai reakciók Protolitikus reakciók Hidrogénion (proton) átadással járó reakciók főként vizes oldatban Brönsted szerint: savak: protont leadó molekulák és ionok (HCl + H 2 O H 3 O + + Cl - ) bázisok: protont felvevő molekulák és ionok (NH 3 + H 2 O NH OH - ) Proton sosincs szabad állapotban az oldatban, ezért ezen (mindig) egyensúlyi reakciókban a sav és bázis együttesen van jelen: HCl + H 2 O H 3 O + + Cl - sav bázis sav bázis Amfoter vegyület: partnertől függően savként illetve bázisként reagál: H 2 O A sav-bázis párok erőssége ellentétes: minél erősebb a sav (pl. HCl), annál gyengébb a bázis párja (Cl - ). oxónium ion Arrhenius-féle sav-bázis elmélet (korábbi, közelebb áll a mindennapi élethez) Csak vizes oldatokra érvényes! savak: vízben H + -ionra és anionra disszociálnak: HCl H + + Cl - bázisok: vízben OH - -ionra és kationra disszociálnak: NaOH Na + + OH -

60 Kémiai reakciók Protolitikus reakciók: egyensúlyi állandók Disszociációs egyensúlyi állandók: sav illetve bázis HNO 3 NO H + NH 4 OH NH OH - [HNO 3 ] [NO 3 - ][H + ] Ks=Ks= [NH 4 OH] [NH 4 + ][OH - ] Kb=Kb= A […] koncentrációk mindig az egyensúlyi koncentrációk, nem pedig kiindulási vagy bruttó koncentrációk, ami példákban sokszor szerepel. Víz disszociációja: H 2 O + H 2 O H 3 O + + OH - Autoprotolízis: egy vegyület molekulái egymással lépnek sav-bázis reakcióba A folyamatra felírva a tömeghatástörtet: A H 2 O molekulák koncentrációja gyakorlatilag állandó (55,5 mol/dm 3 ), ezért összevonható K-val: K víz = [H 3 O + ][OH - ] = (mol/dm 3 ) 2 vízionszorzat 25 ºC-on [H 2 O] 2 [H 3 O + ][OH - ] K=

61 Protolitikus reakciók pH Vízionszorzat jelentése: H 3 O + (H + ) és OH - ionok mindig vannak jelen az oldatban, és meghatározzák egymás koncentrációját. Kémhatás: semleges oldat: [H 3 O + ]=[OH - ] = mol/dm 3 savas oldat: H 3 O + ionok vannak többségben (>10 -7 mol/dm 3 ) bázikus (lúgos) oldat: OH - ionok vannak többségben (>10 -7 mol/dm 3 ) A kémhatás számszerű jellemzésére a -lg[H 3 O + ] értéket használjuk, neve pH savas oldat: pH < 7 bázikus (lúgos) oldat: pH > 7 (Analóg módon pOH is létezik, de a gyakorlatban nem használatos.) Számítási példa: Mennyi a 0.1 mol/dm 3 -es HCl illetve NaOH oldatok pH-ja? HCl disszociációja után [H 3 O + ]=0.1 mol/dm 3 → pH=-lg[H 3 O + ] =1 NaOH oldatban [OH - ]=0.1 mol/dm 3 [H 3 O + ]= mol/dm 3 → pH=13 vízionszorzatból

