BevezetBevezetéés az s az ááltalltaláános knos kéémimiáábaba

ElElııadadóó::BenkBenkıı ZoltZoltáánn

BME Szervetlen BME Szervetlen éés Analitikai Ks Analitikai Kéémia Tanszmia Tanszéékk

Az atomAz atomAz atom az anyag azon legkisebb stabil része, melyre az anyag kémiai úton bontható. A különbözı elemek különbözı atomokból állnak. Az adott atom határozza meg az adott elem kémiai tulajdonságait.

Atomok egymásba való átalakítása csak nagy energiájú magreakciókkal történhet!

Az atomok mérete: 10-10 m (1 Å) nagyságrendnyi.Az atomok tömege: 10-27-10-25 kg között.Makroszkopikus dimenzió: 1 mól = 6.022.1023 db részecske (atom, molekula)Moláris tömeg: 1 mól anyag tömege.

Avogadro-féle állandó, NA

Az atom felAz atom felééppííttééseseelemi relemi réészecskszecskéék: atommag + elektronokk: atommag + elektronok

Név (jel) Tömeg (kg) Töltés (C) Relatív Relatívtömeg töltés

• Proton (p+) 1,673.10-27 +1,6.10-19 1 +1• Elektron (e-) 9,109.10-31 -1,6.10-19 1/1840 -1• Neutron (n0) 1,675.10-27 0 1 0• + kb. 200 kis (szubatomi) részecske

Az atom felAz atom felééppííttééseseelemi relemi réészecskszecskéék: atommag + elektronokk: atommag + elektronok

Jellemzık:Az atom semleges: protonok és elektronok száma azonosRendszám (Z): protonok száma (azonos az elektronokszámával, meghatározza az elektronburok szerkezetét, ígya kémiai tulajdonságokat!) (jelölés: 6C)• Tömegszám (A): protonok (Z) és neutronok (N) számánakÖsszege (jelölés: ) • Elem: azonos rendszámú atomok alkotják. Az elemekjelölésére vegyjeleket használunk. Vegyjel: C, N, O, H, Al, Fe, stb.– Izotópok: azonos rendszámú, de különbözı tömegszámú (eltérıszámú neutront tartalmazó) atomok – a legtöbb elem izotópokkeveréke, pl. szén izotópjai: 12C → 6 proton + 6 neutron13C → 6 proton + 7 neutron– Tiszta elemek: csak egyetlen stabil izotópjuk létezik, pl. fluor:19F → 9 proton + 10 neutron

C126

ElektronokElektronok

Jellemzık:• Atommag – elektronok közötti vonzás• Elektron – elektron taszítás• Elektron mozog (tartózkodási valószínőség)• Energiaminimumra való törekvés = alacsonyabb energia kedvezıbb

(helyzeti energia analógja)

Az elektronok az atommagok körül mozognak meghatározott energiájú és alakú elektronpályákon. Elektronpálya (atomok esetében atompálya) = ahol az elektron mozgása közben 90%-os valószínőséggel megtalálható.

További fogalmak:Alapállapot: minden elektron a legalacsonyabb energiájú pályán vanGerjesztett állapot: egy vagy több elektron magasabb energiájú pályánPályaenergia: felszabadul, ha az elektron az atomon kívülrıl belép

ElektronszerkezetElektronszerkezet

• 1-féle s pálya • 3-féle p pálya • 5-féle d pálya • 7-féle f pálya

• s • p • d • f

Alhéj, elektronhéj

ElektronszerkezetElektronszerkezetPályaenergiák és beépülés:• K: 1s2

• L: 2s2, 2p6

• M: 3s2, 3p6, 3d10

• N: 4s2, 4p6, 4d10, 4f14

• ……

Hund szabály: egy alhéjon adott számúelektron úgy helyezkedik el, hogy maximális legyen a párosítatlanul elhelyezkedı elektronok száma. Pl. Fe 3d6 betöltöttsége:

Pauli elv: egy atomban nem lehet két tökéletesen egyforma elektron. Azaz minden pályán maximum két elektron lehet.

Pályaenergiák sorrendje kicsit eltér:1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, …(lásd majd a periódusos rendszert)

Bodonyi F., Pitter Gy.: Kémiai összefoglaló, Mőszaki Könyvkiadó, Budapest

ElektronszerkezetElektronszerkezet•

28Ni elektronszerkezet felépülése:28 elektron1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, 4s2, 3d8

Vegyértékelektronok: 4s2, 3d8

Vegyértékelektronok: ezek vesznek részt kémiai reakciókban és a másik atomokkal valókölcsönhatásokban.

Atomtörzs: atommag + nem vegyértékelektronok

Az atompAz atompáálylyáák feltk feltööltltııddéésséének nek szabszabáályailyai

• Energiaminimum elve• Pauli-elv• Hund-szabály

Elektronok gerjesztElektronok gerjesztéésese

Az alapállapot és a gerjesztett állapotok közötti energia-átmenetekteszik lehetıvé a különbözı spektroszkópiai módszerek alkalmazását a mőszeres kémiai elemzésben!

