Kémia 1 A kémiai ismeretekről A modern technológiai folyamatok és a környezet védelmére tett intézkedések alig érthetőek kémiai tájékozottság nélkül. Ma már minden mérnök számára alapvető fontosságú a munkája során felhasznált összetételének, sajátságainak, reakcióinak és a környezetre gyakorolt hatásának ismerete, hiszen valamennyien számos szerves és szervetlen vegyi anyaggal dolgoznak. A kémia arra ad választ, hogy az anyagnak milyen az összetétele miből van? milyen a szerkezete hogyan lehet összerakni? milyenek a tulajdonságai milyen jellemzői vannak? milyen reakciói vannak más kal szemben hogyan viselkedik? milyen előállítási és felhasználási lehetőségei vannak? Az világ szerveződési szintjei elemi részecskék (proton, neutron, elektron), atommagok (pozitív töltésű protonokból és töltés nélküli neutronokból áll), atomok (atommagból és elektronburokból álló semleges részecske), molekulák (az atomok stabilizálódásának egyik formája), halmazok (sok részecskéből felépülő rendszer). (egységes) összetételük állandó fizikai módszerekkel nem választhatók szét tulajdonságaik állandóak a halmazon belül összetételük nem állandó koncentráció fizikai módszerekkel összetevőikre bonthatók tulajdonságaik a halmazon belül változhatnak elemek vegyületek 1
elemek azonos rendszámú atomok kapcsolódnak kémiai kötéssel (kivétel a nemesgázok) megjelenésük változó gáz, folyadék, szilárd halmazállapot izotópok (azonos rendszámú, de eltérő tömegszámú atomok) vegyületek két vagy több elem atomjai kapcsolódnak kémiai kötéssel arányuk szigorúan állandó elemek vegyületek homogén heterogén A az alkotórészek mérete szerint homogén az alkotórészek nem különböztethetők meg gázelegy folyadékelegy oldat heterogén az összetevők szabad szemmel is láthatók fázisokat határok választják el folyadékok; folyadék-gáz; folyadék-szilárd; Az anyag és változása az ember számára csak makroszkopikus méretben érzékelhető Az anyag makroszkopikus megjelenési formái - halmazállapota: folyadékkristály szilárd folyadék gáz/gőz plazma Halmazállapotok Molnárné Hamvas Lívia méretű részecskék szintjén mennek végbe méretű részecskék között mennek végbe fizikai folyamat: az anyag halmazállapot változása!! oldás?! a konyhasó feloldódása a levesben (nátrium- és kloridionok változatlanul maradnak) a levegő oxigénjének oldódása a felszíni vizekben fémek oldása savakban??? vízkő oldása??? klórgáz oldása vízben??? kémiai folyamat: más anyag lesz belőle?! mitől más? más tulajdonsága lesz!? biztos? kémiai kötések felszakadnak és más elrendeződésű kötések jönnek létre?! a folyamatban résztvevő egyes atomok vegyérték-elektronjainak elrendeződésében történik változás 2
Kémiai átalakulások pl. 1. egyes gázok oldódása vízben: CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 2. tüzelő égése: H + + HCO 3 CH 4 + O 2 CO 2 + H 2 O 3. mészoltás (égetett mész oldása vízben): méretű részecskék között mennek végbe vizuális megjelenítésre modelleket használunk (rajzok, animációk) értelmezésre - vegyjeleket és képleteket alkalmazunk CaO + H 2 O Ca(OH) 2 4. közömbösítés (sav és bázis kölcsönhatása): H 2 SO 4 + 2 NaOH Na 2 SO 4 + 2 H 2 O Az anyagot felépítő részecskék atomok - molekulák egyszerű vagy összetett ionok Gyémánt - C Fehér foszfor P 4 Nátrium-klorid - NaCl az atom: a kémiai elem legkisebb része, amely kémiai eszközökkel tovább nem osztható, fizikai módszerekkel elemi részecskékre hasítható atommag (protonok + neutronok) és elektronburok Kémiai szempontból az atommag összetétele csak a protonok és neutronok szintjéig fontos A protonok száma rendszám meghatározza az atom kémiai jellegét megszabja az elektronok számát és elrendeződését A protonok és neutronok együttes száma tömegszám Izotópok A periódusos rendszer A kémiai és folyamatok jelölésére használt szimbólumok elemek csak egyféle rendszámú atomokból állnak vegyjel vegyületek két vagy több elem atomjaiból állnak, az atomok aránya szigorúan állandó képlet: tapasztalati, szerkezeti folyamatok egyenlettel leírt kémiai változások 3
Vegyjel kémiai elemek jelölésére használt szimbólum, az elemek tudományos nevének kezdő és egy másik betűje A vegyjelben az első betű mindig nyomtatott nagybetű, a második pedig mindig nyomtatott kisbetű szén carbon C kalcium calcium Ca cérium cerium Ce kadmium cadmium Cd kalifornium californium Cf klór chlor Cl kobalt cobalt Co króm chromium Cr Képlet a kémiai összetételét kifejező jelölés minőségi összetétel: az alkotó elemek vegyjele mennyiségi összetétel: a vegyjel után alsó index Cl 2, P 4, H 2 O, NH 3, C 6 H 12 O 6, CO 2, C 2 H 2, C 6 H 6 NaHCO 3, CaCl 2, CuSO 4, Fe(NO 3 ) 2, K 2 Cr 2 O 7 cézium cesium Cs réz cuprum Cu Tapasztalati képlet - A vegyület alkotóelemeinek anyagmennyiség-arányát fejezi ki. A képletben szereplő indexszámok a vegyületet felépítő atomok, ionok számarányát jelentik. Kísérletileg meghatározott százalékos összetételből megállapítható képlet. Molekula-képlet A vegyület alkotóelemeinek anyagmennyiség-arányát fejezi ki. Az indexszámok a molekulában szereplő elemek atomjainak valódi számát mutatják. A tapasztalati képlet és a moláris tömeg ismeretében lehet megállapítani. NaHCO 3, CaCl 2, CuSO 4, Fe(NO 3 ) 2, K 2 Cr 2 O 7 Cl 2, P 4, H 2 O, NH 3, C 6 H 12 O 6, CO 2, C 2 H 2, C 6 H 6 Szerkezeti képlet molekulákban az atomok minőségét adja meg, és kapcsolódási sorrendjét is feltünteti Gyökcsoportos képlet a kapcsolódó atomcsoportokat jelöli Lewis képlet a molekulákban az atomok vegyértékelektronjainak kapcsolódását, elhelyezkedését mutatja a helyes képlet megállapításában jelentős Kémiai egyenlet képletek jelrendszerével leírt kémiai folyamat H 2 SO 4 + NaOH Na 2 SO 4 + H 2 O Sztöchiometriai egyenlet a folyamat mennyiségi viszonyait is mutatja H 2 SO 4 + 2NaOH Na 2 SO 4 + 2H 2 O az együtthatók a lehető legkisebb egész számok érvényesül az anyag-, tömeg- és töltés-megmaradás törvénye 4
Elektronegativitás A kötésben lévő atom milyen mértékű vonzást fejt ki a kötő elektronokra Pauling: viszonyszám EN H = 2,1 Segítségével jól jellemezhetők az elemek fizikai és kémiai sajátságai Periodikus változás (EN Fr = 0,7 EN F = 4,0) A kémiai kötések jellegét megszabó tulajdonság Oxidációs szám Az oxidációs szám azt mutatja meg, hogy egy vegyületben az adott atom milyen valódi vagy fiktív töltéssel rendelkezik. Ionok: valódi töltéssel rendelkeznek Molekulák: névleges töltés 5