FIZIKAI KÉMIA ANYAGMÉRNÖKI LEVELEZŐ MSc. KOMPENZÁCIÓS TANTÁRGY

Átírás

1 FIZIKAI KÉMIA ANYAGMÉRNÖKI LEVELEZŐ MSc. KOMPENZÁCIÓS TANTÁRGY TANTÁRGYI KOMMUNIKÁCIÓS DOSSZIÉ MISKOLCI EGYETEM MŰSZAKI ANYAGTUDOMÁNYI KAR KÉMIAI INTÉZET Miskolc, 2013/14. II. félév 1

2 Tartalomjegyzék 1. Tantárgyleírás, tárgyjegyző, óraszám, kreditérték A tantárgy célja. A tantárgy leírása. A kurzusra jelentkezés módja. Oktatási módszer. Félévközi számonkérés módja. Követelmények. Vizsgáztatás módja. Kötelező- és ajánlott irodalom. 2. Tantárgytematika 3. Vizsgakérdések 4. Minta zárthelyi 5. Egyéb követelmények 1. Tantárgyleírás Tantárgy neve: FIZIKAI KÉMIA (BSc levelező tagozatos hallgatók részére) Tantárgy neptun kódja: MAKKEM222BL Tárgyfelelős intézet: Miskolci Egyetem, Műszaki Anyagtudományi Kar, Kémiai Intézet Tantárgyelem: kötelező Tárgyfelelős: Némethné Dr. Sóvágó Judit egyetemi docens Javasolt félév: 2. tavaszi félév Előfeltétel: Sikeres vizsga Általános és szervetlen kémia tantárgyból Óraszám/félév: 15 óra előadás + 15 óra Számonkérés módja): aláírás-kollokvium gyakorlat Kreditpont: 6 Tagozat: levelező Tantárgy feladata és 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 gyakorlatias mérnöki szemlélet kialakítása céljából a hallgatók a laboratóriumban konkrét feladatokat végeznek, a mérési adatokból önállóan jegyzőkönyvet készítenek. Tantárgy tematikus leírása: Anyagi rendszerek jellemzése, alapfogalmak. A termodinamika alaptörvényei. A termodinamika alaptörvényeinek alkalmazása. 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. 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 sikeres vizsgával Általános és szervetlen kémia tantárgyból. Oktatási módszer: Előadások kivetítő használatával. Számolási gyakorlat táblánál, a hallgatókkal interaktív módon. A laboratóriumi gyakorlatokat a fizikai kémiai laboratóriumban a hallgatók önállóan végzik. 2

3 Félévközi számonkérés módja, követelmények: Az előadások és számolási példák anyagának ellenőrzése a félév során egy alkalommal zárthelyi dolgozat megírásával, melyből az elégséges érdemjegy megszerzése aláírás feltétel. A laboratóriumi mérések anyagából minimum elégséges zárthelyi dolgozat megírása és jegyzőkönyv elkészítése. A laboratóriumi mérések érdemjegye a zárthelyi dolgozatra, ill. a jegyzőkönyvre kapott érdemjegy átlagaként adódik. A laboratóriumi gyakorlatokon való részvétel kötelező. Ahhoz, hogy a hallgató a mérést megkezdhesse, a laboratóriumi mérésekből írt zárthelyi dolgozatból elégséges érdemjegy elérése szükséges, ellenkező esetben a hallgatónak el kell hagynia a laboratórium területét, és a gyakorlatra elégtelen érdemjegyet kap. Zárthelyi dolgozatok írásáról hiányozni csak indokolt esetben, orvosi igazolás bemutatása esetén lehetséges, de pótlásra ebben az esetben sincs lehetőség. ZH-k pótlására csak aláíráspótlás keretében van mód, melynek időpontja a vizsgaidőszak első két hetében a tantárgyjegyző által rögzített időpont. A fenti feltételek nem teljesítése az aláírás megtagadását vonja maga után! Az aláírás feltétele a félév során: a fentebb említett előírások alapján minimum elégséges érdemjegy teljesítése a laboratóriumi gyakorlatokból és a zárthelyi dolgozatból. Az előadások legalább 60%-ának látogatása. Értékelése (félévközi teljesítmény aránya a beszámításnál, ponthatárok: ötfokozatú értékelés 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 218BL) tantárgyból. 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 uszakiaknak/adatok.html 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 kollokvium érdemjegyként 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: 1/3 ZH eredménye + 1/3 jegyzőkönyvek érdemjegyének átlaga + 1/3 vizsga érdemjegye 3

