a négyosztályos gimnázium 2. és a nyolcosztályos gimnázium 6. osztálya számára Jarmila Kmeťová Marek Skoršepa Peter Mäčko

Átírás

1 a négyosztályos gimnázium 2. és a nyolcosztályos gimnázium 6. osztálya számára Jarmila Kmeťová Marek Skoršepa Peter Mäčko 2012

2 Kémia a négyosztályos gimnázium 2. és a nyolcosztályos gimnázium 6. osztálya számára Jarmila Kmeťová Marek Skoršepa Peter Mäčko 2012

3 Kémia a négyosztályos gimnázium 2. és a nyolcosztályos gimnázium 6. osztálya számára Chémia pre 2. ročník gymnázia so štvorročným štúdiom a 6. ročník gymnázia s osemročným štúdiom Szerzők Autori : doc. RNDr. Jarmila Kmeťová, PhD. RNDr. Marek Skoršepa, PhD. Ing. Peter Mäčko Lektorálták Lektorovali: doc. RNDr. Mária Ganajová, PhD. prof. Ing. Karel Kolář, CSc. doc. RNDr. Miroslav Medveď, PhD. RNDr. Svetozár Štefeček Összeállította Zostavovateľ: doc. RNDr. Jarmila Kmeťová, PhD. Fordította Prekladateľ Mgr. Lacza Tihamér Illusztrációk Ilustrácie: autori, Fotolia, Š. Ferenc, S. Jeleň, Ľ. Suja Jóváhagyta a Szlovák Köztársaság Oktatási, Tudomány- és Kutatásügyi és Sportminisztériuma /51852:4-919 szám alatt, 2012 november 14-én mint kémiatankönyvet a négyosztályos gimnázium 2. és a nyolcosztályos gimnázium 6. osztálya számára. A jóváhagyási záradék 5 évig érvényes. Schválilo Ministerstvo školstva, vedy, výskumu a športu Slovenskej republiky pod č /51852:4-919 zo dňa 14. novembra 2012 ako učebnicu chémie pre 2. ročník gymnázia so štvorročným štúdiom a 6. ročník gymnázia s osemročným štúdiom. Schvaľovacia doložka má platnosť 5 rokov. Minden jog fenntartva. A könyv semmilyen része nem használható, reprodukálható és terjeszthető bármilyen módon és eszközzel, legyen az mechanikai, fotográfiai vagy elektronikus, sem nyomtatott, fénymásolt vagy lejegyzés formájában, esetleg informatikai rendszer közvetítésével stb. a jogtulajdonosok előzetes írásos beleegyezése nélkül. Žiadna časť tejto knihy nesmie byť použitá, reprodukovaná ani šírená akýmkoľvek spôsobom a prostriedkami, či už mechanickými, fotografickými alebo elektronickými a to vo forme tlačenej, fotokópií či záznamov, alebo prostredníctvom informačného systému a pod. bez predchádzajúceho písomného súhlasu majiteľov práv. Kiadó Vydavateľ EXPOL PEDAGOGIKA s. r. o. Nyomda Tlač KASICO, a. s., Bratislava Első kiadás Prvé vydanie, 2012 ISBN

4 Tartalom SZERVETLEN KÉMIA 7 1 s-elemek (Kmeťová, J.) Hidrogén Víz s 1 -elemek s 2 -elemek 22 2 p-elemek (Kmeťová, J.) Alumínium Szén Szilícium Nitrogén Foszfor Oxigén Kén Halogének Nemesgázok 69 3 d-elemek (Kmeťová, J.) Króm Mangán Vas A rézcsoport fémei A cinkcsoport fémei 80 SZERVES KÉMIA 83 4 A szerves anyagok jellemzése és felosztása (Skoršepa, M.) Szén és helye a szerves vegyületek kémiájában Kémiai kötések a szerves vegyületek molekuláiban Egyes és többszörös kötések Vegyérték A kovalens kötések polaritása Képletek a szerves kémiában Szerves vegyületek szerkezete Izoméria A szerves vegyületek felosztása A szerves vegyületek reakciói A szerves vegyületek reakcióinak a leírása A szerves vegyületek reakcióinak a felosztása 95 5 Szénhidrogének Alifás szénhidrogének (Mäčko, P.) Alifás szénhidrogének elnevezése Alkánok Alkének Alkinek Szénhidrogén-lelőhelyek és a szénhidrogének feldolgozása Földgáz Kőolaj Kőszén A szénhidrogének és a fosszilis fűtőanyagok környezeti hatása Aromás szénhidrogének (Skoršepa, M.) 121

5 6 Szénhidrogén-származékok (Skoršepa, M.) A szénhidrogének halogénszármazékai Nitrogéntartalmú szénhidrogén-származékok Aminok Nitrovegyületek Szénhidrogének oxigénszármazékai Hidroxivegyületek Éterek Oxovegyületek Karbonsavak Laboratóriumi gyakorlatok Helyes válaszok 173 Irodalom 178 Magyar-szlovák kisszótár 181

