ORVOSI KÉMIAI GYAKORLATOK

Átírás

1 ORVOSI KÉMIAI GYAKORLATOK jegyzet Írták: Agócs Attila, Berente Zoltán, Gulyás Gergely, Jakus Péter, Lóránd Tamás, Nagy Veronika, Radó-Turcsi Erika, Takátsy Anikó Szerkesztette: Nagy Veronika Lektorálta: Kovács Lajos Pécsi Tudományegyetem Általános Orvostudományi Kar 2015.

2 Agócs Attila, Berente Zoltán, Gulyás Gergely, Jakus Péter, Lóránd Tamás, Nagy Veronika, Radó- Turcsi Erika, Takátsy Anikó, 2015 Lektorálta: dr. Kovács Lajos, Szegedi Tudományegyetem ISBN Creative Commons NonCommercial-NoDerivs 3.0 (CC BY-NC-ND 3.0) A szerzők nevének feltüntetése mellett nem kereskedelmi céllal szabadon másolható, terjeszthető, megjelentethető és előadható, de nem módosítható. Kiadó: Pécsi Tudományegyetem A jegyzet a TÁMOP C-13/1/KONV számú, Az élettudományi-klinikai felsőoktatás gyakorlatorientált és hallgatóbarát korszerűsítése a vidéki képzőhelyek nemzetközi versenyképességének erősítésére című projekt keretében készült. 2

3 Én vagyok az anyag tündére, én vagyok az élet kulcsa, a nevem: Kémia. (L année internationalle de chimie 1999.) Előszó Jegyzetünk az Oszbach György szerkesztette Orvosi kémiai gyakorlatok c. jegyzeten alapul, de azt jelentősen átdolgoztuk, a kísérleteket új koncepció alapján állítottuk össze. A modern orvosi gyakorlatban a klasszikus kémiai módszerek háttérbe szorultak, automata analizátorok és tesztcsíkok segítik az orvosok munkáját. Mindeközben ugrásszerű fejlődés ment végbe a molekuláris biológia, a biokémia és a farmakológia tudományterületein, ma már ezek megértéséhez nélkülözhetetlenek a megfelelő kémiai alapismeretek. Ennek megfelelően az Orvosi kémia gyakorlat anyagát is korszerűsítettük, a hangsúlyt az anyagok megismerésére, tulajdonságaik megértésére és az ezekből következő biológiai szerep bemutatására helyeztük. Minden témakör elméleti bevezetővel kezdődik, ahol külön kiemeljük az orvosi vonatkozásokat. Az ezt követő gyakorló kérdések könnyen megválaszolhatóak az olvasottak és az Orvosi kémia előadásokon elhangzottak alapján. A fejezetek az adott területtel kapcsolatos kísérletekkel végződnek. A jegyzetet munkafüzetek egészítik ki, amelyekben csak a kísérletek leírásai szerepelnek. A jegyzet használható az Orvosi kémia alapjai c. kritériumtárgyhoz is, jelenleg ugyanis nincs más olyan magyar nyelvű szervetlen kémia tankönyv, amely orvostanhallgatók számára készült, a legkorszerűbb ismereteket tartalmazza és az orvosi, biológiai vonatkozásokat részletesen tárgyalja. Reméljük, hogy a kísérletezés mindenki számára élményt jelent majd, és segít megérteni a néha igen elvont elméleti anyagot. Célunk, hogy hallgatóink természettudományos szemléletet sajátítsanak el, azaz tudományos módszerrel, a megfigyeléseik és előismereteik alapján helyes következtetéseket tudjanak levonni. Ezzel megalapozhatjuk azt, hogy későbbi tanulmányaik során valóban hasznosítsák tudásukat, ne mechanikusan, hanem gondolkodva alkalmazzák ismereteiket. Köszönettel tartozunk Prof. Dr. Deli Józsefnek a jegyzet elkészítésének támogatásáért és a szakmai tanácsaiért, Deliné Szegvári Csillának a jegyzet alapos átnézéséért, valamint Völgyiné Dózsa Tímea, Kajtosné Horváth Krisztina és Szabó János asszisztenseknek a kísérletek kidolgozásában nyújtott segítségükért. Pécs, a szerkesztő 3

4 4

5 Tartalomjegyzék 1. Bevezetés A biztonságos munkavégzés irányelvei 7 2. Laboratóriumi eszközök és eljárások 12 Fontosabb eszközök 12 Laboratóriumi alapműveletek Egyszerű laboratóriumi elválasztási módszerek 16 Dekantálás 16 Szűrés 16 Szárítás 17 Desztilláció 19 Bepárlás 22 Liofilizálás 23 Átkristályosítás 24 Extrakció Fizikai változások, fázisátalakulások 29 Halmazállapotok 29 Fázisátalakulások Szervetlen kémia 43 Bevezetés a szervetlen kémiába 43 Az elemek vegyületei 45 A szervetlen vegyületek nevezéktana 49 Hidrogén 52 A hidrogén és vegyületeinek orvosi, biológiai jelentősége 54 Nemesgázok 56 A nemesgázok orvosi, biológiai jelentősége 57 Halogének 58 A halogének és vegyületeik orvosi, biológiai jelentősége 61 Oxigén-csoport 67 Oxigén (O) 67 Kén (S) 69 Szelén (Se) 71 A kalkogének és vegyületeik orvosi, biológiai jelentősége 71 Nitrogén-csoport 78 Nitrogén (N) 78 Foszfor (P) 82 Arzén (As) 84 A nitrogén-csoport vegyületeinek orvosi, biológiai jelentősége 85 Szén-csoport 92 Szén (C) 92 Szilícium (Si) 96 Ón (Sn) és ólom (Pb) 99 A szén-csoport elemeinek orvosi, biológiai jelentősége 100 Földfémek alumínium 106 A földfémek orvosi, biológiai jelentősége 108 Az s-mező elemei 111 Alkálifémek 111 Az alkálifémek orvosi, biológiai jelentősége 112 Alkáliföldfémek 113 Az alkáliföldfémek orvosi, biológiai jelentősége 116 5

6 Átmenetifémek 121 Koordinációs (komplex) vegyületek 122 A d-mező válogatott elemei 126 Az átmenetifémek orvosi, biológiai jelentősége 135 Az f- mező elemei 143 Az f-mező elemeinek orvosi, biológiai jelentősége 143 Háztartási kémia vegyszerek a mindennapokban Fizikai kémia 146 Kolligatív sajátságok 146 Kolloid rendszerek 149 Reakciókinetika 154 Termodinamika, termokémia 162 Egyensúlyra vezető reakciók 165 A kémiai reakciók iránya 168 Egyensúlyi rendszerek 173 A sók hidrolízise 173 Sók oldódási egyensúlya 176 Elektrokémia 184 Potenciometria 192 Pufferrendszerek Mennyiségi kémiai analízis 202 Neutralizációs analízis (acidi-alkalimetria) 206 Potenciometriás titrálás 210 Redoximetria Szerves kémia 215 Bevezetés a szerves kémiába 215 A szerves vegyületek fizikai tulajdonságai 215 A szerves vegyületek kémia tulajdonságai 216 A funkciós csoportok vizsgálata 222 Alkének, alkinek 222 Aromások 223 Szerves halogenidek 224 Alkoholok 224 Fenolok 225 Oxovegyületek 227 Aminok 228 Karbonsavak 229 Savszármazékok 229 Függelék 242 Felhasznált irodalom 247 Ajánlott internetes irodalom érdeklődőknek 247 6

7 1. Bevezetés A biztonságos munkavégzés irányelvei Ebben a fejezetben bemutatjuk a laboratóriumi munka legfontosabb szabályait valamint ismertetjük a tűz- és balesetvédelmi tudnivalókat. A gyakorlatok során sok, az egészségre kisebb vagy nagyobb mennyiségben mérgező hatású vegyszerrel dolgozunk, valamint különböző veszélyeket magukban hordozó kísérleteket végzünk el. Kellő elővigyázatossággal, körültekintéssel, az előírások és a figyelmeztetések pontos betartásával azonban a balesetek legnagyobb része elkerülhető. A kémiai laboratóriumi gyakorlatok speciális jellege folytán állandóan fennforgó balesetveszély miatt fokozott gonddal ügyeljünk a gyakorlatvezetők utasításaira, a laboratóriumi rend megtartására! Soha ne feledkezzünk meg arról, hogy vigyázatlanságunkkal, vagy gondatlanságunkkal nemcsak a saját, hanem a körülöttünk dolgozók testi épségét is veszélyeztetjük! A következőkben azokat a legfontosabb irányelveket ismertetjük, amelyeknek betartása a gyakorlatok biztonságos, balesetmentes elvégzéséhez nélkülözhetetlen. Előkészületek a gyakorlatokra Olvassuk el figyelmesen a gyakorlat leírását! Szükség esetén tanulmányozzuk az elvégzendő gyakorlathoz kapcsolódó elméletet! Ha valamit nem értünk, kérdezzük meg a gyakorlatvezetőtől, még mielőtt a munkát megkezdenénk! Magatartás a gyakorlat alatt A kémiai laboratóriumba a gyakorlatvezető megy be először, és utoljára hagyja el azt. A gyakorlatvezető távollétében a laboratóriumba bemenni, valamint ott kísérleteket folytatni szigorúan tilos! A laboratóriumi gyakorlatokon köpeny és védőszemüveg használata kötelező. A laboratóriumba csak a gyakorlatos jegyzet, a laboratóriumi munkafüzet és a szükséges íróeszközök vihetők be. Az egyéb holmit (táska, kabát stb.) a főépületben lévő zárható szekrényekben vagy a ruhatárban helyezzék el! A laboratóriumban étkezni, inni, dohányozni és telefonálni tilos! A munkafüzetben leírt kísérletek módosítása, más kísérletek elvégzése a gyakorlatvezető engedélye és személyes felügyelete nélkül tilos. 7

8 A laboratóriumi asztal tisztaságára a gyakorlat során mindig ügyeljünk! Az asztalra vagy a vegyszeres üvegek oldalára került vegyszert száraz ruhával azonnal töröljük fel! Az egymás közelében dolgozók legyenek figyelemmel társaik munkájára! Szükség esetén figyelmeztessék egymást az éppen folyó kísérlet veszélyességére! A gyakorlaton magatartásunk legyen mindig fegyelmezett! A balesetek legnagyobb része a kellő ismeretek hiányából, vigyázatlanságból, gondatlanságból származik. A gyakorlatot a laboratóriumi asztal tisztára törlésével, a reagensek üvegedényeinek a polcokra történő visszahelyezésével, valamint a használt üvegeszközöknek a tisztára mosogatásával, és azoknak a szekrényekbe történő visszahelyezésével fejezzük be. A gyakorlatok befejezése után, a laboratórium elhagyása előtt minden esetben szappannal mossunk kezet! A gyakorlatok elvégzésének irányelvei A gyakorlatok elején a gyakorlatvezető megbeszélést tart. Ekkor lehetőség van a kísérletek elvégzésével kapcsolatos elméleti és gyakorlati kérdések tisztázására. Ezt követően végezzük el a kísérleteket. A kísérleteket önállóan hajtsuk végre, és a megfigyeléseinket azonnal jegyezzük fel a munkafüzetben! A kísérletek elvégzése előtt győződjünk meg arról, hogy a megfelelő reagenst használjuk fel! A vegyszerek cseréje egyrészt baleseteket okozhat, másrészt "megmagyarázhatatlan" megfigyeléseket eredményezhet! Egy vegyszer használata után azonnal zárjuk vissza az edényt, figyeljünk arra, hogy az üvegek dugói ne keveredjenek össze, mert ezzel az anyagok is szennyeződnének egymással. A folyadéküvegekbe üvegbottal, pipettával, vagy spatulával belenyúlni tilos! A kísérletekhez ne használjunk a feltétlenül szükségesnél több vegyszert! Ennek ellenére az üvegekből kiöntött, de feleslegessé vált vegyszert az üvegekbe visszaönteni tilos! Ujjnyi mennyiség (1-2 cm 3 ) A kísérletekhez használt vegyszereket mindig kellő óvatossággal kezeljük! A vegyszerek kóstolgatása, szagolgatása, vagy megérintése tilos! Ha esetleg egy anyagot meg kell szagolnunk, a gőzeit óvatosan, enyhén legyezzük magunk felé. Előzzük meg, hogy bármilyen vegyszer a bőrünkre, vagy a ruhánkra kerüljön. A kezünkre kerülő vegyszernyomok munka közben könnyen a szánkba, vagy a szemünkbe kerülhetnek, ahol súlyos irritációkat okozhatnak! 8

9 A tömény savakat és lúgokat igénylő, valamint a kellemetlen szaggal járó reakciókat mindig működő vegyifülkében végezzük! Szükség esetén használjunk védőálarcot! Előzzük meg az illékony vegyszerek gőzeinek belélegzését! A munkafüzetben a gyakorlaton használt anyagok veszélyeire az alábbi piktogramokkal utalunk: ártalmas, irritáló maró mérgező tűzveszélyes oxidáló, az égést táplálja robbanásveszélyes a környezetre ártalmas A vegyszereket mindig lassan, lehetőleg keverés közben elegyítsük! Tömény oldatok hígításakor (különösen koncentrált kénsav esetén), mindig a tömény oldatot öntsük lassan, keverés közben desztillált vízhez, vagy a hígabb oldathoz! A felesleges vegyszerek, valamint reakcióelegyek megsemmisítésekor szigorúan tartsuk be a gyakorlatvezető utasításait! A hulladékot a legritkább esetben szabad a csapba önteni, rendszerint a fülke alatt található gyűjtőedénybe kell helyezni! A laboratóriumi munka alapvető követelménye az edények tisztasága. Az üvegedények mosogatását kémcsőkefével, mosószerrel végezzük. Ezt követően az edényt előbb csapvízzel, majd desztillált vízzel öblítsük ki. Az elmosogatott kémcsöveket mindig fejjel lefelé hagyjuk a kémcsőállványban. Baleset- és tűzvédelem, elsősegélynyújtás Balesetelhárítás, tűzvédelem A kísérletek megkezdése előtt győződjünk meg a használandó üvegeszközök épségéről! Repedt vagy törött eszközöket ne használjunk! Ha munka közben bármelyik üvegeszköz eltörik, a kifolyt reakcióelegyet és az üvegcserepeket kellő óvatossággal azonnal töröljük fel, illetve gyűjtsük össze a szemetes edénybe! A törött üvegeszközt az előkészítő laborból pótoljuk. Egy kémcsőbe ne öntsünk 4-5 cm 3 -nél több folyadékot! A reakciók elvégzése során a kémcsőbe, vagy a lombikba nyílásán keresztül belenézni, vagy beleszagolni tilos! A kémcső száját sohase fordítsuk magunk, vagy mások felé! Az üvegedények melegítése előtt ellenőrizzük, hogy azok külső fala száraz-e! A kívül nedves üvegedény melegítés során könnyen elpattanhat. 9

10 Erlenmeyer-lombikban, főzőpohárban úgy végezzük a forralást, hogy az edénybe egy szem forrkövet teszünk, majd fűtőlapra helyezzük. A melegítést mindig alacsony fokozattal kezdjük, és csak fokozatosan növeljük az erősségét. A Bunsen-égő meggyújtásánál először az égő gyufát tartjuk az égő kéménye fölé, és csak ezután nyitjuk ki a gázcsapot. Hogy elkerüljük az égő begyulladását, célszerű a levegőnyílást a meggyújtás előtt elzárni. Ha a Bunsen-égő a hevítés során mégis begyullad, amit sípoló hangjáról és zöldes lángjáról könnyű felismerni, a gázcsapot azonnal zárjuk el! Várjunk, míg lehűl, majd az előzőek szerint ismét gyújtsuk meg. Elektromos főzőlappal történő melegítéskor, vagy más elektromos eszköz használatakor ügyeljünk, hogy azt nedves kézzel ne érintsük meg, illetve, hogy arra a munka során folyadék ne kerüljön! Ha mégis előfordul (pl. melegítés során egy lombik elpattan), az elektromos kapcsoló kikapcsolásával feszültségmentesítsük a készüléket, és lehűlés után száraz ruhával töröljük le a folyadékot! Gyúlékony oldószerekkel (pl. éterrel, hexánnal, alkohollal) történő munkavégzés esetén a laboratóriumban nyílt láng használata tilos! A légárammal továbbsodort oldószer gőzeit távolabbi láng is meggyújthatja. A szerves oldószereket tartalmazó reakcióelegyeket forró vízfürdővel melegítjük. Tűz esetén sohasem szabad a tüzet fújni! Ezzel csak az égést fokozzuk, és a láng az arcunkba csap. Ha a ruhánk gyullad ki, azt nedves törölközővel vagy laboratóriumi köpennyel fojtsuk el! Kisebb térfogatú oldószer meggyulladása esetén a tüzet az edény szájának óraüveggel történő lefedésével elolthatjuk. Nagyobb tűz, komolyabb veszély esetén a laboratórium falára szerelt, pirosra festett kézi tűzoltó készüléket használjuk. Tilos vízzel oltani a vízzel nem elegyedő oldószereket (pl. hexán), a vízzel reagáló anyagokat (alkálifémek) és feszültség alatti elektromos berendezéseket! Laboratóriumi tűzeset bekövetkezése esetén a folyosón található, a laboratóriumba vezető gázcsapot és elektromos főkapcsolót azonnal zárjuk el, illetve kapcsoljuk ki! Természetesen a sérült személyek ellátását azonnal kezdjük meg! Elsősegélynyújtás Ha a laboratóriumban bárkit baleset ér, azt azonnal jelentse a gyakorlatvezetőnek, aki belátása szerint elsősegélyt nyújt és/vagy orvosi ellátást kér. A gyors elsősegélynyújtás elengedhetetlen feltétele a komolyabb egészségkárosodások megelőzésének. Égési sérülés esetén az égett bőrfelületet csapvízzel hűtsük és kérjünk szakellátást! Vágási sérülés esetén a sebből az esetleges szennyeződést, üvegszilánkot távolítsuk el, a vágott seb környékét fertőtlenítsük, és a sebet steril kötéssel lássuk el! Súlyosabb esetben ideiglenes kötést alkalmazunk és a sérültet szakrendelőbe kísérjük. Kötszer és fertőtlenítőszer az előkészítő laboratóriumban kérhető. A bőrre kerülő vegyszereket bő vízzel azonnal mossuk le! Savak esetén azt követően a kézmosó feletti polcon található nátrium-hidrogénkarbonát oldattal, lúgok esetén bórsav oldattal semlege- 10

11 sítsük az érintett bőrfelületet. Végül ismét vízzel öblítjük és szükség esetén zsíros kenőccsel bekenjük azt. Bróm okozta sérülésnél a vöröskeresztes üveges nátrium-tioszulfát-oldatot használjuk közömbösítésre. A bőrre fröccsent koncentrált kénsavat először száraz ruhával töröljük le, utána mossuk csak bő vízzel, illetve semlegesítsük nátrium-hidrogénkarbonát oldattal! Ruhára fröccsent savat híg ammóniával, vagy nátrium-hidrogén-karbonát oldattal közömbösíthetünk. A szánkba került vegyszereket haladéktalanul köpjük ki, majd a szánkat bő vízzel, illetve szükség esetén híg nátrium-hidrogén-karbonát vagy bórsav oldattal öblögessük! Szemsérülés esetén a szembe került vegyszert bő vízzel azonnal mossuk ki! Bármilyen természetű szemsérülés esetén a legrövidebb időn belül kísérjük a szemsérültet a Szemészeti Klinikára! Belégzéssel történt mérgezés esetén a sérültet azonnal vigyük friss levegőre, és intézkedjünk szakorvosi ellátásáról! Áramütésnél legfontosabb a helyiség áramtalanítása (főkapcsoló). A sérültet friss levegőre kell vinni, szükség esetén mesterséges légzést alkalmazni, és haladéktalanul orvosi ellátást kell kérni! 11

12 2. Laboratóriumi eszközök és eljárások Fontosabb eszközök A laboratóriumi munka során használt egyszerűbb eszközök a 2.1.a-b. ábrákon láthatók. 2.1.a. ábra. Laboratóriumi eszközök Az üvegtölcsér, az óraüveg és a mérőhenger nem hőálló, ezeket nem szabad melegíteni. A kristályosító csészét, a főzőpoharat és a lombikot általában fűtőlapon (rezsón) melegítjük, a többi eszközt akár nyílt lángon is lehet hevíteni. 2.1.b. ábra. Laboratóriumi eszközök 12

13 Nyílt láng használatakor a porcelán tégelyt a vasháromlábra helyezett agyagháromszögbe helyezzük, és közvetlenül melegítjük. A forró tégelyt a tégelyfogóval fogjuk meg, és soha nem a munkaasztal felületére, hanem a hőálló agyagos dróthálóra helyezzük. A vasháromlábra helyezett agyagos dróthálón keresztül akár főzőpoharat és lombikot is melegíthetünk. Laboratóriumi alapműveletek Hevítés, forralás Laboratóriumi eszközöket különböző fűtőberendezésekkel melegíthetünk. Leggyakrabban elektromos főzőlapot használunk, mert hőfoka könnyen szabályozható és tűzveszélyes anyagok melegítésére is alkalmas. Néha szükséges lehet nyílt láng használata, ekkor Bunsen-égőt (2.2. ábra) a legmelegebb rész a láng "magja" a levegő mennyiségét szabályozó rés 2.2. ábra. Bunsen-égő alkalmazunk. A Bunsen-égő vezetékes földgázzal működik, az égőbe jutó levegő mennyisége az égő alsó részén található, elfordítható, lyukas hengerrel szabályozható. Ha a szabályozó rést teljesen bezárjuk, akkor a gáz égése tökéletlen, apró koromszemcsék keletkeznek, amelyek a lángban izzanak. Emiatt a láng sárgán világít és kormoz. Az ilyen, ún. világító lángot sohasem használjuk melegítésre. A levegő-szabályozó rést félig kinyitva színtelen, nemvilágító lángot kapunk, melynek a hőmérséklete is magasabb. Melegítésre általában nemvilágító lángot használunk. Ha a Bunsen-égőt pillanatnyilag nem használjuk, de nem akarjuk eloltani sem, akkor mindig tekerjük a szabályozó rést zárt állásba, hogy világító lángot kapjunk, a nemvilágító láng ugyanis szinte teljesen láthatatlan, és így könnyen balesetet okozhat! Teljesen nyitott rés esetén a legnagyobb a lángba jutó levegő mennyisége, ekkor a legmagasabb a láng hőmérséklete ( C). Ilyenkor az égő jellegzetes, süvítő hanggal ég és a láng közepén egy kékes színű mag látszik. Az ilyen lángot nevezzük szúrólángnak, használatára viszonylag ritkán van szükség. Szilárd anyagokat többnyire tégelyben hevítünk. Leggyakrabban porcelán tégelyt használunk, amelyet vasháromlábra helyezett agyagháromszögbe téve, közvetlen lángon melegítünk. A hevítést kis lánggal kezdjük, majd a láng hőmérsékletét fokozatosan növeljük a levegő mennyiségének szabályozásával. A legmagasabb hőmérsékletet akkor érjük el, ha a tégely alja a láng magja felett kb. 1 cm-rel van. 13

14 Vizes oldatok melegítése és forralása Kisebb mennyiségű folyadékot kémcsőben, nagyobb mennyiségűt lombikban melegíthetünk. Nyílt láng használatakor a kémcsövet mindig kémcsőfogóval fogjuk meg, és úgy tartjuk, hogy a nyílása ne irányuljon senki felé, hiszen a forró folyadék könnyen kilőhet. A kémcső hevítését enyhe rázogatás közben, óvatosan kell végezni. Ügyeljünk arra, hogy a kémcsőben (térfogata kb. 25 cm 3 ) 4-5 cm 3 -nél több folyadék az összes reagáló anyag elegyítése után se legyen. Melegítéskor tartsuk ferdén a kémcsövet a Bunsen-égő nemvilágító lángjának felső harmadába. Célszerű először a kémcsőben lévő folyadékoszlop felső részét melegíteni, és ezután az alsó felét. Erlenmeyer-lombikban, főzőpohárban nagyobb mennyiségű nem túl illékony folyadékot forralhatunk úgy, hogy az edényt elektromos főzőlapra helyezzük. A túlhevülés, kihabzás elkerülésére forrkövet teszünk bele. A meleg lombikot, főzőpoharat gumitömlő-darabbal az ujjunkon, vagy többszörösen hajtogatott száraz papírcsíkból készített hurokkal (és nem tégelyfogóval!) fogjuk meg. Használhatunk hőálló kesztyűt is. Tilos a kémcsőbe vagy a lombikba nyílásán keresztül belenézni vagy beleszagolni, mert kifröccsenés esetén komoly sérülést szenvedhetünk! Kisebb mennyiségű tűzveszélyes folyadékot melegíthetünk fülke alatt elektromos főzőlapon vagy vízfürdőn. Nagyobb mennyiségek csak visszafolyó hűtővel felszerelt, csiszolatos lombikban melegíthetők, elektromos fűtésű folyadékfürdőn vagy elektromos fűtőkosárral (ld. desztillálás). Melegítés vízfürdőn Kis mennyiségű oldatokat tartalmazó kémcsövek enyhe melegítésére általában vízfürdőt használunk. A vízfürdőt célszerű már a gyakorlatok elején előkészíteni: egy főzőpoharat félig desztillált vízzel töltünk és egy szem forrkövet teszünk bele, majd a főzőpoharat rezsóra helyezzük. A fűtést úgy szabályozzuk, hogy a víz enyhén gyöngyözve forrjon (kb. közepes fokozat). A vízfürdőhöz mindig desztillált vizet használjunk, mert csapvízből melegítésre vízkő csapódik ki, ami zavarossá teszi a vizet, és akadályozza a kémcsőben történő változások megfigyelését. Csapadékok leválasztása Csapadékok leválasztásakor nagyon fontos a változások megfigyelése. Ezért a reagenst apránként, a kémcső tartalmát összerázva adagoljuk. Amfotéria, komplexképződés gyakran jár az eleinte képződött csapadék feloldódásával a reagens feleslegében! Gázok előállítása Laboratóriumi gázok (O 2, N 2, Cl 2, H 2, NH 3, CO 2, N 2 O, HCl, nemesgázok) általában nagynyomású gázpalackokban kerülnek forgalomba, de kisebb mennyiségeket gyakran helyben állítunk elő. A leggyakrabban alkalmazott laboratóriumi gázfejlesztő berendezés az Kipp-készülék, amelyben egy szilárd halmazállapotú, vízoldhatatlan kiindulási anyagból vizes oldattal reagáltatva állíthatunk elő 14

15 gázokat (2.3. ábra). A készülék három üvegedényből áll, a felső hosszú szárú tölcsér a folyékony reagenst juttatja az alsó edényen keresztül a középsőbe, amelyben egy perforált lemezre helyezték a szilárd reagenst. A fejlődő gázt a középső edényből vezetjük el. Ha a gázelvezető cső csapját elzárjuk, a fejlődő gáz nyomása a folyadékot visszanyomja az alsó edénybe és a reakció megszakad (de a csap nyitásával bármikor újraindítható). A gázelvezető csőhöz gázmosó palackot illesztenek, részben a fejlesztett gáz szennyezéseinek visszatartására, részben a gázáram ellenőrzésére (buborék-számláló). Általában 2-3 buborék/s gázáram javasolt ábra. Kipp-készülék Kipp-készülékben gyakran előállított gázok: Hidrogéngáz granulált cinkből sósavoldattal: Zn + 2 H + = H 2 + Zn 2+ Kén-hidrogén vas(ii)-szulfidból sósavval: FeS + 2 H + = H 2 S + Fe 2+ Szén-dioxid márványból sósavval: CaCO H + = Ca 2+ + H 2 O + CO 2 Üvegtechnika Kapilláris készítése Üvegkapilláris készítéséhez néhány 6-8 cm hosszú, 6-8 mm átmérőjű, lágy üvegből készült üvegcsődarabra van szükség. Az alacsony olvadáspontú üvegből készült csövet Bunsen-égő segítségével szúrólángon meglágyítjuk. Az üvegcsövet a szűkítés helyén állandó forgatás mellett addig melegítjük, míg saját súlyától kezd összeesni, miközben a lángot sárgára színezi. Ha szűkíteni akarjuk a csövet, meglágyulás után kivesszük a lángból, és határozott mozdulattal addig húzzuk, amíg a kihűlő üveg engedi. A teljesen kihűlt kapillárist a kívánt méretre daraboljuk. 15

16 3. Egyszerű laboratóriumi elválasztási módszerek Dekantálás Szilárd- és folyadékfázis elválasztásának legegyszerűbb módszere a dekantálás. Az eljárás lényege, hogy a felkevert szuszpenziót ülepedni hagyjuk, majd a folyadékot óvatosan leöntjük a szilárd maradékról. Amennyiben bizonyos, hogy a minta oldható szennyezést tartalmaz, az eljárást 2-3-szor megismételhetjük. Dekantálással nem lehet olyan jó elválasztást elérni, mint szűréssel, viszont jól ülepedő csapadékok esetében nagyon gyors és egyszerűen kivitelezhető ábra. Dekantálás Szűrés A szűrés során szilárd fázist választunk el folyadékfázistól egy olyan áteresztő anyag segítségével (szűrőréteg), amely a két fázisból csak a folyadékot engedi át. Az elválasztás után kapott szilárd komponenst szüredéknek (vagy csapadéknak), a folyékony fázist szűrletnek, anyalúgnak nevezzük ábra. Szűrés sima és redős szűrőpapíron 16

17 Légköri nyomáson végzett munkánál sima, kúpos, rövid szárú tölcsért használunk (3.2. ábra), melybe sima vagy redős szűrőpapírt helyezünk. A szűrőpapír egy e célra készített speciális papír, amely különböző pórusátmérővel ívekben, korong, vagy redős szűrő formájában kapható. A redős szűrőpapír hajtogatását mutatja a 3.3. ábra. legyezőszerűen hajtogatjuk 3.3. ábra. Redős szűrőpapír készítése Szűrhetünk vattacsomón vagy üveggyapoton is. Szűrőedényként egyszerű szűrésnél a legkülönbözőbb laboratóriumi edényeket használhatjuk (kémcső, Erlenmeyer-lombik, bepárló lombik stb.). Szárítás Szárításon folyadékok, elsősorban víz vagy vízgőz eltávolítását értjük szilárd, folyékony vagy gázhalmazállapotú anyagból. A nem hőérzékeny szilárd anyagokat legegyszerűbben infravörös lámpa alatt száríthatjuk (3.4. ábra). A szilárd anyagok szárítása történhet exszikkátorban is (3.4. ábra), ahol a szárítóanyag a zárt légtéren keresztül fejti ki hatását. Az exszikkátor perforált lemezére helyezzük megfelelő edényben a szárítandó anyagot, az exszikkátor aljára a szárítószert tesszük. Ha az exszikkátorból a levegőt kiszivattyúzzuk, a szárítás hatásosabb, és rövidebb időt igényel (vákuum-exszikkátor). Vízelvonásra higroszkópos, a vizet kémiai reakcióval, vagy fizikai adszorpcióval megkötő anyagokat szoktunk 17

18 használni. A hidrátképző anyagok közül a vízmentes kalcium klorid (CaCl 2 ), magnézium-perklorát (Mg(ClO 4 ) 2 ), nátrium-szulfát (Na 2 SO 4 ), kálium-karbonát (K 2 CO 3 ), nátrium-hidroxid (NaOH), káliumhidroxid (KOH) és tömény kénsav (cc. H 2 SO 4 ) használata a legelterjedtebb. A nedvességet kémiai reakció útján kötik meg egyes fémek és oxidok, pl. Na, K, CaO, P 2 O 5. Adszorpcióval köti a vizet a szilikagél, amelyet kobaltsókkal kékre színezve hoznak forgalomba (ha rózsaszínűvé alakul, szárítóanyagunk kimerült, regenerálni kell: a víz melegítéssel eltávolítható) ábra. Infravörös lámpa, exszikkátor. A gázok és folyadékok szárításkor közvetlenül érintkeznek a szárítóanyaggal. Folyadékok szárítását úgy végezzük, hogy a folyadékhoz arányos mennyiségű szárítószert adagolunk, lefedve állni hagyjuk, majd időnkénti összerázás után a megszárított folyadékot a szilárd vízelvonószertől szűréssel, vagy dekantálással elválasztjuk. A szárítószer nem oldódik az adott oldószerben, csak a víznyomokat köti meg. Leggyakrabban vízmentes Na 2 SO 4 -t vagy MgSO 4 -t használunk. A gázokat egyszerűen száríthatjuk, ha megfelelő alakú edényekbe töltött szárítóanyagon keresztül áramoltatjuk vagy pl. tömény kénsavval töltött gázmosó palackon buborékoltatjuk át ábra. Gázmosó palackok 18

19 A következőkben néhány fontos elválasztási módszert (desztillálás, elpárologtatás, extrahálás, kristályosítás) ismertetünk, amelyek alkalmazása során több anyag keverékéből az egyiket dúsítva nyerjük ki. E feldúsulás különböző fázisátmenetek révén jön létre. Desztilláció Folyadékelegyek szétválasztására használt művelet, amely a szétválasztandó komponensek eltérő illékonyságán alapul. A desztillációnál az elegy melegítése során a folyadék gőznyomása addig nő, amíg egyenlő lesz a légköri nyomással, és a folyadék forrni kezd. Forráspontnak nevezzük azt a hőmérsékletet, amelyen a folyadék gőznyomása egyenlő a külső légköri nyomással. Kémiailag egységes, tiszta folyadék lepárlásakor a forráspont állandó, mert a folyadék- és a gőzfázis összetétele azonos. Folyadékelegyek forralásakor viszont a folyadékfázis és a vele egyensúlyban lévő gőzfázis összetétele különbözik. A 3.6. ábra egy ideális, A és B anyagból álló elegy ún. forráspont-diagramja. A függőleges tengelyen a hőmérsékletet (forráspontot) ábrázoljuk, a vízszintes tengely a folyadékelegy összetételét jelöli móltörtben kifejezve. A skála mindkét irányban olvasható: a bal oldalon A anyag móltörtje 1, B móltörtje 0, azaz tiszta A anyagot jelent. A skálán jobbra haladva A móltörtje csökken, B anyagé növekszik, azaz különböző összetételű folyadékelegyeket jelölünk. A skála végpontja a tiszta B anyag (X B =1), ahol A móltörtje 0. Az alsó, L (liquidus) görbén a folyadék forráspontját olvashatjuk le az összetétel függvényében, míg a V (vapor) görbe az egyensúlyi gőz-összetételt mutatja. Az ábra szaggatott vonalai jelzik például, hogy egy 50-50% (mól%!) A-t és B-t tartalmazó elegy forráspontján mintegy 90% A-t tartalmazó gőzzel tart egyensúlyt ábra. Ideális elegy forráspont-diagramja Látható, hogy forraláskor elsősorban az alacsonyabb forráspontú (illékonyabb) komponens távozik, tehát a visszamaradó elegy a magasabb forráspontú összetevőben válik gazdagabbá. Így 19

20 érthető a desztillációkor tapasztalható általános szabályszerűség, hogy a forráspont vagy állandó marad, vagy emelkedik. A 3.7. ábrán látható, hogy az ún. azeotrópos elegyek forráspont-görbéje szélsőértéket mutat. Bármilyen összetételű elegyet kezdünk desztillálni, az összetétel addig változik, míg a folyadék- és gőzfázis összetétele egyenlővé válik. Ettől kezdve állandó összetételű, ún. azeotrópos elegy desztillál, további szétválasztás nem lehetséges ábra. Azeotrópos elegyek forráspont-diagramja (X az az azeotrópos összetételt jelenti) Ideális elegyet a hasonló molekulaszerkezetű anyagok képeznek, pl. szénhidrogének keverékei, toluol-benzol. Tipikus azeotróp a víz-etanol keverék, amely forráspont-minimummal jellemezhető, az azeotrópos összetétel 96 v/v% alkohol és 4 v/v% víz. Forráspont-maximummal rendelkező azeotrópot képez a sósav-víz elegy vagy a salétromsav vizes oldata. A görbékből az is kiolvasható, hogy desztillációkor a gőztérbe minden komponens belepárolog, azaz a desztillátum minden frakciója keverék, a két komponens szétválasztása nem tökéletes. Ezt tapasztalhatjuk a vízzel korlátlanul elegyedő metanol esetében is. Ha egyenlő térfogatú metanol és víz keverékét kezdjük el desztillálni, a kezdeti forráspont kicsivel magasabb lesz a tiszta metanolénál (64,7 C), a végső pedig kissé alacsonyabb, mint a víz forráspontja (3.8. ábra) ábra. Metanol-víz elegy desztillációs görbéje: és egy tökéletes elválasztás idealizált desztillációs görbéje:

