Kovács AttilaKovács Attila

KémiaKémiaterméktervezőknekterméktervezőknek

BME, Szervetlen és Analitikai BME, Szervetlen és Analitikai Kémia TanszékKémia Tanszék

MTA-BME Anyagszerkezeti és MTA-BME Anyagszerkezeti és Modellezési KutatócsoportModellezési Kutatócsoport

akovacs@mail.bme.huhttp://amkcs.ch.bme.hu/ka.htm

Tel.: 463-22-78

Kurzussal kapcsolatos Kurzussal kapcsolatos tudnivalóktudnivalók

• Vizsgaidőszakban írásbeli vizsgaVizsgaidőszakban írásbeli vizsga

• Opcionális: évközben előadásidőben 3 Opcionális: évközben előadásidőben 3 db zárthelyi db zárthelyi megajánlott jegy megajánlott jegy

• Előadásanyag (ppt) honlapról előre Előadásanyag (ppt) honlapról előre letölthetőletölthető

• Előadás: K140, 17.15 - ??Előadás: K140, 17.15 - ??

http://amkcs.ch.bme.hu/ka.htm

(Időpont megegyezés szerint, csak az utolsó előadás napja fix)

A kémia helye a A kémia helye a természettudományok közötttermészettudományok között

Miért van szüksége a gépész Miért van szüksége a gépész terméktervezőnek kémiai terméktervezőnek kémiai

tudásra?tudásra?• Vegyiparban, kutatóintézetekben, egyéb Vegyiparban, kutatóintézetekben, egyéb

laborokban gépekkel, műszerekkel dolgoznaklaborokban gépekkel, műszerekkel dolgoznak• Gépeket felépítő anyagnak vannak kémiai Gépeket felépítő anyagnak vannak kémiai

vonatkozásaivonatkozásai

• Gépek működésének kémiai vonatkozásaiGépek működésének kémiai vonatkozásai

• fém, ötvözet, műanyag

• megfelelő szilárdság, környezeti hatásokkal szembeni ellenállóság

• működésbiztosítás (kenőolaj)

• megmunkált anyag tulajdonságai

• műszerekkel nyert kémiai információ (gép célja)

TematikaTematika

• Általános kémiaÁltalános kémia• Szervetlen kémiaSzervetlen kémia• Szerves kémiaSzerves kémia

• Atomok, molekulák, kémiai kötések• Periódusos rendszer (http://www.ptable.com/)

• Anyagi halmazok (gáz, folyadék, szilárd, ötvözetek)

• Kémiai reakciók (reakcióegyenlet, egyensúlyok, energetika)

• Elektrokémia (galvánelem, akkumulátor, korrózió)

TematikaTematika

• Általános kémiaÁltalános kémia• Szervetlen kémiaSzervetlen kémia• Szerves kémiaSzerves kémia

• Elemek

• Alkáli-, alkáliföld- és átmeneti fémek vegyületei

• Nemfémes elemek vegyületei

TematikaTematika

• Általános kémiaÁltalános kémia• Szervetlen kémiaSzervetlen kémia• Szerves kémiaSzerves kémia

• Alifás vegyületek

• Aromás vegyületek

• Alkoholok, karbonsavak, aminok

• Polimerek (Dr. Wagner Ödön)

Az atomAz atom

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

Atomok egymásba való átalakítása csak nagy energiájú magreakciókkal

történhet:

• Radioaktív bomlás (14C → 14N + e-, felezési idő 5700 év)

• Maghasadás (235U + n0 → kisebb atomok + 2-3 n)

• Magfúzió (2H + 3H → 4He + n0)

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 felépítéseAz atom felépítéseelemi részecskék: atommag + elektronokelemi részecskék: atommag + elektronok

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

tömeg 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 részecske

Jellemzők:

• Az atom semleges: protonok és elektronok száma azonos

• Vegyjel: C, N, O, H, Al, Fe, stb.

• Rendszám: protonszám (jelölés: 6C)

• Tömegszám: protonok + neutronok száma (ezek a nukleonok), pl. 12C Izotóp: azonos protonszám mellett eltérő neutronszám, pl. 14C 6

6

ElektronokElektronok

Jellemzők:• Atommag – elektronok közötti vonzás

• Elektron – elektron taszítás

• Elektron mozog (tartózkodási valószínűség)

• Energiaminimumra való törekvés = alacsonyabb energia kedvezőbb (helyzeti energia analógja)

Az elektronok a kb. 10-15 m átmérőjű atommagok körül mozognak meghatározott energiájú és alakú elektronpályákon. Elektronpálya (atomok esetében atompálya) = ahol az elektron mozgása közben 90%-os valószínűséggel megtalálható.

További fogalmak:• Alapállapot: minden elektron a legalacsonyabb energiájú pályán van

• Gerjesztett állapot: egy vagy több elektron magasabb E-jú pályán (instabil)

• Pályaenergia: felszabadul, ha az elektron az atomon kívülről belép

ElektronszerkezetElektronszerkezet

Főkvantumszám (n): elektronhéjat definiálja (K, L, M, N, …)Mellékkvantumszám (l): elektron alhéjat definiálja (s, p, d, f,

…)

• K (n=1): 1s2

• L (n=2): 2s2, 2p6

• M (n=3): 3s2, 3p6, 3d10

• N (n=4): 4s2, 4p6, 4d10, 4f14

• ……

Az elektronok az atommag körül jól definiált rendszer szerint mozognak. Az atompályák elektronhéjakba/alhéjakba csoportosíthatók, melyeket kvantumszámokkal jellemzünk.

