Halmazállapotok Kristályos anyagok, atomrács

Az előadások a következő témára: "Halmazállapotok Kristályos anyagok, atomrács"— Előadás másolata:

1 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

2 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

3 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 olvadáspont létezik

4 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

5 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 (úgy viselkedik, mintha egy anyagból állna), 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).

6 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

7 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

8 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)

9 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 („cserebomlás”): 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. Sztöchiometria: A reakcióegyenlet alapján kiszámítható a reagáló/keletkező anyagok mennyisége.

10 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.

11 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 + 3H2O 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.

12 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. 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.

13 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 reakcióhő, csak ki van kötve a nyomás állandóságának feltétele (zárt edényben gázok reakciójakor lehet különbség ha mólszám változás van)

14 Kémiai reakciók Szabadentalpia
Entrópia (S, kJ/K): egy rendszer rendezetlenségének mértéke. A rendezetlenség kedvezőbb állapot: kristályos anyag oldódása (oldott anyag oldószerben való eloszlása) gázok keveredése (kibocsátott CO2, füst) A természetes folyamatokat az irányítja, hogy: csökkenjen a rendszer energiája (energia-felszabadulás) növekedjen a rendezetlenség mértéke Ezt fejezi ki a szabadentalpia: G = H – TS Valamely folyamat (kémiai reakció) szabadentalpia változása: DG = DH – TDS Spontán folyamat akkor megy végbe, ha szabadentalpia változás negatív (DG<0). Az entrópia tagnak inkább csak magas hőmérséklet esetén (T > 1500 K) van jelentősége, szobahőmérsékleten általában elhanyagolható, azaz DG ≈ DH G: szabadentalpia, kJ H: entalpia, kJ T: hőmérséklet, K

15 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