FIZIKAI KÉMIA ANYAGMÉRNÖK BSc. NAPPALI ÖRZSANYAG ANÁRGYI KOMMUNIKÁCIÓS DOSSZIÉ MISKOLCI EGYEEM MŰSZAKI ANYAGUDOMÁNYI KAR KÉMIAI INÉZE Miskolc, 013/14. tanév II. félév 1
artalomjegyzék 1. antárgyleírás, tárgyjegyző, óraszám, kreditérték A tantárgy célja. A tantárgy leírása. A kurzusra jelentkezés módja. Oktatási módszer. Félévközi számonkérés módja. Követelmények. Vizsgáztatás módja. Kötelező- és ajánlott irodalom.. antárgytematika 3. Vizsgakérdések 4. Minta zárthelyi 5. Egyéb követelmények 1. antárgyleírás antárgy neve: FIZIKAI KÉMIA (BSc naali tagozatos hallgatók részére) antárgy netun kódja: MAKKEMB árgyfelelős intézet: Miskolci Egyetem, Műszaki Anyagtudományi Kar, Kémiai Intézet antárgyelem: kötelező árgyfelelős: Némethné Dr. Sóvágó Judit egyetemi docens Javasolt félév:. tavaszi félév Előfeltétel: Általános és szervetlen kémia (MAKKEM 18B) Óraszám/hét: 3 óra előadás/hét + 3 óra Számonkérés módja: aláírás-kollokvium gyakorlat/hét Kreditont: 6 agozat: naali antárgy feladata és célja: ermodinamika, termodinamikai egyensúlyok, reakciókinetika, transzortfolyamatok és elektrokémia témakörökből azoknak az alaismereteknek az elsajátítása, amelyek elengedhetetlenek az anyagmérnöki szemlélet kialakításához. A gyakorlat célja: A fent említett témák elmélyítése számolási éldákon keresztül, valamint a megszerzett ismeretek birtokában a mérnöki szemlélet kialakítása céljából a hallgatók a laboratóriumban konkrét feladatokat végeznek, a mérési adatokból önállóan jegyzőkönyvet készítenek. antárgy tematikus leírása: Anyagi rendszerek jellemzése, alafogalmak. A termodinamika alatörvényei. A termodinamika alatörvényeinek alkalmazása gáz, gőz, folyadék, olvadék és szilárd rendszerekre. Elegyfázisok termodinamikája. Kémiai reakciók- és fázisátmeneti folyamatok egyensúlyi viszonyai. Homogén és heterogén egyensúlyok. Két- és többkomonensű rendszerek fázisdiagramjai. A reakciókinetika alajai, a homogén- és heterogén kémiai reakciók sebessége és mechanizmusa. A reakciómechanizmust befolyásoló főbb tényezők. ranszortfolyamatok: viszkozitás, diffúzió, hővezetés és elektromos vezetés. Heterogén rendszerekben lejátszódó transzortjelenségek, felületi- és határfelületi jelenségek Elektrokémia: elektrolitok létrejötte, elektrolit rendszerek termodinamikai sajátságai, elektródfolyamatok, korrózió. A kurzusra jelentkezés módja: A kurzusra a regisztrációs héten számítógéen, a Netunrendszeren keresztül kell jelentkezni. A jelentkezés feltétele, hogy a hallgató rendelkezzen aláírással Általános és szervetlen kémia (MAKKEM 18B) tantárgyból.
Oktatási módszer: Előadások kivetítő használatával. Számolási gyakorlat táblánál, a hallgatókkal interaktív módon. A laboratóriumi gyakorlatokat kémiai laboratóriumban a hallgatók önállóan, de oktatói segítséggel végzik. Félévközi számonkérés módja, követelmények: A számolási gyakorlatok anyagából 1 alkalommal ZH írására kerül sor. Ezzel 30 ont szerezhető. Aláírás megszerzésének feltétele, hogy a hallgató a ZH anyagából min. 15 ontot szerezzen. A laboratóriumi gyakorlatokon való részvétel kötelező. Indokolt esetben, igazolás felmutatásával a félév során egy alkalommal másik tankörben ótolható. A hallgató a gyakorlat felkészülési anyagából max. ontért ún. beugró-zh -t ír minden gyakorlaton. Ennek a megfelelt szintet (min. 50%) el kell érnie ahhoz, hogy a hallgató a mérést elkezdhesse. Ellenkező esetben el kell hagynia a laboratórium területét, és ezzel az adott gyakorlatra nulla ontot ka. A hallgató a mérésekről, azok eredményeiről a következő gyakorlaton jegyzőkönyveket köteles leadni a gyakorlatvezetőnek, melyre egyenként 3 ont adható. Időben le nem adott jegyzőkönyv szintén 0 ontot ér. A laboratóriumi gyakorlatok során így összesen 30 (6x5) ont szerezhető, melyből legalább 15 ont elérése az aláírás feltétele. Aki legalább 10 ontot nem ér el összesen a laboratóriumi kötelezettségekből, aláírást nem ótolhat, aláírás megtagadásban részesül. A félév során két alkalommal nagy ZH írására kerül sor az elméleti előadások anyagából, amellyel x 5 ont szerezhető, amelyből dolgozatonként legalább 1 ont megszerzése kötelező az aláíráshoz. Zárthelyi dolgozatok írásáról hiányozni csak indokolt esetben, orvosi igazolás bemutatása esetén lehetséges, de ótlásra ebben az esetben sincs lehetőség. ZH-k ótlására csak aláírás-ótlás keretében van mód, melynek időontja a vizsgaidőszak első két hetében a tantárgyjegyző által rögzített időont. A minimum ontok nem teljesítése az aláírás megtagadását vonja maga után! Az aláírás feltétele a félév során: a fentebb említett előírások alaján elérhető 110 ontból legalább 55 ont megszerzése; az előadások legalább 60%-ának látogatása. Értékelése (félévközi teljesítmény aránya a beszámításnál, onthatárok: ötfokozatú értékelés A vizsgáztatás módja: szóbeli vizsga. A vizsgára jelentkezni Netun rendszerben lehet. A jelentkezés feltétele, hogy a hallgató rendelkezzen legalább elégséges érdemjeggyel általános és szervetlen kémia (MAKKEM 18B) tantárgyból. A vizsga elején az azna vizsgára jelentkezett hallgatók 30 erces, 10 kérdésből álló beugró dolgozatot írnak, amelynek kérdései a legfontosabb fizikai kémiai alafogalmakra vonatkoznak. Ehhez segítségül szolgál a htt://www.tankonyvtar.hu/hu/tartalom/tamo45/0001_1a_a3_0_ebook_fizikai_kemia_m uszakiaknak/adatok.html internetes elérhetőségen található Fizikai kémia műszakiaknak című elektronikus jegyzet melléklete. Az a hallgató bocsájtható szóbeli vizsgára, aki a 10 kérdésből legalább 8 kérdést helyesen megválaszol. Sikertelen beugró dolgozat esetén a NEPUN rendszerbe kollokvium érdemjegyként elégtelen minősítés kerül bejegyzésre. A sikeres dolgozatot írt hallgatók ezután a kommunikációs dossziéban is feltüntetett tételsorból db tételt húznak, melynek átgondolására 10 erc felkészülési idő igény szerint adható a hallgatónak. A szóbeli vizsga időtartama 15 erc. Vizsga értékelése: 5 fokozatú értékelés. 3
A félévi érdemjegy számítása: 50% félévi munka érdemjegye + 50% vizsga érdemjegye A félév során nyert ontszámok átváltása érdemjeggyé: 0-54 ont: elégtelen 55-64 ont: elégséges 65-80 ont: közees 81-98 ont: jó 99-110 ont: jeles Kötelező irodalom: (legalább 3 irodalom, lehetőleg 1 idegen nyelvű) Prof. Dr. Bárány Sándor, Dr. Baumli Péter, Dr. Emmer János, Hutkainé Göndör Zsuzsanna, Némethné Dr. Sóvágó Judit, Dr. Báder Attila; Fizikai kémia műszakiaknak, ankönyvtár, Miskolci Egyetem Elektronikus jegyzet; 011: htt://www.tankonyvtar.hu/hu/tartalom/tamo45/0001_1a_a3_0_ebook_fizikai_kem ia_muszakiaknak/adatok.html Prof.Dr. Bárány Sándor, Dr. Baumli Péter, Dr. Emmer János, Hutkainé Göndör Zsuzsanna, Némethné Dr. Sóvágó Judit, Dr. Báder Attila Fizikai kémia műszakiaknak Videó a laboratóriumi gyakorlatokról; Miskolci Egyetem Elektronikus jegyzet; 011: htt://www.tankonyvtar.hu/hu/tartalom/tamo45/0001_1a_a3_0_ebook_fizikai_kemi a_muszakiaknak_video/adatok.html P. W. Atkins: Fizikai kémia I-III., ankönyvkiadó, Budaest, 00. Berecz Endre és munkatársai; Fizikai-kémia éldatár; ankönyvkiadó, Budaest, 1990. Prof. Ing. Anatol Malijevsk y, CSc., et al.; Physical Chemistry in brief; Institute of Chemical echnology, Faculty of Chemical Engineering, Prague, 005. htt://www.vscht.cz/fch/en/tools/breviary-online.df Ajánlott irodalom: (legalább 3 irodalom, lehetőleg 1 idegen nyelvű) Berecz Endre: Fizikai kémia, ankönyvkiadó, Budaest, 1980. Howard DeVoe; hermodynamics and Chemistry; Second Edition, Version 4, March 01. htt://www.chem.umd.edu/thermobook/v4-screen.df János örök, Liót Fürcht, ibor Bódi; PV roerties of reservoir fluids; University of Miskolc, 01. 4
.antárgytematika: Natári Hét 8. 9. 10. ELŐADÁS A fizikai kémia tárgya, kacsolata más tudományágakkal. Az anyagi rendszerekkel összefüggő alafogalmak. ermodinamikai tulajdonságok; állaothatározók, állaotjelzők, állaotfüggvények értelmezése. A fázisok és komonensek számának kacsolata. Nehézségek a hő természetének megértésében. A termodinamika 0. főtétele. A hőmérsékletmérés. A termodinamika I. főtétele; belső energia, térfogati munka, hő, hőkaacitás. A hőkaacitás hőmérsékletfüggése. Az entalia. A belső energia és az entalia hőmérsékletfüggései. Az I. főtétel gyakorlati alkalmazása; tökéletes gázok állaotváltozásainak energetikai leírása, tökéletes gázok adiabatikus állaotváltozása, körfolyamatok. Az entróia termodinamikai definíciója, statisztikus értelmezése. A termodinamika II. és III. főtétele. A belső energia transzformált függvényei; a szabadenergia, szabadentalia és a kémiai otenciál értelmezése. Az önként végbemenő folyamatok iránya és egyensúlya. A mechanikai-, termikus-, és kémiai egyensúly feltétele. A kémiai folyamatokat kísérő energiaváltozások; kéződéshő, reakcióhő, Hess-törvény, Kirchoff-törvény. GYAKORLA 1. közös óra és -3. tanköri óra: Alaismeretek áttekintése: Elegyek összetételének számolása. 1. közös óra és -3. tanköri óra: Számítások gáztörvények alaján (ismétlés). 1. közös óra és -3. tanköri óra: Számítások a termodinamika I. alkalmazásával (belső energia, térfogati munka, hő, entalia) 11. iszta anyagok termodinamikai sajátságai: ökéletes gázok termodinamikai sajátságai, gáztörvények ismétlése. Gázelegyek; Dalton törvény. Kinetikus gázelmélet. Reális gázok állaotegyenlete; kritikus állaot, Virial egyenlet, redukált állaothatározók, a megfelelő állaotok tétele, gázok fugacitása. Gázok belső energiája, a Joule-homson hatás Folyadék halmazállaot (ismétlés); felületi feszültség, felületaktív anyagok, viszkozitás definíciója. Szilárd halmazállaot (ismétlés); kristályos- és amorf anyagok, allotróia, kristályrács-tíusok. 1. közös óra: Számítások a termodinamika I. alkalmazásával (belső energia, térfogati munka, hő, entalia) -3. tanköri óra: A mérési eredmények kiértékelése, jegyzőkönyvek formai követelményei. Általános laboratóriumi ismeretek: laboratóriumi rend, balesetvédelmi és tűzvédelmi ismeretek, laborkárok térítése. 1-3. laboratóriumi mérések ismertetése. 5