Mágneses kvantumszám: atompálya térbeli iránya mágneses térbenÉrtéke: egész szám -l … +l tartományban • 1-féle s pálya (2 db s e-)

• 3-féle p pálya (6 db p e-)

• 5-féle d pálya (10 db d e-)

• 7-féle f pálya (14 db f e-)

Spinkvantumszám: +1/2 és -1/2Két elektron lehet minden pályán

Alhéj: egyúttal különböző alakú pályákat jelent:

• s (l=0)

• p (l=1)

• d (l=2)

• f (l=3)

Atompályák részletesenAtompályák részletesen

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

ElektronszerkezetElektronszerkezetPályaenergiák és beépülés:• K (n=1): 1s2

• L (n=2): 2s2, 2p6

• M (n=3): 3s2, 3p6, 3d10

• N (n=4): 4s2, 4p6, 4d10, 4f14

• ……

Hund szabály: egy alhéjon adott számú elektron úgy helyezkedik el, hogy maximális legyen a párosítatlan spinű elektronok száma. Pl. Fe 3d6 betöltöttsége:

Pauli elv: egy atomban nem lehet két olyan elektron, melynek mind a négy kvantumszáma megegyezik. Azaz minden cellában maximum két (ellentétes spinű elektron) lehet csak.

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, Műszaki Könyvkiadó, Budapest

ElektronszerkezetElektronszerkezet

28Ni elektronszerkezet felépülése:

• 28 elektron

• 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, 4s2, 3d8

• Vegyértékelektronok: 4s2, 3d8

Vegyértékelektronok: telítetlen héj(ak)on levő elektronok. Ezek vesznek részt kémiai reakciókban és a másik atomokkal való kölcsönhatásokban.Atomtörzs: atommag + nem vegyértékelektronok (kémiailag inert)

Lángfestés (Lángfestés (gerjesztésgerjesztés))A lángban az elektronok a hő hatására magasabb energiájú pályára kerülnek. A gerjesztés után az energiaszinteknek megfelelő energia-különbség kisugárzása közben visszakerülnek az eredeti energia-szintre. Egyes elemeknél a kibocsátott foton hullámhossza a látható fény tartományába esik.

fém színlítium (Li) bíborvörösnátrium (Na) sárgakálium (K) fakóibolyakalcium (Ca) téglavörösbárium (Ba) sárgászöldréz (Cu) zöld

3s

3p hő

foton kibocsátás Na

:

Tűzijáték rakétaTűzijáték rakéta

• Begyújtás a bal oldalon levő gyújtózsinórral.

• A motortérben levő feketelőpor égése gázt termel, mely hajtja a rakétát.

• Ha a feketelőpor elfogy, begyullad a robbanófej: csillagok, stb.

Színek:vörös: stroncium-klorid, stroncium-hidroxid stroncium-nitrát zöld: bárium-klorid,kék: réz-oxid, réz-klorid bíbor: réz-klorid + stroncium-kloridlila: stroncium-klorid, lítium-klorid halvány ibolya: kálium-klorid

FluoreszcenciaFluoreszcencia(UV fénnyel besugározva)(UV fénnyel besugározva)

Kalcit (CaCo3)

Gipsz (CaSO4)

Fluorit (CaF2)

http://www.mineraltivadar.hu/AboutTheMinerals.htm

Fluoreszcencia Fluoreszcencia (foszforeszcencia)(foszforeszcencia)(G. G. Stokes, 1852,

fluorit)

Néhány anyag UV fénnyel megvilágítva elnyeli az UV sugárzást és helyette látható fényt bocsát ki.

Magyarázat: 1. UV foton hatására egy vegyértékelektron magasabb energiájú

pályára gerjesztődik: EUVfoton=Eelektron + egyéb gerjesztés.

2. A rendszer az egyéb gerjesztett állapotból relaxálódik.3. Az elektron visszaugrik az alapállapotba Eelektron-nak megfelelő

látható tartományba eső foton kisugárzása közben.

Fluoreszcencia: 10-9 sFoszforeszcencia: 10-3 – 103 s

Periódusos rendszerPeriódusos rendszer(Mengyelejev, 1869)(Mengyelejev, 1869)

f-mező(fémek)

http://www.ptable.com/

d-mező(fémek)

p-mező(nemfém, félfém, fém)

s-mező(fémek)

nemesgáz csoport: zárt héj, extra stabil

Rendezés elve:

• növekvő rendszám (elektronszám, atomtömeg)

• hasonló vegyértékelektron szerkezet egymás alatt

Kémiai kötésekKémiai kötésekAz atomok kémiai kötésekkel kapcsolódnak egymáshoz molekulákat

vagy nagyobb rendszereket alkotva:

• Elsőrendű kötések (általában atomok között)

• Másodrendű kötések (általában molekulák között)

• Ionos kötés

• Kovalens kötés (koordinatív kötés)

• Fémes kötés

• Hidrogénkötés

• Dipólus-dipólus 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-mező fémei (ENCs=0.7)

• Nagy elektronegativitás: p-mező nemfémes elemei (ENF=4)

• Változás: csoportban felfelé, sorban jobbra nő.

