FIZIKAI KÉMIA ANYAGMÉRNÖK BSc NAPPALI TÖRZSANYAG

Átírás

1 FIZIKAI KÉMIA ANYAGMÉRNÖK BSc NAPPALI TÖRZSANYAG TANTÁRGYI KOMMUNIKÁCIÓS DOSSZIÉ MISKOLCI EGYETEM MŰSZAKI ANYAGTUDOMÁNYI KAR KÉMIAI INTÉZET Miskolc, Tartalomjegyzék 1

2 1. Tantárgyleírás, tárgyjegyző, óraszám, kreditérték A tantárgy célja. A tantárgy leírása. A kurzusra jelentkezés módja. Követelmények. Oktatási segédeszközök. 2. Vizsgáztatás módja 3. Tantárgytematika 4. Vizsgakérdések 5. Minta zárthelyi 6. Egyéb követelmények 1. Tantárgyleírás A tantárgy címe: FIZIKAI KÉMIA (BSc nappali tagozatos hallgatók részére) A tantárgy kódja: MAKKEM222B A kurzus időtartama: 1 félév (a BSc. képzés 2. félévében) A tantárgy előadója és jegyzője: Némethné Dr. Sóvágó Judit egyetemi docens Heti óraszám: 3 óra előadás + 3 óra gyakorlat Kreditek száma: 6 A tantárgy típusa: Anyagmérnök BSc törzsanyag Tantárgyi elő követelmények: Általános és szervetlen kémia (MAKKEM 218B) Tantárgy gondozó intézmény MISKOLCI EGYETEM Műszaki Anyagtudományi Kar Kémiai Intézet A tantárgy célja: Termodinamika, termodinamikai egyensúlyok, reakciókinetika, transzportfolyamatok és elektrokémia témakörökből azoknak az alapismereteknek az elsajátítása, amelyek elengedhetetlenek az anyagmérnöki szemlélet kialakításához. A gyakorlat célja: A fent említett témák elmélyítése számolási példákon keresztül, valamint a megszerzett ismeretek birtokában a mérnöki szemlélet kialakítása céljából a hallgatók a laboratóriumban konkrét feladatokat végeznek, a mérési adatokból önállóan jegyzőkönyvet készítenek. A tantárgy leírása: Anyagi rendszerek jellemzése, alapfogalmak. A termodinamika alaptörvényei. A termodinamika alaptörvényeinek alkalmazása gáz, gőz, folyadék, olvadék és szilárd rendszerekre. Elegyfázisok termodinamikája. Kémiai reakciók- és fázisátmeneti folyamatok egyensúlyi viszonyai. Homogén és heterogén egyensúlyok. Két- és többkomponensű rendszerek fázisdiagramjai. A reakciókinetika alapjai, a homogén- és heterogén kémiai reakciók sebessége és mechanizmusa. A reakciómechanizmust befolyásoló főbb tényezők. Transzportfolyamatok: viszkozitás, diffúzió, hővezetés és elektromos vezetés. Heterogén rendszerekben lejátszódó transzportjelenségek, felületi- és határfelületi jelenségek Elektrokémia: elektrolitok létrejötte, elektrolit rendszerek termodinamikai sajátságai, elektródfolyamatok, korrózió. A kurzusra jelentkezés módja: A kurzusra a regisztrációs héten számítógépen, a Netpunrendszeren keresztül kell jelentkezni. A jelentkezés feltétele, hogy a hallgató rendelkezzen aláírással Általános és szervetlen kémia (MAKKEM 218B) tantárgyból. Követelmények: 2

3 A számolási gyakorlatok és a laboratóriumi gyakorlatok anyagából 1 alkalommal ZH írására kerül sor. Ezzel 50 pont szerezhető. Aláírás megszerzésének feltétele, hogy a hallgató a ZH anyagából min. 25 pontot szerezzen. A laboratóriumi gyakorlatokon való részvétel kötelező. Indokolt esetben, igazolás felmutatásával a félév során egy alkalommal másik tankörben pótolható. A hallgató a gyakorlat felkészülési anyagából max. 2 pontért ún. beugró-zh -t ír minden gyakorlaton. Ennek a megfelelt szintet (min. 50%) el kell érnie ahhoz, hogy a hallgató a mérést elkezdhesse. Ellenkező esetben el kell hagynia a laboratórium területét, és ezzel az adott gyakorlatra nulla pontot kap. A hallgató a mérésekről, azok eredményeiről a következő gyakorlaton jegyzőkönyveket köteles leadni a gyakorlatvezetőnek, melyre egyenként 3 pont adható. Időben le nem adott jegyzőkönyv szintén 0 pontot ér. A laboratóriumi gyakorlatok során így összesen 30 (6x5) pont szerezhető, melyből legalább 15 pont elérése az aláírás feltétele. Aki legalább 10 pontot nem ér el összesen a laboratóriumi kötelezettségekből, aláírást nem pótolhat, aláírás megtagadásban részesül. A félév során két alkalommal nagy ZH írására kerül sor az elméleti előadások anyagából, amellyel 2 x 25 pont szerezhető, amelyből dolgozatonként legalább 12,5-12,5 pont megszerzése kötelező az aláíráshoz. Zárthelyi dolgozatok írásáról hiányozni csak indokolt esetben, orvosi igazolás bemutatása esetén lehetséges, de pótlásra ebben az esetben sincs lehetőség. ZH-k pótlására csak aláírás-pótlás keretében van mód, melynek időpontja a vizsgaidőszak 1 hetében a tantárgyjegyző által rögzített időpont. A minimum pontok nem teljesítése az aláírás megtagadását vonja maga után! Az aláírás feltétele a félév során: a fentebb említett előírások alapján elérhető 130 pontból legalább 65 pont megszerzése; az előadások legalább 60%-ának látogatása. Oktatási módszer: Előadások kivetítő használatával. Számolási gyakorlat táblánál, a hallgatókkal interaktív módon. A laboratóriumi gyakorlatokat kémiai laboratóriumban a hallgatók önállóan, de oktatói segítséggel végzik. Oktatási segédeszközök: - Prof. Dr. Bárány Sándor, Dr. Baumli Péter, Dr. Emmer János, Hutkainé Göndör Zsuzsanna, Némethné Dr. Sóvágó Judit, Dr. Báder Attila; Fizikai kémia műszakiaknak, Elektronikus jegyzet; Nemzeti Tankönyvkiadó, 2011: - Elektronikus jegyzet, segítség a laboratóriumi mérési eredmények kiértékeléséhez: - Berecz Endre: Fizikai kémia, Tankönykiadó - P. W. Atkins: Fizikai kémia I-III., Tankönyvkiadó -Dr. Báder Imre: Fizikai-kémiai számolási feladatok, Oktatási segédlet. -Dr. Báder Imre: Fizikai kémia, Oktatási segédlet A vizsgáztatás módja: 3