21 A desztillálóberendezés csiszolatos lepárlólombikból, desztilláló feltétből, hűtőből, elszívócsonkból és szedőből áll (3.9. ábra) ábra. Egyszerű és frakcionáló oszloppal ellátott desztillálókészülékek Ún. frakcionáló oszlop vagy kolonna alkalmazásával az elválasztás hatékonyabbá tehető. Lepárlólombikként rendszerint gömblombikot használunk. A lombikot legfeljebb kétharmadáig tölthetjük folyadékkal, és az átfröccsenés, áthabzás stb. elkerülésére forrkövet teszünk bele. A hőmérő kiválasztásakor lényeges, hogy a higanyzsák a gőzelvezetőcső nyílásának magasságába nyúljon be, és így a kiáramló gőz hőmérsékletét mérje (ez a távozó elegy forráspontja). A hűtőben csapvíz áramlik. A fűtést úgy szabályozzuk, hogy a desztillátum cseppjei számolhatók legyenek. Tiszta anyag lepárlásakor a hőmérséklet állandó. Ha a hőmérséklet emelkedik, ez annak a jele, hogy keverék desztillál át. A desztillálást csökkentett nyomáson is végezhetjük, különösen magas forráspontú folyadékok esetében célszerű vákuumdesztillációt alkalmazni a forráspont csökkentése céljából. Metanol-víz elegy desztillációja (Bemutató kísérlet) Egy 250 cm 3 -es lepárlólombikba töltsünk 50 cm 3 metanolt és 50 cm 3 desztillált vizet. Az egyenletes forrás biztosítására tegyünk bele néhány forrkövet, majd illesszük a lombikot egy frakcionáló oszlopon keresztül a desztilláló feltéthez (3.9. ábra). A készülék szedő edényként egy mérőhengert tartalmaz, amelyen a desztillátum térfogatának változását követhetjük. Győződjünk meg, hogy a csiszolatpárok tökéletesen zárnak-e, majd nyissuk ki a hűtővíz csapját, és kapcsoljuk be az elektromos melegítőt (tűzveszélyes folyadékelegy melegítésére csak zárt rendszerű elektromos melegítő használható!). Amikor a forrás megkezdődött, szabályozzuk a fűtést úgy, hogy

22 másodpercenként jusson egy csepp desztillátum a mérőhengerbe. Kezdetben 10, majd 5 cm 3 -enként olvassuk le a hőmérsékletet, és rajzoljuk fel a forráspontgörbét! Bepárlás Ha a párlatra, az illékony alkotóra van szükségünk, desztillációról, lepárlásról beszélünk, ha a párlási maradék, a száraz anyag kinyerése a cél, a műveletet elpárologtatásnak, bepárlásnak nevezzük. E célra rendszerint alkalmasak az említett desztillálóberendezések, de néha egyszerűbb eszközök is megfelelnek a célnak. Illékony folyadékot (kis mennyiség) elpárologtathatunk vegyifülkében óraüvegről vagy kristályosító csészéből szobahőmérsékleten, de nagyon elterjedt az infravörös lámpa és a vízfürdő használata is. Meggyorsíthatjuk az elpárologtatást úgy, hogy az edény légteréből elszívjuk az oldószer gőzeit. nyomás (bar) 2 jég folyadék (víz) 1 a vízgőz hőmérséklet (K) X = normál forráspont = forráspont csökkentett nyomáson ábra. A vákuumbepárlás elve A nyomás csökkentésekor (3.10. ábra "a" nyíl) a folyadék alacsony hőmérsékleten kezd forrani és alakul át gőzzé (hajlított nyíl). A vákuumban végrehajtott elpárologtatás nagy hatásfokú eszköze a rotációs filmbepárló (3.11. ábra.). hűtő hűtővíz motor bepárló lombik szedő lombik vákuum vízfürdő ábra. Rotációs filmbepárló 22

23 Az állandó forgásban lévő bepárló lombik nagy párolgási felületet biztosít, az edény falán keletkező folyadékfilm párolog, aminek eredménye a nagy teljesítmény. A forgás miatt forrkőre sincs szükség, mert a folyadék folyamatos mozgásban van, és habzásmentesen forr. A vákuum hatására a forráspont alacsonyabb, így hőérzékeny anyagok bepárlására is alkalmas. A rotációs filmbepárlót víztartalmú oldószer eltávolítására nagyon ritkán használjuk, mert a vizes folyadékok rendszerint nagyon habzanak vákuumbepárlás során. Víz eltávolítására inkább liofilezést alkalmazunk. Diklór-metános-hexános petrezselyem extraktum bepárlása (Bemutató kísérlet) A vákumbepárlás műveleti sorrendje a következő: először mindig a hűtűvizet nyitjuk meg. Ezután a vákumszivattyút (vagy vízsugárszivattyút) kapcsoljuk be, a bepárlandó anyagot tartalmazó lombikot a készülékhez csatlakoztatjuk, majd a vákuumcsap elzárásával a készüléket vákuum alá helyezzük. Végül a motor bekapcsolásával forgásba hozzuk a lombikot. Az utolsó lépésként az evakuált, forgó lombikot a kb. 40 C-os hőmérsékletű vízfürdőbe engedjük, hogy biztosítsuk a forráshoz szükséges hőmennyiséget. Miután az összes oldószer elpárolgott, a száraz oldott anyagot tartalmazó lombikot kiemeljül a meleg vízfürdőből, leállítjuk a forgatást, majd a vákuumcsap nyitásával megszüntetjük a vákuumot. Ekkor a lombik eltávolítható a készülékről. Liofilizálás Az elpárologtatás egyik speciális esete a liofilizálás, ami jég elpárologtatását jelenti kíméletesen, alacsony hőmérsékleten (szárítási folyamat). Nélkülözhetetlen módszer orvosi, biokémiai laboratóriumokban. Elve nagyon egyszerű: a jég 4 Pa nyomáson kb. -50 C-on szublimál ábra. A liofilizálás elve Liofilezéskor a vizes oldatot vékony rétegben egy gömblombik falára fagyasztjuk (3.12. ábra "a" nyíl), majd az edényt evakuáljuk ("b" nyíl). A megfagyott víz az alkalmazott nagy vákuumban szublimál (hajlított nyíl), a nagy szublimációs hőnek köszönhetően a rendszer a külső hűtés megszüntetése után is hideg marad. 23

24 Az elszívott gőzt valamilyen módon megkötjük (esetünkben kifagyasztással). Rendkívül kíméletes módszer, hisz anyagunk annyira lehűl, hogy a hőérzékeny komponenseket (fehérjék, antibiotikumok, mikroorganizmusok) nem éri károsodás, nincs habzás, a magasabb hőmérsékleten vízgőzzel illó anyagok visszamaradnak, a mikrobiológiai, enzimatikus bomlás veszélye minimálisra csökken, és a levegő oxigénje sem károsítja anyagunkat. Térfogatcsökkenés szinte nincs, finom eloszlású, porózus, nagy felületű anyag keletkezik, amely könnyen újra oldható. Tej liofilizálása (Bemutató kísérlet) A kísérletben 5 cm 3 tejet liofilizálunk. Rajzoljuk le a liofilizáló készüléket és jegyezzük fel a tapasztalatainkat. Átkristályosítás Az átkristályosítás a szilárd anyagok egyik egyszerű tisztítási módszere, amely akkor alkalmazható, ha a tisztítandó anyag oldhatósága (az adott oldószerben) a hőmérséklet növelésével nő. A tisztítandó szilárd anyagot oldatból, kristályok formájában igyekszünk kinyerni. A laboratóriumi munkában ez azt jelenti, hogy az anyagot megfelelő oldószerben melegen oldjuk, majd az oldatból hűtéssel kristályos formában visszanyerjük. Ahhoz, hogy a kristályosodás meginduljon, az oldatnak túltelítettnek kell lennie. A kristályosodás folyamata gócképződésből és a kristályok növekedéséből áll. Ezek sebességét az oldószer megválasztásával, a hűtés sebességével stb. lehet befolyásolni. A kristályosítás sikerének alapfeltétele, hogy megfelelő oldószert válasszunk ki. Itt vegyük figyelembe, hogy minden anyag azokban az oldószerekben oldódik a legjobban, amelyekhez kémiailag a legközelebb áll. Túlságosan "jó oldószer" kristályosításra nem használható, mivel abból alacsony hőmérsékleten sem válik ki az anyag. Az átkristályosításhoz ideális oldószer inert, az anyagot szobahőmérsékleten rosszul, forráspontján jól oldja, ám a szennyeződés minden hőmérsékleten nagyon rosszul vagy nagyon jól oldódik benne. Általában meredek oldhatósági görbével jellemezhető anyagoldószer párt alkalmazunk átkristályosításra. oldhatóság hőmérséklet ábra. Oldhatósági görbék típusai 24

25 A kristályosítás munkamenete a következő: az oldószer kiválasztása után a kristályosítandó anyagot a lehető legkevesebb oldószerben feloldjuk, miközben melegítjük az oldatot. Az oldószer adagolásával legyünk óvatosak, nehogy túlzottan felhígítsuk oldatunkat. Oldás után következik a meleg(!) oldat tisztítása: A nem oldódó szilárd szennyeződéseket még forrón, szűréssel távolítjuk el. Az oldott, gyakran színes szennyeződésektől derítéssel szabadulhatunk meg. Ennek lényege az, hogy a szennyezett oldathoz nem oldódó, indifferens, nagy fajlagos felületű anyagot, derítőszert adunk (aktív szén, szilikagél, alumínium-oxid), ezzel összerázzuk, esetleg melegítjük, majd ülepedni hagyjuk. Az ülepedő részecskék a szennyezést adszorbeálják, és az oldat kitisztul. A derítőanyagot végül még melegen, szűréssel választjuk el az oldattól. Ezután következik a kristályosodás megindítása, aminek egyik lehetősége az oldat hűtése. Ezt meredek oldhatósági görbéjű anyagok esetében alkalmazhatjuk, és úgy hajtjuk végre, hogy az oldatunkat a melegítés megszüntetése után állni hagyjuk (lassú lehűlés), vagy vízcsap alatt hűtjük (gyors lehűlés). Ha nyugalomban, lassan hűl le az oldat, kevesebb kristálygóc képződik, és nagyobbak lesznek a kristályok. Gyors hűtésnél több góc keletkezik, viszont kisebb kristályok képződnek. Nehezen kristályosodó anyagok esetében a túltelített oldatot beoltjuk, azaz a kristálygócokat kívülről visszük be. A kristályosodás sok esetben megindítható az edény belső falának üvegbottal való dörzsölésével. A kivált kristályokat szűréssel nyerjük ki. Acetanilid átkristályosítása Szükséges anyagok: anilin, ecetsav-anhidrid Kivitelezés: Erlenmeyer-lombikban 0,5 cm 3 desztillált vízhez csepp nyers anilint, majd 15 csepp ecetsavanhidridet adunk. A lombik tartalmát rázogatjuk. Ha a kristályképződés nem indul meg, a lombik belső felületét üvegbottal óvatosan kapargatjuk. Írja fel a lejátszódott reakció egyenletét szerkezeti képletekkel! Jellemezze a keletkezett anyagot (szín, szag, megjelenés)! Ha az egész massza megszilárdult és lehűlt, kb. 15 cm 3 deszt. vízzel, forrkő jelenlétében, főzőlapon addig melegítjük, míg fel nem oldódik. Ha az anyag hosszabb forralásra sem oldódik teljesen, kis részletekben további vizet adunk hozzá (a szennyezett kristályok többnyire megolvadnak és a kis fajlagos felületű olvadék-gömbök nagyon lassan oldódnak). Miután az anyag teljes mennyisége feloldódott, az oldatot a főzőlapról levesszük, majd pár perc múlva késhegynyi aktív szenet adunk hozzá (derítés, ld. 92. o.), és az előbbiekhez hasonló módon melegítve, éppen forrásba hozzuk, majd még melegen, redős szűrőn keresztül megszűrjük. A szűrletet vízcsap alatt hűtjük, majd az anyalúgot óvatosan dekantáljuk (ld. 14. o.) a kivált acetanilidről, melyet 15 cm 3 desztillált vízből még egyszer átkristályosítjuk. Az átkristályosítás után az acetanilidet sima szűrőn leszűrjük, és a kristályos szüredéket a szűrőpapírral együtt kiterítve, infralámpa alatt megszárítjuk. Jellemezze a keletkezett anyagot, hasonlítsa össze tulajdonságait az először keletkezett nyerstermékével! Megjegyzés: Az acetanilid 4-hidroxi származéka a paracetamol nevű fájdalom- és lázcsillapító hatású gyógyszer. Rajzolja le a paracetamol képletét! 25

26 Extrakció Az extrakció olyan elválasztási módszerek gyűjtőneve, amelyek alkalmazásakor a keverékekből oldószerrel vonjuk ki a kívánt anyagot. Szilárd-folyadék extrakció Szilárd halmazállapotú keverékből az oldható komponenst a dekantálásnál leírtak szerint, szükség esetén melegítéssel vonhatjuk ki. visszafolyó hűtő extraháló feltét papírtasak keverék oldószer ábra. Soxhlet-extraktor Az extrakció folyamatossá tehető a Soxhlet-készülék alkalmazásával. A készülék lombikból, extraháló feltétből és visszacsepegő hűtőből áll (3.14. ábra). A szilárd keveréket egy papírhüvelybe téve az extraháló feltétben helyezzük el. Forraláskor az oldószer a lombikból a nagy keresztmetszetű összekötőcsövön át a visszafolyó hűtőbe jut, ahol lecsapódik és a papírhüvelyben lévő anyagra csepegve kioldja az oldható komponenseket. Ha az extraktum eléri a túlfolyó szintjét, a szivornyán keresztül visszafolyik a forralólombikba és a folyamat újra kezdődik. Így extraháljuk pl. éterrel a lipid-frakciót megszárított zsírszövetből. A készülék előnye, hogy viszonylag kevés oldószerrel akár nagy mennyiségű anyag is extrahálható, hátránya, hogy hőérzékeny vegyületek extrakciójára nem alkalmas. Folyadék-folyadék extrakció Kémiai, biokémiai laboratóriumokban az extrakciós eljárások közül leggyakrabban a kirázást használjuk. Ilyenkor az oldatban lévő anyagot egy, az eredeti oldószerrel nem elegyedő oldószerrel extraháljuk, amely a kívánt komponenst jobban oldja, mint az eredeti oldószer. Az elválasztás alapja a Nernst-féle megoszlási törvény, amely szerint az oldott anyag koncentrációinak (c 1 és c 2 ) aránya két, egymással nem elegyedő, egyensúlyban lévő folyadékban, adott hőmérsékleten állandó, azaz c 1 /c 2 = K. A törvény szigorúan csak ideális esetben (híg oldatokban) érvényes. A kirázást akkor célszerű alkalmazni, ha a megoszlási hányados (K) sokkal nagyobb, mint 1, ilyenkor az anyag csaknem kvantitatíve megy át az eredeti oldatból a másik oldószerbe. Egyszeri összerázással gyakorlatilag az összes anyag extrahálható. Ha a hányados 1 körüli érték, ismételt kirázást alkalmazunk. A kirázás eszköze a választótölcsér. Ennek két típusát használjuk, a gömbölyűt és a kúposat (3.15. ábra). 26

27 3.15. ábra. Választótölcsérek A munkamenet a következő: 1. A csapot és a dugót az (alsó fázisként használt) használt oldószerrel megnedvesítjük. 2. Az extrahálandó oldat és az oldószer betöltése után a választótölcsér nyakát a dugóval együtt megfogjuk, másik kezünkkel a csapot kezeljük. 3. Kifolyóval felfelé fordítva a csapot nyitjuk, levegőztetjük. A csap elzárása után a fázisokat összerázzuk, majd ismét levegőztetjük. 4. A választótölcsért állványba helyezve a dugót kivesszük, és a fázisokat hagyjuk szétválni. 5. Az elvált fázisokat a csapon keresztül leengedve, külön-külön felfogjuk. Koffein izolálása teából A kísérlet példa arra, hogyan lehet biológiailag aktív anyagot természetes forrásból extrakcióval kinyerni. A koffeint oldatban izoláljuk, és azonossági reakciójával, a murexid-próbával mutatjuk ki. Extrakció: Főzőpohárba szórjunk kiskanálnyi tealevelet és forrkő jelenlétében, ~50 cm 3 deszt. vízzel főzőlapon forraljuk 15 percig (szilárd-folyadék extrakció). Ekkor a tealevélből kioldódnak a vízoldható vegyületek: a tea-alkaloidok, színanyagok (tanninok), íz- és illatanyagok, sók. A forró oldathoz kevergetés közben öntsünk 20 cm 3 10%-os ólom(ii)-acetát-oldatot a tanninok és egyéb kioldódó szennyezések kicsapására, majd redős szűrőn szűrjük meg. A szűréssel eltávolítjuk a tealevelet, a forrkövet és az ólommal képződött csapadékot. Jellemezze a szűrés során kapott folyadékot (szűrletet)! A szűrletet Erlenmeyer-lombikban egy szem forrkővel forralással töményítsük be kb. 20 cm 3 -re. A vízcsap alatt lehűtött oldatot vigyük át választótölcsérbe, és extraháljuk kétszer, cm 3 diklórmetánnal (folyadék-folyadék extrakció). Ekkor csak a koffein megy át a szerves fázisba, a vizes extraktumban maradnak a színanyagok és más vízoldható komponensek. Az egyesített diklórmetános extraktumhoz (alsó fázis) adjunk nagy vegyszerkanálnyi vízmentes nátrium-szulfátot szárítás 27

28 céljából. Rázogatás után redős szűrőpapíron szűrjük egy száraz Erlenmeyer lombikba. A diklórmetános koffeinoldatot rotációs filmbepárlóval pároljuk szárazra. Vizsgálja meg a keletkezett anyagot, írja le megfigyelhető tulajdonságait! (szín, szag, halmazállapot) Murexid-próba: A preparált koffein egy kis részletét porcelán tálban pár csepp tömény hidrogén-peroxid-oldattal és ugyanannyi 20%-os sósavval vízfürdőn pároljuk szárazra. Pozitív eredmény esetén a narancsvörös párlási maradék néhány csepp ammóniaoldatban bíborvörös színnel oldódik. Kérdések, feladatok 1. Definiálja a forráspontot! 2. Hogyan befolyásolja a külső nyomás a forráspontot? Miért célszerű vákumban végezni a bepárlást? 3. Mutassa be a vákuumbepárlás elvét fázisdiagramon! 4. A rotációs filmbepárló előnyei, alkalmazása. Rotációs filmbepárláskor mi a szerepe a lombik forgatásának? 5. Mutassa be a liofilizálás elvét fázisdiagramon! Jellemezze a liofilizálás folyamatát. 6. Melyek a liofilezés előnyei, mikor alkalmazzuk? 7. Sorolja fel a liofilezéssel készült anyag jellemzőit! 8. Magyarázza meg az átkristályosítás alapját az "oldhatóság hőmérsekletfüggése" diagramon. 9. Melyek az átkristályosításhoz ideális oldószer tulajdonságai? 10. A derítőszer (aktív szén) tulajdonságai és szerepe. 11. Mi a dekantálás? 12. Mit jelent az extrakció? 13. Írja fel a Nernst-féle megoszlási törvény és adja meg a jelölések magyarázatát! 14. Sorolja fel az extrakcióhoz ideális oldószer tulajdonságait! 15. Adja meg a szárítószer szerepét, tulajdonságait! 16. Melyek a Soxhlet-extraktor előnyei és hátrányai? 28

29 4. Fizikai változások, fázisátalakulások Az anyagok jellemzésére a fizikai és kémiai tulajdonságaik leírását használjuk. A fizikai tulajdonságok olyan jellegzetességek, amelyeket megmérhetünk vagy megfigyelhetünk anélkül, hogy az anyag minőségében változás következne be. Ilyenek például: a halmazállapot, a szín, az olvadáspont és forráspont, a sűrűség, a keménység, a viszkozitás, a hő- és elektromos vezetőképesség, az oldhatóság vízben vagy szerves oldószerekben stb. Ezzel szemben a kémiai tulajdonságok az anyag kémiai reaktivitását jellemzik, azt, hogy adott reagenssel szemben hogyan viselkedik. E tulajdonságok megfigyelésére csak kémiai reakció során van lehetőség, miközben az anyag egy másikká alakul át. Egy anyag kémiai tulajdonságai lehetnek: sav/bázis jellege, redukáló/oxidáló sajátsága, stabilitása/bomlékonysága, bármilyen viselkedése egy másik anyaggal szemben. Fizikai változások során az anyagok fizikai tulajdonságai változnak, de anyagi minőségük változatlan marad, azaz egy anyag ugyanazokkal a kémiai tulajdonságokkal rendelkezik pl. különböző halmazállapotaiban vagy oldatban. Halmazállapotok Szilárd anyagok Szilárd halmazállapotban az anyagot alkotó részecskék egymáshoz nagyon közel helyezkednek el, és helyhez kötött rezgőmozgást végeznek. Ebből adódóan a szilárd anyag saját alakkal ill. térfogattal rendelkezik. A szilárd anyagok lehetnek kristályosak, ill. amorf szerkezetűek. A részecskéket összetartó erő az anyagi minőségtől függ. Az amorf anyag részecskéi egymáshoz képest véletlenszerűen helyezkednek el, ezért az ilyen anyag izotróp, azaz fizikai sajátságai iránytól függetlenek. Tekinthetők extrém nagy viszkozitású vagy 29

30 túlhűtött folyadékoknak. Ilyen szerkezetű pl. az üveg, az aszfalt, a keményítő, a gumi vagy a paraffin. Az amorf anyagok nem rendelkeznek éles olvadásponttal, hanem egy szélesebb hőmérséklettartományban olvadnak, lágyulnak meg ábra. Amorf szerkezetű anyag A kristályos anyagok szabályos kristályrácsokat alkotnak, amelyek az ún. elemi cellák periodikus ismétlődésével épülnek fel. Az elemi cella kristályrács azon legkisebb egysége, amelynek eltolásával az egész kristály felépíthető. A kristályok általában anizotrópok, azaz egyes fizikai tulajdonságaik (pl. fénytörés, elektromos- és hővezetés, keménység, mágneses tulajdonságok, hasadás, rugalmasság, stb.) különböző irányokban eltérők. Az anizotrópia legszembetűnőbb megnyilvánulása az egyes anyagokra jellemző kristályalak, amely annak a következménye, hogy különböző irányokban nem egyforma a kristály növekedésének sebessége. A kristályos anyag éles olvadásponttal jellemezhető, azaz melegítés során a kristály egész tömege egy-két C-os tartományon belül olvad meg ábra. A kristályos anyag néhány C-os tartományon belül megolvad A kristályrácsokat a részecskéket összetartó erők alapján osztályozhatjuk, mint atomrácsos, ionrácsos, fémrácsos és molekularácsos kristályok. Az atomrácsos kristály rácspontjaiban semleges atomok találhatók, amelyek vegyértéküknek megfelelő számú kovalens kötéssel kapcsolódnak a szomszédjaikhoz, így folytonos térhálót hozva létre. Atomrácsos kristályokat alkot pl. a gyémánt, a kvarc, a bór és a karborundum (szilícium-karbid, SiC). Mivel a kovalens kötés erős elsőrendű kötés és felszakítása nagy energiát igényel, az atomrácsos anyag igen magas hőmérsékleten olvad meg, általában nagyon kemény, vízben vagy egyéb oldószerekben oldhatatlan. Szerkezetéből adódóan az atomrács nem vezeti az elektromos áramot, illetve egyes atomrácsos kristályok (pl. germánium) félvezetőként viselkednek. Az atomrácsos vegyületek összetételét az elemi cella összegképletével adjuk meg (pl. kvarc: SiO 2 ). 30

31 4.3. ábra. A kvarc szerkezete (Si, O ) Az ionrácsot ionok alkotják, így ez a fajta rácstípus csak vegyületeknél fordul elő. A rácspontban elhelyezkedő iont ellentétes töltésű ionok veszik körül, a rácsot a közöttük lévő erős elektrosztatikus vonzó kölcsönhatás, ionos kötés tartja össze. Az ionkristály semleges, azaz a kationok és anionok aránya olyan, hogy töltésük nettó összege nulla. Az ionos kötés szintén erős, elsőrendű kémiai kötés, ezért az ionrácsos anyagok általában magas olvadáspontúak. Az ionkristály elektromos szigetelő, hiszen az ionok helyhez kötöttek. A legtöbb ionrácsos anyag vízben jól oldódik, miközben ionjaira disszociál. A vizes oldatban az ionok körül hidrátburok alakul ki az ion-dipólus kölcsönhatásnak köszönhetően. Az ionvegyületek vizes oldata jól vezeti az elektromosságot, hiszen az oldatban az ionok szabadon elmozdulhatnak (elektrolitok). oldódás vízben ábra. Az ionrácsos kristály oldódása vízben Egyes ionvegyületek vízben igen gyengén oldódnak, gyakorlatilag csapadékok. Ilyen a legtöbb karbonát- vagy foszfát-só. Ez azzal magyarázható, hogy bizonyos nagyméretű ionok (nehézfémek ionjai, karbonát, foszfát, bromid, jodid) elektronfelhője könnyen polarizálható, azaz az ellenionjával alkotott kötés inkább kovalens jellegű. A fémrács rácspontjain fématomtörzseket találunk, melyek vegyérték-elektronjaikat közös elektronfelhőbe bocsátják (fémes kötés). A delokalizált elektronok könnyen elmozdulhatnak, ezért a fémek igen jó hő- és elektromos vezetők. Mivel a rácspontokon ugyanolyan részecskék sorakoznak, elmozdításuk nem jár a kötési állapot megváltozásával, ezért a fémek általában jól megmunkálhatók, sajtolhatók, hengerelhetők: a rácselemek eltolódnak egymáson, de kapcsolatuk a deformálás után is erős marad. 31

32 delokalizált elektronok deformálás fématomtörzsek 4.5. ábra. A fémrács szerkezete A fémrácsos anyagok vízben vagy más oldószerben nem oldódnak (fizikailag). Egyes fémek (pl. alkálifémek) a vízzel kémiai reakcióba lépnek. Fémrácsban kristályosodik pl. az s- és a d-mező valamennyi eleme (kivétel: hidrogén), illetve a fémötvözetek. Mivel az egyes fémek atomsugarai és az általuk alkotott elemi cellák meglehetősen különbözőek, a fémek keménysége, sűrűsége és olvadáspontja is széles skálán változik (pl. a volfrám 3410 C-on olvad, a higany -38,4 C-on). Fém olvadáspont ( C) sűrűség (g/cm 3 ) nátrium (Na) 97,8 0,97 alumínium (Al) 660 2,7 vas (Fe) ,86 ozmium (Os) ,6 Az 5 g/cm 3 -nél kisebb sűrűségű fémeket könnyűfémeknek hívjuk, az ennél nagyobb sűrűségűek a nehézfémek. A molekularácsos kristályt semleges molekulák alkotják. Bár a molekulákon belül erős kovalens kötés található, őket gyenge másodlagos (intermolekuláris, van der Waals) kötőerők tartják a rácspontokban. A másodlagos kölcsönhatások a következők: London-féle diszperziós erő (1-10 kj/mol) dipólus-dipólus kölcsönhatás (3-4 kj/mol) hidrogén-kötés (10-40 kj/mol) Ezek nagyságrendekkel gyengébbek az elsődleges kötéseknél ( kj/mol), ezért a molekularács már kis energiával is felbontható, azaz alacsony olvadáspontú, gyakran illékony, puha anyagokat találunk képviselőik között. Ilyen a legtöbb szerves vegyület, a p-mező jobb felső részén található elemek (közülük több gáz halmazállapotú szobahőmérsékleten) és a hidrogén. A molekularácsos anyagok szigetelők, vízoldhatóságuk pedig a molekulák szerkezetétől (polaritásától), végső soron az anyagi minőségüktől függ. Előfordul, hogy egy elem többféle kristályrácsot is képez, esetleg egyféle rácstípuson belül különböző alakú kristályokat alkot. Ezt a jelenséget allotrópiának nevezzük, az elem egyes változatait pedig allotróp módosulatoknak. A legismertebb allotrópok a szén módosulatai: a grafit, a gyémánt és 32

33 a fullerének (4.6. ábra). A gyémánt tiszta atomrács, amelyben minden szénatom 4 másikhoz kapcsolódik kovalens kötéssel, tetraéderes elrendeződésben. A grafit speciális rétegrácsos szerkezetű, minden szénatom 3 másikkal képez kovalens kötést, úgy, hogy egy sík háló alakul ki, a 4. vegyértékelektronok pedig e síkok között delokalizáltan helyezkednek el. A fullerének sok (néhány tíz vagy száz) szénatomból álló gömbszerű molekulák, melyek molekularácsot alkotnak. A fullerének származékainak tekinthetők a szénnanocsövek és szén síkhálók (grafén). gyémánt grafit C 60 fullerén 4.6. ábra. A szén allotróp módosulatai A kén különféle alakú molekularácsokat alkot, úgymint rombos és monoklin kristályok, melyek rácspontjain jellegzetes, korona alakú S 8 molekulák találhatók. Ezeken kívül létezik a kénnek amorf szerkezetű módosulata is, amely határozatlan alakú, gumiszerű anyag ábra. Az elemi cellák alaptípusai (kristályalakok) A foszfornak szintén több allotróp módosulatát ismerjük, a molekularácsos fehér (sárga) foszfort, amelyben tetraéderes P 4 molekulák találhatók, valamint az amorf jellegű vörös foszfort és a grafitszerű fekete foszfort. Az oxigén allotróp módosulatainak szokás tekinteni az elemi oxigént (O 2 ) és az ózont (O 3 ) is. Nemcsak elemek, de azonos vegyületek is előfordulhatnak többféle kristályszerkezetben. Ez a jelenség a polimorfia. Polimorfia számos anyagnál megfigyelhető, pl. a kalcit (márvány) és az aragonit (gyöngyház) a kalcium-karbonát trigonális (romboéderes) és rombos polimorf módosulatai. A 33

34 polimorfia igen fontos a gyógyszergyártásban, hiszen a hatóanyagok különböző módosulatai eltérően oldódhatnak ill. szívódhatnak fel a szervezetben. Az allotróp és polimorf módosulatok különböznek fizikai tulajdonságaikban, egymásba alakulásuk fázisátalakulás, amely hasonlóan az olvadáshoz, adott körülmények (nyomás és hőmérséklet) között vihető végbe. Az egyes anyagok fázisdiagramjaiból kiolvasható (4.8. ábra), hogy légköri nyomáson (1 bar) és szobahőmérsékleten (298 K) melyik az anyag stabil állapota (ld. előadás). Gyakran előfordul, hogy normál körülmények között egy anyag nem stabil (labilis, metastabil) formája is létezik, amely lassabban vagy gyorsabban, többnyire a stabil formává alakul át (allotróp/polimorf átalakulás). Néha olyan nagy a fázisátalakulás kinetikai gátja, hogy átalakulást egyáltalán nem tapasztalunk, az elvileg labilis forma is állandó (pl. normál körülmények között a szén stabil módosulata a grafit, a gyémánt elvileg nem) ábra. A szén és a víz fázisdiagramjai Folyékony anyagok Folyékony halmazállapotban az anyagot alkotó részecskék egymáshoz nagyon közel találhatók, kinetikus energiájuk azonban nagyobb, mint szilárd halmazállapotban, ezért egymáson elmozdulnak. A folyékony anyag a szilárdhoz hasonlóan saját térfogattal bír, de nincs saját alakja (felveszi az edény alakját). A folyadékok izotrópok, azaz tulajdonságaik a tér minden irányába azonosak. A folyadékok folyékonyságát a viszkozitással jellemezzük. A viszkozitás a folyadék részecskéinek egymással való súrlódásából adódik. Ez a belső súrlódási erő az a nyíróerő, amely két, egymástól 1 m-re lévő, 1 m 2 felületű folyadékréteget egymáshoz képest 1 m/s sebességgel mozdít el. (A viszkozitás jele η (éta), mértékegysége Ns/m 2, ill. ennek tizede a poise (P).) A nehezen folyó 34

35 folyadékokat viszkózusnak nevezzük (pl. méz, olaj, glicerin), míg a könnyen folyók kis viszkozitásúak (higany, benzin, alkohol). A viszkozitás nem tévesztendő össze a sűrűséggel, amely az egységnyi térfogatú anyag tömegét jelenti (jele ρ (ró), egysége kg/m 3, ill. g/cm 3 ). A sűrűséget gyakran a vízéhez viszonyítjuk (1 g/cm 3 ). Közismerten nagy sűrűségű a higany (13,6 g/cm 3 ), a kloroform (1,5 g/cm 3 ) vagy a bróm (3,12 g/cm 3 ), kis sűrűségűek pl. a hexán (0,66 g/cm 3 ) és az olaj (~0,9 g/cm 3 ). Légnemű anyagok Gáz halmazállapotban az anyagot alkotó részecskéknek olyan magas a kinetikus energiájuk, hogy a közöttük fellépő kölcsönhatásokat nagyban felülmúlják, ezért a légnemű anyagok részecskéi véletlenszerű, gyors, egymástól független mozgást végeznek. A gáznak nincs saját alakja, kitölti a rendelkezésére álló teret. Mivel a részecskék egymástól távol találhatók (kivéve, amikor ütköznek), a gáz összenyomható (szemben a folyadékokkal és szilárd anyagokkal). A gázok viselkedése a gáztörvényekkel írható le (ld. előadás). Fázisátalakulások Az anyagok a hőmérséklettől és a nyomástól függően különböző halmazállapotokban stabilisak. Az egyes halmazállapotokhoz (ill. fázisokhoz) tartozó hőmérséklet-nyomás értékeket a fázisdiagramokon tüntetjük fel (4.8. ábra). A szilárd és folyékony anyagok felületéről részecskék szakadhatnak ki az anyagot körülvevő gőztérbe, amennyiben elegendő kinetikus energiával rendelkeznek. Ez a jelenség a párolgás. A párolgás mértéke a hőmérséklettől függ, hiszen minél magasabb a hőmérséklet, annál több felületi részecske rendelkezik a kiszakadáshoz szükséges mozgási energiával. A párolgás mértékét az anyag fölött képződő és zárt térben vele egyensúlyban lévő gőz nyomásával jellemezhetjük. A telített gőz nyomását tenziónak nevezzük. Amikor melegítés hatására egy folyadék tenziója eléri a külső nyomást, a folyadék belsejében is gázbuborékok is jelennek meg, a folyadék forrni kezd. A forráspont az a hőmérséklet, amelyen a folyadék tenziója megegyezik a légköri nyomással. Minél kisebb a külső nyomás, a folyadék annál alacsonyabb hőmérsékleten forr. Az olvadáspont az a hőmérséklet, melyen adott nyomáson a folyadék és a szilárd anyag egyensúlyban van. A szilárd anyagoknak általában alacsony a tenziója, ám egyes anyagok gőznyomása már az olvadáspont alatti hőmérsékleten eléri a légköri nyomást. Ilyen pl. a naftalin, a jód, a kámfor, a széndioxid (4.9. ábra) vagy a kalomel. Ezek az anyagok melegítéskor elpárolognak, anélkül, hogy megolvadnának. Ezt a jelenséget szublimációnak nevezzük. A szublimáló anyagok gőzeit lehűtve közvetlenül szilárd formában lerakódnak, folyékony fázis nem jelenik meg. 35

36 4.9. ábra. A szén-dioxid fázisdiagramja Az anyagok olvadáspontját és forráspontját két tényező határozza meg: a halmazt összetartó kölcsönhatás jellege és a moláris tömeg. Minél nagyobb egy anyag moláris tömege, annál magasabb olvadás- és forrásponttal jellemezhető. Kis móltömegű anyagok is olvadhatnak (moláris tömegükhöz képest) magas hőmérsékleten, ha a részecskék között viszonylag erős kölcsönhatások lépnek fel (pl. H-kötés vagy elsődleges kötések). A molekulatömeg a polarizálhatósággal van összefüggésben. Minél nagyobb egy ion vagy molekula, annál nagyobb az elektronfelhője, a felülete. Szilárd vagy folyadék állapotban a nagyobb felületen érintkező molekulák között erősebb a diszperziós kölcsönhatás, egymástól nehezebben, nagyobb energiával távolíthatók el. Nagyméretű atomokat (pl. Br, I) tartalmazó molekulákban az atommagoktól viszonylag távolabb lévő elektronok könnyen deformálhatók, polarizálhatók, két molekula találkozásakor egymással könnyebben alakítanak ki erősebb diszperziós kölcsönhatást. Oldódás Szilárd anyagok oldódásakor (szolvatáció) a kristályszerkezet felbomlik, a rácspontokon található részecskék egymástól eltávolodnak, miközben kölcsönhatásba lépnek a folyékony oldószer molekuláival, körülöttük ún. szolvátburok alakul ki. Vizes oldatokban ezt hidrátburoknak nevezzük. Az oldódás hajtóereje éppen a szolvatáció során létrejövő kedvező kölcsönhatások kialakulása. Az oldódó részecske és az oldószer molekulái között másodlagos (intermolekuláris) kölcsönhatások jönnek létre, egy anyag annál jobban oldódik egy adott oldószerben, minél inkább képes másodlagos kölcsönhatások kialakítására az oldószer-molekulákkal. Mivel a másodlagos kötőerők a molekulák szerkezetétől, alakjától, azaz polaritásától függenek, hasonló a hasonlóban oldódik, tehát általában rokon szerkezetű vegyületek jól oldják egymást. Az ionvegyületek szolvatációja során a szabad ionok a poláris jellegű oldószer-molekulákat koordinálják maguk köré, ion-dipólus kölcsönhatás alakul ki közöttük. Ezért az ionvegyületek többnyire jól oldódnak vízben és egyes poláros oldószerekben (nitro-metán, acetonitril). 36