1. KOMMUNIKÁCIÓS DOSSZIÉ Anyagi rendszerek, Fázisátmeneti folyamatok egyensúlya. 1. közös óra: Gibbs-féle fázistörvény, fázisdiagramok. Egykomonensű rendszerek: Halmazállaot-változások: gőzfolyadék egyensúly. A Clausius-Claeyron egyenlet, folyadékszilárd egyensúly. Szilárd-gőz egyensúly öbbkomonensű rendszerek. Folyadékok elegyedése: Ideális elegyek, arciális moláris mennyiségek, kritikus elegyedési hőmérséklet, Kémiai otenciál folyadékelegyekben; fugacitás, aktivitás. öbbkomonensű rendszerek gőz-folyadék egyensúlya; Rault törvénye, Konovalov törvények. Oldott komonens megoszlási egyensúlya két, egymással nem elegyedő fázis között: Nerst-féle megoszlási törvény. Számítások a termodinamika főtételeinek és az energiafüggvények alkalmazásával (entróia, szabad entalia) -3. tanköri óra: 1. Laboratóriumi gyakorlat* 13. 14. 15. Folyadékelegyek szétválasztása; többkomonensű rendszerek gőz folyadék fázisdiagramja; a desztilláció tíusai. Folyadékszilárd fázisdiagramok tíusai. Oldhatósági egyensúly; szilárd anyagok és gázok oldódása folyadékban, A Henry-Dalton törvény. Híg oldatok törvényei: kolligatív sajátságok; forrásont-emelkedés, tenzió-csökkenés, fagyásontcsökkenés, ozmózis. Számítások a híg oldatok törvényei alaján: fagyásont-csökkenés, forrásont-emelkedés. Egyensúlyok elektrolitokban: Az elektrolitos disszociáció. Disszociációs egyensúlyok (disszociációfok, víz-ionszorzat, H, erős- és gyenge elektrolitok, sók hidrolízise, ufferhatás). H számítási feladatok. Kémiai egyensúlyok: Kémiai reakciók végbemenetelének termodinamikai feltételei. Az egyensúlyi állandó. Homogén- és heterogén kémiai reakciók egyensúlya. Az egyensúly befolyásolási lehetőségei; Le Chatelier elve. Az egyensúlyi állandó hőmérsékletfüggése. Homogén- és heterogén kémiai egyensúlyokra vonatkozó számítások, a tömeghatás törvénye. Reakciókinetika: Kémiai reakciók sebessége. Fogalmak, definiciók. Reakciósebesség, aktiválási elmélet. 0., 1., és r. rendű reakció sebességi egyenlete, felezési ideje. Egyszerű reakciók sebességi egyenletének meghatározási módszerei: felezési idők módszere, szeudo-zérusrendek módszere, kezdeti sebességek módszere, a reakció előrehaladásának vizsgálata. 1. közös óra: Kéződéshő- és reakcióhő számítása, Hess-törvény és Kirchoff-törvény alkalmazása. -3. tanköri óra:. Laboratóriumi gyakorlat* 1. közös óra: Számítások gázelegyekre vonatkozóan a Dalton törvény alkalmazásával. -3. tanköri óra: 3. Laboratóriumi gyakorlat* 1. közös óra: öbbkomonensű rendszerek fázisegyensúlyára vonatkozó számítások: folyadékelegyek gőznyomás- és forrásont viszonyai, folyadékok árolgása (Clausius- Claeyron egyenlet, Raoulttörvény). 6
-3. tanköri óra: 4-6. Laboratóriumi mérések ismertetése. 16. 17. 1. óra: Zárthelyi I. (50 erc) -3. óra: A kémiai reakciók mechanizmusa: Összetett reakciók; Párhuzamos és sorozatos reakciók. Láncreakciók. Robbanások. A olimerizáció kinetikája. A reakciósebességi állandó hőmérsékletfüggése; Katalizátorok, inhibitorok. Határfelületi reakciók kinetikája. Homogén kémiai reakciók sebességével és a reakciósebesség hőmérséklet-függésével kacsolatos számítások. ranszort folyamatok: transzortfolyamatok általános jellemzése, kereszteffektusok. Elektromos töltéstranszort: alafogalmak (fajlagos elektromos vezetés, fajlagos ellenállás, disszociációs egyensúlyok ismétlése), ionmozgékonyság, átviteli szám, az elektromos vezetés hőmérsékletfüggése, az elektromos töltés transzortegyenlete, anyagi rendszerek elektromos vezetése (vezetők, szigetelők, félvezetők, szuravezetők).az elektromos töltéstranszort gyakorlati alkalmazása: elektrokémiai reakciók (ismétlés), elektródotenciál, a olarizáció értelmezése, túlfeszültség, elektródok tíusai, galvanizmus, elektrolízis, bontási feszültség, leválási otenciál. redoxi-folyamatok irányának becslése, Faraday-törvényei. Az elektrokémiai korrózió értelmezése. A korrózió megelőzésének elméleti alajai. 1. közös óra: öbbkomonensű rendszerek fázisegyensúlyára vonatkozó számítások: folyadékelegyek gőznyomás- és forrásont viszonyai, folyadékok árolgása (Clausius- Claeyron egyenlet, Raoulttörvény) folytatás. -3. tanköri óra: 4. Laboratóriumi gyakorlat* 1. közös óra: Elektrokémiai számítások: Elektrolízis, Faraday törvények -3. tanköri óra: 5. Laboratóriumi gyakorlat* 18. Imulzustranszort: viszkozitás, gázok és folyadékok viszkozitása. A viszkozitás hőmérsékletfüggése. Newtoni- és nem-newtoni folyadékok. Folyadékok áramlása csőben, Reynolds szám. Szilárd szemcsék mozgása viszkózus közegben; Stokes törvény Viszkozitás-mérési módszerek. 1. közös óra: Elektromos vezetőkéesség, elektródotenciál, elektromotoros erő fogalmának alkalmazásával kacsolatos feladatok 6. Laboratóriumi gyakorlat* 7
