ÁLTALÁNOS KÉMIA I. Földtudományi BSc Előadó: Tarczay György Az eredeti tananyagot összeállította: Kotschy András Letölthető: http://www.chem.elte.hu/departments/altkem/kotschy/geol/default.htm vagy http://kotschy.web.elte.hu/geol/default Az átdolgozott változat: http://www.chem.elte.hu/departments/altkem/tarczay/tarczay.hu.html

Jegyzet, tankönyv Órai jegyzet (!!!) + fóliák Torkos Kornél: Általános kémia; ELTE, 2003. Nyilasi János: Általános kémia, Gondolat kiadó, 1980  Ajánlott irodalom: Boksay Zoltán: Általános kémia, ELTE 1985; Náray-Szabó Gábor (szerk.): Kémia, Akadémiai Kiadó 2006

Miért szerethetjük a kémiát?

Ízes NaCl E 621: Nátrium­glutamát

Látványos

Hangos

Illatos vagy büdös… CH3CH2CH2CH2SH feromonok

Kellemes Fontos Hasznos

És miért tanul kémiát a „szerencsétlen” első éves földtudomány BSc-s hallgató (péntek délután) ???

Minerológus leszek… Mi az összetétele? Tulajdonságai? Miért eltérő a színük? SZERVETLEN KÉMIA ANALÍTIKAI KÉMIA

A kőzetek, barlangok érdekelnek… H2O + CO2 → H2CO3 H2O + H2CO3 HCO3 + H3O+ SZERVETLEN KÉMIA FIZIKAI KÉMIA pH ≈ 5, mészkő, vízkő képződése: H2CO3 + CaCO3 2HCO3 + Ca2+(aq)

Limnológus leszek… FIZIKAI KÉMIA KOLLOIDIKA Miért ilyen a tó színe? Tyndall-effektus (fényszóródás)

Paleontológus leszek… Mikor éltek? MAGKÉMIA ANALÍTIKAI KÉMIA

Meteorológus vagy klímakutató leszek… SPEKTROSZKÓPIA REAKCIÓKINETIKA

A nyersanyagok, energiahordozók érdekelnek… SZERVES KÉMIA TERMOKÉMIA IPARI KÉMIA – KÉMIAI TECHNOLÓGIA ZÖLD KÉMIA

Gazdaságföldrajz érdekel… Bauxitja nincs… Alumíniumtermelése mégis jelentős ELEKTROKÉMIA

Nem is a Föld érdekel… SPEKTROSZKÓPIA MAGKÉMIA ANALÍTIKAI KÉMIA

Bevezetés ÁLTALÁNOS KÉMIA: Nem önálló tudományterület, cél a kémia részterületein használatos alapfogalmak, összefüggések bemutatása.

1. Tulajdonságok, mennyiségek, mértékegységek Fizikai mennyiségek: Anyagot, állapotot, változást leíró minőségi és mennyiségi jelentéssel egyaránt bíró fogalmak. Mennyiség: mérőszám * mértékegység x = {x}[x] Összehasonlíthatóság: (egyneműség): van értelme a „melyik?” és „hányszor nagyobb?” kérdéseknek. Mértékegység: Fizikai mennyiség megállapodásszerűen rögzített értéke.  Első mértékegységrendszer: metrikus(1790-99 Franciaország) SI (1960, Mo-n: 1976-tól)

Alapmértékegységek: Mennyiség neve: Jele: Mértékegység neve: Hosszúság méter m Tömeg kilogramm kg Idő t másodperc s Elektromos áramerősség I amper A Termodinamikai hőmérséklet T kelvin K Anyagmennyiség n mól mol Fényerősség Iv kandela Cd

Mértékegységek: Kiegészítő mértékegységek: síkszög (rad), térszög (sr) Származtatott mértékegységek: pl: Frekvencia (Hz, s-1); Erő (N, kg*m*s-2); Nyomás (Pa, N*m-2); Energia (J, N*m); Teljesítmény (W, J*s-1); Feszültség (V, W*A-1) Fontosabb előtagok: giga (109, G) mega (106, M) kilo (103, k) deka (10, da) deci (10-1, d) centi(10-2, c) milli (10-3, m) mikro (10-6, ) nano (10-9, n) piko (10-12, p)

Alapmértékegységek etalonjai és definíciói 1799: 1 platina méter etalon és 1 platina tömegetalon 1983: 1 m az a távolság, amit a fény 1/299792458 másodperc alatt tesz meg azaz ma a távolságmérés időmérésre van visszavezetve!

