Kémia Fizika BSc. Tarczay György

Felkészülés, számonkérés Segédanyagok: Előadás diái (Ez csak ábraanyag, ezért saját órai jegyzettel kiegészítve!!!): http://www.chem.elte.hu/departments/altkem/tarczay/kemiaf/ Középiskolai kémia könyvek (Villányi Attila: Kémia, Összefoglaló középiskolásoknak, 7. kiadás, Műszaki Kiadó, Budapest, 2010) Náray-Szabó Gábor: Kémia, Akadémiai Kiadó, 2006 Vizsga: írásbeli Minimálkövetelmények és minta zh-k: http://www.chem.elte.hu/departments/altkem/tarczay/kemiaf/ Konzultáció: igény szerint Elérhetőség tarczay@chem.elte.hu Kémia épület 542-es szoba és 5.120-as labor

A tárgy tematikája A kémiai tudomány születése. Elemek keletkezése és eloszlása a világegyetemben és a földkéregben. Kémiai alapfogalmak. Vegyjel, képlet, anyagmennyiség, atom- és molekulatömeg. Tömegspektrometria. Kémiai kötés típusai. Izoméria. Konstitúció, konformáció, konfiguráció fogalma. Molekulák térszerkezete. VSEPR-elmélet. Szerkezetkutató módszerek. Spektroszkópia alapjai és diffrakciós módszerek. Kondenzált fázisú anyagok szerkezete. Kolloid rendszerek. Kémiai folyamatok energetikája, termokémia: reakciók entalpiája és képződési entalpia. Kémiai reakciók sebessége: elemi reakciók, reakciórend, kísérleti módszerek és elméleti leírások. Reakciótípusok: sav-bázis és redoxireakciók. Redoxireakciók térbeli szétválasztása: elektrokémia. Elemek és szervetlen vegyületek. Fémkomplexek és fémorganikus vegyületek. Szénvegyületek alapvető csoportjai, bioorganikus molekulák.

Ókori görög anyagelmélet Démokritosz (i.e. ~460–371) atomelmélet Arisztotelész (i.e. 384–322) folytonos anyagelmélet

Középkori anyagtudomány folytonos anyagelmélet ALKÍMIA Chemi – Egyiptom régi neve Chame - Fekete Cillei Borbála (1392 – 1451) szélhámosság vagy tudomány??? metallurgia, jatrokémia Theophrastus Bombastus von Hohenheim (Paracelsus) (1493–1541): minden anyag három elemből épül fel: Például ami a fában "... ég, az a Kén, ami füstöl, az a Higany, ami hamuvá lesz, az a Só".

A modern anyagelmélet felé → flogiszton-elmélet Johann Joachim Becher (1635 – 1682) Robert Boyle (1627 – 1691) 1661: „A szkeptikus kémikus” „alkímikus” szemlélet kritikája kísérletek: elrontott égési kísérlet Georg Ernst Stahl (1659 – 1734)

A modern anyagelmélet születése Anyag-, tömegmegmaradás törvénye Antoin Laurent Lavoisier (1743 – 1794) Mihail Vasziljevics Lomonoszov (1711 – 1765) Cavendish, Scheele, Priestley munkái alapján a flogisztonelmélet cáfolata: kémiai égés: oxigénnel való egyesülés Boyle korábbi hibás égési kísérletének megismétlése → flogisztonelmélet cáfolata ELEMEK és VEGYÜLETEK

A modern anyagelmélet születése Joseph Louis Proust (1754 – 1826) John Dalton (1766 – 1844) Állandó súlyviszonyok törvénye Többszörös súlyviszonyok törvénye

A modern anyagelmélet születése DALTON: Az anyagok atomokból épülnek fel. Elemek azonos atomokból épülnek fel. A különböző atomoknak eltérő tulajdonságaik (pl. tömeg!) vannak. Különböző atomok kémiai reakciójában vegyületek keletkeznek. A vegyületek pontos formulákkal leírhatók: egészszámok törvénye.