19. Anyagtranszort: diffúzió; diffúzió gázokban, öndiffúzió, Brown-mozgás, termo-diffúzió kondenzált rendszerek diffúziója, gáz diffúziója szilárd fázisba; Fick-I és Fick-II törvények. A diffúziós együttható meghatározása. Határfelületi jelenségek: felületi feszültség, felületi feszültség hőmérséklet-függése (Eötvös-törvény); folyadék-szilárd határfelület, nedvesítő- és nem nedvesítő folyadékok. Adszorció és kemiszorció (fogalmak, adszorciós izotermák, adszorbens felületének meghatarozása. Az adszorció gyakorlati alkalmazásai. Hőtranszort: a hővezetés, hőátadás és hősugárzás folyamatának értelmezése, transzortegyenletei. 1. közös óra: ZH számítási feladatokból -3. tanköri óra: Laboratóriumi gyakorlat* 1-3. óra: 0. 1-. óra Zárthelyi II. (100 erc) Számítási feladatok ismétlése *A laboratóriumi gyakorlatok ütemezése a gyakorlatvezetők által megadott beosztás szerint történik. A mérések számozása: 1. Só oldáshőjének meghatározása.. Oldott anyag megoszlási egyensúlyának vizsgálata. 3. Kétkomonensű gőz-folyadék rendszer egyensúlyának vizsgálata. 4. Az elektromos vezetés hőmérséklet-függésének vizsgálata. 5. Vizes oldatok viszkozitásának mérése Ostwald-Fenske-féle viszkoziméterrel. A viszkozitás hőmérséklet-függésének meghatározása. 6. 6.a. Heterogén kémiai reakció sebességének vizsgálata. 6.b. Elektrolit H-jának meghatározása H-mérő készülékkel 8
3.Vizsgakérdések I/A. ermodinamika 1. Definiálja a moláris térfogatot! Értelmezze az anyagi tulajdonságokat! Miért anyagtulajdonság a szilárd és folyékony anyagok sűrűsége és moláris térfogata? Anyagtulajdonság-e a gázok moláris térfogata? Anyagra jellemző tulajdonság-e a gázok sűrűsége? A termodinamikai rendszer és környezet fogalma. Jellemezze a homogén, heterogén és inhomogén rendszert! Mi a különbség az izotró és az anizotró rendszer között? Komonens és fázis fogalma. Írjon éldát homogén, több fázisú rendszerre!. Mi a termodinamikai fal feladata? Milyen áramok lehetségesek egy termodinamikai falon keresztül? Mi jellemzi a zárt-, nyitott-, és elszigetelt rendszert? Mit értünk egy rendszer állaotán? Melyek az ala állaotjelzők? Írja fel a tökéletes gázok állaotegyenletét! Hogyan fejezhetők ki a reális gázok, folyadékok és szilárd anyagok állaotegyenletei? Írjon éldát függő- és független állaothatározókra! Önként lejátszódó folyamatok végbemehetnek-e egyensúlyi rendszerekben? Mi a mechanikai-, termikus-, és kémiai egyensúly alavető feltétele? A fizikai kémiának mely területe foglalkozik az átmeneti állaot vizsgálatával? Extenzív és intenzív mennyiségek fogalma. Írjon éldát extenzív és intenzív mennyiségekre! 3. Mit jelent az a kijelentés, hogy valamely többváltozós függvény zárt görbe menti integrálja zérus? Írja fel az x(y 1,y ) kétváltozós függvény teljes differenciálját! Miért nem termodinamikai tulajdonság a munka és a hő? Mit nevezünk útfüggvénynek? Állaotfüggvény fogalma, legfontosabb állaotfüggvények. Mit nevezünk termodinamikai folyamatnak? Szabadsági fok értelmezése. Írja fel a Gibbs féle fázisszabályt! Mennyi egy egykomonensű, kétfázisú rendszer szabadsági fokainak száma? Értelmezze az alábbi kijelentést: A víz hármasontja 0,0099 0 C és 0,006 atm. Fogalmazza meg a termodinamika 0. főtételét! Definiálja a hőmérséklet és a nyomás fogalmát! 4. Fogalmazza meg és írja le matematikai egyenlettel a termodinamika I. főtételét! Jellemezze a belső energiát, mi annak fizikai értelmezése? Igazolja, hogy a belső energia állaotfüggvény! Definiálja a térfogati munka fogalmát! Mutassa be grafikus úton, hogy a térfogati munka útfüggő mennyiség! Mi jellemző a reverzibilis folyamatokra? -V diagramon hasonlítsa össze a reverzibilis és irreverzibilis térfogati munkát tágulásra és összenyomásra! Mi jellemzi az állandó térfogaton végbemenő térfogati munkát! Határozza meg az izobár térfogati munkát! örténik-e térfogati munkavégzés vákuumban történő szabad kiterjedés esetén? Hogyan számolja ki az izoterm térfogati munkát! 5. Mi a hő? Mondjon éldát hőátmenettel járó folyamatokra? Hogyan írható le az állandó térfogaton, ill. állandó nyomáson vett hőkaacitás? Írja fel a tökéletes gáz kétféle hőkaacitása (c m és c vm ) közötti összefüggést! Hogyan határozzuk meg egy adott hőmérséklet intervallumban valamely anyag közees hőkaacitását? Jellemezze az entaliát! Az entalia fizikai jelentése. Az entalia-változás számítása izobár melegítés ill. hűtés esetén. Mutassa be az entalia hőmérsékletfüggését sematikus ábrán! Mi jellemzi a tökéletes gázok adiabatikus reverzibilis állaotváltozását? 9