6 Bevezetés A gimnázium egy újabb évfolyamának diákjai lettetek, egy olyan iskoláé, amely általános műveltsége nyújt, és ebbe beletartozik a kémia is. Ez a tankönyv a kémia két szakterületét a szervetlen és a szerves kémiát foglalja össze. Mindegyiknek megvan a maga sajátossága, ami elsősorban a szakszöveg feldolgozásmódjában nyilvánul meg. A szerzők azonban arra törekedtek, hogy a tananyag ebben a tankönyvben érthető és érdekes legyen számotokra. A kémiai ismeretek kiválasztása és feldolgozása ebben a tankönyvben megfelel a négyosztályos és a nyolcosztályos gimnázium számára meghatározott tartalmi követelményeknek. A tankönyv törzsanyagát két alapvető részre osztottuk. A tankönyv első része a szervetlen anyagok szerkezetével és tulajdonságaival, a második része a szerves anyagok szerkezetével és tulajdonságaival foglalkozik. Mindkét rész három alapvető alfejezetre oszlik. Az egyes fejezetekben található ismeretek segítenek benneteket abban, hogy megértsétek a szervetlen és a szerves anyagok összetétele, szerkezete, tulajdonságai és felhasználása közötti összefüggéseket, valamint a kémiai reakciók lefolyásának törvényszerűségeit is. A tananyagot tipográfiailag is megkülönböztettük. A törzsanyag mellett kiegészítő tananyag is található, amelyet egy piktogram jelöl és különbözik a színe és a betű mérete is. Bizonyos fejezetekben olyan törzsanyag-részek is vannak, amelyek tartalmilag a környezetszennyezést és a környezetvédelmet érintik. A szövegben ez zöldaláfestéssel szerepel. A kémiai képletek és a kémiai egyenletek jól kiegészítik a törzsanyagot és rámutatnak az anyagok szerkezetére, valamint az anyagok és a folyamatok sokrétűségére. Az anyagszerkezet jobb szemléltetése és megértése érdekében különböző molekulamodell-típusokat soroltunk be. Minden fejezet végén megtalálható a tananyag összefoglalása, az adott téma legfontosabb ismereteinek összegzése. A fejezetek részét alkotják a kérdések és a feladatok is, amelyek megoldása egyfajta visszajelzése annak, hogy a tananyagban foglaltakat mennyire sikerült megértenetek és a felvetett problémákat megoldanotok. A feladatok helyes megoldásait a tankönyv végén, a 8. fejezetben közöljük. Mivel a kémiai a kísérleti tudományok közé tartozik, a tankönyv elmaradhatatlan részét alkotják az iskolai kísérletek. Hogy besorolhatók-e a tanítási órára, azt a tanár dönti el. Számos közülük tartalmilag alkalmas arra, hogy a diákok hajtsák végre, de vannak olyanok is, amelyeket a tanárnak kell bemutatnia. A tankönyvben szereplő tanulói kísérletek elvégezhetők a tanítási órán, de a laboratóriumi gyakorlatokon is. A tankönyvben azonban van egy olyan fejezet is, amely kizárólag a laboratóriumi gyakorlatokon végzendő kísérletekkel foglalkozik. A laboratóriumi gyakorlatok témáit, illetve a kísérleti feladatok változatait úgy válogattuk meg, hogy kapcsolódjanak tankönyv törzsanyagára, de vegyék tekintetbe a kémiai tanulmányaitok során eddig szerzett készségeket is. Természetesen összhangban állnak a kémiai laboratóriumokra és kémiai anyagokra vonatkozó biztonságvédelmi szabályokkal is. Kiválasztásukat, a számukat és a besorolásukat a tanár határozza meg az iskola adottságai és egyéb tényezők alapján. A tankönyv végén megtaláljátok a kísérletek során és a laboratóriumi gyakorlatokon használt vegyszerek jegyzékét azokkal a jelölésekkel egyetemben, amelyek kategorizálják a vegyszereket a kémiai anyagokra vonatkozó jogszabályok alapján. A felhasznált vegyületek elnevezése összhangban áll az IUPAC nevezéktani bizottság ajánlott szabályaival. Kedves diákok, reméljük, hogy a most kézhez kapott tankönyvvel jól tudtok majd dolgozni és segít benneteket abban, hogy jobban megértsétek a szervetlen és a szerves kémiai ismereteket. Arról is meg vagyunk győződve, hogy a tankönyv hozzájárul majd a kémiatanítás minőségének és hatékonyságának a javításához is. A szerzők,

7 Jelmagyarázat definíció kísérlet ++ kiegészítő tananyag a tananyag összefoglalása kérdések és feladatok Az atomok színe a felhasznált szerkezeti modellekben szénatom hidrogénatom oxigénatom nitrogénatom foszforatom kénatom fluoratom klóratom brómatom jódatom 6

8 SZERVETLEN KÉMIA A kémiai elemek kémiai és fizikai tulajdonságainak a sokrétűsége már előrevetíti az előfordulásuk és a felhasználási lehetőségük nagy fokú változatosságát, valamint fontosságukat az élőlények számára. A földkéreg anyagának több mint 98 %-át nyolc elem alkotja, és ebből több mint 57 %-ot a p-elemek, konkrétan az oxigén, a szilícium és az alumínium vegyületei tesznek ki. A földkéreg jobbára alkáli szilikátokból és alumíniumszilikátokból áll (erről bővebben a 2.1. és a 2.2. fejezetben), a földköpeny a vas és a magnézium szilikátjaiból épül fel, a földmag pedig nagy valószínűséggel vasból és nikkelből áll. Az óceánokban (az atomok számát tekintve) a leggyakoribb elemek az oxigén, a hidrogén, a klór, a nátrium, a magnézium. Az emberi szervezetben ezek a következő (gyakoriságuk sorrendjében): hidrogén, oxigén, szén, nitrogén, nátrium, kálium, kalcium, magnézium, foszfor, kén. 1.1 ábra A földkéreg kémiai összetétele A szervetlen vegyületek a földkéregben jobbára két formában vannak jelen kőzetekként és ásványokként. A kőzet heterogén szervetlen anyagú természeti képződmény, amely egy vagy több ásványból áll. Összetétele nem fejezhető ki kémiai képlettel (pl. a gránit kvarcból, földpátból és csillámból áll). 1.2 ábra Gránit Az ásványok többnyire szervetlen anyagú természeti képződmények vagy terméselemek, amelyeknek nagyrészt egyértelmű belső szerkezetük és specifikus kémiai összetételük van, amely gyakran változó, függ pl. a lelőhelytől. Az ásvány összetételét vegyjellel vagy kémiai képlettel fejezhetjük ki. A szervetlen anyagok mellett bizonyos szerves természeti anyagokat (pl. a kőszenet) is besorolnak az ásványok közé. Azokat az ásványokat, amelyeket fémek gyártására használnak, érceknek nevezik (pl. hematit, galenit). 7

