SZERVETLEN KÉMIA (Földtudomány BSc)

Méret: px

Mutatás kezdődik a ... oldaltól:

Download "SZERVETLEN KÉMIA (Földtudomány BSc)"

Klára Kissné
5 évvel ezelőtt
Látták:

1 SZERVETLEN KÉMIA (Földtudomány BSc)

3 Csillagok fejlődése

4 A kémiai elemek keletkezése: nukleoszintézis magreakciók típusai Exoterm reakciók: Hidrogénégés proton-proton láncreakció CNO ciklus He-égés C(O,Ne)-égés α-folyamat e-folyamat Neutronbefogásos reakciók: s-folyamat (slow, lassú neutronbefogás) r-folyamat (rapid, gyors neutronbefogás) Egyéb reakciók: p-folyamat (protonbefogás) x-folyamat (kozmikus sugárzás-befogás)

5 A kémiai elemek keletkezése: nukleoszintézis H-égés proton proton láncreakció 1 H + 1 H 2 H + e + + ν e + 0,42 MeV e + + e 2γ + 1,02 MeV 2 H + 1 H 3 He + γ + 5,49 MeV 1.ág 3 He + 3 He 4 He + 1 H + 1 H+ 12,86 MeV 2. ág 3 He + 4 He 7 Be + γ 7 Be + e 7 Li + ν e 7 Li + 1 H 4 He + 4 He 3. ág 3 He + 4 He 7 Be + γ 7 Be + 1 H 8 Be + γ 8 B 8 Be + e + + ν e 8 Be 4 He + 4 He Naptömegű és könnyebb fősorozatbeli csillagokban domináns (Napban ~ 90%), kb K és 1, K között Első lépés a leglassabb (sebességmeghatározó): ~10 10 év felezési idő, míg a második lépés felezési ideje mindössze 0,6 s Bruttó egyenlet (az 1. ágra): 4 1 H 4 He + 2e + + 2ν e + 26,72 MeV A Napban 1 s alatt kg 1 H konvertálódik át, ebből 0,7% tömeg energia konverzió A γ sugárzás kb év alatt jut ki a felszínre, eközben különféle kölcsönhatások következtében csökken az energiája (nő a hullámhossza) 4. ág 3 He + 1 H 4 He + ν e + e +

6 CNO ciklus Főág A kémiai elemek keletkezése: nukleoszintézis H-égés 12 C + 1 H 13 N + γ +1,95 MeV 13 N 13 C + e + + ν e +1,37 MeV 13 C + 1 H 14 N + γ +7,54 MeV 14 N + 1 H 15 O + γ +7,35 MeV 15 O 15 N + e + + ν e +1,86 MeV 15 N + 1 H 12 C + 4 He +4,96 MeV Mellékág (0,04 %) 15 N + 1 H 16 O + γ 16 O + 1 H 17 F + γ 17 F 17 O + e + + ν e 17 O + 1 H 14 N + 4 He Nehéz, fősorozatbeli csillagokban domináns, 1, K fölött 4 He és γ részecskék keletkezése (+ neutrino és pozitron) C, N és O katalizátor: visszatermelődnek 10 % H elégése után összehúzódás: hőmérséklet K -re ugrik

7 A kémiai elemek keletkezése: nukleoszintézis He-,C-égés He-égés (Hármas a-folyamat) 4 He + 4 He 8 Be 8 Be + 4 He 12 C + γ + 7,367 MeV Nettó reakció: 3 4 He 12 C + γ + 7,275 MeV További reakciók: 12 C + 4 He 16 O + γ + 7,148 MeV 16 O + 4 He 20 Ne + γ + 4,75 MeV 20 Ne + 4 He 24 Mg + γ + 9,31 MeV 24 Mg + 4 He 28 Si + γ Vörös óriásokban, K és K közötti hőmérsékleten 16 O keletkezéséig nagy valószínűséggel, utána kevésbé 8 Be és 2 4 He között kicsi az energiakülönbség egyensúly C-égés 12 C+ 12 C 24 Mg+ γ + 13,85 MeV 23 Mg + n 23 Na+ 1 H + 2,23 MeV 20 Ne+ 4 He + 4,62 MeV 16 O He Csak nagyon nagy tömegű csillagokban, K feletti hőmérsékleten