6. Jellemezze az ideális- és reális gázok belső energiáját. Jellemezze a Joule-homson effektust! Mondjon Joule-homson effektuson alauló gyakorlati éldát! Definiálja a körfolyamat fogalmát! Mutassa be az idealizált Carnot-körfolyamatot -V diagramon! Hogyan határozható meg egy körfolyamat munkája? Hogyan számolható egy hőerőgé termikus hatásfoka? Hogyan működnek a hűtőgéek? Hogyan határozható meg egy hűtőgé teljesítményszáma? 7. Fogalmazza meg a termodinamika II. főtételét! Mit nevezünk entróiának? Írja le az entróia termodinamikai definícióegyenletét! (A termodinamikai II. főtételének megfogalmazása az entróia segítségével is). Hogyan változik az önként végbemenő folyamatok entróiája zárt rendszerben? Írjon éldát olyan folyamatokra, amikor a zárt rendszer entróiája nő, ill. olyanokra amikor csökken! Ábrázolja sematikus ábrán az entróia hőmérsékletfüggését! Értelmezze az entróiát statisztikai módszerrel! (Az entróia statisztikus mechanikai definiciója). Fogalmazza meg a termodinamika III. főtételét! 8. Írja le a belső energiára vonatkozó fundamentális egyenletet! Melyek a belső energia transzformált függvényei! Jellemezze a szabadenergiát és a szabadentaliát! Mutassa be a szabad entalia hőmérsékletfüggését! Definiálja a kémiai otenciált! Állítsa növekvő nagyságrendi sorrendbe a termodinamikai állaotfüggvényeket (az entaliát, belső energiát, szabad energiát és szabad entaliát)! Önként végbemenő folyamatok irányát mely törvényszerűségek írják le! 9. Mi jellemzi az endoterm és exoterm folyamatokat? Mi a kéződéshő, reakcióhő és standard reakcióhő? Moláris hőkaacitás fogalma? Hogyan határozza meg egy adott vegyület kéződéshőjét és annak mi a gyakorlati jelentősége? Hogyan határozható meg laboratóriumi körülmények között a reakcióhő? A reakcióentalia hőmérsékletfüggése (Kirchoff törvény). Mit nevezünk latens hőnek? Fogalmazza meg Hess tételét! Igazolja azt konkrét éldán keresztül. I/B. GÁZOK 10. Mit fejez ki a Boyle-Mariotte törvény, a Charles törvény, a Gay-Lussac törvény, az Avogadro törvény, és az egyesített gáztörvény? Mutassa be -V diagramon az izoterm-, izobár-, izokór-, adiabatikus- és olitroikus állaotváltozásokat. Állandó térfogaton milyen állaotváltozással érhető el a legnagyobb nyomás? Hogyan fejezhető ki a gáztörvényből a gázok molekulatömege és sűrűsége? Mit fejez ki a Dalton törvény? 11. Írja le a kinetikus gázelmélet alafeltevéseit, határozza meg a gázmolekulák sebességét és az ideális gázok belső energiáját! A reális gázok Van der Waals féle állaotegyenlete, rajzolja fel a Van der Waals izotermákat különböző hőmérsékleten! Kritikus állaot fogalma, értelmezése. Írja fel a Virial állaotegyenletet! Hogyan számítható a komresszibilitási tényező? Definiálja a redukált állaotjelzőket! Mit fejez ki a megfelelő állaotok tétele. 10
I/C. EGY- ÉS ÖBBKOMPONENSŰ RENDSZEREK EGYENSÚLYA 1. Egykomonensű, több fázisú rendszerek fázisegyensúlyai: halmazállaot-változások értelmezése, árolgás- és forrás jelensége. Írja fel növekvő hőmérséklet (vagy csökkenő nyomás) szerint az egyes halmazállaot változásokat! Értelmezze a zárt és nyílt téri árolgás jelenségét! elített és telítetlen gőz fogalma. Rajzolja fel a víz fázisdiagramját (- diagram)! Írja fel a Clausius-Claeyron egyenletet, és mondja el annak gyakorlati jelentőségét! Kritikus állaot fogalma, különbség a gáz és gőz között. 13. Csoortosítsa a többkomonensű anyagi rendszereket a komonensek halmazállaotai és az anyagrendszer jellege alaján! Definiálja az elegy és az oldat fogalmát! Hogyan számítható ki a folyadék elegyek gőznyomása a Rault törvény alaján? Mire vonatkoznak a Konovalov törvények? Definiálja az azeotró összetételt! Szilárd anyagok és gázok oldódása folyadékban: a Henry-Dalton törvény. Oldott komonens megoszlási egyensúlya két, egymással nem elegyedő fázis között: Nerst-féle megoszlási törvény. 14. Mi mondható el az elegyek szabadentaliája és a komonensek kémiai otenciálja közötti összefüggésről, a fázisegyensúlyok feltételéről? Mutassa be grafikusan, hogyan függ a moláris elegyedési szabadentalia az összetételtől korlátlan-, korlátozott- és szételegyedés esetében! Mi jellemzi a nem elegyedő rendszerek szabadentaliáját? Definiálja az elegykéződést jellemző arciális moláris mennyiségeket! Mondjon éldát alsó-, felső-, valamint alsó- és felső kritikus elegyedési hőmérséklettel rendelkező folyadékokra! Ábrázolja ezek hőmérséklet-összetétel diagramját! 15. Mutassa be grafikusan egy kétkomonensű folyadékrendszer esetében, hogyan függ a komonensek arciális nyomása a móltört függvényében (állandó hőmérsékleten) ideális-, ozitív-, illetve negatív eltéréssel rendelkező elegyek esetében? Mi okozza az eltérést? Írjon éldát a különböző tíusokra! Értelmezze a kétkomonensű folyadékelegyek szétválasztásának elvét az ideális elegyre vonatkozó desztillációs görbe alaján! Mutassa be az azeotró desztilláció elvét! Mikor alkalmazna vízgőz desztillációt! 16. Híg oldatok törvényei: Értelmezze a tenziócsökkenés-, a forrásont emelkedés- és a fagyásont csökkenés törvényét! Definiálja a kolligatív tulajdonságok fogalmát! Értelmezze az ozmózis- és fordított ozmózis jelenségét! Mondjon éldát annak gyakorlati alkalmazására! Szilárd-folyadék egyensúlyok, szilárd-folyadék fázisdiagramok tíusai. I/D. KÉMIAI EGYENSÚLY 17. A kémiai egyensúly termodinamikai feltétele, a termodinamikai egyensúlyi állandó fogalma, a tömeghatás törvénye, Le Chatelier elve, a kémiai egyensúly befolyásolása (a katalizátor, a nyomás, a koncentráció- és hőmérséklet hatása az egyensúlyra, Az egyensúlyi állandó hőmérséklet-függése. Heterogén kémiai egyensúlyok. Egyensúlyok elektrolitokban. 11
