HalmazállapotokHalmazállapotokGázGáz

Állapot Jellemzők Moláris térfogat (dm3/mol)Standard 25ºC, 0,1 MPa 24,5Szobahőmérséklet 20ºC, 0,1 MPa 24,0Normál 0ºC, 0,1 MPa 22,41

Avogadro törvénye: azonos nyomású és hőmérsékletű gázok egyenlő térfogatában – az anyagi minőségtől, molekula méretétől függetlenül – azonos számú molekula van.

Általános gáztörvény: pV=nRT (R=8,314 m3Pa/molK, moláris gázállandó) mértékegységek R dimenziója alapján

Példa: 0.5 mol Cl2 gáz térfogata 20 ºC-on 101300 Pa • V = 0.5 mol • 8,314 • (273 + 20) K V = 0.012 m3

HalmazállapotokHalmazállapotokFolyadékokFolyadékok

Folyadékkristályok:

• Részlegesen rendezett állapotban levő folyadékok (átmenet a folyadék és kristályos anyagok között.

• Hosszúkás molekulák, melyek hosszú távú rend kialakítására képesek.

• Sok fizikai tulajdonságuk a kristályokéhoz hasonlóan anizotróp, azaz irányfüggő.

• Elektromos vagy mágneses mező hatására a csoportok rendeződnek. Felhasználás: órák, számológépek, műszerekben kijelzők, LCD monitorok, TV

különböző típusú (molekulától függő) elrendeződések

HalmazállapotokHalmazállapotokOldatokOldatok

Jellemzők:

• Ionos (és poláris) vegyületek poláris oldószerekben oldódnak jól (H2O, alkohol). A szilárd ionrács ionokra esik szét.

• Nemfémes elemek (pl. I) és apoláris szerves anyagok apoláris szerves oldószerekben oldódnak (benzol, kloroform, éter)

• Oldhatóság: pl. 100 g oldószer által feloldható anyag tömege

• Telítetlen – telített – túltelített (instabil) oldat

• Gázok oldhatóságát nyomással lehet növelni.

• Hőmérséklet szerepe:

• Oldáshő: mekkora hő szabadul fel, vagy mennyi hőt vesz fel a rendszer 1 mol anyag feloldásakor. Qoldás=Erács + Eszolv

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

• Melegítés segít: KNO3, NH4Cl (itt oldódás endoterm)

• Hűtés segít: NH3, SO2, H2SO4 (itt oldódás exoterm)

HalmazállapotokHalmazállapotokOldatok: koncentrációszámításOldatok: koncentrációszámítás

Fontosabb koncentrációk:

• moláris koncentráció (c): mol oldott anyag/1 dm3 oldatban (mol/dm3)

• tömegszázalék: gramm oldott anyag/100 gramm oldatban (m/m%)

• tömegkoncentráció: kg oldott anyag/1 m3 oldatban (kg/m3)

Számítási példa:Számítsuk ki annak az oldatnak a moláris koncentrációját, melyet 100 g NaCl 0.4 dm3 vízben történt feloldásával kaptunk.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 NaCl akkor 1 dm3 vizben van oldva 4.275 mol NaCl.

Tehát az oldat koncentrációja 4.275 mol/dm3

HalmazállapotokHalmazállapotokKristályos anyagok, atomrácsKristályos 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 () 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

HalmazállapotokHalmazállapotokFémrácsFémrács

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

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:

aranyrög

puha, megmunkálható

kemény, rideg

mindenféle

HalmazállapotokHalmazállapotokFémrács: ötvözetekFémrács: 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 (vagy ritkán kettő) olvadáspont létezik

HalmazállapotokHalmazállapotokÖtvözetek: szilárd oldatÖtvözetek: szilárd oldat

Olyan szilárd halmazállapotú homogén keverék, melyben a kisebb mennyiségű ”oldott anyag” nem változtatja meg az oldószer kristályszerkezetét. A

szerepekfel is cserélődhetnek.

• hasonló atomsugarak (<15% eltérés)

• azonos kristályszerkezet

• hasonló elektronegativitás

• hasonló vegyérték

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

folyadék

folyadék+szilárd

szilárd oldat

Fázisdiagram

(K)

T2

T1

100%B

100%A

xszilár

d

xfolyadé

k70%A, 30%B 10%A, 90%B

szolidusz görbe

likvidusz görbe

HalmazállapotokHalmazállapotokÖtvözetekÖtvözetek

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).

