Kémiai alapismeretek Kémiai BSc.

Az előadások a következő témára: "Kémiai alapismeretek Kémiai BSc."— Előadás másolata:

1 Kémiai alapismeretek Kémiai BSc

2 A kémiai alapismeretek tárgy ismeretanyaga szervesen beépül a társ természettudományokba.
Kémia nélkül nem érthetnénk meg az elemi élettani, geológiai, meteorológiai folyamatokat, nem gyógyulhatnánk fel sok-sok betegségünkből. Kémiai átalakításokkal tudunk előállítani új használati anyagokat, tárgyakat, vagy fel tudjuk ismerni az egészségünket, környezetünket károsító anyagokat. A kémia az atomok, molekulák tudománya. Ezekből a parányi részecskékből épül fel a minket körülvevő világ, a mindennapjainkat meghatározó legtöbb anyag.

3 Az alapvető kémiai fogalomrendszer használata az anyagok tulajdonságainak megismerésénél és a közöttük lejátszódó folyamatok leírásánál nélkülözhetetlen. /pl.: vegyjel, képlet, mól, moláris térfogat, anyag-, energia-, és töltésmegmaradási törvények,változázokat leíró egyenletek, periódusos rendszer, szerkezet, fázisok, stb./ A kémia az anyag felépítésénak, tulajdonságainak, az anyagfajták egymásba alakulásainak tudománya.

4 Természettudományok BSc Csillagászat Matematika Fizika Kémia Biológia
Földrajz Kémia Környezettudomány Informatika Matematika EKF TTK

5 Technoszféra – Bioszféra Emberi tevékenység - Természeti környezet produktuma
Környezetvédelem, környezeti kémia Táplálkozás. Gyógyszerek hatása Energiaellátás

6 Az ember tevékenysége révén természeti környezetét állandóan alakítja, változtatja. A Föld, mint e tevékenység színtere évezredeken át gyakorlatilag korlátlan kapacitású puffernek bizonyult, azaz az emberi tevékenységet úgy tűrte el, hogy eközben alapvető változást nem szenvedett. Ám az elmúlt néhány évtizedben nyilvánvalóvá vált, hogy az emberiség létszámának és ezzel együtt az ipari termelésnek ugrásszerű növekedése, az élővilág egyes fajtáinak visszaszorulása, illetve kihalása maradandóan megváltoztatja a környezetet. A levegő, a víz, a talaj egyre több idegen anyagot, olyan kemikáliákat tartalmaz, amelyeket még 100 évvel ezelőtt sem ismert az emberiség.

7 A civilizációs fejlődés eredményeként a két globális rendszer: a technoszféra és a bioszféra egyensúlya megbomlott. Technoszférán azoknak az objektumoknak az összességét értjük, amelyek emberi tevékenységgel jöttek létre, és nem a természetben keletkeztek. Bioszférának a természeti környezetet, vagyis a Föld biológiai és geológiai rendszereinek együttesét nevezzük. Hosszú ideig a technikai fejlődés nyersanyag- és energiaigényének kielégítése szinte korlátlannak látszott, másrészt a technoszférából származó hulladékot a bioszféra képes volt maradéktalanul befogadni.

8 Ez a kép jelenleg kedvezőtlen változást mutat: 1950 és 1990 között a világ népessége megkétszereződött, a világgazdasági termelés pedig közel négyszeresére nőtt. Ezért a nyersanyag- és energiaforrások végessége és a környezet hulladéktűrő képessége egyre határozottabban kirajzolódott az utóbbi évtizedekben.

9 A kutatások eredményeként eddig több, mint ötmillió kémiai vegyületet állítottak elő. A világ vegyipara évente mintegy százötven millió tonna vegyi anyagot termel. Ezek jelentős része ún. természetidegen vegyület. Másként fogalmazva, az emberiség ma az addig csak a természetben előforduló vegyületek sorát technikai méretekben állítja elő, továbbá olyan természettől idegen anyagok millióit szintetizálja, amelyek speciális tulajdonságokkal és alkalmazási területtel rendelkeznek.