Nemesgáz elektronszerkezetre való törekvés = stabilitás!

Ionos kötésIonos kötésEgy negatív és egy pozitív töltésű ion közötti elektrosztatikus (Coulomb-féle) vonzóerő.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

(Első) Ionizációs energia (Ei): energia, mely ahhoz szükséges, hogy semleges atomból egyszeres pozitív töltésű kation képződjék.Elektronaffinitás (Ea): energia, mely felszabadul (vagy szükséges ahhoz), hogy semleges atomból egyszeres negatív töltésű anion képződjék.Kötéstávolság: elektrosztatikus vonzás és

taszító (mag-mag, e--e-) erők egyensúlya határozza meg

Vegyületképzés: Al2O3 semleges!

K+ F-

Kovalens kötésKovalens kötésAz atomok nemesgáz elektronszerkezete elektronmegosztással alakul ki.Néhány (2 - 4 - 6) elektron közössé válik, majd a közös elektronok összekapcsolják az atomokat.Jellemző: nemfémes elemekre

-++

-

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

atompályák

kötő molekulapálya

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

*

Kovalens kötésKovalens kötés (egyszeres) kötés (egyszeres) kötés

Jellemző: az elektronsűrűség maximuma a két atomot összekötő egyenes (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 = egyvegyértékű atom az egyik partner:

• hidrogén vegyületei (HBr, H2O, NH3, CH4)

• halogének vegyületei (F2, Cl2, SCl2, PF3, CCl4)E F F2 F

Kovalens kötésKovalens kötés kötés kötés

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

Kialakulhat:

• py – py elektronok között

• pz – pz elektronok között

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

kötés = két- vagy háromvegyértékű atomok között

• kettős kötés (O2, CO2, SO2, SO3, H2C=CH2)

• hármas kötés (N2, HCCH, HCN)

a második merőleges az első síkjára

p atompályák

pálya

pályák

EN N2 N

Kovalens kötés egyéb fontosabb jellemzői:

• Nemkötő elektronpár: kötésben részt nem vevő vegyértékelektronok

pl: N2 a N vegyértékhéja: 2s2 2p3

• Kötéshossz: a kötést létesítő atomok magjai közti távolság

• Kötésszög: a kapcsolódó atomok magjai által bezárt szög

• Kötési energia: kötés felszakításához szükséges energia

• Kötésrend = (kötőelektronok – lazító pályán levő elektronok)/2 Pl. H2: 1 H2: 0.5 H2: 0.5

+ -

Kovalens kötésKovalens kötés

Miért nincs kovalens kötésű He2 molekula? (2e- kötő, 2e- lazító

pályán lenne)

N N

E E E

atompályák

kötő

lazító

Kovalens kötésKovalens kötésKoordinatív (datív) kötés:A kötő elektronpárt az egyik atom adja (volt nemkötő elektronpárja)Pl.

p atompályák

pálya

pályák

C O

C (2s2 2p2) O (2s2 2p4)

Vegyérték: egy adott molekulában az adott atomhoz tartozó kötő 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

S vegyértékhéja: 3s2 3p4 3d0

kis energia befektetéssel átalakulhat: (a) 3s2 3p3 3d1 illetve (b) 3s1 3p3 3d2-vé

(a)(b)

Térbeli alakTérbeli alak

lineáris(Ca2+: 3s0)

3D szerkezet: a központi atom nemkötő elektronpárjainak és a kötő elektron-párok kölcsönhatása határozza meg. Cél:

• a kötő és nemkötő elekronpárok egymástól legtávolabb helyezkedjenek el

• a rendelkezésre álló legnagyobb teret foglalják el

• nemkötő 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)

CH4: a szén vegyértékelektronjai a CH kötések kialakítása előtt átrendeződnek

2s22p2 2s12p3sp3 hibridpályák azonos energiájúak: ekvivalens kötéseket képeznek

E

180º

120º

107.3º

109.5º

PolaritásPolaritásKötések polaritása:Az eltérő elektronegativitású atomok poláris kötéseket létesítenek. A nagyobb elektronegativitású atom jobban vonzza maga felé a kötő elektronpárt: a kötés elektronfelhője torzul. Megbomlik a töltésegyensúly, a nagyobb elektronega-tivitású atom parciálisan negatív, míg a másik parciálisan pozitív töltésű 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: apoláris

pozitív és negatív súlypont

egybeesik

O C OH

OH

víz: erős dipólus

105º

-

++

-- +

Fémes kötésFémes kötés

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

+ + + + +

+

+

+

+ + +

+ + + + + + +

Alapja a fémes tulajdonságok:

• elektromos vezetés

• jó hővezetés

• megmunkálhatóság (ugyanolyan környezet mint megmunkálás előtt)

+ + + + +

+

+

+

+ + +

+ + + + + + +

Másodrendű kötésekMásodrendű kötések(általában molekulák között)(általában molekulák között)

Hidrogénkötés: O-H/N-H/Halogén-H kötések nagy polaritása miatt nagyon kicsi a H körüli elektron-sűrűség. Emiatt közelben levő másik elektronegatív atom vonzza a H-t. Vegyes ionos - kovalensjellegű a kölcsönhatás. Annál erősebb, minélelektronegatívabbak a nem-H atomok.

