Felkészítés szakmai vizsgára vegyipari területre II/14. évfolyam KÉMIAI ÉS FIZIKAI KÉMIAI SZAKMAI VIZSGAFELADATOK Dr. Stankovics Éva 2009 TÁMOP 2.2.3-07/1-2F-2008-0011

FELKÉSZÍTÉS SZAKMAI VIZSGÁRA, VEGYIPARI TERÜLETRE

ELEMEK, VEGYÜLETEK FIZIKAI, KÉMIAI ÉS ÉLETTANI TULAJDONSÁGAI a kémiai elemekkel, a szervetlen és a szerves vegyületekkel kapcsolatos tudnivalók A világ legnagyobb kristályai

Válassza ki az egyetlen helyes válasz betűjelét! A deutérium: A) az atomos hidrogén, B) a durranógáz másik neve, C) az egyik hidrogén izotóp neve, D) hidrogén és az oxigén keveréke, E) a hidrogén vegyülete A deutérium: A) az atomos hidrogén, B) a durranógáz másik neve, C) az egyik hidrogén izotóp neve, D) hidrogén és az oxigén keveréke, E) a hidrogén vegyülete 2. A vízben a legjobban oldódik a: A) az oxigén, B) a hidrogén, C) a szén-monoxid, D) a hidrogén-klorid, E) a nitrogén.

3. Mekkora tömegű oxidion tartalmaz 1·1023 db elektront? A) 266,7 mg, 33. Az ipari salétromsavgyártás fő lépései: A) N2 3. Mekkora tömegű oxidion tartalmaz 1·1023 db elektront? A) 266,7 mg, B) 2,67 g, C) 333 mg, D) 26,7 g, E) 21,3 g. 3. Mekkora tömegű oxidion tartalmaz 1·1023 db elektront? A) 266,7 mg, B) 2,67 g, C) 333 mg, D) 26,7 g, E) 21,3 g. 4. Melyik reakció endoterm? A) Fe + S = FeS B) N2 + 3 H2 = 2 NH3 C) N2 + O2 = 2 NO D) C + O2 = CO2 E) S + O2 = SO2 KÉN HNO3

5. Melyik vegyületnek nincs cisz-transz izomerje? A) 3-metilhex-3-én, 33. Az ipari salétromsavgyártás fő lépései: A) N2 5. Melyik vegyületnek nincs cisz-transz izomerje? A) 3-metilhex-3-én, B) pent-2-én, C) 3-etilpent-2-én, D) 3,4-dimetilhex-3-én, E) hex-3-én. 5. Melyik vegyületnek nincs cisz-transz izomerje? A) 3-metilhex-3-én, B) pent-2-én, C) 3-etilpent-2-én, D) 3,4-dimetilhex-3-én, E) hex-3-én. 6. Az alábbi molekulák közül melyik az, amelyiknek minden atomja egy síkban van? A) 1,2-dibrómetán, B) toluol, C) 1,2-dibrómetén, D) etán, E) 1,1-dibrómetán.

7. Melyik a hőre keményedő műanyag? A) PVC, B) polipropilén, C) polisztirol, D) bakelit, E) nejlon 66. 7. Melyik a hőre keményedő műanyag? A) PVC, B) polipropilén, C) polisztirol, D) bakelit, E) nejlon 66. 8. Melyik állításban van hiba? A) A CCl4 tűzoltószer. B) A C2H4 gyümölcsérlelő. C) A C6H6 rákkeltő. D) A glikol mérgező. E) A glükóz a gyümölcscukor.

OLDATOK ÖSSZETÉTELÉNEK SZÁMÍTÁSA

Oldatok: Többkomponensű, homogén anyagi rendszerek, amelyek oldószerből és oldott anyagokból állnak. Az oldószer jellemezően folyékony halmazállapotú, az oldott anyag lehet légnemű, folyékony és szilárd anyag is.

Az oldatok összetételét többféleképpen fejezhetjük ki Tömegtört: Jele: wB ahol mo = az oldat tömege mB = a B oldott anyag tömege A tömegtört százszorosa a tömegszázalék. Tömegszázalék: Jele: wB% Jelentése: 100 g oldatban hány g az oldott anyag.