10 Mindez természetesen nem maradhatott hatás nélkül a természeti környezetre, hanem elvezetett a kémiai elemek körforgásának felgyorsulásához, a legkönnyebben kitermelhető nyersanyagtelepek kimerüléséhez. Közben a hulladékok hatalmas mennyisége keletkezik, amelyek elhelyezését és hatását a biológiai rendszerekre nem tudjuk egyértelműen megoldani, illetve megítélni.

11 A világgazdaság mai szintje azt kívánja meg, hogy a Föld rövid idő alatt nem regenerálódó erőforrásaiból évente mintegy 105 Mt = 1011 tonna = 1014 kg anyagot használjunk fel. Ennek a roppant anyagmennyiségnek egy része hulladékként jelenik meg. Felmerült az a veszély, hogy ha a biokémiai körfolyamatokban működő ellenőrző és átalakító mechanizmusok kapacitását – ezzel a körfolyamatok kompenzáló képességét – túllépjük, az ökológiai rendszerek működése irreverzibilisen is megváltozhat. A környezetszennyezést tehát úgy is definiálhatjuk, mint az ökológiai rendszerek dinamikus egyensúlyának megzavarását vagy megszüntetését.

12

13

14

15

16

17

18

19 A légkör kémiájához Az, hogy a Földön kialakulhatott az élet, a Naptól való kedvező távolságnak, a héliumnál nehezebb elemek képződésének, valamint a vízburok és a légkör kialakulásának köszönhető. Hiszen gondoljuk arra, hogy az ember táplálék nélkül öt hétig is élhet, de víz nélkül kb. öt napot, levegő nélkül pedig kevesebb, mint öt percet bír ki. A felnőtt ember normális életműködéséhez naponta 15 kg (kb. 13 m3) levegő szükséges. Az anyagcsere-folyamatokon kívül a levegő alapvető feltétele a látásnak, a hallásnak és a szaglásnak is.

20 Hogyan változik a tengerszint feletti magassággal a légnyomás
Hogyan változik a tengerszint feletti magassággal a légnyomás? A tengerszintnek megfelelő magasságban kis ingadozásoktól eltekintve – amit a változó páratartalom okoz – jó közelítéssel 101 kPa a légnyomás méter magasságban (pl. Kékestetőn) már csak 89 kPa, 2000 méteren 79 kPa, 3000 méter magasságban 70 kPa, 4000 méter magas hegycsúcson 61 kPa, 5000 méter magasságban (közel ennyi a Monc Blanc csúcsa) csak 54 kPa a légnyomás, ami igen nagy megterhelést okozhat az ilyen körülményekhez nem szokott hegymászóknak. A légkör főbb kémiai alkotói: 78% N2 21% O2 Kb. 1% Ar 0,035% CO2 (35ppm) vízgőz

21 Szén- dioxid (CO2) C + O2 → CO CO2 + H2O ↔ H2CO3 Szén és széntartalmú anyagok tökéletes égésekor keletkezik. Hosszú ideig egyensúlyban volt a Föld szén-dioxid-háztartása, mert a növények fotoszintézisük során jelentős mennyiségű szén-dioxidot kötnek meg és oxigént bocsátanak ki. Száz évvel ezelőtt a légköri szén-dioxid-koncentráció még csak 290 ppm volt, jelenleg 350 ppm. Az utóbbi évtizedekben viszont a trópusi erdők területének csökkenésével a szén-dioxid megkötése jelentősen csökkent, az iparosodás és a közlekedés fejlődése viszont azt eredményezte, hogy a kibocsátás állandóan és gyors ütemben nőtt. A szén-dioxid-molekula stabilis, átlagos tartózkodása a légkörben mintegy 10–15 év. Ez a háromféle hatás együttesen okozza azt a tényt, hogy az egyensúly megbomlott, és évről évre rohamosan nő az ún. nettó kibocsátás. Ez Magyarországra vonatkoztatva évi 30–35 millió tonna. A teljes kibocsátás a Földön jelenleg 25 milliárd tonna/év.