Dipólus-dipólus kölcsönhatás: aszimmetrikus elektronsűrűség (töltés) eloszlással rendelkező molekulák között. Pl. CO

HO

H

-

++

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

Elsőrendű kötések kötési energiája: 80-850 kJ/molMásodrendű kötések (általában molekulák között)

• Hidrogénkötés

• Dipólus-dipólus kölcsönhatás

• Diszperziós kölcsönhatás0.8-12 kJ/mol

8-40 kJ/mol

+ - + -

+ - + -

HO

H

-

++

1.9 Å

1.0 Å

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

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:

G = H – TS

Spontán folyamat akkor megy végbe, ha szabadentalpia változás negatív (G<0).

Az entrópia tagnak inkább csak magas hőmérséklet esetén (T > 1500 K) van

jelentősége, szobahőmérsékleten általában elhanyagolható, azaz

G ≈ H

Kémiai reakciókKémiai reakciókSzabadentalpiaSzabadentalpia

G: szabadentalpia, kJH: entalpia, kJT: hőmérséklet, K

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

Kémiai reakciókKémiai reakciókkatalíziskatalízis

Reakcióút

Reakció katalizátor nélkül

Reakció katalizátorralE

X → YY → X

Reakcióút

Reakció katalizátor nélkül

Reakció katalizátorralE

X → YY → X

Egyszerű reakciók: az előbb ismertetett módon a katalizátor csökkenti az aktiválási energiát. Pl:

2H2 + O2 2H2O

Pt felületén megköti a H2 és O2 molekulákat, felbontja a H2 és fellazítja az O2 kötését, így kisebb energiát kell a reakcióhoz befektetni.

Pt

Összetett reakciók: az eredeti reakció mellett egy másik, gyorsabban lejátszódó reakcióút nyílik meg. Pl: NH3 és HCl reakciója víz jelenlétében(katalizátor nélkül a két molekula megfelelő ütközése kellene)

NH3 + H2O = NH4+ + OH-

NH4+ + HCl = NH4Cl + H+

H+ + OH- = H2O

A H2O átmeneti vegyületet hoz létre NH3-al, mely könnyebben reagál a HCl-el. A katalizátor visszaalakul, s újabb reakcióra kész.

Katalizátorok fajtái:Aszerint, hogy a katalizátor és a reaktánsok azonos vagy különböző fázisbanvannak, megkülönböztetünk

• homogén katalízis (azonos fázis)

– NH3 és HCl előbbi reakciója (víz = folyadék fázisban)

– élő rendszerekben, katalizátorok az enzimek

• heterogén katalízis (különböző fázis)– az ipari méretű szintéziseknél, (a reakció után a katalizátor

egyszerűen kinyerhető a rendszerből), pl. hidrogénezések = telítetlen szerves vegyületek telítése H2-el Pd katalizátor alkalmazásával

Kémiai reakciókKémiai reakciókkatalíziskatalízis

Katalizátor autókban: Pt (Pd, Rh) környezetre kevésbé ártalmas termékek. kerámia méhsejt szerkezetű mag:

• Nitrogén-oxidok redukciója: 2NOx → xO2 + N2

• CO oxidációja: 2CO + O2 → 2CO2

• Elégetlen szénhidrogének oxidációja: CxH2x+2 + 2xO2 → xCO2 + 2xH2O

Kémiai reakciókKémiai reakciókegyensúlyi reakciók: A Begyensúlyi reakciók: A B

(Gyakorlatilag) egyirányú reakciók:

• nagyon stabilis a termék

• a termék más halmazállapota miatt eltávozik a rendszerből: - gáz: H2CO3 → H2O + CO2

- csapadék: AgNO3 + HCl → AgCl + HNO3

Aktivált komplexum

Reakcióút Termékek

Ea E’

a Reaktánsok

Minden kémiai reakció elvileg oda-vissza mehet, a fő különbség a befektetendő aktiválási energiában van.

Aktivált komplexum

Reakcióút

Termékek

Ea E’

a Reaktánsok

Kémiai reakciókKémiai reakciókkémiai egyensúlykémiai egyensúly

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

• Termék felé tolódó egyensúlyban egy idő 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 kifejeződése a koncentrációkban és a reakciósebességekben:

Re

ak

có

se

be

ss

ég

→

Idő →

v1

egyensúly

v2Ko

nc

en

trá

ció

→

Idő →

ckiindulási anyag

egyensúly

ctermék Ko

nc

en

trá

ció

→

Idő →

ckiindulási anyagegyensúly

ctermék

Kémiai reakciókKémiai reakciókegyensúlyi állandóegyensúlyi állandó

Az egyensúlyi állandó (K) csak a külső körülményektől (nyomás, hőmérséklet) függ, független a koncentráció értékektől.

