Minimumkérdések KÉMIA I tárgyból /I. elsőéves BSc fizikus hallgatók számára

Átírás

1 Mnmumkérdések KÉMIA I tárgyból /I elsőéves BSc fzkus hallgatók számára 1 A mól fogalma és jelentése 2 A különböző koncentrácó egységek, a különböző egységben adott koncentrácók egymásba történő átszámítása 3 A sav, a bázs, a só meghatározása (példák, legalább 5 5, azok jellemzővel) Szerves savak, alkoholok, észterek, éterek általános képlete (legalább 2 2 példa) 5 Az deáls oldat jelentése, Raoult törvénye 6 Az elektroltos dsszocácó meghatározása 7 A ph fogalma és számítása 8 A hdrolízs fogalma (legalább 3 példa) 9 Mt értünk puffer rendszer alatt? 10 Mt fejez k a reakcó molekulartása és rendje? 11 Ismertesse az elsőrendű reakcó sebesség egyenletét! 12 Hogyan függ egy reakcó sebessége a hőmérséklettől? 13 M a katalzátor? 1 A termodnamka I, II, III főtételének smertetése 15 A víz fázsdagramjának (p-t) ábrázolása 16 Az entrópa fogalma 17 A termodnamka karaktersztkus függvénye (a változók feltüntetésével) 18 Az entrópa hőmérsékletfüggése 19 Ismertesse az elegyítés entrópa kfejezését! 20 A kéma potencál fogalma 21 M a kéma reakcók hajtóereje? 22 Ismertesse Hess tételét! 23 M az elektrokéma oxdácó és redukcó? 2 Az anód és a katód fogalma (1-1 példával) 25 Ismertesse a Nernst-egyenletet! 26 Írja fel az ólom akkumulátorok működését leíró reakcóegyenleteket! 27 Tüzelőanyag-cellák működés elve 28 Kollodok felosztása (mt értünk dszperzós és asszocácós kollodok alatt?) 29 Mt fejez k a szemcseméret eloszlás és megoszlás (sűrűség-) függvény ll hsztogram? 30 Mt jellemez a peremszög? 31 Írja fel a Laplace-egyenletet! 32 Ismertesse a Bohr-atommodellhez kapcsolódó posztulátumokat! 33 Ismertesse a kvantumszámokat és azok jelentését! 3 Sorolja fel a kéma kötések típusat! 35 Ismertesse a rácstípusokat!

2 Mnmumkérdések Kéma I tárgyból /1 Dr Bóta Attla alapján 1 A mól fogalma és jelentése A mól a kéma anyagok meghatározott mennysége, am 6, db, tömegben pedg anny gramm, amenny az atom (molekula) relatív atomtömege Egységének jelölése a [mol] 2 A különböző koncentrácó egységek, a különböző egységben adott koncentrácók egymásba történő átszámítása Tömeg-, térfogat-, vegyes és mólszázalék és -tört Mólos oldat (molartás): az oldott anyag móljanak száma 1 dm 3 teljes térfogatban) Moláls koncentrácó (molaltás, Raoult-koncentrácó): az 1000 g oldószerben oldott mólok száma Normál oldat (normaltás): az 1000 cm 3 oldószerben lévő feloldott anyag normál mennységének száma (normál mennység = molartás/(ható gyökök száma)) 3 A sav, a bázs, a só meghatározása (példák, legalább 5 5, azok jellemzővel) Sav: protonleadásra képes anyag Példák: sósav (HCl), kénsav (H 2 SO ), foszforsav (H 3 PO ), ecetsav (CH 3 COOH), salétromsav (HNO 3 ) Bázs: protonfelvételre képes anyag Példák: nátrum-hdroxd (NaOH, nátronlúg), ammóna (NH 3, szalmákszesz), kálum-hdroxd (KOH), kálumhdroxd (KOH), lítum-hdroxd (LOH) Só: kfele semleges töltésű onos vegyület (bázsmaradék-katon + savmaradékanon) Példák: konyhasó (NaCl), réz-szulfd (CuSO ), kalcum-karbonát (CaCO 3 ), magnézum-klord (MgCl 2 ), magnézum-jodd (MgI 2 ), nátrumhdrogénkarbonát (NaHCO 3, szódabkarbóna, sütőpor) Szerves savak, alkoholok, észterek, éterek általános képlete (legalább 2 2 példa) Szerves savak: R COOH Példák: hangyasav (HCOOH), ecetsav (CH 3 COOH) Alkoholok: R OH Példák: metanol (H 3 C OH), etanol (CH 3 CH 2 OH) Észterek: R COO R Példák: metl-etlészter (CH 3 COOH CH 2 CH 3, etlacetát, etl-acetát, par oldószer), dmetlészter (H 3 C COOH CH 3 ) Éterek: R O R Példák: dmetléter (H 3 C O CH 3, erős narkotkum), detléter (H 3 C H 2 C O CH 2 CH 3, altatószer) 5 Az deáls oldat jelentése, Raoult törvénye Ideáls oldat: olyan oldat, amelynek bármely két részecskéje között ugyanakkora a kölcsönhatás mértéke A híg oldatok deálsnak teknthetők Az oldatok tulajdonsága az deáls elegyhez hasonlóan az oldószer és az oldott anyag tulajdonságaból összegződk Például a gőznyomás (tenzó) deáls elegyre (tehát deáls oldatra s) a teljes koncentrácótartományban p = x p, ahol x az anyag móltörtje ( x = 1) Raoult törvénye (híg oldatra): deáls oldatok esetében a relatív p gőznyomáscsökkenés (tenzócsökkenés) = x oldott anyag (az oldott anyag tenzója p elhanyagolhatóan kcs (az oldószerre vonatkozó p 0 ) 6 Az elektroltos dsszocácó meghatározása Az elektroltos dsszocácó semleges molekulák oldás hatására bekövetkező szétesése (dsszocácója) Az ~ poztív és negatív töltésű onok keletkezésével jár 2