8 A kémiai elemek keletkezése: nukleoszintézis α-és e-folyamat a-folyamat 20 Ne + γ 16 O + 4 He 4,75 MeV 20 Ne + 4 He 24 Mg + γ +9,31 MeV Nettó: 2 20 Ne + 4 He 16 O + 24 Mg + γ +4,56 MeV Fehér törpékben, 10 9 K hőmérsékleten Hasonlóan: 28 Si, 32 S, 36 Ar, 40 Ca e-folyamat Fősorozatbeli, nagy (1,4 3,5) naptömegű csillagok robbanásakor (szupernova robbanás) K körül elemi részecskék lehetséges kapcsolódásának statisztikus egyensúlya Ti Cu elemek, különösen a legstabilabb 56 Fe, szintézise

9 A kémiai elemek keletkezése: nukleoszintézis s- és r-folyamat s-folyamat Neutronok forrása a (Napnál nagyobb) csillagban végbemenő folyamatok β-bomlásnál (elektron kibocsátás) leggyakrabban lassabb, ezért β-bomló izotópoknál nem jut tovább: 209 Bi + n 210 Bi + γ 210 Bi 210 Po+ β 210 Po 206 Pb + α A= (pl. 89 Y, 90 Zr, 109 Ba, 140 Ce, 208 Pb, 209 Bi) és az α-folyamatban nem keletkező A=23 46 izotópok szintézisének fő útja r-folyamat Neutronok forrása szupernova robbanások, T~10 9 K β-bomló izotópoknál tovább juthat Neutronban gazdag izotópok szintézise pl. 36 S, 46 Ca, 48 Ca, illetve nehéz, instabil izotópok, pl. 232 Th Az utóbbiak relatív mennyisége lehetőséget ad a Naprendszer korának becslésére

A kémiai elemek keletkezése: nukleoszintézis p- és x-folyamat p-folyamat Szupernova robbanáskor keletkező nagy kinetikus energiájú protonok befogása Ritka, protonban gazdag magok

10 A kémiai elemek keletkezése: nukleoszintézis p- és x-folyamat p-folyamat Szupernova robbanáskor keletkező nagy kinetikus energiájú protonok befogása Ritka, protonban gazdag magok szintézise, pl. 74 Se, 196 Hg x-folyamat Kozmikus részecskék becsapódása atommagokba atommagok szétesése Könnyű, stabil, ritka magok 6 Li, 7 Li, 9 Be, 10 B, 11 B szintézise Cygnus Loop szupernova

11 Az anyag körforgása a galaxisban molekulák diffúz felhők molekulafelhők nehéz elemek csillag körüli burok elemek szintézise a Fe-ig szupernova robbanások szuperóriások sűrűsödések csillagok, naprenszerek forgó korongok

12 A kémiai elemek stabilitása Energia/nukleon /10 11 J A (tömegszám)

13 A kémiai elemek stabilitása

14 Elemek gyakorisága az Univerzumban

17 A Föld szerkezete Atmofil elemek a légkörben: O, N, He, Ne, Ar, Kr, Xe, H, C Biofil elemek (H, C, O, N, P) a biomasszában. Litofil elemek: oxidvegyületképzők (alkálifémek, az alkáli földfémek, az aluminium, szilicium) szilikátkéregben Kalkofil elemek: Szulfidképzők (kén, arzén, réz- és cinkcsoport) a kalkoszférában halmozódnak fel. Sziderofil elemek: Vas-csoport, platina-csoport, Au, Ge, Sn (Pb), C, P, Mo, Re vasmagban.