• K>1: egyensúlyban a termékek vannak nagyobb mennyiségben

• K<1: egyensúlyban a kiindulási anyagok vannak nagyobb mennyiségben

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

aA + bB cC + dD reakcióra:

(levezetve: v1=k1[A]a[B]b, v2=k2[C]c[D]d

egyensúlyban: v1=v2, azaz k1[A]a[B]b=k2[C]c[D]d →

ba

dc

BA

DC=K

[A]a[B]b

[C]c[D]d

k2

k1 =

Kémiai reakciókKémiai reakciókegyensúlyi állandóegyensúlyi állandó

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

• T növelés: endoterm reakciónál termékképződés exoterm reakciónál visszaalakulás

• T csökkentés: exoterm reakciónál termékképződés endoterm reakciónál visszaalakulás

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

a) koncentrációváltoztatás (K-t nem változtatja, de a reakciósebességeket igen A + B C + D reakcióban megnöveljük B mennyiségét y-al:

eredeti egyensúlyban k1[A][B]=k2[C][D], változtatva k1[A][B+y]→k2[C][D] új egyensúlyban: k1[A-x][B+y-x]=k2[C+x][D+x]

[A-x][B+y-x]

[C+x][D+x]K=

BA

DC=K

Kémiai reakciókKémiai reakciókegyensúlyi állandóegyensúlyi állandó

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: megfelelő mennyiségű CO2-t nyomással oldanak

az ásványvízben

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

Ok: az egyensúlyi állandó a kiindulási anyagok és végtermékek relatív energiájától függ, ezt pedig a katalizátor nem befolyásolja.

Reakcióút

Reakció katalizátor nélkül

Reakció katalizátorralE

X → YY → X

Reakcióút

Reakció katalizátor nélkül

Reakció katalizátorralE

X → YY → X

Kémiai reakciókKémiai reakciókProtolitikus reakciókProtolitikus reakciók

Hidrogénion (proton) átadással járó reakciók főként vizes oldatbanBrönsted szerint:

• savak: protont leadó molekulák és ionok (HCl + H2O H3O+ + Cl-)

• bázisok: protont felvevő molekulák és ionok (NH3 + H2O NH4+ + OH-)

Proton sosincs szabad állapotban az oldatban, ezért ezen (mindig) egyensúlyi

reakciókban a sav és bázis együttesen van jelen: HCl + H2O H3O+ + Cl-

sav bázis sav bázis

Amfoter vegyület: partnertől függően savként illetve bázisként reagál: H2O

A sav-bázis párok erőssége ellentétes: minél erősebb 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-

Kémiai reakciókKémiai reakciókProtolitikus reakciók: egyensúlyi állandókProtolitikus reakciók: egyensúlyi állandók

Disszociációs egyensúlyi állandók: sav illetve bázis HNO3 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=

Protolitikus reakciókProtolitikus reakciókpHpH

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 számszerű 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=13

vízionszorzatból

Protolitikus reakciókProtolitikus reakciókGyenge savak disszociációjaGyenge savak disszociációja

Hidrogén-cianid (részleges disszociáció): HCN + H2O H3O+ + CN-

[HCN]

[H3O+][CN-]Ks= = 10-9

mol/dm3

Számítási példa:1. Mennyi az 1 mol/dm3-es HCN oldat pH-ja?

A disszociáció során azonos mennyiségű H3O+ és CN- keletkezik: [H3O+]=[CN-]

A maradó HCN koncentrációja: 1-[H3O+] mol/dm3

behelyettesítve a tömeghatástörtbe:

A másodfokú egyenlet megoldása: [H3O+]=3.2.10-5 mol/dm3 → pH=4.5

2. Mennyi lesz a CN--koncentráció, ha a fenti oldat pH-ját erős savval 2-re állítjuk?

A tömeghatástört: , melyből [CN-]=10-7 mol/dm3

Gyenge bázisok pH számítása analóg, csak ott a végén OH--koncentrációt kapunk,amiből a vízionszorzat segítségével kapjuk meg a H3O+-koncentrációt.

1-[H3O+]

[H3O+]2

10-9=

1-[CN-]

[10-2][CN-]10-9=

Protolitikus reakciókProtolitikus reakciókHidrolízisHidrolízis

Erős sav és erős bázis sójának (pl. NaCl) vizes oldata semleges kémhatású.

Ha vagy a sav, vagy a bázis gyenge, a vizes oldat nem lesz semleges.

• gyenge sav+erős bázis (NaCN): lúgos kémhatás

• gyenge bázis + erős sav (NH4Cl): savas kémhatás

A feloldáskor keletkező ionok reagálnak a víz molekulákkal: CN- + H2O HCN + OH-

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

lúgos

savas

A fenti hidrolízisek is egyensúlyi folyamatok:

[CN-][HCN][OH-]

Kh=[NH4

+]

[NH4OH][H3O+]Kh=és , [H2O] beépítve Kh

hidrolízisállandóba

Ks

KvízKh=A Ks(Kb) disszociációs állandók és a megfelelő hidrolízisállandók között összefüggés van:

[CN-][H3O+][H3O+][OH-][HCN]

=Ks

Kvíz =Kh

[HCN][CN-][H3O+]

Ks= [HCN][CN-][H3O+]

Ks=

Protolitikus reakciókProtolitikus reakciókSav-bázis indikátorokSav-bázis indikátorok