PeriPerióódusos rendszerdusos rendszer(Mengyelejev, 1869)(Mengyelejev, 1869)

f-mezı(fémek)

http://www.ptable.com/

d-mezı(fémek)

p-mezı(nemfém, félfém, fém)

s-mezı(fémek)

nemesgáz csoport: zárt héj, extra stabil

Rendezés elve:• növekvı rendszám (elektronszám, atomtömeg)• hasonló vegyértékelektron szerkezet egymás alatt

KKéémiai kmiai kööttééseksekAz atomok kémiai kötésekkel kapcsolódnak egymáshoz molekulákat vagy nagyobb rendszereket alkotva:• Elsırendő kötések (általában atomok között)

• Másodrendő kötések (általában molekulák között)

• Ionos kötés• Kovalens kötés (koordinatív kötés)• Fémes kötés

• Dipólus-dipólus kölcsönhatás• Dipólus-indukáltdipólus kölcsönhatás• Diszperziós kölcsönhatás

Elektronegativitás: az atom elektronvonzó képessége. Két atom kölcsönhatásakor a nagyobb elektronegativitású képes bizonyos fokig „elszívni” a másik egyes vegyértékelektronjait.• Kis elektronegativitás: s-, d-, f-mezı fémei• Nagy elektronegativitás: p-mezı nemfémes elemei• Változás: csoportban felfelé, sorban jobbra nı.

Nemesgáz elektronszerkezetre való törekvés = stabilitás!

Elektronegativitás

Ionos kIonos kööttééssEgy negatív és egy pozitív töltéső ion közötti elektrosztatikus (Coulomb-féle) vonzóerı.Anion: semleges atomból elektron felvétellel (nemfémes elemek: F-, Cl-, O2-)Kation: semleges atomból elektron leadással (fémek: Na+, Ca2+, Al3+, stb.)

Összetett ionok: NH+, SO2-, CO2-, stb.4 4 3

(Elsı) Ionizációs energia (Ei): energia, mely ahhoz szükséges, hogy semleges atomból egyszeres pozitív töltéső kation képzıdjék.Elektronaffinitás (Ea): energia, mely felszabadul (vagy szükséges ahhoz), hogy semleges atomból egyszeres negatív töltéső anion képzıdjék.

Kötéstávolság: elektrosztatikus vonzás és taszító(mag-mag, e--e-) erık egyensúlya határozza meg

Vegyületképzés: Al2O3 semleges!

K+ F-

Kovalens kKovalens kööttééssAz atomok nemesgáz elektronszerkezete elektronmegosztással alakul ki.

Néhány (2 - 4 - 6) elektron közössé válik, majd a közös elektronok összekapcsolják az atomokat.Jellemzı: nemfémes elemekre

-++

-

Molekulapálya: ahol az elektron két vagy több atommag erıterében 90%-os valószínőséggel tartózkodik. A molekulapálya a kötésben résztvevı elektronok eredeti atompályáiból, azok kombinálódásával alakul ki. Emiatt tükrözi bizonyos fokig az atompályák tulajdonságait.

E

atompályák

kötı molekulapálya

lazító molekulapálya Kötı molekulapálya alacsonyabb energiájú mint az atompályák, elektronok számára kedvezıbb.Ez a kémiai kötés hajtóereje!

*

Kovalens kKovalens kööttééssσσ--kkööttééss

Jellemzı: az elektronsőrőség maximuma a két atomot összekötıegyenes (kötéstengely) mentén van.

Kialakulhat:• s – s elektronok között• s – p elektronok között• px – px elektronok között

http://dl.clackamas.edu/ch106-02/sigma.htm

Egyszeres kötés = egyvegyértékő atom az egyik partner:• hidrogén vegyületei (HBr, H2O, NH3, CH4)• halogének vegyületei (F2, Cl2, SCl2, PF3, CCl4)

E F F2 F

Kovalens kKovalens kööttééssππ--kkööttééss

Jellemzı: a két atomot összekötı egyenes (kötéstengely) mentén nincs elektron, az elektronsőrőség az egyenes alatt és felett épül ki (két érintkezési pont, de csak egy kötés!). A gyengébb p-p átlapolás miatt a π kötések gyengébbek mint a σ kötés. Ezért a többszörös kötésekben az egyik általában σ kötés, csak a második illetve harmadik π.