A vegyjelek BERZELIUS: A kémiai jeleknek betűknek kell lenniük, mert ezeket könnyebb leírni, és nem formátlanítják el a nyomtatott könyveket. … Ezért én kémiai jelnek minden elem latin nevének kezdőbetűjét fogom használni. DALTON: Berzelius jelei szörnyűségesek; a vegytan ifjú hallgatói a hébert sem tanulnák meg nehezebben, mint ezeket. Mintha az atomok káoszát látnánk, [amely csak arra szolgál,] ... hogy összezavarja a tudóst, elbátortalanítsa a tanulót és elhomályosítsa az atomelmélet szépségét. Jons Jacob Berzelius (1779 – 1848)

A modern anyagelmélet születése Joseph Louis Gay-Lussac (1778 – 1850) Amedeo Carlo Avogadro (17761856) azonos nyomású és hőmérsékletű gázok egységnyi térfogata azonos számú részecskét tartalmaz ATOM és MOLEKULA fogalma (H2, O2, H2O!) többszörös súlyviszonyok törvényének alátámasztása gázokra

Mengyelejev-féle periódusos rendszer Dimitri Mendeleev (1834 – 1907)

Modern atomelméletek Ernest Rutherford (1871 – 1937) a- és b-sugárzás atommag 1908: kémiai Nobel-díj Niels Bohr (1885 – 1962) Joseph John Thomson (1856 – 1940) kvantumelméleten alapuló atomszerkezet 1922: fizikai Nobel-díj 1897: az elektron felfedezése 1906: fizikai Nobel-díj

A kémiai elemek keletkezése: nukleoszintézis Francis William Aston (1877 – 1945) 1922: kémiai Nobel-díj Sir Arthur Stanley Eddington (1882 – 1944) 1920: Felveti, hogy a csillagok energiájukat hidrogén és hélium fúziójából nyerik. 1919: 212 IZOTÓP pontos tömegének mérése tömegspektrográffal, egész-szám szabály 1927: „tömeghiány”

Atomok és molekulák tömegének mérése alapfogalmak: RENDSZÁM TÖMEGSZÁM ATOMTÖMEG RELATÍV ATOMTÖMEG jelölés: MÓL (1 mol = 6,022∙1023 db) (ÁTLAGOS) MOLÁRIS TÖMEG TÖMEGSPEKTROMETRIA könnyebb minta elpárologtatása becsapódó elektronok ionizálnak töltött részecskék Newton: F=ma Lorentz: F=qv×B q=ze e: egységtöltés z: töltésszám a=(z/m)ev×B legnehezebb minta szeparáció elektronforrás gyorsítás (U) elektromos térrel mágneses tér (B)

Ma is az egyik legfontosabb szerkezetkutató módszer A tömegspektrum Ma is az egyik legfontosabb szerkezetkutató módszer relatív intenzitás

A kémiai elemek keletkezése: nukleoszintézis Robert d'Escourt Atkinson 1898 – 1982 Friedrich Georg Houtermans 1903 – 1966 1929: Első elmélet elemek nukleoszintézisére proton és hélium illetve proton és nehezebb magok fúziójával csillagokban

A kémiai elemek keletkezése: nukleoszintézis Ralph Alpher 1921  2007 Georgiy Antonovich Gamov 1904  1968 Hans Albrecht Bethe 1905  2005 Nobel-díj: 1967 „abg cikk”: Alpher, R. A., H. Bethe, G. Gamow, “The Origin of Chemical Elements,” Physical Review, 73 (1948), 803. Ősrobbanás, táguló világegyetem, de még hibás nukleoszintézis elmélet 1957: Burbidge, Burbidge, Fowler és Hoyle: nukleoszintézis helyes, átfogó elmélete

http://ircamera. as. arizona http://ircamera.as.arizona.edu/NatSci102/NatSci102/lectures/eraplanck.htm

Csillagok evolúciója: HertzsprungRussel diagram http://www.ibela.sulinet.hu/atomfizika/magenergia/csillagelet/csillagelet.htm

Csillagok fejlődése

A kémiai elemek keletkezése: nukleoszintézis – magreakciók típusai Exoterm reakciók: Hidrogénégés proton-proton láncreakció CNO ciklus He-égés C(O,Ne)-égés a-folyamat e-folyamat Neutronbefogásos reakciók: s-folyamat (slow, lassú neutronbefogás) r-folyamat (rapid, gyors neutronbefogás) Egyéb reakciók: p-folyamat (protonbefogás) x-folyamat (kozmikus sugárzás-befogás)