Szerkezet

                               

pH 0–8,2 8,2–12,0

Szín színtelen lila

Ezen indikátorok gyenge savak illetve bázisok, az oldatban részben disszociálnak az

oldat pH-jától függően. HxIn + xH2O Inx- + xH3O+ illetve InOH In+ + OH-

Más a színe a semleges indikátor molekulának és (a jelentősen megváltozott szerkezet miatt) a disszociációs termék ionnak. Fenolftalein: gyenge sav, disszociációs egyensúlyi állandója:

• Savas közegben: sok H3O+-ion, visszaszorul a disszociáció

• Lúgos közegben: H3O+ ionokat megköti a sok OH--ion, elősegíti a disszociációt

In2-H2In

[H2In]

[In2-][H3O+]2

K=

Protolitikus reakciókProtolitikus reakciókUniverzális indikátorUniverzális indikátor

Különböző indikátorok (fenolftalein, brómtimolkék, timolkék, metilvörös, éstimolftalein) keveréke, melyek más-más pH-nál változtatják színüket.

www.lmpc.edu.au/.../indicator.htm

encarta.msn.com/.../universal_indicator.html

RedoxireakciókRedoxireakciókOxidáció: 2Mg + O2 = 2MgO

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

A redoxi folyamatokban:

• oxidáció: elektron leadás

• redukció: elektron felvétel

Nemcsak oxigénnel: 2Al + 3Cl2 = 2AlCl3

Részfolyamatok: 2Al - 6e- = 2Al3+ 3Cl2 + 6e- = 6Cl-

2Al3+ + 6Cl- = 2AlCl3

oxidáció redukció

(oxidáció)

(redukció)

RedoxireakciókRedoxireakciókOxidáció: 2Mg + O2 = 2MgO

Részfolyamatok: 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

Oxidációs számOxidációs szám

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 kötő 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.

Jellemző 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)

Redoxi egyenletekRedoxi egyenletek

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 kötésű molekulákban pedig formális elektronátmenet történik.Redoxi egyenletek rendezése: tömegmegmaradás + töltésmegmaradás Mn4+ + Ce3+ = Mn2+ + Ce4+

oxidációs számok összege: 7 6 Mn4+ + 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-

Redoxireakciók irányaRedoxireakciók irányaRedoxipotenciál: számszerűen fejezi ki az egyes atomok/ionok/molekulák oxidációs illetve redukciós képességét. Információt ad arra, hogy egy adott redoxireakció végbemehet-e.Fontosabb törvényszerűségek:

• pozitívabb redoxipotenciálú rendszer oxidálja a negatívabbat

• negatívabb redoxipotenciálú rendszer redukálja a pozitívabbat

Rendszer Eº (V) Rendszer Eº (V) F2/2F- +2.87 Sn/Sn2+ -0.14

MnO4-/Mn2+ +1.49 Fe/Fe2+ -0.44

Br2/2Br- +1.07 Zn/Zn2+ -0.76

I2/2I- +0.54 2H2O/H2+2OH- -0.83 Cu/Cu2+ +0.34 Al/Al3+ -1.66 H2/2H+ 0.00 Na/Na+ -2.71

Redoxireakciók irányaRedoxireakciók irányaRedoxipotenciál: számszerűen fejezi ki az egyes atomok/ionok/molekulák oxidációs illetve redukciós képességét. Információt ad arra, hogy egy adott redoxireakció végbemehet-e.Fontosabb törvényszerűségek:

• pozitívabb redoxipotenciálú rendszer oxidálja a negatívabbat

• negatívabb redoxipotenciálú rendszer redukálja a pozitívabbat

• negatív redoxipotenciálú rendszert képező fémek savakban H2 fejlődése mellett oldódnak

• -0.83V-nál negatívabb redoxipotenciálú fémek vízben H2-fejlődés közben oldódnak (Al kivétel a felületén képződő védő oxidréteg miatt)

• Példák: Zn + Cu2+ → Cu + Zn2+ (Zn2+ + Cu ≠ Cu2+ + Zn)

Br2 + 2KI → 2KBr + I2 (I2 + 2KBr ≠ 2KI + Br2)

Zn + 2HCl → ZnCl2 + H2 (Cu + 2HCl ≠ CuCl2 + H2)

2Na + 2H2O → 2Na+ + H2 + 2OH- (Zn + 2H2O ≠ Zn2+ + H2 + 2OH-)

Rendszer Eº (V) Rendszer Eº (V) F2/2F- +2.87 Sn/Sn2+ -0.14

MnO4-/Mn2+ +1.49 Fe/Fe2+ -0.44

Br2/2Br- +1.07 Zn/Zn2+ -0.76

I2/2I- +0.54 2H2O/H2+2OH- -0.83 Cu/Cu2+ +0.34 Al/Al3+ -1.66 H2/2H+ 0.00 Na/Na+ -2.71

KorrózióKorrózióA környezet hatására a fémek felületéről kiinduló kémiai változások. (Latin: corrodo = szétrágni). Lényegében oxidáció, mely a fémek teljes vagy részleges átalakulásához vezet.

1967: Silver Bridge (West Virginia) 1 perc alatt összeomlott, 46 áldozat.