22 Szén-monoxid (CO) Színtelen, szagtalan, vízben kevésbé oldódó gáz. Széntartalmú anyagok tökéletlen égésekor keletkezik. Rendkívül mérgező emberre, állatra egyaránt. A vér hemoglobinjával stabilisabb komplexet képez, mint az oxigén, így megakadályozza annak a megkötését és szállítását, azaz a gázcserét, ezért fulladásos halált okoz. Jelöljük az oxigénnel képzett komplexet Hem.O2-nel, a szén-monoxid-komplexet pedig Hem.CO-dal. Felírhatjuk a következő egyensúlyi folyamatot: CO + Hem.O2 O2 + Hem.CO A folyamat egyensúlyi állandójának értéke: 200.

23 A folyamat egyensúlyi állandójának értéke: 200.
Az egyensúlyi állandó nagy értéke azt jelenti, hogy már kis szén-monoxid-koncentráció is leköti a hemoglobint. Ha pl. a [CO] eléri az [O2] 200-ad részét, akkor Ez azt jelenti, hogy a hemoglobin fele a szén-monoxiddal képez komplexet az oxigén helyett. Így kevés Hem. O2 komplex marad ahhoz, hogy ellássa a szervezetet oxigénnel. Ha 20%-ban átalakul a Hem. O2 Hem.CO-dá, az már végzetes lehet.

24 Benzin égése Tételezzük fel, hogy a benzin főleg C8H18 összetételű oktánból áll, a levegő 1 molja pedig 0,21 mol O2-ből és 0,79 mol N2-ből, átlagos moláris tömege 29 g/mol. Ha a benzin égése nem tökéletes a robbanómotorban, akkor a következő folyamat megy végbe: C8H18 + 8,5 O2 = 8 CO + 9 H2O A benzin tökéletes égésének reakcióegyenlete: C8H ,5 O2 = 8 CO2 + 9 H2O 12,5 mol O2 mellett a levegő összetételének megfelelően 47,0 mol N2 is jelen van. A reakcióegyenlet alapján kiszámíthatjuk, hogy 1 mol, azaz 114 g (8* ) benzin elégéséhez 1725 g (59,5*29) levegő szükséges. Tehát az elméleti levegő: üzemanyag tömegarány =

25 Szénhidrogének A legegyszerűbb szénhidrogénből, a metánból (CH4) 6–7 milliárd tonna van a légkörben. Ennek jelentős része természetes forrásokból, a szerves anyagok anaerob bomlása révén kerül a levegőbe. Nagy mennyiségű metán keletkezik pl. a vízzel elárasztott rizsföldeken. Az állatok, különösen a szarvasmarhák emésztése is jelentős metánforrás. A kőzetekből is számottevő mennyiségű metán szabadul ki a bányaművelés és a földgázkitermelés során. Évente globálisan kb. 1 milliárd tonna metán jut a levegőbe, ennek 70%-a antropogén eredetű. A magyarországi kibocsátás 700–800 ezer tonnára becsülhető. Az utolsó 100 évben a metánkoncentráció is jelentős növekedést mutat: a többszáz évig állandó 0,77 ppm értékről hirtelen 1,7 ppm-re nőtt. (1ppm=1cm3/m3)

26 Metán (CH4) Légköri átlagos tartózkodási ideje 5–10 év. A teljes troposzférában elkeveredik, ahol rövidebb-hosszabb idő alatt szén-monoxiddá, majd szén-dioxiddá oxidálódik, és így visszatér a légkörből a bioszférába és az óceánokba. és: halogénezett szénhidrogének aromás szénhidrogének policiklusos szénhidrogének

27 A víz körforgása (1000 km3/év)

28 O2

29 CO2

30 Az üvegházhatás 4

31 Az üvegházhatást szemléltető kísérlet

32 Az élelmiszerek és a szervezet sav-lúg egyensúlya
Az anyagcsere-folyamat során a felvett táplálék számos kémiai változáson megy keresztül, s vagy beépül a szervezetbe, vagy energiaként használódik fel. Megfelelő közegben ezek a folyamatok optimálisan működnek. A vérplazmában enyhén lúgos kémhatásnak (pH~7,1) kell lennie az egészség fenntartása és a betegségek megelőzése érdekében. A savas kémhatás felé való eltolódás számos betegség előidézője lehet, különösen izületi és reumatikus problémák jelentkezése várható.