4 A vizsgáztatás módja: szóbeli vizsga. A vizsgára jelentkezni Neptun rendszerben lehet. A jelentkezés feltétele, hogy a hallgató rendelkezzen legalább elégséges érdemjeggyel általános és szervetlen kémia (MAKKEM 218B) tantárgyból. A vizsga szóbeli. A vizsga elején az aznap vizsgára jelentkezett hallgatók 30 perces, 10 kérdésből álló beugró dolgozatot írnak, amelynek kérdései a legfontosabb fizikai kémiai alapfogalmakra vonatkoznak. Ehhez segítségül szolgál a internetes elérhetőségen található Fizikai kémia műszakiaknak című elektronikus jegyzet melléklete. Az a hallgató bocsájtható szóbeli vizsgára, aki a 10 kérdésből legalább 8 kérdést helyesen megválaszol. Sikertelen beugró dolgozat esetén a NEPTUN rendszerbe elégtelen minősítés kerül bejegyzésre. A sikeres dolgozatot írt hallgatók ezután a kommunikációs dossziéban is feltüntetett tételsorból 2 db tételt húznak, melynek átgondolására 10 perc felkészülési idő igény szerint adható a hallgatónak. A szóbeli vizsga időtartama 15 perc. Vizsga értékelése: 5 fokozatú értékelés. A félévi érdemjegy számítása: 50% félévi munka érdemjegye + 50% vizsga érdemjegye A félév során nyert pontszámok átváltása érdemjeggyé: 0-65 pont: elégtelen pont: elégséges pont: közepes pont: jó pont: jeles A jeles érdemjegy a félév végén megajánlható annak a hallgatónak, aki mindhárom zárthelyi dolgozatát min. 90%-os teljesítménnyel írta, ill. a félév során összesen minimum 116 pontot szerzett. 4

5 3.Tantárgytematika: Hét ELŐADÁS GYAKORLAT február :00-14:00 A fizikai kémia tárgya, kapcsolata más tudományágakkal. Az anyagi rendszerekkel összefüggő alapfogalmak. Termodinamikai tulajdonságok; állapothatározók, állapotjelzők, állapotfüggvények értelmezése. A fázisok és komponensek számának kapcsolata. Nehézségek a hő természetének megértésében. A termodinamika 0. főtétele. A hőmérsékletmérés. A termodinamika I. főtétele; belső energia, térfogati munka, hő, hőkapacitás. A hőkapacitás hőmérsékletfüggése. Az entalpia. A belső energia és az entalpia hőmérsékletfüggései február :00-14:00 Az I. főtétel gyakorlati alkalmazása; tökéletes gázok állapotváltozásainak energetikai leírása, tökéletes gázok adiabatikus állapotváltozása, körfolyamatok. Az entrópia termodinamikai definíciója, statisztikus értelmezése. A termodinamika II. és III. főtétele március :00-14:00 A belső energia transzformált függvényei; a szabadenergia, szabadentalpia és a kémiai potenciál értelmezése. Az önként végbemenő folyamatok iránya és egyensúlya. A mechanikai-, termikus-, és kémiai egyensúly feltétele. A kémiai folyamatokat kísérő energiaváltozások; képződéshő, reakcióhő, Hess-törvény, Kirchoff-törvény március :00-14:00 Tiszta anyagok termodinamikai sajátságai: Tökéletes gázok termodinamikai sajátságai, gáztörvények ismétlése. Gázelegyek; Dalton törvény. Kinetikus gázelmélet. Reális gázok állapotegyenlete; kritikus állapot, Virial egyenlet, redukált állapothatározók, a megfelelő állapotok tétele, gázok fugacitása. Gázok belső energiája, a Joule-Thomson hatás Folyadék halmazállapot (ismétlés); felületi feszültség, felületaktív anyagok, viszkozitás definíciója óra: Alapismeretek áttekintése: Elegyek összetételének számolása. 1. közös óra: Számítások gáztörvények alapján. Általános laboratóriumi ismeretek: laboratóriumi rend, balesetvédelmi és tűzvédelmi ismeretek, laborkárok térítése laboratóriumi mérések ismertetése. 1. közös óra: Számítások a termodinamika I. alkalmazásával (belső energia, térfogati munka, hő, entalpia) A mérési eredmények kiértékelése, jegyzőkönyvek formai követelményei. 4-6 laboratóriumi mérések ismertetése. 1. közös óra: Számítások a termodinamika I. alkalmazásával (belső energia, térfogati munka, hő, entalpia) 1. Laboratóriumi gyakorlat* 5