3 Mnmumkérdések Kéma I tárgyból /1 Dr Bóta Attla alapján 7 A ph fogalma és számítása + A ph (hdrogénktevő) a vzes oldatok kémhatását jellemz = ([ H ]) + ahol[ ] ph lg, mol H a 3 -ben kfejezett teljes hdrogénkoncentrácó számértéke (a víz dm autoprotolízsét s fgyelembe kell venn) Csak vzes rendszerekben használatos, külön megjegyzés nélkül a 20 C-on mért onszorzatra (L = [H + ] [OH - ] = 10 1 ) alapozva 8 A hdrolízs fogalma (legalább 3 példa) A hdrolízs oldott molekula (só) reakcója a vízzel A só elektroltos dsszocácójával poztív és negatív töltésű onok keletkeznek, amelyek a víz szmultán bekövetkező dsszocácójából (autoprotolízs) származó [H + ] vagy [OH ] onjaval reakcóba lépnek (Az oldal egésze kfele semleges) Ha a só nem egyforma erősségű savból és bázsból származk, akkor a hdrolízs eredményeképpen vagy savas, vagy lúgos kémhatású oldat keletkezk Megjegyzés: erős az a sav vagy vízben oldható bázs (lúg), amelyre a dsszocácófokα 1, gyenge az a sav vagy lúg, amelynek dsszocácófoka dsszocált α 0, ahol α = n Példák: CuSO CaCO NaCl n összes + Na + Cl, 2+ 2 Cu + SO, 3 Ca 2+ + CO Mt értünk puffer rendszeren? A puffer rendszer kémhatásának állandó értéken való tartását bztosítja A puffer rendszer a kívánt hatást úgy bztosítja, hogy a rendszerben lévő anyagok elektroltos dsszocácója összefügg, és külső zavar (sav vagy lúg rendszerbe kerülése) esetén az egyensúly folyamatok olyan mértékben változnak meg, hogy a ph értéke csak ks mértékben módosul 10 Mt fejez k a reakcó molekulartása és rendje? A reakcó molekulartása: a reakcóban ütköző molekulák száma (mono-, b- és különleges esetekben trmolekulárs reakcók fordulnak elő) A reakcó rendje: a reakcósebesség koncentrácó függvényben a koncentrácó 1 dn 1 dc r ktevője v = v = = = kc, ahol n az komponens Vν dt ν dt anyagmennysége, V a reakcóedény térfogata, ν a komponens sztöchometra együtthatója a kéma egyenletben (előjel-konvencó: reaktánsra negatív, termékre mol poztív), v a reakcó sebessége [ v ] =, c az komponens koncentrácója, 3 m s és r a reakcó rendje 11 Ismertesse az elsőrendű reakcó sebesség egyenletét! Az A B sémával jellemzett reakcó során [A] (az A anyag koncentrácója) d[ A] monoton csökken, a reakcósebesség v = = k[ A] és [ A ] = [ A] 0, ha t = 0 dt 3