20 ELEM ELTERJEDTSÉGE ARÁNY AZ UNIVERZUMBAN A FÖLDKÉREGBEN (földk./univ.) H 76 % % He 22.4 % Ne 0.2 % Ar 0.01 % Kr % Xe % Többi elem 1.4 % AZ UNIVERZUMBAN A FÖLDKÉREGBEN ARÁNY (H és nemesgázok nélkül) ppb (földk./univ.) ppb Li , Be 10 2, B 6,000 9, C 220,000, , N 70,000,000 19, O 500,000, ,000, F 80, ,000 7 Na 2,000,000 22,700, Mg 40,000,000 27,640, Al 3,500,000 83,000, Si 40,000, ,000,000 7 P 600,000 1,120,000 2 S 30,000, , Cl 400, , K 250,000 18,400, Ca 4,500,000 46,600, Sc 3,000 25,000 8 Ti 200,000 6,320, V 20, ,000 7 Cr 1,000, , Mn 800,000 1,060, Fe 70,000,000 62,000, Co 200,000 29, Ni 4,000,000 99, Cu 60,000 68, Zn 100,000 76, Ga 5,000 19,000 4 Ge 10,000 1, Pt Au Hg Tl Pb 1,500 13,000 9 Bi Th 25 8, U 10 2,

21 ELEM ELTERJEDTSÉGE ARÁNY AZ UNIVERZUMBAN A FÖLDKÉREGBEN (földk./univ.) H 76 % % He 22.4 % Ne 0.2 % Ar 0.01 % Kr % Xe % Többi elem 1.4 % AZ UNIVERZUMBAN A FÖLDKÉREGBEN ARÁNY (H és nemesgázok nélkül) ppb (földk./univ.) ppb Li , Be 10 2, B 6,000 9, C 220,000, , N 70,000,000 19, O 500,000, ,000, F 80, ,000 7 Na 2,000,000 22,700, Mg 40,000,000 27,640, Al 3,500,000 83,000, Si 40,000, ,000,000 7 P 600,000 1,120,000 2 S 30,000, , Cl 400, , K 250,000 18,400, Ca 4,500,000 46,600, Sc 3,000 25,000 8

22 O 500,000, ,000, F 80, ,000 7 Na 2,000,000 22,700, Mg 40,000,000 27,640, Al 3,500,000 83,000, Si 40,000, ,000,000 7 P 600,000 1,120,000 2 S 30,000, , Cl 400, , K 250,000 18,400, Ca 4,500,000 46,600, Sc 3,000 25,000 8 Ti 200,000 6,320, V 20, ,000 7 Cr 1,000, , Mn 800,000 1,060, Fe 70,000,000 62,000, Co 200,000 29, Ni 4,000,000 99, Cu 60,000 68, Zn 100,000 76, Ga 5,000 19,000 4 Ge 10,000 1, Pt Au Hg Tl Pb 1,500 13,000 9 Bi Th 25 8, U 10 2,

A H 2 összegyűjtése és vizsgálata Cavendish: 1766 Elnevezés: 1783,

25 A hidrogén felfedezése Robert Boyle, Pristley, kísérletei (pl. izzó vas Fe + H 2 O): Gyúlékony levegő Henry Cavendish ( ) A H 2 összegyűjtése és vizsgálata Cavendish: 1766 Elnevezés: 1783, Lavoisier hydrogène (ΰδωρ [hydōr]: víz, γεινομαι (geinomai): nemzés)

26 A hidrogén és vegyületei Elektronkonfiguráció: 1s 1 Lehetséges oxidációs számok: 1, +1 (0: H 2 ) Izotópok: 1 H (procium), 2 D ( 2 H, deutérium, 0,015%), 3 T ( 3 H, tricium) Deutérium nem radioaktív felhasználás: szerkezetkutatás (jelzés, spektroszkópia), hidrológia (dúsulás) Tricium keletkezése Légkör: 14 N + n = 3 H + 12 C 2 H + 2 H = 3 H + 1 H Reaktor: 6 Li + n = 3 H + 4 He radioaktív, felezési ideje 12,32 év : 3 H = 3 He + β + ν e felhasználás: - régebben borok kormeghatározása, de atomrobbantások után erre már nem használható -órák világító kijelzője -atombomba H előfordulása: Világegyetem 74 tömeg% -a, főleg H és H 2 (orto- (protonok spinje azonos) és para-h 2 (protonok spinje ellentétes)), valamint fémes hidrogén Föld: H 2 O, szerves vegyületek, hidroxidos ásványok