62 Protolitikus reakciók Gyenge savak disszociációja Hidrogén-cianid (részleges disszociáció): HCN + H 2 O H 3 O + + CN - [HCN] [H 3 O + ][CN - ] Ks=Ks== mol/dm 3 Számítási példa: 1. Mennyi az 1 mol/dm 3 -es HCN oldat pH-ja? A disszociáció során azonos mennyiségű H 3 O + és CN - keletkezik: [H 3 O + ]=[CN - ] A maradó HCN koncentrációja: 1-[H 3 O + ] mol/dm 3 behelyettesítve a tömeghatástörtbe: A másodfokú egyenlet megoldása: [H 3 O + ]= mol/dm 3 → pH= Mennyi lesz a CN - -koncentráció, ha a fenti oldat pH-ját erős savval 2-re állítjuk? A tömeghatástört:, melyből [CN - ]=10 -7 mol/dm 3 Gyenge bázisok pH számítása analóg, csak ott a végén OH - -koncentrációt kapunk, amiből a vízionszorzat segítségével kapjuk meg a H 3 O + -koncentrációt. 1-[H 3 O + ] [H 3 O + ] = 1-[CN - ] [10 -2 ][CN - ] =

63 Protolitikus reakciók Hidrolízis Erős sav és erős bázis sójának (pl. NaCl) vizes oldata semleges kémhatású. Ha vagy a sav, vagy a bázis gyenge, a vizes oldat nem lesz semleges. gyenge sav+erős bázis (NaCN): lúgos kémhatás gyenge bázis + erős sav (NH 4 Cl): savas kémhatás A feloldáskor keletkező ionok reagálnak a víz molekulákkal: CN - + H 2 O HCN + OH - NH H 2 O NH 4 OH + H + (H 3 O + ) lúgos savas A fenti hidrolízisek is egyensúlyi folyamatok: [CN - ] [HCN][OH - ] Kh=Kh= [NH 4 + ] [NH 4 OH][H 3 O + ] Kh=Kh= és, [H 2 O] beépítve K h hidrolízisállandóba KsKs K víz Kh=Kh= A K s (K b ) disszociációs állandók és a megfelelő hidrolízisállandók között összefüggés van: [CN - ][H 3 O + ] [H 3 O + ][OH - ][HCN] = KsKs K víz =K h

64 Protolitikus reakciók Sav-bázis indikátorok Szerkezet pH 0–8,28,2–12,0 Szín színtelenlila Ezen indikátorok gyenge savak illetve bázisok, az oldatban részben disszociálnak az oldat pH-jától függően. H x In + xH 2 O In x- + xH 3 O + illetve InOH In + + OH - Más a színe a semleges indikátor molekulának és (a jelentősen megváltozott szerkezet miatt) a disszociációs termék ionnak. Fenolftalein: gyenge sav, disszociációs egyensúlyi állandója: Savas közegben: sok H 3 O + -ion, visszaszorul a disszociáció Lúgos közegben: H 3 O + ionokat megköti a sok OH - -ion, elősegíti a disszociációt In 2- H 2 In [H 2 In] [In 2- ][H 3 O + ] 2 K=

65 Protolitikus reakciók Univerzális indikátor Különböző indikátorok (fenolftalein, brómtimolkék, timolkék, metilvörös, és timolftalein) keveréke, melyek más-más pH-nál változtatják színüket. encarta.msn.com/.../universal_indicator.html

66 Redoxireakciók Oxidáció: 2Mg + O 2 = 2MgO Részfolyamatok: 2Mg - 4e - = 2Mg 2+, O 2 + 4e - = 2O 2- 2Mg O 2- = 2MgO A redoxi folyamatokban: oxidáció: elektron leadás redukció: elektron felvétel Nemcsak oxigénnel: 2Al + 3Cl 2 = 2AlCl 3 Részfolyamatok: 2Al - 6e - = 2Al 3+ 3Cl 2 + 6e - = 6Cl - 2Al Cl - = 2AlCl 3 oxidáció redukció (oxidáció) (redukció)