II/A. REAKCIÓKINEIKA 18. A kémiai folyamatok sebessége és mechanizmusa, a reakciósebesség fogalma, a reakciósebességi állandó, a kémiai reakció rendje, nullad-, első- és másod rendű reakciók sebességi egyenleteinek levezetése, felezési idejének meghatározása, a kémiai reakciók molekularitása. Egyszerű reakciók sebességi egyenletének meghatározási módszerei: felezési idők módszere, szeudo-zérusrendek módszere, kezdeti sebességek módszere, a kinetikai adatok tanulmányozásához alkalmazott legfontosabb kísérleti módszerek. 19. Elemi reakciók fogalma, Összetett reakciók mechanizmusa: sorozatos reakciók (Bodenstein elv), robbanások, árhuzamos reakciók, egyensúlyi reakciók (az elő-egyensúly), a olimerizáció kinetikája. A reakciósebességi állandó hőmérséklet-függése. Katalízis, inhibíció. II/B. RANSZPORFOLYAMAOK 0. ranszortfolyamatok általános jellemzése, transzortfolyamatok fajtái, áram- és áramsűrűség definíciója, az általános transzort egyenlet, gradiens fogalma, extenzív- és intenzív állaotjelzők fogalma. A műszaki gyakorlatban fontos szereet játszó áramok, kereszteffektusok. 1. Imulzustranszort: viszkozitás értelmezése, fajtái, gázok- és gőzök, ill. folyadékok viszkozitása. A folyadékok viszkozitásának hőmérséklet- és összetétel-függése, térhálós folyadékok viszkozitása.. Folyadékok lamináris- és turbulens áramlása, Reynolds-szám, Folyadékok áramlása orózus közegben, szilárd szemcsék mozgása viszkózus közegben, a viszkozitás mérésének módszerei. 3. A diffúzió folyamatának általános jellemzése, a Brown mozgás, diffúzió gázokban és gőzökben, az öndiffúzió. Fick I. törvénye, alkalmazása a mérnöki gyakorlatban. A diffúziós tényező hőmérséklet-függése, a termo-diffúzió. 4. Diffúzió nem állandósult állaotban, Fick II. törvénye. Adszorció értelmezése, adszorciós izotermák, adszorbensekkel szemben támasztott követelmények, adszorció alkalmazási területei. 5. Felületi jelenségek, folyadékok felületi feszültségének fogalma, értelmezése, a mólfelületienergia fogalma, Eötvös törvény. Kailláris jelenségek, nedvesítő- és nem nedvesítő folyadékok, eremszög fogalma, a felületaktív anyagok hatásmechanizmusa. 6. A hő-transzort általános értelmezése, a hővezetés egyenlete, a hővezetés elvének alkalmazása a mérnöki gyakorlatban. A hőátadás értelmezése, a hővezetés és hőátadás együttes kezelése, hősugárzás, a Stefan- Boltzmann törvény. 7. Az elektromos töltéstranszort általános értelmezése, abszolút- és relatív ionmozgékonyság fogalma, fajlagos- és moláris elektromos vezetés értelmezése, disszociáció fok, átviteli szám, a hőmérséklet és összetétel hatása a fajlagos- és moláris vezetésre. 1
8. Vezetők, szigetelők, félvezetők definíciója, a vezetés tíusainak értelmezése a sávelmélet alaján, szuravezetők, a galvánelemek működésének bemutatása, az elektromotoros erő fogalma, a Nerst-féle elektródotenciál értelmezése, elektródok tíusai, a standard elektródotenciál, a Nernst-egyenlet, elektrolízis, Faraday törvények. Megjegyzés: A vizsgakérdésekre adott válaszok az előadáson bemutatott slide-ok, és az előadáson készített saját jegyzetek alaján teljes részletességgel megadhatók. Az előadás anyagát minden előadás után megkaják a hallgatók a közös email címükre elküldve. Kollokviumra beugró kérdések és azok megoldásai fizikai kémiából 1. ermodinamika I. főtétele Válasz: Kimondja, hogy egy zárt fizikai rendszer összes energiája időben állandó marad. Abból a taasztalatból indul ki, hogy egy rendszer akármilyen úton is jut el a kezdeti állaotból a végállaotba, a munka (W) és a hőmennyiség (Q) értékeiben beálló változások összegének állandónak kell lennie. Ezt az összeget kizárólag a rendszer kezdeti és végállaota határozza meg, és független attól, hogy az hogyan oszlik meg a munka és a hőmennyiség között. Ez az összeg tehát állaotfüggvény, amit belső energiának (U) nevezünk. du = Q + W. Rendszer fogalma Válasz: A természet azon része, amely a vizsgálat tárgya, és legalább elvileg elhatárolunk a környezetétől. 3. Hány fázisú egy homogén rendszer? Válasz: egyfázisú 4. Mit nevezünk desztillációnak? Válasz: A folyadékelegyek szétválasztása történhet desztillációval. A desztilláció a folyadékelegyek szétválasztását biztosító azon eljárás, művelet, melynek során az elegyet forrásontjára hevítjük, s a keletkező gőzöket az előzőtől független helyen kondenzáltatjuk. A módszer felhasználható folyadékok tisztítására vagy folyadékelegyek komonenseinek szétválasztására. 5. Gibbs féle fázis szabály Válasz: SZ = K-F+, ahol SZ a szabadsági fokok száma, K a komonensek száma, F a fázisok száma 6. Entróia fogalma Válasz: A rendszer rendezettségi állaotának a mértéke. A hőmérséklet csökkentésével a rendszer entróiája csökken. 0 K-en miden tiszta, stabilis állaotú, kristályos anyag tökéletes rendezett állaotban van; nullont entróiája 0. jele: S, mértékegysége: J/K dq ds, véges változásra: S Q 7. Sűrűség fogalma Válasz: Egységnyi térfogatú anyag tömege. Az abszolút sűrűség jele: ρ, mértékegysége: kg/m 3 8. Milyen halmazállaotokat ismer? Válasz: szilárd, folyadék, gáz és lazma állaotok 9. Mi a termikus egyensúly feltétele? Válasz: A hőmérsékletek egyenlősége 13