6 Szilárd halmazállapot (ismétlés); kristályos- és amorf anyagok, allotrópia, kristályrács-típusok március :00-14:00 Anyagi rendszerek, Fázisátmeneti folyamatok egyensúlya. Gibbsféle fázistörvény, fázisdiagramok. Egykomponensű rendszerek: Halmazállapot-változások: gőzfolyadék egyensúly. A Clausius-Clapeyron egyenlet, folyadékszilárd egyensúly. Szilárd-gőz egyensúly Többkomponensű rendszerek. Folyadékok elegyedése: Ideális elegyek, parciális moláris mennyiségek, kritikus elegyedési hőmérséklet, Kémiai potenciál folyadékelegyekben; fugacitás, aktivitás. Többkomponensű rendszerek gőz-folyadék egyensúlya; Rault törvénye, Konovalov törvények. Oldott komponens megoszlási egyensúlya két, egymással nem elegyedő fázis között: Nerst-féle megoszlási törvény március :00-14:00 Folyadékelegyek szétválasztása; többkomponensű rendszerek gőz folyadék fázisdiagramja; a desztilláció típusai. Folyadék-szilárd fázisdiagramok típusai. Oldhatósági egyensúly; szilárd anyagok és gázok oldódása folyadékban, A Henry-Dalton törvény. Híg oldatok törvényei: kolligatív sajátságok; forráspont-emelkedés, tenzió-csökkenés, fagyáspontcsökkenés, ozmózis. 1. közös óra: Számítások a termodinamika főtételeinek és az energiafüggvények alkalmazásával (entrópia, szabad entalpia) 2. Laboratóriumi gyakorlat* 1. közös óra: Képződéshő- és reakcióhő számítása, Hess-törvény és Kirchoff-törvény alkalmazása. 3. Laboratóriumi gyakorlat* április 01. Húsvét NINCS ELŐADÁS Számítások gázelegyekre vonatkozóan a Dalton törvény alkalmazásával. Többkomponensű rendszerek fázisegyensúlyára vonatkozó számítások: folyadékelegyek gőznyomás- és forráspont viszonyai, folyadékok párolgása (Clausius- Clapeyron egyenlet, Raoulttörvény). 6

7 2013. április :00-14:00 1. közös óra: Egyensúlyok elektrolitokban: Az elektrolitos disszociáció. Disszociációs egyensúlyok (disszociációfok, víz-ionszorzat, ph, erős- és gyenge elektrolitok, sók hidrolízise, pufferhatás). Kémiai egyensúlyok: Kémiai reakciók végbemenetelének termodinamikai feltételei. Az egyensúlyi állandó. Homogén- és heterogén kémiai reakciók egyensúlya. Az egyensúly befolyásolási lehetőségei; Le Chatelier elve. Az egyensúlyi állandó hőmérsékletfüggése április :00-14:00 Zárthelyi I. Reakciókinetika: Kémiai reakciók sebessége. Fogalmak, definiciók. Reakciósebesség, aktiválási elmélet. 0., 1., és r. rendű reakció sebességi egyenlete, felezési ideje. Egyszerű reakciók sebességi egyenletének meghatározási módszerei: felezési idők módszere, pszeudo-zérusrendek módszere, kezdeti sebességek módszere, a reakció előrehaladásának vizsgálata április :00-14:00 A kémiai reakciók mechanizmusa: Összetett reakciók; Párhuzamos és sorozatos reakciók. Láncreakciók. Robbanások. A polimerizáció kinetikája. A reakciósebességi állandó hőmérsékletfüggése; Katalizátorok, inhibitorok. Határfelületi reakciók kinetikája. Számítások a híg oldatok törvényei alapján: fagyáspontcsökkenés, forráspontemelkedés 4. Laboratóriumi gyakorlat* 1. közös óra: Homogén- és heterogén kémiai egyensúlyokra vonatkozó számítások, a tömeghatás törvénye. 5. Laboratóriumi gyakorlat* 1. közös óra: Homogén kémiai reakciók sebességével kapcsolatos számítások. 6. Laboratóriumi gyakorlat* április :00-14:00 Transzport folyamatok: transzportfolyamatok általános jellemzése, kereszteffektusok. Impulzustranszport: viszkozitás, gázok és folyadékok viszkozitása. A viszkozitás hőmérsékletfüggése. Newtoni- és nem-newtoni folyadékok. Folyadékok áramlása csőben, Reynolds szám. Szilárd szemcsék mozgása viszkózus közegben; Stokes törvény Viszkozitás-mérési módszerek óra: Homogén kémiai reakciók sebességével és a reakciósebesség hőmérsékletfüggésével kapcsolatos számítások. 7

