Halmazállapotok. llapotok. Kristályos anyagok, atomrács

Átírás

1 Halmazállapotok llapotok Kristályos 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 (σ) kovalens kötéssel kapcsolódnak egymáshoz: gyémánt, Si, Ge, B, SiO 2, ZnS, SiC Kemények, hıt és elektromosságot nem vezetik, op magas, sem vízben, sem szerves oldószerekben nem oldódnak º Gyémánt (Si, Ge, ZnS, SiC) Minden C atom körül tetraéderes elrendezıdésben van a többi azonos távolságra, azonos kötésszöggel.

2 Halmazállapotok llapotok Fémrács Jellemzık: Rácspontokban pozitív töltéső fém atomtörzsek, amiket hozzájuk közösen tartozó delokalizált elektronok kötnek össze vezetıképesség Erıs kötés: kemény, magas op (Cr, W) Szürke szín (kivétel Cu, Au): minden típusú fotont elnyel (e - -k gerjesztıdnek) Oldhatóság: egymás olvadékaiban ötvözet, ill. kémiai átalakulással savakban Leggyakoribb rácstípusok: aranyrög térben középpontos kockarács lapon középpontos kockarács hatszöges rács (Na, K, Fe, Cr) (Au, Ag, Al, Cu) (Mg, Ni, Zn) mindenféle puha, megmunkálható kemény, rideg

3 Halmazállapotok llapotok Fémrács: ötvözetek Az ötvözet fémes anyag, mely legalább két kémiai elembıl áll, s legalább az egyik fém. Legismertebbek: acél, sárgaréz (réz + cink), bronz (ón + réz) Fizikai tulajdonságok, mint a sőrőség, reakciókészség, rugalmassági modulus, elektromos- és hıvezetı képesség általában nem mutatnak nagy eltérést az alkotóelemekéhez képest, de a mechanikai tulajdonságok, mint a szakító- és nyírószilárdság lényegesen különbözhetnek. Oka az atomok különbözı mérete: a nagyobb atomok nyomóerıt fejtenek ki a szomszédos atomokra, míg a kismérető atomok húzóerıvel hatnak a szomszédjaikra, ami fokozza az ötvözet deformációval szembeni ellenálló képességét. Elıállítás: elsısorban fémek megolvasztásával és összekeverésével. A tiszta fémekkel ellentétben a legtöbb ötvözetnek nem jól definiált olvadáspontja van, hanem olvadási tartománya: Szolidusz: az a hımérsékletet, amelyen az olvadás megkezdıdik Likvidusz: az a hımérsékletet, amelyen az olvadás befejezıdik Eutektikus ötvözet: alkotóknak egy olyan aránya, amikor egyetlen (vagy ritkán kettı) olvadáspont létezik

4 Halmazállapotok llapotok Ötvözetek: szilárd oldat Olyan szilárd halmazállapotú homogén keverék, melyben a kisebb mennyiségő oldott anyag nem változtatja meg az oldószer kristályszerkezetét. A szerepek fel is cserélıdhetnek. hasonló atomsugarak (<15% eltérés) azonos kristályszerkezet hasonló elektronegativitás hasonló vegyérték A és B keverékének olvadása (hal-görbe): T 2 alatt csak szilárd anyag van T 1 felett csak olvadék van a görbe belsejében olvadék+szilárd keverék T 1 T 2 között a szilárd illetve folyadék komponens összetétel a nyilak alapján (K) T 1 100%A Fázisdiagram folyadék likvidusz görbe folyadék+szilárd szolidusz görbe szilárd oldat x szilárd x folyadék 70%A, 30%B 10%A, 90%B T 2 100%B

5 Halmazállapotok llapotok Ötvözetek Kétkomponenső rendszer eutektikus ponttal: A és B nem képez szilárd oldatot, a szilárd fázis a két anyag kristályainak heterogén keveréke Az eutektikus összetételő szilárd keverék egyszerre megolvad, a többi összetételnél az olvadás egy hımérséklet tartományban történik T A szilárd A + folyadék p=állandó x% Folyadék szilárd A + B B Eutektikus pont, hımérséklet szilárd B + folyadék Csoportosítás kristályrács szerint: Helyettesítéses (szubsztitúciós): Az alkotó elemek atomjai hasonló méretőek, így a kristályrácsban egyszerően 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 összetevı kristályrácsához sem (nagyon bonyolult). Ezek nagyon kemény, rideg fémvegyületek, pl. Fe 3 C (cementit), WC (volfrámkarbid).