67 Redoxireakciók Oxidáció: 2Mg + O 2 = 2MgO Részfolyamatok: 2Mg - 4e - = 2Mg 2+, O 2 + 4e - = 2O 2- 2Mg O 2- = 2MgO A redoxi folyamatokban: oxidáció: elektron leadás redukció: elektron felvétel oxidálószer: az ami a másikat elektron leadásra (oxidációra) készteti redukálószer: az ami a másikat elektron felvételre (redukcióra) készteti Oxidáció és redukció mindig együtt játszódik le, mert az oxidálószer felveszi a másik által leadott elektronokat (redukálódik). Elektron egy reakcióban nem veszhet el (tömegmegmaradás törvénye), s általában nem is marad szabadon. Az oxidációra (redukcióra) való hajlam összefügg az elektronegativitással, azaz az elektronvonzási képességgel: F Cs További redoxireakciók: Zn + Cu 2+ = Cu + Zn 2+ Cl 2 + 2I - = 2Cl - + I 2 Zn + 2H + = Zn 2+ + H 2 oxidáció redukció

68 Oxidációs szám Számítható a fentiek alapján: pl. H 2 SO 4 -ben a kén oxidációs száma 6 0=2*(+1) + S + 4*(-2) Semleges atomhoz képesti oxidációs állapot: az atom névleges vagy valódi töltése egy adott vegyületben. elemek: 0 egyatomos ionok: az ion töltése molekulák: a névleges töltés, ha a kötő elektronpárokat gondolatban a nagyobb elektronegativitású atomhoz rendeljük. Pl: H 2 O-ban O=-2, H=+1 Semleges molekulában az oxidációs számok összege 0, többatomos ion esetében pedig az ion töltése. Jellemző oxidációs számok: alkálifémek (Na, K, …): +1 alkáliföldfémek (Mg, Ca, …): +2 fluor (F): -1 oxigén (O): -2 (kivétel peroxidok mint H 2 O 2 ) hidrogén (H): +1 (kivétel hidridek mint NaH) elemek többségének több oxidációs száma lehet (de:≠vegyérték): S=-2, +2, +4, +6 (semleges atomból oxidációval) (semleges atomból redukcióval)

69 Redoxi egyenletek Redoxireakciókban oxidációsszám-változás történik (korrózió is ide tartozik!) C + O 2 = CO 2 Al + 3HCl = AlCl 3 + 1½H 2 Reakció során valamely atom oxidációs száma csak úgy növekedhet, ha egy másiké csökken: az egyenlet adott oldalán az oxidációsszám-változások összege 0 kell legyen. Ionok esetében valós, kovalens kötésű molekulákban pedig formális elektronátmenet történik. Redoxi egyenletek rendezése: tömegmegmaradás + töltésmegmaradás Mn 4+ + Ce 3+ = Mn 2+ + Ce 4+ oxidációs számok összege: 7 6 Mn Ce 3+ = Mn Ce 4+ oxidációs számok: +5 3*(-2) *(-2) IO I - = I 2 +3O 2- ↑5 ↓1 IO I - = I 2 +3O 2- IO I - = 3I 2 +3O 2-

70 Redoxireakciók iránya Redoxipotenciál: számszerűen fejezi ki az egyes atomok/ionok/molekulák oxidációs illetve redukciós képességét. Információt ad arra, hogy egy adott redoxireakció végbemehet-e. Fontosabb törvényszerűségek: pozitívabb redoxipotenciálú rendszer oxidálja a negatívabbat negatívabb redoxipotenciálú rendszer redukálja a pozitívabbat RendszerEº (V) RendszerEº (V) F 2 /2F Sn/Sn MnO 4 - /Mn Fe/Fe Br 2 /2Br Zn/Zn I 2 /2I H 2 O/H 2 +2OH Cu/Cu Al/Al H 2 /2H Na/Na