8 19. KOMMUNIKÁCIÓS DOSSZIÉ május :00-14:00 Anyagtranszport: diffúzió; diffúzió gázokban, öndiffúzió, Brownmozgás, termo-diffúzió kondenzált rendszerek diffúziója, gáz diffúziója szilárd fázisba; Fick-I és Fick-II törvények. A diffúziós együttható meghatározása. Határfelületi jelenségek: felületi feszültség, felületi feszültség hőmérséklet-függése (Eötvös-törvény); folyadék-szilárd határfelület, nedvesítő- és nem nedvesítő folyadékok. Adszorpció és kemiszorpció (fogalmak, adszorpciós izotermák, adszorbens felületének meghatarozása. Az adszorpció gyakorlati alkalmazásai. Hőtranszport: a hővezetés, hőátadás és hősugárzás folyamatának értelmezése, transzportegyenletei. 1. közös óra: ZH számítási feladatokból és a laboratóriumi mérésekből Transzportfolyamatokra vonatkozó számítások: viszkozitás, diffúzió, hőtranszport május :00-14:00 Zárthelyi II. Elektromos töltéstranszport: alapfogalmak (fajlagos elektromos vezetés, fajlagos ellenállás, disszociációs egyensúlyok ismétlése, disszociáció-fok, a víz disszociációs egyensúlya, ph fogalma), ionmozgékonyság, átviteli szám, az elektromos vezetés hőmérsékletfüggése, az elektromos töltés transzportegyenlete, anyagi rendszerek elektromos vezetése (vezetők, szigetelők, félvezetők, szupravezetők).az elektromos töltéstranszport gyakorlati alkalmazása: elektrokémiai reakciók (ismétlés), elektródpotenciál, a polarizáció értelmezése, túlfeszültség, elektródok típusai, galvanizmus, elektrolízis, bontási feszültség, leválási potenciál. redoxi-folyamatok irányának becslése, Faradaytörvényei. Az elektrokémiai korrózió értelmezése. A korrózió megelőzésének elméleti alapjai óra: ph számítási feladatok Elektrokémiai számítások: Elektrolízis, Faraday törvények, elektromos vezetőképesség, elektródpotenciál, elektromotoros erő *A laboratóriumi gyakorlatok ütemezése a gyakorlatvezetők által megadott beosztás szerint történik. A mérések számozása: 1. Só oldáshőjének meghatározása. 2. Megoszlási egyensúly vizsgálata. 3. Kétkomponensű gőz-folyadék rendszer egyensúlyának vizsgálata a. Izobutil-alkohol - víz elegy felületi feszültségének vizsgálata buboréknyomásos módszerrel. 4.b. Fémelektród elektródpotenciáljának vizsgálata. 8

9 5. Vizes oldatok viszkozitásának mérése Ostwald-Fenske-féle viszkoziméterrel. A viszkozitás hőmérséklet-függésének meghatározása a. Heterogén kémiai reakció sebességének vizsgálata. 6.b. Elektrolit ph-jának meghatározása ph-mérő készülékkel 4. Vizsgakérdések I/A. Termodinamika 1. Definiálja a moláris térfogatot! Értelmezze az anyagi tulajdonságokat! Miért anyagtulajdonság a szilárd és folyékony anyagok sűrűsége és moláris térfogata? Anyagtulajdonság-e a gázok moláris térfogata? Anyagra jellemző tulajdonság-e a gázok sűrűsége? A termodinamikai rendszer és környezet fogalma. Jellemezze a homogén, heterogén és inhomogén rendszert! Mi a különbség az izotróp és az anizotróp rendszer között? Komponens és fázis fogalma. Írjon példát homogén, több fázisú rendszerre! 2. Mi a termodinamikai fal feladata? Milyen áramok lehetségesek egy termodinamikai falon keresztül? Mi jellemzi a zárt-, nyitott-, és elszigetelt rendszert? Mit értünk egy rendszer állapotán? Melyek az alap állapotjelzők? Írja fel a tökéletes gázok állapotegyenletét! Hogyan fejezhetők ki a reális gázok, folyadékok és szilárd anyagok állapotegyenletei? Írjon példát függő- és független állapothatározókra! Önként lejátszódó folyamatok végbemehetnek-e egyensúlyi rendszerekben? Mi a mechanikai-, termikus-, és kémiai egyensúly alapvető feltétele? A fizikai kémiának mely területe foglalkozik az átmeneti állapot vizsgálatával? Extenzív és intenzív mennyiségek fogalma. Írjon példát extenzív és intenzív mennyiségekre! 3. Mit jelent az a kijelentés, hogy valamely többváltozós függvény zárt görbe menti integrálja zérus? Írja fel az x(y 1,y 2 ) kétváltozós függvény teljes differenciálját! Miért nem termodinamikai tulajdonság a munka és a hő? Mit nevezünk útfüggvénynek? Állapotfüggvény fogalma, legfontosabb állapotfüggvények. Mit nevezünk termodinamikai folyamatnak? Szabadsági fok értelmezése. Írja fel a Gibbs féle fázisszabályt! Mennyi egy egykomponensű, kétfázisú rendszer szabadsági fokainak száma? Értelmezze az alábbi kijelentést: A víz hármaspontja 0, C és 0,006 atm. Fogalmazza meg a termodinamika 0. főtételét! Definiálja a hőmérséklet és a nyomás fogalmát! 4. Fogalmazza meg és írja le matematikai egyenlettel a termodinamika I. főtételét! Jellemezze a belső energiát, mi annak fizikai értelmezése? Igazolja, hogy a belső energia állapotfüggvény! Definiálja a térfogati munka fogalmát! Mutassa be grafikus úton, hogy a térfogati munka útfüggő mennyiség! Mi jellemző a reverzibilis folyamatokra? p-v diagramon hasonlítsa össze a reverzibilis és irreverzibilis térfogati munkát tágulásra és összenyomásra! Mi jellemzi az állandó térfogaton végbemenő térfogati munkát! Határozza meg az izobár térfogati munkát! Történik-e térfogati munkavégzés vákuumban történő szabad kiterjedés esetén? Hogyan számolja ki az izoterm térfogati munkát! 9