4 Mnmumkérdések Kéma I tárgyból /1 Dr Bóta Attla alapján 12 Hogyan függ egy reakcó sebessége a hőmérséklettől? A reakcók erős hőmérsékletfüggése a k reakcósebesség együttható hőmérsékletfüggésén alapszk E Rt Arrhenus-összefüggés: k = Ae, ahol A a preexponencáls együttható és E a reakcó bendításához szükséges, ún aktválás energa 13 M a katalzátor? A katalzátorok olyan anyagok, amelyek a reakcók sebességét maradandó változásuk nélkül nagymértékben megnövelk A kéma reakcóban részt vesznek, de a termék képződésével vsszaalakulnak eredet állapotba Fajtá: homogén fázsú katalzátor (a reaktánsokkal és a termékekkel egy fázsban), heterogén fázsú katalzátor (nem homogén katalzátor, pl szlárd katalzátor felszínén gáz fázsú reakcó) 1 A termodnamka I, II, III főtételének smertetése A termodnamka I főtétele: az energamegmaradás termodnamka folyamatokra érvényes alakja, zárt rendszerre vonatkozóan E = Q + W, ahol E a belső energa megváltozása, Q a rendszer által felvett hő és W térfogat munka Infntezmáls formában (nytott rendszerre, ha a rendszer K-féle komponenst (kémalag különböző anyagot) tartalmaz): du = TdS pdv + K = 1 µ dn, ahol T a rendszer hőmérséklete, ds az entrópa megváltozása, p a rendszer nyomása, dv a térfogat megváltozása, µ az anyag kéma potencálja és dn az anyag anyagmennységének megváltozása A termodnamka II főtétele: hő önként nem mehet át hdegebb testről a melegebbre, csak munkavégzés által A termodnamka III főtétele: tszta, krstályos anyag entrópája a 0 K hőmérsékleten nulla (Azaz 0 K hőmérséklet nem érhető el) A termodnamka nulladk főtétele: ha két test külön-külön egyensúlyban van egy harmadkkal (azaz azonos a hőmérsékletük), akkor egymással s egyensúlyban vannak

5 Mnmumkérdések Kéma I tárgyból /1 Dr Bóta Attla alapján 15 A víz fázsdagramjának (p-t) ábrázolása Az ordnátán a rendszer nyomásával megegyező külső nyomás, az abszcsszán az abszolút hőmérséklet Majdnem nullából kezdődő, növekedő szublmácós görbe a szlárd és gőz (gáz) fázsokat elválasztva, majd a hármasponton szétválk az olvadásgörbére (amely víz esetén negatív meredekségű!) és a forráspont-görbére (amely poztív meredekségű) Utóbb véget ér a krtkus hőmérsékletnél, ahol eltűnk a folyadék és gőz (gáz) halmazállapot között különbség (Ebből az következk, hogy a forrás megkerülhető) 16 Az entrópa fogalma S, termodnamka állapotfüggvény, atom ll molekulárs rendezettségének (és egyben rendezetlenségének) azaz az állapot mértéke energában Statsztkus oldalról a termodnamka állapot jellemzője ( S = k lnw, ahol W a termodnamka valószínűség, és k a Boltzmann-állandó 17 A termodnamka karaktersztkus függvénye (a változók feltüntetésével) Csak a hőt, a térfogat munkát és a kéma munkát vesszük fgyelembe Belső energa U U ( S, V, n) = du = TdS pdv + µ dn Entalpa H U + pv = H ( S, p, n) Szabadenerga A U TS = A( T, V, n) = dh = TdS + Vdp + µ dn = da = SdT pdv + µ dn Szabadentalpa G U + pv TS = G( T, p, n) = dg SdT + Vdp + µ dn 1 = 18 Az entrópa hőmérsékletfüggése Az entrópa a hőmérséklettel monoton nő, a fázsátmenet pontban ugrk a Q S = képlet alapján A 0 T ntervallumban, ha nncs fázsugrás, akkor T dq a ds = képlet alapján dq = CdT, ahol C a mólhő, és = T T C S dt * 0 T S ( T = 0 ) = 0 felhasználásával az entrópa T hőmérsékleten az ntegrál alapján adódk 1 A kép forrása: 5