71 Redoxireakciók iránya Redoxipotenciál: számszerűen fejezi ki az egyes atomok/ionok/molekulák oxidációs illetve redukciós képességét. Információt ad arra, hogy egy adott redoxireakció végbemehet-e. Fontosabb törvényszerűségek: pozitívabb redoxipotenciálú rendszer oxidálja a negatívabbat negatívabb redoxipotenciálú rendszer redukálja a pozitívabbat negatív redoxipotenciálú rendszert képező fémek savakban H 2 fejlődése mellett oldódnak -0.83V-nál negatívabb redoxipotenciálú fémek vízben H 2 -fejlődés közben oldódnak (Al kivétel a felületén képződő védő oxidréteg miatt) Példák: Zn + Cu 2+ → Cu + Zn 2+ (Zn 2+ + Cu ≠ Cu 2+ + Zn) Br 2 + 2KI → 2KBr + I 2 (I 2 + 2KBr ≠ 2KI + Br 2 ) Zn + 2HCl → ZnCl 2 + H 2 (Cu + 2HCl ≠ CuCl 2 + H 2 ) 2Na + 2H 2 O → 2Na + + H 2 + 2OH - (Zn + 2H 2 O ≠ Zn 2+ + H 2 + 2OH - ) RendszerEº (V) RendszerEº (V) F 2 /2F Sn/Sn MnO 4 - /Mn Fe/Fe Br 2 /2Br Zn/Zn I 2 /2I H 2 O/H 2 +2OH Cu/Cu Al/Al H 2 /2H Na/Na

72 Korrózió A környezet hatására a fémek felületéről kiinduló kémiai változások. (Latin: corrodo = szétrágni). Lényegében oxidáció, mely a fémek teljes vagy részleges átalakulásához vezet. 1967: Silver Bridge (West Virginia) 1 perc alatt összeomlott, 46 áldozat. USA 1998: 279 milliárd USD kár (3.1% GDP) Margit-híd

73 Korrózió Vas korróziója (rozsdásodás): Bruttó reakció: 4Fe + 3O 2 + 6H 2 O = 2Fe 2 O 3. 6H 2 O Részfolyamatok: Fe oxidációja: Fe = Fe e - O 2 redukciója: O 2 + 2H 2 O + 4e - = 4OH - Fe(II)-hidroxid képződése: Fe OH - = Fe(OH) 2 Fe(II)-hidroxid oxidációja: 4Fe(OH) 2 + O 2 + 2H 2 O = 2Fe 2 O 3. 6H 2 O vasrozsda: barna, pikkelyes szerkezetű Egyéb jellemzők: Zn, Mg rúddal összekötve a vas rudat a korrózió lassul a negatívabb redoxipotenciálú rendszer hajlamosabb az oxidációra! Cu rúddal összekötve a vas rudat a korrózió gyorsul Mivel a reakcióhoz nedvesség szükséges, a korróziót az elektrokémiai folyamatok körébe soroljuk RendszerEº (V) Cu/Cu Fe/Fe Zn/Zn Mg/Mg

74 Elektrokémia Galvánelem Térben különválasztva a két folyamatot áram indul meg a két cellarész között: fent fémes vezető (elektronokat szállítja) Na 2 SO 4 sóhíd szulfátionok szállítására, így az oldatok semlegesek maradnak (egyszerűbb cellákban porózus diafragma) elektrolitok: ZnSO 4, CuSO 4 oldatok Zn anód ( -, oxidáció), Cu katód ( +, redukció) Elektromotoros erő: feszültségkülönbség az elektródok között árammentes esetben Alapkísérlet: cink lapot teszünk CuSO 4 oldatba ox: Zn → Zn 2+ red: Cu 2+ → Cu Bruttó: Zn(s)+ Cu 2+ (aq) → Zn 2+ (aq) + Cu(s) RendszerEº (V) Cu/Cu Zn/Zn Celladiagram: Zn(s)|Zn 2+ (aq) || Cu 2+ (aq)|Cu(s) sóhíd fázis- határ fázis- határ - +