A kémiai elemek keletkezése: nukleoszintézis – H-égés proton – proton láncreakció 1H + 1H → 2H + e+ + ne + 0,42 MeV e+ + e− → 2g + 1,02 MeV 2H + 1H → 3He + g + 5,49 MeV 1.ág 3He +3He → 4He + 1H + 1H + 12,86 MeV 2. ág 3He + 4He → 7Be + g 7Be + e− → 7Li + ne 7Li + 1H → 4He + 4He 3. ág 3He + 4He → 7Be + g 7Be + 1H → 8B + g 8B → 8Be + e+ + ne 8Be ↔ 4He + 4He 4. ág 3He + 1H → 4He + ne + e+ Naptömegű és könnyebb fősorozatbeli csillagokban domináns (Napban ~ 90%), kb. 1 ×107 K és 1,6 ×107 K között Első lépés a leglassabb (sebesség-meghatározó): ~1010 év felezési idő, míg a második lépés felezési ideje mindössze 0,6 s Bruttó egyenlet (az 1. ágra): 41H → 4He + 2e+ + 2ne + 26,72 MeV A Napban 1 s alatt 600 × 109 kg 1H konvertálódik át, ebből 0,7% tömeg→energia konverzió A g sugárzás kb. 106 év alatt jut ki a felszínre, eközben különféle kölcsönhatások következtében csökken az energiája (nő a hullámhossza)

A kémiai elemek keletkezése: nukleoszintézis – H-égés CNO ciklus Főág 12C + 1H → 13N + g +1,95 MeV 13N → 13C + e+ + ne +1,37 MeV 13C + 1H → 14N + g +7,54 MeV 14N + 1H → 15O + g +7,35 MeV 15O → 15N + e+ + ne +1,86 MeV 15N + 1H → 12C + 4He +4,96 MeV Mellékág (0,04 %) 15N + 1H → 16O + g 16O + 1H → 17F + g 17F → 17O + e+ + ne 17O + 1H → 14N + 4He Nehéz, fősorozatbeli csillagokban domináns, 1,6 ×107 K fölött 4He és g részecskék keletkezése (+ neutrino és pozitron) C, N és O katalizátor: visszatermelődnek 10 % H elégése után összehúzódás: hőmérséklet 2 ×108 K -re ugrik

A kémiai elemek keletkezése: nukleoszintézis – He-,C-égés He-égés (Hármas a-folyamat) 4He + 4He ↔ 8Be 8Be + 4He → 12C + g + 7,367 MeV Nettó reakció: 3 4He → 12C + g + 7,275 MeV További reakciók: 12C + 4He → 16O + g + 7,148 MeV 16O + 4He → 20Ne + g + 4,75 MeV 20Ne + 4He → 24Mg + g + 9,31 MeV 24Mg + 4He → 28Si + g Vörös óriásokban, 1 ×108 K és 5 ×108 K közötti hőmérsékleten 16O keletkezéséig nagy valószínűséggel, utána kevésbé 8Be és 2 4He között kicsi az energiakülönbség → egyensúly C-égés 12C + 12C → 24Mg + g → + 13,85 MeV → 23Mg + n → 23Na + 1H + 2,23 MeV → 20Ne + 4He + 4,62 MeV → 16O + 24He Csak nagyon nagy tömegű csillagokban, 5 ×108 K feletti hőmérsékleten

A kémiai elemek keletkezése: nukleoszintézis – a- és e-folyamat a-folyamat 20Ne + g → 16O + 4He 4,75 MeV 20Ne + 4He → 24Mg + g +9,31 MeV Nettó: 220Ne + 4He → 16O + 24Mg + g +4,56 MeV Hasonlóan: 28Si, 32S, 36Ar, 40Ca Fehér törpékben, 109 K hőmérsékleten e-folyamat („egyensúlyi” folyamat) Fősorozatbeli, nagy (1,43,5) naptömegű csillagok robbanásakor (szupernóva robbanás) 3 × 109 K körül elemi részecskék lehetséges kapcsolódásának statisztikus „egyensúlya” Ti – Cu elemek, különösen a legstabilabb 56Fe, szintézise