37 4.10. ábra. Ion-dipólus kölcsönhatás A víz jól oldja azokat a poláros vegyületeket is, amelyek hidrogén-kötés kialakítására képesek, így beépülnek a víz H-kötés rendszerébe. A H-kötés kialakítására nem képes poláros anyagok is oldódhatnak vízben, ekkor közöttük és a vízmolekulák között dipólus-dipólus kölcsönhatás lép fel. Az apoláros szerkezetű molekulák csak diszperziós kölcsönhatásra képesek, ezért vízben nem vagy gyengén, viszont apoláros szerves oldószerekben (hexán, toluol, etil-acetát, diklór-metán) jól oldódnak. Oldatában az anyag megőrzi kémiai minőségét, az oldószer eltávolításával változatlanul visszanyerhető (ld. átkristályosítás). Összefoglalás halmazállapotok kristályos - atomrács - ionrács - fémrács - molekularács szilárd folyadék gáz amorf allotrópia, polimorfia - viszkozitás - sűrűség (ld. kinetikus gázelmélet) Kérdések, feladatok 1. Mit jelentenek az anyagok fizikai tulajdonságai? Soroljon fel három fizikai tulajdonságot! 2. Mit jelentenek az anyagok kémiai tulajdonságai? Soroljon fel három kémiai tulajdonságot! 3. Jellemezze az amorf anyag szerkezetét! Írjon három példát amorf szerkezetű anyagra! 4. Jellemezze a kristályos anyag szerkezetét! Sorolja fel a négyféle kristályrácstípust! 5. Mit jelent az elemi cella? 6. Jellemezze az atomrácsos kristályt: részecskék a rácspontokon: a részecskéket összetartó erő: olvadáspont: vízoldhatóság: elektromos vezetés: Adjon példát atomrácsra: 7. Jellemezze az ionrácsos kristályt: részecskék a rácspontokon: a részecskéket összetartó erő: 37

38 olvadáspont: vízoldhatóság: elektromos vezetés: Adjon példát ionrácsra: 8. Jellemezze a fémrácsos kristályt: részecskék a rácspontokon: a részecskéket összetartó erő: olvadáspont: vízoldhatóság: elektromos vezetés: Adjon példát fémrácsra: 9. Jellemezze a molekularácsos kristályt: részecskék a rácspontokon: a részecskéket összetartó erő: olvadáspont: vízoldhatóság: elektromos vezetés: Adjon példát molekularácsra: 10. Mit jelent az allotrópia? Adjon egy példát az allotrópiára! 11. Mit jelent a polimorfia? Adjon egy példát polimorfiára! 12. Az alábbi fázisdiagramon jelölje meg a normál légköri nyomáshoz és szobahőmérséklethez tartozó pontot és állapítsa meg, hogy melyik az anyag stabil formája ilyen körülmények között. (akármilyen anyag fázisdiagramja) 13. Jellemezze a folyékony anyag szerkezetét! Miben különbözik a szilárd halmazállapottól? 14. Mit jelent a viszkozitás? Adjon két-két példát nagy és alacsony viszkozitású anyagokra! 15. Mit jelent a sűrűség? Adjon két-két példát nagy és kis sűrűségű anyagokra! 16. Mit jelent az olvadáspont? 17. Mit jelent a forráspont? 18. Mit jelent a szublimáció? Adjon három példát közönséges körülmények között szublimáló anyagra! 19. Milyen szerkezeti tényezők határozzák meg az anyagok olvadás- ill. forráspontját általában? 20. Jellemezze az oldódás folyamatát! Milyen jellegű kölcsönhatások alakulnak ki az oldódó anyag és az oldószer között? 21. Mit jelent a hasonló a hasonlóban oldódik szabály és mi a magyarázata? 22. Milyen kölcsönhatás alakul ki ionvegyületek vízben való oldódása során az ionok és a vízmolekulák között? Készítsen ábrát is! 23. Milyen szerkezetű vegyületek oldódnak jól, és milyenek rosszul vízben? Miért? 24. Hasonlítsa össze egy anyag és annak oldatának kémiai és fizikai tulajdonságait! 38

39 Kísérletek A jód szublimálása Szükséges anyagok: jód Kivitelezés (párosával): 150 cm 3 -es főzőpohár aljára szórjunk nagyon kevés jódkristályt, helyezzünk a főzőpohárra néhány jégdarabot tartalmazó óraüveget, és tegyük az egészet meleg rezsóra (1-2 fokozat). Hagyjuk a rendszert a főzőlapon másodpercig és oldalról figyeljük meg. Mit tapasztalunk? Látható-e folyadék keletkezése? Ezután vegyük le a lefedett főzőpoharat a fűtőlapról és várjuk meg, hogy a rendszer lehűljön, és az összes gőz kondenzáljon (kb. 15 perc). Az óraüveget a szélein fogva óvatosan távolítsuk el, öntsük le róla a jeges vizet, majd vizsgáljuk meg a külső oldalát. Érdemes nagyítóval is megnézni a keletkezett kristályokat. Írjuk le a tapasztalt folyamatot! A kísérlet végeztével az eszközöket a fülke alatt elhelyezett jódos gyűjtőedény felett mossuk le kevés acetonnal. Megjegyzés: Ugyanezen a jelenségen alapszik a liofilizálás: a megfagyott vizet (jeget) vákuumban szublimáltatjuk el. A liofilizálás a biológiában nélkülözhetetlen módszer a víz kíméletes eltávolítására oldatokból. A jód oldódása különböző oldószerekben Szükséges anyagok: jód, aceton, diklór-metán, toluol Kivitelezés: Három kémcsőbe öntsön rendre ujjnyi acetont, diklór-metánt és toluolt. Szórjon mindegyikbe nagyon kevés jódot. Mit tapasztal? Megjegyzés: A gázhalmazállapotú jód lila színű, ez a "saját" színe, amikor nincs kölcsönhatásban más anyagokkal. Az oldódás során másodlagos (intermolekuláris) kötéseket alakít ki az oldószer molekuláival, amely révén polarizálódik, torzul a jódmolekula elektronfelhője, emiatt a fényelnyelése is megváltozik. Az olvadás és az oldódás Szükséges anyagok: acetanilid, aceton Kivitelezés: a. Tegyen babszemnyi acetanilidet főzőpohárba, majd helyezze meleg fűtőlapra (1-2 fokozat). Figyelje meg a változást! Jegyezze fel a keletkező anyag halmazállapotát, színét, viszkozitását! Miután az acetanilid teljes mennyisége megolvadt, vegye le a főzőpoharat a fűtőlapról és hagyja az anyagot újra megszilárdulni. 39

40 b. Tegyen kevés acetanilidet óraüvegre, és öntsön hozzá kevés acetont. Figyelje meg a változást! Hasonlítsa össze a b. részben keletkezett folyadékot az a. részben keletkezettel! Ezután hagyja, hogy az aceton elpárologjon. Vizsgálja meg újra a keletkezett anyagot, hasonlítsa össze az előző, a. kísérlet végtermékével! Milyen tulajdonságai változtak meg az acetanilidnek a kísérletek során? A kísérlet végeztével az eszközöket a fülke alatt elhelyezett gyűjtőedény felett mossuk le kevés acetonnal. Megjegyzés: Egy anyag ugyanazt a kémiai minőséget képviseli, függetlenül attól, hogy milyen halmazállapotban vagy oldatban található-e, mesterségesen állítottuk elő, vagy természetes forrásból származik. Kémiai viselkedését és biológiai hatását tekintve nincs különbség pl. a gyümölcslében található, oldott állapotú C-vitamin és a szintetikusan előállított, tablettázott, szilárd C-vitamin között. A sűrűség és a viszkozitás Szükséges anyagok: tintával megfestett víz, étolaj Kivitelezés: a. Vízszintesen elhelyezett üveglap keskenyebbik végére cseppentsen egy-két csepp étolajat, majd mellé ugyanannyi tintás vizet. Lassan emelje fel az üveglapnak azt a végét, amelyikre a folyadékokat cseppentette és figyelje meg, hogy melyik folyik le gyorsabban. b. Ezután öntsön kevés étolajat majd tintás vizet egy kémcsőbe, enyhén rázza meg a kémcsövet, és figyelje meg a keletkező rendszert. Mit tapasztal? Hasonlítsa össze a víz és az étolaj viszkozitását, ill. sűrűségét! Megjegyzés: Mind a sűrűség, mind a viszkozitás függ a hőmérséklettől. Fontos fiziológiás paraméter a vér viszkozitása. Ezt befolyásolja az alakos elemek (pl. vörösvértestek) mennyisége, de a vérplazma egyes nagymolekulájú alkotórészeinek (pl. fehérjék) megszaporodása is növelheti a viszkozitást. A vér magas viszkozitása a szívinfarktus kockázati tényezője. Ha a vér viszkozitása nő (csökken a vér folyékonysága), romlik a vér folyási tulajdonsága. Ennek az a következménye, hogy a sejtek, szövetek nem kapnak elég oxigént, táplálékot, ez pedig a szervek működésének zavarához vezet. Ilyen esetben vért engednek le a beteg vénájából, és ezzel párhuzamosan azonos mennyiségű olyan infúziót adnak, mely tovább hígítja a vért, és ezzel javítja a véráramlást. Az ilyen terápia csökkenti a szívinfarktus előfordulási gyakoriságát is. Hasonló hasonlót old Szükséges anyagok: hexán, jód (I 2 ), metilnarancs, víz, diklór-metán Kivitelezés: Rajzolja le a kísérlet során látottakat! Megfigyeléseit az intermolekuláris kölcsönhatások alapján magyarázza meg! a. Kémcsőbe öntsön 2 ujjnyi diklór-metánt. Töltsön rá ujjnyi vizet. Rétegezzen rá óvatosan ujjnyi hexánt. Készítsen rajzot! Miért nem elegyednek a folyadékok? 40

41 b. Szórjon a kémcsőbe nagyon kevés metilnarancs port, de ne rázogassa a kémcsövet! Melyik fázisban oldódik a metilnarancs? Miért? O CH 3 Na + O S N N N CH O 3 A metilnarancs szerkezeti képlete c. Ezután szórjon a kémcsőbe kevés jódot, és figyelje meg, mely fázisok színeződnek el! Melyik fázisban oldódik a jód? Miért? d. Óvatosan rázza meg a kémcsövet! Mit tapasztal? Mi a magyarázata? e. Adjon a keverékhez további 1-2 cm 3 hexánt, és óvatosan rázza össze! Mi történik, mi a változás oka? Megjegyzés: Az intermolekuláris kölcsönhatásokkal magyarázható meg az elő szervezet bonyolult anyagainak szerkezete is. Másodlagos kölcsönhatások révén alakul ki a sejtmembrán, a fehérjék struktúrája, a DNS helikális szerkezete, és egyéb ún. szupramolekuláris szerkezetek. Négykomponensű heterogén keverék szétválasztása komponenseire (bemutató kísérlet) Szükséges anyagok: réz-szulfátból, homokból, jódból és vízből készült keverék, diklór-metán Kivitelezés: A kísérlethez olvassuk el a szűrés (14. oldal) és az extrakció (24. oldal) leírását. Vizsgáljuk meg a kapott keveréket, írjuk le a megfigyelhető tulajdonságait! Szűrjük le a keveréket redős szűrőn, mossuk kevés vízzel a csapadékot, amíg színtelen nem lesz. Tegyük a csapadékos szűrőpapírt infralámpa alá és hagyjuk megszáradni (szárítás). A szűrletet öntsük választótölcsérbe, öntsünk hozzá ~10 cm 3 diklór-metánt, majd a dugóval lezárt választótölcsért óvatosan rázzuk össze (extrakció). A választótölcsért helyezzük vissza az állványra, vegyük ki a dugóját. Figyeljük meg a változást. Mit tapasztalunk? Válasszuk szét a fázisokat: először a diklór-metános (alsó) fázist engedjük le egy lombikba, majd a felső (vizes) fázist egy kristályosító csészébe. A vizes fázist egy szem forrkővel helyezzük meleg rezsóra (2-3 fokozat). Amikor a víz nagy része elpárolgott, és már csak 2-3 ml oldat maradt vissza, vegyük le a rezsóról és hagyjuk kihűlni (a forrkövet eltávolíthatjuk). A kísérlet után jellemezzük a kinyert komponenseket. Magyarázzuk meg, hogy mi és miért történt az egyes lépések során. A kísérlet után a diklór-metános fázist a fülke alatt elhelyezett gyűjtőedénybe öntjük. Töltse ki az alábbi folyamatábrát! A fehér szögletes téglalapokba a kapott anyag, a szürke alakzatokba az elvégzett műveletek nevét írja be. 41

42 keverék csapadék extrakció diklór-metános fázis bepárlás A polimorfia jelensége - higany(ii)-jodid két módosulatának előállítása Szükséges anyagok: kálium-jodid-oldat, higany(ii)-klorid-oldat, víz Kivitelezés: a. Öntsön össze kb. azonos mennyiségű kálium-jodid- (KI) és higany(ii)-klorid- (HgCl 2 ) oldatot. Mit tapasztal? Írjon reakcióegyenletet! b. 2 csepp kálium-jodid-oldatot hígítson vízzel fél kémcsőnyi térfogatra. Egy másik kémcsőben 2 csepp higany(ii)-klorid-oldatot hígítson meg hasonlóképpen. Ezután egy harmadik kécsőben a hígított oldatokból öntsön össze ujjnyi mennyiségeket. Mit tapasztal? Hasonlítsa össze a változást az előző kísérlettel! Figyelje meg a reakcióelegyet kb perc múlva is és írja le a tapasztaltakat! Magyarázat: A kísérletben a polimorfia jelensége látható. Tömény oldatból a higany(ii)-jodid tetragonális módosulatban, híg oldatból rombos módosulatban válik ki, mely állás közben a stabil tetragonálissá alakul át. A kétféle módosulat különböző színű, ezért az átalakulás jól látható. Megjegyzés: A polimorf kristályformák egymásba alakulása igen fontos a gyógyszergyártás szempontjából. Az egyes polimorf módosulatoknak ugyanis eltérő lehet az oldhatósága, az eltarthatósága. Az oldhatóság különbözősége miatt eltérő módon szívódhat fel a hatóanyag, ami a szükségesnél alacsonyabb vagy magasabb mértékű biológiai hozzáférhetőséget eredményezhet. Egy szélesspektrumú antibiotikum, a klóramfenikol-3-palmitát (CAPP) például számos polimorf módosulatban létezik, amelyek közül a legstabilabb formát hozták forgalomba, de egy másik módosulata kb. nyolcszor nagyobb bioaktivitással rendelkezik. Ha kontrollálatlan körülmények között (pl. tárolás során) a kevésbé hatékony szer átalakul az aktívabb polimorffá, a jelenség a gyógyszer súlyos túladagolását okozhatja. A CAPP igen hajlamos polimorf átalakulásokra, ezért gyógyszerként már nem alkalmazzák. (Mikló Katalin: Gyógyszeripari hatóanyagok új kristályformáinak szabadalomképessége. Iparjogvédelmi és szerzői jogi szemle 2008, 113/5, ) 42

43 5. Szervetlen kémia Ez a fejezet a periódusos rendszer felépítését követi, az elemeket és vegyületeiket a periódusos rendszer csoportjai alapján tekintjük át. Az alfejezetek elején röviden bemutatjuk a csoport elemeit, majd az orvosi, ill. gyakorlati szempontból fontos elemeket és vegyületeiket részletesen tárgyaljuk. Külön foglalkozunk a szervetlen vegyületek biológiai, orvosi jelentőségével. A fejezet végén összefoglaljuk a mindennapi életben előforduló vegyszereket (fertőtlenítőszerek, növényvédőszerek, élelmiszerekben található anyagok stb.). Kémiai egyenletek a szervetlen kémiában Az egyenletek bal oldalán szerepelnek a kiindulási anyagok, jobb oldalán a termékek. Ha a két oldal között egyenlőségjel vagy nyíl szerepel, az arra utal, hogy a reakció teljesen lejátszódik. Az odavissza nyilat ( ) csak egyensúlyi reakciók esetén használjuk, amikor egy olyan reakcióelegy a végtermék, amelyben mind a kiindulási anyagok, mind a termékek megtalálhatók. Az egyenletekben a csapadékokat (vízben nem oldódó anyag) aláhúzással jelöljük. Előfordul, hogy vegyületek képletében szorzásjel szerepel, pl. CaCO 3 MgCO 3 (dolomit), CuSO 4 5 H 2 O (rézgálic). Ez azt jelenti, hogy az anyag valójában két vegyület keveréke, azonban e keverék összetétele állandó, pl. vizes oldatból mindig ilyen összetételű anyag kristályosodik ki. A komponensek természetesen ilyen esetekben is elválaszthatók egyszerű fizikai módszerekkel. Bevezetés a szervetlen kémiába A szervetlen kémia az elemek és azok vegyületeinek viselkedésével foglalkozik. Mivel a kémiai tulajdonságok az elemek atomjainak elektronszerkezetéből következnek, néhány általános tulajdonságra a periódusos rendszerben elfoglalt helyből következtethetünk (5.1. ábra, ld. Függelék). Az első kettő és az utolsó hat oszlopot főcsoportoknak nevezzük (I-VIII. A), a többit mellékcsoportoknak (I-VIII. B). (ld. függelék) A periódusos rendszer egyes oszlopaiban (csoportjaiban) elhelyezkedő elemek hasonló vegyértékelektron-konfigurációval rendelkeznek, ezért hasonló összetételű vegyületeket alkotnak, ill. kémiai reakciókban hasonlóan viselkednek. A főcsoportbeli elemek általában annyi kötést képeznek, amennyi a vegyértékelektronjaik száma, ill. az V-VIII. főcsoportokban: 8 mínusz a vegyértékelektronok száma. Az utolsó csoportot a nemesgázok alkotják, amelyek telített vegyérték-héjjal rendelkeznek, ezért kémiai reakciókban többnyire nem vesznek részt (inert gázok), vegyületeket ritkán képeznek. 43

44 IA IIA IIIA IVA VA VIA VIIA VIIIA 1 1H 2He hidrogén hélium 2 3Li 4Be 5B 6C 7N 8O 9F 10Ne lítium berillium bór szén nitrogén oxigén fluor neon 3 11Na 12Mg IIIB IVB VB VIB VIIB VIIIB IB IIB 13Al 14Si 15P 16S 17Cl 18Ar nátrium magnézium alumínium szilícium foszfor kén klór argon 4 19K 20Ca 21Sc 22Ti 23V 24Cr 25Mn 26Fe 27Co 28Ni 29Cu 30Zn 31Ga 32Ge 33As 34Se 35Br 36Kr kálium kalcium szkandium titán vanádium króm mangán vas kobalt nikkel réz cink gallium germánium arzén szelén bróm kripton 5 37Rb 38Sr 39Y 40Zr 41Nb 42 Mo 43Tc 44Ru 45Rh 46Pd 47Ag 48Cd 49In 50Sn 51Sb 52Te 53I 54Xe rubídium stroncium ittrium cirkónium nióbium molibdén technécium ruténium ródium palládium ezüst kadmium indium ón antimon tellúr jód xenon 6 55Cs 56Ba 57La 72Hf 73Ta 74W 75Re 76Os 77Ir 78Pt 79Au 80Hg 81Tl 82Pb 83Bi 84Po 85At 86Rn cézium bárium lantán hafnium tantál volfrám rénium ozmium irídium platina arany higany tallium ólom bizmut polónium asztácium radon 7 87Fr 88Ra 89Ac 104Rf 105Db 106 Sg 107 Bh 108 Hs 109 Mt 110 Ds francium rádium aktínium rutherfordium dubnium seaborgium bohrium hassium meitnerium darmstadtium 58Ce 59Pr 60Nd 61Pm 62 Sm 63Eu 64Gd 65Tb 66Dy 67Ho 68Er 69Tm 70Yb 71Lu cérium prazeodímium neodímium prométium szamárium európium gadolínium terbium diszprózium holmium erbium túlium itterbium lutécium 90Th 91Pa 92U 93Np 94Pu 95Am 96Cm 97Bk 98Cf 99Es 100Fm 101 Md 102 No 103 Lr tórium protaktínium urán neptúnium plutónium amerícium kűrium berkélium kalifornium einsteinium fermium mendelévium nobélium laurencium 5.1. ábra. A periódusos rendszer A periódusos rendszer bal oldalán találjuk a fémeket, míg a jobb felső sarokban a nemfémek helyezkednek el. Közöttük, a bór-asztácium vonal mentén találhatók a félfémek. A félfémek különleges tulajdonságú elemek, gyakran atomrácsos szerkezetűek és félvezető sajátságúak (ellentétben a fémekkel, elektromos ellenállásuk a hőmérséklet növelésével csökken). A periódusos rendszerben az elemek első ionizációs energiája balról jobbra haladva növekszik, fentről lefelé haladva viszont csökken. Ebből következően a rendszer bal alsó részén elhelyezkedő elemek (fémek) többnyire kationok képzésére és ionvegyületek kialakítására hajlamosak ábra. Az első ionizációs energia változása Az elemek elektronaffinitása balról jobbra nő, de fentről lefelé haladva jelentősen nem változik. Emiatt a p-mező jobb oldalán található elemek anionok képzésére hajlamosak ábra. Az elektronaffinitás változása Általánosságban elmondhatjuk, hogy a fémek ionvegyületeket képeznek, míg a nemfémek inkább kovalens kötéseket alakítanak ki. Természetesen vannak kivételek (halogenid-ionok, oxid-, hidrid-, szulfid-ion ) 44

45 Az elemek elektronegativitása szintén balról jobbra nő és fentről lefelé haladva csökken. A legkisebb elektronegativitású elem a cézium (0,7), a legnagyobb a fluor (4,0). Az elektronegativitásnak a vegyületek ionos vagy kovalens jellegének megállapításában van jelentősége ábra. Az elektronegativitás változása A fémek jó redukálószerek, míg a nemfémek többnyire oxidálószerként viselkednek. A periódusok szélein az elemek igen reaktívak (kivéve a nemesgázokat), a periódusok közepén található elemek kisebb reaktivitásúak ábra. Az elemek reaktivitása A bór-asztácium vonal mentén található elemek és vegyületeik gyakran amfoter jellegűek, azaz savakkal és bázisokkal is reakcióba lépnek. Az elemek vegyületei Az elemek oxigénnel képzett vegyületei három csoportba sorolhatók. Bázikus oxidok: A kis elektronegativitású fémek ionos oxidokat képeznek, melyek vízzel reagálnak és a megfelelő hidroxidokká alakulnak át. Az ilyen oxidokat bázisanhidrideknek nevezzük. CaO + H 2 O = Ca(OH) 2 Tipikusan bázisos oxidok az s-mező elemeinek oxidjai, a bizmut-oxid (Bi 2 O 3 ) és az átmenetifémek néhány alacsonyabb oxidációs számú oxidja (FeO, MnO, CoO). Savas oxidok: A nemfémek kovalens oxidokat alkotnak, melyek vízzel oxosavak képződése közben reagálnak, tehát savanhidridek. CO 2 + H 2 O = H 2 CO 3 A félfémek közül az arzén oxidjai (As 2 O 3, As 2 O 5 ), az átmenetifémek között a magas oxidációs állapotú fém-oxidok szintén savanhidridek (CrO 3, Mn 2 O 7, V 2 O 5, OsO 4 ). A semleges oxidok nem reagálnak vízzel. Ilyen pl. a szén-monoxid (CO), a nitrogén egyes oxidjai (NO és N 2 O) és a vízoldhatatlan fém-oxidok is (Fe 2 O 3 ). Egyes közepes elektronegativitású elemek amfoter oxidokat alkotnak, amelyek ugyan vízben nem oldódnak (nem anhidridek), de savakban és lúgokban igen. Tipikusan ilyen az alumínium-oxid (Al 2 O 3 ) és a cink-oxid (ZnO). 45

46 Bázisanhidrid + víz = fém-hidroxid Savanhidrid + víz = oxosav nemfémek fémek félfémek fémek nemfémek ionizációs energia kicsi nagy elektronegativitás kicsi nagy redox sajátság redukálószerek oxidálószerek vegyületei ionosak kovalensek - oxidjai bázisanhidridek savanhidridek elektromos vezetés vezetők szigetelők Hidroxidok és oxosavak A kis elektronegativitású fémek hidroxidjai ionos vegyületek, vízben jól oldódnak és ionjaikra disszociálnak. NaOH Na + + OH A közepes elektronegativitású (átmeneti)fémek hidroxidjai vízben többnyire rosszul oldódó ionos vegyületek. Minden fém hidroxidja bázikus jellegű, savakkal sókat és vizet képeznek. Fe(OH) HCl = FeCl H 2 O A nemfémek oxidjai vízzel oxigéntartalmú savakká oxosavakká alakulnak át. SO 3 + H 2 O H 2 SO 4 Az oxosavak kovalens molekulák, melyek vízben oldódnak és a vízmolekuláknak hidrogén-ionokat adnak át. H 2 SO 4 + H 2 O HSO 4 + H 3 O + Az oxosavak molekuláiban a hidrogénatomok általában oxigénen keresztül kapcsolódnak a központi atomhoz. Csak azok a hidrogének disszociálhatnak, amelyek oxigénhez kapcsolódnak! Például a foszforsav háromértékű (3 hidrogént adhat le), míg a foszforossav csak kettő. 46

47 Ha az oxosavakból hidrogén-ionokat távolítunk el, a savmaradék-ionokhoz jutunk: HSO 4 : hidrogénszulfát SO 2 4 : szulfát H 2 PO 4 : dihidrogén-foszfát A fém-hidroxidok és oxosavak reakcióiban minden esetben sók és víz keletkeznek. Ca(OH) 2 + H 2 CO 3 = CaCO H 2 O A bázisanhidridek is reagálnak savanhidridekkel, de ekkor víz nem keletkezik, csak a megfelelő só: CaO + CO 2 = CaCO 3 Az oxosavak kloridjai Az oxosavak hidroxil-csoportját klórra cserélve savkloridokhoz jutunk. Ezek a vegyületek nagyon reaktívak, vízzel könnyen a megfelelő oxosavra és hidrogén-kloridra hidrolizálnak. Emiatt veszélyes, mérgező anyagok, azonban a preparatív kémia számára igen értékes reagensek. Sók A sav-bázis reakciókban keletkezett sókat az összetételük alapján csoportosíthatjuk. A semleges vagy szabályos sók akkor keletkeznek, amikor sav és bázis sztöchiometrikus reakcióban teljesen közömbösíti egymást: HCl + NH 3 = NH 4 Cl (ammónium-klorid) 2 NaOH + H 2 SO 4 = Na 2 SO H 2 O (nátrium-szulfát) 3 KOH + H 3 PO 4 = K 3 PO H 2 O (kálium-foszfát) MgO + CO 2 = MgCO 3 (magnézium-karbonát) Savanyú sók többértékű savak részleges közömbösítésekor jönnek létre. A savanyú sók mindig tartalmaznak legalább egy, disszociálni képes hidrogént, és bázissal további reakcióra képesek. KOH + H 3 PO 4 = KH 2 PO 4 + H 2 O (kálium-dihidrogén-foszfát) NaOH + H 2 CO 3 = NaHCO 3 + H 2 O (nátrium-hidrogén-karbonát) 47

48 A bázisos sók többértékű bázisok részleges közömbösítésével keletkeznek. Ezek a sók hidroxidionokat tartalmaznak, és savakkal bázisként reagálnak. Mg(OH) 2 + HNO 3 = Mg(OH)NO 3 + H 2 O (magnézium-hidroxid-nitrát) A semleges, savanyú és bázisos elnevezés a sók összetételére utal, nem pedig a vizes oldatuk kémhatásra! (ld. sók hidrolízise) Pl. a szódabikarbóna (NaHCO 3 ) savanyú só, jóllehet vizes oldata lúgos kémhatású A vegyes vagy kettős sók háromféle iont tartalmaznak, pl. két különböző kationt és egy aniont, vagy egyféle kationt és kétféle aniont. KAl(SO 4 ) 2 K + + Al SO 4 2 CaClOCl Ca 2+ + Cl + OCl (kálium-alumínium-szulfát, timsó) (kalcium-klorid-hipoklorit, klórmész) A komplex sók olyan koordinációs vegyületek, amelyek általában egy összetett (komplex) ionból és egyszerű ellenionjából állnak. Maga a komplex ion egy központi fémből és a hozzá koordinatív kötéssel kapcsolódó ligandumokból épül fel, mely vizes oldatban nem disszociál. (ld. komplexek) [Ag(NH 3 ) 2 ]Cl [Ag(NH 3 ) 2 ] + + Cl K 3 [Fe(CN) 6 ] 3K + + [Fe(CN) 6 ] 3 A sók vizes oldatokban ionjaikra disszociálnak. NH 4 Cl NH Cl NaHCO 3 Na + + HCO 3 Mg(OH)NO 3 Mg 2+ + OH + NO 3 Gyengébb sav sójához erősebb savat adva helyettesítési reakció történik, az erősebb sav a gyengébbet felszabadítja sójából: K 2 CO HCl 2 KCl + H 2 CO 3 (H 2 CO 3 CO 2 + H 2 O) MgCl 2 + H 2 SO 4 MgSO HCl NaOCl + HNO 3 NaNO 3 + HOCl 2 KCN + CO 2 + H 2 O K 2 CO HCN A szervetlen savak erősségi sora: HClO 4 H 2 SO 4 HI > HCl HNO 3 >> H 3 PO 4 > H 2 CO 3 H 2 S > H 3 AsO 3 HCN perklórsav kénsav hidrogén-jodid > sósav salétromsav >> foszforsav > szénsav kén-hidrogén > arzénessav kéksav 48

49 A szervetlen vegyületek nevezéktana Az elemek és a vegyületek egyértelműen azonosíthatók, ha megadjuk vegyjelüket/képletüket vagy a nevüket. Az elnevezés lehet a hétköznapi, ún. triviális név vagy a tudományos, szisztematikus név, esetleg a gyógyszerkönyvi, latin név. Az alábbiakban a szervetlen vegyületek tudományos elnevezésének szabályait mutatjuk be. Az ún. biner vegyületek csak kétféle elemből épülnek fel. Általános szabály, hogy mind a vegyület képletét, mind a nevét úgy adjuk meg, hogy a kisebb elektronegativitású atom kerüljön előre (kivételek: NH 3 - ammónia és CH 4 - metán). A nagyobb elektronegativitású atom neve -id végződést kap. HI: hidrogén-jodid CaF 2 : kalcium-fluorid AlCl 3 : alumínium-klorid SiO 2 : szilícium-dioxid Ha két elem többféle összetételű vegyületet is képez egymással, akkor a megfelelő görög számnevekkel adjuk meg az összetételt: 1 : mono 2: di 3: tri 4: tetra 5: penta 6: hexa 7: hepta 8: okta CO: szén-monoxid CO 2 : szén-dioxid N 2 O 5 : dinitrogén-pentaoxid N 2 O 4 : dinitrogén-tetraoxid NO 2 : nitrogén-dioxid SF 4 : kén-tetrafluorid Cl 2 O 7 : diklór-heptaoxid Az oxosavak és sóik elnevezése igen egyszerű. Az oxosavak képletét úgy írjuk fel, hogy előre kerülnek a hidrogének, őket követi a központi atom, végül pedig az oxigének szerepelnek. Ha egy elem többféle összetételű oxosavat is képez, akkor az alacsonyabb oxidációs állapotú elemet tartalmazó savat a következőképpen nevezzük el: (a központi atom oxidációs számát is feltüntettük) +6 H 2 SO 4 : kénsav +4 H 2 SO 3 : kénessav HNO 3 : salétromsav HNO 2 : salétromossav H 3 PO 4 : foszforsav H 3 PO 3 : foszforossav +5 H 3 AsO 4 : arzénsav +3 H 3 AsO 3 : arzénessav A sók képletét és nevét is úgy adjuk meg, hogy a kationokat kövessék az anionok. Az oxosavakból eltávolítva a hidrogéneket, a megfelelő negatív töltésű ionhoz jutunk. A magasabb oxidációs számú elemet tartalmazó anion nevének végződése -át, míg az alacsonyabb oxidációs számú formáé -it. +6 SO 2-4 : szulfát +4 SO 2-3 : szulfit NO 3- : nitrát NO 2- : nitrit PO 4 3- : foszfát HPO 3 2- : foszfit NaHSO 4 : nátrium-hidrogénszulfát +5 AsO 3-4 : arzenát K 2 SO 3 : kálium-szulfit +3 AsO 3-3 : arzenit CaHPO 4 : kalcium-hidrogénfoszfát Mg(NO 3 ) 2 : magnézium-nitrát NaHCO 3 : nátrium-hidrogénkarbonát Al 2 (SO 4 ) 3 : alumínium-szulfát 49

50 Az egyszerű kationok neve általában ugyanaz, mint az elemé, amelyből származik. A d-mező fémeinél gyakran előfordul, hogy különböző oxidációs állapotban is léteznek, ilyenkor az oxidációs számot a fémion neve után zárójelben, római számmal tüntetjük fel. FeSO 4 : vas(ii)-szulfát Hg 2 Cl 2 : higany(i)-klorid Cu 2 O: réz(i)-oxid FeCl 3 : vas(iii)-klorid Hg(NO 3 ) 2 : higany(ii)-nitrát CuO: réz(ii)-oxid A főcsoportbeli fémionok töltése többnyire megegyezik a főcsoport számával, ezért ilyen esetekben nem szükséges feltüntetni a névben az oxidációs számot. Pl: az alkálifémek mindig +1 töltésű ionokat képeznek, az alkáliföldfémek +2 töltésűeket, az alumínium mindig +3 töltésű ion. Na +, K +, Mg 2+, Ca 2+, Al 3+ NaCl: nátrium-klorid CaSO 4 : kalcium-szulfát AlBr 3 : alumínium-bromid Bár a nemfémes elemek inkább kovalens kötés kialakítására hajlamosak, előfordul, hogy ionokat is képeznek (különösen a halogének). Ekkor többnyire anionok, a töltésüket pedig úgy kapjuk meg, hogy a főcsoport számából kivonunk nyolcat. Így a halogének -1 töltésű ionokat képezhetnek, az oxigén és a kén -2 töltésűeket, a nitrogén -3 töltésűt. Ezek az anionok nevükben -id végződést kapnak: F : fluorid Cl : klorid Br : bromid I : jodid O 2 : oxid S 2 : szulfid N 3 : nitrid A legfontosabb ionok és oxosavak nevét a függelékben találja meg. A szervetlen vegyületek latin neve A vegyületek latin nevét az előzőekhez hasonlóan képezzük. A biner vegyületek nevének végződése a magyar -id helyett -atum lesz. Pl: KBr: kalium bromatum, CaF 2 : calcium fluoratum. A savak nevét egységesen acidum előtaggal látjuk el. A magasabb oxidációs állapotú elemet tartalmazó oxosav végződése -icum, az alacsonyabbé -osum. Pl. HNO 3 : acidum nitricum, HNO 2 : acidum nitrosum. Ugyanezek a szabályok vonatkoznak az oxosavak sóira is: MgSO 4 : magnesium sulfuricum, MgSO 3 : magnesium sulfurosum. biner sav: HCl acidum chloratum oxosavak: alacsonyabb ox. áll.: HClO 2 ac. chlorosum, magasabb ox. áll.: HClO 3 ac. chloricum. sók: NaCl natrium chloratum, NaClO 2 natrium chlorosum, NaClO 3 natrium chloricum. 50

51 Az ionos vegyületek elnevezése 51

52 Hidrogén A periódusos rendszer legelső eleme, elektronszerkezete 1 s 1. Emiatt különleges tulajdonságokkal rendelkezik, így a többi elemtől külön tárgyaljuk. A hidrogén a világegyetem leggyakoribb eleme, a Földön is a második leggyakoribb, itt legnagyobb mennyiségben a vízben fordul elő. Az elemi hidrogén (H 2 ) apoláros, kétatomos molekulát képez, amely közönséges körülmények között stabil, nem túl reakcióképes, színtelen, szagtalan. Vízben és szerves oldószerekben nagyon gyengén oldódik. A H 2 nagyon kis méretű és molekulatömegű, ezért nagy a diffúziósebessége. A hidrogén az egyik legkisebb sűrűségű gáz, ezért régen léghajók ballonjának töltésére is felhasználták. Magasabb hőmérsékleten a hidrogén sok elemmel reagál, egyesekkel robbanásszerű láncreakcióban. A hidrogén és az oxigén 2:1 arányú elegye a durranógáz, amely gyújtószikra hatására azonnal robban. 2 H 2 + O 2 2 H 2 O Emiatt a hidrogénnel töltött légballonok igen balesetveszélyesek voltak, nem egyszer tragédiát okoztak. A hidrogén klórral alkotott keveréke a klórdurranógáz, amely csak sötétben tartható el, már megvilágítás hatására is bekövetkezik a két elem heves reakciója. H 2 + Cl 2 2 HCl Az elemi hidrogén jó redukálószer, segítségével egyes fém-oxidokból előállítható a tiszta fém. CuO + H 2 Cu + H 2 O A szerves kémiában is mint redukálószert használhatjuk, kettőskötések telítésére is alkalmas (ld. szerves kémia). Az iparban nagy mennyiségben használják ammónia-, metanol- és sósavgyártásra, valamint az élelmiszeriparban növényi zsírok hidrogénezésére (margarin előállítása). A hidrogénüzemű motorok nem bocsátanak ki káros égéstermékeket, ezért a jövő technikája a hidrogén lehet, mint üzemanyag felhasználása hő, ill. elektromos áram előállítására. Az elemi hidrogént negatív standardpotenciálú fémekkel híg savakból lehet előállítani: Zn + 2 HCl = ZnCl 2 + H 2 (ld. elektrokémia) Ipari körülmények között szén, ill. szénhidrogének vízzel való reakciójában, magas hőmérsékleten, katalizátor jelenlétében állítják elő (ún. vízgáz-reakció). A legtöbb elem vegyületet képez hidrogénnel, ám ezek igen különbözően viselkednek attól függően, hogy mely elemről van szó. A hidrogén közepes elektronegativitású (2,2) atom, 52

