Kémia ktervezıknekknek

Átírás

1 Környezetmérn Kémia rnököknek knek és s terméktervez ktervezıknekknek Wagner Ödön BME Szervetlen és s Analitikai Kémia K Tanszék wagner@mail.bme.hu Tel.:

2 Kurzussal kapcsolatos tudnivalók Vizsgaidıszakban szakban írásbeli vizsga Opcionális: évközben elıad adásidıben 2, ill. 3 db zárthelyi megajánlott jegy Elıad adás: Környezetmérnököknek: knek: H 13,15-14,45 14,45 Terméktervez ktervezıknek knek 1-77 hétig h H 13,15-14,45 14, hétig h H 10,15-11,45 11,45 H 13,15-14,45 14,45

3 Miért van szüks ksége a környezetmk rnyezetmérnöknek és s a gépész g terméktervez ktervezınek kémiai k tudásra? Vegyiparban, kutatóint intézetekben, egyéb b laborokban gépekkel, mőszerekkel m dolgoznak Gépeket felépítı anyagnak vannak kémiai k vonatkozásai fém, ötvözet, mőanyag megfelelı szilárdság, környezeti hatásokkal szembeni ellenállóság Gépek mőködésének m kémiai k vonatkozásai mőködésbiztosítás (kenıolaj) megmunkált anyag tulajdonságai mőszerekkel nyert kémiai információ (gép célja)

4 Általános kémiak Szervetlen kémiak Szerves kémiak Tematika Atomok, molekulák, kémiai kötések Periódusos rendszer ( Anyagi halmazok (gáz, folyadék, szilárd, ötvözetek) Kémiai reakciók (reakcióegyenlet, egyensúlyok, energetika) Elektrokémia (galvánelem, akkumulátor, korrózió)

5 Általános kémiak Szervetlen kémiak Szerves kémiak Tematika Elemek Alkáli-, alkáliföld- és átmeneti fémek vegyületei Nemfémes elemek vegyületei

6 Általános kémiak Szervetlen kémiak Szerves kémiak Tematika Alifás vegyületek Aromás vegyületek Alkoholok, karbonsavak, aminok Polimerek (szilikonok, mőanyagok)

7 Az atom Az atom az anyag azon legkisebb stabil része, melyre az anyag kémiai úton bontható. A különbözı elemek különbözı atomokból állnak. Az adott atom határozza meg az adott elem kémiai tulajdonságait. Atomok egymásba való átalakítása csak nagy energiájú magreakciókkal történhet: Radioaktív bomlás ( 14 C 14 N + e -, felezési idı 5700 év) Maghasadás ( 235 U + n 0 kisebb atomok n) Magfúzió ( 2 H + 3 H 4 He + n 0 ) Az atomok mérete: m (1 Å) nagyságrendnyi. Az atomok tömege: kg között. Makroszkopikus dimenzió: 1 mól = db részecske (atom, molekula) Moláris tömeg: 1 mól anyag tömege. Avogadro-féle állandó, N A

8 Az atom felépítése elemi részecskr szecskék: k: atommag + elektronok Név (jel) Tömeg (kg) Töltés (C) Relatív Relatív tömeg töltés Proton (p + ) 1, , Elektron (e - ) 9, , / Neutron (n 0 ) 1, kb. 200 kis (szubatomi) részecske

9 szubatomi részecskék A kvarkok azok az elemi részecskr szecskék,, amelyekbıl l a mezonok és s a barionok (péld ldául a proton és s a neutron) ) felépülnek. lnek. A spinjük 1/2, tehát fermionok. A kvarkok részt vesznek mind az erıs, mind az elektromágneses, mind a gyenge kölcsönhatásban.. Az erıs s kölcsk lcsönhatáshoz azonban szorosabb kapcsolat is főzi f ıket. magyar név angol név jelölés nyugalmi tömeg (GeV/c 2 ) elektromos töltés (e) Fel* Up u 0,0015-0,005 2/3 Le* Down d 0,017-0,025-1/3 Bájos Charm c 1,1-1,4 2/3 Furcsa Strange s 0,06-0,17-1/3 Felsı / Tetı* Top / True t /3 Alsó / Szépség* Bottom / Beauty b 4,1-4,4-1/3 Három kvark alkotja a szokásos sos barionokat (három antikvark az antibarionokat), ahol a három h kvarknak három különbk nbözı színe van. A közismert k proton összetétele tele uud, a neutroné udd. Minden barion fermion.. A barionokat további két t csoportba soroljuk, ezek a nukleonok és hiperonok.. A nukleonok az atommag alkotórészei, a proton ill. a neutron.