9 Az ásványoknak normális körülmények között szabályos szerkezetük van, kristályokként fordulnak elő. A kristályszerkezet ismerete nagyon fontos az ásványok kémiai és fizikai tulajdonságainak a feltárása szempontjából. Az ásványkristályokat mindenekelőtt az ékszergyártásban széles körben alkalmazzák. Olyan ékszerekben találhatók, amelyek pénzben kifejezhető értéke sokszor rendkívül nagy. A földkéregben mintegy ásvány fordul elő, de közülük csak 200 számottevően kőzetalkotó ásvány. 1.3 ábra A halit (NaCl) kristályszerkezete és kristálya Az emberi szervezetben előforduló elemek kapcsán gyakran hallhatjuk a biogén elem fogalmát. A biogén elemek azok, amelyek nélkülözhetetlenek az élőlények felépítésénél és életműködésük biztosításánál. A biogén elemek két csoportját különböztetjük meg, ezek a következő sémában találhatók. Legfontosabbak a makroelemek, amelyeket alapvető biogén elemeknek is neveznek és az élőlényekben döntő szerepet játszanak. Különböző természetes anyagok: lipidek, szénhidrátok, fehérjék és nukleinsavak alkotórészei. BIOGÉN ELEMEK Makroelemek mindegyik az élőlény teljes tömegének több, mint 0,005 %-át alkotja C, H, O, N, P, S alapvető biogén elemek (mindegyik az élőlény teljes tömegének több, mint 0,1 %-át alkotja) Ca, Mg, Na, Cl, K, Fe Mikroelemek valamennyi az élőlény teljes testtömegének kevesebb, mint 0,005 %-át alkotja, csak nyomokban fordulnak elő a szervezetben Cu, Zn, Mn, I, Co, Mo, B, F, Br, Se, As, Si, Li, Al, Ti, V 1.4 ábra A biogén elemek felosztásának sémája A szervetlen kémia további részeiben néhány kiválasztott elemmel és elemcsoporttal fogunk foglalkozni. 8

10 s-elemek 1 s-elemek A kémiából az előző évfolyamban tanultakból már tudjátok, hogy a periódusos táblázatban (EPR) az elemeket többféle szempont alapján csoportosíthatjuk. Aszerint, hogy milyen típusú atomi elektronpályákat (orbitálokat) alkotnak az atomok vegyértékelektronjai, megkülönböztetünk s, p, d és f elemeket. Az s-elemek közé tartoznak azok, amelyek atomjaiban a vegyértékelektronok csak az s elektronpályákon találhatók. Ezek a periódusos rendszer 1. csoportjának (s 1 -elemek), a 2. csoportjának (s 2 -elemek) elemei és a hélium (1.5 ábra) s-elemek 1.5 ábra Az s-elemek elhelyezkedése az EPR-ben Ha összehasonlítjuk az s-elemek tulajdonságait, megállapíthatjuk, hogy a hidrogén és a hélium tulajdonságai a többi elemtől jelentősen eltérnek. A hélium a nemesgázokra jellemző tulajdonságokat mutat. A hidrogén számos, a kémiai kötésének módjából adódó tulajdonsága megkülönbözteti egyrészt az alkálifémektől és a halogénektől is, ezért logikusnak tűnik, hogy a helyét az elemek periódusos rendszerében (EPR) kivételesnek tekintsük, és külön foglalkozzunk vele. 1.1 Hidrogén A hidrogén az EPR első tagja, a legegyszerűbb kémiai elem. Atomjainak elektronszerkezete alapállapotban 1 s 1, a tömege és az atomi sugara a legkisebb. Három hidrogénizotóp ismert, ezek az atommagban található neutronok számában különböznek. A prócium 1 1 H (könnyű hidrogén), a deutérium 2 1 H (D, nehéz hidrogén) és a trícium 3 1 H (T, radioaktív). 1.1 táblázat A hidrogén alapvető jellemzői Az elem vegyjele Magyar neve Z Moláris tömeg/ g mol 1 Az atom elektronszerkezete Elektronegativitás (Pauling) Olvadáspont/ C Forráspont / C Oxidációs szám H Hidrogén 1 1s 1 2,2 1, ,14 252,87 I, I 1.6 ábra A hidrogénmolekula modelljei 9

