Általános kémia 2e. + 1gy. 2. előadás 12-09-16 1
Az egyesített gáztörvény általános alakja: p*v = n*r*t, illetve n = m/m és így p*v = (m/m)*r*t Az állapotegyenlet érvényessége megkívánja hogy a gáz alkotórészei között a rugalmas ütközésen kívül ne legyen más kölcsönhatás; és a gáz részecskéinek össztérfogata elhanyagolható legyen a rendszer (pl. tároló-tartály, gázpalack) teljes térfogatához képest. Azokat a gázokat amelyekre ez a 2 feltétel nem teljesül (maradéktalanul) reális gázoknak nevezzük. Az állapothatározók értékei is befolyásolhatják mennyire teljesülnek ezek a feltételek. Minél magasabb a hőmérséklet és minél alacsonyabb a nyomás annál inkább teljesülnek a feltételek, minél alacsonyabb a hőmérséklet és magasabb a nyomás, annál inkább távolodunk a tökéletes gáz-állapottól. 12-09-16 2
A reális gázokra már csak korlátozottan alkalmazható az egyesített gáztörvény. 12-09-16 3
Javított állapotegyenletek: valamilyen módon figyelembe veszik hogy az említett 2 feltétel nem teljesül. Van der Waals egyenlet: nem csak rugalmas, hanem rugalmatlan ütközések is történnek, ez úgy hat, mintha a nyomás kisebb lenne, ezért meg kell növelni a nyomás értékét, másrészt ez a hatás fordítottan arányos a térfogat négyzetével; figyelembe kell venni a részecskék saját térfogatát is, csökkentve ezzel a rendelkezésre álló térfogatot. A Van der Waals egyenlet formája: (p + n 2 *a/v 2 )*(V n*b) = n*r*t a és b az ún. Van der Waals állandók. 12-09-16 4
A gázoknak a gáztörvényekből következő további figyelemre méltó sajátossága hogy azonos térfogataikban (ha a hőmérséklet és a nyomás azonos), a molok száma (tehát az anyagmennyiség) azonos (anyagi minőségtől függetlenül!!!!!). (Avogadro törvénye) Ez azt jelenti hogy pl. 0 o C és 101 325 Pa nyomáson ugyannyi mol- t tartalmaz 22,41 dm 3 oxigén mint 22,41 dm 3 nitrogén, 22,41 dm 3 szén-dioxid, 22,41 dm 3 metán, 22,41 dm 3 propán, 22,41 dm 3 kénhidrogén, stb. Más szóval a részecskék száma darabra azonos a különböző gázokban (azonos hőmérsékleten és nyomáson)! Gay Lussac (1808): ha gázok vegyülnek egymással, akkor állandó hőmérsékleten és nyomáson a reagáló gázok és termékek térfogata egyszerű egész számok arányaként fejezhető ki. 12-09-16 5
A kémiai reakciók (folyamatok) szereplői Mikro-szinten: atomok és molekulák Makroszkopikus halmazok szintjén: elemek és vegyületek Elem: azonos (rendszámú) atomokból épül fel Vegyület: különböző atomokból álló molekulákból épül fel. A molekulákat felépítő atomok aránya (számaránya és tömegaránya!!!) a vegyületekben szigorúan állandó. Állandó súlyviszonyok (Proust) törvénye: a különböző vegyületekben a vegyületeket alkotó atomok súlyaránya (tömegaránya) állandó. Többszörös súlyviszonyok (Dalton) törvénye: vagyis ha két elem egymással többféle súlyviszony (tömegarány!) szerint egyesül vegyületté, akkor az egyik elemnek azok a mennyiségei amelyek a másik elem ugyanazon mennyiségével egyesülnek, úgy viszonyulnak egymáshoz mint a kis egész számok. 12-09-16 6