A kémiai elemek keletkezése: nukleoszintézis – s- és r-folyamat s-folyamat Neutronok forrása a (Napnál nagyobb) csillagban végbemenő folyamatok b-bomlásnál (elektron kibocsátás) leggyakrabban lassabb, ezért b-bomló izotópoknál nem jut tovább: 209Bi + n → 210Bi + g 210Bi → 210Po + b 210Po → 206Pb + α A=63209 (pl. 89Y, 90Zr, 109Ba, 140Ce, 208Pb, 209Bi) és az a-folyamatban nem keletkező A=2346 izotópok szintézisének fő útja r-folyamat Neutronok forrása szupernóva robbanások, T~109 K b-bomló izotópoknál tovább juthat Neutronban gazdag izotópok szintézise pl. 36S, 46Ca, 48Ca, illetve nehéz, instabil izotópok, pl. 232Th Az utóbbiak relatív mennyisége lehetőséget ad a Naprendszer korának becslésére

A kémiai elemek keletkezése: nukleoszintézis – p- és x-folyamat p-folyamat Szupernóva robbanáskor keletkező nagy kinetikus energiájú protonok befogása Ritka, protonban gazdag magok szintézise, pl. 74Se, 196Hg x-folyamat Kozmikus részecskék becsapódása atommagokba → atommagok szétesése Könnyű, stabil, ritka magok 6Li, 7Li, 9Be, 10B, 11B szintézise Cygnus Loop szupernova

Az anyag körforgása a galaxisban diffúz felhők molekulák molekulafelhők csillag körüli burok szupernóva robbanások nehéz elemek sűrűsödések szuper- óriások elemek szintézise a Fe-ig forgó korongok csillagok, naprenszerek

A kémiai elemek stabilitása Energia/nukleon /1011 J A (tömegszám)

A kémiai elemek stabilitása

Elemek gyakorisága az Univerzumban

Az asztrofizikusok (asztrokémikusok) periódusos rendszere H He C N O Ne Mg Si S Ar Fe

A Föld szerkezete Atmofil elemek a légkörben: O, N, He, Ne, Ar, Kr, Xe, H, C Biofil elemek (H, C, O, N, P) a biomasszában. Litofil elemek: oxidvegyület-képzők (alkálifémek, az alkáli földfémek, az alumínium, szilícium) szilikátkéregben Kalkofil elemek: Szulfidképzők (kén , arzén , réz- és cinkcsoport) a kalkoszférában halmozódnak fel. Sziderofil elemek: Vas-csoport, platina-csoport, Au, Ge, Sn (Pb), C, P, Mo, Re vasmagban.

The chemical composition of the earth is quite a bit different from that of the universe. The most abundant element in the earth's crust is oxygen, making up 46.6% of the earth's mass. Silicon is the second most abundant element (27.7%), followed by aluminum (8.1%), iron (5.0%), calcium (3.6%), sodium (2.8%), potassium (2.6%). and magnesium (2.1%). These eight elements account for approximately 98.5% of the total mass of the earth's crust. Of course, the earth's crust is only the outer portion of the earth. Future research will tell us about the composition of the mantle and core.

Átlagos moláris atomtömegek pontossága

„Szén-14-es kormeghatározás” http://taggart.glg.msu.edu/isb200/time.htm A módszer kidolgozása: 1949, Willard Frank Libby (1908 –1980), kémiai Nobel-díj: 1960

http://www.rsbs.anu.edu.au/ResearchGroups/PBE/Oxygen/O2_2_Abundence.htm

Molekulák keletkezése csillagközi felhőkben Sűrű Diffúz http://www.tu-chemnitz.de/FGLA/Projects_1999/TP7/Introduction/

Molekulák keletkezése (sűrű) csillagközi felhőkben http://www.jh-inst.cas.cz/~spanel/interste.htm

Csillagközi térben észlelt molekulák (2007 november)

Bolygók atmoszférájának kémiai összetétele

Kémiai evolúció (?) Miller-Urey kísérlet (1953, University of Chicago) http://www.uic.edu/classes/bios/bios100/mike/spring2003/lect04.htm