11 A hidrogén fizikai és kémiai tulajdonságai A hidrogén (H 2 ) színtelen, szagtalan gáz, kétatomos molekulákból áll, a hidrogénatomok között egyes kötés van. Ez a legkönnyebb gáz. A vízben csekély mértékben oldódik. A hidrogént ugyanakkor bizonyos fémek (Mg, Ni, Pd, Pt) vagy ötvözetek nagyon jól elnyelik, amit tárolás céljából vagy a hidrogén-üzemanyagú gépkocsikban hasznosítanak. (1.7 ábra) FÉM 1.7 ábra Hidrogéngáz a fém szerkezetében A hidrogénatomok közönséges körülmények között labilisak. Stabilisabb elektronszerkezetre tesznek szert a következő módokon: poláris (HCl) vagy apoláris (H 2 ) kovalens kötést létesítve, kis elektronegativitású atomtól elektront elvonva H anion képződése közben, elektront lehasítva H + kation képződése közben, amely nem állandó és könnyen kapcsolódik egy szabad elektronpárt tartalmazó molekulához, például: víz oxónium kation A H 2 molekulákból álló szabad hidrogén a hidrogénatomok közötti nagy kötési energia következtében kevéssé reakcióképes. A molekuláris hidrogén ezért a legtöbb elemmel csak magasabb hőmérsékleten, besugárzást követően vagy katalizátor jelenlétében reagál. Bizonyos arányban a hidrogén az oxigénnel robbanóelegyet alkot. A hidrogén és az oxigén égésének reakciója nagyon exoterm, víz keletkezik és nagy mennyiségű hő szabadul fel. H < 0 Ezt a kémiai reakciót hasznosítják a hidrogén-oxigén lángban a fémek vágására. Mivel a hidrogén robbanóelegyet alkot, ezt a tulajdonságát a rakéták hajtómotoraiban alkalmazzák. Magasabb hőmérsékleten és katalizátorok jelenlétében a hidrogén egyesül a nitrogénnel, miközben ammónia keletkezik. Ebből aztán például salétromsavat, nitrogéntrágyákat állítanak elő (2. fejezet). H < 0 A hidrogénmolekuláknál (H 2 ) sokkal reakcióképesebbek a hidrogénatomok (H). Amikor a hidrogén reakciói során keletkeznek, redukáló tulajdonságaik érvényesülnek. 10

12 s-elemek KIEGÉSZÍTŐ TANANYAG ++ A hidrogénatom nagyobb reakcióképessége és oldékonysága bizonyos fémekben lehetővé teszi, hogy ezeket a fémeket katalizátorokként alkalmazzák. Ezeknek a fémeknek (Pd, Pt stb.) a jelenlétében a hidrogén reakciói gyorsabban mennek végbe. KÍSÉRLET Réz(II)-oxid reakciója hidrogénnel Spirális alakú rézhuzalt behelyezünk a spirituszégő lángjába és megvárjuk, amíg fekete réz(ii)-oxid bevonat nem képződik rajta. Az izzó spirált ezután belemerítjük a képződő hidrogéngázba és megfigyeljük. A réz redukálódik a réz(ii)-oxidban és a spirál ismét vörösesbarna színű lesz. Hidrogén előállítása A hidrogént laboratóriumi körülmények között leggyakrabban valamilyen közönséges fém és savak vagy hidroxidok reakciójával állítják elő. A hidrogént ezzel a módszerrel a Kipp-készülékben (1.8 ábra) állíthatjuk elő, amelynek előnye a gáz folyamatos fejlesztése, a folyamat félbeszakíthatósága és az egyszerű kezelés. Zn HCl H ábra Kipp-készülék A hidrogént laboratóriumban alkálifém vagy alkáli földfém és víz reakciójával is előállíthatunk. A reakció exoterm. 11

13 KÍSÉRLET Hidrogén előállítása és kimutatása Előkészítünk egy gázfogó berendezést (1.9 ábra). Néhány cinkszemcséhez a választótölcsérből sósavoldatot csepegtetünk (w = 0,2). A keletkező hidrogént felfogjuk egy megfordított kémcsőben, amelynek a nyílása a víz alatt van. A hidrogénnel töltött kémcsőt ezután nyílásával a gázégő lángjához tartjuk és megfigyeljük a hidrogén reakcióját. 1.9 ábra Gázfejlesztő és gázfogó készülék A hidrogén felfogásának legegyszerűbb módja, ha 2 kémcsövet nyílásukkal lefelé egymás föle helyezzük. KIEGÉSZÍTŐ TANANYAG ++ A hidrogén iparilag több módszerrel is előállítható: kőolajból és földgázból nyert telített szénhidrogének bontásával, pl. a metán hőbontásával, a vízgőz és izzó szén (koksz) reakciója során ún. vízgáz keletkezik (hidrogén és szén-monoxid keveréke), H > 0 nátrium-klorid vizes oldatának elektrolízisével. A hidrogén előfordulása és jelentősége A hidrogén a leggyakoribb elem az egész világűrben (az összes atom 91 %-a hidrogénatom) és a harmadik leggyakoribb elem a Földön (az oxigén és a szilícium után az atomok számát tekintve). Előfordul szabad állapotban (a csillagok gázburkában) és vegyületekben lekötve. A hidrogén legnagyobb mennyiségben a vízben lekötve található, amely a földfelszín háromnegyed részét alkotja. A hidrogén a makrobiogén elemek közé tartozik. Az élőlényekben szervetlen vegyületekben (H 2 O, HCl stb.) és szerves vegyületekben (fehérjék, szénhidrátok, lipidek stb.) lekötve fordul elő. A szerves vegyületekben található hidrogén átvitele az oxigénre fontos energiatermelő folyamat az élőlényekben. Erről majd a következő évfolyamban többet is megtudhattok a kémiaórákon. A hidrogén fontos ipari nyersanyag is. Az előállított hidrogén mintegy 80 %-át az ammóniaszintézisnél, valamint a szerves szintéziseknél hasznosítják. Kiindulási nyersanyag a metanol szén-monoxidból történő előállításánál és a szintetikus benzin gyártásánál. A hidrogén fontos redukálószer. A hidrogénezés (hidrogenizáció, hidrogenizálás) folyamata elválaszthatatlan része a vegyiparnak, a gyógyszeriparnak és az élelmiszeriparnak. A hidrogént piros sávval jelölt nyomásos tartályokban (gázpalackokban) tárolják és szállítják. 12