6 Mnmumkérdések Kéma I tárgyból /1 Dr Bóta Attla alapján 19 Ismertesse az elegyítés entrópa kfejezését! S elegyítés móltörtje = R K = 1 x ln x, ahol K db komponens van, és x az komponens 20 A kéma potencál fogalma A termodnamka I főtételének, a kéma munkát s fgyelembevevő alakjából U következk, hogy az kéma komponens kéma potencálja µ = n Ha a keveredés entrópa konkrét alakját fgyelembe vesszük, µ = µ 0 + RT ln x, ahol x az anyag móltörtje A kölcsönhatást s fgyelembe véve: µ = µ 0 + RT ln a, ahol a az komponens aktvtása: a = γ x, ahol γ a kölcsönhatást kfejező faktor (aktvtás együttható) 21 M a kéma reakcók hajtóereje? Az energamnmum elérése, olyan kéma formává történő átalakulás, am mnmáls energával jár 22 Ismertesse Hess tételét! A reakcó energa- és hőváltozása csak a kezdet és a végállapottól függ és független a részfolyamatok mnőségétől, sorrendjétől és a reakcó lezajlásának dejétől 23 M az elektrokéma oxdácó és redukcó? Elektrokéma oxdácó: elektronleadás Bekövetkezhet semleges atom átalakulásával (pl fématomból), amnek eredményeképpen poztív fémon és negatív töltésű elektron jelenk meg Evvel egyenértékű elektrokéma oxdácó a negatív töltésű részecskék (=anonok) töltésvesztése s, amelynek során semleges atom és elektron keletkezk Elektrokéma redukcó: elektronfelvétel, az előző esetek fordítottja 2 Az anód és a katód fogalma (1-1 példával) Anód: az elektrokéma cellákban azon pólusa, ahol az elektrokéma oxdácó zajlk Katód: az elektrokéma cellákban azon pólusa, ahol az elektrokéma oxdácó zajlk Példák: Zn és Cu rudak merülnek rendre a ZnSO és CuSO oldatokba A fémeket fémesen, az oldatokat pedg sóhíddal összekötjük A Zn oldódk Zn 2+ on keletkezése mellett (anód), míg a Cu 2+ on kválk a Cu rúdra (katód) 25 Ismertesse a Nernst-egyenletet! Az elemek semleges és töltött (energa)állapota között különbség jellemzésére szolgál A kérdéses elem és annak onos állapotát bztosító elektrolt rendszert (félcella) egy megállapodás szernt elektródrendszerrel, az ún normál hdrogénelektróddal hasonlítjuk össze (A normál hdrogénelektród olyan állandó potencálú félcella, amely egységny aktvtású H + -onból és abba belemerülő H 2 gázelektródból áll) A kérdéses elem és a normál hdrogénelektród között potencálkülönbség (elektromotoros erő, EME, feszültség voltban mérve) kfejezése a Nernst RT egyenlet: E = E + 0 ln c zf, ahol E 0 az egységny koncentrácó esetén mért 6

7 Mnmumkérdések Kéma I tárgyból /1 Dr Bóta Attla alapján elektromotoros erő, z a töltésszám, F a Faraday-állandó, c a kérdéses elem mol koncentrácója 3 -ben dm 26 Írja fel az ólomakkumulátorok működését leíró reakcóegyenleteket! Az ólomakkumulátor 30 % kénsavat tartalmaz, kapocsfeszültsége: 2,05 V Reakcóegyenlete az egyes pólusokon (használatkor (ksütéskor) a balról jobbra rány, töltéskor a jobbról balra rány érvényes): 2 Pb + SO PbSO + 2e + PbO2 + H 3O + SO + 2e PbSO + 6H 2O 27 Tüzelőanyag-cellák működés elve A felhasznált anyagok elektrokéma oxdácója és redukcója térben elkülönítve zajlk, így az egyk félcellában elektronfelesleg, míg a másk félcellában elektronhány keletkezk Példa: H 2 O 2 alapú cella: a hdrogén elégetése katalzátorok felhasználásával, szeparáltan történk, a 2H 2 + O2 2H 2O bruttó reakcóval, am az egyes félcellákban az alább részfolyamatokkal jellemezhető: + H H H + e O 2 O + e 2 2 O 2 28 Kollodok felosztása (mt értünk dszperzós és asszocácós kollodok alatt?) Dszperzós kollod: olyan rendszer, amely kollodméretű (nanométertől a néhány száz mkrométerg terjedő mérettartomány) részecskéket tartalmaz, és azok nagyobb, makroszkopkus méretű forma darabolásával (aprításával, őrlésével) jöttek létre (nagyobbról a ksebb méret felé) Asszocácós kollod: atom- vagy molekulacsoportok összeállásával (=asszocácójával) jönnek létre (ksebb atom méretről a nagyobb, kollod méret felé) 29 Mt fejez k a szemcseméret eloszlás és megoszlás (sűrűség-) függvény ll hsztogram? Az eloszlásfüggvény ntegráls forma, azt fejez k, hogy a részecskék száma (vagy tömege) az adott r 0 mérethatárg ( 0 < r < r 0 ) mekkora hányadát tesz k a teljes részecskeszámnak (vagy tömegnek) A sűrűségfüggvény az előző függvény r szernt dfferencálhányados-függvénye A hsztogramok hasonló értelműek, csak nem folytonos, hanem dszkrét mérettartományokba osztott részecskékkel 30 Mt jellemez a peremszög? A peremszög a folyadékok szlárd felületen történő szétterülésének mértékét jellemz (Ha a folyadék egy másk folyadék felületén terül szét, akkor s értelmezhető lencsealak formájában) Ha a peremszög 0 közelében van, akkor az adott folyadék teljesen szétterül (jól nedvesít a szubfázst), ha nagyobb mnt 90, akkor nem nedvesít az adott folyadék az adott felületet 31 Írja fel a Laplace-egyenletet! 2γ p =, ahol p = p 1 p2 a görbült folyadékfelszín két oldalán uralkodó r nyomás különbsége (kapllársnyomás), γ a felület feszültség, és r a görbült folyadékfelszín görbület sugara 7