53 elektronszerkezetéből következően +1 és -1 oxidációs állapotban is megjelenhet, de a +1 állapot a jellemzőbb. Bár a hidrogén az s-mezőben található, nem igazán hasonlít az alkálifémekhez, inkább a halogénekkel mutat hasonlóságot. A hidrogénatomnak viszonylag nagy az ionizációs energiája és nagy az elektronaffinitása, ezért a halogénekhez hasonlóan -1 töltésű iont képezhet (H hidrid ion). Jellemzően azonban a hidrogén inkább kovalens vegyületekben található +1 oxidációs számmal. A hidrogénatomból az elektront eltávolítva hidrogén-ionhoz (H + ) jutunk. Ez a részecske tehát egy protonból áll, önmagában nem is létezik, hanem mindig egy másik molekulához/atomhoz kapcsolódik. A savak Brønsted-Lowry elmélete a H + -ion átadásán alapszik. Amikor a savak disszociációját írjuk fel vizes oldatban, akkor többnyire egyszerűsített egyenleteket használunk, pl.: HNO 3 H + + NO 3 Ne feledjük azonban, hogy a H + -iont nem lehet "leadni", csak átadni egy másik részecskének, pl. egy vízmolekulának. A valódi folyamat tehát a következő: HNO 3 + H 2 O H 3 O + + NO 3 Az alkáli- és alkáliföldfémek hidrogénnel ionos szerkezetű hidrideket alkotnak, melyekben a fémion ellenionja a hidrid anion (H ). Ezek az ionos hidridek nagyon reaktívak, erős redukálószerek és erősen bázikusak. Vízzel hevesen hidrogént fejlesztenek: CaH H 2 O = Ca(OH) H 2 A folyamat valójában redoxireakció, amelyben a hidrid-ion a víz hidrogénjét redukálja: H + H 2 O = OH + H 2 (szinproporcionálódás) A többi fém is képezhet ionos hidridet, ám gyakoribb az ún. intersticiális hidridek kialakulása, ahol a semleges hidrogén atomok a fémrács hézagaiba épülnek be (5.6. ábra). Legismertebbek a platina vagy a palládium intersticiális hidridjei, amelyekben a hidrogén atomosan oldott állapotban van, ugyanolyan kémiai sajátságokkal rendelkezik, mint az elemi hidrogén, de nagyobb a reaktivitása ábra. Intersticiális fém-hidridek Az intersticiális fém-hidrideket hidrogénezési reakciókban használjuk elemi H 2 helyett, mivel a hidrogéngáz robbanásveszélyes, de egyébként kis reaktivitású. A nemfémek hidrogénnel csak kovalens kötésű vegyületeket alkotnak, ezekben a molekulákban a hidrogén egy nálánál ált. nagyobb elektronegativitású atomhoz kapcsolódik, oxidációs állapota +1. A kovalens hidrogénvegyületek reaktivitása igen eltérő, sav-bázis tulajdonságaik is változóak: a 53

54 halogének és az oxigén-csoport elemei savas jellegű hidridekkel rendelkeznek (H 2 S, HCl), míg a nitrogén-csoport elemeinek hidridjei bázikusak (NH 3, PH 3 ). A hidrogén leggyakoribb izotópja az 1 H. Ezen kívül létezik a 2 H (0,015%) és nagyon kis mennyiségben a 3 H is (10-10 %). Ha ezeket az izotópokat összehasonlítjuk, látható, hogy az atomtömegük nagyon különböző, a 2 H és a 3 H atomtömege kettő-, ill. háromszorosa a 1 H atomtömegének. Ebből adódóan az hidrogénizotópok fizikai tulajdonságai is igen eltérőek. Minden elem izotópjai különböző fizikai tulajdonságokkal bírnak, de csak a hidrogén esetében ilyen nagy mértékű az eltérés. Emiatt a hidrogén izotópjait külön névvel látták el, sőt saját vegyjelük is van. Így az 1 H a prócium (H), a 2 H a deutérium (D), a 3 H pedig a trícium (T). A közönséges hidrogénatom vagy prócium mágneses magrezonancia (NMR) spektroszkópiával vizsgálható, mivel atommagjában csak egy proton van. Ezt szerves vegyületek szerkezetfelderítésében és diagnosztikus képalkotásban használják (ld. biokémia). A deutérium oxidja a nehézvíz (D 2 O), a víznél magasabb olvadás- és forráspontú, nagyobb sűrűségű és viszkozitású, de ugyanolyan kémiai tulajdonságú folyadék. A deutérium igen hatékonyan nyeli el a neutronokat, ezért a nehézvizet atomreaktorokban, mint moderátort (szabályozó) használják. A trícium radioaktív atom, a vizek eredetének meghatározása tríciumos nyomjelzéssel történik. Szintén trícium található a nem elektromos árammal működő, világító kijelzőkben (pl. kijárat felirat). Ezek a kijelzők tríciumtartalmú gázzal vannak megtöltve a belső faluk pedig foszforral bevonva. A trícium folyamatosan β-sugárzást bocsát ki, amely hatására a foszfor látható fénnyel foszforeszkál. A hidrogén és vegyületeinek orvosi, biológiai jelentősége A hidrogén organogén elem, minden biomolekulában megtalálható. Az élővilág szempontjából legfontosabb vegyülete a víz, amit majd az oxigén-csoportnál tárgyalunk. Ha a hidrogén egy nagyon nagy elektronegativitású atomhoz (N, O, F) kapcsolódik, akkor a közöttük lévő kovalens kötés erősen poláros, a hidrogénatom környezete elektronban szegény lesz. Ezt a hidrogén úgy kompenzálja, hogy egy, a térben közel elhelyezkedő, nemkötő elektronpárral rendelkező másik atommal lép kölcsönhatásba, közöttük ún. hidrogénkötés alakul ki. A hidrogénkötés egy másodlagos kölcsönhatás, jóval kisebb energiájú, mint az elsődleges kémai kötések, ám alapvető fontosságú egyes biomolekulák (pl. fehérjék, nukleinsavak) szerkezetének kialakulásában (ld. szerves kémia). Energetikailag a legkedvezőbb elrendeződés akkor valósul meg, amikor a hidrogén és a nagy elektronegativitású atom közötti poláros kovalens kötés egy vonalban van a hidrogén-kötéssel (5.7. ábra). 54

55 5.7. ábra Hidrogén-kötés kialalkulása vízmolekulák között Azt a molekulát, amelyik a hidrogén-kötésben a saját hidrogén atomjával vesz részt H-kötés donornak nevezzük, míg a nemkötő elektronpárt szolgáltató másik molekulát H-kötés akceptornak hívjuk. A hidrogén-kötés a legerősebb intermolekuláris kölcsönhatás (10-40 kj/mol), jelenlétéből különleges tulajdonságok következnek. A hidrogén-kötéssel összetartott molekulákból alló rendszernek magas az olvadás- és forráspontja, a felületi feszültsége, a fajhője és a párolgáshője, és általában jól oldódik vízben. Kérdések, feladatok 1. Írja fel a hidrogén izotópjainak neveit és az atommagok összetételét! 2. Adja meg a hidrogénmolekula szerkezetét, és jellemezze fizikai és kémiai tulajdonságait! 3. Mi a durranógáz, milyen reakció játszódik le a komponensei között szikra hatására? Írjon egyenletet! 4. Mi a klórdurranógáz, milyen reakció játszódik le a komponensei között fény hatására? Írjon egyenletet! 5. Írjon egyenletet a hidrogéngáz laboratóriumi előállítására! Mire használjuk az elemi hidrogént? 6. Jellemezze a hidrid-iont! Milyen vegyületekben fordul elő, milyenek a sav-bázis és redox tulajdonságai? 7. Jellemezze az intersticiális hidrideket! Mire használjuk a gyakorlatban őket? 8. Mit jelent a hidrogénkötés? Melyek a kialakulásának feltételei? Milyen tulajdonságok következnek a hidrogén-kötés jelenlétéből? 55

56 Nemesgázok A periódusos rendszer utolsó csoportjának elemei s 2 p 6 vegyérték-elektronszerkezettel rendelkeznek. A telített, nehezen polarizálható vegyérték-elektronhéj miatt nem reakcióképesek. A nemesgázokat gyakran inert vagy védőgázként is használják, ha levegőmentes atmoszférára van szükség. Elemi állapotban egyatomos formában találhatók, szilárd halmazállapotban molekularácsot képeznek (a rácspontokon itt atomok vannak, de nem alkotnak atomrácsot!), melyeknek igen alacsony az olvadás és forráspontja. Közönséges körülmények között gáz halmazállapotúak, az atomok között olyan gyenge a kölcsönhatás, hogy gyakorlatilag tökéletes gázként viselkednek (ld. kinetikus gázelmélet). A legelső nemesgáz a hélium (He, elektronszerkezete 1s 2 ) a Földön nem elterjedt, a világegyetemnek viszont a 2. leggyakoribb eleme. A csillagok főként hidrogénből és héliumból állnak. A héliumot mesterséges levegő előállítására használják, amelyet búvárok levegőpalackjában alkalmaznak. Ez a gázkeverék 20% oxigént és 80% héliumot tartalmaz (azaz a levegő nitrogéntartalmát héliumra cserélik). Ha a búvár nagy mélységből emelkedik a felszínre, a nyomásváltozás hatására a vérében oldódott nitrogén buborékok formájában kiválik és akár halálos kimenetelű légembóliát okoz. Ezt keszonbetegségnek nevezik. A hélium azonban az emberi vérben nagyon rosszul, még a nitrogénnél is rosszabbul oldódik, ezért a héliumtartalmú mesterséges levegő használata nem okoz keszonbetegséget. A hélium forráspontja nagyon alacsony (4,2 K), a folyékony héliumot szupravezető mágnesek hűtésére használják pl. az NMR-spektroszkópiás készülékekben. A neon (Ne) a héliumhoz hasonlóan nem képez vegyületeket. Fő felhasználása a neoncsövek töltése. A "neoncső" egy elektromos kisülési cső, amelyben a kisülés során a beletöltött gáz gerjesztődik és fluoreszkál. A neoncsövek különböző színnel világítanak, attól függően, hogy milyen gázzal töltik meg őket. A neontartalmú fénycsövek fénye piros. Az argon (Ar) viszonylag elterjedt a Földön, a levegő 0,93 %-át alkotja (a levegő cseppfolyósításával állítják elő). Az egyik leggyakrabban használt inert gáz. Az argonnal töltött "neoncső" kék színnel világít. A kripton (Kr) és a xenon (Xe) már üres d-pályákkal is rendelkeznek, különleges körülmények között oxigénnel és fluorral reakcióba lépnek és vegyületeket alkotnak. Az elemi kriptont hagyományos izzók töltésére használják. A radon (Rn) vízben és zsírban is jól oldódó, radioaktív elem, bomlása során α-sugárzást bocsát ki. A Földön nem elterjedt, azonban lokálisan feldúsulhat. Tipikus radonforrás a szilikátsalak-, vagy egyéb téglákból épült házak fala. Az évek során a kőzetekben található kis mennyiségű rádium 56

57 radonná bomlik, amely a ház levegőjébe kerül, gyakori szellőztetéssel azonban a radon eltávolítható. Az α-sugárzó radon tartós belélegzése tüdőrák veszélyét rejti magában. A nemesgázok orvosi, biológiai jelentősége A nemesgázok közül egyedül a radont alkalmazzák daganatos betegségek sugárterápiájában. Egyes gyógyvizek radontartalmúak. A xenon altató hatású gáz, akár műtéti érzéstelenítésre is használható. Más altatógázoktól eltérően a xenonnak nincs magzatkárosító, vagy egyéb ártalmas mellékhatása, viszont kis mennyiségben áll rendelkezésre és igen drága, ezért az orvosi gyakorlatban nem használják. Kérdések, feladatok 1. Sorolja fel a nemesgázokat és adja meg vegyjeleiket! 2. Adja meg a nemesgázok vegyértékelektron-konfigurációját! Milyen kémiai tulajdonságok következnek ebből? 3. Sorolja fel a hélium fő felhasználási területeit! 4. Mi a keszonbetegség, hogyan előzhető meg? 5. Miért érdemes gyakran szellőztetni a téglából készült épületekben? 57

58 Halogének A 7. főcsoport elemei s 2 p 5 vegyértékelektron-konfigurációval rendelkeznek. Nagy elektronegativitású, oxidáló tulajdonságú elemek. Az elektronegativitás az oszlopban lefelé haladva F, Cl, Br, I sorrendben csökken, míg az atomméret növekszik. A halogének elemi állapotban apoláros, kétatomos molekulákat képeznek. Ahogyan az oszlopban lefelé nő az atomok mérete, egyre könnyebben polarizálható és gerjeszthető molekulákat alkotnak, az elemek olvadáspontja nő, és színük egyre mélyül. halogén szín halmazállapot szobahőmérsékleten reaktivitás Fluor, F 2 halványzöld gáz Klór, Cl 2 sárgászöld gáz Bróm, Br 2 vörösbarna folyadék (illékony) Jód, I 2 szürke (gőze lila) szilárd (illékony) Az elemi fluor és klór szúrós szagúak, igen mérgezőek, már kis mennyiségben belélegezve is tüdővizenyőt okoznak. A klórt az első világháború során vegyi fegyverként (harci gázként) is használták. A bróm gőzei belélegezve a klórhoz hasonló hatásúak, a folyékony bróm bőrön nehezen gyógyuló fekélyes sebet okoz. A jód enyhébb oxidálószer, alkoholos (jódtinktúra) vagy vizes káliumjodidos oldatát (Lugol-oldat) külsőleg fertőtlenítésre használjuk. A halogének apoláris oldószerekben igen jól oldódnak. Annak ellenére, hogy apolárosak, a fluor és a klór jól oldódik vízben is, amely annak köszönhető, hogy a vízzel reakcióba lépnek, melynek során vízoldható savak keletkeznek. Cl 2 + H 2 O HCl + HOCl (klóros víz), a fluor még a vizet is oxidálja: F 2 + H 2 O 2 HF + ½ O 2 A bróm és a jód a klórhoz hasonlóan reagál vízzel, de az egyensúly a kiindulási anyagok felé tolódik el, a reakció csak kis mértékben játszódik le. Ezért a bróm és a jód csak kevéssé vízoldható. A jód vízoldhatósága jelentősen javítható kálium-jodid (KI) hozzáadásával. A jód a jodid-ionokkal jól oldódó komplex trijodid aniont képez: I 2 + I = I 3 A vizes kálium-jodidos jód-oldat a Lugol-oldat (K[I 3 ]). A jód szerves oldószerekben jól, jellegzetes színnel oldódik. Oxigént nem tartalmazó oldószerrel (hexán, kloroform) oldata ibolyaszínű, míg oxigéntartalmú oldószerben (aceton, alkohol) barna. Aromás vegyületek (benzol, toluol) bíborvörös színnel oldják. 58

59 A jód igen kis mennyiségű keményítő jelenlétében is jellegzetes, mélykék színű komplexet képez (részletesebben ld. szerves kémia), ezért a keményítő-oldat nyomnyi mennyiségű jód kimutatására is alkalmas. A halogének elemi állapotban nagyon reaktív anyagok, erős oxidálószerek, bár reaktivitásuk a csoportban lefelé csökken. A fluor és a klór hidrogénnel robbanásszerű láncreakcióban egyesül, a bróm és a jód csak magasabb hőmérsékleten, egyensúlyi reakcióban: H 2 + X 2 = 2 HX (X = halogénatom) A halogének szinte minden elemmel reakcióba lépnek, a fluor még a nagyobb rendszámú nemesgázokkal is képez vegyületet. A halogének vegyületei Halogenidek Ezekben a vegyületekben a halogének oxidációs száma 1. A kis elektronegativitású fémekkel ionos vegyületeket adnak, míg a nemfémek és a nagyobb elektronegativitású fémek kovalens halogenideket képeznek. Az ionos halogenidek 1 töltésű halogenid-ionokat tartalmaznak, általában magas olvadáspontúak és vízben jól oldódnak (NaCl, MgBr 2 ). Egyes könnyen polarizálható fémionok (pl. Ag + ezüst(i), Hg 2+ 2 higany(i), Pb 2+ ólom(ii)) halogenidjei vízben csapadékok. Minél nagyobb a halogenid-ion mérete, annál könnyebben polarizálható (deformálható az elektronfelhője), nehézfémsója annál kevésbé oldódik vízben, és színe annál mélyebb. Hidrogén-halogenidek A HX összetételű halogenidek normál körülmények között színtelen, szúrós szagú, mérgező gázok. Vízben nagyon jól oldódnak, vizes oldatuk savas kémhatású. Saverősségük a HF-tól a HI-ig növekszik. A HCl (hidrogén-klorid) vizes oldatát sósavnak nevezzük. A hidrogén-halogenidek közül a HF (hidrogén-fluorid) különleges tulajdonságokkal rendelkezik. Ez a molekula H-kötéseket alakít ki, a H F---H F másodlagos kötés olyan erős, hogy még vizes oldatban sem szakad fel, emiatt a HF csak kis mértékben disszociáló, gyenge sav. A HF vizes oldatát folysavnak is hívják. A tiszta HF forráspontja magasabb, mint amit a molekulatömege alapján várnánk. Ennek az a magyarázata, hogy a gázfázisba hidrogén-hidakkal összekapcsolt H 2 F 2 dimerek lépnek ki, amelyek csak magasabb hőmérsékleten bomlanak a monomer HF molekulákká. Annak ellenére, hogy a HF gyenge sav, tisztán vagy vizes oldatban is nagyon korrozív, bőrre kerülve fájdalmas, jellegzetesen fehér sebet okoz. A HF mérgező hatása csak késleltetve jelentkezik: a sejtekből elvonja a kalcium-ionokat; a kezdeti hatás sokszor jelentéktelennek tűnik, a komolyabb tünetek lassan fejlődnek ki. A HF (akár az elemi F 2 ) az üveget is megtámadja: SiO HF = SiF H 2 O. Emiatt a fluoridokat műanyag edényben kell tárolni. 59

60 Halogéntartalmú oxosavak és sóik A változatos összetételű oxosavakat a klór példáján mutatjuk be. képlet HOCl HClO 2 HClO 3 HClO 4 szerkezeti képlet név hipoklórossav klórossav klórsav perklórsav a Cl oxidációs száma anion OCl ClO 2 ClO 3 ClO 4 anion neve hipoklorit klorit klorát perklorát saverősség gyenge erős oxidáló jelleg (vizes oldatban) erős gyenge A bróm és a jód esetében a +3 oxidációs számú formák, a halogénessavak nem léteznek. A fluornak csak a HOF összetételű oxosava ismert. A halogének oxosavai és azok sói színtelenek. Az oxosavak közül egyedül a perklórsav (HClO 4 ) állítható elő tisztán, a többi csak vizes oldatban létezik, egyes sóik azonban kristályosan is stabilak. A perklórsav nagyon erős sav, és tiszta állapotban erős oxidálószer, még az aranyat is megtámadja. Sói, a perklorátok vízben jól oldódó ionvegyületek és termikusan stabilak. Erős oxidálószerek, szerves vegyületeket robbanásszerűen oxidálnak. A klorátok közül a kálium-klorát (KClO 3 ) érdemel említést. Nagyon erős oxidálószer, éghető anyagok jelenlétében ütésre robban. Hevítve oxigénfejlődés mellett bomlik: KClO 3 KCl + 1,5 O 2 Oxigén előállítására, gyufagyártásra, tűzijátékok készítésére használják. A KClO 3 erős méreg (gyufaméreg), roncsolja a vörösvértesteket, súlyos, methemoglobin-képződéssel járó mérgezést okoz. A hipoklórossav (HOCl) és nátrium-sója a mindennapi életben nélkülözhetetlen fertőtlenítőszer. Hipoklórossav keletkezik, ha klórgázt vízbe vezetünk: Cl 2 + H 2 O HCl + HOCl (diszproporcionálódás) A hipoklórossav bomlékony, oxidáló hatású anyag, bomlása során atomos (naszcensz) oxigén keletkezik, amely szintén felelős a fertőtlenítő hatásért: HOCl HCl +,O A klórosvizet ill. a klórgázt ivóvíz fertőtlenítésére használják. Ha klórgázt lúgoldatba vezetünk, a fentihez hasonló reakció játszódik le, azonban a savak sóit kapjuk meg. Nátrium-hidroxid-oldatba vezetve a klórgázt, az alábbi reakció megy végbe: Cl NaOH NaCl + NaOCl + H 2 O (savanhidrid reakciója bázissal) 60

61 A keletkezett nátrium-hipoklorit (NaOCl) lúgos oldatát különféle márkanevekkel (Hypo, Domestos, Clorox, Florasept ) hozzák forgalomba, ezek általános fertőtlenítőszerként és fehérítőként használatosak. Fontos! A nátrium-hipoklorit a NaOH és a HOCl sója. A HOCl gyenge sav, amely sóiból erős sav hatására felszabadul: NaOCl + HCl NaCl + HOCl Ha az alkalmazott erős sav sósav, akkor a már ismert reakció játszódik le: HCl + HOCl Cl 2 + H 2 O (szinproporcionálódás) Az egyensúly sósav hatására jobbra tolódik és jelentős mennyiségű klórgáz szabadul fel. A háztartásban ezért nem szabad összeönteni hipót (bármilyen hipokloritot) és sósavat. A hipoklórossav ammóniával is reagál, ekkor szintén mérgező gáz, klóramin keletkezik. A klóros fertőtlenítők és szalmiákszesz (ammónia-oldat) összeöntésekor az alábbi folyamat megy végbe: HOCl + NH 3 NH 2 Cl + H 2 O A klóramin (NH 2 Cl) uszodák vizének klóros fertőtlenítésékor is keletkezik. Az uszodák vagy más fertőtlenített vizek jellegzetes klórszaga valójában a klóramin szaga, amelyhez az ammónia forrása uszodák esetében a vizelet. Ha klórgázt meszes vízbe (Ca(OH) 2 ) vezetünk, ugyanolyan reakció történik, mint a NaOH esetében: Cl 2 + Ca(OH) 2 CaClOCl + H 2 O A keletkező kettős só a kalcium-klorid-hipoklorit (CaClOCl), más néven klórmész. Ezt a fehér, por állagú anyagot szeméttelepek és fekáliák fertőtlenítésére használják, a fertőtlenítő hatás a hipokloritionnak köszönhető. Árvizek és más katasztrófák súlytotta területeken a járványok kialakulásának megelőzésére is alkalmazzák. Az orvosi gyakorlatban elsőként Semmelweis Ignác alkalmazott fertőtlenítőszert, a klórmész vizes oldatát. Ma orvosi célokra különféle klorogéneket tartalmazó tablettákat (Neomagnol, Kloramin) használunk, amelyeket vízben oldva hipoklorit szabadul fel. A halogének és vegyületeik orvosi, biológiai jelentősége A fluor a szervezetben fluorid-ionként található. Szerepe van a fogzománc felépítésében, ahol fluorapatit (Ca 5 (PO 4 ) 3 F) formában fordul elő. A fluorid főként az ivóvízzel kerül a szervezetbe, az 1 mg/dm 3 -es fluorid-koncentráció az optimális. A tartós túlzott mértékű fluoridbevitel fluorózist okoz, melynek tünetei a fogak felszínén megjelenő fehér vagy sárga foltok. A fluorid-ion gátolja a szájban elő baktériumok szaporodását is, ezért fogkrémekben nátriumfluoridot (NaF) használnak a fogszuvasodás megelőzésére. Ilyen célra szintén alkalmazzák az ónfluoridot (SnF 2 ), amely a fogzománchoz tapadva hosszú ideig hatékony. 61

62 A klorid-ion a sejtek elektromos sajátságaiért felelős ionok egyike. A nátrium-klorid (NaCl), konyhasó, a vér fontos komponense. A 0,9 vegyes%-os (0,15 mol/dm 3 ) koncentrációjú sóoldat izotóniás a vérrel, ezért infúziókban használják. Az emberi szervezet napi nátrium-klorid-szükséglete kb. 5 g, melyet a táplálékkal és az ivóvízzel veszünk fel, a szervezetből az izzadsággal és a vizelettel ürül ki. A sósav a gyomornedv alkotója, biztosítja a pepszin működéséhez szükséges kémhatást. A gyomornedv sósavkoncentrációja ~0,1 mol/dm 3, de egyes pufferoló hatású anyagok (fehérjék, laktát) a gyomor ph-ját 1,8-2,2 értékre módosítják. A gyomor savtermelés-csökkenése (hipaciditás) vagy savhiány (anaciditás) esetén a HCl-t kötött formában tartalmazó gyógyszerekkel lehet sósavat bevinni. Ilyen szer pl. a Betacid, amely betain-hidrokloridot és pepszint tartalmaz. A savpótló szerek nem biztosítják ugyan a megfelelő ~2 ph-t, de elősegítik a savszekréciót ábra. Betain-hidroklorid Az orvosi gyakorlatban a gyomornedv fölös savtartalmát alumínium-hidroxiddal (Al(OH) 3 ) (bázissal), magnézium-oxiddal (MgO) (bázis-anhidriddel) vagy karbonátokkal (NaHCO 3, CaCO 3 ) kötik meg. Hipoklórossav (HOCl) a szervezetben is keletkezik gyulladásos folyamatok során: a neutrofil sejtek termelik a fagociták által bekebelezett kórokozó elpusztítására. A bromidokat (NaBr, KBr, NH 4 Br) régebben epilepszia kezelésében használták, de ma már nem alkalmazzák ilyen célra. Nyugtató és idegcsillapító szerként azonban még ma is használatosak. A brómkúra során a szervezet klorid-ionjainak egy része bromidra cserélődik ki, de a bromidok tartós szedése egyeseknél idült mérgezéshez vezethet. Az elemek közül csak a jódot használjuk orvosi célokra. Az elemi jód baktericid, fungicid, vírucid, és protozoon ellenes hatású, alkoholos oldata külsőleges fertőtlenítőszer (jódtinktúra). Sérült bőrfelületen, nyálkahártyán célszerűbb az alkoholmentes készítményeket (Betadin, Braunol) használni. Ezek a szerek egy polimer (polivinil-pirrolidon) elemi jóddal alkotott komplexét tartalmazzák, amelyből vizes oldatban a jód könnyen és egyenletesen felszabadul. Hő hatására ezek a komplexek elbomlanak, ezért az ilyen készítményeket nem szabad melegíteni. A jód a Lugol-oldatban is megőrzi fertőtlenítő hatását. A sebészetben a jódkészítmények a legfontosabb fertőtelenítőszerek között szerepelnek. A jód a szervezetben szerves vegyületekhez kovalensen kötve található, a pajzsmirigy-hormonok (trijód-tironin, tiroxin) jelentős mennyiségű jódot tartalmaznak. 62

63 5.9. ábra. Pajzsmirigy hormonok Egyes jódvegyületeket röntgen-kontrasztanyagként használnak, mivel a nagy atomtömegű jód abszorbeálja a röntgen-sugárzást. A jód radioaktív izotópjait ( 123 I, 131 I, 132 I) diagnosztikai céllal is alkalmazzák, mivel ezek a pajzsmirigyben feldúsulnak és a radioaktivitás mérésével követhető a pajzsmirigy jódforgalma. Nagyobb koncentrációban pajzsmirigydaganatok sugárkezelésére is használhatók. A kálim-perklorát (KClO 4 ) gátolja a jód feldúsulását a pajzsmirigyben, ezért pajzsmirigy túlműködés (Basedow-kór) kezelésére alkalmazzák. Kérdések, feladatok 1. Írja fel a halogénatomok nevét és vegyjelét! Adja meg a halogénelemek vegyértékelektronkonfigurációját! Hány vegyértékelektronnal rendelkeznek a halogének? 2. Hasonlítsa össze a halogének elektronegativitását és atomméretét! Jellemezze az elemi állapotú halogének szerkezetét és kémiai reaktivitását! 3. Írja fel a klór reakcióját vízzel! Hasonlítsa össze a klór, a bróm és a jód vízoldhatóságát! 4. Írja fel a Lugol-oldat képződésének egyenletét! Mire használjuk a Lugol-oldatot az orvosi gyakorlatban? 5. Milyen színekkel oldódik a jód különböző oldószerekben? oxigéntartalmú oldószerben: oxigént nem tartalmazó oldószerben: aromás oldószerben: 6. Nevezze el a következő vegyületeket: CaF 2, NaBr, AgCl, PbI 2, HOBr, HIO 3, KClO Írja fel a képletét az alábbi anyagoknak: kálium-klorát, ezüst(i)-jodid, perklórsav, nátriumhipoklorit, nátrium-fluorid, sósav. 8. Írja fel a hidrogén-halogenidek általános képletét! Hasonlítsa össze savi erősségüket! Melyik hidrogén-halogenid viselkedik különlegesen és mi ennek az oka? 9. Írja fel a klór oxosavainak képletét, adja meg nevüket és állapítsa meg a klór oxidációs számait! 10. Írja fel a hipoklórossav keletkezésének és bomlásának egyenletét! Állapítsa meg az oxidációs számokat a felírt reakciókban. Mi a hipoklórossav gyakorlati jelentősége? 11. Írja fel a klórgáz nátrium-hidroxid-oldattal való reakciójának egyenletét, és nevezze el a terméket! Mi a termék gyakorlati jelentősége? 63

64 12. Miért nem szabad klóros fertőtlenítőt (hipót) és háztartási sósavat összeönteni? Írjon két egyenletet! 13. Írja fel a klórmész előállításának egyenletét! Mi a termék gyakorlati felhasználása? Kísérletek Ezüst(I)-halogenidek összehasonlítása Szükséges anyagok: NaF, nátrium-klorid, KBr, KI-oldat, 0,5 M ezüst-nitrát-oldat (AgNO 3 ) Kivitelezés: Töltsön kémcsövekbe 1-1 ujjnyi halogenid-oldatot, majd adjon mindegyikhez ugyanannyi ezüst-nitrát oldatot. Figyelje meg a leváló csapadékok színét és állagát! Írjon reakcióegyenleteket! Magyarázat: Az oldékonyságot és a színt a vegyületek szerkezete, a kötés jellege határozza meg. Az anion méretének növekedésével nő a polarizálhatóság, a kötés egyre kovalensebb lesz, a vízoldhatóság csökken, a szín mélyül. Megjegyzés: Bár a halogenidek kémiai reakciókban nagyon hasonlóan viselkednek, az ionok mérete és polarizálhatósága különböző. Ebből adódóan a halogenidek biológiai szerepe is eltérő. A szervezet elektrolitjainak egyik legfontosabb komponense a kloridion. Ha a klorid egy részét a nagyobb bromid-ionra cseréljük, megváltozik a membránpotenciál. Bár a teljes hatásmechanizmust még nem ismerjük, valószínűleg ez a jelenség is felelős lehet a bromidok epilepsziában és más idegi rendellenességekben mutatott hatékonyságának. A klór oxidáló, színtelenítő hatásának vizsgálata Szükséges anyagok: festékoldat (tintás víz), klórosvíz Kivitelezés: Kémcsőbe töltsön 2-3 ujjnyi festékoldatot. A színes oldathoz fülke alatt öntsön kevés klórosvizet, és rázza össze. Mit tapasztal? Írja fel a klórosvíz keletkezésekor lejátszódó reakció egyenletét! Magyarázza meg a tapasztalatokat! Megjegyzés: Esetleg színes ronggyal, papírral vagy színes virággal is megpróbálható (a virágot előbb hexánba/benzinbe kell mártani és megszárítani, hogy a felületi védő viaszréteget eltávolítsuk). Vizek fertőtlenítésekor a szükséges klór mennyiségét az ún. klórfogyasztással lehet jellemezni: minél több oxidálható (többnyire szerves) anyagot vagy mikroorganizmust tartalmaz a víz, annál nagyobb a klórfogyasztása. Brómos víz reakciója fémekkel Szükséges anyagok: brómos víz, vaspor, cinkpor Kivitelezés: Szórjon egy kémcsőbe negyed kiskanálnyi vasport, egy másikba cinkport. Töltsön mindkét kémcsőbe 2-2 ujjnyi telített brómos vizet a fülke alatt (Óvatosan! A bróm, brómos víz maró hatású!). A kémcsöveket óvatosan rázogassa. Mit tapasztal? Írjon reakcióegyenleteket! Milyen típusú reakció ment végbe? 64

65 Megjegyzés: A vas esetén a keletkező vas(iii)-ionok sárga színe megkülönböztethető a bróm barnásabb árnyalatú színétől. Ugyanilyen reakció játszódik le a többi halogénnel is, a klórral és a fluorral különösen hevesen. Kísérletek hipoklórossavval Szükséges anyagok: HOCl-oldat, sósav, KI-s keményítős indikátorpapír, brómos víz, KI-oldat, sósav Kivitelezés: a. Desztillált vízzel nedvesítsen meg egy darab KI-s keményítős indikátorpapírt. Kémcsőbe töltsön 2 ujjnyi hipoklórossav-oldatot és adjon hozzá kevés sósavat. Tartsa a kémcső szájához a nedves KI-s keményítős indikátorpapírt. Fehér háttér előtt figyelje meg a kémcső légterét és az indikátorpapírt. Mit tapasztal? Írjon reakcióegyenleteket! Mi ennek a reakciónak a mindennapi jelentősége? b. Negyed kémcsőnyi vízbe cseppentsen 10 csepp brómos vizet, majd adjon hozzá HOCl oldatot. Mit tapasztal? A bróm oxidálódik, brómsav (HBrO 3 ) keletkezik. Írjon reakcióegyenletet! c. Savanyítson meg kémcsőben 1-2 cm 3 KI-oldatot sósavval (adjon hozzá kb. 1 cm 3 sósavoldatot), és csepegtessen hozzá kevés HOCl-oldatot. Mit tapasztal? Egészítse ki az egyenletet: HOCl + 2 HI = + H 2 O + Adjon a reakcióelegyhez további HOCl-oldatot, ekkor a kivált jód tovább oxidálódik. A reakcióegyenlet hasonló a b. kísérletéhez. Írja fel! Megjegyzés: A hipoklórossav jó oxidálószer, ezen alapszik fehérítő, ill. fertőtlenítő hatása. A színezékek (pl. textilen) vagy színes szennyeződések általában olyan szerves molekulák, amelyek redukált alakja színes, oxidált alakja viszont színtelen. A hipoklórossav a színes redukált alakot oxidálja a színtelen formává. Így klóros fehérítéskor a textilről a szennyeződést nem távolítjuk el, csak elszíntelenítjük. A hipoklórossav oxidáló hatása a szervezetben is érvényesül: a fehérvérsejtek HOCl termelésével pusztítják el a kórokozókat. Lugol oldat készítése Szükséges anyagok: jód, KI-oldat Kivitelezés: Nagyon kevés (3-4 db) jódkristályt rázzon kémcsőben 1-2 percig 2 ujjnyi deszt. vízzel, egy másik kémcsőben pedig kálium-jodid-oldattal. Mit észlel? Mi a magyarázata az oldódás különbözőségének? Írjon egyenletet! Az alábbiak közül melyik odatot választaná egy nyílt seb környékének fertőtlenítésére? vizes jód-oldat, alkoholos jód-oldat, KI-s jód-oldat Miért? A készített oldatokat ne öntse ki, mert a következő kísérletben felhasználjuk őket! Megjegyzés: A jód a kálium-trijodid komplexben is megőrzi oxidáló jellegét, ezért használható fertőtlenítésre. 65

66 Jód reakciója keményítővel Szükséges anyagok: vizes kálium-jodidos jód-oldat, keményítő-oldat, krumpli Kivitelezés: a. Krumpli frissen vágott felületére cseppentsen a KI-s jódoldatból. Mit tapasztal? b. Az előző kísérletben készített vizes jódoldathoz adjon ujjnyi keményítőoldatot. A képződött oldatot melegítse forró vízfürdőben. Mi történik? Tegye a kémcsövet jeges vízbe és hagyja az oldatot lehűlni. Magyarázat: Ezt a reakciót igen kis mennyiségű jód vagy keményítő kimutatására lehet használni. Az apoláris jódmolekulák beleférnek az amilózhélix (a keményítő egyik komponense) apoláris belső üregébe, ahol diszperziós kölcsönhatások rögzítik őket. A kölcsönhatások révén torzul (polarizálódik) a jódmolekula elektronfelhője, könnyebben gerjeszthetővé válik, ezért más hullámhosszúságú fényt nyel. Melegítéskor a molekulák kidiffundálnak a hélixből. 66