14 s-elemek 1.2 Víz A hidrogén és az oxigén leggyakoribb és legjelentősebb vegyülete a víz. Három halmazállapotban fordul elő: gáznemű (vízgőz), cseppfolyós (esőcseppek) és szilárd (jég, hópelyhek) halmazállapotban. A víz része a légkörnek, a talajnak, a kőzeteknek és valamennyi élőlénynek. A földi élet szempontjából a víz nélkülözhetetlen. A víznek biológiai, egészségi, kulturális és esztétikai funkciója van. KIEGÉSZÍTŐ TANANYAG ++ Az emberi szervezet % vizet tartalmaz, amelynek jelentős része a vért alkotja, de megtalálható a sejtek belsejében levő és a sejtközi állomány folyadékaiban is (pl. limfa nyirok). A szervezetből a légzés során, a verejtékkel vagy a vizeléssel folyamatosan távozik. Ezért nagyon fontos a szervezet számára, hogy rendszeresen pótolja a vizet. Ha nem kielégítő a folyadék-utánpótlás, bekövetkezhet a szervezet dehidratálódása, amelynek tartós egészségi következményei lehetnek (a krónikus vízhiány károsítja a vesét). A szervezet akkor is dehidratálódhat, ha meleg környezetben, a napon tartózkodunk vagy hasmenéssel járó betegségben szenvedünk. Az ember testét dehidratálhatják a vízhajtó hatású anyagok, pl. a koffein vagy az alkohol. A szervezet vízhiánya az embernél szomjúság és fejfájás formájában jelentkezik. Az elégtelen vízbevitel hoszszabb távon a bőr kiszáradásában és ráncképződésben nyilvánul meg. A kellő vízbevitel segíti a szervezetben felgyülemlett káros anyagcseretermékek és méreganyagok (alkohol stb.) sokkal gyorsabb kiürítését. Egy felnőtt embernek napi 2-3 liter, C optimális hőmérsékletű tiszta vizet kellene meginnia. Előnyösebb volna szén-dioxidmentes víz fogyasztása ábra A Föld vízburka 99 % tenger, óceán és jégtakaró, 0,7 % felszínalatti víz, 0,2 % folyók, tavak A víz fizikai és kémiai tulajdonságai A víz normális körülmények között színtelen, íztelen és szagtalan folyadék. Olvadás- és forráspontja (0 C és 100 C) a Celsius hőmérsékleti skála két alappontja. Ha a víz megfagy, megnő a térfogata (majdnem 10 %-kal). A jég úszik a vízen, mert kisebb a sűrűsége mint a cseppfolyós vízé. A víz sűrűsége a hőmérsékletétől függ. A legnagyobb a sűrűsége 3,98 C-on, = 1,00 g.cm 3, ami lehetővé teszi az élőlények túlélését a tengerekben és az óceánokban szélsőségesen alacsony légköri hőmérsékleteken is ( a víz anomáliája ). A víz különlegessége a molekuláinak a tulajdonságaival kapcsolatos. A vízmolekula az oxigén- és a hidrogénatomok jelentősen eltérő elektronegativitása miatt erősen poláris. A víz ezért is jó oldószere a poláris anyagoknak. A különleges tulajdonságok magyarázata a molekuláit összekapcsoló hidrogénhidak jelenléte. A hidrogénhidak (hidrogénkötések) nemcsak befolyásolják a víz tulajdonságait, hanem az olyan fontos biológiai anyagok szerkezetét is, mint a fehérjék vagy a nukleinsavak. A hidrogénhidak létezésével vagy a vízzel összefüggő mennyiségekkel és állandókkal (a víz ionszorzata, az anyagok oldhatósága, oldékonysági szorzat stb.) már megismerkedhettetek a múlt tanévben a kémiaórákon. 13

15 A víz sok anyaggal lép reakcióba (pl. az alkálifémekkel és az alkáli földfémekkel ez a reakció nagyon heves), de reakciótermékként is ismert (pl. a közömbösítés során), és nagyon sok anyag oldószere is; sokszor a víz biztosítja a reakcióközeget (anyagok oldatai) stb ábra A vízmolekula modelljei A víz keménysége A vízben oldott sótartalom alapján megkülönböztetünk lágy és kemény vizet. A víz keménységét főleg a kalcium és a magnézium bizonyos sói okozzák. Megkülönböztetünk: változó vízkeménységet ezt mindenekelőtt a kalcium-hidrogén-karbonát és a magnézium- -hidrogén-karbonát megemelkedett mennyisége okozza. állandó vízkeménységet ezt mindenekelőtt a kalcium-szulfát és a magnézium-szulfát megemelkedett mennyisége okozza. A kétfajta keménység adja a víz összkeménységét. A kemény víz nemcsak a háztartásokban, hanem az iparban sem alkalmas felhasználásra. A benne levő sók okozzák az ún. vízkő képződését (1.12 ábra), amelyet olykor kazánkőnek is neveznek. Míg a változó vízkeménységet főzéssel eltávolíthatjuk, az állandó vízkeménységet nem. A változó vízkeménység eltávolításának a lényege az oldódó hidrogén-karbonátok átalakítása oldhatatlan karbonátokká, amelyek vízkő formájában kiválnak. Ezt a folyamatot a következő reakció fejezi ki: 1.12 ábra Vízkő A víz keménységét csökkenthetjük vagy eltávolíthatjuk, ha nátrium-karbonátot (szódát) adunk hozzá, amikor a karbonát-anionok reakcióba lépnek a víz keménységét okozó kalcium-kationokkal és oldhatatlan kalcium-karbonát keletkezik. A kalcium-karbonátot a vízkőt egyszerűen el lehet távolítani citromsav vagy ecetsav (ecet) hozzáadásával, miközben a szerves savak vízben oldódó kalciumsója keletkezik. 14