Az USA-ban nem tértek át az SI-re… 1999-ben becsapódott a Marsba Mars Climate Orbiter és Mars Polar Lander 125 millió $ Lockheed Martin (gyártó): angolszász mértékegység NASA: metrikus mértékegység

2. Alapfogalmak

2. Alapfogalmak Atom: Kémiai úton tovább nem bontható, pozitív töltésű atommagból és azzal kölcsönhatásban álló egy vagy több negatív töltésű elektronburokból felépülő részecske, elektromosan semleges. Atommag: Proton(ok)ból és neutron(ok)ból áll, kémiai reakciók és halmazállapot-változások alkalmával változatlan marad. Elem: Olyan atomok rendszere, melyek magjában meghatározott számú proton van. Nuklidok: Egy elem olyan atomjai, melynek a rendszámán kívül a tömegszáma is meghatározott.

2. Alapfogalmak Rendszám: Az atommagban található protonok száma. Tömegszám: Az atommagban található protonok és a neutronok számának összege. Természetes izotóparány (nuklidösszetétel) – relatív gyakoriság Relatív atomtömeg: Külön megjelölés nélkül, a természetes nuklid-összetételű elem egy atomja átlagos tömegének viszonya a 12C-nuklid tömegének 1/12 részéhez. Anyagmennyiség: 1 mol annak a rendszernek az anyagmennyisége, amely annyi entitást (atomot, atomcsoportot, iont, molekulát, stb.) tartalmaz, mint amennyi atomot 0,012 kg 12C. (Avogadro állandó: Na = (6,02252 0,00028)*1023 mol-1 Átlagos moláris tömeg: Természetes nuklid-összetételű anyagnak a tömege 1 moljának a tömege. Vegyjel: Az elem latin nevéből származó 1−2(−3) betűs jelölés. tömegszám rendszám vegyjel

2. Alapfogalmak Molekulák: (Kovalens) kémiai kötéssel összetartott atomok véges halmaza. Gyökök: Párosítatlan elektront tartalmazó atomcsoport. Rendszerint nagy reaktivitás jellemző rá! Ionok: Olyan entitások (atomok, molekulák, atomcsoportok, …), melyek elektromos töltést hordoznak.

2. Alapfogalmak Vegyület: Különböző rendszámú, kötött állapotú atomok halmaza. Tapasztalati (összeg) képlet: valamely vegyületet alkotó elemek arányát írja le tömegarányokból. (Molekuláris vegyületeknél a molekula összetételét is megadja /molekula-tömeg!/) 39,26% Na, 60,74% Cl NaCl, /CaCO3, H2O, N2, C2H6O (C6H12O6  CH2O)!/ Szerkezeti képlet: A szerkezeti képlet kifejezi az atomoknak a vegyértékükből adódó elrendeződését is a molekulában, egyszerű, kettős-, vagy hármas-kötést kifejező vonalak, láncok, gyűrűk stb. alakjában. Sztereo képlet: A sztereo képlet kifejezi az atomhoz kapcsolódó csoportok térbeli elrendeződését is. (Konfiguráció) (Gyök)csoportos képlet: Egyszerűsített szerkezeti képlet Pl.: CH3-CH2-OH, CH3-O-CH3, K4[Fe(CN)6]

3. Kémiai reakció Kémiai folyamat, melynek során atomok között kötés szakad fel, esetleg új kötés alakul ki.

3. Kémiai reakciók A reakció: Anyagi változással járó folyamatok. Megfordítható (reverzibilis), vagy egyirányú (irreverzibilis)   =  Az egyenlet: A folyamat leírása: 2 H2(g) + O2 = 2 H2O (f) Jelentése: 1 mol; együtthatók egész számok  Tömegmegmaradás Töltésmegmaradás Energiamegmaradás (Einstein óta: E=mc2, c= 3*108 km/s): Energia semmilyen folyamatnál nem keletkezik v. semmisül meg, hanem csak átalakul.

!MINDIG A RENDSZER A VISZONYÍTÁS KÖZPONTJA! 3. Kémiai reakciók Kémiai reakció: E  500 kJ/mol  m=(5*105 km m2/s-2)/[(3*108)2*m2*s-2]= =5,5*10-19kg = 5,5*10-13mg Atom (anyag), töltés-megmaradás (oxidációs szám változás) Kiindulási anyagok, termékek, együtthatók. Mindig egy irányban. Energetikai jelentés: reakció hő (endoterm, exoterm) !MINDIG A RENDSZER A VISZONYÍTÁS KÖZPONTJA!