67 Oxigén-csoport A hatodik főcsoport atomjainak vegyértékelektron-konfigurációja s 2 p 4. Jellemzően nagy elektronegativitású, nagy elektronaffinitású, reaktív elemek tartoznak az oxigén-csoportba, amelyeket kalkogéneknek (kőzetalkotónak) is neveznek. Az elektronegativitás és a reaktivitás a csoportban lefelé, oxigén (O), kén (S), szelén (Se), tellúr (Te), polónium (Po) sorrendben csökken, a fémes jelleg egyre erősödik: a kén és az oxigén nemfémek, a szelén és a tellúr félfémek, a polónium fémes elem. Biológiai jelentősége az oxigénnek, a kénnek és a szelénnek van. Oxigén (O) Az oxigén a fluor után a legmagasabb elektronegativitású atom (EN = 3,5). Külső elektronhéjának szerkezete 2s 2 2p 4. Két elektron felvételével éri el a nemesgázszerű elektronoktettet, így jellemző oxidációs száma vegyületeiben 2, a peroxidokban (ahol 2 oxigénatom egymással is kötést létesít) pedig 1. A földfelszín leggyakoribb eleme. Az elemi oxigén kétatomos, apoláros molekulákból (O 2 ) álló színtelen, szagtalan gáz, a levegő ~20%-át teszi ki. Vízben gyengén, de a nitrogénnél jobban oldódik (ennek a vízi élővilág szempontjából nagy jelentősége van). Stabilis molekula, de magasabb hőmérsékleten néhány elemet kivéve mindent oxidál. A reakciók gyakran igen exotermek, és ha egyszer beindultak, spontán folytatódnak (égés), sőt, esetleg robbanásszerűen felgyorsulnak (pl. durranógázpróba). Az oxigén másik allotróp módosulata az ózon (O 3 ). Kék színű, jellegzetes szagú, instabil, nagyon reakcióképes, erősen oxidáló tulajdonságú gáz. Elsődleges természetes előfordulása a légkör felsőbb rétegeiben található, ez az ún. ózonpajzs, a Nap UV-sugárzásának hatására a kétatomos oxigénből keletkezik: O 2 + hν 2 O (a hν rövidítés a fénybesugárzás jelölése, h: Planck-állandó, ν: frekvencia) O 2 + O O 3 Gyök jellegű (nitrogén-oxidok) vagy gyökökre bomló vegyületek (halogénezett szénhidrogének, pl. Freon) jó hatásfokkal katalizálják az ózon visszaalakulását O 2 -né, amely jelenség az ózonlyuk kialakulásához vezetett. Fénymásoló berendezések működésekor is keletkezik ózon, jellegzetes szaga érezhető fénymásoláskor. Oxidáló jellege miatt ivóvíz és uszodák vizének fertőtlenítésére használják klórgáz helyett (ekkor az elroncsolt szerves vegyületek eltávolítására aktívszenes szűrés szükséges). 67

68 Víz (H 2 O) Az élet nélkülözhetetlen közege, már a görög filozófiában is a négy őselem egyikeként említik. A földi vízkészlet 97%-a tengervíz, 2%-a a sarki jégben és gleccserekben található, és csak ~1%-a folyékony édesvíz. Sivatagos országokban a tengervíz sómentesítésére desztillációt, ioncserét vagy fordított ozmózist használnak, az így nyert sómentes vizekből utókezeléssel (ásványi anyagok hozzáadásával) ívóvíz készül. A vízkeménységről ld. az s-mező elemeit. A víz sűrűsége a hőmérséklet függvényében változik, 4 C-on éri el a maximális értéket (1,00 g/cm 3 ). Az ennél melegebb vagy hidegebb víz, ill. a jég kisebb sűrűségű, ezért a jég a víz tetején úszik (ez a vízi élővilág számára biztosítja a túlélést télen). A víz V-alakú, poláros molekulákból épül fel (5.10. ábra), melyek között H-kötésrendszer alakul ki. Emiatt a víz móltömegéhez képest magas forráspontú, nagy fajhőjű folyadék, nagy a felületi feszültsége, magas a párolgáshője és a sűrűsége. A vízmolekula erősen poláros, emiatt ionos és poláros vegyületek jó oldószere. A tiszta víz az elektromos áramot rosszul vezeti, de a benne ionokra disszociáló vegyületekkel elektrolit-oldatokat képez. A víz amfoter karakterű, savként és bázisként is viselkedhet. Tiszta vízben is kis mértékű autodisszociáció játszódik le: 2 H 2 O H 3 O + + OH (K v = 10 14, 25 C-on) A víz H + -donor, ún. protikus oldószer, amelynek a szerves kémiai reakciók során van szerepe. A vízmolekulák gyakran beépülnek szilárd anyagok kristályszerkezetébe, ahol mint kristályvíz találhatók. A kristályvizes sók összetétele állandó, képlettel megadható (pl. gipsz: CaSO 4 ½ H 2 O). A kristályvíz általában hevítéssel eltávolítható. A nehézvíz (D 2 O) hidrogének helyett annak 2-es tömegszámú izotópját, deutériumot tartalmaz. Fizikai tulajdonságai jelentősen különböznek a közönséges vízétől, kémiai tulajdonságaik viszont hasonlóak. A nehézvizet atomreaktorokban hűtővízként és moderátoranyagként (gyors neutronok lassítására) használják, az NMR-spektroszkópiában pedig oldószerként. Hidrogén-peroxid (H 2 O 2 ) Színtelen, maró, bomlékony folyadék, bomlását nehézfémionok (pl. vas, nikkel) katalizálják: 2 H 2 O 2 = 2 H 2 O + O 2 Biztonsági okokból (robbanásveszély) 30 és 3 %-os vizes oldatát forgalmazzák. A hidrogénperoxidban az oxigén köztes oxidációs állapotú ( 1), ez nem stabil, mind redukálószerként, mind oxidálószerként viselkedhet. A H 2 O 2 igen reaktív vegyület, könnyen redukálható vízzé vagy oxidálható oxigénné. Közepesen erős oxidálószer, a jodidiont jóddá oxidálja, de erős oxidálószerek, pl. káliumpermanganát hatására oxigénné oxidálódik: H 2 O H I = 2 H 2 O + I 2 2 MnO H H 2 O 2 = 2 Mn H 2 O + 5 O 2 68

69 Vizes oldatát ipari és laboratóriumi oxidálószerként, szőkítő- és fertőtlenítőszerként használják. Kereskedelmi forgalomban kapható még a karbamiddal képzett stabil zárványvegyülete (Hyperol tabletta), melyből vizes oldatban H 2 O 2 szabadul fel, és az orvosi gyakorlatban szintén fertőtlenítésre használatos (bőr, nyálkahártya, eszközök fertőtlenítése). Az ún. klórmentes fehérítők és folteltávolító mosószerek (pl. Vanish) szintén hidrogén-peroxidot, ill. annak származékát tartalmazzák (2Na 2 CO 3 3H 2 O 2 ). A peroxidokat tartalmazó tömény készítményekkel kerülendő az érintkezés, mert a bőrön kellemetlenül csípős, fehér foltot hagynak (szerencsére perc alatt elmúlik) ábra. Az oxigén módosulatainak és legfontosabb vegyületeinek szerkezete Kén (S) Elektronegativitása az oxigénnél jóval kisebb (EN = 2,5), jellemző oxidációs számai: -2 (szulfidok), +4 (szulfitok), +6 (szulfátok). Az elemi kén mérsékelten reaktív, sárga színű, szilárd anyag, többféle allotróp módosulata létezik (rombos, monoklin, amorf). A hőmérséklettől függően 8-tagú, korona alakú, gyűrűs molekulákat (S 8 ), vagy hosszabb-rövidebb láncokat képez ábra. 8-tagú gyűrű kénatomokból (S 8 ) Vízben nem, néhány szerves oldószerben (szén-diszulfid, toluol) oldódik. A természetben elemi állapotban, valamint szulfid- és szulfátásványai alakjában található meg. Kénsavgyártásra, a festék-, növényvédőszer-, gumi- és gyógyszeriparban használják. Dihidrogén-szulfid (H 2 S, kénhidrogén) Kellemetlenül záptojásszagú, mérgező, vízben mérsékelten oldódó gáz. Nagyon gyenge kétértékű sav: H 2 S H + + HS HS H + + S 2 Laboratóriumban vas(ii)-szulfidból és sósavból állítjuk elő, Kipp-készülékben. FeS + 2 H + = H 2 S + Fe 2+ (erősebb sav felszabadítja a gyengébbet annak sójából) Fémekkel képzett sói a szulfidok (pl. réz-szulfid, CuS), vízben általában kevéssé oldódnak. 69

70 Ha a H 2 S egyik vagy mindkét hidrogénjét alkilcsoportra (R) cseréljük, a biológiai rendszerekben is fontos ún. tiolokhoz (R-SH), ill. szerves szulfidokhoz (R-S-R) jutunk. Ilyen szerkezetek találhatók pl. a cisztein és a metionin nevű fehérjealkotó aminosavakban. Kén-dioxid (SO 2 ), kénessav (H 2 SO 3 ): A kén-dioxid jellegzetesen fojtó szagú, mérgező, erősen redukáló hatású, színtelen gáz. Elemi kén és kéntartalmú anyagok égésekor keletkezik. S + O 2 = SO 2 Az élelmiszeriparban csíraölő-, tartósítószerként alkalmazzák (pl. aszalt gyümölcsökben). A boroshordók tisztítására, fertőtlenítésére kénlapok égetésével keletkező kén-dioxidot használnak. Vízben jól oldódik, a kénessav anhidridje: H 2 O + SO 2 H 2 SO 3 (ez a reakció a savas esők keletkezésében is szerepet játszik). A kénessav csak vizes oldatban létező középerős, kétértékű sav, redukáló tulajdonságú, pl.: H 2 SO 3 + I 2 + H 2 O = H 2 SO HI Sói a szulfitok, amelyek szintén erős redukálószerek. A kálium-szulfitokat (KHSO 3, K 2 SO 3 ) főként a borkészítés során alkalmazzák. A szulfitok az erjedési hibák, az elszíneződések, az utóerjedés, és a szerves savak biológiai lebomlásának megakadályozására szolgálnak. A hordók tisztítására használt SO 2 egy része, savanhidrid lévén, a hordó nedves felületén megkötődik, így ezen az úton is belekerül a borba. Ha a bor kéntartalma magasabb, mint 10 mg/liter, akkor ezt a bor címkéjén jelölni kell. Kén-trioxid (SO 3 ), kénsav (H 2 SO 4 ): A kén-trioxid a levegőn füstölgő, mérgező, oxidáló, maró hatású folyadék. A kén-dioxid katalitikus oxidációjával állítható elő. 2 SO 2 + O 2 2 SO 3 A kénsav anhidridje: H 2 O + SO 3 = H 2 SO 4 A tiszta kénsav (vitriol) szirupos, nagy sűrűségű, maró, higroszkópos folyadék. Vízzel minden arányban elegyedik, hidratációs hője igen nagy, így hígításakor mindig a savat öntjük a vízbe (fordítva a nagy hőfelszabadulástól a víz azonnal elforrana, és a hirtelen keletkező gőz a sav szétfröccsenését okozná). A kénsav erős kétértékű sav. H 2 SO 4 H + + HSO 4 (K s1 ~ 10 3 ) HSO 4 H + + SO 4 2 (K s2 = 1, ) Tömény állapotban erőteljes vízelvonó, a H 2 O-t még vegyületekből is elvonja, ezért erősen roncsoló hatású anyag. Melegen oxidáló sajátságú vegyület, a nemesfémeket (az arany és platina 70

71 kivételével) kén-dioxid képződése mellett oldja. Fontos vegyipari alapanyag. A kén-trioxid tömény kénsavas oldata az óleum, amely a kénsavgyártás köztiterméke. A kénsav sói a szulfátok, a természetben igen elterjedtek. A legtöbb szulfát vízben jól oldódó ionvegyület, csak egyes alkáliföldfémek (CaSO 4, BaSO 4 ) és az ólom (PbSO 4 ) szulfátjai nem oldódnak vízben. A vízoldható szulfátok (Na 2 SO 4, MgSO 4 ) általában a természetes vizek összetevői. : : : : : ábra. A kénből származtatható oxidok és savak szerkezete Szelén (Se) Félvezető tulajdonságú félfém. A szelén számos allotróp módosulattal rendelkezik, amelyekben a kénhez hasonlóan korona alakú Se 8 molekulák találhatók. A szürke, ún. fémes szelén fény hatására vezeti az elektromos áramot (fotoelektromos jelenség). A szelén reaktivitása a kénéhez hasonló és a szulfidoknak megfelelő szelenidek (pl. CdSe, kadmium-szelenid) kialakítására hajlamos. Az elemi szelént fénymásoló készülékekben használják fotoelektromos sajátsága miatt (bővebben ld. és Fizikai Szemle (1997), 1, 5-9.). A kalkogének és vegyületeik orvosi, biológiai jelentősége Az oxigén és a kén minden élő szervezetben megtalálható, létfontosságú elem. Minden biomolekula tartalmaz oxigént, a peptidek, fehérjék és egyes koenzimek kéntartalmúak. A Földön található elemi oxigén növényi eredetű, a fotoszintézis során keletkezik vízből, napfény hatására. A reakcióhoz klorofill és számos enzim közreműködése szükséges. n H 2 O + n CO 2 + hν n O 2 + (CH 2 O) n (szénhidrátok) (ld. biokémia) Az elemi oxigént a gyógyászatban légzéstámogatásra használják (oxigénmaszk, oxigénsátor). A sztratoszférában keletkező ózon védi a földfelszínt a Napból érkező UV-sugárzástól, emellett szerepet játszik a természetes üvegházhatásban is. Az ózon mérgező anyag, mert igen reaktív 71

72 oxidálószer. Redukciója során víz keletkezik, ezért alkalmas élelmiszerek sterilizálására, fertőtlenítésére. Az élelmiszert (pl. zöldség, gyümölcs) UV-fénnyel besugározva lehet így fertőtleníteni, maga az UV-sugárzás is pusztítja a kórokozókat, ezen kívül UV-fény hatására oxigénből kis mértékben ózon keletkezik, amely szintén fertőtlenít. Nagyvárosokban fotokémiai, ún. Los Angeles típusú szmog esetén is hasonlóképpen keletkezik ózon, amely az egyéb szennyező gázokkal (NO x ) együtt igen korrozív és egészségkárosító hatású. Az ózont ivóvíz fertőtlenítésére is alkalmazzák, viszont hatása nem tartós, a vezetékes ivóvíz esetén utóklórozás szükséges. Az egészség megőrzése szempontjából igen fontos, hogy megfelelő minőségű ivóvizet fogyasszunk. A jó minőségű ivóvíz nem tartalmazhat mikroorganizmusokat vagy szerves anyagokat és mérgező ionokat, viszont elengedhetetlen, hogy bizonyos ásványi sók (pl. kalcium- és magnéziumkloridok, szulfátok stb.) megfelelő arányban és koncentrációban jelen legyenek. A vezetékes ivóvíz kielégíti ezeket a feltételeket, jóllehet mindig tartalmaz kevés oldott klórt (hipokloritot), amelyet fertőtlenítés céljából adagolnak hozzá. Általában a vezetékes víznél magasabb ásványianyagtartalmúak a palackozott ásványvizek, amelyeket nem klórral (inkább ózonnal) fertőtlenítenek, így nincs klóros mellékízük. Indokolatlan (és meglehetősen költséges) viszont a többnyire áltudományos elméletekkel reklámozott, speciális vizek fogyasztása (pl. Pí-víz, oxigénben dúsított víz, lúgosító víz), mert ezek egyáltalán nem különböznek a közönséges ásványvizektől. Hidrogén-peroxid (H 2 O 2 ) az emberi szervezetben is keletkezik mint oxidációs folyamatok köztiterméke. Hatása hasonló a többi ún. reaktív oxigén származékéhoz (ROS: reactive oxygen species), melyekben az oxigén oxidációs állapota nem 2: szuperoxid gyök (O 2 ), hidroxil gyök (OH ), peroxil gyökök (RO 2 ) és alkoxil gyökök (RO ). Ezek az anyagok rövid élettartalmúak és nagyon reaktívak, a legtöbb biomolekulával reakcióba lépnek, nagy koncentrációban károsítják a sejteket. Az egészséges szervezet számos enzim bonyolult rendszerével képes a ROS részecskéket ártalmatlanítani (ld. biokémia). A finom eloszlású elemi kén fungicid és paraziticid hatású, amelyet bőrgyógyászati készítményekben (kenőcsök, hintőporok) használnak. A legfrissebb kutatások szerint a kén-hidrogén ingerületátvivő (neurotranszmitter) anyag a szervezetben. A szelén vegyületei mérgezőek, különösen a szerves vegyületekkel képzett származékai. Ennek ellenére a szelén esszenciális nyomelem, nagyon kis mennyiségben ugyan, de napi bevitele szükséges (gabonafélék, lisztek elegendő mennyisében tartalmazzák). A szelén szükséges a glutation-peroxidáz enzim működéséhez, de szerepet játszik bizonyos rákos megbetegedések megelőzésében is. Egyes kéntartalmú aminosavak szeléntartalmú változatai is megtalálhatók a szervezetben (pl. szelenocisztein). 72

73 Kérdések, feladatok 1. Írja fel az oxigénatom külső elektronhéjának szerkezetét! Jellemezze az oxigén elektronegativitását és elektronaffinitását! Melyek az oxigén szokásos oxidációs számai vegyületeiben? 2. Sorolja fel az oxigén allotróp módosulatait (2 név, 2 képlet)! Adja meg természetes előfordulásukat! 3. Írja fel az ózon keletkezésének egyenletét! Mi váltja ki a reakciót a légkörben? 4. Mire használjuk az oxigéngázt és a hidrogén-peroxidot az orvosi gyakorlatban? 5. Írja fel a hidrogén-peroxid spontán bomlásának egyenletét! 6. Jellemezze a hidrogén-peroxid redoxi tulajdonságait! Milyen oxidációs állapotú az oxigén ebben a vegyületben? 7. Mi a Hyperol tabletta összetétele és orvosi felhasználása? 8. Rajzolja fel a vízmolekula szerkezeti képletét! Állapítsa meg, hogy melyik a legerősebb másodlagos kölcsönhatás a vízmolekulák között! Hogyan nyilvánul ez meg a víz fizikai tulajdonságaiban? 9. Írja fel a képletét az alábbi vegyületeknek, és állapítsa meg bennük a kén oxidációs számait! magnézium-szulfát, nátrium-szulfit, vas(ii)-szulfid. 10. Írja fel a kénhidrogén disszociációját két lépésben vizes oldatban! 11. Írja fel a kénhidrogén laboratóriumi előállításának reakcióegyenletét! 12. Adja meg a kén-dioxid és a kén-trioxid képződésének egyenleteit! 13. Írja fel a kénessav és a kénsav keletkezését anhidridjeikből! 14. Írjon egyenletet a kénessav redukáló hatásának bemutatására! 15. Adja meg a kénsav savi disszociációjának egyenleteit (2 egyenlet)! 16. Írja fel a képletét az alábbi vegyületeknek és hasonlítsa össze savi erősségüket! kén-hidrogén, kénsav, kénessav 17. Hogyan hígítunk tömény kénsavat (mit öntünk mibe)? Miért? 18. Írjon közömbösítési reakciót kénsav részvételével! 19. Mire használják a kén-dioxidot és a szulfitokat a mindennapi életben? Kísérletek Oxigén előállítása hidrogén-peroxidból Szükséges anyagok: KMnO 4 -oldat, kénsav-oldat, hidrogén-peroxid-oldat Kivitelezés: Kémcsőben 2 ujjnyi kálium-permangát-oldathoz öntsön ujjnyi kénsavoldatot. Bunsen-égő segítségével gyújtson meg egy gyújtópálcát, pár másodperc múlva fújja el a lángot, az izzó pálcát tegye félre az agyagos dróthálóra. Adjon a kénsavas permanganát-oldathoz ujjnyi hidrogén-peroxidoldatot és gyorsan dugja a kémcsőbe az izzó gyújtópálcát (a folyadék fölé, ne bele)! Mit tapasztal? Rendezze az egyenletet oxidációs számok segítségével: KMnO 4 + H 2 O 2 + H 2 SO 4 = MnSO 4 + K 2 SO 4 + H 2 O + O 2 73

74 Megjegyzés: Az oxigén táplálja az égést, a sejtben lejátszódó oxidációs folyamatokhoz is szükséges. A tiszta oxigén azonban mérgező, a szervezetben nagy koncentrációban keletkeznek belőle ún. reaktív oxigén intermedierek (ROS, ld. biokémia), amelyek gyorsan megtámadják a központi idegrendszert, izomrángást, majd végül halált okoznak. Ez az oxigénmérgezés, ezért igen fontos, hogy pl. búvárok oxigénpalackjában vagy műtéti altatáskor az oxigén parciális nyomása ne legyen ~0,2 barnál magasabb. A hidrogén-peroxid színtelenítő hatása Szükséges anyagok: 30%-os H 2 O 2 -oldat, ammónia-oldat Kivitelezés: Kémcsőbe öntsön 2-3 ujjnyi 30%-os H 2 O 2 -oldatot, és adjon hozzá 5-10 csepp ammóniát. Ebbe a reakcióelegybe helyezzen sötét hajszálat. Figyelje meg a hajszál felületét. Mit tapasztal? Figyelje meg a reakcióelegyet kb. 10 perc múlva is! Magyarázat: Ammóniás közegben a H 2 O 2 oxidálja, elszínteleníti az oxidált formában színtelen festékanyagot. Ezért használható hajszőkítésre és klórmentes fehérítőnek vagy folteltávolítónak. A hidrogén-peroxid mint oxidálószer Szükséges anyagok: 30%-os H 2 O 2 -oldat, KI-oldat, keményítő-oldat Kivitelezés: Töltsön kémcsőbe ujjnyi KI-oldatot és adjon hozzá ugyanannyi keményítőoldatot, ezután pedig ujjnyi H 2 O 2 -t. Mit tapasztal? Mi a jelenség magyarázata? Rendezze az egyenletet oxidációs számok segítségével, jelölje meg az oxidáló- ill. redukálószert: KI + H 2 O 2 = KOH + I 2 Megjegyzés: A hajfestékekben található előhívó szintén H 2 O 2 -ot tartalmaz. A festék-prekurzorral összekeverve a hajszál felületén megy végbe az oxidáció és alakul ki a valódi festékmolekula. A hidrogén-peroxid oxidáló és redukáló tulajdonságának megfigyelése Szükséges anyagok: 30%-os hidrogén-peroxid (H 2 O 2 ) -oldat, nátrium-hidroxid-oldat, króm(iii)-szulfátoldat, kénsav-oldat Kivitelezés: a. 2 ujjnyi nátrium-hidroxid-oldathoz cseppentsen 2-3 csepp H 2 O 2 -t. Adjon az elegyhez néhány csepp króm(iii)-szulfát oldatot. Mit tapasztal? Egészítse ki a lejátszódó folyamat egyenletét! Cr 3+ + OH + H 2 O 2 = CrO H 2 O b. Savanyítsa vissza az oldatot kénsavval erősen savas kémhatásúra és figyelje meg a reakcióelegyet (esetleg újabb 1-2 csepp H 2 O 2 adagolása szükséges)! (A reakció több, itt fel nem tüntetett részlépésen keresztül jut vissza a króm(iii)-ionokig, az egyik lépésben keletkező kék színű krómvegyület (közelítő képlete: CrO 5 ) adja a kezdetben fellépő, majd elhalványuló intenzív kék színt.) Mit tapasztal? Egészítse ki a lejátszódó folyamat egyenletét! Cr 2 O H + + H 2 O 2 = Cr 3+ + H 2 O + O 2 74

75 Állapítsa meg, hogy a fenti reakciókban a hidrogén-peroxid redukáló- vagy oxidálószerként viselkedett-e! Megjegyzés: Mivel a hidrogén-peroxidban az oxigén köztes (-1) oxidációs állaptú, redukálószerként (H 2 O 2 O 2 ) és oxidálószerként (H 2 O 2 H 2 O) is viselkedhet. A redox-sajátságok függenek a közeg savasságától/lúgosságától is, amikor a redoxireakcióban H + vagy OH szerepelnek! (ld. elektrokémia). H 2 O 2 a szervezetben is keletkezik, ún. reaktív oxigén köztitermék (ROS), amely igen nagy reaktivitása miatt erősen sejtkárosító. A szervezet úgy védi ki a káros hatást, hogy a H 2 O 2 -t a glutation peroxidáz enzim segítségével vízzé redukálja, vagy kataláz enzimmel oxigénné oxidálja. A kén tulajdonságai (bemutató kísérlet) Szükséges anyagok: kén Kivitelezés: Kémcsövet töltsünk meg félig kénporral, és kémcsőfogóba fogva lassan melegítsük gázlángon enyhe mozgatással, hogy egyenletesen olvadjon meg. Figyeljük meg az éppen megolvadt ként! Melegítsük tovább a kémcsövet állandó mozgatás közben. Kis idő múlva, amikor a színe is megváltozott, próbáljuk meg az olvadt ként a kémcsőből kiönteni. Hevítsük tovább egészen forrásig. Figyeljük meg a válozásokat és töltsük ki az alábbi táblázatot: a kén színe viszkozitása megolvasztva: tovább melegítve: erősen hevítve: A forrásban lévő ként tartalmazó kémcsövet vegyük ki a lángból és a cseppfolyós ként vékony sugárban öntsük hideg vizet tartalmazó edénybe. A hideg vízbe öntött kén nyújtható, gumiszerű anyaggá alakul. Magyarázat: A nyolcatomos, gyűrű alakú kénmolekulák között csak gyenge (London-féle diszperziós) kötőerők működnek. Ezzel magyarázható az elem kis keménysége, alacsony olvadáspontja. Kb. 95 Con a kén monoklin módosulattá alakul, majd ~119 C-on megolvad. Ilyenkor az olvadék világos és hígan folyó. Tovább melegítve (~ C) a gyűrűk láncokká hasadnak fel, a kénláncok összegabalyodnak, emiatt az olvadt kén sötétbarnává és sűrűn folyóssá válik. További melegítésre kb. 300 C-on a láncok a kötések felszakadása miatt egyre rövidebbek lesznek, az összegabalyodás lehetősége nagyon lecsökken, ezért újra csökken a viszkozitás (5.17. ábra). 75

76 melegítve tovább hevítve korona alakú S 8 molekulák, egymás mellet könnyen elmozdulhatnak összegabalyodott S 8 molekulák összetöredezett S 2 -S 5 molekulák ábra. Az olvadt kén szerkezete különböző hőmérsélketeken 444 C-on a kénolvadék forrni kezd. A forráspontjáig hevített ként hirtelen lehűtve hideg vízbe öntve gumiszerű, amorf tömeggé változik. Ezt nevezzük amorf kénnek. Az amorf kén szobahőmérsékleten állva, idővel stabilis, rombos módosulattá alakul vissza (1-2 hét alatt). Kén-hidrogén előállítása Szükséges anyagok: vas(ii)-szulfid, sósav, CuSO 4 -oldat Kivitelezés: Kis darab szűrőpapírra cseppentsen réz-szulfát-oldatot. Kémcsőbe szórjon fél borsószemnyi vas(ii)- szulfidot, és fülke alatt öntsön hozzá ujjnyi sósavat. Tartsa a kémcső szájához a réz-szulfáttal megcseppentett szűrőpapírt. Szagolja meg óvatosan a fejlődő gázt. Mit tapasztal? Írjon reakcióegyenleteket! Megjegyzés: A kén-hidrogén jellegzetes szaga érezhető kéntartalmú szerves anyagok bomlásakor, rothadásakor (pl. romlott tojás). Kénsav reakciója szerves vegyületekkel (bemutató kísérlet) a. Bemutató kísérlet: Egy főzőpoharat vízzel átöblítünk, és az aljára 1 cm vastagságban porcukrot szórunk. A főzőpoharat egy nagyobb kristályosítótálba állítjuk. A cukrot néhány csepp vízzel megnedvesítjük, majd 8-10 cm 3 cc. kénsavat öntünk rá. Mit tapasztalunk? Készítsünk rajzot! b. Óraüvegre helyezett vászondarabra 2-3 csepp cc. kénsavat cseppentünk. Mit tapasztalunk? c. Gyújtópálca egyik végét mártsuk cc. kénsavba. Mit tapasztalunk? Magyarázat: A tömény kénsav roncsolja a szerves vegyületeket, víz formájában hidrogént és oxigént von el belőlük. A folyamat során hő fejlődik, pl a répacukor esetében: C 12 H 22 O C + 11 H 2 O A keletkező szén és a kénsav között megindul a hőfejlődéssel járó gáztermelő redoxifolyamat: C + 2 H 2 SO 4 = CO SO H 2 O 76

77 A cukor-kénsav reakciónál a vízgőz mellett CO 2, SO 2 és CO is keletkezik. A CO több, mint 50%, ezért a kísérletet fülke alatt kell végezni. A hőmérséklet C-ra is emelkedhet. Ha nem adunk vizet a keverékhez, lassabban indul a reakció, de sok gáz keletkezik. Ha túl sok a hozzáadott víz, kevesebb lesz a gőz. 77

78 Nitrogén-csoport Az 5. főcsoport elemeinek vegyértékelektron-konfigurációja s 2 p 3. A periódusos rendszerben talán nincs még egy csoport, ahol ilyen jelentősen különböznének egymástól az elemek. A nitrogén (N) és a foszfor (P) nemfémek, az arzén (As) és az antimon (Sb) félfémek, míg a bizmut (Bi) fémes elem. A csoportban lefelé haladva nő az atomméret, csökken az ionizációs energia és az elektronegativitás, egyre erősödik a fémes jelleg. Orvosi jelentőséggel a nitrogén, a foszfor és az arzén vegyületei bírnak. Nitrogén (N) Az elemi nitrogén színtelen, szagtalan gáz, az atmoszféra mintegy 80 %-át alkotja. Elemi állapotban a nitrogén N 2 kétatomos molekulákat képez, melyekben háromszoros kovalens kötés alakul ki. Az :N N: molekula nagy kötési energiával rendelkezik, stabil, igen kis reaktivitású, apoláris. Vízben és zsírokban nagyon rosszul oldódik, bár oldhatósága a nyomás növelésével nő (keszonbetegség, ld. nemezgázok 54. o.). A nitrogén forráspontja nagyon alacsony ( 196 C), ezért a folyékony nitrogént biológiai minták (vér, sperma stb.) konzerválására használják fel. Szobahőmérsékleten csak elemi lítiummal és kalciummal reagál. Oxidálni (N 2 + O 2 2 NO) és redukálni (N H 2 2 NH 3 ) még katalitikusan is igen nehéz. Az előbbi folyamat a természetben villámláskor játszódik le. A nitrogént inert (védő-)gázként, ammónia- és salétromsavgyártásra használják. Vegyületeiben a nitrogén elektronegativitása nagy (3,0), jellemző oxidácós számai: -3, +2, +3, +5. Legfontosabb vegyületei a következők: Ammónia Az ammónia (NH 3 ) színtelen, jellegzetesen szúrós szagú, mérgező gáz. Piramidális szerkezetű, poláros molekulákból épül fel, melyek H-kötés kialakítására alkalmasak, ezért az ammónia könnyen cseppfolyósítható, és vízben nagyon jól (kb 1 : 500 térfogatarányban) oldódik. Igen magas a párolgáshője, ezért hűtőszekrényekben hűtőfolyadékként alkalmazzák ábra. Az ammónia szerkezete, hidrogén-kötés két ammónia-molekula között 78

79 Az ammónia vizes oldata a szalmiákszesz, melyet a háztartásban kárpittisztítása használhatunk. Gyenge bázis, sói ammónium-iont tartalmaznak: NH 3 + H 2 O NH OH (K b = 1, ) Az ammónia igen reaktív vegyület, savakkal sót képez, Lewis-bázis jellege révén jó komplexképző. Salétromsavas sója az ammónium-nitrát (NH 4 NO 3, pétisó), fontos műtrágya. NH 3 + HNO 3 NH 4 NO 3 Mivel az ammónia gyenge bázis, sóiból erősebb bázisok felszabadítják: NH 4 Cl + KOH NH 3 + KCl + H 2 O Az ammónia igen fontos ipari nyersanyag, elemeiből állítják elő (lásd fent), műtrágyaként közvetlenül felhasználható, a salétromsavgyártás alapanyaga. Ammónia keletkezik szerves nitrogénvegyületek (karbamid, fehérjék) bomlása során is, ez okozza az állott vizelet, trágya stb. szúrós szagát. Az ivóvíz ammóniatartalma műtrágya- vagy bomló szerves szennyezésre utal. Az ammónia NR 3 (R = H vagy alkil-csoportok) összetételű szerves származékai az aminok, melyek az ammóniához hasonlóan H-kötés kialakítására képesek, gyenge bázisok és jó komplexképzők. Az ammónia származékai Hidroxilamin (H 2 N-OH): Ez a vegyület az ammóniából vezethető le úgy, hogy egy hidrogént hidroxilcsoportra cserélünk. Bázisos tulajdonságú, bomlékony, kristályos anyag, sósavas sója szerves kémiai reagens. A hidrazin (H 2 N-NH 2 ) színtelen, szirupszerű, bázisos, redukáló hatású folyadék. Mérgező, rákkeltő hatású. Rakéta-hajtóanyagként, laboratóriumokban redukálószerként alkalmazzák. Származékait (fenil-hidrazinok) a szerves kémiában aldehidek, ketonok kimutatására használjuk. A karbamid (H 2 N-CO-NH 2, a szénsav diamidja) színtelen, kristályos anyag, értékes nitrogénműtrágya és kérődzők számára részleges fehérjepótló tápanyag. Karbamid keletkezik a szervezetben a fehérjék lebomlása során is, amely a vizelettel ürül ki. A nitrogén oxidjai és oxosavai A dinitrogén-oxid (N 2 O, kéjgáz, dinox) színtelen, szagtalan, édeskés ízű gáz. Belélegezve kábító, bódító hatású (az egyetlen szervetlen hipnotikum), műtéti érzéstelenítésre használható. Nem toxikus, ezért fagylaltokban, krémekben habosítóként, habspray-kben hajtógázként használják. A N 2 O semleges oxid, nem anhidrid, vízben nem oldódik. 79

80 A nitrogén-monoxid (NO) színtelen, mérgező gáz, a N 2 elsődleges oxidációs terméke. A molekula szabadgyök jellegű (párosítatlan elektront tartalmaz). Vízben rosszul oldódik (nem anhidrid), levegőn spontán nitrogén-dioxiddá alakul: 2 NO + O 2 = 2 NO 2 Igen jó komplexképző, a nitrozil-fémkomplexeket homogén katalizátorként használják. A szervezetben a nitrogén-monoxid neurotranszmitter szerepet tölt be. : : : : ábra. A nitrogén néhány oxidjának szerkezete A nitrogén-dioxid (NO 2 ) a NO spontán oxidációs terméke. Barna színű, gyök jellegű, mérgező, erősen oxidáló tulajdonságú gáz. Veszélyes környezetszennyező anyag, főleg a kipufogógázokkal kerül a levegőbe, és a nagyvárosi szmog egyik okozója. Részben felelősnek tartják az ózonpajzs bontásáért is. Alacsonyabb hőmérsékleten színtelen dinitrogén-tetraoxiddá (N 2 O 4 ) dimerizálódik. 2 NO 2 N 2 O 4 Vízben diszproporcionálódva oldódik, a salétromsav és a salétromossav közös anhidridje: 2 NO 2 + H 2 O = HNO 3 + HNO 2 Ez a reakció a savas esők kialakulásában is szerepet játszik. A dinitrogén-trioxid (N 2 O 3 ) bomlékony, csak alacsony hőmérsékleten (< 100 C) stabil, kék folyadék. Vízzel reagál, a salétromossav anhidridje: N 2 O 3 + H 2 O = 2 HNO 2 A dinitrogén-pentaoxid (N 2 O 5 ) nagyon reaktív, fényérzékeny, szilárd anyag, a salétromsav anhidridje. N 2 O 5 + H 2 O = 2 HNO 3 80