Térfogattört: Jele: φB ahol Vo az oldat térfogata VB a B oldott anyag térfogata A térfogattört százszorosa a térfogatszázalék. Térfogatszázalék: Jele: φB% Jelentése: 100 cm3 oldatban hány cm3 az oldott anyag. φB = φB =

Anyagmennyiségtört (móltört): Jele: xB ahol nö az összes anyagmennyiség nB a B oldott anyag anyagmennyisége A móltört százszorosa a mólszázalék. Mólszázalék: Jele: xB% Jelentése: 100 mol oldatban hány mól az oldott anyag.

Tömegkoncentráció: Jele: ρB mértékegysége: g/dm3 ahol Vo az oldat térfogata mB a B oldott anyag tömege Jelentése: 1 dm3 oldatban hány g oldott anyag van. Anyagmennyiség-koncentráció: Jele: cB mértékegysége: mol/dm3 ahol Vo az oldat térfogata nB a B oldott anyag anyagmennyisége Jelentése: 1 dm3 oldatban hány mól oldott anyag van.

Raoult töménység, molalitás: Jele: mB mértékegysége: mol/kg oldószer ahol mo az oldószer tömege nB a B oldott anyag anyagmennyisége Jelentése: 1 kg oldószer hány mól oldott anyagot old.

SZTÖCHIOMETRIAI SZÁMÍTÁSOK

A kémiai reakcióegyenlet: a kémiai változásokat írja le. Például: aA + bB = cC, ahol A és B kiindulási anyagokból C termék keletkezik és a, b, c az egyenlet sztöchiometriai számai. A sztöchiometriai számok feltüntetik: a reakcióegyenletben szereplő anyagok anyagmennyiség-viszonyait. Alapösszefüggések: Ahol: n az anyagmennyiség, m a tömeg, M a moláris tömeg, V a térfogat Vm a moláris térfogat, például Vm(25C, 0,1 MPa) = 24,5 dm3/mol, N a részecskeszám, NA az Avogadro állandó, amelynek értéke 61023 1/mol.

TERMOKÉMIAI SZÁMÍTÁSOK

A termokémiai reakcióegyenlet: feltünteti a reagáló anyagok halmazállapotát, kristályszerkezetét és a reakcióhoz tartozó reakcióhőt. Például: CH4(g) + 2 O2(g) = CO2(g) + 2 H2O(l) rH = – 891 kJ/mol Reakcióhő: 1 mol egyenlet lejátszódásakor bekövetkező hőváltozás. Jele: rH , mértékegysége: kJ/mol. Hess-tétel: A folyamatok reakcióhőjét a rendszer kezdeti és végállapota egyértelműen meghatározza.

A reakcióhő számítása: Képződéshők: Vegyület képződéshője: az 1 mol vegyületnek 25 C hőmérsékleten és standard nyomáson stabil elemekből való képződését kísérő hőváltozás. Jele: kH , mértékegysége: kJ/mol. Például kH(CO2) = –394 kJ/mol. Elemek képződéshője: A definíció szerint 25C hőmérsékleten és standard nyomáson stabil elemek képződéshője nulla. Például: kH(O2(g)) = 0 kJ/mol. A reakcióhő számítása: A termékek képződéshőinek összegéből ki kell vonni a kiindulási anyagok képződéshőinek összegét.

HOMOGÉN EGYKOMPONENSŰ RENDSZEREK GÁZOK, GÁZTÖRVÉNYEK

A tökéletes gázokra érvényes összefüggések n és T állandó Az izoterm állapotváltozás Adott gázmennyiség nyomása és térfogata fordítottan arányos, azaz szorzatuk állandó. Robert Boyle (1627-1691) Edme Mariotte (1620 – 1684 )

A tökéletes gázokra érvényes összefüggések Az izobár állapotváltozás: n és p állandó Adott gázmennyiség abszolút hőmérséklete és térfogata egyenesen arányos, azaz hányadosuk állandó. Joseph Louis Gay-Lussac (1778 – 1850) Az izochor állapotváltozás: n és V állandó Adott gázmennyiség abszolút hőmérséklete és nyomása egyenesen arányos, azaz hányadosuk állandó. Ahol: T az abszolút hőmérséklet (K)

Az egyesített gáztörvény n = állandó A gyakorlatban csak nagyon ritkán mennek végbe a gázok állapotváltozásai úgy, hogy az adott mennyiségű gáz állapotváltozása során a hőmérséklet, vagy a nyomás vagy a térfogat állandó maradjon. A leggyakrabban, ha egy adott tömegű gáz valamelyik paraméterét megváltoztatjuk, akkor a másik két paramétere is meg fog változni. Ilyen esetekre a gázok állapotváltozását az egyesített gáztörvény írja le.