Kialakulhat:• py – py elektronok között• pz – pz elektronok között

http://dl.clackamas.edu/ch106-02/sigma.htm

π kötés = két- vagy háromvegyértékő atomok között• kettıs kötés (O2, CO2, SO2, SO3, H2C=CH2)• hármas kötés (N2, HCCH, HCN)

a második π merıleges az elsı síkjára

p atompályák

σ pálya

π pályák

EN N2 N

Kovalens kötés egyéb fontosabb jellemzıi:• Nemkötı elektronpár: kötésben részt nem vevı vegyértékelektronok

pl: N2 a N vegyértékhéja: 2s2 2p3

• Kötéshossz: a kötést létesítı atomok magjai közti távolság• Kötésszög: a kapcsolódó atomok magjai által bezárt szög• Kötési energia: kötés felszakításához szükséges energia

Kovalens kKovalens kööttééss

N N

Oktett-elv: a fıcsoportbeli elemek olyankötésszerkezet elérésére törekednek, melyben a vegyértékhéjon 8 elektron található

DatDatíív kv kööttééssDatív kötés:A kötı elektronpárt az egyik atom adja (volt nemkötı elektronpárja)Pl. C O

Vegyérték: egy adott molekulában az adott atomhoz tartozó kötı elektronpárok száma.HCl (1;1), H2O (1;2), NH3 (3;1), CH4 (4;1), H2S (1;2), SO2 (4;2), SO3 (6,2)

Molekulák között is:H3B + NH3 H3B NH3

TTéérbeli alakrbeli alak

lineáris(Ca2+: 3s0)

3D szerkezet: a központi atom nemkötı elektronpárjainak és a σσσσ kötı elektron-párok kölcsönhatása határozza meg. Cél:• a kötı és nemkötı elekronpárok egymástól legtávolabb helyezkedjenek el• a rendelkezésre álló legnagyobb teret foglalják el• nemkötı elektronpár térigénye nagyobb (NH3 piramis míg CH4 tetraéder)

F Ca F

HB

H

H

HN H

HH

C H

H

H

síkháromszög(B: 2s22p1)

piramis(N: 2s22p3)

tetraéder(C: 2s22p2)

180º

120º

107.3º

109.5º

PolaritPolaritáássKötések polaritása:Az eltérı elektronegativitású atomok poláris kötéseket létesítenek. A nagyobb elektronegativitású atom jobban vonzza maga felé a kötı elektronpárt: a kötés elektronfelhıje torzul. Megbomlik a töltésegyensúly, a nagyobb elektronega-tivitású atom parciálisan negatív, míg a másik parciálisan pozitív töltéső lesz. Pl. HCl, CO, H2O.Apoláris kötés van azonos atomok kapcsolódása esetén. Pl. H2, O2, N2, F2.

Molekulák polaritása:Apoláris kötés esetén a molekula is apoláris.Poláros kötéssel kapcsolódó kétatomos molekulák polárisak.Poláris kötéssel kapcsolódó többatomos molekulák polaritása függ a szimmetriától:

szén-dioxid: apolárispozitív és negatív

súlypont egybeesik

O C OH

OH

víz: erıs dipólus

105º

δ-

δ+δ+

δ-δ- δ+

FFéémes kmes kööttééss

A fémek kis elektronegativitásuk miatt könnyen leadják vegyérték elektronjaikat. Szilárd és olvadt halmazállapotban pozitív töltéső fématomtörzsek és delokalizált (helyhez nem kötött) elektronrendszer jön létre. A szilárd halmazállapotban kialakuló szerkezet a fémrács:

+ + + + +

++

+

+ + ++ + + + + + +

Alapja a fémes tulajdonságok:• elektromos vezetés• jó hıvezetés• megmunkálhatóság (ugyanolyan környezet mint megmunkálás elıtt)

+ + + + +

++

+

+ + ++ + + + + + +

EENN kküüllöönbsnbséég, g, öösszeg sszeg éés a ks a kööttééss--ttíípuspus

MMáásodrendsodrendőő kkööttééseksek((ááltalltaláában molekulban molekuláák kk köözzöött)tt)

Hidrogénkötés: O-H/N-H/F-H kötések nagy polaritása miatt a H parciálisan pozitív töltéső. Emiatt közelben levı másik elektronegatív atom vonzza a H-t. Vegyes ionos - kovalensjellegő a kölcsönhatás. Annál erısebb, minélelektronegatívabbak a nem-H atomok.

HO

H

δ-

δ+δ+

Elsırendő kötések kötési energiája: 80-850 kJ/molMásodrendő kötések (általában molekulák között)

• Hidrogénkötés• Dipólus-dipólus kölcsönhatás• Diszperziós kölcsönhatás• Indukciós hatás

0.8-12 kJ/mol

8-40 kJ/mol

HO

H

δ-

δ+δ+

1.9 Å

1.0 Å

MMáásodrendsodrendőő kkööttééseksek((ááltalltaláában molekulban molekuláák kk köözzöött)tt)

Dipólus-dipólus kölcsönhatás: aszimmetrikus elektronsőrőség (töltés) eloszlással rendelkezımolekulák között. Pl. HCl

Diszperziós kölcsönhatás: apoláris molekulák térközelbe kerülve tudják egymást polarizálni, kistöltéső indukált dipólusok jönnek létre. Pl. dihalogének (F2, Cl2, Br2) Nagyobb méret →erısebb polarizáció.