75 Korrózió elleni (passzív) védekezés korrodálódó fém módosítása (ötvözet), helyettesítése nedvességtartalom csökkentése a környezetben különböző bevonatok (fém, festék, műanyag) fémekkel galvánelem alakul ki!  elektrokémia: anódként szereplő komponens oxidálódik, azaz oldatba megy (korrodálódik)  oxidbevonat: Fe-oxid laza szerkezetű, gyorsan oldja az elektrolit  Zn-bevonat: a Zn oldódik, acél nem korrodálódik amíg egy kevés Zn is van rajta  Cu-bevonat: addíg jó, míg a Cu meg nem sérül, utána gyorsan korrodálódik  festék: addíg jó, míg nem sérül, előkezelés nélkül tapadása nem igazán jó  néhány tized mikron vasfoszfát réteg elősegíti a festék tapadását, maga is korróziógátló

76 Korrózió elleni védekezés aktív védelem Anódos védelem: vezetékkel az acélcsőhöz kötött Mg darab fog korrodeálódni, mert negatívabb standardpotenciálja miatt előbb oxidálódik mint a vas. Aktív katódos védelem: folyamatosan áramot vezetünk át a rendszeren, melyben hulladékvas van anódnak kötve: az oxidálódik

77 Más galvánelemek grafit MnO 2, grafitpor NH 4 Cl+ZnCl 2 elektrolit MnO 2, grafitpor Zn szigetelő Alkálikus: (nagyobb teljesítmény, hosszabb élettartam) elektrolit: KOH anód: Zn(s) + 2OH – (aq)  ZnO(s) + H 2 O + 2e – katód: 2MnO 2 (s) + H 2 O + 2e –  Mn 2 O 3 (s) + 2OH – (aq) Alkálikus „ezüstoxid”: (még nagyobb teljesítmény, még hosszabb élettartam) elektrolit: KOH vagy NaOH oldat anód: Zn(s) + 2OH – (aq)  ZnO(s) + H 2 O + 2e – katód: Ag 2 O(s) + 2e –  2Ag alkalmazás: gombelemek illetve hadieszközökben mint Mark37 torpedó Leclanché „szárazelem” (a hagyományos, legolcsóbb) elektródok: grafit (katód), cink (anód) elektrolit: NH 4 Cl–MnO 2 –szénpor, nedves pép működés: Mn 4+  Mn 3+, ill. Zn  Zn 2+ : Bruttó: 2H + + Zn + 2MnO 2  Zn MnO(OH) Gombelemek: Zn helyett Li (Li-vegyület)

78 Akkumulátorok Savas akkumulátor (pl. ólomakkumulátor): elektrolit: 33.5 t/t% (~6 mol/dm 3 ) H 2 SO 4 elektródok: Pb és PbO 2 (PbSO 4 bevonat működés közben) ha kisütésről töltésre váltunk, a redoxfolyamatok felcserélődnek töltés: 2H 2 O + PbSO 4 (s) → PbO 2 (s) + 2e - + SO H + PbSO 4 (s) + 2e - → Pb(s) + SO 4 2- kisütés: PbO 2 (s) + H 2 SO 4 (aq) + 2H + + 2e - → PbSO 4 (s) + 2 H 2 O Pb(s) + SO 4 2- (aq) → PbSO 4 (s) + 2e - töltéskor energiát fektetünk be, kisütéskor energiát kapunk (70-92%) Alkalikus akkumulátorok (pl. Ni-Cd) elektrolit: KOH oldat elektródok: NiO(OH) és Cd kisütés: NiO(OH)(s) + 2H 2 O +2e -  Ni(OH) 2 + 2OH - Cd(s) + 2OH - → Cd(OH) 2 + 2e - töltéskor fordítva hatásfok: 70-90% (ox) (red)

79 Akkumulátorok Li-ion akkumulátor : elektrolit: Li-só szerves oldószerben elektródok: különböző Li vegyületek kisütés: Li az anódból oldatba megy, az oldatból pedig másik Li ionok beépülnek a katódba töltés: Li a katódból az oldatba megy, az oldatból pedig az anódba Pl. katódon, anódon Katód anyagaÁtlagos feszültségKapacitásTeljesítmény LiCoO V140 mAh/g0.518 kWh/kg LiMn 2 O V100 mAh/g0.400 kW·h/kg LiFePO V150 mAh/g0.495 kW·h/kg Li 2 FePO 4 F3.6 V115 mAh/g0.414 kW·h/kg Anód anyagaÁtlagos feszültségKapacitásTeljesítmény Grafit (LiC 6 ) V372 mAh/g kWh/kg Li 4 Ti 5 O V160 mAh/g kW·h/kg Si (Li 4.4 Si) V4212 mAh/g kW·h/kg Ge (Li 4.4 Ge) V1624 mAh/g kW·h/kg