81 A salétromossav (HNO 2 ) gyenge sav (K s = ), csak vizes oldatban ismeretes, sói a nitritek viszont kristályosan is stabilak. Előállítani is sóiból lehetséges erősebb sav alkalmazásával: NaNO 2 + HCl HNO 2 + NaCl (erős sav felszabadítja a gyengébbet sójából) Az in situ felszabadított salétromossavat a szerves kémiában aromás aminok ún. diazotálási reakcióiban használjuk (ld o.). A nitritek nagy mennyiségben mérgezőek a hemoglobin Fe 2+ -ionjának Fe 3+ -ionná oxidálása miatt. A nátrium-nitrit (NaNO 2 ) mérsékelten toxikus, húsok, konzervek tartósítására használják, mert megakadályozza a baktériumfertőzést és az abból eredő ételmérgezést, amelyet a Clostridium botulinum által termelt toxin váltana ki. A salétromsav (HNO 3 ) erős, oxidáló sav. Az arany és a platina kivételével oldja a fémeket, ezért választóvíznek is nevezik (megkülönböztethető vele a tiszta arany a rézötvözetektől). A negatív standardpotenciálú fémek hidrogént fejlesztenek híg salétromsavból, a nemesfémek viszont nitrózus gázok fejlődése mellett oldódnak (ld. elektrokémia). Zn + 2 HNO 3 Zn(NO 3 ) 2 + H 2 3 Ag + HNO 3 3 AgNO 3 + NO + H 2 O (A keletkező gázok összetétele a salétromsav koncentrációjától függ, töményebb savból NO 2 is fejlődhet). A tömény salétromsav 68,5%-os, azeotrópos elegy. Néhány fém, pl. vas, króm, alumínium nem oldódik tömény salétromsavban, passziválódik, mert az elsődlegesen keletkező oxidréteg megvédi őket a további oxidációtól. A tömény salétromsav a hidrogén-halogenideket is oxidálja: HNO HCl 2 Cl + NOCl + 2 H 2 O A keletkező atomos klór és nitrozil-klorid nagyon agresszív oxidálószerek, ezért a cc. salétromsav és sósav 1:3 arányú elegyét királyvíznek nevezik, mert még az aranyat is felodja. (Bár erős sav, a még erősebb tömény kénsavban a salétromsav bázisként viselkedik: HNO 3 + H 2 SO 4 H 2 NO HSO 4 H 2 NO + 3 NO H 2 O A keletkező NO + 2 nitrónium-ion erősen elektrofil tulajdonságú, szerves aromás vegyületek nitrálására használják (ld o). A cc. salétromsav és kénsav elegye az ún. nitrálósav.) A salétromsavat elsősorban a műtrágyagyártás fogyasztja, de ezen kívül alkalmazza a robbanószer- és színezékipar is. A salétromsav sói, a nitrátok vízben jól oldódnak. A műtrágyaként is használt ammónium-nitrát (NH 4 NO 3 ) tiszta állapotban robbanásveszélyes, ipari robbanószereket is készítenek belőle (bányászat stb.). A pétisó műtrágya ammónium-nitrát és mészkőpor (CaCO 3 ) keveréke, a mészkőpor véd a por 81

82 : : összetapadásától, spontán robbanásától. A kálium-nitrátot (KNO 3, salétrom) pirotechnikai célokra használják. Egyéb fontos nitrogénvegyületek a hidrogén-azid (HN 3 ) és sói, az azidok. Mind a sav, mind sói igen veszélyes mérgek. Az alkálifémek azidjai stabilak, azonban a nagy méretű, közepes elektronegativitású fémek azidjai igen könnyen, akár ütés, dörzsölés hatására felrobbannak. Az ólom-azidot (Pb(N 3 ) 2 ) robbanószerek detonátoraiban alkalmazzák. A lineáris szerkezetű azid-ion (N 3 ) jó nukleofil, a nátrium-azidot (NaN 3 ) szerves kémiai reagensként használják. A szerves azidok nem robbanásveszélyesek. Azido-csoportot tartalmaz a HIV és herpesz vírusok kezelésére alkalmas AZT (3 -azido- 2,3 -didezoxi-timidin, ld.biokémia) nevű molekula. Foszfor (P) Az 5. főcsoport második eleme, vegyértékhéj elektronszerkezete 3s 2 3p 3. Három allotróp módosulata ismert: a P 4 molekulákból álló, molekularácsos, vízben oldhatatlan, de zsírokban, olajokban, apoláros oldószerekben jól oldódó, nagyon mérgező fehérfoszfor, a polimer, amorf jellegű, oldhatatlan vörösfoszfor és a grafitszerű, rétegrácsos fekete-, vagy fémes foszfor. : P : P : P : P : P P : P : : P P : : P : P P P : : P P P : ábra. A fehérfoszfor (P 4 ) és a polimer vörösfoszfor (P ) szerkezete A foszfor közepes elektronegativitású (2,1) atom, az egyes allotróp módosulatainak reaktivitása igen eltérő. A fehérfoszfor nagyon reaktív anyag, levegőn magától meggyullad, ezért víz alatt kell tárolni. Nedves levegőn a foszfor égését kemilumineszcencia kíséri (foszforeszkál). P O 2 P 4 O 10 Joseph Wright of Derby "The Alchymist" c. festményének részlete: a foszforeszcencia jelensége 82

83 A másik két módosulat reaktivitása sokkal kisebb. A fehérfoszfor igen toxikus, bőrön keresztül is felszívódik, már 0,1 g-ja halálos. A vörös- és feketefoszfor nem mérgező. A vörösfoszfort a pirotechnikában, gyufagyártásra (Irinyi János találmánya), a fehérfoszfort foszforsavak gyártására használják. A foszfor jellemző oxidácós száma vegyületeiben +3 és +5. A természetben foszfátásványok alakjában (Ca 3 (PO 4 ) 2, foszforit, Ca 5 (PO 4 ) 3 OH/Cl/F, apatit) található, minden élőlény számára létfontosságú elem (foszfatidok, nukleinsavak, ATP stb.). A legfontosabb vegyületeit az alábbiakban tárgyaljuk. A foszfor(v)-oxid (P 2 O 5, helyesebben P 4 O 10 ) vagy közönséges nevén foszfor-pentoxid fehér, laza, igen higroszkópos por ábra. A foszfor-pentoxid molekula szerkezete A legerősebb vízelvonó hatású anyag, ezért vízmegkötőként, szárítószerként használatos. Savanhidrid, víz hatására exoterm reakcióban foszforsavakká alakul: P 2 O 5 + H 2 O 2 HPO 3 P 2 O H 2 O H 4 P 2 O 7 P 2 O H 2 O 2 H 3 PO 4 metafoszforsav pirofoszforsav ortofoszforsav Az ortofoszforsav (H 3 PO 4, foszforsav) színtelen, kristályos anyag, vízben jól oldódik, közepes erősségű, háromértékű sav: H 3 PO 4 H + + H 2 PO 4 (K s1 = 7, ) H 2 PO 4 H + + HPO 4 2 (K s2 = 6, ) HPO 4 2 H + + PO 4 3 (K s3 = 1, ) ábra. Az ortofoszforsav szerkezete Az ortofoszforsav nem mérgező, az élelmiszeriparban savanyításra használják (pl. üdítőitalokban). 83

84 Megolvasztva az ortofoszforsav kristályokat lassan, részleges vízvesztéssel pirofoszforsavvá alakulnak ábra. Pirofoszforsav keletkezése ortofoszforsavból A pirofoszforsavban (H 4 P 2 O 7 ) anhidridkötés kapcsolja össze az alegységeket. A pirofoszfátok (és polifoszfátok, melyekben három, vagy több foszforsav-egység is lánccá kapcsolódik) P-O-P anhidridkötésének hidrolízisekor (alsó nyíl) kb. 30 kj/mol energia szabadul fel (ld. termodinamika, szerves kémia: ATP, GTP). Ez a reakció számos biokémiai folyamat energiaszolgáltató lépése. A foszforsavak sói a foszfátok. Az alkálifém-foszfátok vízben jól oldódó ionos vegyületek. A nátrium-hidrogén-foszfátokat (NaH 2 PO 4, nátrium-dihidrogén-foszfát; Na 2 HPO 4, dinátrium-hidrogén-foszfát) fiziológiás pufferoldatok készítésére (ph ~ 7) használjuk a biokémiában. Az erősen lúgos kémhatású trisó (Na 3 PO 4, trinátrium-foszfát) vízlágyításra alkalmas. A szabályos alkáliföldém-foszfátok vízoldhatósága meglehetősen rossz. Foszfor-műtrágyák gyártásakor a foszforitot (Ca 3 (PO 4 ) 2 ) számított mennyiségű kénsavval vízben jobban oldódó kalciumdihidrogénfoszfáttá (Ca(H 2 PO 4 ) 2 ) alakítják: Ca 3 (PO 4 ) H 2 SO 4 Ca(H 2 PO 4 ) CaSO 4 (szuperfoszfát műtrágya) A hidroxiapatit (Ca 5 (PO 4 ) 3 OH), ill. fluorapatit (Ca 5 (PO 4 ) 3 F) a csontok, ill. a fogzománc szilárd anyaga. Az alkáli-polifoszfátok kevésbé korszerű mosószerekben pufferoló és komplexképző (vízlágyító) adalékanyagok. Élővizekbe kerülve az algák túlszaporodását (eutrofizáció), majd azok aerob lebomlása folytán oxigénhiányt, közvetve halpusztulást okoznak. Helyettesíthetők (jóval drágább) borátokkal. A szerves foszforsav-észterek és amidok nagyon mérgező, a kolinerg receptorokon keresztül ható idegmérgek (peszticidek, inszekticidek, herbicidek), amiket a nácik a második világháborúban a gázkamrákban is használtak. Ma rovar, illetve rágcsálóirtóként használatosak, viszont némilyeket a daganatterápiában gyógyszerként is alkalmazzák. Arzén (As) Sötétszürke, fémfényű, törékeny, könnyen porítható félfém, az elektromos áramot vezeti. Több allotróp módosulata ismert (szürkearzén, sárgaarzén, amorf arzén). Szublimál, az As 4 molekulákat tartalmazó gőze levegőn mérgező és fokhagymaszagú arzén(iii)-oxiddá (As 4 O 6 ) oxidálódik. A 84

85 földkéregben lokálisan elterjedt lehet, főleg szulfidos ércekben, elemi állapotban kobaltércekkel fordul elő. Vegyületeiben jellemző oxidációs számai +5, +3 vagy -3, leginkább kovalens kötések kialakítására hajlamos, bár léteznek As 3+ ionvegyületek is. Az arzén(iii)-oxid (As 2 O 3 ) vízben gyengén, arzénessav képződése mellett oldódik (anhidrid). As 2 O H 2 O 2 H 3 AsO 3 Az arzénessav (H 3 AsO 3 ) csak vizes oldatban létező, bomlékony, gyenge sav. Amfoter jellemű, bázisokkal sót (arzeniteket) képez, míg savak hatására As 3+ ionokká bomlik: H 3 AsO NaOH Na 3 AsO H 2 O (nátrium-arzenit) H 3 AsO HCl As Cl + 3 H 2 O (arzén-triklorid) Az arzénsav (H 3 AsO 4 ) szintén gyenge, háromértékű sav, sói az arzenátok. Az arzenitek és arzenátok mérgező hatása a foszfát-ionhoz való hasonlóságukon alapszik. A foszfát helyébe beépülve gátolják a legfontosabb anyagcserefolyamatokat (nagyon kis dózisban arzénvegyületeket erősítő, roborálószerként is alkalmaznak, mivel gátolják a katabolitikus folyamatokat). Az arzénnek nagy az affinitása a kénhez, az arzenitek a fehérjékben, peptidekben kötött kénhez is kovalensen kötődnek. A földkéregből, illetve a környezetszennyezés következményeként az arzén természetes vizekbe kerülve szennyezésként jelenik meg (egészségügyi határértéke az ivóvízben 10 μg/l). A természetes vízkészlet jelentős része tartalmaz arzént. Az oxidált állapotú arzén a felszíni vizekben leginkább +5 oxidációs számmal arzenát formában (AsO 3 4 ), felszín alatti, mélységi vizekben +3 oxidációs számmal, arzenit (AsO 3 3 ) formában fordul elő. A nitrogén-csoport vegyületeinek orvosi, biológiai jelentősége A nitrogén egyike a hat organogén elemnek. Az aminosavak, fehérjék, nukleinsavak, koenzimek, alkaloidok, vitaminok, hormonok és egyéb életfontosságú szerves vegyületek felépítésében játszott szerepe miatt az élet alapvető feltétele. A nitrogén-monoxid (NO) egyike a kevés gáz halmazállapotú jelátvivő molekuláknak, a szervezetben L-argininből keletkezik. Bár igen reaktív, szabadon diffundál át a membránon, ez teszi nagyon hatékony neurotranszmitterré. Az ereket körülvevő simaizom elernyesztésével (vazodilatáció) többek között a vérnyomás csökkentésében tölt be szerepet. A szerves alkoholokkal képzett nitrátészterekből a szervezetben NO szabadul fel, ezért az ilyen anyagok igen elterjedtek mint értágító gyógyszerek (pl. nitroglicerin), különösen szívbetegségek kezelésében. A nitrogén a természetben állandó körforgásban van: a növények ammónia (NH 3 ), illetve a nitrifikáció során a baktériumok által előállított nitrátion (NO 3 ) formájában veszik fel a talajból (egyes élőlények, pl. nitrifikáló baktériumok, kékmoszatok képesek a N 2 formájában történő megkötésre is). Az állatok táplálkozásuk útján jutnak hozzá, hisz kizárólag szerves nitrogéntartalmú vegyületeket képesek hasznosítani. Végül a mikroorganizmusok lebontó tevékenységével, illetve ahol 85

86 szükséges, műtrágyák segítségével történő mesterséges visszapótlással jut vissza a talajba, ezzel zárul a körfolyamat. A foszfor szintén a létfontosságú elemek közé tartozik. Az élő szervezetek működése alapvetően biomolekulák foszfát-észtereinek és polifoszfátjainak biokémiai reakcióin alapul (pl. nukleinsavak, foszfatidok, ATP, ADP). A sejtmembránt a foszforsavésztert tartalmazó, ún. foszfolipidek építik fel. Az extracelluláris tér állandó ph-ját foszfátpuffer biztosítja (ld. Pufferrendszerek, 196. o.). A szervezet foszfortartalmának legnagyobb (85%) része a csontokban, mint foszfát-ion található. Az arzén már nyomokban is rákkeltő, oxidjai és vízoldható vegyületei mérgezőek, az As 2 O 3 szennyezés igen veszélyes. A mérgezés tünetei: súlyos hasmenés, bénulások, hajhullás. Az akut arzénmérgezés kezelésére MgO + Fe(OH) 3 szuszpenziót lehet használni: az oldhatatlan magnéziumarzenit a kolloidális vas(iii)-hidroxid felületén megkötődik. Az arzén a májban, vesékben, bőrben, hajban, körömben raktározódik, a vizelettel ürül ki, növekvő adagokban történő szedése esetén hozzászoktatás lehetséges. Korábban a vérbaj (szifilisz) kezelésére szerves arzénvegyületeket használtak (Salvarsan). Ma az arzénvegyületeket elsősorban a kártevők elleni védekezésben használják fel (fakonzerváló szerek), de pl. amőbás hasmenés vagy afrikai álomkór kezelésére napjainkban is alkalmaznak arzén-tartalmú gyógyszereket (Melarsoprol). Kérdések, feladatok 1. Jellemezze az elemi nitrogént és a fehérfoszfort! a molekula képlete: halmazállapota szobahőmérsékleten: oldhatósága vízben: oldhatósága zsírokban: reaktivitása: nitrogén fehérfoszfor 2. Írja fel az ammónia elemeiből való képződésének egyenletét! Hogyan viselkedik az ammónia vizes oldatban? Írjon egyenletet! 3. Írja fel az alábbi anyagok képletét, és állapítsa meg bennük a nitrogén oxidációs számait! ammónia, salétromossav, nitrogén, hidroxil-amin, salétromsav 4. Jellemezze az ammónia molekula szerkezetét! Melyik a molekulák között fellépő legerősebb kölcsönhatás (készítsen ábrát)? Milyen tulajdonságok következnek ebből? 5. Írja fel az ammónia reakcióját sósavval! Hogyan tudná az ammóniát a termékből felszabadítani? Írjon egyenletet! 6. Sorolja fel a nitrogén oxidjait képlettel, adja meg a nitrogén oxidációs számait az egyes vegyületekben! Jelölje meg azokat, amelyek nem savanhidridek! 86

87 7. Jellemezze a NO és NO 2 molekulák szerkezetét! Mi a közös szerkezeti jellemzőjük? Mi az élettani hatásuk? 8. Írja fel a nitrogén-dioxid reakcióját vízzel! Mi ennek a folyamatnak a környezeti kémiai jelentősége? 9. A nitrogén mely vegyülete felelős a savas esők kialakulásáért? Írja fel a lejátszódó kémiai reakció egyenletét! 10. Adja meg a nitrogén oxosavainak képződését anhidridjeikből! (Írjon egyenleteket!) 11. A foszfor milyen allotróp módosulatait ismeri? Ezek milyen szerkezettel jellemezhetőek? Milyen az oldhatóságuk vízben és zsírokban? 12. Írja fel a foszfor égésének egyenletét és nevezze el a terméket! 13. Írja fel a P 2 O 5 reakcióját 1 mól vízzel, és nevezze el a terméket! 14. Írja fel a P 2 O 5 reakcióját 2 mól vízzel, és nevezze el a terméket! 15. Írja fel a P 2 O 5 reakcióját 3 mól vízzel és nevezze el a terméket! 16. Írja fel a foszforsav lépcsőzetes disszociációjának egyenleteit! 17. Írja fel a pirofoszforsav keletkezését ortofoszforsavból! Mi a pirofoszforsav hidrolízisének biológiai jelentősége? 18. Adja meg az alábbi vegyületek képletét: dinátrium-hidrogénfoszfát, kalcium-foszfát, fluorapatit, metafoszforsav, arzénsav. 19. Nevezze meg az alábbi vegyületeket: KNO 2, NaNO 3, H 3 AsO 3, NaH 2 PO 4, NH 4 Cl 20. Írjon egyenleteket az arzénessav amfotériájának bemutatására. 21. Milyen formákban fordul elő az arzén a természetes vizekben? Adja meg az arzén oxidációs számát is ezekben a vegyületeiben! 22. Mi az arzén mérgező hatásának magyarázata? Melyek az arzénmérgezés tünetei? 87

88 Kísérletek Ammónia oldódása vízben - Szökőkút kísérlet (bemutató kísérlet) Szükséges anyagok: ammónium-klorid, kalcium-hidroxid, fenolftaleines víz ammónium-klorid + kalcium-hidroxid víz fenolftaleines víz Kivitelezés: Kémcsőben összekeverünk ammónium-kloridot kalcium-hidroxiddal 1 : 2 arányban, majd a kémcsövet ferdén befogva állványhoz rögzítjük. A kémcső száját gázelvezetőcsővel felszerelt dugóval zárjuk, a gázelvezetőcső másik végét gumitömlővel egy felfelé fordított gömblombikba vezetjük. A lombik száját kétfuratú dugó zárja, az egyik furatba illeszkedik a gázbevezetőcső, a másikba egy rövid üvegcső. A keveréket addig melegítjük, amíg érezni kezdjük az ammónia szagát (esetleg látjuk a fehér ammónium-klorid füstöt, kb. 5 perc). Miután a gömblombik megtelt ammóniagázzal, a dugón áthaladó üvegcső szájára vízzel telt gumi cseppentő feltétet (pipettalabdát) húzunk. A gázbevezető üvegcsőről eltávolítjuk a gumitömlőt, és a csövet egy üvegpohárban lévő fenolftaleines vízbe merítjük. A cseppentő feltétet határozott mozdulattal megnyomjuk. Mit tapasztalunk? Készítsünk rajzot! Mivel magyarázható a jelenség? Írjunk fel reakcióegyenletet! Rajzoljuk fel az ammónia és a vízmolekulák között kialakuló hidrogén-kötést! Megjegyzés: Az ammónia vízben nagyon jól oldódik, oldhatósága 693 cm 3 1 cm 3 vízben (standard körülmények között). Gyenge bázis felszabadítása sójából Szükséges anyagok: ammónium-klorid oldat, nátrium-hidroxid oldat, piros lakmuszpapír Kivitelezés: Óraüveg belső oldalára egy csepp vízzel tapasszon egy piros lakmuszpapír darabot. Egy másik óraüvegben öntsön össze pár csepp ammónium-klorid- és nátrium-hidroxid-oldatot. Fedje le a reakcióelegyet a lakmuszos óraüveggel úgy, hogy a lakmuszpapíros oldala nézzen a reakcióelegy felé. Mit tapasztal? Írjon reakcióegyenletet! Megjegyzés: Az ammónia és szerves származékai, az aminok (NR 3, R = H vagy alkilcsoportok) gyenge bázisként viselkednek. A kísérletben egy erős bázissal (NaOH) szabadítjuk fel sójából az ammóniát. Ugyanilyen reakción alapszik számos természetes 88

89 amin, pl. alkaloidok kinyerése növényekből, amelyekben gyenge, szerves savakkal képzett sóik formájában találhatók. Ammónia reakciója hidrogén-klorid gázzal Szükséges anyagok: ammónia oldat, sósav Kivitelezés: (párosával) Mártsunk egy üvegbotot sósavba, egy másikat ammónia-oldatba. Közelítsük egymáshoz az üvegbotokat! Mit tapasztalunk? Jellemezze a keletkezett anyagot (halmazállapot, szín)! Írja fel a reakcióegyenletet! Megjegyzés: A kísérletben egy tipikus Brønsted-Lowry-féle sav-bázis reakció látható, azaz hidroxidionok részvétele nélkül keletkezik só. Ammónium-klorid termikus bomlása (bemutató kísérlet) Szükséges anyagok: ammónium-klorid, indikátor papír, üveggyapot Kivitelezés: lakmuszpapír Nagyméretű kémcsőbe 1-2 cm vastagon szilárd ammónium-kloridot szórunk. Tetejére csipesszel lazán üveggyapot dugót helyezünk, majd erre desztillált vízzel benedvesített indikátorpapírt. A papír fölé újabb üveggyapotdugó jön és másik indikátorpapír. A kémcsövet ferdén állványba fogjuk, és közepes lánggal melegítjük (kb. 5 percig). Mit tapasztalunk? Mi a jelenség kémiai magyarázata? (egyenlet) Miért van szükség két indikátor papírra? Hasonlítsa össze az ammónia és a hidrogén-klorid moláris tömegét és az ebből következő diffúziósebességet! Megjegyzés: A kis molekulatömegű anyagok nem csak levegőben, hanem a sejtek membránján is könnyen átdiffundálnak. A sejtekben keletkező szén-dioxid egyszerű diffúzióval kerül a véráramlásba, a jelátvivő NO is könnyen diffundál át a sejthártyán. A nitrogén-monoxid és a nitrogén-dioxid tulajdonságai (bemutató kísérlet) Szükséges anyagok: vörösréz forgács, 30%-os salétromsav, semleges lakmusz-oldat, káliumpermanganát oldat Kivitelezés: a. Az alábbi készülékben a választótölcsér csapja segítségével kis részletekben adagoljuk a savat a rézforgácsra. A fejlődő gázt víz alatt egy kémcsőben fogjuk fel. Mit tapasztalunk? Írjuk fel a lejátszódó reakciók egyenleteit! 89

90 A színtelen gázzal telt kémcsövet - nyílását a víz alatt lezárva - a vízből kiemeljük és levegővel teli kémcsövet helyezünk alá nyílásával felfelé. Mit tapasztalunk? Mi a jelenség magyarázata (egyenlet)? b. A kémcsőbe desztillált vizet öntünk, lezárjuk és összerázzuk, a képződött gázokat vízben elnyeletjük. Az oldatba semleges lakmusz-oldatot öntünk. A lakmusz egy szerves festékmolekula, ún. sav-bázis indikátor, mely savas közegben piros, lúgos közegben kék színű. Semleges oldatban az átmeneti lila szín látható. Milyen változást észlelünk? Mi ennek a magyarázata? Miért végeztük fülke alatt/nyitott ablak mellett a kísérletet? c.) A kapott oldatból öntsünk egy kálium-permanganát-oldatot tartalmazó kémcsőbe. Milyen változást észlelünk? Milyen reakció játszódhatott le? Megjegyzés: A kísérletet fülke alatt vagy nyitott ablaknál végezzük! A nitrogén-monoxid a salétromsavgyártás köztiterméke: az ammónia katalitikus oxidációjával állítják elő (4 NH O 2 4 NO + 6 H 2 O, platina katalizátoron), majd nitrogén-dioxiddá oxidálják, amit vízben elnyeletnek. Izzó betűk Szükséges anyagok: telített kálium-nitrát oldat Kivitelezés: Egy cm-es írólapra kálium-nitrát oldattal megnedvesített ecsettel rajzoljon vagy írjon úgy, hogy minden betű kapcsolódjon a másikhoz. Az írás kezdetét jelölje meg. Infralámpa alatt jól szárítsa meg a papírt és száradás után érintse meg izzó dróttal az írás kezdetét. A drótot Bunsenégő segítségével tudja izzásba hozni. Mit tapasztal? Mi a jelenség magyarázata? Írjon reakcióegyenletet! Magyarázat: A kálium-nitrát hő hatására nitritté és oxigénné bomlik. A reakció exoterm és az oxigéndús környezetben a papír gyorsan elég, de a betűkön kívül a papír nem tud felmelegedni a gyulladási hőmérsékletre, és nem ég el. 90

91 Foszforsav előállítása foszfor-pentoxid hidrolízisével (bemutató kísérlet) Szükséges anyagok: difoszfor-pentaoxid, víz, semleges lakmuszoldat Kivitelezés: Tegyünk kémcsőbe kanálnyi foszfor-pentoxidot, majd öntsünk hozzá ujjnyi desztillált vizet. Figyeljük meg a reakciót kísérő hangot, érintsük meg a kémcső alsó részét. Mit tapasztalunk? Mi a jelenség magyarázata? Írjunk reakcióegyenletet! Öntsünk kevés lila lakmuszoldatot a keletkezett oldatba. A lakmusz savas közegben piros, lúgos közegben kék színű. Semleges oldatban az átmeneti lila szín látható. Mit tapasztalunk, mivel magyaráható a változás? Írjunk egyenletet! Megjegyzés: A kísérletben savanhidrid reagál vízzel. A szervezetben található pirofoszforsav-észterek hasonlóan anhidridként viselkednek, és energiafelszabadulás közben hidrolizálnak (pl. ADP, ATP). 91

92 Szén-csoport A 4. főcsoport elemeinek vegyértékelektron-konfigurációja s 2 p 2. Közepes elektronegativitású, kis reaktivitású elemek tartoznak a szén-csoportba, amelyek elsősorban kovalens kötések kialakítására hajlamosak. A szén (C) nemfémes elem, a szilícium (Si) és a germánium (Ge) félfémek, míg az ón (Sn) és az ólom (Pb) fémek (a két fém ionokat is képez). A germánium igen ritka elem, létezését Mengyelejev jósolta meg, és ekaszilícium néven üresen hagyta a helyét periódusos rendszerében. Az elemnek nincs biológiai jelentősége, a félvezetőtechnikában viszont nélkülözhetetlen. Szén (C) A csoportban a legnagyobb elektronegativitású atom (2,5), általában négy kovalens kötést alakít ki. A természetben sokféle formában előfordul: elemi állapotban (grafit, gyémánt, ásványi szenek), karbonátos kőzetekben (CaCO 3, MgCO 3 ), vizekben (HCO 3, CO 2 ), az atmoszférában (CO 2 ) és az élővilág szerves anyagaiban. A szén allotróp módosulatai a gyémánt, a grafit és a fullerének (ld. 31. o.). A gyémánt atomrácsos szerkezetéből adódóan nagy keménységű, elektromos szigetelő, míg a grafit lágy, kenhető, elektromos vezető, ami réteges atomrács szerkezetének köszönhető, melyben a rétegek között csak gyenge kötések találhatók. A fullerének molekularácsos anyagok, mesterségesen állíthatók elő. A grafit és a gyémánt vízben vagy más oldószerben nem oldódnak, a fullerének aromás oldószerekkel (benzol, toluol) szép, színes oldatokat adnak. A szén sem savakkal, sem lúgokkal nem reagál, szobahőmérsékleten állandó, meglehetősen inert anyag. Az elemi szén éghető: C + O 2 CO 2 Az reakció exoterm, ezért az ásványi szeneket tüzelőanyagként használjuk. Magas hőmérsékleten a szén egyes fém-oxidokból a fémet redukálja: Fe 2 O C 2 Fe + 3 CO Ezt a reakciót a fémkohászat hasznosítja (pl. vasgyártás). A szenet gyémánt formájában ékszerek, fúró-vágószerszámok készítésére használják, mivel ez a legkeményebb ásvány. A grafitból ceruzabél, elektródok, elektromos kemencék, kenőanyagok, grafitszál-erősítésű műanyagtárgyak készülnek. Az ásványi szenek fűtőanyagok, melyeket a fémkohászatban, vegyipari alapanyaggyártásban nagy mennyiségben használnak fel. Mesterségesen állítják elő az "aktív szenet", amely nagyon finom eloszlású, koromszerű anyag (mikrokristályos grafit). Óriási fajlagos felülete miatt kiváló adszorbens, az orvosi gyakorlatban a bélcsatornában keletkező gázok megkötésére használjuk (orvosi szén), a belekből egyáltalán nem 92

93 szívódik fel. A kémiában mint derítőszert (ld. átkristályosítás, 23. o.) alkalmazzuk az oldott szenyeződések, színanyagok megkötésére. Nagy mennyiségű aktív szenet használnak ipari véggázok szűrésére (tisztítására), valamint a cukorgyártásban és víztisztításra. A szén leggyakoribb izotópja a 12-es tömegszámú, ezen kívül kb. 1%-ban fordul elő a 13 C és mintegy %-ban a radioaktív 14 C izotóp. A 12 C izotóp tömege a relatív atomtömegskála alapja. A 13 C a szerves vegyületek NMR-spekroszkópiás szerkezetmeghatározásában fontos, míg a radioaktív 14 C az ún. radiokarbon kormeghatározást teszi lehetővé. (bővebben ld. Szén-monoxid (CO) Apoláros molekulákból felépülő, színtelen, szagtalan, nagyon mérgező gáz, a hemoglobin Fe 2+ - ionjához 300-szor erősebben kötődik, mint az oxigén, ezért fulladásos halált okoz. A szén és széntartalmú vegyületek tökéletlen égésekor keletkezik: C + ½O 2 CO és C + CO 2 2 CO (magasabb hőmérsékleten) Katalizátor nélküli autók kipufogógázaiban kimutatható a szén-monoxid, de dohányzáskor az égő cigarettában is keletkezik. A hangyasav formális anhidridje (a savból vízelvonással keletkezik, de a CO vízben nem oldódó, semleges oxid!): HCOOH CO + H 2 O (pl. cc. kénsav hatására) A szén-monoxid éghető, redukáló hatású gáz: 2 CO + O 2 CO 2 és Fe 2 O CO 2 Fe + 3 CO 2 A nyolcvanas évekig a városi vezetékes földgáz is tartalmazott szén-monoxidot (magas az égéshője), de igen mérgező volta miatt ma már ilyen célra nem használják. Néhány fémmel stabilis, illékony, nagyon mérgező komplexet képez, pl. Fe(CO) 5, vas(0)- pentakarbonil és Ni(CO) 4, nikkel(0)-tetrakarbonil. A szén-monoxid nagyon fontos vegyipari alapanyag, metanolt, ecetsavat és más szerves anyagokat állítanak elő belőle. Szén-dioxid (CO 2 ) Színtelen, szagtalan, a levegőnél 1,5-szer nagyobb sűrűségű gáz. A széntartalmú anyagok tökéletes égésekor, ill. erjedési folyamatok során keletkezik. Nem mérgező, viszont zárt helyen (pl. borospince) nagy sűrűsége miatt a helyiség alján összegyűlve kiszorítja a levegőt, így légzési nehézséget, sőt fulladást okozhat. A szén-dioxid molekula lineáris szerkezete miatt (poláris kötései ellenére) apoláris (5.20. ábra, 94. o.). Vízben oldódik, a szénsav anhidridje: CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 93

94 Vizes oldatában a szén-dioxid nagyobb része csak fizikailag oldott állapotban, mint hidrát (CO 2 H 2 O) van jelen, és csak kis mennyiségben alakul át szénsavvá. Ahogyan általában a gázok, a széndioxid oldhatósága is csökken a hőmérséklet emelésével. Savanhidrid jellege miatt bázisokkal is reagál: CO NaOH = Na 2 CO 3 + H 2 O A szén-dioxid előállítható márványból (CaCO 3 ) sósavval Kipp-készülékben (ld. 13. o.): CaCO H + Ca 2+ + H 2 O + CO 2 (erősebb sav a gyengébbet felszabadítja) Ipari célokra karbonátok hőbontásával nyerik: CaCO 3 CaO + CO 2 (~ C) A szén-dioxid hűtéssel légköri nyomáson nem cseppfolyósítható, mert -78 C-on megfagy, így keletkezik a fehér, kristályos szárazjég, mely szublimál és hűtésre használható. A szén-dioxidot ezen kívül éghetetlen tulajdonsága miatt tűzoltásra, a műtrágyagyártásnál (karbamid előállítása) és az élelmiszeriparban (szénsavas üdítők) is széles körben alkalmazzák. Szénsav (H 2 CO 3 ) Csak vizes oldatban ismert, gyenge, kétértékű sav. Vizes oldata a szódavíz, sói a karbonátok. H 2 CO 3 HCO 3 + H + (K s1 = 4, ) HCO 3 CO H + (K s2 = 4, ) Az emberi szervezetben a vérben fellelhető pufferrendszer komponense. A szénsav igen bomlékony, egyensúlyt tart az oldott szén-dioxiddal, melegítés vagy savak hatására szén-dioxiddá és vízzé bomlik. Karbonátok és hidrogén-karbonátok (CO 2 3, HCO 3 ) A szénsav fémionokkal képzett szabályos sói a karbonátok, savanyú sói a hidrogén-karbonátok (vagy bikarbonátok). Mivel a szénsav gyenge sav, sói általában lúgosan hidrolizálnak, vizes oldatuk lúgos kémhatású (ld. egyensúlyok). A karbonátok vízben többnyire rosszul oldódnak, csak az alkálifémek karbonátjainak jó a vízoldhatósága. Emiatt a karbonátok a természetben nagy mennyiségben, ásványok formájában találhatók (mészkő, dolomit, márvány, malachit ). A hidrogén-karbonátok vízoldhatósága valamivel jobb, mint a karbonátoké (ld. s-mező elemei, vízkeménység). A karbonátok és hidrogén-karbonátok termikus stabilitása viszonylag kicsi, hevítés hatására néhány 100 C-on szén-dioxidra és a megfelelő fém-oxidra bomlanak. CaCO 3 CaO + CO 2 (~ C, mészégetés ld. s-mező elemei) Ezen a tulajdonságon alapul az alkáli- és ammónium-hidrogén-karbonátok sütőporként való alkalmazása. A háztartásban az ammónium-hidrogén-karbonát (NH 4 HCO 3 ) a szalalkáli, a nátrium- 94

95 hidrogén-karbonát (NaHCO 3 ) pedig a szódabikarbóna (nátrium-bikarbonát). A sütéskor keletkező gázok és gőzök felfújják a tésztát, könnyűvé, puhává teszik: 2 NaHCO 3 Na 2 CO 3 + H 2 O + CO 2 (~50-60 C) szódabikarbóna NH 4 HCO 3 NH 3 + H 2 O + CO 2 (~50-60 C) szalalkáli A karbonátok savakban szén-dioxid fejlődése mellett oldódnak: MgCO HCl MgCl 2 + H 2 O + CO 2 (az erős sav felszabadítja a gyengébbet sójából) Ezen a reakción alapszik a karbonátok alkalmazása gyomorsavtúltengés esetén (antacidumok). A szénsavas víz szintén reagál a karbonátokkal, és vízben valamelyest jobban oldódó hidrogénkarbonátokká alakítja őket: Ca(CO) 3 + H 2 O + CO 2 Ca(HCO 3 ) 2 A hidrogén-karbonátok vizes oldatban forralás hatására karbonátokká bomlanak (az alsó nyíl szerinti reakció megy végbe), ez okozza a pl. vízkőképződést is (változó vízkeménység, ld o.). Foszgén (COCl 2 ) A szénsav hidroxilcsoportjait klórra cserélve foszgénhez jutunk, amely a szénsav savkloridja. Ez a jellegzetes szagú, színtelen gáz igen reaktív anyag, mint általában a savkloridok, víz hatására azonnal szénsavra és hidrogén-kloridra bomlik: COCl 2 + H 2 O 2 HCl + H 2 CO 3 Emiatt a foszgén nagyon mérgező, korrozív hatású vegyület (a tüdőbe kerülve a fenti reakció a léghólyagok felületén is lejátszódik!). Nagy mennyiségű foszgént használ a vegyipar pl. műanyagok gyártására. Hidrogén-cianid (HCN, kéksav) Keserűmandula-szagú, illékony folyadék, rendkívül mérgező, nagyon gyenge sav (K s = ), sóiból még a levegő szén-dioxidja is felszabadítja: KCN + H 2 O + CO 2 HCN + KHCO 3 A hidrogén-cianidot műanyagok és rovarirtók gyártására használják az iparban. A második világháborúban a német koncentrációs táborok gázkamráiban kovaföldre adszorbeált hidrogéncianidot (Zyklon B) használtak a foglyok tömeges kivégzésére. A csonthéjasok (pl. barack, mandula) magvában lévő amigdalin nevű glikozid híg savak (pl. a gyomorsav!) hatására bomlik, melynek során szintén hidrogén-cianid szabadul fel. Emiatt az ilyen magvakat csak kis mennyiségben szabad fogyasztani. 95