4 Kötelező irodalom: (legalább 3 irodalom, lehetőleg 1 idegen nyelvű) Prof. Dr. Bárány Sándor, Dr. Baumli Péter, Dr. Emmer János, Hutkainé Göndör Zsuzsanna, Némethné Dr. Sóvágó Judit, Dr. Báder Attila; Fizikai kémia műszakiaknak, Tankönyvtár, Miskolci Egyetem Elektronikus jegyzet; 2011: ia_muszakiaknak/adatok.html Prof.Dr. Bárány Sándor, Dr. Baumli Péter, Dr. Emmer János, Hutkainé Göndör Zsuzsanna, Némethné Dr. Sóvágó Judit, Dr. Báder Attila Fizikai kémia műszakiaknak Videó a laboratóriumi gyakorlatokról; Miskolci Egyetem Elektronikus jegyzet; 2011: a_muszakiaknak_video/adatok.html P. W. Atkins: Fizikai kémia I-III., Tankönyvkiadó, Budapest, Berecz Endre és munkatársai; Fizikai-kémia példatár; Tankönyvkiadó, Budapest, Prof. Ing. Anatol Malijevsk y, CSc., et al.; Physical Chemistry in brief; Institute of Chemical Technology, Faculty of Chemical Engineering, Prague, Ajánlott irodalom: (legalább 3 irodalom, lehetőleg 1 idegen nyelvű) Berecz Endre: Fizikai kémia, Tankönyvkiadó, Budapest, Howard DeVoe; Thermodynamics and Chemistry; Second Edition, Version 4, March János Török, Lipót Fürcht, Tibor Bódi; PVT properties of reservoir fluids; University of Miskolc, Tantárgytematika: 1. ELŐADÁS A fizikai kémia tárgya, kapcsolata más tudományágakkal. Az anyagi rendszerekkel összefüggő alapfogalmak. A fázisok és komponensek számának kapcsolata. A termodinamika 0.-, I- és II. főtétele: belső energia, térfogati munka, hő, hőkapacitás. Az entrópia termodinamikai definíciója. A szabadenergia, szabadentalpia és a kémiai potenciál értelmezése. Az önként végbemenő folyamatok iránya és egyensúlya. A kémiai folyamatokat kísérő energiaváltozások: Hess-törvény. GYAKORLAT Összetétel számolása. Számítások a termodinamika főtételeinek és az energiafüggvények alkalmazásával (entrópia, szabad entalpia). Képződéshő- és reakcióhő számítása, Hess-törvény alkalmazása. 4

5 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. Fázisátmeneti folyamatok egyensúlya. Gibbs-féle fázistörvény, fázisdiagramok. Egykomponensű rendszerek: Halmazállapot-változások: gőz-folyadék egyensúly. A Clausius-Clapeyron egyenlet. Általános laboratóriumi ismeretek: laboratóriumi rend, balesetvédelmi és tűzvédelmi ismeretek, laborkárok térítése. A laboratóriumi mérések ismertetése. A mérési eredmények kiértékelése, jegyzőkönyvek formai követelményei. Számítások gáztörvények alapján Folyadék-szilárd 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. 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. Oldott komponens megoszlási egyensúlya két, egymással nem elegyedő fázis között: Nerst-féle megoszlási törvény. Híg oldatok törvényei: kolligatív sajátságok; forráspont-emelkedés, tenziócsökkenés, fagyáspontcsökkenés, ozmózis. 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; Egyensúlyok elektrolit-oldatokban, ph. Reakciókinetika: Kémiai reakciók sebessége. Fogalmak. Reakciósebesség, aktiválási elmélet. 0., 1., és r. rendű reakció sebességi egyenlete, felezési ideje. Egyszerű reakciók sebességi egyenletének meghatározási módszerei. A kémiai reakciók mechanizmusa: Összetett reakciók; Párhuzamos és sorozatos reakciók. Láncreakciók. Robbanások. A polimerizáció kinetikája A reakciósebességi állandó hőmérsékletfüggése; Katalizátorok, inhibitorok. Dalton törvény alkalmazása. Folyadékelegyek gőznyomás- és forráspont viszonyai, folyadékok párolgása (Clausius-Clapeyron egyenlet, Raoult-törvény) Gázok oldhatósága folyadékban (Henry-Dalton törvény). A Nerstféle megoszlási törvény A híg oldatok törvényeinek alkalmazása. Homogén- és heterogén kémiai egyensúlyokra vonatkozó számítások, a tömeghatás törvénye. Homogén kémiai reakciók sebességével, ill. a reakciósebesség hőmérséklet-függésével kapcsolatos számítások. 5. Laboratóriumi gyakorlat* 5