10 A neutron felépítése Kép forrása : A kvarkok nem létezhetnek l szabadon. Az erıs kölcsönhatás az úgynevezett szín-tölt ltésre hat. A kvarkok között ható erıs s kölcsk lcsönhatás, amelyet a gluonok közvetítenek, tenek, a könnyk nnyő kvarkoknak kötött tt állapotokban észlelhetı tömegét t jelentısen megnöveli. (Ne gondoljuk, hogy a kvarkoknak tényleges színük k van, az elnevezés s csak egy hasonlóságon alapul.) Mindegyik kvark elıfordulhat háromfh romféle színben. Ezeket a három h alapszínr nrıl l vörösnek, v zöldnek és s kéknek k knek nevezték k el, amelyeket az angol rövidr vidítésük k után r g és b betővel rövidítenek. A kvarkok kis energián n csak olyan kötött tt állapotban létezhetnek, l amelyek színsemlegesek nsemlegesek.. Ilyenek példp ldául a három h szín mindegyikét t tartalmazó barionok,, egy színt és egy antiszínt tartalmazó mezonok és s a három h antiszínt tartalmazó antibarionok (kvarkbezárás). A kvarkbezárás alapgondalata az, hogy a kvarkokat összetartó erı a kvarkok közötti távolst volság g növekedn vekedésével vel nem csökken, ezért nem lehet azokat egymást stól l szétszak tszakítani. tani.

11 Az atom felépítése elemi részecskr szecskék: k: atommag + elektronok Jellemzık: Az atom semleges: protonok és elektronok száma azonos Vegyjel: C, N, O, H, Al, Fe, stb. Rendszám (Z): protonok száma (azonos az elektronok számával, meghatározza az elektronburok szerkezetét, így a kémiai tulajdonságokat!) (jelölés: 6 C) Tömegszám (A): protonok (Z) és neutronok (N) számának 12 Összege (jelölés: ) 6C Elem: azonos rendszámú atomok alkotják. Az elemek jelölésére vegyjeleket használunk. Izotópok: azonos rendszámú, de különbözı tömegszámú (eltérı számú neutront tartalmazó) atomok a legtöbb elem izotópok keveréke, pl. szén izotópjai: 12 C 6 proton + 6 neutron 13 C 6 proton + 7 neutron Tiszta elemek: csak egyetlen stabil izotópjuk létezik, pl. fluor: 19F 9 proton + 10 neutron

12 Elektronok Az elektronok a kb m átmérıjő atommagok körül mozognak meghatározott energiájú és alakú elektronpályákon. Elektronpálya (atomok esetében atompálya) = ahol az elektron mozgása közben 90%-os valószínőséggel megtalálható. Jellemzık: Atommag elektronok közötti vonzás Elektron elektron taszítás Elektron mozog (tartózkodási valószínőség) Energiaminimumra való törekvés = alacsonyabb energia kedvezıbb (helyzeti energia analógja)

13 Bolygómodell (N. Bohr, 1913) az elektronok meghatározott pályákon (energiaszinteken) lehetnek (héjak) egy elektronhéjon maximálisan 2n2 elektron lehet (elsın 2, másodikon 8...) Kvantummechanikai atommodell (E. Schrödinger, 1926) az elektronburok szerkezete (az elektronok tartózkodási valószínősége) összetett függvényekkel írható le. Ezek megoldásaiban állandók (konstansok) szerepelnek, amelyek kis egész számok (kvantumszámok). egy elektron 4 kvantumszámmal írható le (fı-, mellék-, mágneses- és spinkvantumszám) 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 kívülrıl belép

14 Elektronszerkezet Az elektronok az atommag körül jól definiált rendszer szerint mozognak. Az atompályák elektronhéjakba/alhéjakba csoportosíthatók, melyeket kvantumszámokkal jellemzünk. Fıkvantumszám (n): elektronhéjat definiálja (K, L, M, N, ) Mellékkvantumszám (l): elektron alhéjat definiálja (s, p, d, f, ) K (n=1): 1s 2 L (n=2): 2s 2, 2p 6 M (n=3): 3s 2, 3p 6, 3d 10 N (n=4): 4s 2, 4p 6, 4d 10, 4f 14 Alhéj: egyúttal különbözı alakú pályákat jelent: s (l=0) p (l=1) d (l=2) f (l=3) Mágneses kvantumszám: atompálya térbeli iránya mágneses térben Értéke: egész szám -l +l tartományban 1-féle s pálya (2 db s e - ) 3-féle p pálya (6 db p e - ) Spinkvantumszám: +1/2 és -1/2 5-féle d pálya (10 db d e - ) Két elektron lehet minden pályán 7-féle f pálya (14 db f e - )

