HalmazállapotokHalmazállapotokKristályos anyagok, atomrácsKristályos anyagok, atomrács

Szilárd anyagok: kémiai kötések az atomok/ionok/molekulák között

• Amorf: a részecskék elhelyezkedése rendezetlen, vagy csak kis körzetekben rendezett. Nincs határozott olvadáspontjuk = op (lágyulás → folyadék)

• Kristályos anyagok: a részecskék a tér minden irányában szabályos rendben helyezkednek el. Jól definiált (anyag azonosítására is használt) olvadáspontjuk van.

• Atomrács: rácspontokban atomok, melyek irányított egyszeres () kovalens kötéssel kapcsolódnak egymáshoz: gyémánt, Si, Ge, B, SiO2, ZnS, SiC

Kemények, hőt és elektromosságot nem vezetik, op magas, sem vízben, sem szerves oldószerekben nem oldódnak.

Gyémánt (Si, Ge, ZnS, SiC)Minden C atom körül tetra-éderes elrendeződésben van a többi azonos távol-ságra, azonos kötésszöggel.

109.5º

HalmazállapotokHalmazállapotokFémrácsFémrács

térben középpontos kockarács lapon középpontos kockarács hatszöges rács (Na, K, Fe, Cr) (Au, Ag, Al, Cu) (Mg, Ni, Zn)

Jellemzők:

• Rácspontokban pozitív töltésű fém atomtörzsek, amiket hozzájuk közösen tartozó delokalizált elektronok kötnek össze → vezetőképesség

• Erős kötés: kemény, magas op (Cr, W)

• Szürke szín (kivétel Cu, Au): minden típusú fotont elnyel (e--k gerjesztődnek)

• Oldhatóság: egymás olvadékaiban → ötvözet, ill. kémiai átalakulással savakban

+ + + + ++

++

+ + ++ + + + + + +

Leggyakoribb rácstípusok:

aranyrög

puha, megmunkálható

kemény, rideg

mindenféle

HalmazállapotokHalmazállapotokFémrács: ötvözetekFémrács: ötvözetek

Az ötvözet fémes anyag, mely legalább két kémiai elemből áll, s legalább az egyik fém. Legismertebbek: acél, sárgaréz (réz + cink), bronz (ón + réz)

Fizikai tulajdonságok, mint a sűrűség, reakciókészség, rugalmassági modulus, elektromos- és hővezető képesség általában nem mutatnak nagy eltérést az alkotóelemekéhez képest, de a mechanikai tulajdonságok, mint a szakító- és nyírószilárdság lényegesen különbözhetnek. Oka az atomok különböző mérete: a nagyobb atomok nyomóerőt fejtenek ki a szomszédos atomokra, míg a kisméretű atomok húzóerővel hatnak a szomszédjaikra, ami fokozza az ötvözet deformációval szembeni ellenálló képességét.

Előállítás: elsősorban fémek megolvasztásával és összekeverésével. A tiszta fémekkel ellentétben a legtöbb ötvözetnek nem jól definiált olvadáspontja

van, hanem olvadási tartománya:• Szolidusz: az a hőmérsékletet, amelyen az olvadás megkezdődik

• Likvidusz: az a hőmérsékletet, amelyen az olvadás befejeződik

• Eutektikus ötvözet: alkotóknak egy olyan aránya, amikor egyetlen olvadáspont létezik

HalmazállapotokHalmazállapotokÖtvözetek: szilárd oldatÖtvözetek: szilárd oldat

Olyan szilárd halmazállapotú homogén keverék, melyben a kisebb mennyiségű ”oldott anyag” nem változtatja meg az oldószer kristályszerkezetét. A

szerepekfel is cserélődhetnek.

• hasonló atomsugarak (<15% eltérés)

• azonos kristályszerkezet

• hasonló elektronegativitás

• hasonló vegyérték

A és B keverékének olvadása (hal-görbe):

• T2 alatt csak szilárd anyag van

• T1 felett csak olvadék van

• a görbe belsejében olvadék+szilárd keverék

• T1 – T2 között a szilárd illetve folyadék komponens összetétel a nyilak alapján

folyadék

folyadék+szilárd

szilárd oldat

Fázisdiagram

(K)

T2

T1

100%B

100%A

xszilár

d

xfolyadé

k70%A, 30%B 10%A, 90%B

szolidusz görbe

likvidusz görbe

HalmazállapotokHalmazállapotokÖtvözetekÖtvözetek

Csoportosítás kristályrács szerint:• Helyettesítéses (szubsztitúciós): Az alkotó elemek atomjai hasonló

méretűek, így a kristályrácsban egyszerűen helyettesíthetik egymást (pl. sárgaréz).

• Intersticiós: az egyik alkotóelem atomja lényegesen kisebb a másiknál, és a kisebb atomok beépülnek a nagyobb atomok közti (rácsközi) helyekre.

• Kristályrács, ami nem hasonlít egyik összetevő kristályrácsához sem (nagyon bonyolult). Ezek nagyon kemény, rideg fémvegyületek, pl. Fe3C (cementit), WC (volfrámkarbid).

Kétkomponensű rendszer eutektikus ponttal:

FolyadékT

p=állandó

x%

szilárd A + B

szilárd A + folyadék szilárd B +

folyadék

Eutektikus pont,hőmérséklet

A B

• A és B nem képez szilárd oldatot, a szilárd fázis a két anyag kristályainak heterogén keveréke

• Az eutektikus összetételű szilárd keverék egyszerre megolvad (úgy viselkedik, mintha egy anyagból állna), a többi összetételnél az olvadás egy hőmérséklet tartományban történik

HalmazállapotokHalmazállapotokIonrácsIonrács

Jellemzők:

• Rácspontokban szoros illeszkedéssel kationok és anionok vannak. Kifelé semleges.