Indukciós kölcsönhatás: Dipólus és apoláris molekula között (dipólus → indulált dipólus)

HalmazHalmazáállapotokllapotokGGáázz

Állapot Jellemzık Moláris térfogat (dm3/mol)

Standard 25ºC, 0,1 MPa 24,5Szobahımérséklet 20ºC, 0,1 MPa 24,0Normál 0ºC, 0,1 MPa 22,41

Avogadro törvénye: azonos nyomású és hımérséklető gázok egyenlı térfogatában – az anyagi minıségtıl, molekula méretétıl függetlenül – azonos számú molekula van.

Tökéletes (ideális) gázok: A gázrészecskék között nincs semmilyen kölcsönhatásTérfogatuk elhanyagolható (V=0)

Ideális gázok törvényei:Boyle-Mariotte: V⋅p=konst azaz p1V1=P2V2Gay-Lussac: V=V0(1+αt)

p=p0(1+αt) α=1/273,15

Charles: V/T = V1/T1

• Egyesített gáztörvény:

• Általános gáztörvény: pV=nRT

• ( R=8,314 J/(molK), moláris gázállandó)• mértékegységek R dimenziója alapján

• Példa: 0.5 mol Cl2 gáz térfogata 20 ºC-on 101,3 kPa nyomáson ?•

101300 Pa • V = 0.5 mol • 8,314 • (273 + 20) K• V = 0.012 m3

2

22

1

11

T

Vp

T

Vp ⋅=

⋅

HalmazHalmazáállapotokllapotokFolyadFolyadéékokkok

•• FolyadFolyadéék: A rk: A réészecskszecskéék sokkal kk sokkal köözelebb vannak egymzelebb vannak egymááshoz, mint a shoz, mint a ggáázokbanzokban

•• ttéérfogatuk meghatrfogatuk meghatáározott Vrozott V”ü”üresres””≈≈3% 3% →→ diffdiffúúzizióó•• alakjuk nem meghatalakjuk nem meghatáározott.rozott.•• HHőőttéésre sre →→ szilsziláárd (megfagy)rd (megfagy)•• MelegMelegííttéésre sre →→ ggááz (z („„elforrelforr””))

•• JellemzJellemzıı tulajdonstulajdonsáágok: Pgok: Páárolgrolgáás, egyenss, egyensúúlyi glyi gııznyomznyomáás, s, •• ForrForrááspont spont -- ppáárolgrolgááshshıı, ,

FagyFagyááspont spont -- fagyfagyááshshıı

HalmazHalmazáállapotokllapotokOldatokOldatok

Jellemzık:• Ionos (és poláris) vegyületek poláris oldószerekben oldódnak jól (H2O, alkohol).

A szilárd ionrács ionokra esik szét.• Nemfémes elemek (pl. jód) és apoláris szerves anyagok apoláris szerves

oldószerekben oldódnak (benzol, kloroform, éter)• Oldhatóság: pl. 100 g oldószer által feloldható (kristályvízmentes) anyag tömege• Telítetlen – telített – túltelített (instabil) oldat• Gázok oldhatóságát nyomással lehet növelni.• Hımérséklet szerepe:

• Oldáshı: mekkora hı szabadul fel, vagy mennyi hıt vesz fel a rendszer 1 mol anyag feloldásakor. Qoldás=∆Erács + ∆Eszolv

• 1 mol anyag szolvatációját (hidratációját) kísérı energiaváltozás a szolvatációs (hidratációs) energia. Értéke negatív (energiafelszabadulás).

• Melegítés segít: KNO3, NH4Cl (itt oldódás endoterm)• Hőtés segít: NH3, SO2, H2SO4 (itt oldódás exoterm)

HalmazHalmazáállapotokllapotokOldatok: koncentrOldatok: koncentráácicióószszáámmííttááss

Fontosabb koncentrációk:• moláris koncentráció (c): mol oldott anyag 1 dm3 oldatban (mol/dm3)• tömegszázalék: gramm oldott anyag 100 gramm oldatban (m/m%)• tömegkoncentráció: g oldott anyag/1 dm3 oldatban (g/dm3)• Raoult-koncentráció: mol oldott anyag 1 kg oldószerben (mol/kg oldószer)

Számítási példa:Számítsuk ki annak az oldatnak a moláris koncentrációját, melyet 100 g NaCl feloldásával kaptunk. Az oldat térfogata 0.4 dm3.Az atomtömegek: MNa=23, MCl= 35.5

Az NaCl moltömege: 23+35.5=58.5 g/mol100 g NaCl = 100/58.5 = 1.71 mol

ha 0.4 dm3 vizben van oldva 1.71 mol NaClakkor 1 dm3 vizben van oldva 4.275 mol NaCl.

Tehát az oldat koncentrációja 4.275 mol/dm3

HalmazHalmazáállapotokllapotokKristKristáályos anyagoklyos anyagok

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.