10 5. Mi a hő? Mondjon példát hőátmenettel járó folyamatokra? Hogyan írható le az állandó térfogaton, ill. állandó nyomáson vett hőkapacitás? Írja fel a tökéletes gáz kétféle hőkapacitása (c pm és c vm ) közötti összefüggést! Hogyan határozzuk meg egy adott hőmérséklet intervallumban valamely anyag közepes hőkapacitását? Jellemezze az entalpiát! Az entalpia fizikai jelentése. Az entalpia-változás számítása izobár melegítés ill. hűtés esetén. Mutassa be az entalpia hőmérsékletfüggését sematikus ábrán! Mi jellemzi a tökéletes gázok adiabatikus reverzibilis állapotváltozását? 6. Jellemezze az ideális- és reális gázok belső energiáját. Jellemezze a Joule-Thomson effektust! Mondjon Joule-Thomson effektuson alapuló gyakorlati példát! Definiálja a körfolyamat fogalmát! Mutassa be az idealizált Carnot-körfolyamatot p-v diagramon! Hogyan határozható meg egy körfolyamat munkája? Hogyan számolható egy hőerőgép termikus hatásfoka? Hogyan működnek a hűtőgépek? Hogyan határozható meg egy hűtőgép teljesítményszáma? 7. Fogalmazza meg a termodinamika II. főtételét! Mit nevezünk entrópiának? Írja le az entrópia termodinamikai definícióegyenletét! (A termodinamikai II. főtételének megfogalmazása az entrópia segítségével is). Hogyan változik az önként végbemenő folyamatok entrópiája zárt rendszerben? Írjon példát olyan folyamatokra, amikor a zárt rendszer entrópiája nő, ill. olyanokra amikor csökken! Ábrázolja sematikus ábrán az entrópia hőmérsékletfüggését! Értelmezze az entrópiát statisztikai módszerrel! (Az entrópia statisztikus mechanikai definiciója). Fogalmazza meg a termodinamika III. főtételét! 8. Írja le a belső energiára vonatkozó fundamentális egyenletet! Melyek a belső energia transzformált függvényei! Jellemezze a szabadenergiát és a szabadentalpiát! Mutassa be a szabad entalpia hőmérsékletfüggését! Definiálja a kémiai potenciált! Állítsa növekvő nagyságrendi sorrendbe a termodinamikai állapotfüggvényeket (az entalpiát, belső energiát, szabad energiát és szabad entalpiát)! Önként végbemenő folyamatok irányát mely törvényszerűségek írják le! 9. Mi jellemzi az endoterm és exoterm folyamatokat? Mi a képződéshő, reakcióhő és standard reakcióhő? Moláris hőkapacitás fogalma? Hogyan határozza meg egy adott vegyület képződéshőjét és annak mi a gyakorlati jelentősége? Hogyan határozható meg laboratóriumi körülmények között a reakcióhő? A reakcióentalpia hőmérsékletfüggése (Kirchoff törvény). Mit nevezünk latens hőnek? Fogalmazza meg Hess tételét! Igazolja azt konkrét példán keresztül. I/B. GÁZOK 10. Mit fejez ki a Boyle-Mariotte törvény, a Charles törvény, a Gay-Lussac törvény, az Avogadro törvény, és az egyesített gáztörvény? Mutassa be p-v diagramon az izoterm-, izobár-, izokór-, adiabatikus- és politropikus állapotváltozásokat. Állandó térfogaton milyen állapotváltozással érhető el a legnagyobb nyomás? Hogyan fejezhető ki a gáztörvényből a gázok molekulatömege és sűrűsége? Mit fejez ki a Dalton törvény? 11. Írja le a kinetikus gázelmélet alapfeltevéseit, határozza meg a gázmolekulák sebességét és az ideális gázok belső energiáját! A reális gázok Van der Waals féle állapotegyenlete, rajzolja fel 10

11 a Van der Waals izotermákat különböző hőmérsékleten! Kritikus állapot fogalma, értelmezése. Írja fel a Virial állapotegyenletet! Hogyan számítható a kompresszibilitási tényező? Definiálja a redukált állapotjelzőket! Mit fejez ki a megfelelő állapotok tétele. I/C. EGY- ÉS TÖBBKOMPONENSŰ RENDSZEREK EGYENSÚLYA 12. Egykomponensű, több fázisú rendszerek fázisegyensúlyai: halmazállapot-változások értelmezése, párolgás- és forrás jelensége. Írja fel növekvő hőmérséklet (vagy csökkenő nyomás) szerint az egyes halmazállapot változásokat! Értelmezze a zárt és nyílt téri párolgás jelenségét! Telített és telítetlen gőz fogalma. Rajzolja fel a víz fázisdiagramját (p-t diagram)! Írja fel a Clausius-Clapeyron egyenletet, és mondja el annak gyakorlati jelentőségét! Kritikus állapot fogalma, különbség a gáz és gőz között. 13. Csoportosítsa a többkomponensű anyagi rendszereket a komponensek halmazállapotai és az anyagrendszer jellege alapján! Definiálja az elegy és az oldat fogalmát! Hogyan számítható ki a folyadék elegyek gőznyomása a Rault törvény alapján? Mire vonatkoznak a Konovalov törvények? Definiálja az azeotróp összetételt! Szilárd anyagok és gázok oldódása folyadékban: a Henry-Dalton törvény. Oldott komponens megoszlási egyensúlya két, egymással nem elegyedő fázis között: Nerst-féle megoszlási törvény. 14. Mi mondható el az elegyek szabadentalpiája és a komponensek kémiai potenciálja közötti összefüggésről, a fázisegyensúlyok feltételéről? Mutassa be grafikusan, hogyan függ a moláris elegyedési szabadentalpia az összetételtől korlátlan-, korlátozott- és szételegyedés esetében! Mi jellemzi a nem elegyedő rendszerek szabadentalpiáját? Definiálja az elegyképződést jellemző parciális moláris mennyiségeket! Mondjon példát alsó-, felső-, valamint alsó- és felső kritikus elegyedési hőmérséklettel rendelkező folyadékokra! Ábrázolja ezek hőmérséklet-összetétel diagramját! 15. Mutassa be grafikusan egy kétkomponensű folyadékrendszer esetében, hogyan függ a komponensek parciális nyomása a móltört függvényében (állandó hőmérsékleten) ideális-, pozitív-, illetve negatív eltéréssel rendelkező elegyek esetében? Mi okozza az eltérést? Írjon példát a különböző típusokra! Értelmezze a kétkomponensű folyadékelegyek szétválasztásának elvét az ideális elegyre vonatkozó desztillációs görbe alapján! Mutassa be az azeotróp desztilláció elvét! Mikor alkalmazna vízgőz desztillációt! 16. Híg oldatok törvényei: Értelmezze a tenziócsökkenés-, a forráspont emelkedés- és a fagyáspont csökkenés törvényét! Definiálja a kolligatív tulajdonságok fogalmát! Értelmezze az ozmózis- és fordított ozmózis jelenségét! Mondjon példát annak gyakorlati alkalmazására! Szilárd-folyadék egyensúlyok, szilárd-folyadék fázisdiagramok típusai. I/D. KÉMIAI EGYENSÚLY 17. A kémiai egyensúly termodinamikai feltétele, a termodinamikai egyensúlyi állandó fogalma, a tömeghatás törvénye, Le Chatelier elve, a kémiai egyensúly befolyásolása (a katalizátor, a nyomás, a koncentráció- és hőmérséklet hatása az egyensúlyra, Az egyensúlyi állandó hőmérséklet-függése. Heterogén kémiai egyensúlyok. Egyensúlyok elektrolitokban. 11