80 Üzemanyagcellák Üzemanyagcella : kémiai reakcióval elektromos áramot állít elő, mely addig történik, míg tápláljuk bele az üzemanyagot Alkáli üzemanyagcella (jelenleg a legjobban kidolgozott típus) elektrolit: 30%-os vizes KOH oldat elektródok: platina működés: Katalizátor (általában platina) segítségével a hidrogén- molekulák és az elektrolitból jövő hidroxid-ionok vízzé alakulnak, miközben elektronok szabadulnak fel. Ezek aztán a katódra áramlanak, ahol (szintén katalizátor segítségével) az oxigén és víz reakciójával OH - ionokat képeznek. Az elektronok katódra való áramlása adja a hasznosítható elektromos áramot. Reakciók: Anódon: 2H 2 + 4OH - → 4H 2 O + 4e - Katódon: O 2 + 2H 2 O + 4e - → 4OH - A teljes reakció: 2H 2 + O 2 → 2H 2 O Elektromos hatásfok: 60-70% Elektromos áram Alkáli üzemanyagcella Katód Anód KOH oldat Víz és hő

81 Elektrokémiai fogalmak Elektródpotenciál (  ) : standard hidogénelektróddal szemben mért cellapotenciál Standard hidrogénelektród (mindig a katód) platina elektród (H 2 atomizálása) 0,1 MPa H 2 gáz 1 mol/dm 3 H 3 O + -tartalmú savoldat elektródpotenciálja megállapodás alapján 0. Nernst-egyenlet:  =  º. (RT/zF)lnc ion Elektródpotenciál meghatározása: mérőcella ábra alapján standard H 2 elektródot katódnak kapcsoljuk mérjük az elektromotoros erőt: E ME =  katód -  anód E ME lehet pozitív és negatív is függ az elektrolit ionkoncentrációjától  º: standardpotenciál (elektródra jellemző anyagi állandó) azonos azon standard redoxipotenciálokkal, melynél egyik forma az elem z: elektrolitban levő ion töltése F: Faraday állandó = C (1 mól elektron töltése) platina Zn anód

82 Elektrolízis Elektromos energia segítségével kémiai átalakítást csinálunk, azaz redoxi- reakciót hajtunk végre. Elektrolizáló cella: galváncella, melyben az elektródokat és elektrolitot a célnak megfelelően választjuk meg Faraday-törvény: képződött anyag mennyisége arányos az átfolyt töltéssel. n= It zF átfolyt töltés 1 mol anyag leválasztásához szükséges töltés Katód: negatív elektród, redukció történik Anód: pozitív elektród, oxidáció történik Vízbontás: katódon: 2H 2 O + 2e - = H 2 + 2OH - (  º=-0,83 V) anódon: 2H 2 O = O 2 + 4H + + 4e - (  º=+1,23 V) Na vizes oldatból elektrolízissel nem állítható elő, mert a Na + + e - = Na folyamat standardpotenciálja (  º=-2,71 V) nagyobb mint a H + redukciójáé (  º=-0,83 V), azaz a kevesebb energiát igénylő H 2 -fejlődés megy végbe. Na előállítása ezért: NaCl olvadékból történő elektrolízissel.


Letölteni ppt "Kovács Attila Kémiaterméktervezőknek BME, Szervetlen és Analitikai Kémia Tanszék MTA-BME Anyagszerkezeti és Modellezési Kutatócsoport"

Hasonló előadás


Google Hirdetések