HalmazHalmazáállapotokllapotokAtomrAtomráácscs

• Atomrács: rácspontokban atomok, melyek irányított egyszeres (σ) kovalens kötéssel kapcsolódnak egymáshoz: gyémánt, Si, Ge, B, SiO2, ZnS, SiCKemények, hıt és elektromosságot nem vezetik, op magas, sem vízben, sem szerves oldószerekben nem oldódnak.

Gyémánt (Si, Ge, ZnS, SiC)Minden C atom körül tetra-éderes elrendezıdésben van a többi azonos távol-ságra, azonos kötésszöggel.

109.5º

HalmazHalmazáállapotokllapotokFFéémrmráácscs

térben középpontos kockarács lapon középpontos kockarács hatszöges rács (Na, K, Fe, Cr) (Au, Ag, Al, Cu) (Mg, Ni, Zn)

Jellemzık:• Rácspontokban pozitív töltéső fém atomtörzsek, amiket hozzájuk közösen

tartozó delokalizált elektronok kötnek össze → vezetıképesség• Erıs kötés: kemény, magas op (Cr, W)• Szürke szín (kivétel Cu, Au): minden típusú fotont elnyel (e--k gerjesztıdnek)• Oldhatóság: egymás olvadékaiban → ötvözet, ill. kémiai átalakulással savakban

+ + + + ++

++

+ + ++ + + + + + +

Leggyakoribb rácstípusok:

aranyrög

puha, megmunkálható kemény, ridegmindenféle

HalmazHalmazáállapotokllapotokIonrIonráácscs

Jellemzık:• Rácspontokban szoros illeszkedéssel kationok és anionok vannak. Kifelé

semleges.• Kemények, ridegek, magas olvadáspontúak, elektromos áramot nem vezetik• Olvadékuk és oldataik vezetık• Többségük vízben oldódik, ionjaira disszociál

Leggyakoribb rácstípusok:

NaCl, lapon középpontos kockarácsCsI, térben középpontos kockarács

HalmazHalmazáállapotokllapotokMolekularMolekularáácscs

Jellemzık:• Rácspontokban molekulák vannak, melyek másodlagos kötıerıkkel

kapcsolódnak egymáshoz.

• Sok szerves molekula, valamint H2, O2, N2, CO2 (szárazjég), stb.• Keménység kicsi, olvadás- és forráspont alacsony, kis sőrőség, áramot sem

szilárd, sem olvadt állapotban nem vezetik.• Apoláris szerves oldószerekben (pl. CCl4) oldódnak.

Jég: 16 különbözı szilárd fázisú szerkezetben létezik.

• Hidrogénkötés• Dipólus-dipólus kölcsönhatás• Diszperziós kölcsönhatás

0.8-12 kJ/mol

8-40 kJ/mol

Hexagonális kristályrendszer

KKéémiai reakcimiai reakcióókkreakcireakcióóegyenletekegyenletek

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 állapotúHCl gáz készítéséhez a következı kiegészítendı reakcióegyenlet alapján:

CaCl2 + H2SO4 = CaSO4 + HCl

KKéémiai reakcimiai reakcióókkkkéémiai szmiai száámmííttááss

Számítási példa:Számítsuk ki hány cm3 1 mol/dm3-es kénsav kell 2 dm3 normál állapotúHCl gáz készítéséhez a következı kiegészítendı 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 2/22,41 mol = 0,089 molnak

2 mol (molekula) HCl fejlesztéséhez kell 1 mol H2SO40,089 mol HCl fejlesztéséhez kell (1/2)*0,089=0,0445 mol H2SO4

1 mol H2SO4 van 1000 cm3 (1 dm3) 1 mol/dm3-es oldatban0,0445 mol H2SO4 van (1000/1)*0,0445=44,5 cm3 oldatban

Tehát 44,5 cm3 1 mol/dm3-es H2SO4 oldat kell.

KKéémiai reakcimiai reakcióókkkkéémiai szmiai száámmííttááss

Számítási példa:Számítsuk ki hány g 36 m/m%-os HCl oldat kell 100 g FeCl3 készítéséhez a következı kiegészítendı 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 g/mol, MHCl=36.5 g/mol

100 g FeCl3 = 100/162,3 = 0,616 mol

2 mol FeCl3 keletkezése igényel 6 mol HCl-at0,616 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 oldatban67,452 g HCl van (100/36)*67,452=187,37 g HCl oldatban

Tehát 187,37 g 36 m/m%-os HCl oldat kell.

KKéémiai reakcimiai reakcióókkreakcireakcióóhhıı

Reakcióhı (Qr, kJ): reakcióegyenlet által definiált reakció hıváltozása

A kémiai reakciókban kötések bomlanak fel és új kötések alakulnak ki.• Kötésfelbomlás: energia befektetést igényel (+ elıjel)• Kötés kialakulás: energia szabadul fel (- elıjel)• 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)

Képzıdéshı (Qk, kJ/mol): annak a reakciónak az energiaváltozása, melyben egy vegyület 1 mólja standard körülmények (25 ºC, 0,1 MPa) között alapállapotúelemeibıl keletkezik. Alapállapotú elemek képzıdéshıje standard körülmények között 0 kJ/mol.

