Halmazállapotok Gáz Avogadro törvénye: azonos nyomású és hőmérsékletű gázok egyenlő térfogatában – az anyagi minőségtől, molekula méretétől függetlenül.

Az előadások a következő témára: "Halmazállapotok Gáz Avogadro törvénye: azonos nyomású és hőmérsékletű gázok egyenlő térfogatában – az anyagi minőségtől, molekula méretétől függetlenül."— Előadás másolata:

1 Halmazállapotok Gáz Avogadro törvénye: azonos nyomású és hőmérsékletű gázok egyenlő térfogatában – az anyagi minőségtől, molekula méretétől függetlenül – azonos számú molekula van. Állapot Jellemzők Moláris térfogat (dm3/mol) Standard ºC, 0,1 MPa ,5 Szobahőmérséklet ºC, 0,1 MPa ,0 Normál ºC, 0,1 MPa ,41 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 Pa • V = 0.5 mol • 8,314 • ( ) K V = m3

2 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

3 Halmazállapotok Oldatok
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)

4 Halmazállapotok Oldatok: 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: =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 mol NaCl. Tehát az oldat koncentrációja mol/dm3

5 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 (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

6 Halmazállapotok Fémrács
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) mindenféle puha, megmunkálható kemény, rideg

7 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

8 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 folyadék folyadék+szilárd szilárd oldat Fázisdiagram (K) T2 T1 100%B 100%A xszilárd xfolyadék 70%A, 30%B 10%A, 90%B 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

9 Halmazállapotok Ötvözetek
Kétkomponensű rendszer eutektikus ponttal: Folyadék T p=állandó x% szilárd A + B szilárd A + folyadék szilárd B + 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 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).

10 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 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. Arany tisztasága: 24 karát: 100 % arany 18 karát: 75 % arany 12 karát: 50 % arany

11 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: CsI, térben középpontos kockarács NaCl, lapon középpontos kockarács

12 Halmazállapotok Molekularács
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. Hidrogénkötés Dipólus-dipólus kölcsönhatás Diszperziós kölcsönhatás kJ/mol 8-40 kJ/mol Jég: 16 különböző szilárd fázisú szerkezetben létezik. Hexagonális kristályrendszer

13 Grafit Három rácstípusból van benne:
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)

14 Kémiai reakciók reakcióegyenletek
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

15 Kémiai reakciók kémiai 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.

16 Kémiai reakciók kémiai 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 + 6H2O 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.

17 Kémiai reakciók reakcióhő
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.

18 Kémiai reakciók reakcióhő
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. 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. Reakcióentalpia (DH, kJ): ugyanaz mint a reakcióentalpia, csak ki van kötve a nyomás állandóságának feltétele (zárt edényben gázok reakciójakor lehet különbség ha mólszám változás van)

19 Kémiai reakciók Kémiai reakció feltételei: Aktivált komplexum:
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 Aktivált komplexum Reakcióút Termékek DEa DE’a Reaktánsok Reaktánsok Átmeneti komplexum Termék Aktiválási energia (kJ/mol): az az energiatöbblet, amelynek következtében a részecskék átalakulásra képes aktív állapotba jutnak = az aktivált komplexum keletkezéséhez szükséges energia

20 Kémiai reakciók reakciósebesség
Reakciósebesség: egységnyi térfogatban egységnyi idő alatt hány mol alakul át a ki- indulási anyagok valamelyikéből, vagy hány mol keletkezik a termékek valamelyikéből. Függ: a reakciótól (reagáló anyagok minősége) reagáló anyagok koncentrációjától hőmérséklettől katalizátortól 2H2 + O2 = H2O v=k• cH22 • cO2 mol/(dm3s) k= reakciósebességi állandó Reakcióút Reakció katalizátor nélkül Reakció katalizátorral E X → Y Y → X 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. Inhibítor: kémiai reakciókat lassító vagy gátló anyagok.

21 Találkozunk szeptember 28-án ugyanekkor, ugyanitt.