6 Halmazállapotok llapotok Ionrács Jellemzık: Rácspontokban szoros illeszkedéssel kationok és anionok vannak. Kifelé semleges. Kemények, ridegek, magas olvadáspontúak, elektromos áramot nem vezetik Olvadékuk és oldataik vezetık Többségük vízben oldódik, ionjaira disszociál Leggyakoribb rácstípusok: CsI, térben középpontos kockarács NaCl, lapon középpontos kockarács

7 Halmazállapotok llapotok Molekularács Jellemzık: Rácspontokban molekulák vannak, melyek másodlagos kötıerıkkel kapcsolódnak egymáshoz. Hidrogénkötés Dipólus-dipólus kölcsönhatás Diszperziós kölcsönhatás 8-40 kj/mol kj/mol Szinte minden szerves molekula, valamint H 2, O 2, N 2, CO 2 (szárazjég), stb. Keménység kicsi, olvadás- és forráspont alacsony, kis sőrőség, áramot sem szilárd, sem olvadt állapotban nem vezetik. Apoláris szerves oldószerekben (pl. CCl 4 ) oldódnak. Jég: 16 különbözı szilárd fázisú szerkezetben létezik. Hexagonális kristályrendszer

8 Grafit gyémánt Három rácstípusból van benne: Szénatomok egyszeres σ kovalens kötéssel kapcsolódnak 3 szomszédjukhoz (atomrács). A negyedik elektron delokalizáltan van a kovalens kötéső síkokban (fémrács). A hexagonális szerkezető síkok között másodlagos kötıerık hatnak (molekularács). Ebbıl adódnak tulajdonságai: Magas op. (3700 ºC) Vezeti az áramot Jó kenıanyag (síkok egymáson elcsúsznak)

9 Kémiai reakciók reakcióegyenletek egyenletek A kémiai reakciókban atomok/molekulák/ionok elektronszerkezete változik (kötések bomlanak fel, új kötések jönnek létre): bomlás: CaCO 3 = CaO + CO 2 egyesülés: NH 3 + HCl = NH 4 Cl atom/atomcsoport csere: CaCO 3 + HCl = CaCl 2 + H 2 CO 3 ( CO 2 + H 2 O) 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 cm 3 1 mol/dm 3 -es kénsav kell 2 dm 3 normál állapotú HCl gáz készítéséhez a következı kiegészítendı reakcióegyenlet alapján: CaCl 2 + H 2 SO 4 = CaSO 4 + HCl

10 s-mezı (fémek) Periódusos rendszer (Mengyelejev, 1869) nemesgáz csoport: zárt héj, extra stabil p-mezı (nemfém, félfém, fém) d-mezı (fémek) Rendezés elve: növekvı rendszám (elektronszám, atomtömeg) hasonló vegyértékelektron szerkezet egymás alatt f-mezı (fémek)

11 Kémiai reakciók kémiai számítás Számítási példa: Számítsuk ki hány cm 3 1 mol/dm 3 -es kénsav kell 2 dm 3 normál állapotú HCl gáz készítéséhez a következı kiegészítendı reakcióegyenlet alapján: CaCl 2 + H 2 SO 4 = CaSO 4 + HCl Egyenlet rendezése anyagmegmaradás elve alapján: CaCl 2 + H 2 SO 4 = CaSO 4 + 2HCl 22,41 dm 3 a térfogata 1 mol HCl gáznak normál állapotban (0 ºC, 0,1 MPa) Ez alapján 2 dm 3 HCl megfelel (1/22,41)*2=0,089 molnak 2 mol (molekula) HCl fejlesztéséhez kell 1 mol (molekula) H 2 SO 4 0,089 mol HCl fejlesztéséhez kell (1/2)*0,089=0,0445 mol H 2 SO 4 1 mol H 2 SO 4 van 1000 cm 3 (1 dm 3 ) 1 mol/dm 3 -es oldatban 0,0445 mol H 2 SO 4 van (1000/1)*0,0445=44,5 cm 3 oldatban Tehát 44,5 cm 3 1 mol/dm 3 -es H 2 SO 4 oldat kell.