27 Lófej köd

28 Fémes hidrogén (?)

29 A hidrogén és vegyületei Előállítás: Labor: Zn(s) + 2HCl(aq) = ZnCl 2 (aq) + H 2 (g) CaH 2 (s) + 2H 2 O(l) = Ca(OH) 2 (aq) + 2H 2 (g) Víz elektrokémiai bontása: H 2 O = H 2 + O 2 Ipar: CH 4 (g) + H 2 O(g) = CO(g) + 3H 2 (g) Felhasználás: (Ni-katalizátor, ºC, bar) Autogén hegesztés (+ O ºC), fűtés, rakéta-hajtóanyag Szintetikus vegyipar (pl. ammónia-, metanol-, benzingyártás) Redukálószer (Ni,Pt/H 2, LiH, CaH 2, LiAlH 4, ) Olajsavak telítése (margaringyártás) Régebben ballonok töltése (Hindenburg léghajó katasztrófája) Tűzelőanyagcellák

30 Li + /Li Rb + /Rb K + /K Cs + /Cs Na + /Na Al 3+ /Al Ti 2+ /Ti Zr 4+ /Zr Mn 2+ /Mn V 2+ /V Cr 2+ /Cr Zn 2+ /Zn Cr 3+ /Cr Néhány fém standard elektródpotenciálja Elektród Ba 2+ /Ba Ca 2+ /Ca Mg + /Mg e / V Elektród Fe 2+ /Fe Cd 2+ /Cd Co 2+ /Co Ni 2+ /Ni Sn 2+ /Sn Pb 2+ /Pb Fe 3+ /Fe H + /H Cu 2+ /Cu Cu + /Cu Ag + /Ag Hg 2+ /Hg Pd 2+ /Pd Pt 2+ /Pt Au 3+ /Au Au + /Au e / V Nem fejlesztenek savval hidrogént!

31 H 2 /O 2 tüzelőanyagcella

32 A hidrogén és vegyületei Fizikai tulajdonságok: Színtelen, szagtalan, kétatomos gáz Apoláris vízben rosszul oldódik Alacsony olvadás- (14 K) és forráspont (20 K) Folyékony állapotban kis sűrűségű (ρ = 0,09 g/cm 3 ) Kémiai tulajdonságok: Fluorral, klórral és oxigénnel robbanásszerűen reagál: F 2 (g) + H 2 (g) = 2HF(g), Cl 2 (g) + H 2 (g) =2HCl(g) H 2 (g) + O 2 (g) = H 2 O(g) Brómmal, jóddal, kénnel lassabban, magasabb hőmérsékleten: Br 2 (g) + H 2 (g) = 2HBr(g), I 2 (g) + H 2 (g) =2HI(g) H 2 (g) + S(g) = H 2 S(g) Nitrogénnel csak katalizátor jelenlétében, magas hőmérsékleten (ammóniagyártás): 3H 2 (g) + N 2 (g) = 2NH 3 (g) Haber-Bosch szintézis (Fe-katalizátor, ºC, bar) Néhány száz fokon egyes fémekkel, pl. alkálifémekkel: 2Na(s) + H 2 (g) = 2NaH(s)

33 A hidrogén és vegyületei interszticiális (rácsközi) hidridek katalizátorok

Hasonló dokumentumok

KÉMIA ÍRÁSBELI ÉRETTSÉGI- FELVÉTELI FELADATOK 1997

1. oldal KÉMIA ÍRÁSBELI ÉRETTSÉGI- FELVÉTELI FELADATOK 1997 JAVÍTÁSI ÚTMUTATÓ I. A HIDROGÉN, A HIDRIDEK 1s 1, EN=2,1; izotópok:,, deutérium,, trícium. Kétatomos molekula, H 2, apoláris. Szobahőmérsékleten