8 Mnmumkérdések Kéma I tárgyból /1 Dr Bóta Attla alapján 32 Ismertesse a Bohr-atommodellhez kapcsolódó posztulátumokat! 1 posztulátum: Ldφ = nh (A körpályán mozgó elektron mpulzusmomentumának körntegrálja a h Planck-állandó egészszámszorosa (Itt n poztív egész szám, a Bohr-modell kvantumszáma 2 posztulátum (a fény elnyelése és kbocsátása): E = hν, ahol E a két elektronpálya között energakülönbség, ν a fény frekvencája, és h a Planck-állandó A fény abszorpcója (elnyelése) az elektron energáját megnövel és magasabb (nagyobb kvantumszámmal jellemzett) pályára kerül, a fény emsszója együtt jár az elektron alacsonyabb (ksebb kvantumszámú) pályára történő ugrásával 3 posztulátum (korrespondencaelv): a kvantummechanka kfejezése határesetben átmennek a klasszkus törvényeknek megfelelő alakba 33 Ismertesse a kvantumszámokat és azok jelentését! Főkvantumszám (n): a radáls (sugártól függő) tag kvantumszáma, az elektron energáját alapvetően meghatározza, n = 1, 2, 3 (betűjelöléssel: K, L, M, N ) Mellékkvantumszám (l): az azmut szög függését kfejező kvantumszám Poztív érték esetén befolyásolja az elektronenergát, meghatározza az elektron mpulzusmomentumát, l = 0, 1,, n 1 értéket vehet fel (betűjelöléssel: s, p, d, f) Mágneses kvantumszám (m): a csapásszög függését kfejező kvantumszám, a külső mágneses tér rányára eső vetületek száma, m = (n 1),, 0,, (n 1) Spnkvantumszám: a Schrödnger-egyenlet megoldásából nem következk 3 Sorolja fel a kéma kötések típusat! Ionos kötés: azok az elemek, amelyek elektronszerkezete közel áll a nemesgáz elektronszerkezetéhez, elektronleadással ll elektronfelvétellel poztív vagy negatív onokká alakulnak, és a keletkező onok elektrosztatkus kölcsönhatásban vannak egymással Kovalens kötés: azonos vagy egymáshoz közel elektronfelvevő (elektronleadó) képességű atomok elektronmegosztással stablzálódnak, és a megosztott elektronok sajátos, az atom elektronpályáktól eltérő molekulapályákra kerülnek Szgma- (σ) kötés: a molekulapálya (a kötésben résztvevő elektronok térbel alakja) az atomkapcsolatot létrehozó atomokat összekötő tengely mentén hengerszmmetrkus A szgmakötés s s pályák vagy s p típusú pályák, továbbá a kötés rányába orentált p p pályák átlapolásával jön létre π kötés: a már létrejött szgmakötés mellett jön létre, a kötéstengelyre merőlegesen orentált p pályák kapcsolódásával jön létre A π kötés gyengébb, mnt a σ 35 Ismertesse a rácstípusokat! Fémrács: perodkus elhelyezkedésű fémonok merülnek elektrontengerbe Ionrács: poztív és negatív töltésű onok foglalnak helyet a rács pontjan, közöttük erős elektrosztatkus kölcsönhatásokkal, Atomrács: atomok a rácspontokon és közöttük kovalens kötések, Molekularács: rácspontokon molekulák, amelyek között gyenge elektrosztatkus (ún van der Waals-típusú) erők hatnak 8