3.1. Kémiai reakciók típusai Sav-bázis reakció: (A Brönsted-Lowry elmélet szerint) H+ átadással járó reakció Redoxi reakció: Redoxi reakció minden olyan reakció, melynek során legalább egy elemnek megváltozik az oxidációs száma. Az ilyen reakciók során a redukálószer oxidálódik, míg az oxidálószer redukálódik. Izomerizáció: Egy vegyület átalakítása egy másik szerkezeti képletű és molekulasúlyú vegyületté (izomerré). Ekkor vagy szerkezeti átalakulás, vagy egy térbeli eltolódás (sztereoizoméria) megy végbe. pl: CH3-CH(CH3)-CH=CH2  CH3-C(CH3)=CH-CH3 Egyesülés (addíció): Egyszerű kapcsolódás útján két anyagból, vegyületből egyetlen reakciótermék keletkezik. (Di-, tri-, poli-merizáció) (4 Al + 3 O2 2 Al2O3) Bomlás (disszociáció, elimináció): Bomlás alatt olyan folyamatot értünk, melynek során egy anyagból több jön létre. CaCO3 CaO + CO2

3.1. Kémiai reakciók típusai Cserebomlás (metatézis): Cserebomlás alatt olyan kémiai átalakulást értünk, amelyben az egymásra ható vegyületek alkotórészei kölcsönösen helyet cserélnek egymással. AB + CD = AC + BD Hidrolízis, ha az egyik partner víz: CH3COOCH3 + H2O  CH3COOH + CH3OH (Szolvolízis, ha tetszés szerinti az oldószer) A cserebomlás lehet teljes vagy részleges.

3.1. Kémiai reakciók típusai Elemi reakció: Nem bontható egyszerűbb lépésekre Összetett reakció: konszekutív (összeadható): Br2 HCCH + Br2  HC(Br)=CH(Br)  HBr2C – CBr2H   párhuzamos (nem adható össze): CaO(sz) + CO2(g)  CaCO3(sz) CaO(sz) + H2O(f) = Ca(OH)2(sz) CaO(sz) + 2 H2CO3(aq) = Ca(HCO3)2(aq) + H2O(e) Reakcióextenzitás: ni/i i: sztöchiometriai szám Def.: Egy sztöchiometriai együtthatónak megfelelő reakció „előrehaladása” jellemezhető bármely komponens mólszámváltozásával.

Egy elem: homogén v. heterogén (több fázis) 4.Halmazok Egy elem: homogén v. heterogén (több fázis)

4. Halmazok Heterogén rendszer: Olyan rendszer, melyben van olyan makroszkópikus határfelület (megkülönböztethető belső és külső molekula), amely mentén különböző tulajdonságú homogén rendszerek érintkeznek egymással. Ilyen lehet például a folyadék és a vele érintkező gőze. (Makroszkópikus: az alkotóelemek méreténél több nagyságrenddel nagyobb.) Elegy (oldat): Egy homogén rendszer, vagy heterogén rendszernek egy fázisa, melyben két vagy több anyag található. Oldószer: Az oldott anyaggal megegyező halmazállapotú, túlsúlyban lévő anyag. Jellemző szabály: Simila similibus solvuntur. (A hasonlót a hasonló oldja.) Pl: Gyanta jól oldódik alkoholban, míg vízben nem. A zsírt jól oldja a benzin.

4. Halmazok Keverék: Olyan heterogén rendszer, melyben az egymással elkevert anyagok külön fázist képeznek. Halmazállapotok: szilárd, folyadék, gáz   Halmazállapot-változás: Olyan folyamat, mely elvben kémiai változás nélkül más halmazállapotúvá alakítja az anyagot. (pl.: Ha lehűtik a gázokat, csökken a molekulamozgás irama, megrövidül a közepes úthossz, a molekulák közelebb kerülnek egymáshoz és vonzóerők is érvényesülnek, azaz folyadék keletkezik.)(kivételek: atomrácsos anyagok olvadása, párolgása, ion-rácsos anyagok szublimálása)

4. Halmazok Fázis: Az anyagok egynemű, éles elválasztó felületekkel határolt, optikailag megkülönböztethető, mechanikusan elválasztható alakjai.   Fázisátalakulás: halmazállapot-változás + polimorf átalakulás. Fázis-diagramm: a zárt rendszer állapotát 2 változó függvényében írja le.

4. Halmazok aragonit kalcit

4. Halmazok Gibbs-féle fázisszabály: Egyensúlyi rendszerben fázis és szabadsági fok együttvéve kettővel több, mint amennyi a komponens. Azaz képlettel: Sz + F = K + 2  ahol: Sz: Szabadsági fok F: Fázisok száma K: Komponensek száma

4. Halmazok Szuperkritikus széndioxid:

5. Rendszer és környezet Kölcsönhatás a környezettel: zárt → nyitott rendszer kémia egyensúly nem áll be TRANSZPORTFOLYAMATOK: fizikai „mennyiségek” áramlása inhomogenitás miatt, pl. anyagáram (diffúzió) energia-, hőáram töltésáram (elektromos áram)

Transzportfolyamatok és kémiai folyamatok „kölcsönhatása” Geológiai mintázatképződés Légköri folyamatok Diffúzió és hőtranszport Diffúzió és csapadékképződés