A tökéletes gázok állapotegyenlete pV = nRT Ahol: p a nyomás (Pa), V a térfogat (m3), n az anyagmennyiség (mol), R a moláris gázállandó, Regnault állandó, R = 8,314 J/(K.mol) T az abszolút hőmérséklet (K). Henri Victor Regnault 1810–1878

HOMOGÉN TÖBBKOMPONENSŰ RENDSZEREK ELEGYEK

Az elegyek: pö  V = nö  R  T Többkomponensű, homogén anyagi rendszerek. Az elegyek lehetnek ideális és reális elegyek. Az ideális gázelegyekre is igaz az állapotegyenlet: pö  V = nö  R  T ahol: pö az összes nyomás (Pa), V a térfogat (m3), nö az összes anyagmennyiség (mol), T a hőmérséklet (K), R a moláris gázállandó, melynek az értéke 8,314 J/(mol K). .

Az átlagos moláris tömeg: Dalton törvénye: szerint az összes nyomás egyenlő a parciális nyomások összegével, k komponens esetén: pö = p1 + p2 + … + pk A parciális nyomásra: is igaz az állapotegyenlet, az i-dik komponensnél: pi  V = ni  R  T Az átlagos moláris tömeg: a gázelegyben a következő összefüggésekkel számítható:

A folyadékelegyek is lehetnek ideális és reális elegyek. Ideális folyadékelegyekre igaz a Raoult általános tenziótörvénye: ahol pA az A komponens parciális tenziója (Pa), xA az A komponens anyagmennyiség törtje, az A tiszta komponens tenziója adott hőmérsékleten (Pa). Itt is érvényes a Dalton törvénye: az elegy tenziója (pe,t) a parciális tenziók összegével egyezik meg. pe,t = pA + pB + … + pk

A desztilláció: Forráspontkülönbségen alapuló elválasztó művelet. A kíméletes desztillációnak két fajtája van: a vákuumdesztilláció és a vízgőzdesztilláció. A vízgőzdesztilláció gőzszükségletét a következő összefüggés alapján lehet kiszámítani:

A kémiai egyensúlyi rendszerek Henry-Louis Le Chatelier (1850–1936) Karl Ferdinand Braun (1850–1918)

A kémiai egyensúly A zárt rendszerekben végbemenő folyamatok mindig egyensúlyra vezetnek. Az egyensúly azt jelenti, hogy az oda- (v1) és visszaalakulás (v2) sebessége megegyezik, így a külső szemlélő az egyensúly beállta után a rendszerben már nem észlel változást. v1 v2 v idő Dinamikus (mozgó) egyensúlyi állapot A dinamikus egyensúlyi állapot legfontosabb jellemzői: – külső tényezők (hőmérséklet, nyomás) az egyensúlyt megváltoztatják, – az egyensúly bármelyik irányból elérhető.

A megfordítható (reverzibilis), homogén, egyensúlyra vezető reakciókra érvényes a tömeghatás törvénye. A következő egyenletnél: aA + bB cC + dD A tömeghatás törvényét felírva az egyensúlyi állandó, Kc megadható: Állandó hőmérsékleten és nyomáson a termékek egyensúlyi koncentrációinak megfelelő hatványon vett szorzata osztva a kiindulási anyagok egyensúlyi koncentrációinak megfelelő hatványon vett szorzatával, állandó konstans szám (Kc).

Néhány példa: N2 + 3 H2 2 NH3 2 SO2 + O2 2 SO3 Cl2 + CO COCl2

A Le Chatelier-Braun elvnek, a legkisebb kényszer elvének megfelelően az egyensúlyi folyamatot a termékek keletkezése felé, a felső nyíl irányába lehet eltolni: az egyik kiindulási anyag koncentrációjának növelésével, az egyik termék koncentrációjának csökkentésével, endoterm reakciónál a hőmérséklet növelésével, exoterm reakciónál a hőmérséklet csökkentésével, gázreakciónál, ha anyagmennyiség csökkenéssel jár a folyamat, a nyomás növelésével, gázreakciónál, ha anyagmennyiség növekedéssel jár a folyamat, a nyomás csökkentésével.