A kémiai folyamatok leírásának sajátosságai A kémiai folyamatok/reakciók leírásának eszköze a (kémiai) reakcióegyenlet, amely hasonlóan a matematikában, fizikában alkalmazott egyenletekhez, - egy mérleg. A baloldalon szerepelnek az egymással reakcióba lépő kiindulási anyagok, a jobboldalon pedig a keletkezett termékeket tüntetjük fel. Az egyenletek felírása során figyelembe kell venni a tömeg-, az energia-, és az elektromos töltés megmaradásának törvényét is. A reakcióegyenletek információt adnak az általuk reprezentált reakció minőségi és mennyiségi viszonyairól. 12-09-16 7
Pl. a kén és az oxigén tömegaránya a kén-dioxidban 1: 1; a kén-trioxidban pedig 2:3. Azonos tömegű oxigénre számítva a a kén tömegaránya a kéndioxidban és a kén-trioxidban: 3 : 2. Ugyanezen az alapon az oxigén és a hidrogén tömegaránya a vízben 8 : 1; a hidrogén-peroxidban pedig 16 : 1. Az oxigén tömegaránya a hidrogén- peroxidban és a vízben (azonos tömegű hidrogénre számítva) 2 : 1. Az atomok és a molekulák mellett szerepelhetnek még a kémiai folyamatokban töltéssel rendelkező részecskék (ionok, pl. kalcium-ion, szulfát-ion, stb.) illetve atomcsoportok (metil-csoport, nitro-csoport). Ez utóbbiakat gyököknek is nevezzük, - mert párosítatlan elektronokat tartalmaznak! 12-09-16 8
A kémia jelrendszere: a vegyjel és a képlet A vegyjel a kémiai elemek jelölésére használt szimbólum, egyidejűleg jelenti az adott elem 1 atomját, illetve 1 mol- nyi mennyiségét. 1 vagy 2 nyomtatott latin betűből áll. Az első betű mindig nagybetű és az elem tudományos nevének kezdőbetűje, a második betű (ha van) kisbetű. Lássunk néhány példát: ólom vas plumbum ferrum arany aurum Pb Fe Au kén ezüst sulfur argentum hafnium hafnium S Ag Hf 12-09-16 9
12-09-16 10
A képlet A kémiában a képlet a vegyületek rövid kémiai jelölésére szolgál, ilyen módon a vegyjelhez hasonlóan jelenti az adott vegyület 1 molekuláját, illetve a szóban forgó vegyület 1 mol-nyi mennyiségét. A képlet információt ad arról, hogy milyen elemek alkotják a molekulát, milyen mennyiségben szerepelnek ezek a vegyületben, és felvilágosítást nyújthat a molekula szerkezetéről. 12-09-16 11
Tapasztalati képlet: : a vegyületet alkotó elemek atomjainak legkisebb egész számokkal kifejezett aránya. Felírása során feltüntetjük az alkotó elemek atomjait, és az atomok vegyjele után alsó indexben pedig a legegyszerűbb arányukat adjuk meg. Például: CH 2 (etén!); CH (benzol); H 2 O; CH 4 Összegképlet: : A valóságban önállóan létező molekula minőségi és mennyiségi összetételét fejezi ki, mely kielégíti a vegyértékre és az oxidációs számra vonatkozó szabályokat is. Segítségével (a relatív atomtömegek ismeretében) kiszámítható a relatív molekulatömeg. Pl. C 2 H 4 ; C 6 H 6 ; H 2 O; NaCl; K 2 SO 4 ; KAl(SO 4 ) 3 ; Cu(NH 3 ) 2+ - ; NO 3 12-09-16 12
Gyökcsoportos képlet: : megmutatja (jelöli) a molekulában az egymáshoz kapcsolódó atomcsoportokat. Előnye, hogy megkülönböztethetők a molekulán belül a különféle sajátosságú atom/ion-csoportok. Jól alkalmazható szerkezeti izomerek esetében. Pl. etilalkohol (etanol): összegképlet: C 2 H 5 OH; gyökcsoportos képlet: CH 3 -CH 2 -OH Oktán: összegképlet: C 8 H 18 n-oktán: CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 3 CH 3 CH 3 i-oktán: CH 3 -C-CH 2 -CH-CH 3 12-09-16 13 CH