16 s-elemek KIEGÉSZÍTŐ TANANYAG ++ A víz lágyítására vagy a (változó vagy állandó) keménységének az eltávolítására használják az ún. ioncserélőket, amelyek tulajdonságaiknak köszönhetően megkötik a víz keménységét okozó nemkívánatos anyagokat. Ezen az elven működnek a háztartásokban is nagyon kedvelt vízszűrő kancsók (1.13 ábra) vagy a vízcsaptelephez közvetlenül kapcsolódó szűrők. Használatosak olyan kiegészítők is, amelyek az ozmózis elvén működnek, ezeket közvetlenül az egyes lakásokba vagy az egész lakóházba bevezetendő vízvezeték csövére szerelik ábra A víz lágyítására szolgáló szűrővel felszerelt kancsó A vizek fajtáit különböző szempontok alapján osztályozhatjuk. Például: eredetét tekintve megkülönböztetünk légköri vizet (vízpára és csapadékvíz), felszíni vizet (tengervíz és kontinentális víz) és felszín alatti vizet (közönséges víz, ásványvíz). a felhasználás célját tekintve megkülönböztetünk ivóvizet, háztartási és ipari vizet (pl. a virágok öntözésére használják) és üzemi vizet (speciális célokra használják, pl. desztillált víz). a felhasznált víz megnevezése szennyvíz (ipari víz, mezőgazdasági víz). Az ivóvíz fogyasztásra szolgál, tehát ivásra, főzésre. Különböző mennyiségű szervetlen sókat, oldott gázokat (levegőt, oxigént, szén-dioxidot), humin anyagokat, mint ahogyan bizonyos számú baktériumot is tartalmaz. Az ivóvízben előforduló anyagok koncentrációjának eleget kell tennie az előírások által megszabott minimális értéknek. Egészségügyi szempontból kifogástalannak, szagtalannak kell lennie. Az ivóvíz kifogástalan minőségét kémiai és bakteriológiai szempontból is tesztelik. A felszín alatti és a felszíni vizekből utókezeléssel nyerik. A tengermelléki országokban a tengervíz kezelésével is nyernek ivóvizet. A desztillált víz szinte valamennyi oldott anyagtól megfosztott víz. Leggyakrabban desztillálással állítják elő, de speciális szűrök segítségével is. Mindenekelőtt a vegyiparban, a gyógyszergyártásban és a laboratóriumokban alkalmazzák. A mindennapokban pl. a gépjárművek hűtőiben, bizonyos gőzvasalókban használják. A desztillált víz nem alkalmas fogyasztásra. Az ásványvíz az ivóvízhez képest nagyobb koncentrációban tartalmaz szervetlen sókat. Az ásványianyag-tartalom alapján az ásványvizek lehetnek a gyengén ásványosaktól kezdve a nagyon erősen ásványosakig különböző félék. Az oldott gázok és sók típusa alapján az ásványvizek lehetnek szénsavasak, kénesek, jódosok és egyebek. A szennyvíz az iparban, a mezőgazdaságban, a háztartásokban, a kórházakban, a laboratóriumokban stb. keletkezik. A szennyvizet a szennyvíztisztító művekben tisztítják. A nagy vállalatoknak saját szennyvíztisztítóik vannak. A községek a legközelebbi szennyvíztisztító üzembe vezetik a szennyvizet. Az Európai Unió jelenleg érvényes rendelete értelmében minden 10 ezernél nagyobb lélekszámú városnak saját szennyvíztisztító művet kell létesítenie. Ma már a szennyvíztisztító berendezések a háztartásokban is megszokottak. A fejlett országokban a nagy folyók vagy tavak vizének jó öntisztulási képessége ellenére a szennyvizet a szennyvíztisztítókban előbb megtisztítják és csak ezt követően juttatják vissza a természetbe. 15