KKéémiai reakcimiai reakcióókkreakcireakcióóhhıı

Hess tétel: a reakcióhı független a reakció útjától (általában többféle útvonal van), csak a kezdeti és végállapottól függ.

Reakcióhı a képzıdéshıkbıl: a termékek együtthatókkal szorzott képzıdéshıi-nek összegébıl levonjuk a kiindulási anyagok együtthatókkal szorzott képzıdés-hıinek összegét.

I. CaCO3 + 2HCl = CaCl2 + CO2 + H2OQr = QkCaCl2 + QkCO2 + QkH2O – QkCaCO3 – 2QkHCl

II. CaCO3 = CaO + CO2CaO + 2HCl = CaCl2 + H2O

Qr = QkCaO + QkCO2 + QkH2O + QkCaCl2 – QkCaO - QkCaCO3 – 2QkHCl

A CaO csak átmeneti termék, keletkezik és megszőnik, ezért képzıdéshıje a II. összetett reakcióban kiesik.

KKéémiai reakcimiai reakcióókk

Kémiai reakció feltételei:• részecskék ütközése – nagyobb koncentrációban gyakoribb:• a részecskék megfelelı térhelyzetben legyenek

Aktiválási energia (kJ/mol): az az energiatöbblet, amelynek következtében a részecskék átalakulásra képes aktív állapotba jutnak = az aktivált komplexum keletkezéséhez szükséges energia

Aktivált komplexum:• részecskék ütközés utáni nagyon rövid ideig tartó összekapcsolódása• tartalmazza mind a megszőnı, mind a létrejövı kötéseket, de azok sokkal gyengébbek,

hosszabbak mint a kiindulási ill. termék molekulákban• kötésszögek teljesen mások

Aktivált komplexum

ReakcióútTermékek

∆∆∆∆Ea

∆∆∆∆E’aReaktánsok

ReaktánsokÁtmeneti komplexum Termék

KKéémiai reakcimiai reakcióókkreakcireakcióósebesssebesséégg

Katalizátor: olyan anyag, mely a kémiai reakciók sebességét nagymértékben megnövelik (alacsonyabb energiájúaktivált komplexumot képeznek. A reakciólejátszódása után újra felszabadulnak (kis mennyiség elég), reakcióhıt nem befolyásolják, csak az aktiválási energiát.

Reakciósebesség: egységnyi térfogatban egységnyi idı alatt hány mol alakul át a ki-indulási anyagok valamelyikébıl, vagy hány mol keletkezik a termékek valamelyikébıl.

Inhibítor: kémiai reakciókat lassító vagy gátló anyagok.

Függ:• a reakciótól (reagáló anyagok minısége)• reagáló anyagok koncentrációjától• hımérséklettıl• katalizátortól

2H2 + O2 = H2O

v=k• cH22 • cO2 mol/(dm3s)

k= reakciósebességi állandó

Reakcióút

Reakció katalizátor nélkül

Reakció katalizátorralE

X → YY → X

KKéémiai reakcimiai reakcióókkegyensegyensúúlyi reakcilyi reakcióók: A Bk: A B

(Gyakorlatilag) egyirányú reakciók:• nagyon stabilis a termék• a termék más halmazállapota miatt eltávozik a rendszerbıl:

- gáz: H2CO3 → H2O + CO2

- csapadék: AgNO3 + HCl → AgCl + HNO3

Aktivált komplexum

ReakcióútTermékek

∆∆∆∆Ea

∆∆∆∆E’aReaktánsok

Minden kémiai reakció elvileg oda-vissza mehet, a fı különbség a befektetendıaktiválási energiában van.

Aktivált komplexum

Reakcióút

Termékek∆∆∆∆Ea

∆∆∆∆E’a

Reaktánsok

KKéémiai reakcimiai reakcióókkkkéémiai egyensmiai egyensúúlyly

• Kiindulási anyagok felé tolódott egyensúlyban végig: ckiindulási anyag > ctermék

• Termék felé tolódó egyensúlyban egy idı után: ckiindulási anyag < ctermék

• Egyensúlyban az oda-vissza alakulás reakciósebessége megegyezik (v1=v2)! • A koncentrációban nincs változás, de az oda-vissza reakció folyamatosan

történik!DINAMIKUS EGYENSÚLYI ÁLLAPOT

Kémiai egyensúly kifejezıdése a koncentrációkban és a reakciósebességekben:

