ÁLTALÁNOS és SZERVETLEN KÉMIA ANYAGMÉRNÖK ALAPKÉPZÉS TANTÁRGYI KOMMUNIKÁCIÓS DOSSZIÉ MISKOLCI EGYETEM MŰSZAKI ANYAGTUDOMÁNYI KAR KÉMIAI TANSZÉK Miskolc, 2008.
Tartalomjegyzék 1. Tantárgyleírás, tárgyjegyző, óraszám, kreditérték 2. Tantárgytematika 3. Minta zárthelyi 4. Vizsgakérdések, vizsgáztatás módja 5. Egyéb követelmények
1. Tantárgyleírás TANTÁRGYLEÍRÁS A tantárgy címe: Félév: 1 A tantárgy kódja: MAKKKEM209B Általános és szervetlen kémia A tantárgy előadója és jegyzője: Dr. Kovács Károlyné dr.egy docens Heti óraszám: 3k+2a A tantárgy típusa: Anyagmérnök BSc szak természettudományos tárgy A tantárgy felvételének előfeltétele: --- Tantárgy gondozó intézmény: MISKOLCI EGYETEM Műszaki Anyagtudományi Kar Kémiai Tanszék Kreditek száma: 7 A tárgy státusza a tanulmányi programon belül: A BSc anyagmérnök törzsanyagba tartozó kötelező tárgy A tantárgy célja: Általános kémiai alapismeretek összefoglalása és a szervetlen kémia által nyújtott anyagismeret megszerzése. A gyakorlatok során el kell sajátítani a legalapvetőbb szakmai ismereteket, melyek a laboratóriumi munkában elengedhetetlenek. A tantárgy leírása: Általános kémiai alapfogalmak: kémiai anyag, fizikai mező, az atomszerkezet elemei. Kémiai kötések: elsőrendű és másodrendű kötések. Az anyag halmazállapotai és jellemzésük. Állapothatározók és változásaik. Savak, bázisok, sók. Oldódás. Hidratáció, szolvatáció, hidrolízis. Elektrokémiai alapfogalmak. A periódusos rendszer és az elektronszerkezet kapcsolata. A kémiai elemek és vegyületeik tárgyalása a periódusos rendszer alapján. Nemfémes elemek és vegyületeik, illetve fémes elemek és vegyületeik (s-, p-, d- és f mező). Követelmények: Kötelező óralátogatás. Gyakorlaton a témakörönkénti elégséges elérése szükséges az aláírás megszerzéséhez, illetve a félév folyamán egy alkalommal nagy zárthelyi eredményes írása az előadás anyagából (Az elégséges szint az 50% teljesítése). Kémiai laboratóriumi gyakorlatok legalább elégséges szintű elvégzése is követelmény. Oktatási módszer: A szóbeli előadások előadási kísérletekkel, valamint számolási gyakorlatok és egyéni kémiai laboratóriumi gyakorlatok. Oktatási segédeszközök: Előadásnál: írásvetítő használata, esetenként fénymásolat kiegészítések a hallgatónál (pl. táblázatok stb). Tankönyv: Dr. Berecz Endre szerkesztésében: Kémia műszakiaknak Tankönyvkiadó, Budapest, 1991.
Vizsgáztatási módszer: Szóbeli vizsga. Kell-e jelentkezni a kurzusra: Igen, a regisztrációs héten, számítógépen a Neptun-rendszeren keresztül Értékelés: Kollokvium: 5 fokozatú értékelés Gyakorlat: aláírás megszerzéséhez a követelmények legalább elégséges (50 %) szinten való teljesítése.