6 6. 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. Anyagtranszport: diffúzió; diffúzió gázokban, öndiffúzió, Brown-mozgás, termo-diffúzió kondenzált rendszerek diffúziója, gáz diffúziója szilárd fázisba; Fick-I és Fick-II törvények. A diffúziós együttható meghatározása. Adszorpció és kemiszorpció. Az adszorpció gyakorlati alkalmazásai. Határfelületi jelenségek: felületi feszültség, felületi feszültség hőmérsékletfüggése (Eötvös-törvény); folyadék-szilárd határfelület, nedvesítő- és nem nedvesítő folyadékok. Hőtranszport: a hővezetés, hőátadás és hősugárzás folyamatának értelmezése, transzportegyenletei. 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, Faraday-törvényei. ZÁRTHELYI DOLGOZAT Transzportfolyamatokra vonatkozó számítások: viszkozitás, diffúzió, hő-transzport, elektromos töltéstranszport. *A laboratóriumi gyakorlatok ütemezése a gyakorlatvezetők által megadott beosztás szerint történik. A mérések számozása: 1. Só oldáshőjének meghatározása. 2. Vizes oldatok viszkozitásának mérése Ostwald-Fenske-féle viszkoziméterrel. A viszkozitás hőmérséklet-függésének meghatározása. 3. Heterogén kémiai reakció sebességének vizsgálata. 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 6

7 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! 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. 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! 7. 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! 7

8 8. 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 9. 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? 10. 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 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 11. 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. 12. 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. 13. 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! 8

9 14. 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! 15. 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 16. 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. II/A. REAKCIÓKINETIKA 17. 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. 18. 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 19. 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. 20. Impulzustranszport: viszkozitás értelmezése, fajtái, gázok- és gőzök, ill. folyadékok viszkozitása. A folyadékok viszkozitásának hőmérséklet- és összetétel-függése, térhálós folyadékok viszkozitása. 21. Folyadékok lamináris- és turbulens áramlása, Reynolds-szám, Folyadékok áramlása porózus közegben, szilárd szemcsék mozgása viszkózus közegben, a viszkozitás mérésének módszerei. 9

10 22. 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. 23. Diffúzió nem állandósult állapotban, Fick II. törvénye. Adszorpció értelmezése, adszorpciós izotermák, adszorbensekkel szemben támasztott követelmények, adszorpció alkalmazási területei. 24. 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. 25. 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. 26. 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. 5. Minta zárthelyi 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.

11 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. 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. 11

12 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) 0 13) 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 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 21) 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) 3 pont 12

13 22) 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. 3 pont 23) 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) 4 pont 24) 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. 4 pont 25) 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! 4 pont 26) 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. 4 pont 27) 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. 3 pont Összes pontszám: 50 pont 0-25 pont: elégtelen pont: elégséges pont: közepes pont: jó pont: jeles 6. Egyéb követelmények A kurzus eredményes teljesítése a félév során a kötelező óralátogatásokon túlmenően minimum heti 4 óra egyéni felkészülést (ismétlést, gyakorlást) igényel. Miskolc január10. Dr. Lakatos János intézetigazgató 13 Némethné Dr. Sóvágó Judit tantárgyjegyző