12 II/A. REAKCIÓKINETIKA 18. A kémiai folyamatok sebessége és mechanizmusa, a reakciósebesség fogalma, a reakciósebességi állandó, a kémiai reakció rendje, nullad-, első- és másod rendű reakciók sebességi egyenleteinek levezetése, felezési idejének meghatározása, a kémiai reakciók molekularitása. Egyszerű reakciók sebességi egyenletének meghatározási módszerei: felezési idők módszere, pszeudo-zérusrendek módszere, kezdeti sebességek módszere, a kinetikai adatok tanulmányozásához alkalmazott legfontosabb kísérleti módszerek. 19. Elemi reakciók fogalma, Összetett reakciók mechanizmusa: sorozatos reakciók (Bodenstein elv), robbanások, párhuzamos reakciók, egyensúlyi reakciók (az elő-egyensúly), a polimerizáció kinetikája. A reakciósebességi állandó hőmérséklet-függése. Katalízis, inhibíció. II/B. TRANSZPORTFOLYAMATOK 20. Transzportfolyamatok általános jellemzése, transzportfolyamatok fajtái, áram- és áramsűrűség definíciója, az általános transzport egyenlet, gradiens fogalma, extenzív- és intenzív állapotjelzők fogalma. A műszaki gyakorlatban fontos szerepet játszó áramok, kereszteffektusok. 21. Impulzustranszport: viszkozitás értelmezése, fajtái, gázok- és gőzök, ill. folyadékok viszkozitása. A folyadékok viszkozitásának hőmérséklet- és összetétel-függése, térhálós folyadékok viszkozitása. 22. Folyadékok lamináris- és turbulens áramlása, Reynolds-szám, Folyadékok áramlása porózus közegben, szilárd szemcsék mozgása viszkózus közegben, a viszkozitás mérésének módszerei. 23. A diffúzió folyamatának általános jellemzése, a Brown mozgás, diffúzió gázokban és gőzökben, az öndiffúzió. Fick I. törvénye, alkalmazása a mérnöki gyakorlatban. A diffúziós tényező hőmérséklet-függése, a termo-diffúzió. 24. Diffúzió nem állandósult állapotban, Fick II. törvénye. Adszorpció értelmezése, adszorpciós izotermák, adszorbensekkel szemben támasztott követelmények, adszorpció alkalmazási területei. 25. Felületi jelenségek, folyadékok felületi feszültségének fogalma, értelmezése, a mólfelületienergia fogalma, Eötvös törvény. Kapilláris jelenségek, nedvesítő- és nem nedvesítő folyadékok, peremszög fogalma, a felületaktív anyagok hatásmechanizmusa. 26. A hő-transzport általános értelmezése, a hővezetés egyenlete, a hővezetés elvének alkalmazása a mérnöki gyakorlatban. A hőátadás értelmezése, a hővezetés és hőátadás együttes kezelése, hősugárzás, a Stefan- Boltzmann törvény. 12