2. Tantárgytematika Előadás: Általános és szervetlen kémia Anyagmérnök BSc szak I. évf. 1. félév 3 + 2 (a, k ) 1. hét: Kémiai anyag. A természeti törvények sajátságai. Szimmetriák a természetben. A természettudományos megismerés módszerei ( induktív -, deduktív és reduktív módszerek). Rendszer, komponens, fázis. Összetétel és megadásának különböző módjai. 2. hét: Halmazállapotok és jellemzésük. A tökéletes és reális viselkedés értelmezése gázok esetében. Állapotegyenletek. Állapotdiagrammok. A Gibbs-féle fázis- szabály és alkalmazása. 3. hét: Vegyjel, képlet, reakcióegyenlet. Atom, molekula, elem, vegyület. A kémiai anyagmennyiség, moláris tömeg. A kémiai reakciók osztályozása különböző szempontok alapján. Redox-egyenletek szerkesztése. 4. hét: Elektronszerkezet, kvantumszámok, Pauli-elv. A periódusos rendszer elektronszerkezeti magyarázata. Az atommag szerkezete, átalakítása. Magfúzió, maghasadás. Atomreaktorok. 5. hét: Elsőrendű kötések: ionos, kovalens, datív és fémes kötés. Kötések kialakulásánál az EN (elektronnegativítás) szerepe. Apoláros és poláros molekulák. Molekulák közötti (másodrendű ) kötések és jelentőségük. 6. hét: Elegy, oldat, híg oldat. Telített és túltelített oldat. Az oldódás. Mikroheterogén (kolloid) rendszerek. Felületi feszültség. Reakcióhő, képződéshő, Hess-tétel és alkalmazása. A kémiai egyensúly, egyensúlyi állandó. A legkisebb kényszer elve és alkalmazási lehetőségei. 7. hét: A víz ionszorzata, a ph. Savak és bázisok erőssége. Hidrolízis. Sók hidrolízise. Galvánelemek, elektródpotenciál. Nernst összefüggés és alkalmazása. Az elektrolízis fogalma, a Faraday-törvények. 8. hét: A periódusos rendszerben a különböző mezők értelmezése. Főcsoportok és mellékcsoportok. Fémes és nemfémes elemek. A hidrogén és vegyületei. A víz és a nehézvíz tulajdonságai. A nemesgázok. 9. hét: A VII. főcsoport (halogének) elemei és vegyületeik. A VI. főcsoport ( oxigéncsoport) elemei és vegyületeik. A magas légköri és talaj közeli ózon problémája. Savas esők. 10. hét: Az V. főcsoport elemei és vegyületeik. A nitrogén-oxidok és szerepük a légszennyezésben. A IV. és III. főcsoport nemfémes elemei és vegyületeik. A széndioxid-kibocsátás csökkentésének lehetőségei. 11. hét: A fémek fizikai és kémiai tulajdonságai. Az s-mező fémei és vegyületeik 12. hét.: A p-mező fémei és vegyületeik. 13. hét: A d-mező fémei és vegyületeik. 14. hét: Az f-mező fémei és vegyületeik. A fémek előállítási lehetőségeinek áttekintése (előállítás tűzi -, elektrokémiai úton, ill. termikus disszociációval).
Gyakorlat: 1. hét: Bevezetés. Számolási gyakorlatok. Kémiai alapfogalmak átismétlése. Vegyületek elnevezésének szabályai. Oxidációs szám fogalma és alkalmazása a helyes képlet felírásában 2. hét: Számolási gyakorlatok. Összetétel számítások. A kémiai reakcióegyenletek megszerkesztése 3. hét: Számolási gyakorlatok. A kémiai reakcióegyenlet használata a sztöchiometriai számításoknál I. 4. hét: Számolási gyakorlatok. A kémiai reakciók használata a sztöchiometriai számításoknál II. 5. hét: A számolási feladatokból kis zárthelyi írása, valamint a munkavédelmi szabályok ismertetése. 6. hét: Laboratóriumi gyakorlatok: kationok reakcióinak vizsgálata 7. hét: Laboratóriumi gyakorlatok: anionok reakcióinak, valamint egyes fémionok lángfestéses vizsgálata 8. hét: Laboratóriumi vizsgálatok: ismeretlen összetételű sók vizsgálata anionra és kationra 9. hét: Zárthelyi írása az előadás anyagából 10. hét: Laboratóriumi gyakorlatok: víz változó -, összes és kalciumkeménységének meghatározása térfogatosan 11. -12.-13. hét: A következő laboratóriumi gyakorlatokat kis csoportokban ún. forgó szinpad szerint végezve: a.) Piritpörkölés és kontakt kénsavgyártás b.) Szennyezett sósav tisztítása desztillációval c.) Nátrium-hidroxid előállítása különböző módon végrehajtott elektrolízissel 14. hét: Pótgyakorlatok és pótzárthelyik Megjegyzés: a zárthelyik írásánál a mobiltelefon használata tilos!