ELEKTROLIT EGYENSÚLYOK

Az elektrolitos disszociáció olyan reverzibilis bomlás folyamat, amelyben oldószer vagy hő hatására szabadon mozgó ionok keletkeznek. Pl: Az elektrolitos disszociációt a disszociációfokkal () és az egyensúlyi folyamatra felírt egyensúlyi állandóval (Kd), a disszociáció-állandóval jellemezzük. Elektrolitok csoportosítása: KA K+ + A- Kd 10-3 1 gyenge elektrolit középerős elektrolit erős elektrolit

Erős elektrolitoknál: Például: az erős savak és lúgok Kd  1 és   1 vagy   100% Gyenge elektrolitoknál: Például: a gyenge savak és lúgok Kd  10–3 és   1 vagy   100%

A víz autoprotolízise A tiszta vízben pontos mérésekkel kimutatták: [H3O+] = [OH–] = 10–7 mol/dm3 A pH fogalmát Sørensen (1868–1939) dán biokémikus vezette be. A pH és a pOH közötti összefüggés: pH + pOH = 14 pH = 0 savasság lúgosság pH = 7 pH = 14

Walther Hermann Nernst (1864–1941) Elektrokémia Michael Faraday (1791–1867 ) Walther Hermann Nernst (1864–1941)

Az elektródfolyamatok Az elektródok felületén mindig elektronátmenettel járó folyamat játszódik le. Azt az elektródot, ahol az oxidáció történik, anódnak, azt pedig, ahol a redukció, katódnak nevezzük. Anódfolyamat: 2 Cl– – 2 e–  Cl2 Katódfolyamat: Cu2+ + 2 e–  Cu

Nernst-képlet a következő reakcióegyenletnél: b red             a ox + z e– ahol:  az elektródpotenciál, (V)  a standard potenciál, (V), az anyagi minőségre jellemző állandó. Saját ionjának 1 mol/dm3 koncentrációjú oldatába merülő elektród elektródpotenciálja 25 C hőmérsékleten. z az oxidációs számváltozás, ox és red az oxidált és a redukált forma koncentrációja, a és b a reakcióegyenletben szereplő sztöchiometriai számok

Galvánelemek Ilyen áramtermelő galvánelem a Daniell-elem is: A galvánelemek olyan feszültségforrások, amelyekben a kémiai energiát elektromos energiává alakítjuk át úgy, hogy a negatív pólusnál végbemenő oxidációs folyamatot térben elkülönítjük a pozitív pólusnál lejátszódó redukciótól. Ilyen áramtermelő galvánelem a Daniell-elem is: Az áramkulcs lehet egy KCl-dal telített kocsonyás anyaggal töltött üvegcső, ún. sóhíd. Anódfolyamat: Zn – 2 e–  Zn2+ (oxidáció) Katódfolyamat: Cu2+ + 2 e–  Cu (redukció)

Az elektromotoros erő: A Daniell-elem celladiagramja: ZnZn2+ = 1 mol/dm3Cu2+ = 1 mol/dm3Cu T = 25 oC Az elektromotoros erő: EMF =  katód –anód  = 0,34 V – (–0,76 V) = 1,1 V

Gyümölcselem A katód, redukció: 2 H+ + 2 e– = H2 Az anód, oxidáció: Zn – 2 e– = Zn2+

A zöldségekből vagy gyümölcsökből épített galvánelemek kb A zöldségekből vagy gyümölcsökből épített galvánelemek kb. 1 voltnyi elektromos feszültséget szolgáltatnak, de persze sorba is köthetők. Ez a feszültség elegendő lehet például egy egyszerű elektronikus óra működtetéséhez.

Elektrolízis Az elektrolíziskor: egyenáram hatására térben elkülönített oxidáció és redukció játszódik le. A CuCl2-oldat elektrolízisekor klórgáz és réz válik le. Anódfolyamat: 2 Cl– – 2 e–  Cl2 oxidáció Katódfolyamat: Cu2+ + 2 e–  Cu redukció

Az elektrolízis mennyiségi törvényei: Faraday I. törvénye: a leváló anyag tömege egyenesen arányos az áramerősséggel és az elektrolízis idejével, vagyis az áthaladt töltéssel. m = k  I  t = k  Q Ahol: k az elektrokémiai egyenérték (g/C). Faraday II. törvénye: egy mol anyag leválásához z  F töltés szükséges. Ahol: F a Faraday állandó: 96500 C/mol, z az oxidációs számváltozás.