USA 1998: 279 milliárd USD kár (3.1% GDP) Margit-híd

KorrózióKorrózió

Vas korróziója (rozsdásodás):Bruttó reakció: 4Fe + 3O2 + 6H2O = 2Fe2O3

.6H2O

Részfolyamatok:

• Fe oxidációja: Fe = Fe2+ + 2e-

• O2 redukciója: O2 + 2H2O + 4e- = 4OH-

• Fe(II)-hidroxid képződése: Fe2+ + 2OH- = Fe(OH)2

• Fe(II)-hidroxid oxidációja: 4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O = 2Fe2O3.6H2O

vasrozsda: barna, pikkelyes szerkezetű

Egyéb jellemzők:

• Zn, Mg rúddal összekötve a vas rudat a korrózió lassul a negatívabb redoxipotenciálú rendszer hajlamosabb az oxidációra!

• Cu rúddal összekötve a vas rudat a korrózió gyorsul

• Mivel a reakcióhoz nedvesség szükséges, a korróziót az elektrokémiai folyamatok körébe soroljuk

Rendszer Eº (V) Cu/Cu2+ +0.34 Fe/Fe2+ -0.44 Zn/Zn2+ -0.76 Mg/Mg2+ -2.38

ElektrokémiaElektrokémiaGalvánelemGalvánelem

Térben különválasztva a két folyamatot áramindul meg a két cellarész között:• fent fémes vezető (elektronokat szállítja)

• Na2SO4 sóhíd szulfátionok szállítására, így az oldatok semlegesek maradnak (egyszerűbb cellákban porózus diafragma)

• elektrolitok: ZnSO4, CuSO4 oldatok

• Zn anód (-, oxidáció), Cu katód (+, redukció)

• Elektromotoros erő: feszültségkülönbség az elektródok között árammentes esetben

Alapkísérlet: cink lapot teszünk CuSO4 oldatba

ox: Zn → Zn2+

red: Cu2+ → Cu

Bruttó: Zn(s)+ Cu2+(aq) → Zn2+(aq) + Cu(s)

Rendszer Eº (V) Cu/Cu2+ +0.34 Zn/Zn2+ -0.76

Celladiagram:Zn(s)|Zn2+(aq) || Cu2+(aq)|Cu(s)

sóhídfázis-határ

fázis-határ

- +

Korrózió elleni Korrózió elleni (passzív)(passzív) védekezésvédekezés

• korrodálódó fém módosítása (ötvözet), helyettesítése

• nedvességtartalom csökkentése a környezetben

• különböző bevonatok (fém, festék, műanyag) fémekkel galvánelem alakul ki!

elektrokémia: anódként szereplő komponens oxidálódik, azaz oldatba megy (korrodálódik) oxidbevonat: Fe-oxid laza szerkezetű, gyorsan oldja az elektrolit Zn-bevonat: a Zn oldódik, acél nem korrodálódik amíg egy kevés Zn is van rajta Cu-bevonat: addíg jó, míg a Cu meg nem sérül, utána gyorsan korrodálódik festék: addíg jó, míg nem sérül, előkezelés nélkül tapadása nem igazán jó néhány tized mikron vasfoszfát réteg elősegíti a festék tapadását, maga is korróziógátló

Korrózió elleni védekezésKorrózió elleni védekezésaktív védelemaktív védelem

Anódos védelem: vezetékkel az acélcsőhöz kötött Mg darab fog korrodeálódni, mert negatívabb standardpotenciálja miatt előbb oxidálódik mint a vas.

Aktív katódos védelem: folyamatosan áramot vezetünk át a rendszeren, melyben hulladékvas van anódnak kötve: az oxidálódik

Más galvánelemekMás galvánelemek

grafit

MnO2,grafitpor

NH4Cl+ZnCl2elektrolit

MnO2,grafitpor

Zn

szigetelő

Alkálikus: (nagyobb teljesítmény, hosszabb élettartam) • elektrolit: KOH • anód: Zn(s) + 2OH–(aq) ZnO(s) + H2O + 2e–

• katód: 2MnO2(s) + H2O + 2e– Mn2O3(s) + 2OH–(aq)

Alkálikus „ezüstoxid”: (még nagyobb teljesítmény, még hosszabb élettartam) • elektrolit: KOH vagy NaOH oldat• anód: Zn(s) + 2OH–(aq) ZnO(s) + H2O + 2e–

• katód: Ag2O(s) + 2e– 2Ag• alkalmazás: gombelemek illetve hadieszközökben mint Mark37 torpedó

Leclanché „szárazelem” (a hagyományos, legolcsóbb) • elektródok: grafit (katód), cink (anód) • elektrolit: NH4Cl–MnO2–szénpor, nedves pép• működés: Mn4+Mn3+, ill.• ZnZn2+:• Bruttó: 2H+ + Zn + 2MnO2 Zn2+ + 2MnO(OH)

Gombelemek: Zn helyett Li (Li-vegyület)

AkkumulátorokAkkumulátorokSavas akkumulátor (pl. ólomakkumulátor):• elektrolit: 33.5 t/t% (~6 mol/dm3) H2SO4

• elektródok: Pb és PbO2 (PbSO4 bevonat működés közben)• ha kisütésről töltésre váltunk, a redoxfolyamatok felcserélődnek • töltés: 2H2O + PbSO4(s) → PbO2(s) + 2e- + SO4