Szerkezeti vagy konstitúciós képlet: az összetétel mellett megadják a molekulát alkotó atomok kapcsolódását, esetleg azok térbeli elhelyezkedését. Etilén kalcium-karbonát 12-09-16 14
A vegyérték és az oxidációs állapot fogalma A hagyományos értelmezés szerint a vegyérték az a szám amely megmutatja hogy a szóban forgó elem egy atomja hány hidrogén-atomot képes lekötni, vagy vegyületeiben helyettesíteni. Bizonyos mértékig elavult fogalom, de a gyakorlatban ma is eléggé elterjedten használjuk. Kötéstípusonként mást és mást jelent. Pl. ionos kötésnél a felvett, vagy leadott elektronok számát, kovalens kötés esetében pedig az adott atomhoz tartozó elektronpárok számát adja meg. 12-09-16 15
A vegyületekben, ionokban lévő atomok oxidációs állapota egy rendkívül fontos jellemző. Az oxidáció elektronleadást jelent, önmagában nem, hanem csak a redukcióval (elektronfelvétel) együtt értelmezhető, azaz ha egy komponens oxidálódik, egy másiknak értelemszerűen redukálódnia kell. A vegyületekben, ionokban lévő atomok oxidációs állapotát az oxidációs számmal jellemezzük. Ez a szám lehet nulla, pozitív, vagy negatív egész szám. Az oxidációs szám kiszámításával kapcsolatos legfontosabb szabályok: Elemi állapotban az atomok oxidációs száma 0. 12-09-16 16
Az oxigén oxidációs száma -2, kivétel a peroxid-kötést (- O-O-) tartalmazó vegyületek képeznek. Az egyszerű ionok oxidációs száma megegyezik a töltésükkel, pl. a kalcium oxidációs száma + 2, a klorid- ion oxidációs száma -1. Töltéssel nem rendelkező molekulák esetében az oxidációs számok algebrai összege 0. A halogén elemek oxidációs száma általában -1, kivételt képeznek az oxigénnel alkotott vegyületeik. Az összetett ionokban és molekulákban lévő többi atom oxidációs számát a fentiek figyelembe-vételével úgy számítjuk ki, az atomok közötti kötés elektronpárját a a nagyobb elektronegativitású elemhez rendeljük, ennek, oxidációs száma 1-el csökken, a másiké pedig 1-el nő. 12-09-16 17
Ha a molekulán belül azonos atomok létesítenek egymással kötést, ezt nem vesszük figyelembe az oxidációs szám megállapításánál. Nézzünk pár egyszerűbb példát: +1-1 +2-1 +3-2 +4-2 +2 +6-2 +1-2 KCl CaCl 2 Fe 2 O 3 CO 2 CuSO 4 H 2 O +1 +6-2 +1-1 +1 +7-2 +5-2 +1+7-2 K 2 Cr 2 O 7 H 2 O 2 KMnO 7 PO 3-4 HClO 4 Oxidáció során az oxidációs szám pozitív irányba változik (nő), redukció során pedig negatív irányban változik (csökken)! 12-09-16 18
Atomtömeg, molekulatömeg A kémiai elemek atomtömege alatt a relatív atomtömeget értjük. A relatív atomtömeg a kémiai elem atomjának átlagos tömege, egy viszonyszám, amely megmutatja, hogy adott kémiai elem atomja hányszor nagyobb a 12 C izotóp tömegének 1/12 részénél. Mivel a legtöbb elem több izotópot is tartalmaz, ez általában nem egész szám. Kiszámításánál a kérdéses elem természetes izotópjai tömegszámának, és százalékos arányának súlyozott átlagát képezik. 12-09-16 19