96 Alkáli-cianidok (KCN ciánkáli, NaCN) Vízben nagyon jól oldódó, mérgező, lúgosan hidrolizáló sók: CN + H 2 O HCN + OH A cianid-ion nagyon erős komplexképző, ezzel magyarázható mérgező volta is: a sejtlégzés citokróm-oxidáz enzimjének vas(iii)-ionjához irreverzibilisen kötődve végül is fulladásos halált okoz (bővebben ld. Az alkáli-cianidok oxigén jelenlétében vízoldható komplexeket képeznek elemi ezüsttel és arannyal, ezen alapul az arany és az ezüst kőzetekből való kinyerése (ld o). Az évi tiszai ciánmérgezés romániai színesfémbányákból származott, a cianidos ülepítő medencék gátja átszakadt, és tartalmuk a folyóba ömlött, ami Magyarország eddigi legsúlyosabb természeti katasztrófáját okozta (bővebben ld. Cianátok és tiocianátok (OCN, SCN rodanid) A bomlékony ciánsav (HOCN) és tiociánsav stabil sói a cianátok és a tiocianátok (triviális néven rodanidok). A kémiában mint komplexképző ligandumokat használjuk (ld. komplexek). Ezek a sók sokkal kevésbé mérgezőek, mint a cianidok, ezért a cianidmérgezések kezelése során a szervezetbe jutott cianidot cianáttá oxidálják ábra. A szén fontosabb szervetlen vegyületei Szilícium (Si) A Föld szilárd kérgét alkotó kőzetek (szilikátok, kvarc, földpátok, agyagásványok) alapeleme, az oxigén után a második leggyakoribb elem a Földön. Igen nagy az aktivitása az oxigénhez, a természetben soha nem fordul elő elemi állapotban csak oxigénnel alkotott vegyületeiben. Az elemi szilícium kékesszürke, fémes fényű félfém. Atomrácsos, gyémánt szerkezetű anyag, mely az atomok (gyémántban mérhetőnél) nagyobb távolsága miatt félvezető. A tiszta szilíciumot a 96

97 félvezetőtechnikában használják (tranzisztorok, napelemek készítése), ezen kívül vas és acélok ötvözőanyagaként is alkalmazzák. A szilícium közepes elektronegativitású (1,8), nagyon kis reaktivitású, indifferens anyag, szobahőmérsékleten csak a fluorral reagál. Vegyületeiben négy kovalens kötést alakít ki tetraéderes elrendeződésben. Legfontosabb vegyületei a következők: Szilícium-dioxid (SiO 2 ) SiO 4 tetraéderekből felépülő atomrácsos, ebből következően magas olvadáspontú, vízben és más oldószerekben nem oldódó, szigetelő tulajdonságú anyag. A szilícium-dioxidot a savak közül csak a HF támadja meg, de forró tömény lúgok is oldják lassan (formális savanhidrid) ábra. A szilícium-dioxid szerkezete (A SiO 4 tetraéderben minden oxigénatom ( ) a szomszédos elemi cellához is tartozik, így egy elemi cellára 4 ½ = 2 oxigén jut. Emiatt az elemi cella összegképlete SiO 2.) A szilícium-dioxid a természetben számos polimorf módosulatban létezik, amelyek között drágakövek, féldrágakövek is megtalálhatók (hegyikristály, rózsakvarc, ametiszt, achát, ónix, jáspis). Szennyezett formáját (kvarchomok) az építőiparban használják. Egyik tiszta, kristályos formája a kvarc, amely piezoelektromos tulajdonsággal rendelkezik, ezt használják ki pl. a nagyon pontos kvarcórák készítésénél. Olvadéka megdermedve alkotja a kvarcüveget, amely átengedi az ultraibolya fényt, ezért kvarclámpák és optikai eszközök (küvetták, prizmák) készítésére alkalmas. A kvarcüvegnek nagyon kicsi a hőtágulási együtthatója, a belőle készített laboratóriumi eszközök nem törnek el hirtelen hőváltozásra, hőállóak és kémiailag is nagyon ellenállóak. Nagy mennyiségben fordul elő a természetben a diatomaföld (kovaföld), amely elhalt kovamoszatok szilárd vázából keletkezett ásvány. Nagy fajlagos felületű, jó adszorbens, ipari szűrésre és csiszolóanyagként használják, valamint a porcelánipar is alkalmazza. Kovasavak Változatos összetételű (SiO 2 ) x (H 2 O) y, kocsonyás állagú vegyületek. Főleg vizes oldatban léteznek, de oldatukból sav hatására kicsapódnak és szilícium-dioxiddá (SiO 2 ) dehidratálódnak. Sóik a szilikátok. 97

98 Szilikátok A kovasavak sói. Nagyon változatos összetételű, a természetben a legnagyobb mennyiségben előforduló szervetlen anyagok. A vízben nem oldódó szilikátok mint kőzetek, ásványok találhatók a földkéregben (agyagok, csillámpala, azbeszt, kaolin, talk, zeolitok, stb.). A kvarchoz hasonlóan (-Si-O- Si-O-) n kötések találhatók bennük, a különbözőképpen összekapcsolódó SiO 4 -tetraéderek láncokat vagy hálózatokat alkotnak ábra. SiO 4 -tetraéderek és a belőlük felépülő láncpolimer Ebbe az alapszerkezetbe épülnek be különféle fémionok, leggyakrabban alumínium (Al 3+ ), cink (Zn 2+ ), kalcium (Ca 2+ ) és magnézium (Mg 2+ ). A szilikátok termikusan stabilak, nagyon ellenállóak, savakban vagy lúgokban nem oldódnak. A szálas szerkezetű azbeszt magnézium-szilikát, amelyet főként az építőipar alkalmazott (tetőfedő pala, azbesztcement eternit-csövek, azbesztszigetelések). A tüdőbe kerülő finom azbesztszálak különösen veszélyesek: tüdőfibrózis okoznak, rákkeltő hatásúak, ezért ma már nem használnak azbesztet. A zeolitokat (alumínium-szilikátok) a korszerű mosószerekben mint vízlágyítókat alkalmazzák, az alkáli-foszfátokkal szemben ezek környezetbarát anyagok, nem okoznak nagyon lúgos kémhatást, és kímélik az élővizeket is. Egyes szilikátok oldódnak vízben. A nátrium-szilikát (Na 2 SiO 3, vízüveg) vizes oldata lúgos kémhatású, ragasztóanyagként és detergensekben használják. Impregnálásra is alkalmas, éghetetlen anyagok készíthetők vízüveges kezeléssel. Vizes oldatát megsavanyítva kocsonyás állagú kovasavak csapódnak ki. Szilikagél Az amorf SiO 2 porózus változata. Vizes oldatból savval kicsapott kovasavak dehidratálásával, szárításával állítják elő. A szilikagél fehér, homokszerű, nagyon finom por, mely igen nagy fajlagos felületű. Jó adszorbeáló tulajdonsága miatt szárításra, tisztításra (adszorbens) és katalizátorként használják. A kémiai gyakorlatban kromatográfiás állófázis. Mivel nem mérgező, inert és egyáltalán nem szívódik fel, az élelmiszeriparban is felhasználják mint csomósodásgátlót (kakaópor, porcukor, fűszerek). 98

99 Szilikonok Szerves csoportot is tartalmazó -Si-O- polimer láncok. Szélsőséges körülmények (űrhajózás, trópus, sarkvidék) között is alkalmazható polimerek. A lánc hosszúságától, illetve a szerves csoport minőségétől függően tulajdonságaik változtathatók, így olajok, zsírok (kenőanyag) és gumik állíthatók elő belőlük. A szilikonok kémiailag is nagyon ellenállók, hidrofóbok és elektromos szigetelők. A szilikonolajokat impregnálásra és vízlepergető hatású spraykben (velúr és textilcipőkre, autó műszerfalára), a szilikongumikat vegyszerálló tömlők és tömítések készítésére használják. Szilánok (Si n H 2n+2, n 8) Az alkánok szilícium-analogonjai, melyekben szénatomok helyett szilícium találhatók, de legfeljebb 8 Si-atom kapcsolódhat lánccá. Ellentétben az alkánokkal, a szilánok kis termikus stabilitású, bomlékony, nagyon reaktív anyagok, könnyen hidrolizálnak. Származékaik szerves kémiai reagensek. Ón (Sn) és ólom (Pb) Ősidők óta ismert fémek. Az atomok nagy mérete és a kevés vegyértékelektron miatt az ón és az ólom kristályrácsában a fémes kötés viszonylag gyenge, könnyen megolvasztható (olvadáspontjuk Sn: 232 C; Pb: 327 C), puha, jól megmunkálható, igen nagy sűrűségű elemek. Az ónból régebben vékony fóliát (sztaniol-papír) készítettek, melyet élelmiszerek csomagolására használtak. Jóllehet az ón nem toxikus, ma már sztaniol helyett alumínium-fóliát használunk ilyen célra (olcsóbb). Antibakteriális hatása miatt azonban ma is készülnek ónból konzervdobozok. Az ólomból régebben vízvezetékeket készítettek. Kis mértékben az oldott szén-dioxid hatására vízoldható ólom-hidrogénkarbonát keletkezik, amely mérgező hatású, így ez a felhasználás is visszaszorult. A két fémet ötvözetek készítésére is használják: egymással alkotott ötvözetük a lágyforrasz, a rezet ónnal ötvözve bronzot kapunk, az ólom és az arzén felhasználásával készül az ólomsörét. Az ólom legfontosabb felhasználása az ólomakkumulátorok készítése. Az ón és az ólom kis reaktivitású elemek, felületükön védő oxidréteg is kialakul. A szén-csoport többi tagjától eltérően itt a +4 oxidációs állapot mellett a +2 is megjelenik, sőt ez a stabilabb. Ahogyan általában a fémek, az ón és az ólom is inkább ionos kötés kialakítására hajlamosak, melyekben +2 töltésű ionokat alkotnak. Mindkét fém amfoter sajátságú, savakban és lúgokban egyaránt feloldhatók: Sn + 2 HCl SnCl 2 + H 2 Pb + 2 HNO 3 Pb(NO 3 ) 2 + H 2 Sn + 2 NaOH + 2 H 2 O Na 2 [Sn(OH) 4 ] + H 2 Pb + 2 NaOH + 2 H 2 O Na 2 [Pb(OH) 4 ] + H 2 99

100 (Az ólom sósavban és kénsavban nem oldható fel, mert a képződő PbCl 2 vagy PbSO 4 csapadék megvédi a fémet a reakciótól.) Mindkét fém semleges oxidokat képez, amelyek nem anhidridek, de amfoter karakterűek. Az oxidokban a fémek oxidációs száma +2 vagy +4 is lehet (SnO, SnO 2, PbO, PbO 2 ). Az ólom Pb 3 O 4 képletű oxidja valójában egy vegyes oxid, amely 2PbO PbO 2 összetételű. Ez a vörös színű szilárd anyag a mínium, amelyet korrózióvédő festékként használnak. A Pb 2+ nagy méretű, igen könnyen polarizálható ion, amely a legtöbb anionnal (CO 2 3, SO 2 4, Cl, I, S 2 ) színes csapadékot képez. A szén-csoport elemeinek orvosi, biológiai jelentősége A szén elsődleges ún. organogén elem, az élővilág szerves (szén-)vegyületekből épül fel. A nagy fajlagos felületű, kiváló adszorbens orvosi szén megköti a belekben képződő gázokat és egyes salakanyagokat. Intenzív kutatások folynak a fullerének orvosi alkalmazása területén. A fullerének antivirális (pl. HIV-ellenes), gyökfogó és antioxidáns hatásuk mellett, mint hordozók alkalmasak gyógyszerek hatóanyagainak célbajuttatására is. (ld. angol nyelven ld.: A szén-dioxid a földi élet fenntartása szempontjából kulcsfontosságú vegyület. A légkörben található kevés (~0,03%) szén-dioxidot a zöld növények a fotoszintézis során szénhidrátokká alakítják át. Az élőlények szervezetében lejátszódó oxidációs folyamatok viszont szén-dioxidot termelnek, így a levegő CO 2 -tartalma állandó körforgásban van. A légkör szén-dioxidtartalma hozzájárul az üvegházhatáshoz. A vér állandó ph-jának biztosításáért az ún. bikarbonát-puffer felelős. Működése azon alapszik, hogy a hidrogén-karbonát-ion (HCO 3 ) a szénsav konjugált bázis párja, H + -ion megkötésére képes, míg a szénsav savként viselkedik, és OH -ionokkal reagál. Az élő szervezetben a vér ph-ja mintegy 0,2-0,3 egységgel ingadozhat az ideális 7,4 érték körül, létfontosságú tehát egy hatékony pufferrendszer jelenléte. A rendszer működését a Pufferrendszerek c. fejezetben fogjuk bemutatni. A szilícium az emberi szervezetben csak nyomokban fordul elő, viszont a kovamoszatok szilíciumdioxidból építik fel szilárd vázukat. A kőzetek többnyire szilikátokból épülnek fel, a feldolgozásuk (bányászat, aprítás) során finom szilikát-porok kerülnek a levegőbe, amelyek tartós belélegzése súlyos, visszafordíthatatlan betegséghez, szilikózishoz vezet. A szilikózis során megnő a tüdő kötőszöveti állománya, és csökken a légzőfelület. A szilikonok nemcsak kémiailag ellenálló vegyületek, de biokompatibilisek is, az orvosi gyakorlatban lágy szövetek pótlására, implantátumokként használatosak. Kemény szövetek (csont, fog) pótlására szilikát-alapú anyagokat (pl. porcelán) használnak. Egyes kis molekulájú szilikonok felületaktív hatásúak, alkalmasak a belekben képződött gázbuborékok szétpukkasztására (és szilikagéllel kombinálva a gázok megkötésére). Ezen alapul a felfúvódás kezelésére szolgáló pl. szimetikon-tartalmú gyógyszerek (Espumisan, Flatin) működése. Az ónnak semmilyen élettani hatása nincs, az ember számára nem szükséges, és nem is mérgező. A szerves ónvegyületek azonban mérgezőek. 100

101 Az ólom vízoldható vegyületei (pl. ólom(ii)-acetát, Pb(CH 3 COO) 2 ) viszont erősen toxikusak, napi 1-2 mg ólom bevitele krónikus mérgezéshez vezet, melynek tünetei idegbénulás, vérszegénység, a bőr és a foghús elszíneződése. A mérgező hatás azon alapul, hogy az ólom(ii) nagy affinitást mutat a kénhez, kéntartalmú fehérjékhez (pl. enzimekhez) kovalensen kötődve blokkolja azok működését. Az 1990-es években egyes pirospaprika őrleményeket a hasonló színű míniummal keverve hamisítottak. Bár az Pb 3 O 4 vízben nem oldódik, a hamisított paprika igen sok megbetegedést okozott, mert a gyomorsav hatására ólom-kloriddá alakul, amely vízben kissé oldódik, és a szervezetben felszívódik. Az ólom igen hatékonyan nyeli el a röntgen- és radioaktív sugarakat, ezért az ilyen sugárzások elleni védőfelszerelésekben fémólmot alkalmaznak. Kérdések, feladatok 1. Sorolja fel a szén allotróp módosulatait! Jellemezze szerkezeti felépítésüket, rácstípusukat! 2. Hasonlítsa össze a szén allotróp módosulatainak fizikai tulajdonságait! 3. Mi az aktív szén? Miért és mire használható az orvosi gyakorlatban? 4. Írja fel a szén oxidjainak nevét és képletét! Hasonlítsa össze élettani hatásukat és viselkedésüket vízzel szemben, írjon reakciegyenletet! 5. Miből és hogyan állítható elő a szén-dioxid laboratóriumban? Írjon reakcióegyenleteket! 6. Mi a szárazjég és mire használják? 7. Írja fel a szénsav lépcsőzetes disszociációjának egyenleteit! 8. Adja meg a képletét a következő anyagoknak: szódabikarbóna, ciánkáli, kálium-tiocianát, vízüveg, kvarc. 9. Írja fel a kalcium-karbonát hőbomlásának egyenletét! 10. Írja fel az ammónium-hidrogénkarbonát hőbomlásának egyenletét! 11. Írja fel a magnézium-karbonát reakcióját sósavval! Milyen esetben alkalmazzák ezt a reakciót az orvosi gyakorlatban? 12. Miért mérgező a szén-monoxid? 13. Miért mérgező a cianid-ion? 14. Jellemezze a hidrogén-cianid savi erősségét! Hogyan igazolná ezt egy reakció segítségével? Adja meg a reakciót leíró egyenletet! 15. Milyen szerkezetű anyag a szilícium-dioxid? Milyen tulajdonságok adódnak a felépítéséből? 16. Jellemezze a szilikátok szerkezetét! Írjon három példát szilikát-ásványokra! 17. Milyen összetételű és szerkezetű az azbeszt? Mit tud az élettani hatásáról? 18. Mi a zeolit és mire használjuk? Milyen előnyös tulajdonságokkal rendelkezik? 19. Mi a szilikagél, milyen tulajdonságokkal rendelkezik? 20. Jellemezze a szilikonok szerkezetét! Milyen tulajdonságokkal rendelkeznek és mire használjuk őket? Mi az orvosi alkalmazásuk? 21. Mutassa be egyenletekkel az ón amfoter tulajdonságát. 101

102 Kísérletek Kísérlet aktív szénnel Szükséges anyagok: tintás víz (vagy vörösbor), aktív szén Kivitelezés: a. Egy kémcsőnyi tintával megfestett vizet szűrjön Erlenmeyer-lombikba. Tapasztal-e valamilyen változást a szűrés után? b. A színes folyadékhoz adjon 2 kiskanálnyi elporított orvosi szenet, rázza össze, majd néhány perc múlva szűrje le. Mit tapasztal? Mi a jelenség magyarázata? Milyen más anyaggal helyettesíthetnénk az aktív szenet? Megjegyzés: Az orvosi szén ugyanilyen módon köti meg a belekben a salakanyagokat és a gázokat. A faszén és a csontszén hasonlóan nagy fajlagos felületű aktív szén, melyet a szerves anyagok levegőtől elzárt izzításával nyernek. Szén-dioxid előállítása Kipp készülékkel (bemutató kísérlet) Szükséges anyagok: mészkő, sósav Kivitelezés: Sósavval és márvánnyal Kipp készülékben fejlesszünk szén-dioxidot (ld. 13. oldal). Írjuk fel a gázfejlődés egyenletét! Vezessük a fejlődő gázt egy főzőpohárba. Mártsunk égő gyújtópálcát a gázzal töltött pohárba. Mit tapasztalunk? Mi a jelenség oka? Miért nem kell lefednünk a poharat, hogy a kísérlet sikerüljön? A szén-dioxidot öntsük át egy másik főzőpohárba, majd égő gyújtópálcát merítsünk előbb az eredeti, majd az újabb főzőpohárba. Mit tapasztalunk? Megjegyzés: Borospincékben a must erjedése során nagy mennyiségű szén-dioxid keletkezik, amely leülepedve kiszorítja a levegőt a helyiségből. Az erjedő mustot tartalmazó pincébe ezért csak égő gyertyával szabad lemenni, ha a gyertya elalszik, nincs elegendő oxigén! A tiszta szén-dioxid gáz a bőrön keresztül a szervezetbe diffundál, ahol a perifériás keringésre értágító hatású (melegérzetet kelt). Emiatt a szén-dioxid gázfürdő (mofetta) alkalmas visszér, érszűkület, trombózis után szindrómák, fekélyek kezelésére. Szén-dioxid oldódása lúgban (bemutató kísérlet) Szükséges anyagok: nátrium-hidroxid pasztilla, szén-dioxid Kivitelezés: Kémcsövet töltsünk meg szén-dioxiddal. Dobjunk bele 1 pasztilla nátrium-hidroxidot, ujjal fogjuk be a kémcső száját, és óvatosan rázzuk össze úgy, hogy a pasztilla ne érjen az ujjunkhoz. Tartsuk az ujjunkat a kémcső száján, közben engedjük el a kémcsövet! Mit tapasztalunk? Mi a jelenség magyarázata? Írjunk egyenletet! Megjegyzés: A kísérletben bázis regál savanhidriddel. A vérben hasonló reakciók játszódnak le, amikor az oldott szén-dioxid megköti a szervezetben keletkező bázikus anyagokat, megakadályozva a vér lúgosodását (ld. Pufferrendszerek c. fejezet). 102

103 Kísérletek szén-dioxiddal Szükséges anyagok: meszes víz, szén-dioxid Kipp készülékből, lakmuszoldat, ammónium-szulfid-oldat, ólom-nitrát-oldat Kivitelezés: a. Vezessen lassan CO 2 -t Kipp-készülékből egy negyedéig meszes vízzel töltött kémcsőbe (Óvatosan, lassan, nehogy a lúg a szemünkbe fröccsenjen!). Mit tapasztal? Mi a tapasztalt jelenség magyarázata? Írjon egyenletet! b. Kémcsőbe töltsön ujjnyi desztillált vizet, és adjon hozzá kevés semleges lakmuszoldatot. Hosszú szívószálon keresztül fújjon bele az oldatba 1-2 percen át. Mit tapasztal? Vázolja a folyamat biológiai hátterét! Írja fel a lejátszódó folyamatok egyenleteit! Mi történik, ha az oldatot ezután Bunsen-égővel melegítjük? Mi ennek a magyarázata? c. Bemutatás: Kapcsoljunk (NH 4 ) 2 S-oldattal félig töltött gázmosó után Pb(NO 3 ) 2 -oldattal harmadáig töltött gázmosót. Vezessünk át CO 2 -gázt a két gázmosón úgy, hogy a gáz először a (NH 4 ) 2 S-oldaton buborékoljon keresztül. Mit tapasztalunk? Mi a jelenség magyarázata? Írjunk egyenleteket! Megjegyzés: A kísérlet jól szemlélteti a sósav, a szénsav és a kén-hidrogén savi erőssége közötti különbségeket. Hasonló okból kell óvatosan kezelni a cianidokat is, csak jól záródó edényben szabad őket tárolni, mert a levegő szén-dioxidja HCN-t szabadít fel belőlük. A nyálban lévő tiocianát-ion kimutatása Szükséges anyagok: 1%-os vas(iii)-klorid oldat, ammónium-tiocianát, sósav, nyál. Kivitelezés: Két kémcsőben 2-3 csepp híg vas(iii)-klorid oldatot hígítson meg 1-1 ujnyi vízzel. Adjon mindkettőhöz ujjnyi mindkettőhöz sósavat. Az egyik kémcsőbe tegyen kevés ammónium-tiocianát oldatot, a másikba nyálat, és kicsit rázza össze. Jegyezze fel a színváltozást! Írjon egyenletet! Magyarázat: A tiocianátion előfordul az élő szervezetben, így például az emberi és állati nyálban, továbbá néhány növényben (pl. hagyma). A vas(iii)-ionok tiocianátionokkal élénk színű, rosszul oldódó vegyületet képeznek. 103

104 Kovasavkolloid (szilikagél) előállítása Szükséges anyagok: vízüveg-oldat, 20%-os sósav Kivitelezés: Töltsön negyedéig egy kémcsövet vízüvegoldattal. Egyetlen mozdulattal öntsön hozzá 2 ujjnyi 20%-os HCl-oldatot, és azonnal rázza össze. Hagyja állni pár percig! Mit tapasztal? A kísérlet után azonnal mossa el a kémcsövet, mert később a keletkezett kovasavat már nem lehet eltávolítani! Megjegyzés: A kicsapódott kovasavat teljesen vízmentesre szárítva szilikagélt kapunk. Vizsgálja meg az előkészített szilikagélt, jellemezze szemmel megfigyelhető tulajdonságait! A vegyész virágoskertje - ozmózis vízüveg-oldatban Szükséges anyagok: vízüveg-oldat, szilárd Co(NO 3 ) 2, FeSO 4, FeCl 3, CuSO 4, NiSO 4. Kivitelezés: A kísérletet 3-4 hallgató közösen végzi. Kicsi, átlátszó műanyag pohárba öntsünk vízüvegoldatot. Dobjunk bele 1-1 borsószem nagyságú sókristályt. Figyeljük meg a rendszert néhány percig! Mit tapasztalunk? Készítsen rajzot! Magyarázat: A kristályok és a vízüveg határfelületén fém-szilikát csapadékhártya képződik, mely féligáteresztő tulajdonságú. pl.: 2 Fe SiO 2-3 = Fe 2 (SiO 3 ) 3 A csapadék által határolt térben a sóoldat töményebb. A féligáteresztő hártyán a koncentrációkülönbség kiegyenlítődni igyekszik, ezért a külső, hígabb oldatból a víz diffúziója indul meg befelé. A megnövekedett ozmózisnyomás kiszakítja a hártyát, és a tömény sóoldat kiáramlik. A kristályból a szakadás helyére fémionok diffundálnak, és ismét fém-szilikát hártyát hoznak létre. Ez a folyamat ismétlődve építi fel a különböző színű növények szilikátvázát. híg vízüveg-oldat tömény só-oldat H 2 O H 2 O sókristály féligáteresztő szilikát csapadékhárthya H 2 O újonnan kialakult csapadékhárthya ábra. A vegyész virágoskertje növényeinek növekedése 104

105 Hidrogén-fluorid előállítása és reakciója üveggel (bemutató kísérlet) Szükséges anyagok: kalcium-fluorid (CaF 2 ), cc. kénsav Kivitelezés: Fülke alatt egy üveglapon kanálnyi kalcium-fluoridot keverjünk össze annyi cc. kénsavval, hogy sűrű masszát kapjunk. Kenjük szét a masszát az üvegen és hagyjuk állni 5-10 percen át. Ezután vízzel mossuk le az üveglapot az előkészített fluoridos gyűjtőedény felett. Kerüljük a keverék megérintését! Vizsgáljuk meg a megtisztított üveglap felületét. Mit tapasztalunk? A lejátszódó reakciók egyenletei: CaF 2 + H 2 SO 4 = CaSO 4 + H 2 F 2 (az erős sav felszabadítja a gyengébbet annak sójából) 2 H 2 F 2 + SiO 2 = SiF H 2 O SiF 4 + H 2 F 2 = H 2 SiF 6 Megjegyzés: A hidrogén-fluorid (HF) gáz mérgező. A kalcium-fluoridot kézzel ne érintsük, csak fülke alatt dolgozzunk vele. A reakcióelegyet ne hozzuk ki a fülke alól! 105

106 Földfémek alumínium A harmadik főcsoport elemeit nevezzük földfémeknek, atomjaik s 2 p 1 vegyértékelektronkonfigurációval rendelkeznek. Jellemzően három kötést alakítanak ki, oxidációs számuk általában +3. A földfémek vegyületeikben elektronhiányosak, hiszen három kovalens kötés létesítésével sem érik el a nemesgáz elektronszerkezetet, ezért Lewis-savként viselkednek, és jó komplexképzők. A legkisebb rendszámú földfém a bór (B), a periódusos rendszer talán legkülönlegesebb eleme, de inkább a kémikusok, mint az orvosok érdeklődésére tarthat számot Ez a félfém nagyon kemény, magas olvadáspontú atomrácsot képez. A természetben vegyületeiben található, legfontosabbak ezek közül a bórsav (H 3 BO 3 ) és a bórax (Na 2 B 4 O 7 ). Mindkettő színtelen, kristályos, vízoldható, az orvosi gyakorlatban is használt anyag. A bórsav vizes oldata enyhén savas kémhatású, ám a többi oxosavval ellentétben a bórsav nem H + -donor, hanem Lewis sav: OH -ionokat köt meg: H 3 BO 3 + H 2 O [B(OH) 4 ] + H + A legjelentősebb földfém az alumínium (Al), a Földön a 3. leggyakoribb elem. A természetben szilikátokként ill. hidroxidként található, legfontosabb érce a bauxit, amely főként AlO(OH) és Al(OH) 3 elegye. A kriolit (nátrium-hexafluoro-aluminát(iii), Na 3 [AlF 6 ]) ugyancsak egy iparilag fontos ásvány, az alumíniumgyártás (elektrolízis) során használják. Az alumínium kékes árnyalatú, ezüstfehér, puha fém, kis sűrűségű (2,7 g/cm 3, könnyűfém), igen jó hő- és elektromos vezető. Ezért és kedvező mechanikai tulajdonságai miatt használják mint szerkezeti anyagot a járműiparban, illetve a jó elektromos vezetőképessége miatt elektromos vezetékeknek is. Ezekre a célokra rendszerint ötvözeteit használják. Igen vékony lemezzé nyújtható (alufólia), amelyet élelmiszerek csomagolására használunk. Az alumínium ugyan nagyon kedvező tulajdonságokkal bíró fém, ám előállítása igen költséges (elektrolízissel történik), az alumíniumból készült eszközök ára többszöröse a hasonló vastárgyakénak (az as években pénzérme is készült alumíniumból). A galliumot (Ga) és az indiumot (In) félvezetőgyártásban, tranzisztorok, LED-ek készítésére alkalmazzák, biológiai jelentőségük nincs. A tallium (Tl) és vegyületei bőrrel érintkezve, lenyelve vagy belélegezve is nagyon mérgezőek. (A periódusos rendszerben két másik igen toxikus nehézfém, a higany és az ólom között található.) Régebben szulfátját (Tl 2 SO 4 ) rágcsálóirtásra használták, de ez a szagtalan és íztelen anyag túl veszélyes, ma már nem alkalmazzák. 106

107 Az alumínium kémiai tulajdonságai Az alumínium elektronegativitása közepes (1,5), mind ionos, mind kovalens vegyületek kialakítására képes. A tiszta alumínium redukáló sajátságú, meglehetősen reaktív anyag. Az alumínium felületén összefüggő, védő oxidréteg (Al 2 O 3 ) alakul ki, ami megvédi a további oxidációtól, emiatt az alumíniumból készült tárgyak nem korrodálnak. Az alumíniumot korrózió elleni védelem céljából mesterségesen is oxidálják, a védőréteget elektrokémiai módszerekkel vastagítják (eloxálás). Ha az alumíniumot higannyal kezeljük, akkor a felületi oxidréteg fellazul és alumínium-amalgám (higannyal képzett ötvözet) képződik. Ez megakadályozza további védőréteg kialakulását, így a levegőn a fém könnyen oxidálódik. (Ez történik a higany(ii)-kloridos kezelésnél is.) Magas hőmérsékletre hevítve az alumínium elég, ez az exoterm reakció is alumínium-oxidot ad. 4 Al + 3 O 2 = 2 Al 2 O 3 Az alumíniumnak igen nagy az affinitása az oxigénhez, magas hőmérsékleten az alumínium a többi fém oxidját nagyon hevesen redukálja, így ez a reakció bizonyos fémek előállítására alkalmas (termit eljárás, ld. Cr 2 O Al = Al 2 O Cr Az elemi alumínium mind savakban, mind lúgokban hidrogéngázt fejlesztve oldódik, azaz amfoter tulajdonságú. 2 Al + 6 H + = 2 Al H 2 2 Al + 2 OH + 6 H 2 O = 2 [Al(OH) 4 ] + 3 H 2 (tetrahidroxo-aluminát(iii) komplex ion) Emiatt az alumíniumból készült tárgyakat nem szabad hideg zsíroldóval tisztítani, hiszen ezek a szerek főként kálium-hidroxidot (KOH) tartalmaznak. A savakat tartalmazó vízkőoldók szintén károsítják az alumíniumtárgyakat. Az alumínium vegyületei Vegyületeiben az alumínium oxidációs száma +3. Kovalens vegyületeiben is erősen elektronhiányos, az oktett-szerkezethez még két elektron szükséges. Emiatt az alumínium-vegyületek erős Lewis-savak, elektronpár-donorokkal (Lewis-bázisokkal) komplexeket képeznek (ld o.). :NH 3 + AlCl 3 = H 3 N AlCl 3 Al(OH) 3 + OH = [Al(OH) 4 ] Az alumínium-oxid (Al 2 O 3 ) színtelen, kristályos anyag. Vízben nem oldódik (semleges oxid), de savak vagy lúgok feloldják (amfoter jellegű). Al 2 O H + = 2 Al H 2 O Al 2 O OH + 3 H 2 O = 2 [Al(OH) 4 ] (komplexképződés) 107

108 Ez utóbbi reakció az alapja a bauxitból kiinduló Bayer-féle timföld- és végsősoron az alumíniumgyártásnak. A bauxit komponensei közül csak az amfoter sajátságú alumínium-oxid oldódik lúgban, a többi alkotó, elsősorban vas-oxidok, oldhatatlan csapadékként maradnak vissza és alkotják az ún. vörösiszapot. A vörösiszapot ülepítéssel különítik el az oldattól, és felhasználják a benne előforduló ritkafémek (titán, vanádium, germánium) kinyerésére. A évi ajkai vörösiszap-katasztrófa során a tározóból kiömlött hatalmas mennyiségű vörös zagy elsősorban nagyon lúgos kémhatása miatt jelentett veszélyt. (ld: Az alumínium-oxid atomrácsos módosulatai a természetben mint drágakövek is előfordulnak (rubin, zafír és türkiz), ezek színét fémszennyeződések okozzák. Egyes formáját (korund) csiszolóanyagként alkalmazzák (smirgli), mivel nagyon kemény anyag. A kémiai gyakorlatban az alumínium-oxid por kromatográfiás állófázisként is használatos. Az alumínium-hidroxid (Al(OH) 3 ) fehér, porszerű anyag, vízben nem oldódik, ám amfoter jellegű. Al(OH) H + = Al H 2 O (ezt a reakciót gyomorsavmegkötésre is használhatjuk) Al(OH) 3 + OH = [Al(OH) 4 ] Az Al(OH) 3 alumínium-sók oldatából nagy fajlagos felületű, kolloidális csapadékként válik ki, ezért felhasználják a textilfestésben, mivel a szálakra rakódott alumínium-hidroxid festékmolekulákat tud megkötni (pácfestés). Ezen kívül alkalmazzák védőoltásra szánt szérumokban és toxinokban a hatóanyag adszorbeálására is. Az alumínum-klorid (AlCl 3 ) egy színtelen, kristályos, igen nedvszívó (higroszkópos) anyag, mely kovalens szerkezetű. A levegőn állva elfolyósodik, vizes oldata hidrolízis miatt savas kémhatású (ld. egyensúlyok és komplexek). [Al(H 2 O) 6 ] Cl [Al(H 2 O) 5 OH] 2+ + H Cl (hidrolízis) A szerves kémiai gyakorlatban mint Lewis savat elektronhiányos molekula katalizátorként alkalmazzák az ún. Friedel-Crafts reakciókban (ld. szerves kémia, 221. o.). A földfémek orvosi, biológiai jelentősége A bór az élő szervezetben nagyon kis mennyiségben szükséges, a kalciumháztartás szabályozásában játszik szerepet. Az orvosi gyakorlatban mind a bórsav (H 3 BO 3 ), mind a bórax (Na 2 B 4 O 7 ) használatos. Ezek az emberi szervezetre nem ártalmasak, viszont gátolják egyes baktériumok növekedését, ezért fertőtlenítő hatású hintőporokban, kenőcsökben alkalmazzák őket. Szemcseppekben, műkönnyben szintén bórsav található. A laboratóriumban lúg okozta baleseteknél is híg bórsav-oldatot (vöröskeresztes üvegben) használunk közömbösítésre. A bórax glicerines oldatát csecsemők szájpenészének kezelésére alkalmazzák. Az alumíniumvegyületek toxicitását az 1970-es évek óta ismerik, oldható alumínium-vegyületek hatására a növények növekedése lelassul. Az emberi szervezet számára nem szükséges. Környezetünkben az Al 3+ -ionok a savas esők miatt kioldódnak a szilikátokból és a táplálékkal kerülnek 108

109 a szervezetbe. Az Alzheimer-kórban szenvedő betegeknél az agy szürkeállományában alumíniumszilikát tartalmú plakkok találhatók, bár ez valószínűleg a betegség tünete, nem pedig okozója. Az alumínium-szulfát (Al 2 (SO 4 ) 3 ) és a timsó (kálium-alumínium-szulfát, KAl(SO 4 ) 2 ) színtelen, kristályos, vízoldható ionvegyületek, hidrolízisük miatt oldatuk savas kémhatású. Mindkettőt az orvosi gyakorlatban mint adsztringenst, azaz fehérjekicsapó és edzőszert alkalmazzák. Az alumíniumszulfátot a szennyvíztisztításban is használják. A timsó érösszehúzó hatású, borotválkozás utáni vérzéscsillapító stiftekben található. Az alumínium-oxidot (Al 2 O 3 ) gyomorsavmegkötő szerként (antacidumként) alkalmazzák. Előnye, hogy a sósav közömbösítésekor nem fejleszt gázokat, és nem szívódik fel, mivel a bélcsatornában ph = 7-nél alumínium-hidroxid polimerként kicsapódik. Az izzadásgátló dezodorok egyik aktív hatóanyaga az alumínium-klorid, illetve hidrátjai. Mivel az AlCl 3 erősen elektronhiányos molekula (Lewis-sav, az Al körül csak 6 vegyértékelektron található kovalens kötésben), igen hatékonyan köti meg az izzadságból származó bázikus jellegű és intenzív szagú aminszármazékokat és oxovegyületeket (ld. komplexek). Pórusösszehúzó hatása révén az izzadás mértékét is csökkenti. Kérdések, feladatok 1. Írja fel az alumínium vegyjelét és a vegyértékelektron-konfigurációját! Mennyi az alumínium oxidációs száma vegyületeiben? Miért nem korrodálnak az alumíniumtárgyak? 2. Melyek az alumínium, mint fém előnyös fizikai tulajdonságai? Mire használjuk a fémalumíniumot a mindennapi életben? Soroljon fel három felhasználást! 3. Két egyenlettel mutassa be, hogy az alumínium amfoter tulajdonságú! 4. Két egyenlettel mutassa be, hogy az alumínium-hidroxid amfoter tulajdonságú! 5. Adja meg az alumínium-szulfát és a timsó képletét! Mire használják ezeket az orvosi gyakorlatban? Írjon egyenletet a timsó disszociációjára! 6. Nevezze meg a következő vegyületeket: H 3 BO 3, KAl(SO 4 ) 2, AlCl 3, Al 2 O 3, Al 2 (SO 4 ) Mire alkalmazzák az alumínium-oxidot a gyógyászatban? Milyen előnyei vannak az alkalmazásának? Kísérletek Az alumínium oldódása vízben Szükséges vegyszerek: alumínium lemez, higany(ii)-klorid-oldat, víz Kivitelezés: Al-lemezdarabokra kémcsőben öntsön higany(ii)-klorid-oldatot és hagyja állni egy-két percig. Ezután az oldatot öntse le az alumíniumról, a fémet öblítse le néhányszor deszt. vízzel, s az így előkezelt alumíniumra öntsön annyi vizet, hogy ellepje. Tegye a kémcsövet forró vízfürdőbe és melegítse kb. 5 percig. Mit tapasztal? Miért kellett higany(ii)-kloriddal előkezelni a fémet? Írjon reakcióegyenletet! Megjegyzés: Az oldat a kiváló Al(OH) 3 -tól idővel zavaros lehet. 109