2- + 4H+

PbSO4(s) + 2e- → Pb(s) + SO42-

• kisütés: PbO2(s) + H2SO4(aq) + 2H+ + 2e- → PbSO4(s) + 2 H2O

Pb(s) + SO42-(aq) → PbSO4(s) + 2e-

• töltéskor energiát fektetünk be, kisütéskor energiát kapunk (70-92%)Alkalikus akkumulátorok (pl. Ni-Cd)• elektrolit: KOH oldat• elektródok: NiO(OH) és Cd• kisütés: NiO(OH)(s) + 2H2O +2e- Ni(OH)2 + 2OH- Cd(s) + 2OH- → Cd(OH)2 + 2e-

• töltéskor fordítva • hatásfok: 70-90%

(ox)

(ox)

(ox)

(red)

(red)

(red)

AkkumulátorokAkkumulátorok

Li-ion akkumulátor:• elektrolit: Li-só szerves oldószerben• elektródok: különböző Li vegyületek• kisütés: Li az anódból oldatba megy, az oldatból pedig másik Li ionok beépülnek a katódba • töltés: Li a katódból az oldatba megy, az oldatból pedig az anódba

Pl. katódon , anódon Katód anyaga Átlagos feszültség Kapacitás TeljesítményLiCoO

23.7 V 140 mAh/g 0.518 kWh/kg

LiMn2O

44.0 V 100 mAh/g 0.400 kW·h/kg

LiFePO4

3.3 V 150 mAh/g 0.495 kW·h/kg

Li2FePO

4F 3.6 V 115 mAh/g 0.414 kW·h/kg

Anód anyaga Átlagos feszültség Kapacitás TeljesítményGrafit (LiC

6) 0.1-0.2 V 372 mAh/g 0.0372-0.0744 kWh/kg

Li4Ti

5O

121-2 V 160 mAh/g 0.16-0.32 kW·h/kg

Si (Li4.4

Si) 0.5-1 V 4212 mAh/g 2.106-4.212 kW·h/kg

Ge (Li4.4

Ge) 0.7-1.2 V 1624 mAh/g 1.137-1.949 kW·h/kg

ÜzemanyagcellákÜzemanyagcellákÜzemanyagcella: kémiai reakcióval elektromos áramot állít elő, mely addig történik, míg tápláljuk bele az üzemanyagot

Alkáli üzemanyagcella (jelenleg a legjobban kidolgozott típus)• elektrolit: 30%-os vizes KOH oldat• elektródok: platina• működés:Katalizátor (általában platina) segítségével a hidrogén-molekulák és az elektrolitból jövő hidroxid-ionok vízzé alakulnak, miközben elektronok szabadulnak fel. Ezek aztán a katódra áramlanak, ahol (szintén katalizátor segítségével) az oxigén és víz reakciójával OH- ionokat képeznek. Az elektronok katódra való áramlása adja a hasznosítható elektromos áramot. Reakciók:Anódon: 2H2 + 4OH- → 4H2O + 4e- Katódon: O2 + 2H2O + 4e- → 4OH- A teljes reakció: 2H2 + O2 → 2H2O

Elektromos hatásfok: 60-70%

Elektromos áram Alkáli üzemanyagcella

Katód AnódKOH oldat

Víz és hő

Elektrokémiai fogalmakElektrokémiai fogalmak

Elektródpotenciál (): standard hidogénelektróddal szemben mért cellapotenciál

Standard hidrogénelektród (mindig a katód)• platina elektród (H2 atomizálása)

• 0,1 MPa H2 gáz

• 1 mol/dm3 H3O+-tartalmú savoldat• elektródpotenciálja megállapodás alapján 0.

Nernst-egyenlet:

= º.(RT/zF)lncion

Elektródpotenciál meghatározása: • mérőcella ábra alapján• standard H2 elektródot katódnak kapcsoljuk• mérjük az elektromotoros erőt:

EME = katód - anód

• EME lehet pozitív és negatív is• függ az elektrolit ionkoncentrációjától

º: standardpotenciál (elektródra jellemző anyagi állandó) azonos azon standard redoxipotenciálokkal, melynél egyik forma az elemz: elektrolitban levő ion töltéseF: Faraday állandó = 96494 C (1 mól elektron töltése)

platina

Zn anód

ElektrolízisElektrolízis

Elektromos energia segítségével kémiai átalakítást csinálunk, azaz redoxi- reakciót hajtunk végre.

Elektrolizáló cella: galváncella, melyben az elektródokat és elektrolitot a célnak megfelelően választjuk meg

Faraday-törvény: képződött anyag mennyisége arányos az átfolyt töltéssel.

n=ItzF

átfolyt töltés

1 mol anyag leválasztásához szükséges töltés

Katód: negatív elektród, redukció történikAnód: pozitív elektród, oxidáció történik

Vízbontás: katódon: 2H2O + 2e- = H2 + 2OH- (º=-0,83 V) anódon: 2H2O = O2 + 4H+ + 4e- (º=+1,23 V)

Na vizes oldatból elektrolízissel nem állítható elő, mert a Na+ + e- = Na folyamat standardpotenciálja (º=-2,71 V) nagyobb mint a H+ redukciójáé (º=-0,83 V), azaz a kevesebb energiát igénylő H2-fejlődés megy végbe.Na előállítása ezért: NaCl olvadékból történő elektrolízissel.