33 Az anyagcsere folyamán rengeteg savas kémhatást okozó anyag keletkezik
Az anyagcsere folyamán rengeteg savas kémhatást okozó anyag keletkezik. A szervezetben folyó lassú égés, az exoterm oxidáció során keletkező szén-dioxid a vérben szénsavként nyelődik el. A sejtanyagcsere kapcsán számos sav, pl. piroszőlősav, tejsav stb. keletkezik. Mindezek az elsavasodáshoz vezetnének, ha a szervezet nem tenne „óvintézkedéseket” ennek megakadályozására. Például a vérben felszaporodó szénsav ingerként hat a légzőközpontra, gyakoribbá és mélyebbé válik a légzés, így több szén-dioxid távozik (légzési pufferálás). A vizelet pH-ja is széles skálán mozog, így a vese is jelentős kiegyenlítő szerepet játszik. Fontos a vér ún. pufferkapacitása, amely megköti az erősebb savakat. Ha a pufferkapacitásnak több, mint a fele elfogy, az egyensúly felbomlik, savasodás jön létre, amely fáradékonyságot, álmatlanságot, nyugtalanságot okoz.

34 A szervezet sav-lúg egyensúlyának megóvása érdekében igen fontos táplálékunk összetételének megválasztása. Az ételek egy részéből savas, más részéből lúgos és igen kis részéből semleges kémhatást okozó anyagcseretermékek keletkeznek. Nagyon fontos a megfelelő arány a lúg- és a savképző ételek között. Egyes kutatások szerint a természetes arány 4 : 1, azaz 80% lúgos, 20% savas. Ennek betartásakor legerősebb a szervezet ellenálló képessége. 3 : 1 aránynál a lúgtartalék kimerül, a szervezet többet nem tud kompenzálni, és savasodás következik be.

35 Savképző ételek: az összes húsok, hal, baromfi, tojás állati zsír, növényi zsiradék (margarin) az összes gabonaneműek (kivéve a köles) dió, mogyoró, mandula fehérliszt, fehérkenyér, rozskenyér hüvelyesek rizs, savanyú gyümölcsök Lúgképző ételek: gyakorlatilag minden zöldség és gyümölcs Semleges ételek: tej, tejtermékek, növényi olajok

36 Civilizációs fejlődésünk
Bioszféra Technoszféra Technoszféra XIX. század Technoszféra XX. század Technoszféra XXI. század Technoszféra

37 ELEMEK azonos atomok: Jelölése: VEGYJEL-lel He, Ca Elnevezés:
H hidrogén: vízképző (Wasserstoff) O oxigén: savképző (Sauerstoff) P foszfor: fény hordozó I jód: ibolya színű He – Nap Se – Hold U, Np, Pu bolygók Es, Md, Cm tudósok Ge, Fr, Eu, Ga földrajzi nevek

38 VEGYÜLETEK alkotórészek aránya állandó
Molekulák: (százalékos összetétel) Jelölése: KÉPLET-tel H2O, C6H12O6, NaCl(sz) CO, CO2, CaCO3 De: Elemmolekulák: H2, O2… P8 Moláris tömeg – Móltömeg – Relatív /atom/moltömeg Mól fogalma db ATE, (u)

39 „Kémiai” anyag / –Csoportosítás/
Elemek, Vegyületek, Keverékek 2. ANYAG /szerkezete sz./ DISZKONTINUUS KONTINUUS „részecske” j. korpuszkuláris folytonos „mező” Nem abszolút! (Pl. atomok, molekulák töltésfelhői) KÉMIA fogl. FIZIKA fogl.