15 Atompály lyák k részletesenr Bodonyi F., Pitter Gy.: Kémiai összefoglaló, Mőszaki Könyvkiadó, Budapest

16 Pályaenergiák és beépülés: K (n=1): 1s 2 L (n=2): 2s 2, 2p 6 M (n=3): 3s 2, 3p 6, 3d 10 N (n=4): 4s 2, 4p 6, 4d 10, 4f 14 Elektronszerkezet Pályaenergiák sorrendje kicsit eltér: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, (lásd majd a periódusos rendszert) Pauli elv: egy atomban nem lehet két olyan elektron, melynek mind a négy kvantumszáma megegyezik. Azaz minden cellában maximum két (ellentétes spinő elektron) lehet csak. Hund szabály: egy alhéjon adott számú elektron úgy helyezkedik el, hogy maximális legyen a párosítatlan spinő elektronok száma. Pl. Fe 3d 6 betöltöttsége: Bodonyi F., Pitter Gy.: Kémiai összefoglaló, Mőszaki Könyvkiadó, Budapest

17 Elektronszerkezet 28 Ni elektronszerkezet felépülése: 28 elektron 1s 2, 2s 2, 2p 6, 3s 2, 3p 6, 4s 2, 3d 8 Vegyértékelektronok: 4s 2, 3d 8 Vegyértékelektronok: telítetlen héj(ak)on levı elektronok. Ezek vesznek részt kémiai reakciókban és a másik atomokkal való kölcsönhatásokban. Atomtörzs: atommag + nem vegyértékelektronok (kémiailag inert)

18 Az atompály lyák k feltölt ltıdésének Energiaminimum elve Pauli-elv Hund-szabály szabályai

19 Elektronok gerjesztése se Az alapállapot és a gerjesztett állapotok közötti energiaátmenetek teszik lehetıvé a különbözı spektroszkópiai módszerek alkalmazását a mőszeres kémiaielemzésben!

20 Lángfestés ( s (gerjesztés) A lángban az elektronok a hı hatására magasabb energiájú pályára kerülnek. A gerjesztés után az energiaszinteknek megfelelı energiakülönbség kisugárzása közben visszakerülnek az eredeti energiaszintre. Egyes elemeknél a kibocsátott foton hullámhossza a látható fény tartományába esik. Na: 3p 3s hı foton kibocsátás fém lítium (Li) nátrium (Na) kálium (K) kalcium (Ca) bárium (Ba) réz (Cu) szín bíborvörös sárga fakóibolya téglavörös sárgászöld zöld

21 Tőzijáték k rakéta Színek: vörös: stroncium-klorid, stroncium-hidroxid stroncium-nitrát zöld: bárium-klorid, kék: réz-oxid, réz-klorid bíbor: réz-klorid + stroncium-klorid lila: stroncium-klorid, lítium-klorid halvány ibolya: kálium-klorid Begyújtás a bal oldalon levı gyújtózsinórral. A motortérben levı feketelıpor égése gázt termel, mely hajtja a rakétát. Ha a feketelıpor elfogy, begyullad a robbanófej: csillagok, stb.

22 Fluoreszcencia (UV fénnyel f besugározva) Kalcit (CaCo 3 ) Gipsz (CaSO 4 ) Fluorit (CaF 2 )

23 Fluoreszcencia (foszforeszcencia( foszforeszcencia) (G. G. Stokes, 1852, fluorit) Néhány anyag UV fénnyel megvilágítva elnyeli az UV sugárzást és helyette látható fényt bocsát ki. Fluoreszcencia: 10-9 s Foszforeszcencia: s Magyarázat: 1. UV foton hatására egy vegyértékelektron magasabb energiájú pályára gerjesztıdik: E UVfoton = E elektron + egyéb gerjesztés. 2. A rendszer az egyéb gerjesztett állapotból relaxálódik. 3. Az elektron visszaugrik az alapállapotba E elektron -nak megfelelı látható tartományba esı foton kisugárzása közben.

24 Radioaktivitás Alfa-bomlás: az atommagból egy hélium atommag (erısen kötött 2 proton és 2 neutron) válik ki. Erısen ionizáló, viszont hatótávolsága levegıben 1 cm alatt van. Béta-bomlás: az atommagban neutronból lesz proton elektron kibocsátása közben (a béta-sugárzás tehát elektronsugárzás). Közepesen ionizáló hatású, hatótávolsága levegıben pár 10 cm. Gamma-bomlás: energia távozik nagy energiájú fotonként. Az elıbbiek kísérıjelensége szokott lenni. Hatótávolsága levegıben praktikusan végtelen, a nagy tömegszámú elemek (általában ólom) nyelik el hatékonyan. Felezési idı: megmutatja, mennyi idı alatt bomlik el a radioaktív magok fele.