17 1.14 ábra Szennyvíztisztító mű Kassán (Košice) A tisztítóműből kiengedett víz nem lehet környezeti szempontból veszélyes. A szennyvíztisztítókban három szinten tisztítják a vizet: mechanikusan (a zagy ülepítésével), a szennyeződések mechanikus úton történő eltávolítása, kémiailag (az oldott nemkívánatos anyagok közömbösítése), biológiailag (mikroorganizmusokkal történő tisztítás). A vízszennyezés A víz minőségét sok tényező determinálja. A szennyezés kialakulásáért az ipar, a mezőgazdaság, a közlekedés és más emberi tevékenység felelős. A víz minőségét elsősorban lerontó tényezők: különböző kémiai anyagok nitrátok (túlzott trágyázás), foszfátok (tisztítószerek), kőolajszármazékok, nehézfémek ionjai, radioaktív hulladék, szennyvizek, a cellulóz- és a papírgyártásnál keletkező szennyeződések környezetbe jutása (immisszió). A felszíni és a felszín alatt vizek szennyezésének az okai nemritkán a hulladéklerakók, amelyek építése technológiai szempontból nem volt teljesen rendben. A helytelen szigetelés következtében a káros anyagok előbb a talajba, majd a vízbe kerülnek. Projekttéma-javaslatok: 1. Kidolgozni egy szennyvíztisztító mű modelljét a városotok, községetek számára. 2. A víz egy konkrét anyaggal történt szennyeződésének negatív következményei. 3. Kiértékelni a sótartalmat különböző ásványvízfajtákban és hatásukat az emberi szervezetre. A TANANYAG ÖSSZEFOGLALÁSA A hidrogén a legegyszerűbb kémiai elem. A leggyakoribb elem a világűrben és a harmadik leggyakoribb elem a Földön (az atomok száma alapján). A hidrogén a legkönnyebb gáz. Színtelen és szagtalan. A szabad hidrogén kétatomos hidrogénmolekulaként (H 2 ) fordul elő, amely csak kis mértékben reakcióképes. Sokkal reakcióképesebb az atomos hidrogén (H). Hidrogént laboratóriumban például egy közönséges fém és sav, vagy egy alkálifém és víz reakciójával állíthatunk elő. A hidrogén a makrobiogén elemek közé tartozik. Kiindulási nyersanyagként használják, mindenekelőtt ammónia előállítására, továbbá mint rakéta-üzemanyagot vagy mint redukáló szert. 16

18 s-elemek A víz a hidrogén és az oxigén leggyakoribb és legfontosabb vegyülete. A víz a földi élet szempontjából nélkülözhetetlen. Fontos oldószer, reakciók kiindulási anyaga, reakciótermék és reakcióközeget is biztosít számos anyag és reakció számára. A víz változó keménységét a kalcium-hidrogén-karbonát és a magnézium-hidrogén-karbonát okozza. A víz állandó keménységét a kalcium-szulfát és a magnézium-szulfát okozza. Forralással nem távolítható el. KÉRDÉSEK ÉS FELADATOK 1. Válasszátok ki a helyes állítást. A hidrogénatom: a) egy elektron lehasadásával kation, egy elektron felvételével anion keletkezik, b) valamennyi atom közül a legkisebb a tömege és a sugara, c) valamennyi elem közül a legkisebb az elektronegativitása, d) mindig csak egy protont és egy elektront tartalmaz. 2. A természetben a hidrogén három izotóp keverékeként fordul elő. Tüntessétek fel a táblázatban ezeknek a triviális neveit és egészítsétek ki az elemi részecskék számát 1 1 H 2 1 H 3 1 H Triviális név p + n e 3. Válasszátok ki a helyes állításokat. A hidrogén: a) a leggyakoribb elem a Föld légkörében, b) a legkisebb sűrűségű gáz, c) az összes gáz közül a legkisebb az olvadás- és a forráspontja, d) használható szintéziseknél, hidrogénezésnél és fűtőanyagként is A hidrogén színtelen, íztelen és szagtalan gáz. Hányszor könnyebb a hidrogén a levegőnél, ha a levegő közepes relatív molekulatömege 29? 5. Mi volt a leggyakoribb oka a léghajós személyszállítás során (pl. a Zeppelin léghajónál) történt szerencsétlenségnek? 6. A hidrogént besorolhatjuk az EPR 1. és a 17. csoportjába is, mivel nemcsak az alkálifémek tulajdonságaival rendelkezik, hanem a halogénekével is. Az alkálifémekével azonos a vegyértékhéjának elektronszerkezete. A halogénekhez abban hasonlít, hogy elektronszerkezete a legközelebbi nemesgázéhoz közelít, képes H anionok létrehozására, illetve stabilis kétatomos H molekulák kialakítására. a) Írjátok le a H + és a H ionok elektronszerkezetét. b) Állapítsátok meg a protonok és az elektronok számát ezekben az ionokban. 7. Magyarázzátok meg, miért oldódik a hidrogén olyan rosszul a vízben, míg a hidrogén-klorid nagyon jól oldódik? 8. Az információforrásokban keressétek meg annak a vegyésznek a nevét, aki felfedezte a hidrogént. 9. Kémiai reakcióval írjátok le a víz állandó keménységét megszüntető vagy lágyító folyamat lényegét, amikor nátrium-karbonátot adunk hozzá. 10. Kémiai reakcióval írjátok le a vízkő ecettel, az ecetsav vizes oldatával (w = 0,08) történő eltávolításának lényegi folyamatát. 11. Az információforrásokban keressétek meg az ajánlott kalcium- és magnézium-koncentrációt az ivóvízben, és azt is, milyen egységekben fejezik ki a víz keménységét. 17