Az elemek atomtömege Elem Vegyjel Rendszáma Atomtömege Aktínium Ac 89 227,0278 Aluminium Al 13 26,98154 Americium Am 95 243,0614 Antimon Sb 51 121,75 Arany Au 79 196,96654 Argon Ar 18 39,948 Arzén As 33 74,9216 Asztácium At 85 209,9871 Bárium Ba 56 137,327 Berillium Be 4 9,012182 Berkélium Bk 97 247,0703 Bizmut Bi 83 208,98037 Bór B 5 10,811 12-09-16 20
A molekulatömeg: a relatív molekulatömeget értjük alatta. Ez az a szám amely megmutatja hogy az anyag egy molekulájának átlagos tömege hányszorosa a 12-es tömegszámú szénizotóp tömegének 1/12-énél. A molekulát felépítő atomok relatív atomtömegéből számolható ki az összegképlet ismeretében. A kémiai anyagmennyiség arányos az adott anyag ún. sztöchiometriai (atom, molekula, gyök, ion) egységeinek számával. Egysége a mol : 6,023 * 10 23 db. atom, molekula, stb. Ha egy adott elemből, vagy vegyületből 1 mol-nyi mennyiséget veszünk, ennek tömege g-ban kifejezve egyenlő a relatív atomtömeg, számértékével. Pl. 1 mol alumínium tömege 26,98154 g. 12-09-16 21
Az ún. moláris tömeg,, azaz 1 mol anyagmennyiséget tartalmazó elem, vegyület, gyök stb. egyenlő a relatív molekulatömeg/atomtömeg g-ban kifejezett értékével. Pl. a réz moláris tömege 63,54 g/mol. A széndioxid moláris tömege az összegképletének segítségével számítható ki, CO 2 ; azaz 1 moláris tömegnyi szén (12 g/mol) és 2 moláris tömegnyi oxigén ( 2 * 15,9994 g/ mol) = 43,9988 g/mol. A vegyjel és a képlet az adott elem, vagy vegyület 1 mol-nyi mennyiségét és a fentiek alapján moláris tömegét is jelenti. 12-09-16 22
Milyen információk szükségesek a kémiai reakcióegyenletek felírásához? Tudnunk kell miből indulunk ki és mi keletkezik (a kiindulási anyagok és a termékek vegyjeleinek, képleteinek - legalább összegképlet szinten! - ismerete). Milyen típusú a lejátszódó kémiai reakció (történik-e pl. oxidáció és redukció). Melyik komponens, illetve mely komponensek oxidálódnak, és melyek redukálódnak. Milyen halmazállapotúak a kiindulási és a keletkező anyagok. Termokémiai egyenleteknél legalább részben ismerni kell a képződés-hők, illetve a reakcióhő értékét. 12-09-16 23
A kiindulási anyagok, illetve a termékek között szereplő vegyületek, atomcsoportok összegképletének megállapítása A vegyületeket alkotó atomok oxidációs állapotát meg kell határozni, ez az adott atom oxidációs számának meghatározását jelenti. A vegyületeket, atomcsoportokat felépítő atomok oxidációs számainak, illetve a vegyértékeinek ismeretében a különféle atomok db. számát úgy kell megválasztani, hogy az oxidációs számok algebrai összege 0 legyen, - vagy összetett ion esetén az ion töltésével egyezzen meg, illetve egyetlen atomfajta esetében se legyen olyan atom amelyik valamelyik vegyértékével nem kapcsolódik másik atomhoz. 12-09-16 24