13 27. Az elektromos töltéstranszport általános értelmezése, abszolút- és relatív ionmozgékonyság fogalma, fajlagos- és moláris elektromos vezetés értelmezése, disszociáció fok, átviteli szám, a hőmérséklet és összetétel hatása a fajlagos- és moláris vezetésre. 28. Vezetők, szigetelők, félvezetők definíciója, a vezetés típusainak értelmezése a sávelmélet alapján, szupravezetők, a galvánelemek működésének bemutatása, az elektromotoros erő fogalma, a Nerst-féle elektródpotenciál értelmezése, elektródok típusai, a standard elektródpotenciál, a Nernst-egyenlet, elektrolízis, Faraday törvények. 5. Minta zárthelyi A) Zárthelyi kérdések az elméleti anyagból ill. a laboratóriumi mérésekből Teszt: A megfelelő betű bekarikázásával jelölje meg az alábbi kérdésekre, megállapításokra a helyes választ. (Csak egy állítás helyes) pont 1) A komponensáram mindaddig tart a rendszerben a) a kisebb koncentrációjú hely felől a nagyobb koncentrációjú hely felé, amíg a koncentrációkülönbség ki nem egyenlítődik. b) amíg a rendszer homogenitása meg nem szűnik. c) amíg van Brown mozgás. d) a nagyobb koncentrációjú hely felől a kisebb koncentrációjú hely felé, amíg a koncentrációkülönbség ki nem egyenlítődik. 2) Az áramok és hajtóerők közötti kapcsolatot leíró általános egyenlet egyszerűen felírható a) az intenzív mennyiség gradiense és az extenzív mennyiségre jellemző transzportkoefficiens szorzataként, mellyel az extenzív mennyiség áramának sűrűségét kapjuk. b) az extenzív mennyiség gradiense és az extenzív mennyiségre jellemző transzportkoefficiens szorzataként, mellyel az extenzív mennyiség áramának sűrűségét kapjuk. c) az intenzív mennyiség gradiense és az intenzív mennyiségre jellemző transzportkoefficiens szorzataként, mellyel az extenzív mennyiség áramának sűrűségét kapjuk. d) az extenzív mennyiség gradiense és az extenzív mennyiségre jellemző transzportkoefficiens szorzataként, mellyel az intenzív mennyiség áramának sűrűségét kapjuk. 3) A gázok dinamikai viszkozitása annál nagyobb a) Minél nagyobb a gáz moláris tömege (ill. a molekula mérete) és minél magasabb a gáz hőmérséklete. b) Minél kisebb a gáz moláris tömege (ill. a molekula mérete) és minél magasabb a gáz hőmérséklete. c) Minél nagyobb a gáz moláris tömege (ill. a molekula mérete) és minél kisebb a gáz hőmérséklete. d) Minél kisebb a gáz moláris tömege (ill. a molekula mérete) és minél kisebb a gáz hőmérséklete. 4) Turbulens áramláskor a) a kicsi átmérőjű hengerben nagy áramlási sebességgel, kavarogva jut tova a folyadék, zegzugos áramlási vonalakat hagyva maga után. b) a kicsi átmérőjű hengerben kis áramlási sebességgel, kavarogva jut tova a folyadék. c) a nagy hengerátmérőben kis átlagsebességgel, nyugodtan áramlik a folyadék párhuzamosan futó áramlási vonalakkal.

14 d) nem képződnek örvények. 5) Diffúziónak nevezzük a) azt az anyagtranszportot, amely során kémiai potenciál gradiens hatására sűrűségkülönbség alakul ki. b) azt a homogén rendszerben lejátszódó anyagtranszportot, amely során sűrűségkülönbség hatására impulzusáram jön létre. c) azt az anyagtranszportot, amely során hőmérsékletkülönbség hatására komponensáram jön létre. d) azt az anyagtranszportot, amely során kémiai potenciál gradiens hatására komponensáram jön létre. 6) A sugárzással terjedő hő esetében is számítható hő-áramsűrűség, a) amely a sugárzó test hőmérsékletének négyzetével arányos. b) amely a sugárzó test hőmérsékletével egyenesen arányos. c) amely a sugárzó test hőmérsékletének 4. hatványával arányos. d) amely a sugárzó test hőmérsékletével fordítottan arányos. 7) Az elektromos térerő hatására kialakuló töltésáram-sűrűség arányos a) a rendszerben (vezetőben) uralkodó potenciál-gradienssel, s az arányossági tényező (transzportkoefficiens) a moláris elektromos vezetés (λ). b) a rendszerben (vezetőben) uralkodó potenciál-gradienssel, s az arányossági tényező (transzportkoefficiens) a fajlagos elektromos vezetés ( ). c) a rendszerben (vezetőben) uralkodó áram-gradienssel, s az arányossági tényező (transzportkoefficiens) a fajlagos elektromos vezetés ( ). d) a rendszerben (vezetőben) uralkodó potenciál-gradienssel, s az arányossági tényező (transzportkoefficiens) az átviteli szám (t). 8) Az abszolút hőmérséklet 0 pontja közelében a) a tiszta fémeknek az elektromos vezetéssel szembeni ellenállása nagyon kicsi, a fémek szigetelővé válnak. b) a fémek és bizonyos ötvözetek esetében a gyakorlatban már néhány K-nel az abszolút 0 K felett az elektromos vezetéssel szembeni ellenállás maximális, a fémek szupravezetővé válnak. c) a fémek és bizonyos ötvözetek esetében a gyakorlatban már néhány K-nel az abszolút 0 K felett az elektromos vezetéssel szembeni ellenállás nullára csökken, a fémek szupravezetővé válnak. d) a fémek és bizonyos ötvözetek esetében a gyakorlatban már néhány K-nel az abszolút 0 K felett az elektromos vezetéssel szembeni ellenállás nullára csökken, a fémek szigetelővé válnak. 9. A Faraday II. törvénye kimondja, hogy a) A leválasztott anyag tömege arányos az elektrolízis idejével és az áramerősséggel b) Anyagi minőségtől függetlenül 1 kg egységnyi töltésű ionféleség leválasztásához azonos villamos töltés szükséges. c) Anyagi minőségtől függően 1 mól egységnyi töltésű ionféleség leválasztásához különböző mennyiségű villamos töltés szükséges. d) Anyagi minőségtől függetlenül 1 mól egységnyi töltésű ionféleség leválasztásához azonos villamos töltés szükséges. 10. Az elektrolízis a) elektromos energia hatására végbemenő sav-bázis reakció. b) a kémiai energiát elektromos energiává alakító rendszer. c) elektromos energia hatására végbemenő elektrokémiai reakció. d) elektromos energia hatására végbemenő fizikai folyamat. 14