12 Kémiai reakciók kémiai számítás Számítási példa: Számítsuk ki hány g 36 m/m%-os HCl oldat kell 100 g FeCl 3 készítéséhez a következı kiegészítendı reakcióegyenlet alapján: Fe 2 O 3 + HCl = FeCl 3 + H 2 O M Fe =55.8, M O =16, M Cl = 35.5, M H =1 Egyenlet rendezése anyagmegmaradás elve alapján: Fe 2 O 3 + 6HCl = 2FeCl 3 + 3H 2 O Molekulatömegek: M FeCl3 =162,3, M HCl = g FeCl 3 = (1/162,3)*100 = 0,616 mol 2 mol FeCl 3 keletkezése igényel 6 mol HCl-at 0,616 mol FeCl 3 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 oldatban 67,452 g HCl van (100/36)*67,452=187,37 g HCl oldatban Tehát 187,37 g 36 m/m%-os HCl oldat kell.

13 Kémiai reakciók reakcióhı Reakcióhı (Q r, kj): reakcióegyenlet által definiált reakció hıváltozása A kémiai reakciókban kötések bomlanak fel és új kötések alakulnak ki. Kötésfelbomlás: energia befektetést igényel (+ elıjel) Kötés kialakulás: energia szabadul fel (- elıjel) Ha fázisátalakulás történik, annak is van energiavonzata. Pl. gáz kondenzálása energia felszabadulással jár a szilárd fázisbeli kötések kialakulása miatt. (CO 2 miért gáz szobahımérsékleten?) Exoterm reakció: energia szabadul fel (C + O 2 = CO 2, Q r < 0) Endoterm reakció: energiát igényel (H 2 O H 2 + ½O 2, Q r > 0) Képzıdéshı (Q k, kj/mol): annak a reakciónak az energiaváltozása, melyben egy vegyület 1 mólja standard körülmények (25 ºC, 0,1 MPa) között alapállapotú elemeibıl keletkezik. Alapállapotú elemek képzıdéshıje standard körülmények között 0 kj/mol.

14 Kémiai reakciók reakcióhı Reakcióhı a képzıdéshıkbıl: a termékek együtthatókkal szorzott képzıdéshıinek összegébıl levonjuk a kiindulási anyagok együtthatókkal szorzott képzıdéshıinek összegét. Hess tétel: a reakcióhı független a reakció útjától (általában többféle útvonal van), csak a kezdeti és végállapottól függ. I. CaCO 3 + 2HCl = CaCl 2 + CO 2 + H 2 O Q r = Q kcacl2 + Q kco2 + Q kh2o Q kcaco3 2Q khcl II. CaCO 3 = CaO + CO 2 CaO + 2HCl = CaCl 2 + H 2 O Q r = Q kcao + Q kco2 + Q kh2o + Q kcacl2 Q kcao - Q kcaco3 2Q khcl A CaO csak átmeneti termék, keletkezik és megszőnik, ezért képzıdéshıje a II. összetett reakcióban kiesik. Reakcióentalpia ( H, kj): ugyanaz mint a reakcióhı, csak ki van kötve a nyomás állandóságának feltétele (zárt edényben gázok reakciójakor lehet különbség ha mólszám változás van)

15 Kémiai reakciók Szabadentalpia Entrópia (S, kj/k): egy rendszer rendezetlenségének mértéke. A rendezetlenség kedvezıbb állapot: kristályos anyag oldódása (oldott anyag oldószerben való eloszlása) gázok keveredése (kibocsátott CO 2, 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 T S Spontán folyamat akkor megy végbe, ha szabadentalpia változás negatív ( G<0). Az entrópia tagnak inkább csak magas hımérséklet esetén (T > 1500 K) van jelentısége, szobahımérsékleten általában elhanyagolható, azaz G H G: szabadentalpia, kj H: entalpia, kj T: hımérséklet, K

16 Kémiai reakciók Kémiai reakció feltételei: részecskék ütközése nagyobb koncentrációban gyakoribb: a részecskék megfelelı térhelyzetben legyenek Aktivált komplexum: részecskék ütközés utáni nagyon rövid ideig tartó összekapcsolódása tartalmazza mind a megszőnı, mind a létrejövı kötéseket, de azok sokkal gyengébbek, hosszabbak mint a kiindulási ill. termék molekulákban kötésszögek teljesen mások Aktivált komplexum E a Reaktánsok E a Reaktánsok Átmeneti komplexum Termék Reakcióút Termékek Aktiválási energia (kj/mol): az az energiatöbblet, amelynek következtében a részecskék átalakulásra képes aktív állapotba jutnak = az aktivált komplexum keletkezéséhez szükséges energia