Rea

kcós

ebes

ség→

Idı→

v1

egyensúly

v2Kon

cent

ráci

ó→

Idı→

ckiindulási anyagegyensúly

ctermék Kon

cent

ráci

ó→

Idı→

ckiindulási anyagegyensúly

ctermék

KKéémiai reakcimiai reakcióókkegyensegyensúúlyi lyi áállandllandóó

Tömeghatás törvénye: egyensúlyban a termékek megfelelı hatványon vett egyensúlyi koncentrációinak szorzata, osztva a kiindulási anyagok megfelelıhatványon vett egyensúlyi koncentrációinak szorzatával, egy adott hımérsékleten és nyomáson állandó érték.

aA + bB cC + dD reakcióra:[ ] [ ][ ] [ ]ba

dc

BA

DC=K

KKéémiai reakcimiai reakcióókkegyensegyensúúlyi lyi áállandllandóó

b) hımérsékletváltoztatás: K-t változtatja, s azon keresztül a reakciósebességeket, koncentrációkat.

• T növelés: endoterm reakciónál termékképzıdésexoterm reakciónál visszaalakulás

• T csökkentés: exoterm reakciónál termékképzıdésendoterm reakciónál visszaalakulás

Le Chatelier-Braun elv (legkisebb kényszer elve): egy dinamikus egyensúlyban levırendszer megzavarásakor annak a folyamatnak lesz nagyobb a sebessége, amely a zavaró hatást csökkenteni igyekszik.

a) Koncentrációváltoztatás

KKéémiai reakcimiai reakcióókkegyensegyensúúlyi lyi áállandllandóó

Le Chatelier-Braun elv:c) nyomásváltoztatás: csak molekulaszám változással járó reakciókban K-t

változtatja, s azon keresztül a reakciósebességeket, koncentrációkat.• p növelés: molekulák számának csökkenése felé• p csökkentés: molekulák számának növekedése felé

pl: H2O + CO2 H2CO3: megfelelı mennyiségő CO2-t nyomással oldanak az ásványvízben

d) katalizátor nem változtatja meg az egyensúlyi állandót, csak a reakciósebességeket (mindkét irányét) növeli

KKéémiai reakcimiai reakcióókkProtolitikusProtolitikus reakcireakcióókk

Hidrogénion (proton) átadással járó reakciók fıként vizes oldatbanBrönsted szerint:• savak: protont leadó molekulák és ionok (HCl + H2O H3O+ + Cl-)• bázisok: protont felvevı molekulák és ionok (NH3 + H2O NH4

+ + OH-)Proton sosincs szabad állapotban az oldatban, ezért ezen (mindig) egyensúlyireakciókban a sav és bázis együttesen van jelen:

HCl + H2O H3O+ + Cl-

sav bázis sav bázis

Amfoter vegyület: partnertıl függıen savként illetve bázisként reagál: H2OA sav-bázis párok erıssége ellentétes: minél erısebb a sav (pl. HCl), annál gyengébb a bázis párja (Cl-).

oxónium ion

Arrhenius-féle sav-bázis elmélet (korábbi, közelebb áll a mindennapi élethez)Csak vizes oldatokra érvényes!• savak: vízben H+-ionra és anionra disszociálnak: HCl H+ + Cl-• bázisok: vízben OH--ionra és kationra disszociálnak: NaOH Na+ + OH-

KKéémiai reakcimiai reakcióókkProtolitikusProtolitikus reakcireakcióók: egyensk: egyensúúlyi lyi áállandllandóókk

Disszociációs egyensúlyi állandók: sav illetve bázisHNO3 NO3

- + H+ NH4OH NH4+ + OH-

[HNO3][NO3

-][H+]Ks=

[NH4OH][NH4

+][OH-]Kb=

A […] koncentrációk mindig az egyensúlyi koncentrációk, nem pedig kiindulási vagy bruttó koncentrációk, ami példákban sokszor szerepel.

Víz disszociációja: H2O + H2O H3O+ + OH-

Autoprotolízis: egy vegyület molekulái egymással lépnek sav-bázis reakcióba

A folyamatra felírva a tömeghatástörtet:

A H2O molekulák koncentrációja gyakorlatilag állandó (55,5 mol/dm3), ezért összevonható K-val: Kvíz= [H3O+][OH-] = 10-14 (mol/dm3)2

vízionszorzat 25 ºC-on

[H2O]2

[H3O+][OH-]K=

ProtolitikusProtolitikus reakcireakcióókkpHpH

Vízionszorzat jelentése: H3O+ (H+) és OH- ionok mindig vannak jelen az oldatban, és meghatározzák egymás koncentrációját.Kémhatás:• semleges oldat: [H3O+]=[OH-] = 10-7 mol/dm3

• savas oldat: H3O+ ionok vannak többségben (>10-7 mol/dm3)• bázikus (lúgos) oldat: OH- ionok vannak többségben (>10-7 mol/dm3)A kémhatás számszerő jellemzésére a -lg[H3O+] értéket használjuk, neve pH• savas oldat: pH < 7• bázikus (lúgos) oldat: pH > 7(Analóg módon pOH is létezik, de a gyakorlatban nem használatos.)