3. Minta zárthelyi Minta ZH feladatsor A feladatsor megoldására a rendelkezésre álló idő 100 perc) 1.) Mit jelent az a tény, hogy két elem azonos oszlopban található a periódusos rendszerben? 2.) Írja fel az ideálisan viselkedő gázokra érvényes gáztörvényt! Mit jelentenek a benne szereplő betűk? Mikor mondhatjuk, hogy egy gáz ideálisan viselkedik? 3.) A kvantumszámok segítségével adja meg a 3-as főkvantumszámhoz tartozó elektronok maximális számát! 4.) Kémiai szempontból mikor mondjuk egy savra, hogy erős sav? 5.) Mik a katalizátorok? (példa!) 6.) Igaz-e a következő állítás: A fémek jó vezetők? Választását indokolja! 7.) Értelmezze a képződéshőt! 8.) Számítsa ki -a konkrét adatok behelyettesítése nélkül- a metán égésének reakcióhőjét! 9.) A nátriumfém vagy a nátriumion a stabilabb? Választását indokolja! 10.) Ismert tény, hogy a benzol nem, míg az etilalkohol oldódik vízben. Adja meg a jelenség magyarázatát! A minta ZH megoldása és értékelés 1. Az azonos oszlopban lévő elemeknek közös tulajdonságuk, hogy a vegyértékhéjukon azonos számú elektron található. A mennyiben az oszlop főcsoport, akkor ezek az elektronok a legkülső héjon vannak, mellékcsoport esetén egy belsőbb héj az ún. vegyértékelektronhéj. (2 pont) 2. Az ideálisan viselkedő gázokra érvényes gáztörvény: PV= nrt, ahol P: nyomás, V: térfogat, n: mólok száma, R: egyetemes gázállandó, T: abszolút hőmérséklet. Egy gáz akkor viselkedik ideálisan, ha eltekinthetünk a gázmolekulák méretétől, vagyis pontszerűnek tételezzük fel őket; illetve a gázrészecskék közötti kölcsönhatást is elhanyagoljuk. (7 pont) 3. A főkvantumszám n=3, akkor a mellékkvantumszám l=n-1, vagyis az adott esetben l= 2, 1 és 0. A mágneses kvantumszám m= -ltől +l-ig, vagyis m= -2, -1, 0, +1 és +2. A spinkvantumszám s=+/- ½, mivel az elektron a feles
Általános és szervetlen kémiai kommunikációs dosszié spinűekhez tartozik. Ilyen módon az elhelyezkedő elektronok maximális száma: 2db s-elektron, 6db p-elektron és 10 db d-elektron, vagyis összesen 18 db elektron. ( 6 pont) 4. Kémiai szempontból akkor erős egy sav, ha a disszociációs állandója minél nagyobb; vagyis egy erős savban (pl. sósav-oldatban) már nincsenek sósavmolekulák, hanem csak hidrogénionok és kloridionok a teljes disszociáció miatt. ( 5 pont) 5. A katalizátorok olyan anyagok, amelyek a kérdéses reakció számára olyan új utakat nyitnak meg, melyekhez tartozó aktiválási energia sokkal kisebb, mint a katalizátor nélkül végbemenő reakcióhoz tartozó érték. Új részreakciók jelennek meg a folyamatban, amelyekben a katalizátor is tevékenyen részt vesz, de a reakciók végén újra maradék nélkül rendelkezésre áll. Példa: az ammónia szintézise. A szintézis az alábbi folyamattal írható le: N 2 + 3 H 2 = 2 NH 3 Az egyensúlynak nagyon kis ammóniakoncentráció felel meg, ezért vas-katalizátort alkalmazunk, ekkor a főfolyamat mellett lejátszodó reakciók az alábbiak: 2Fe + N 2 = 2FeN 2FeN + 3H 2 = 2Fe + 2NH 3 (7 pont) 6. A fémek csak szilárd, kristályos szerkezet esetén jó vezetők, vagyis a jó vezetés a fémes kötéshez kötött. Pl. a fémgőzök szigetelők. (5 pont) 7. A képződéshő olyan reakcióhő, amely során 1 mól vegyület keletkezik stabilis módosulatú