10. Abszorció fogalma Válasz: Abszorcióról beszélünk l. gáznak folyadékfázisban történő oldódásakor, amikor oldat kéződik (gázabszorció). Megjegyzés: A kollokviumi tételhúzáshoz 10 kérdésből legalább 8 kérdés helyes megválaszolása szükséges. 4. Minta zárthelyi A) Zárthelyi kérdések az előadások anyagból 1. 1 g hány gramm? 1 ont. Mennyi a moláris térfogata a szilárd magnéziumnak szobahőmérsékleten, ha sűrűsége 1,738 g/cm 3, moláris tömege 4,30 g/mol? ont 3. Mi a mechanikai egyensúly feltétele? 1 ont 4. Írjon két éldát extenzív mennyiségre? ont 5. Miért nem termodinamikai tulajdonság a munka? 1 ont 6. Mennyi az egykomonensű, kétfázisú rendszer szabadsági fokainak száma? 1 ont 7. Írja fel a tökéletes gázokra vonatkozó állaotegyenletet! Mit jelentenek abban az egyes jelölések? ont 8. Izobár folyamatban 40 g ideális viselkedésű hélium gáz hőmérsékletét 100 C-ról 50 C-ra csökkentjük 10 5 Pa nyomáson. Számítsuk ki a végzett munkát, a környezettel kicserélt hőt, a belsőenergia-, az entalia- és az entróia-változást! M(He) = 4 g/mol, C (He) = 0,9 J/mol.K. 6 ont 9. Mikor nevezünk egy folyamatot exotermnek? ont 10. A CO kéződéshője: -111 kj/mol; a vízgőz kéződéshője: -44 kj/mol. Számítsa ki a H 0(g) + C(sz) = CO(g) + H (g) reakció reakcióhőjét! ont 11. Fogalmazza meg a termodinamika II. főtételét! ont 1. Fogalmazza meg Dalton törvényét! 3 ont Megoldások: 1. 1 g = 10-6 g. ρ = M V m V m = M ρ g 4,3 = mol 1,738 g = 13,98 cm 3 g cm 3 3. A nyomások kiegyenlítődése. 4. Pl. anyagmennyiség, entalia 14
5. Mert útfüggvények, értéke függ a kezdeti és végállaot között megtett úttól. 6. SZ = K-F+ = 1-+ = 1 7. V = nr, ahol a gáz nyomása, V a gáz térfogata m 3 -ben, n a gáz anyagmennyisége mólban, R az egyetemes gázállandó, értéke 8,314 J/molK, a hőmérséklet K-ben. 8. n mhe M He 40g g 4 mol He 10 mol W V R R dv V 1 1 50 V 1 1 V n n 108,314 4 157 J Q H 33 ncd 10 0,9d 10 0,933 373-10 450 J 1 373 U Q W 10 450 4157-6 93 J. C 33 S n d nc ln 10 0,9ln 373 1 1-30,08 J/K 9. Az exoterm folyamatokban a rendszer hőt ad át környezetének, ezáltal a rendszer energia tartalma csökken, a környezeté növekszik. Előjele negatív. Pl. nátrium-hidroxid oldódása vízben. 10. A reakcióhő értékének számításához Hess tételét alkalmazzuk, amikor is a termékek sztöchiometriai együtthatóival figyelembe vett kéződés hőinek összegéből kivonjuk a kiindulási anyagok sztöchiometriai együtthatóival figyelembe vett kéződés hőinek összegét. Az elemek 5 C-on figyelembe vett kéződés hőjét nemzetközi megállaodás alaján 0-nak tekintjük. Ez alaján: Δ r H = (-111+0) kj - (-44+0) kj = +133 kj 11. A termodinamika II. főtétele: Az olyan géet, amely egyetlen hőtartály felhasználásával mechanikai energiát állítna elő, másodfajú eretuum mobile-nek nevezzük. A termodinamika II. főtételének homson szerinti megfogalmazása azonban kimondja a másodfajú eretuum mobile lehetetlenségét. Planck ugyanezen taasztalati törvényt úgy fogalmazta meg, hogy lehetetlen olyan eriodikusan működő géet készíteni, amely semmi mást nem tesz, csak teheremelési munkát végez és egyetlen hőtartályból hőt von el. ermészetesen az előbbi megfogalmazások egyenértékűek azzal a Clausius szerinti megfogalmazással, amely szerint hő nem mehet át hidegebb testről melegebb testre önmagától. Hő nem megy át a hideg asztalról a ohár vízbe, miközben a víz felforr. 1. Dalton törvény: A gázelegy össznyomása a komonensek arciális nyomásaiból additiven tevődik össze: 15
P tot = P a + P b + Parciális nyomás: az a nyomás, amit a gáz egyedül fejtene ki az adott körülmények között: P a = x a P tot Összesen 5 ont szerezhető, amelyből legalább 1,0 ont megszerzése szükséges! B) Zárthelyi dolgozat számolási feladatokból 1. Egy elegy,0 mol entánból és 3,0 mol hexánból áll. Milyen a folyadékelegy feletti gőz összetétele térfogatszázalékban, ha Megoldás: A folyadékelegy összetétele móltörtekkel kifejezve: nentán x entán 0,4 és x hexán 1 xentán 0, 6 n n 3 entán hexán 0 0 entán 1, 15 bar, és hexán 0, 36 bar? 3 ont Akkor kezd el forrni az elegy, ha az egyensúlyi gőznyomása (tenziója) eléri a külső légnyomás értékét. Számítsuk ki tehát értékét: A B 0 0 hex he xhetán hetán xhexán hexán 0,41,15 0,6 0,36 0,46 0,16 0, 676 bar A gőzelegy összetétele ezek után számítható a Dalton-törvény alaján: y hetán hetán hehex 0,46 0,676 0,68 hetán 68,00 %( V / V ) hexán 3,00 %( V / V ). 0,8 kg folyadék állaotú brómot állandó nyomáson 5 C-ról 80 C-ra melegítünk. Számítsuk ki az entalia- és az entróia-változást! A bróm normál forrásontja 58 C, 1 1 árolgási entaliája 31,08 kj/mol, M(Br ) = 160 g/mol. C l Br 71, 59 J K mol 5 331 98 5 1 1 Br 37,851,85 J K mol C g 10. 5 ont Megoldás: n 800 g / 160 g mol -1 = 5 mol Br H n 71,59d 531 08 5 571,59 1 f C d n 1 C d n l 353 331 V H n f C d g 5 37,85 1,8510 5 331 98 31 08 37,85353 331 1,8510 17 614 J 16 d 1 353 1 331