Számítási példa:Mennyi a 0.1 mol/dm3-es HCl illetve NaOH oldatok pH-ja?

HCl disszociációja után [H3O+]=0.1 mol/dm3 → pH=-lg[H3O+] =1

NaOH oldatban [OH-]=0.1 mol/dm3 [H3O+]=10-13 mol/dm3 → pH=13vízionszorzatból

ProtolitikusProtolitikus reakcireakcióókkHidrolHidrolííziszis

Erıs sav és erıs bázis sójának (pl. NaCl) vizes oldata semleges kémhatású.Ha vagy a sav, vagy a bázis gyenge, a vizes oldat nem lesz semleges.• gyenge sav+erıs bázis (NaCN): lúgos kémhatás• gyenge bázis + erıs sav (NH4Cl): savas kémhatásA feloldáskor keletkezı ionok reagálnak a víz molekulákkal:

CN- + H2O HCN + OH-

NH4+ + H2O NH4OH + H+ (H3O+)

lúgos

savas

RedoxireakciRedoxireakcióókkOxidáció: 2Mg + O2 = 2MgORészfolyamatok: 2Mg = 2Mg2+ + 4e- , O2 + 4e- = 2O2- 2Mg2+ + 2O2- = 2MgO

A redoxi folyamatokban:• oxidáció: elektron leadás• redukció: elektron felvétel

Nemcsak oxigénnel: 2Al + 3Cl2 = 2AlCl3Részfolyamatok: 2Al - 6e- = 2Al3+

3Cl2 + 6e- = 6Cl-

2Al3+ + 6Cl- = 2AlCl3

oxidáció redukció

(oxidáció)

(redukció)

RedoxireakciRedoxireakcióókkOxidáció: 2Mg + O2 = 2MgORészfolyamatok: 2Mg - 4e- = 2Mg2+, O2 + 4e- = 2O2- 2Mg2+ + 2O2- = 2MgO

A redoxi folyamatokban:• oxidáció: elektron leadás• redukció: elektron felvétel• oxidálószer: az ami a másikat elektron leadásra (oxidációra) készteti• redukálószer: az ami a másikat elektron felvételre (redukcióra) készteti Oxidáció és redukció mindig együtt játszódik le, mert az oxidálószer felveszi a másik által leadott elektronokat (redukálódik). Elektron egy reakcióban nem veszhet el (tömegmegmaradás törvénye), s általában nem is marad szabadon.Az oxidációra (redukcióra) való hajlam összefügg az elektronegativitással, azaz az elektronvonzási képességgel: F CsTovábbi redoxireakciók: Zn + Cu2+ = Cu + Zn2+

Cl2 + 2I- = 2Cl- + I2

Zn + 2H+ = Zn2+ + H2

oxidáció redukció

OxidOxidáácicióós szs száámm

Számítható a fentiek alapján: pl. H2SO4-ben a kén oxidációs száma +60=2*(+1) + S + 4*(-2)

Semleges atomhoz képesti oxidációs állapot: az atom névleges vagy valódi töltése egy adott vegyületben.• elemek: 0• egyatomos ionok: az ion töltése• molekulák: a névleges töltés, ha a kötı elektronpárokat gondolatban a nagyobb

elektronegativitású atomhoz rendeljük. Pl: H2O-ban O=−2, H=+1 Semleges molekulában az oxidációs számok összege 0, többatomos ion esetében pedig az ion töltése.

Jellemzı oxidációs számok:• alkálifémek (Na, K, …): +1• alkáliföldfémek (Mg, Ca, …): +2• fluor (F): -1• oxigén (O): -2 (kivétel peroxidok mint H2O2)• hidrogén (H): +1 (kivétel hidridek mint NaH)• elemek többségének több oxidációs száma lehet (de:≠vegyérték): S=-2, +2, +4, +6

(semleges atomból oxidációval)

(semleges atomból redukcióval)

RedoxiRedoxi egyenletekegyenletek

Redoxireakciókban oxidációsszám-változás történik (korrózió is ide tartozik!)• C + O2 = CO2

• Al + 3HCl = AlCl3 + 1½H2

Reakció során valamely atom oxidációs száma csak úgy növekedhet, ha egymásiké csökken: az egyenlet adott oldalán az oxidációsszám-változások összege 0 kell legyen. Ionok esetében valós, kovalens kötéső molekulákban pedig formális elektronátmenet történik.Redoxi egyenletek rendezése: tömegmegmaradás + töltésmegmaradás

Mn4+ + Ce3+ = Mn2+ + Ce4+

oxidációs számok összege: 7 6Mn4+ + 2Ce3+ = Mn2+ + 2Ce4+

oxidációs számok: +5 3*(-2) -1 0 3*(-2)

IO3- + I- = I2 +3O2-

↑5 ↓1

IO3- + 5 I- = I2 +3O2-

IO3- + 5 I- = 3I2 +3O2-