40 Kémiai” anyag / –Csoportosítás/
3. Szervetlen – Szerves 4. Szilárd – Cseppfolyós – Légnemű /Halmazáll./ Kristályos a. Folyadékok Gázok és /amorf/ és/plazma á./ egykomponensű többkomponensű OLDATOK /Kolloidok/

41 Az ATOM-ok szerkezete Atommag és Elektronhéj p+, no, e– Nukleonok
Rutherford kísérlete: 10–10 m; 10–15 m Rendszám: p+ száma Tömegszám: no száma + p+ száma /146n+92p/

42 IZOTÓP-ok /izotóp elemek/
Ugyanazon kémiai elem változatai – rendszám azonos, tömegszám különbözik Természetes –Mesterséges/”Tiszta” elemek/ és 35,5 súlyozott átl. 75% – 25% gyógyászat Radioaktív – és nem radioaktív izotópok Pl. Au …

43

44

45

46

47 Energia Eredete: görög szó, munkát jelent (Arisztotelész)
E = m x v / E = m x c2 / Joule = kg x m2 x s-2 Minden kémiai változás ENERGIA változással jár /Energiafajták / Termokémia/ Kőolaj, földgáz, kőszén, atomenergia Megújuló energiaforrások (Nap – Szél – Víz – Geotermikus energia --Bioenergia)

48

49

50

51

52

53

54 Néhány anyag köznapi neve, képlete, és tudományos neve
Égetett mész CaO Kalcium-oxid Oltott mész, mésztej Ca(OH)2 Kalcium-hidroxid Timsó KAl(SO4)2 Kálium-aluminium-szulfát Dolomit CaMg(CO3)2 Kalcium-magnézium-karbonát Pirit FeS2 Vas-szulfid Hypo NaOCl Nátrium-hipoklorit Mészkő, márvány CaCO3 Kalcium-karbonát Vízüveg Na2SiO3 Nátrium-szilikát Szódabikarbóna NaHCO3 Nátrium-hirogén-karbonát Fixirsó Na2S2O3*5H2O Nátrium-tioszulfát (kristályvizes)

55 Néhány anyag köznapi neve, képlete, és tudományos neve
Választóvíz HNO3 Tömény salétromsav Barnakő MnO2 Mangán-dioxid Chilei salétrom NaNO3 Nátrium-nitrát Pétisó NH4NO3 Ammónium-nitrát Szóda, sziksó Na2CO3 Nátrium-karbonát Trisó Na3PO4 Nátrium-foszfát Hamuzsír K2CO3 Kálium-karbonát Gipsz CaSO4 Kalcium-szulfát Keserűsó MgSO4*7H2O Magnézium-szulfát (kristályvizes) Glaubersó Na2SO4 Nátrium-szulfát

56 Néhány anyag köznapi neve, képlete, és tudományos neve
Kálisó KCl Kálium-klorid Kősó NaCl Nátrium-klorid Ónkő SnO2 Ón-dioxid Rézgálic CuSO4*5H2O Réz-szulfát (kristályvizes) Mohr-só Fe(NH4)2(SO4)2*6H2O Vas(II.)-ammónium-szulfát (kristályvizes) Patina [Cu(OH)2]2CO3 Bázisos réz-karbonát

57

58

59

60 Kémiai kötések összefoglalása
Elsőrendű és másodrendű kötések

61 1. Anyagi részecskék Atomok Ionok Molekulák
Kémiai kötés: Azonos vagy különböző részecskék kölcsönhatása.

62 2. Kémiai kötések 1. Ionkötés 2. Kovalens kötés 3. Fémes kötés Ionok
Ionkristály Ionvegyület NaCl(Na+Cl-) 2. Kovalens kötés Molekulák Atomok Molekulakristály Atomkristály Nemfémes elem Vegyület O2, Cl2, I H2O 3. Fémes kötés Fémkristály Fémes elem Fe, Al Delokalizált elektronok - + Fém atomtörzsek (ionok) - - + + + - - - - - - - + + + - - - -

63 3. Kémiai anyagok – a.) Elemek
Példák: Cl + Cl  Cl-Cl Cl2 O + O  O=O O2 N + N  N N N2 Apoláris molekulák

64 3. Kémiai anyagok – b.) Vegyületek
Példák: C+O2CO O=C=O apoláris H2+Cl22HCl H-Cl poláris (dipol) 2H2+O22H2O O H H molekulák poláris (dipol) Mg+Cl2MgCl Ionok Mg2+ 2Cl- 1 : 2 - + + -