110 Az alumínium amfoter jellege Szükséges vegyszerek: alumínium-lemez, 20%-os sósav, 20%-os nátrium-hidroxid Kivitelezés: Két kémcsőbe tegyen 1-2 alumínium lemezkét, helyezze őket kémcsőállványba. Az egyikbe töltsön 1-2 ujjnyi 20%-os sósavat, a másikba 20%-os nátrium-hidroxid-t. Várjon 4-5 percet. Mit tapasztal? Írja le a lejátszódott reakciók egyenleteit! Hogyan jellemezhető az alumínium sav-bázis viselkedése? Miért nem szabad az alumíniumtárgyakat hideg zsíroldóval vagy vízkőoldó szerrel tisztítani? Megjegyzés: A szervezet fehérjéi is amfoter jellegűek, mert savas és bázisos csoportokat is tartalmaznak. Mivel mind savakkal, mind bázisokkal képesek reagálni, igen fontos szerepet töltenek be a szervezet állandó ph-értékének biztosításába (ld. Pufferoldatok és Szerves kémia). Az alumínium oxidációja Szükséges vegyszerek: alumínium lemez, higany(ii)-klorid-oldat Kivitelezés: Tisztítsa meg az alumíniumlemezt csiszolópapírral, majd a friss fémfelületre cseppentsen ~1%-os higany(ii)-klorid-oldatot. Ha az alumínium felülete már megszürkült, rázza le a folyadékcseppet és a még ottmaradt kis nedvességet dörzsölje szét enyhén vattával vagy szűrőpapírral. (A higany(ii)-klorid oldatot pipettával, ne kézzel vigye fel az alumínium lemezre.) Hagyja levegőn állni a lemezt, kb perc múlva figyelje meg a higany-kloriddal kezelt felületet, és érintse meg a lemez hátulját (ahol nem használt higany(ii)-kloridot!). Mit tapasztal? Írjon reakcióegyenletet! Megjegyzés: Magas hőmérsékleten, tiszta oxigénben az alumíniumpor szikrázva elég. Az oxigénhez való nagy affinitásán alapszik az alumínium használata az ún. termitreakciókban, amelyet tiszta fémek előállítására használnak. ( Az alumínium-hidroxid amfotériája Szükséges vegyszerek: timsó oldat, nátrium-hidroxid oldat, sósav oldat Kivitelezés: 2 ujjnyi timsó-oldathoz óvatosan csepegtetve adjon 5 %-os nátrium-hidroxid-oldatot. A keletkezett csapadékos elegyet ossza két részre. Az egyikhez adjon még nátrium-hidroxidot, a másikhoz sósavat. Mit tapasztal? Írjon reakcióegyenleteket! Megjegyzés: Az alumínium-oxid vagy -hidroxid tartalmú szereket gyakran alkalmazzák gyomorsavmegkötésre. A vékonybél enyhén lúgos kémhatású közegében az alumínium-hidroxid kicsapódik, és a szervezetbe nem tud felszívódni. A finom eloszlású alumínium-hidroxid csapadék azonban a felületén sokféle anyagot képes megkötni (ld. kolloid rendszerek o.), ezért más gyógyszereket nem érdemes gyomorsavközömbösítőkkel együtt beveni (a hatóanyagot is megkötheti az alumínium-hidroxid). 110

111 Az s-mező elemei Az s-mező elemei (alkálifémek és alkáliföldfémek) puha, kis sűrűségű, alacsony olvadáspontú fémek. Egy, ill. két elektron leadásával elérik a nemesgáz-elektronszerkezetet, ezért nagyon kicsi az elektronaffinitásuk és az ionizációs energiájuk. Igen reakcióképesek, a természetben elemi állapotban nem fordulnak elő, csak vegyületeikben, amelyek többnyire ionosak. A reaktivitás az oszlopban lefelé haladva növekszik, ahogyan csökken az ionizációs energia és az elektronegativitás. Jellemző tulajdonságuk a lángfestés. Az atomok vegyértékelektronjai könnyen gerjeszthetők, a nemvilágító lángot jellegzetes színekkel festik (a berillium és a magnézium kivételével). Alkálifémek Az első főcsoport elemei s 1 vegyértékelektron-konfigurációval rendelkeznek, és igen hajlamosak +1 töltésű kationok képzésére. A hidrogén kakukktojás a csoportban, nemfém, tárgyalására máshol került sor (ld. 50. o.) elem sűrűség (g/cm 3 ) olvadáspont ( C) reaktivitás lítium Li 0,53 180,5 nátrium Na 0,97 97,8 kálium K 0,86 63,7 rubídium Rb 1,53 38,9 cézium Cs 1,90 28,7 francium Fr -(radioaktív) (27,0) Nagyon reaktívak, levegőn azonnal oxidálódnak, ezért petróleum alatt kell őket tárolni. Oxigénnel nemcsak szabályos oxidokat, hanem igen reaktív peroxidokat, szuperoxidokat is képzenek. Vízzel igen hevesen reagálnak hidrogén-fejlődés közben: K + H 2 O KOH + ½ H 2 Ez a reakció nagyon exoterm, a fejlődő hőtől a keletkező hidrogén meg is gyulladhat. Hasonló reakció játszódik le savak és szerves alkoholok hatására is. K + HCl KCl + ½ H 2 K + CH 3 OH CH 3 OK + ½ H 2 Az elemek erős redukálószerek, a legnegatívabb standard elektródpotenciállal rendelkeznek. 111

112 Vegyületeikben az alkálifémek mindig +1 oxidációs számmal szerepelnek. Mivel ekkor lezárt héjjal és stabil elektron-oktettel bírnak, vegyületeikben színtelenek és kis reaktivitásúak. Ionos vegyületeik (halogenidek, szulfátok, karbonátok, foszfátok) vízben jól oldódnak. Biológiai jelentősége a lítium, a nátrium és a kálium vegyületeinek van. Az alkálifémek oxidjai bázisanhidridek, vízzel készségesen a megfelelő hidroxidokká alakulnak át. Na 2 O + H 2 O 2 NaOH A hidroxidjaik vízben nagyon jól oldódó, ionos vegyületek és erősen bázikusak, korrozív, maró hatású anyagok. NaOH Na + + OH A KOH-t és a nátrium-hidroxidot hideg zsíroldó szerekben és lefolyótisztító szerekben használják, mert a zsírokat vízoldható vegyületekké hidrolizálják (ld. szerves kémia). A évi ajkai katasztrófa során a kiömlött vörösiszap elsősorban annak nátrium-hidroxid-tartalma miatt volt veszélyes (ld o.). Az alkálifém-hidroxidok savakkal vagy savanhidridekkel reakcióba lépnek, melynek során sók keletkeznek. Erősen higroszkóposak (vízelvonó hatásúak), könnyen megkötik a levegő víz- és széndioxid- (savanhidrid) tartalmát. Emiatt jól záró edényben tárolandók, hogy megakadályozzuk a karbonátosodást : 2 KOH + CO 2 K 2 CO 3 + H 2 O (savanhidrid reakciója bázissal) Az alkálifémek a természetben sók formájában találhatók meg. A nátrium, mint kősó (NaCl), szóda vagy sziksó (Na 2 CO 3 ), a kálium, mint kálisó, fedősó (KCl) fordulnak elő. A tengervíz ~3% nátrium-kloridot tartalmaz, a szárazföldi sótelepek is beltengerek kiszáradásakor keletkeztek. Az ásványvizekben jelentős mennyiségű glaubersó (Na 2 SO 4, nátrium-szulfát) is lehet, mely nagyobb mennyiségben enyhén hashajtó hatású. A nátrium jelentős ásványa a chilei salétrom (NaNO 3, nátrium-nitrát), a káliumé a salétrom (KNO 3, kálium-nitrát), melyet régebben puskapor készítésére, ma műtrágyagyártásra használnak. Az alkálifémeket legegyszerűbben lángfestéssel lehet kimutatni: a nátrium nagyon intenzíven sárgára színezi a nemvilágító lángot, míg a kálium fakó ibolyaszínűre, a rubídium lángfestése piros. Az alkálifémek orvosi, biológiai jelentősége Egyes lítiumsókat a mániás depresszió kezelésében használnak. A lítium-karbonát (Li 2 CO 3 ) csökkenti a pajzsmirigyhormonok kiáramlását, ezért pajzsmirigy sugárkezelés előtt alkalmazzák előkészítő kezelésként. A Na + és a K + a sejtek elektromos sajátságaiért felelős ionok, az élő sejt és környezete közötti Na + /K + arány a membránpotenciál, az ingerületvezetés és egyes aktív transzportfolyamatok alapja. Erős hasmenés esetén vagy vízhajtók alkalmazásakor jelentős mennyiségű kálium ürül ki a szervezetből, ezt KCl-tartalmú gyógyszerekkel kell pótolni. 112

113 Alkáliföldfémek A 2. főcsoport fémeinek vegyértékelektron-konfigurációja s 2. Kis elektronegativitású és ionizációs energiájú, redukáló tulajdonságú elemek. Az elektronegativitás az oszlopban lefelé haladva csökken, míg az atomméret növekszik. Vegyületeikben oxidációs számuk +2. elem sűrűség (g/cm 3 ) reaktivitás berillium Be 1,85 magnézium Mg 1,74 kalcium Ca 1,55 stroncium Sr 2,6 bárium Ba 3,5 rádium Ra 5,0 (radioaktív) Jellemzően ionos vegyületeket képeznek, de a berillium és a magnézium kovalens kötésű molekulákat is alkothat. Savakkal, vízzel és alkoholokkal reagálnak, de kevésbé aktívak, mint az alkálifémek. Mg + 2 HCl MgCl 2 + H 2 Ca + 2 CH 3 OH Ca(CH 3 O) 2 + H 2 Vegyületeik közül fontosak a hidroxidjaik, melyek erős bázisok. A hidroxidjaik vízoldhatósága az oszlopban lefelé növekszik: a Mg(OH) 2 és a Ca(OH) 2 gyengén oldódó csapadékok, a többi hidroxid vízben jól oldódik. A kalcium-hidroxid telített oldata a meszes víz. Szulfátjaik oldhatósága az oszlopban lefelé csökken, míg a karbonátjaik vízben nem oldódnak. A természetben nagy gyakorisággal találhatók a földkéregben a következő vegyületeik: CaCO 3 (kalcium-karbonát: mészkő, márvány, kalcit vagy kréta), CaCO 3 MgCO 3 (dolomit), CaSO 4 2 H 2 O (gipsz), MgCO 3 (magnezit). A stroncium és a bárium karbonátjai és szulfátjai is megtalálhatók a természetben. A rádium mindegyik izotópja radioaktív, kis mennyiségben az uránércekben fordul elő. A magnézium és a kalcium Mindkettő ezüstfehér könnyűfém. A magnézium felületét összefüggő, védő oxidréteg borítja, ezért eltartható levegőn. A kalciumnál összefüggő kalcium-nitrid réteget találunk (Ca 3 N 2 ), ami védi az oxidációtól. A magnézium vakító színtelen lánggal ég, a többi alkáliföldfémmel szemben lángfestése nem a látható tartományba esik. A kalcium lángfestése téglavörös, a stronciumé kárminpiros, a báriumé zöld. A fémmagnéziumot redukálószerként, a szerves kémiai gyakorlatban fémorganikus vegyületek előállítására használják. A fémkalciumot oldószerek vízmentesítésére alkalmazzák. A kalcium 113

114 erőteljesen fejleszt vízzel hidrogént, míg a magnézium szobahőmérsékleten csak lassan, a rendszert melegítve gyorsabban reagál. Ca + 2 H 2 O = Ca OH + H 2 Mg + 2 H 2 O = Mg(OH) 2 + H 2 Kalciumvegyületek A kalcium-oxid (CaO), égetett mész, egy bázisanhidrid. Színtelen, maró hatású szilárd anyag. Vízzel a megfelelő bázis, kalcium-hidroxid keletkezik, nagyon heves, exoterm reakcióban. CaO + H 2 O = Ca(OH) 2 (mészoltás) Az építőiparban, kerámiagyártásban és a cementgyártásban alapanyag. A kalcium-hidroxid, Ca(OH) 2, (oltott mész, mészhidrát, vizes oldata a meszes víz) egy erős bázis rossz vízoldékonysággal. A meszes víz korrozív, maró hatású anyag, roncsolja a szöveteket, különösen óvakodni kell a szembe kerülésétől. A laboratóriumi gyakorlatban a Ca(OH) 2 telített vizes oldatát a szén-dioxid kimutatására használjuk: Ca(OH) 2 + CO 2 = CaCO 3 + H 2 O (bázis reakciója savanhidriddel) Az építőiparban a mész és a habarcs (mész és homok keveréke) megkötésénél ugyanez a reakció játszódik le. Ezen kívül alkalmazzák még a kalcium-hidroxidot a vizek lágyításánál, papírgyártásban és az acélgyártásban is. Meszes vízben rézgálicot (CuSO 4 5 H 2 O) oldva a bordói levet kapjuk, amely fungicid (gombaölő hatású) permetezőszer. A kalcium-karbonát (CaCO 3 ) a természetben is megtalálható ásványként, vízben nem oldódó színtelen, kristályos anyag. Előfordul még a csontokban, a fogkőben, a tojáshéjban, a gyöngyházban és a vízkőben is. Kalcium-karbonát építi fel a kagylók, csigák és a korallok szilárd vázát. A kalciumkarbonát (mészkő) hőbontásával (termikus disszociáció) állítják elő az égetett meszet, ami nélkülözhetetlen anyag az építőiparban. CaCO 3 CaO + CO 2 (~ C, mészégetés) Savak szén-dioxid fejlődése közben oldják. CaCO H + = Ca 2+ + H 2 O + CO 2 (erős sav felszabadítja a gyengébbet annak sójából) Ezen a reakción alapul a vízkőmentesítés, a háztartási vízkőoldó szerek többnyire foszforsavat, citromsavat vagy sósavat tartalmaznak. A kalcium-karbonát a gyomorsav megkötésére is használható. A kalcium-karbonátot a szénsav is oldja kalcium-hidrogén-karbonát képződése közben. CaCO 3 + H 2 CO 3 Ca HCO 3 114

115 Az oldott szén-dioxidot tartalmazó esővíz ezért képes a mészkőhegységekben lassan üregeket, barlangokat kioldani. A természetes vizekben lévő kalcium-hidrogén-karbonát a magnézium-hidrogén-karbonáttal együtt okozza a vizek ún. változó keménységét. A kemény víz forralásánál a fenti egyensúly balra tolódik el, azaz oldhatatlan kalcium-karbonát (vízkő) keletkezik. Ennek a folyamatnak van szerepe a cseppkövek képződésében is. Ca(HCO 3 ) 2 CaCO 3 + H 2 O + CO 2 és Mg(HCO 3 ) 2 MgCO 3 + H 2 O + CO 2 A vizek egyéb kalcium- és magnézium-só tartalma (kloridok, szulfátok) az állandó vízkeménységet okozzák, mely forralással nem szüntethető meg. A kemény víz fogyasztása (30 német keménységi fokig) * ugyan élettanilag kedvező, de háztartási vagy ipari célokra kevésbé megfelelő: melegítésekor csapadék (vízkő, kazánkő) keletkezik, a hagyományos szappanok Ca 2+ -ionok jelenlétében kicsapódnak, és elveszítik tisztító hatásukat. A kalcium-szulfát (CaSO 4 2 H 2 O), gipsz vagy alabástrom színtelen, kristályos, vízben nem oldódó ásvány. Hevítésével előállítható a fél mól kristályvizet tartalmazó származéka, a kalcium-szulfát hemihidrát (CaSO 4 ½H 2 O). Ez vízzel keverve exoterm reakcióban gyorsan megszilárdul. CaSO 4 ½ H 2 O + 1,5 H 2 O = CaSO 4 2 H 2 O Felhasználják a sebészeti gyakorlatban rögzítőkötéseknél, fogászatban lenyomatok készítésére, valamint szobrok, öntvények alkotására. Egyes vakolóanyagok szintén CaSO 4 ½ H 2 O-t tartalmaznak. A kalcium-klorid (CaCl 2 ) színtelen, kristályos anyag, mely vízben jól oldódik. Folyadékok és gázok szárítására alkalmazzuk (ld. szárítás, 15. oldal), illetve jéggel együtt hűtőkeverékeket készítenek belőle (a CaCl 2 -jég keverékkel akár -50 C-ot is el lehet érni). A téli utak fagymentesítésére is alkalmas, a környezetet kíméli. A kalcium-foszfátok vízben nem oldódnak, jelentős szerepet töltenek be a szervezetben mint csontalkotók. A kalcium hidrogén-foszfátjai azonban vízoldhatóak. Magnéziumvegyületek Magnézium-oxid vagy magnézia (MgO) színtelen, porszerű anyag, vízben nem oldódik. A levegő szén-dioxidjával lassan elreagál karbonátot képezve. MgO + CO 2 = MgCO 3 (formális bázisanhidrid reakciója savanhidriddel) A MgO-t felhasználják fogporokban és hintőporokban, gyomorsav-megkötőkben, emellett a sportolók (atléták) csúszásgátlóként is alkalmazzák, míg a kromatográfiában bázisos adszorbensként használatos. A magnézium-hidroxid (Mg(OH) 2 ) vízben nem oldódó, színtelen, kristályos anyag, erős bázis. Vizes szuszpenziója (magnéziatej) gyomorsav-megkötésre alkalmas. * A vízkeménységet német keménységi fokban (NK ) szokás kifejezni. 1 NK annak a víznek a keménysége, amely 100 ml-ében 1 mg CaO-dal egyenértékű (azaz 1, mmol) Ca 2+ és/vagy Mg 2+ -iont tartalmaz. 115

116 A magnézium-szulfát (keserűsó, MgSO 4 7 H 2 O) színtelen, kristályos, vízben jól oldódó só, íze keserű. A vízmentes magnézium-szulfátot folyadékok szárítására alkalmazzák (ld. 16. o.). Az alkáliföldfémek orvosi, biológiai jelentősége A berillium és a bárium vízoldható vegyületei mérgezőek, a magnézium és a kalcium viszont nélkülözhetetlen az élő szervezet számára. A berillium(ii) mérgező hatása feltehetően abból ered, hogy a magnézium-tartalmú enzimekben a magnézium(ii) helyére kötődik. A magnézium-ion a növények számára létfontosságú klorofill-komplex központi ionja. A humán szervezet számára mint enzimek aktivátora játszik szerepet. A testnedvek elektrolitjainak egyik fontos ionja a Mg 2+. Az magnézium-ion a foszfáthidrolízist (pl. ATP, nukleotidok, foszfoproteinek hidrolízisét) katalizálja (ld. biokémia). Csökkenti az izomgörcsöt és a simaizmok összehúzódását, ezért sportolók és terhes nők számára fokozott magnéziumbevitel javasolt. A magnézium-szulfátot (MgSO 4, keserűsó), mely ásványvizek jelentős komponense is, hashajtóként alkalmazzák a terápiában. A szervezetben lévő kalcium nagy része a csontokban, illetve a fogakban található, mint vízoldhatatlan hidroxiapatit (Ca 5 (PO 4 ) 3 OH) vagy fluorapatit (Ca 5 (PO 4 ) 3 F). A kalcium-ionnak fontos szerepe van több élettani folyamatban, pl. az izmok működésében, a véralvadási folyamatban, hiszen másodlagos hírvivő és számos enzim aktivátora. A kalcium-karbonátot (CaCO 3 ) kalciumpótlásra és gyomorsavmegkötőként használjuk. A bázisos magnézium karbonátot (3MgCO 3 Mg(OH) 2 3 H 2 O) is alkalmazzák erre a célra, amely vízben nem oldódó, bázikus jellegű, szilárd por. Savakban szén-dioxid fejlődése közben oldódik, enyhe hashajtó hatása is van. Egyes kalcium-sók a vizeletből kiválva vesekövet okoznak. Ilyen, tipikus Ca 2+ -tartalmú, rosszul oldódó só a kalcium-oxalát (Ca(COO) 2 ) és a kalcium-foszfátok. A stronciumnak és vegyületeinek nincs kémiai és biológiai jelentősége. A stronciumnak vannak radioaktív izotópjai, így a pl. a 90 Sr uránból képződik atomrobbantáskor. Ez beépülhet a csontokba a kalcium helyére, és a kibocsátott β-sugárzás miatt csontszarkómát okozhat. A vízoldékony báriumvegyületek mérgezőek. A vízben oldhatatlan bárium-szulfátot (BaSO 4 ) viszont az emésztőrendszer vizsgálatában röntgen-kontrasztanyagként használják (bárium-koktél), mivel elnyeli a röntgensugarakat, de a belekből egyáltalán nem szívódik fel. A bárium-karbonát (BaCO 3 ) ugyancsak vízoldhatatlan, ennek ellenére nem alkalmazható ilyen célra, mert a gyomorsav HCl tartalma reakcióba lépne vele, és a vízben jól oldódó BaCl 2 már könnyen felszívódhatna. Az alkálifémek és alkáliföldfémek ionjai a szervezetből a vizelettel és az izzadsággal ürülnek ki. Jelentős folyadékveszteségnél vagy műtéti beavatkozások során az ionok pótlására infúzióban az ún. Ringer-oldatot használják, amely fiziológiás ozmózisnyomású, Na +, K +, Ca 2+ és Mg 2+ -ionokat tartalmaz klorid, ill. hidrogén-karbonát ionok mellett. 116

117 Kérdések, feladatok 1. Írja fel az alkálifémek neveit és vegyjeleit! Adja meg az alkálifémek vegyértékelektronkonfigurációját! Hány vegyértékelektronnal rendelkeznek ezek az elemek? 2. Írja fel az alkáliföldfémek neveit és vegyjeleit! Adja meg az alkáliföldfémek vegyértékelektronkonfigurációját! Hány vegyértékelektronnal rendelkeznek ezek az elemek? 3. Hasonlítsa össze az s-mező elemeinek elektronegativitását, ionizációs energiáját és atomrádiuszát! Jellemezze az s-mező elemeinek kémiai reaktivitását! Mi a jellemző oxidációs számuk vegyületeikben? 4. Jellemezze az s-mező fémei hidroxidjainak, szulfátjainak és karbonátjainak vízoldékonyságát! vízoldhatóság alkálifémek alkáliföldfémek hidroxiodok szulfátok karbonátok 5. Jellemezze az s-mező fémeinek kémiai tulajdonságait! Írja fel a nátrium reakcióját vízzel! 6. Jellemezze az alkálifém-hidroxidokat (oldhatóság, kémiai tulajdonság)! Mi történik a nátriumhidroxiddal, ha a levegőn áll? Írjon egyenletet! 7. Írja le három kalcium- illetve magnéziumásvány nevét és képletét! 8. Írjon egyenletet a kalcium és a víz reakciójára! Hogyan lehet a termékeket kimutatni? 9. Írjon egyenletet a kalcium-oxid vízzel való reakciójára! Mire használják a kalcium-oxidot és a kalcium-hidroxidot a mindennapi életben? 10. Hogyan tudjuk a laboratóriumban a szén-dioxidot kimutatni? Írjon egyenletet! 11. Milyen reakció játszódik le, amikor a habarcs megköt? Írjon egyenletet! 12. Hogyan reagál a kalcium-karbonát a gyomorsavval (sósavval)? Írjon egyenletet! A szervezetben, illetve a természetben milyen formában találunk kalcium-karbonátot? 13. Milyen alkáliföldfém-vegyületeket alkalmaznak gyomorsavmegkötésre? Soroljon fel min. hármat (név és képlet)! 14. Hogyan reagál a mészkő szénsavval? Írjon egyenletet! Mi okozza a vizek változó keménységét? 15. Írja fel a vízkőképződés és a vízkőoldás során végbemenő reakciók egyenleteit! 16. Írjon egyenletet a kalcium-karbonát hőbontására! Mi a reakciótermék jelentősége? 17. Mire alkalmazzák az orvosi gyakorlatban a kalcium-szulfát hemihidrátot? Írjon egyenletet vízzel való átalakulására! 18. Adja meg a kémiai összetételét az alábbi anyagoknak: meszes víz, gipsz, kréta, bordói lé, égetett mész. 19. Miért használnak bárium-szulfátot kontrasztanyagként röntgen vizsgálatokhoz és báriumkarbonátot nem? Írjon egyenletet! 117

118 Kísérletek Nátrium reakciója vízzel (bemutató kísérlet) Szükséges vegyszerek: nátrium, fenolftalein, víz Kivitelezés: Félig töltsünk egy üvegkádat vízzel, adjunk hozzá pár csepp fenolftaleint. Egy borsónyi méretű nátriumdarabot tisztítsunk meg oxidkérgétől, majd a tiszta, fényes fémet dobjuk a kád vízbe. Takarjuk le a kádat egy üveglappal. Figyeljük meg a nátrium viselkedését, hol helyezkedik el, hogyan változik meg az alakja. Készítsünk rajzot a kísérletről! Írjunk reakcióegyenletet! Milyen következtetést vonhatunk le a kísérlet alapján a nátrium sűrűségéről és olvadáspontjáról? Megjegyzés: Alkálifém okozta tüzet nem szabad vízzel oltani, hiszen ilyen esetben az csak olaj a tűzre. Oltásra porraloltót kell használni (az égő magnézium CO 2 -dal is reagál, ezért a szén-dioxiddal oltó készülék sem megfelelő!). A fenolftalein egy sav-bázis indikátor, mely savas és semleges közegben színtelen, lúgos közegben lila színű. Kalcium reakciója vízzel Szükséges vegyszerek: elemi kalcium, víz, fenolftalein oldat Kivitelezés: Negyed kémcsőnyi vízbe tegyen 1 csepp fenolftaleint és borsónyi kalciumot. Mit tapasztal? Írjon reakcióegyenletet! Megjegyzés: A reakció kevésbé heves, mint nátriummal vagy káliummal. A kalciumot nem kell petróleum alatt tárolni, csak jól záró üvegben. Magnézium reakciója vízzel Szükséges vegyszerek: magnézium, fenolftalein, víz Kivitelezés: Negyed kémcsőnyi vízbe cseppentsen 1 csepp fenolftalein indikátort és adjon hozzá 2-3 magnéziumforgácsot. Figyelje meg a reakcióelegyet egy pár percig! Ezután melegítse forró vízfürdőben 4-5 percig, és ismét alaposan figyelje meg a rendszert. Mit tapasztal? Magyarázza meg a megfigyelteket, írjon reakcióegyenletet! Lángfestés alkálifémekkel és alkáliföldfémekkel (bemutató kísérlet) Szükséges vegyszerek: nátrium-klorid oldat, kálium-klorid oldat, kalcium-klorid oldat, stronciumklorid oldat, bárium-klorid oldat, magnézium-klorid-oldat, 20%-os sósav, granulált cink Kivitelezés: Porcelántégelybe öntünk kb. 1-1 ml-t a vizsgálandó oldatból és annyi 20%-os HCl-oldatot, hogy az izzítótégely majdnem tele legyen, majd dobjunk bele 1-2 darab granulált cinket. Állítsuk az izzítótégelyt egy vasháromlábra helyezett agyagháromszögbe. Amikor az oldat már élénken pezseg, vigyük egy vízszintesen tartott Bunsen-égő nemvilágító lángja alá. Megfigyelések: Na: K: Ca: Sr: Ba: Mg: 118

119 5.24. ábra. Lángfestés (az ábrát Sachie Saito elsőéves orvostanhallgató készítette) Megjegyzés: A gerjesztett alkálifématomok által kibocsátott fény jellezetes vonalas spektrumot ad, megfelelő szűrővel könnyen monokromatikussá tehető. Ezt használják ki pl. az ún. nátrium-lámpában (polarimetria). A hétköznapi életben az igen intenzív fényű nátrium-lámpákat használják a forgalmas útkereszteződések éjszakai kivilágítására is. Az atomabszorpciós spektrometriában szintén a színképet vizsgálják, amely segítségével az elemi összetétel megállapítható. A tojáshéj összetételének vizsgálata Szükséges vegyszerek: mészkő, fenolftalein-oldat, víz, tojáshéj, híg sósav, Kivitelezés: a. Óraüvegen egy mészkődarabkára tegyen kevés vizet, majd 1 csepp fenolftalein indikátort. Mit tapasztal? Miért? b. Egy mészkődarabkát dobjon kémcsőbe, majd öntsön rá 2 ujjnyi sósavat. Mit tapasztal? Írjon egyenletet! c. Egy kis mészkődarabkát fogjon meg csipesszel és tartsa szúrólángba 2-3 percig. Hűtse le levegőn, utána dobja negyed kémcsőnyi vízbe, és adjon hozzá fenolftalein indikátort. Magyarázza meg a tapasztalatokat, írjon reakcióegyenleteket! d. Egy-egy kémcsőbe öntsön rendre sósavat, desztillált vizet és fenolftaleines vizet. Mindháromba tegyen egy darab tojáshéjat. Mit tapasztal? e. Egy darabka tojáshéjat óvatosan izzítson ki Bunsen-égővel, majd kihűlés után helyezze a kiizzított tojáshéjat egy fenolftaleines vizet tartalmazó kémcsőbe. Mit tapasztal? Az elvégzett kísérletek alapján milyen következtetést vonhatunk le a tojáshéj összetételéről? Indokolja válaszát! Megjegyzés: A mészkő hőbontása játszódik le a mészégetés során is. A termék, az égetett mész vízzel való reakciója a mészoltás. 119

120 Kalcium-hidroxid reakciója szén-dioxiddal Szükséges vegyszerek: meszes víz, szén-dioxid (Kipp készülékből) Kivitelezés: a. Kémcsőbe töltsön 2-3 ujjnyi meszes vizet és vezessen bele gázbevezetőcsövön keresztül kevés szén-dioxidot Kipp-készülékből. Mit tapasztal? Írja fel a reakcióegyenletet! Folytassa a gázbevezetést addig, amíg további változások már nem tapasztalhatók (kb. 2 perc). Mit tapasztal? Írja fel a reakcióegyenletet! b. Ezután a keletkezett rendszert melegítse forró vízfürdőben ~5 percig és figyelje meg a változást. Mit tapasztal? Írja fel a reakcióegyenletet! Mivel tiszítaná ki a kémcsövet? Írjon egyenletet! Miért nem használunk csapvizet a vízfürdő elkészítéséhez? Magyarázat: A kalcium-hidroxid erős bázis és reakcióba lép a savanhidrid szén-dioxiddal. A kezdetben megjelenő termék, a kalcium-karbonát további szén-dioxid (szénsav) hatására feloldódik. A keletkezett kalcium-hidrogén-karbonátos vizet megmelegítve ismét karbonát ( vízkő") képződik. Írjon egyenleteket az egyes lépésekhez! Megjegyzés: A mészkő oldódása és a cseppkő keletkezése ugyanezen az elven alapul. 120

121 Átmenetifémek A d-mező elemeit nevezzük átmenetifémeknek. Egyes átmenetifémek, pl. vas, réz, arany, ezüst már ősidők óta ismertek, és nagyban hozzájárultak az emberiség történelmének alakulásához. Számos átmenetifém-vegyület az elő szervezet számára nélkülözhetetlen, többnyire enzimek prosztetikus csoportjai. A d-mező elemei kivétel nélkül fémrácsban kristályosodnak. Mivel kisebb az atomok mérete, mint az s-mező fémei esetében, illetve sokkal több vegyértékelektronnal rendelkeznek, tömöttebb, szorosabb illeszkedésű fémrácsot hoznak létre, melynek magasabb a rácsenergiája, így sokkal keményebbek, nagyobb sűrűségűek és magasabb olvadáspontúak, mint az alkáli- és alkáliföldfémek. Az átmenetifémekkel kezdődik a d atompályák kiépülése, melyeken legfeljebb 10 elektron helyezkedhet el, így periódusonként elem található a d-mezőben. A d-mező atomjainak vegyértékelektron-konfigurációja (n-1)d x ns 2 (a energiaminimum elve szerint a 3d, 4d és 5d alhéjak feltöltődése csak a 4s, 5s és 6s alhéjak kiépülése után kezdődik meg, hiszen ezek rendre alacsonyabb energiájúak). Vegyületeikben az átmenetifémek többféle oxidációs számmal is szerepelhetnek, mert nemcsak a legkülső, s-elektronok, hanem a párosítatlan d-elektronok is részt vehetnek a kötések kialakításában. Emiatt a vegyületek nevében az oxidációs számot zárójelben fel kell tüntetni (pl. FeO: vas(ii)-oxid, Fe 2 O 3 : vas(iii)-oxid). A fémek oxidációs állapota általában pozitív. +8 3B 4B 5B 6B 7B 8B 1B 2B Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn ábra. Néhány átmenetifém jellemző oxidációs állapota vegyületeiben ( : gyakori, : ritka) Az átmenetifémek igen elterjedtek a földkéregben, azonban a gyakoriság legtöbbször nem jelenti a könnyű hozzáférhetőséget is. Ércnek nevezzük azt az ásványt, amelyből a fém gazdaságosan kinyerhető. Nagyon elterjedt pl. a titán, a cink, a króm vagy a vanádium, de főleg olyan (szilikát-) ásványokban, amelyekből nem lehet kinyerni őket, kevés ércük ismert, ezért őket ritkafémeknek nevezzük. Sokkal kisebb a higany, az arany vagy az ezüst gyakorisága, ám kevésbé szétszórtan, könnyen feldolgozható ércekben fordulnak elő. 121

122 A d-mező elemeinek közepes az elektronegativitása, az elektronaffinitása és az ionizációs energiája, emiatt közepes vagy kicsi a kémiai reaktivitásuk. Mind ionos, mind kovalens vegyületek kialakítására képesek, általában az alacsonyabb oxidációs állapotú formák ionos, a magasabbak (>4) kovalens vegyületekben fordulnak elő. Az átmenetifém-vegyületek többsége színes, mert a fémek elektronjai könnyen, már a látható fény energiájával is gerjeszthetőek. A d-mező fémeinek ionjai igen hajlamosak komplexképzésre (Lewis-savak), jónéhányuk biológiai szerepe ezen tulajdonságukkal magyarázható. Általában nagyobb stabilitású komplexeket képeznek, mint a főcsoportbeli elemek ionjai, ezért a komplex vegyületeket is ebben a fejezetben tárgyaljuk. Koordinációs (komplex) vegyületek A komplexekben egy fématomot vagy iont ellentétes töltésű ionok vagy semleges molekulák vesznek körül, melyek nemkötő elektronpárokat donálnak a fématom vagy ion üres orbitáljaira. A komplexek speciális kovalens (datív vagy koordinatív) kötések kialakulásával jönnek létre, melyben a kötő elektronpárok csak az egyik féltől származnak. A komplexképződés leírható a Lewis-féle savbázis elmélettel, elektronpár közösbe adásával és befogadásával: Lewis-sav: elektronpár akceptror (központi fémion) Lewis-bázis: elektronpár donor (ligandumok). A központi fémiont a ligandumok veszik körül a komplexben, melyek donor atomjai adják a koordinatív kötések elektronpárjait. A fémionhoz kapcsolódó donor atomok (vagy a fém körül kialakult koordinatív kötések) száma adja meg a komplex koordinációs számát. A koordinációs szám függ a központi fémion méretétől, töltésétől és elektronkonfigurációjától, valamint a ligandum(ok) számától és alakjától, és meghatározza a komplex alakját. lineáris tetraéderes síknégyzetes oktaéderes ábra. A komplexek leggyakoribb geometriája (M: központi atom, L: ligandum) A komplexek lehetnek semleges molekulák vagy ionvegyületek: a komplex töltése egyenlő a központi fémion és a ligandumok töltésének összegével. A komplex só egy komplex iont (anion vagy kation) tartalmaz, melynek töltését az ellenion(ok) semlegesítik. A komplexek elnevezése Az ionos komplexek képletét szögletes zárójelben adjuk meg, a szögletes zárójelen kívül az ellenionok szerepelnek. A semleges komplex képletét nem kell zárójelbe tenni. 122