elemeiből. Megállapodás szerint az elemek képződéshője nulla. (4 pont) 8. CH 4 + 2 O 2 = CO 2 + 2 H 2 O A reakcióhő számításánál alkalmazzuk Hesstételét, a mely a képződéshőket használja, vagyis: H = ( H CO2 + 2 H H2O ) ( H CH4 + 2 H O2 ) Megjegyzés: elem lévén (az oxigén) az utolsó tag értéke nulla.) (6 pont) 9. A nátriumion a stabilabb, hiszen a legkülső elektronhéján lévő egyetlen elektront leadta, ezáltal lezárt, stabil ún. nemesgáz-konfigurációval rendelkezik. (4 pont) 10. A víz poláros vegyület és oldószerként a szintén poláros vegyületeket oldja. A benzol tökéletesen apoláros vegyület, ezért nem oldódik vízben. Az etilalkohol azonban a benne lévő OH-funkciós csoport révén -az oxigén nagy
Általános és szervetlen kémiai kommunikációs dosszié elektronnegativítása miatt- már poláros vegyületként jelenik meg (ún. amfipatikus vegyület). (4 pont) Összesen: 50 pont Értékelés:0-24 = 1 (elégtelen) 25-30 = 2 (elégséges) 31-36 = 3 ( közepes) 37-41 = 4 (jó) 42-50 = 5 (jeles)
Általános és szerves kémia kommunikációs dosszié 4. Vizsgakérdések, a vizsgáztatás módja A vizsga szóbeli. A hallgató 20 perc felkészülési időt kap, hogy a tételsorból húzott két kérdéshez vázlatot készíthessen. A vizsgázónak minden tételből 10 perc áll rendelkezésére ismereteinek folyamatos beszéddel történő bemutatására, melynél természetesen a vázlatát használhatja. Vizsgatételek: 1. Kémiai anyag. Megmaradási tételek és alkalmazhatóságuk 2. Rendszer, komponens, fázis., összetétel 3. A tökéletesen viselkedő gázok állapotegyenletei, állapotdiagrammok. A reálisan viselkedő gázok állapotegyenlete 4. Vegyjel, képlet, reakcióegyenlet 5. Atom, molekula, elem, vegyület. Kémiai anyagmennyiség, moláris tömeg 6. A kémiai reakciók típusai. Az oxidációs szám 7. Elektronszerkezet, kvantumszámok, Pauli-elv 8. A periódusos rendszer elektronszerkezeti magyarázata 9. Az atommag szerkezete és átalakítása 10. Elsőrendű kötések 11. másodrendű kötések 12. Elegy, oldat, híg oldat. Telített oldat. Oldhatóság 13. Mikroheterogén (kolloid) rendszerek. Felületi feszültség 14. Reakcióhő, képződéshő, Hess-tétel 15. A kémiai egyensúly, egyensúlyi állandó. A legkisebb kényszer elve 16. A víz ionszorzata, ph. Bázisok és savak erőssége 17. A hidrolízis fogalma, sók hidrolízise 18. Galvánelemek, elektródpotenciál, Nernst-összefüggés 19. Elektrolízis, Faraday törvények 20. A hidrogén és a nemesgázok 21. A halogén elemek és vegyületeik 22. Az oxigén csoport elemei és vegyületei 23. A nitrogén csoport elemei és vegyületei 24. A széncsoport elemei és vegyületei. A bór és vegyületei 25. A fémek fizikai és kémiai tulajdonságai 26. Az s-mező fémei és vegyületei 27. A p-mező fémei és vegyületei 28. A d-mező fémei és vegyületei 29. Az f-mező fémei és vegyületei 30. Fémek előállítása tűzi úton 31. Fémek előállítása és tisztítása elektrokémiai úton 32. Fémek előállítása és tisztítása termikus disszociációval Miskolc, 2007. október 1. Dr. Kovács Károlyné tanszékvezető egy. docens
6. Egyéb követelmények Megjegyzés: a félév folyamán kémiai reakcióegyenlet-megoldó versenyt rendezünk, mellyel a hallgatók egyenletszerkesztési készségét szeretnénk ösztönözni. A verseny első három helyezettjét pénzjutalomban részesítjük.