65 Másodrendű kötések Van der Waals Hidrogén(híd)kötés

66

67

68

69

70

71 Felhasznált irodalom:
Náray-Szabó Gábor: Kémia (Akadémiai kiadó, Budapest, 2006.) Bodonyi–Pitter: Kémiai összefoglaló (Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1993.) Rózsahegyi Márta–Vajand Judit: Kémia itt, kémia ott, kémia mindenhol! (Nemzeti Tankönyvkiadó, ELTE Eötvös Kiadó Budapest 1995.) Gergely–Erdődi–Vereb: Általános és bioszervetlen kémia (Semmelweis Kiadó, 1997.) Dr.Kiss Attila: Kémiai ismeretek (Oktatási segédanyag) EKF Papp Sándor–Ralf Kümmer: Környezeti kémia (Tankönykiadó Bp.1992.) Dr. Bodor Endre: Szervetlen kémia I. (Veszprémi Egyetemi Kiadó, Veszprém, 1994.) Simándi Péter: Alkalmazott kémia (Tessedik Sámuel Főiskola, Szarvas, 2003.) Megjegyzés: A konzultáción megismert anyag egyéni feldolgozására bármilyen más kémiai jegyzet, tankönyv, kiadvány felhasználható.

72 A konzultáción feldolgozott anyag:
A kémia tárgya, a kémia és a természettudományok, a kémia és a társadalom kapcsolata. Kémiai alapfogalmak. Sztöchiometria: atom- és molekulatömeg, a kémiai anyagmennyiség fogalma – mól, elemek, vegyületek jelölése. A kémiai reakciók, a kémiai változás paraméterei. Egyszerű sztöchiometriai számítási feladatok megoldása. Az atomok elektronszerkezete, az atommodellek. Az elemek periódusos rendszere. Molekulák képződése, a kémiai kötések. Halmazok szerkezete.Halmazállapotok és változásaik. A víz fázisdiagramja. Oldatok, elegyek, koncentrációszámítás. Termokémia alapjai. Reakciósebesség. Homogén és heterogén egyensúlyok. Sav-, bázis egyensúlyok, pH. Redoxi reakciók. Standard potenciál. Galvánelemek. Elektrolízis. Kolloidok. Legfontosabb szerves kémiai vegyületcsoportok. A konzultáción bemutatott kísérletek: A szén-dioxid üvegházhatásának szemléltetése CO2 fejlesztő Kipp készülék A hidrogén előállítása (Kipp k.), égése, sűrűsége, oldhatósága,-durranógáz Oldhatósági kísérletek Extrakció (Megoszlás) Kolloid oldatok előállítása Elektrolízis (H2, O2 kimutatása) Galvánelem készítése, Kapocsfeszültség, Elektromotoros erő Dr. Rácz László

73 Tantárgy neve: Kémiai alapismeretek
Kredit: 2 Félév: 1 Heti óraszám: Óratípus: Előadás x Szeminárium  Gyakorlat  Értékelés: Kollokvium x Gyakorlati jegy  Tantárgy leírása: A kémia tárgya, a kémia és a természettudományok, a kémia és a társadalom kapcsolata. Kémiai alapfogalmak. Sztöchiometria: atom- és molekulatömeg, a kémiai anyagmennyiség fogalma – mól, elemek, vegyületek jelölése. A kémiai reakciók, a kémiai változás paraméterei. Egyszerű sztöchiometriai számítási feladatok megoldása. Az atomok elektronszerkezete, az atommodellek. Az elemek periódusos rendszere. Molekulák képződése, a kémiai kötések. Halmazok szerkezete. Halmazállapotok és változásaik. A víz fázisdiagramja. Oldatok, elegyek, koncentrációszámítás. Termokémia alapjai. Reakciósebesség. Homogén és heterogén egyensúlyok. Sav-, bázis egyensúlyok, pH. Redoxi reakciók. Standard potenciál. Galvánelemek. Elektrolízis. Kolloidok. Legfontosabb szerves kémiai vegyületcsoportok. Tantárgyfelelős: Dr. Rácz László Oktatók: Dr. Rácz László