15 11. Adott nyomáson és hőmérsékleten az egyensúly feltétele a) a szabedentalpia (G) minimuma. b) az entrópia (S) minimuma. c) hogy a rendszer belső energiája egyenlő legyen. d) hogy transzportfolyamatok játszódjanak le a rendszerben. 12. Egykomponensű, kétfázisú rendszer szabadsági fokának száma: a) 3 b) 2 c) 1 d) Két vagy több kémiailag egységes anyagból álló rendszert akkor nevezünk elegynek a) ha a rendszert alkotó részecskék mérete a kolloid tartományba tartozik b) ha az heterogén. c) ha az homogén, vagyis az alkotórészek sem mikroszkóppal, sem más hasonló felbontó képességű eszközzel nem különböztethető meg. d) ha az homogén, de az alkotórészek mikroszkóppal, vagy más hasonló felbontó képességű eszközzel megkülönböztethetők. 14. A reakciósebesség a) a koncentráció vagy anyagmennyiség időegységre eső megváltozása. b) az a sebesség ami a kémiai reakció lejátszódásához szükséges. c) független a hőmérséklettől. d) az a sebesség amely ahhoz szükséges, hogy a kiindulási anyag koncentrációja felére csökkenjen. 15. A Raoult-törvény értelmében a) amennyiben két folyadék (A és B) ideális elegyet alkot, a felettük lévő gőztér nyomása (p ö ) a két komponens parciális nyomásának összegével lesz egyenlő úgy, hogy a parciális nyomások (p A és p B ) a tiszta komponensek gőznyomásának (p A * és p B *) a folyadékfázisbeli móltörtjükkel (x A és x B ) való súlyozásával fejezhetők ki. b) A gőztérben mindig az a komponens dúsul fel, melynek a folyadékelegyhez való hozzáadása az össztenzió értékét csökkenti. c) az illékonyabb komponens dúsul a gőztérben. d) Azeotróp összetételű folyadékelegyek változatlan összetétellel párolognak. Kifejtendő kérdések 16. Mit értünk megoszlás alatt? A gyakorlaton mely elem egyensúlyi koncentrációit melyik két fázisban határozza meg? 2 pont 17. Kétkomponensű gőz-folyadék rendszer egyensúlyi viszonyának vizsgálatánál a törésmutató mérése melyik fázisnál történik és miért? 2 pont 18. Definiálja a moláris oldáshőt, írja fel a mértékegységét is! 2 pont 19. Definiálja az elektromotoros erőt! 2 pont 20. Fogalmazza meg a Le Chatelier elvet! 2 pont Összes pontszám: 25 pont.. 15

16 B) Zárthelyi dolgozat számolási feladatokból 1.) Mennyi a K2SO4-só tömegszázaléka abban a 200 cm 3, 1,18 g/cm 3 sűrűségű oldatban, amelyben 12 g K2SO4 -ot oldottunk fel? (MK 2SO 4= 174,3 g/mol) 5 pont 2.) 10 5 Pa nyomáson 1 mol H2 gázt felmelegítünk 25 C-ról 100 C-ra. Számítsa ki, mennyi a belső energia változása a folyamat közben. A H2 gáz Cp-je az alábbi függvény szerint változik a hőmérséklettel: Cp(H2)=f(T)=27,2 +3, T. 5 pont 3.) Számítsa ki a N2 gáz entrópiáját 1 bar nyomáson, 500 K hőmérsékleten, ha standard moláris entrópiája (298 K-en, 1 bar nyomáson) 191,62 J/mol K, moláris hőkapacitás függvénye pedig Cp(N 2 )= f(t) = 28,3 + 2, T + 0, T 2 5 pont 4.) Egy 50 dm 3 -es palackban 20 o C-on 0,4 kg H2 van. Mekkora a palackban a gáz nyomása és anyagmennyisége, ha azt tökéletes gáznak tekintjük? (MH2=2 g/mol) 5 pont 5.) Számítsa ki az ideális benzol-toluol elegy feletti gőztérben a komponensek parciális egyensúlyi gőznyomását és az összes nyomást 80 o C-on, ha ezen a hőmérsékleten a tiszta benzol egyensúlyi gőznyomása 1,004 bar, a tiszta toluolé 0,387 bar! A benzol móltörtje az elegyben 0,5. 6 pont 6.) A 2 CO2 2 CO + O2 reakció egyensúlyi gázelegyében 2000 K-en a komponensek parciális nyomása p CO2 = 0,13 bar, p O2 = 0,42 bar, p CO = 0,76 bar. Számítsa ki a Kp egyensúlyi állandót és a standard Gibbs energia értékét 2000K-en! 6 pont 7.) Egy másodrendű reakció sebességi állandója k = 10, kmol m 3 s -1. Számolja ki, hogy mennyi idő alatt csökken le az eredeti 1 kmol m -3 kiindulási anyag mennyiség 5 %-ára, ha azonos a kiindulási anyagok koncentrációja. 6 pont 8.) A víz viszkozitása 40 C-on 6, N s m -2, 60 C-on 4, N s m -2. Számítsa ki a viszkózus folyás aktiválási energiáját, ha azt a vizsgált hőmérséklet-tartományban a hőmérséklettől függetlennek tekintjük. 6 pont 9.) Egy bögre teában a cukor koncentrációja alulról felfelé növekszik a következő függvény szerint, ahol x a bögre aljától mért távolság méterben: c= 10-3 (x ) mol m ) Mekkora a bögre aljától mérve 5 cm magasságban a cukorkoncentráció változásának sebessége? A nádcukor diffúziós együtthatója teában D= m 2 s -1 6 pont Összes pontszám: 50 pont. 16

17 6. Egyéb követelmények A kurzus eredményes teljesítése a félév során a kötelező óralátogatásokon túlmenően minimum heti 4 óra egyéni felkészülést (ismétlést, gyakorlást) igényel. Miskolc január 21. Dr. Lakatos János intézetigazgató Némethné Dr. Sóvágó Judit tantárgyjegyző 17