H 17 614 J S n 5 331 98 1 C 71,59 31 08 d 5 331 571,59ln d n 331 98 S 5,75 J/K f 1 l C vh d n n 353 331 93,90 37,85ln f f g C d 5 37,85 +1,8510-353 1,85 1 331 353 d 1 5,75 331 J K 3. 7 C-on a 3 dm 3 -es gázalackban lévő ideális gázelegy az alábbi komonenseket tartalmazza: g CO, 64 g O és,5 mol H. Számítsuk ki a gázelegy moláris tömegét, a nyomását és a komonensek arciális nyomását! 3 ont Megoldás: n g / 44 g mol -1 = 0,5 mol CO n 64 g /3 g mol -1 =,0 mol O n,5 mol H i n 5,0 mol 1 y i ni n i ami alaján y 0,1, y 0,4, y 0,5 CO O H J 5mol 8,314 300,15K nr mol K = 4,159. 10 6 Pa -3 3 V 310 m i y i CO 0,1. 4,157. 10 6 Pa = 4,159. 10 5 Pa 0,4. 4,157. 10 6 Pa = 16,636. 10 5 Pa O H 0,5. 4,157. 10 6 Pa = 0,795. 10 5 Pa 4. Számoljuk ki a víz közees árolgáshőjét 5 és 100 C között és a moláris árolgási entróia változását a normál forrásonton. A víz tenziója 5 C-on 3 16 Pa, 100 C-on edig 101 35 Pa. 4 ont 17
Megoldás: A Clausius-Claeyron egyenlet alaján felírhatjuk: ln 1 V Hm 1 1 R V Hm 1 R 1 1 V H m R 1 1 1 4 ln ln 4,910 8,314 J mol K 98K 373K 98K 373K 316Pa 10135Pa J mol 1 V Hm 4,9 kj mol -1 A árolgási entróia a normál forrásonton V H V S f 4 4,910 J mol 373,15 K 1 115 J mol -1 K -1 5. Számítsa ki, hogy milyen magasra nőhet egy fa maximálisan, ha sejtjeiben az ionkoncentráció legfeljebb c B =0,10 mol dm -3 lehet? A nai közéhőmérsékletet vegyük 10 o C-nak! (83,15 K)! A fa erezeteiben áramló híg oldat híg oldat sűrűségét ρ 10 3 kg/m 3 -nek vesszük. (4 ont) Megoldás: Az ozmózis nyomás a n V B R c B R B V nb R összefüggésből számítható: 0,1010 3 8,314 83,15 35,41kPa Az ozmózis nyomás egyensúlyt tart a fa erezetében áramló oldat hidrosztatikai nyomásával a sejtfalon keresztül, így a hidrosztatikai nyomás kéletéből h kifejezhető: 3 hidr g h 35,4110 Pa 35,4110 Pa h 3,5m magas lehet a fa. g 3 kg m 4 Pa 10 9,81 10 3 m s m 3 6. Számoljuk ki a 0,1 mol/dm 3 koncentrációjú NaOH oldat H-ját! ont Megoldás: Első léésként fel kell írnunk a disszociációs egyenletet: NaOH Na OH Látható, hogy 1 mol NaOH-ból, 1 mol OH - ion keletkezik, azaz amennyi a NaOH koncentráció, annyi lesz az OH - koncentráció is. Ebben az esetben, mivel lúgról van szó, első léésként nem a H-t, hanem a OH-t számoljuk ki. 18
OH lg OH OH lg0,1 OH 1 A H kiszámításához figyelembe kell vennünk, hogy H+OH=14 (5 C-on érvényes) ehát ennek a NaOH oldatnak a H-ja 13. 7. Határozzuk meg az 1 bar nyomáson lejátszódó Br (g) = Br(g) reakció egyensúlyi állandóját = 100 K hőmérsékleten, ha a reakcióentalia r H 0 = 01 kjmol -1, és 1 = 1106 K hőmérsékleten a nyomásokkal kifejezett egyensúlyi állandó értéke K 1 = 403. 4 ont Megoldás: Alkalmazzuk az egyensúlyi állandó hőmérsékletfüggését leíró van t Hoff egyenletet: dlnk d = d d r G 0 R = r H 0 R ahol K lehet K, K x vagy K a, r G 0 a standard reakcióentalia és r H 0 a standard reakciószabadentalia. Ennek a differenciál egyenletnek az adott hőmérséklet-tartományra vonatkozó határozott integrálját kéezve, ha r H 0 értékét a hőmérséklettől függetlennek tekintjük: ln K = r H 0 K 1 R 1 1 1 ln K 403 = 01 103 Jmol 1 8,314JK 1 mol 1 1 100K 1 1106K K =, 10 3 8. Egy elsőrendű reakció 50 erc alatt 40%-os mértékben játszódik le. Mennyi a sebességi állandója és a felezési ideje? Mennyi idő szükséges a 85%-os mértékű átalakuláshoz? Adatok: c A0 = 100%, c A40 erc = 60%, 40% átalakulás = 50 erc 5 ont Megoldás: Ha a reakció előrehaladása az 50. ercben 40%-os mértékű volt, az azt jelenti, hogy ekkor a kiindulási anyag 40 %-a átalakult, és 60%-a kiindulási anyagként bomolatlanul maradt. Az elsőrendű reakciók sebességi egyenlete alaján írható: 19
ln c A = k c 1 t A0 Azaz ln 60 100 = k 150erc k 1 = ln0,6 50 = 0,010 erc 1 A sebességi állandó ismeretében az elsőrendű reakciók felezési ideje számítható. t 1/ = ln 0,693 = = 67,9 erc k 1 0,010erc 1 A 85%-os átalakuláshoz tartozó időtartam: ln 100 85 100 = 0,010 erc 1 t Összes ontszám: 30 ont. Aláírás megszerzésének feltétele, hogy a hallgató min. 15 ontot szerezzen. C) Zárthelyi beugró kérdések a laboratóriumi mérésekből - Mit értünk megoszlás alatt? A laboratóriumi gyakorlat során mely elem egyensúlyi koncentrációját határozta meg? ont - Kétkomonensű gőz-folyadék rendszer egyensúlyi viszonyának vizsgálatánál a törésmutató mérése melyik fázisnál történik és miért? ont - Definiálja a moláris oldáshőt, írja fel a mértékegységét is! ont - Definiálja az elektromotoros erőt! ont - Fogalmazza meg a Le Chatelier elvet! ont A kérdésekre adott válaszok teljes részletességgel megtalálhatók a Fizikai kémia műszakiaknak című elektronikus jegyzet 5. fejezetében, ahol a laboratóriumi mérési gyakorlatok leírása található: htt://www.tankonyvtar.hu/hu/tartalom/tamo45/0001_1a_a3_0_ebook_fizikai_ke mia_muszakiaknak/adatok.html 0
5. Egyéb követelmények A kurzus eredményes teljesítése a félév során a kötelező óralátogatásokon túlmenően minimum heti 4 óra egyéni felkészülést (ismétlést, gyakorlást) igényel. Miskolc. 014. március 30. Dr. Lakatos János intézetigazgató Némethné Dr. Sóvágó Judit tantárgyjegyző 1