Kétkomponensű rendszer eutektikus ponttal:

FolyadékT

p=állandó

x%

szilárd A + B

szilárd A + folyadék szilárd B +

folyadék

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, a többi összetételnél az olvadás egy hőmérséklet tartományban történik

HalmazállapotokHalmazállapotokÖtvözetekÖtvözetek

Egyéb csoportosítás:• Természetes ötvözetek: geológiai folyamatok által jönnek létre, például az

égitestek belsejében.Nincs jól meghatározott összetételük és tulajdonságaik.• Vasötvözetek: acélok és öntöttvas; a széntartalom szerint tesznek köztük

különbséget. Nemesacélok: krómot és nikkelt tartalmaznak.• Nemvas ötvözetek: nem vas alapú ötvözetek. Pl. sárgaréz, bronz, amalgámok.• Diffúziós ötvözetek: az ötvöző elem atomjai az alapfémbe diffundálnak. Főleg a

periódusos rendszer kis rendszámú elemei (pl. szén), kis atomjaik miatt.• Heusler-ötvözetek: ferromágneses ötvözetek, amik nem tartalmaznak vasat,

nikkelt vagy kobaltot. Ilyen például a Cu2AlMn fémvegyület.

• Emlékező ötvözetek: átformálás után, ha újra felveszik az eredeti hőmérsék-letüket, visszanyerik az eredeti alakjukat.

• Fémporok összekeverése, felhevítése, majd összenyomása: olyan fémekkel, amik folyékony állapotban nem keverednek egymással. Pl. volfrámötvözetek.

Leírás: az egyes fémek tömegszázaléka szerint. Például a CuZn 37 ötvözetben 37% a cink, és 63% a réz.

Arany tisztasága:

• 24 karát: 100 % arany

• 18 karát: 75 % arany

• 12 karát: 50 % arany

HalmazállapotokHalmazállapotokIonrácsIonrács

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:

NaCl, lapon középpontos kockarács

CsI, térben középpontos kockarács

HalmazállapotokHalmazállapotokMolekularácsMolekularács

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.Jég: 16 különböző szilárd fázisú szerkezetben létezik.

• Hidrogénkötés

• Dipólus-dipólus kölcsönhatás

• Diszperziós kölcsönhatás0.8-12 kJ/mol

8-40 kJ/mol

Hexagonális kristályrendszer

GrafitGrafit

Három rácstípusból van benne:

• Szénatomok egyszeres 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).

gyémánt

Ebből adódnak tulajdonságai:

• Magas op. (3700 ºC)

• Vezeti az áramot

• Jó kenőanyag (síkok egymáson elcsúsznak)

Kémiai reakciókKémiai reakciókreakcióegyenletekreakcióegyenletek

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 állapotú HCl gáz készítéséhez a következő kiegészítendő reakcióegyenlet alapján: CaCl2 + H2SO4 = CaSO4 + HCl

Kémiai reakciókKémiai reakciókkémiai számításkémiai 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 oldatban0,0445 mol H2SO4 van (1000/1)*0,0445=44,5 cm3 oldatban

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

Kémiai reakciókKémiai reakciókkémiai számításkémiai 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 + 6H2O

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-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.

Kémiai reakciókKémiai reakciókreakcióhőreakcióhő

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. CO2 miért gáz szobahőmérsékleten?

• 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.

Kémiai reakciókKémiai reakciókreakcióhőreakcióhő

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

Reakcióhő a képződéshőkből: a termékek együtthatókkal szorzott képződéshői-nek összegéből levonjuk a kiindulási anyagok együtthatókkal szorzott képződés-hőinek összegét.

I. 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 (H, kJ): ugyanaz mint a reakcióentalpia, csak ki van kötve a nyomás állandóságának feltétele (zárt edényben gázok reakciójakor lehet különbség ha mólszám változás van)

Kémiai reakciókKémiai reakciók

Kémiai reakció feltételei:• részecskék ütközése – nagyobb koncentrációban gyakoribb:

• a részecskék megfelelő 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 megszűnő, mind a létrejövő kötéseket, de azok sokkal gyengébbek, hosszabbak mint a kiindulási ill. termék molekulákban

• kötésszögek teljesen másokAktivált

komplexum

Reakcióút Termékek

Ea E’

a Reaktánsok

Reaktánsok

Átmeneti komplexum Termék

Kémiai reakciókKémiai reakciókreakciósebességreakciósebesség

Katalizátor: olyan anyag, mely a kémiai reakciók sebességét nagymértékben megnövelik (alacsonyabb energiájú aktivált komplexumot képeznek. A reakció lejátszódása után újra felszabadulnak (kis mennyiség elég), reakcióhőt nem befolyásolják, csak az aktiválási energiát.

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

Inhibítor: kémiai reakciókat lassító vagy gátló anyagok.

Függ:• a reakciótól (reagáló anyagok minősége)

• reagáló anyagok koncentrációjától

• hőmérséklettől

• katalizátortól

2H2 + O2 = H2O

v=k• cH22 • cO2

mol/(dm3s)

k= reakciósebességi

állandó

Reakcióút

Reakció katalizátor nélkül Reakció katalizátorralE

X → YY → X

TalálkozunkTalálkozunkszeptember 28-án szeptember 28-án

ugyanekkor, ugyanitt.ugyanekkor, ugyanitt.