Vegyük példaként a szén égését: A szén elem, az oxigén elem de (mert elemi gáz, ezért kétatomos molekulákat alkot és így) képlettel szerepel, O 2. A termék a széndioxid. Képletének megállapításához figyelembe kell venni hogy az égés során a szén oxidációs száma 0-ról +4-re változik. Mivel az oxigén oxidációs száma -2, ezért 2 db. oxigén atom van a széndioxid molekulájában, összegképlete tehát: CO 2 (1* (+4) + 2*(- 2)) = 0 Az égés egyenlete először tehát az alábbiak szerint néz ki: C + O 2 = CO 2 Ez az egyenlet már tartalmazza mind a kiindulási anyagokat, mind pedig a termékeket. Sok esetben azonban ez még kevés, az egyenlet további műveleteket, - rendezést 12-09-16 igényelhet! 25
Egy másik példa: alumínium oxidációja: Az Al fém, vegyjelével szerepel, az oxigén továbbra is O 2 - ként. A termék az alumínium-oxid. Képletének megállapításához tudnunk kell hogy az Al oxidációs száma +3, azaz az oxidáció során az Al oxidációs száma 0-ról +3- ra, az oxigéné pedig 0-ról -2-re változik. Mivel az alumínium-oxid elektromosan semleges vegyület, az oxidációs számok algebrai összegének 0-t kell eredményezni, meg kell keresnünk a 2 és 3 legkisebb közös többszörösét, ez 6, és így adódik: 2*(+3) + 3*(-2) = 0 Al atomok O atomok száma Ennek alapján az alumínium-oxid képlete: Al Al 2 O 3 12-09-16 26
A sósav képletét megkapjuk, ha figyelembe vesszük, hogy a klór oxidációs száma -1, a hidrogéné pedig + 1, ennek alapján: HCl A nátriumhidroxid képletének megállapításakor tudjuk hogy a nátrium oxidációs száma +1, a hidrogéné szintén, az oxigéné pedig 2. Semleges vegyületről lévén szó az oxidációs számok algebrai összege 0, ehhez a képlet pedig: NaOH A kénsav képletének felírásához tudjuk hogy a hidrogén oxidációs száma +1, az oxigéné -2, a kéné pedig +6. Mivel a molekula semleges, az oxidációs számok algebrai összege 0, a képlet tehát: H 2 SO 4. Bonyolult molekulák esetében már az összegképlet megállapítása is elég összetett feladat, gyakran igényel szerkezeti vizsgálatokat és a tulajdonságok alapos elemzését. 12-09-16 27
A reakcióegyenletek rendezése A reakcióegyenletekben szereplő komponensek vegyjeleinek, (összeg) képleteinek felírása általában még nem jelenti azt, hogy egyúttal a megmaradási törvényekre, oxidációs számokra vonatkozó kitételek is teljesülnek. Ezért általában szükséges az egyenlet rendezése. Ez általában azt jelenti, hogy az egyenletekben szereplő komponensek elé megfelelő (általában) egész számokat (sztöchiometriai együtthatókat) írunk. Ezeket úgy kell megválasztani hogy az egyenletben szereplő, illetve az egyenlet által reprezentált minden mennyiségre vonatkozó megmaradási kitétel teljesüljön. 12-09-16 28
Az első példa: C + O 2 = CO 2 ez így helyes, további rendezést nem igényel. Az Al oxidációja: Al + O 2 = Al 2 O 3 láthatóan sérül az anyagmegmaradás elve ebben a formában. Úgy kell megválasztanunk az Al, O 2 és az Al 2 O 3 sztöchiometriai együtthatóit, hogy mind az Al, mind az O atomok száma egyezzen meg a bal és a jobb- oldalon! Induljunk ki abból hogy O 2 szerepel a baloldalon és a termékben pedig 3 db. oxigén atom van. A legkisebb közös többszörösük 6, tehát vegyünk 3 db O 2 molekulát és ekkor 2 molekula termék keletkezik. Ebben 2*2 db. Al atom van, azaz a baloldalon 4 db. Al atom szükséges. Az egyenlet tehát: tehát: 4 Al + 3 O 2 = 2 Al 2 O 3 12-09-16 29