19 1.3 s 1 -elemek Az EPR 1. csoportjának elemeit a hidrogén kivételével alkálifémeknek nevezzük. Ide tartozik: a lítium, a nátrium, a kálium, a rubídium, a cézium és a radioaktív francium. Atomjaik legkülső elektronhéján egy vegyértékelektron található az s elektronpályán. Ezeknek a fémeknek a csoportja onnan kapta a nevét, hogy az elemi fémek a vízzel alkáliák lúgok, bázisok képződése közben reagálnak, és régebben oxidjaikat és hidroxidjaikat alkáliáknak nevezték. Ezeknek a fémeknek a tulajdonságairól már tanultatok. Ismeritek a fémes kötés lényegét, a fémek elektrokémiai feszültségsorát (Becket-sor), de a nátrium és a kálium és vegyületeik tulajdonságait is. 1.2 táblázat Az alkálifémek legfontosabb jellemzői Az elem vegyjele Magyar elnevezés Z Az atomok elektronszerkezete Elektronegativitás (Pauling) Moláris tömeg/ g mol 1 Olvadáspont/ C Sűrűség/ g cm 3 Oxidációs szám Li Lítium 3 [He]2s 1 1,0 6,94 180,5 0,53 I Na Nátrium 11 [Ne]3s 1 0,9 22,99 97,72 0,97 I K Kálium 19 [Ar]4s 1 0,8 39,10 63,38 0,86 I Rb Rubídium 37 [Kr]5s 1 0,8 85,47 39,31 1,53 I Cs Cézium 55 [Xe]6s 1 0,8 132,91 28,44 1,93 I Fr Francium 87 [Rn]7s 1 0, ,85 1,87 I Az alkálifémek fizikai és kémiai tulajdonságai Az alkálifémek atomjaiban a vegyértékelektron csak gyengén kötődik (az ionizációs energia értéke csekély), ezért könnyen leadják és készségesen képeznek kationokat. Vegyületeikben az alkálifémek oxidációs száma I. Mivel a fémes kötésben minden atom csak egy elektronnal vesz részt, ezek az ezüstösen csillogó fémek puhák és késsel vághatók. Az 1.2 táblázat alapján egyszerűen megállapíthatjuk, hogy az alkálifémek sűrűségértéke kicsi (közülük jó néhány könynyebb a víznél) és alacsony az olvadáspontjuk is. Az alkálifémek jól vezetik az elektromos áramot és a hőt. Elektronegativitás értékük valamennyi elem közül a legkisebb. Néhány lítiumvegyület kivételével vegyületeiket ionosoknak tekinthetjük. Az alkálifémek legtöbb sója a vízben oldódik ábra Nátrium Az összes fém közül az alkálifémek a legaktívabbak. Reakcióképességük a csoporton belül az emelkedő rendszámmal arányosan nő. A csoportokban felülről lefelé nő az atomsugár. Minél nagyobb az atom, annál messzebb helyezkedik el az atommagtól a vegyértékelektron és ennek megfelelően gyengébben is kötődik hozzá. Legreakcióképesebb a cézium, amely a legerősebb bázist képezi a cézium- -hidroxidot (CsOH). 18

20 s-elemek A rendkívüli reakcióképességük miatt az alkálifémeket a levegőtől elzárva, leggyakrabban petróleumban tárolják, de benzint is használnak erre. A hidrogénhez hasonlóan, készségesen képeznek kationokat, az alkálifémek erős redukálószerek. Az alkálifémek a lítium kivételével a vízzel hevesen, sőt robbanásszerűen reagálnak. A nátrium a víz színén gyorsan mozog, a kálium meggyullad, a rubídium és a cézium robbanásszerűen reagálnak. A reakció során az adott fém hidroxidja képződik és hidrogén szabadul fel ábra A nátrium és a víz reakciója KÍSÉRLET A nátrium és a víz reakciója, avagy a nátrium-jojó Egy üveghengerbe 1:1 arányban két nem keveredő folyadékot öntünk, amelyek közül az egyik víz, a másik pedig egy víznél kisebb sűrűségű folyadék, a legmegfelelőbb az n-hexán vagy a toluol. A hengerbe egy borsószem nagyságú megtisztított nátriumdarabkát dobunk és megfigyeljük. A nátrium áthalad a szerves oldószer rétegén és a két folyadék határához ütközve ismét kilökődik a felszín irányába. A kísérlet elve a nátrium és a víz heves reakcióján alapul. A keletkező hidrogén egy része gázbuborékok formájában megtapad a nátrium felületén, és ennek következtében a nátrium elindul felfelé egészen a felszínig. A buborékok fokozatosan elszakadnak és távoznak, mire a nátrium ismét süllyedni kezd a két folyadék határához és a folyamat addig ismétlődik, amíg a nátrium elfogy. A kísérlet elnevezése onnan ered, hogy a nátrium mozgása a jojó játékra emlékeztet. A nátrium-hidroxid képződését is egyszerűen kimutathatjuk, ha néhány csepp fenolftaleint adunk a vízhez. A keletkező hidroxid hatására a víz lilás színt kap. A nátrium és a víz reakcióját egy kis üvegkádban is megvalósíthatjuk, amikor a nátrium behelyezése előtt kevés fenolftaleint cseppentünk a vízbe (1.16 ábra). KIEGÉSZÍTŐ TANANYAG ++ Az alkálifémek közvetlenül reagálnak a levegő oxigénjével, levegőn állva az oxidáció termékei borítják be őket (az oxigén mellett a légköri nedvességgel és a szén-dioxiddal is reagálnak). Az alkálifémek égésekor lítium-oxid, nátrium-peroxid, kálium-, rubídium-, esetleg cézium-hiperoxid keletkezik. A halogénekkel, a kénnel és a hidrogénnel ugyancsak reakcióba lépnek. Az alkálifémek analitikai szempontból fontos tulajdonsága a vegyületeik sajátos lángfestése. A láng színtelen tartományát a lítiumvegyületek kárminvörösre, a nátriumé sárgára, a káliumé téglavörösre, a rubídiumé ibolyára, a céziumvegyületek pedig kékre festik (1.17 ábra). 19