• Kemények, ridegek, magas olvadáspontúak, elektromos áramot nem vezetik

• Olvadékuk és oldataik vezetők

• Többségük vízben oldódik, ionjaira disszociál

Leggyakoribb rácstípusok:

NaCl, lapon középpontos kockarács

CsI, térben középpontos kockarács

HalmazállapotokHalmazállapotokMolekularácsMolekularács

Jellemzők:

• Rácspontokban molekulák vannak, melyek másodlagos kötőerőkkel kapcsolódnak egymáshoz.

• Szinte minden szerves molekula, valamint H2, O2, N2, CO2 (szárazjég), stb.

• Keménység kicsi, olvadás- és forráspont alacsony, kis sűrűség, áramot sem szilárd, sem olvadt állapotban nem vezetik.

• Apoláris szerves oldószerekben (pl. CCl4) oldódnak.Jég: 16 különböző szilárd fázisú szerkezetben létezik.

• Hidrogénkötés

• Dipólus-dipólus kölcsönhatás

• Diszperziós kölcsönhatás0.8-12 kJ/mol

8-40 kJ/mol

Hexagonális kristályrendszer

GrafitGrafit

Három rácstípusból van benne:

• Szénatomok egyszeres kovalens kötéssel kapcsolódnak 3 szomszédjukhoz (atomrács).

• A negyedik elektron delokalizáltan van a kovalens kötésű síkokban (fémrács).

• A hexagonális szerkezetű síkok között másodlagos kötőerők hatnak (molekularács).

gyémánt

Ebből adódnak tulajdonságai:

• Magas op. (3700 ºC)

• Vezeti az áramot

• Jó kenőanyag (síkok egymáson elcsúsznak)

Kémiai reakciókKémiai reakciókreakcióegyenletekreakcióegyenletek

A kémiai reakciókban atomok/molekulák/ionok elektronszerkezete változik (kötések bomlanak fel, új kötések jönnek létre):

bomlás: CaCO3 = CaO + CO2

egyesülés: NH3 + HCl = NH4Cl

atom/atomcsoport csere („cserebomlás”): CaCO3 + HCl = CaCl2 + H2CO3 (→CO2 + H2O)

Reakcióegyenlet: reagáló anyagok => termékek

• tömegmegmaradás: azonos típusú atomok száma mindkét oldalon azonos

• töltésmegmaradás: töltések összege mindkét oldalon azonos (általában 0 )

• kémiai számítások alapja általában az egyenlet.

• Sztöchiometria: A reakcióegyenlet alapján kiszámítható a reagáló/keletkező anyagok mennyisége.

Kémiai reakciókKémiai reakciókkémiai számításkémiai számítás

Számítási példa:Számítsuk ki hány cm3 1 mol/dm3-es kénsav kell 2 dm3 normál állapotú HCl gáz készítéséhez a következő kiegészítendő reakcióegyenlet alapján: CaCl2 + H2SO4 = CaSO4 + HCl

Egyenlet rendezése anyagmegmaradás elve alapján:

CaCl2 + H2SO4 = CaSO4 + 2HCl

22,41 dm3 a térfogata 1 mol HCl gáznak normál állapotban (0 ºC, 0,1 MPa)Ez alapján 2 dm3 HCl megfelel (1/22,41)*2=0,089 molnak

2 mol (molekula) HCl fejlesztéséhez kell 1 mol (molekula) H2SO4

0,089 mol HCl fejlesztéséhez kell (1/2)*0,089=0,0445 mol H2SO4

1 mol H2SO4 van 1000 cm3 (1 dm3) 1 mol/dm3-es oldatban0,0445 mol H2SO4 van (1000/1)*0,0445=44,5 cm3 oldatban

Tehát 44,5 cm3 1 mol/dm3-es H2SO4 oldat kell.

Kémiai reakciókKémiai reakciókkémiai számításkémiai számítás

Számítási példa:Számítsuk ki hány g 36 m/m%-os HCl oldat kell 100 g FeCl3 készítéséhez a következő kiegészítendő reakcióegyenlet alapján: Fe2O3 + HCl = FeCl3 + H2O MFe=55.8, MO=16, MCl= 35.5, MH=1

Egyenlet rendezése anyagmegmaradás elve alapján:

Fe2O3 + 6HCl = 2FeCl3 + 3H2O

Molekulatömegek: MFeCl3=162,3, MHCl=36.5

100 g FeCl3 = (1/162,3)*100 = 0,616 mol

2 mol FeCl3 keletkezése igényel 6 mol HCl-at0,616 mol FeCl3 keletkezése igényel (6/2)*0,616=1,848 mol = 1,848*36,5=67,452 g HCl-at

36 g HCl van 100 g 36 m/m%-os HCl oldatban67,452 g HCl van (100/36)*67,452=187,37 g HCl oldatban

Tehát 187,37 g 36 m/m%-os HCl oldat kell.

Kémiai reakciókKémiai reakciókreakcióhőreakcióhő

Reakcióhő (Qr, kJ): reakcióegyenlet által definiált reakció hőváltozása

A kémiai reakciókban kötések bomlanak fel és új kötések alakulnak ki.

• Kötésfelbomlás: energia befektetést igényel (+ előjel)

• Kötés kialakulás: energia szabadul fel (- előjel)

• Ha fázisátalakulás történik, annak is van energiavonzata. Pl. gáz kondenzálása energia felszabadulással jár a szilárd fázisbeli kötések

kialakulása miatt.

• Exoterm reakció: energia szabadul fel (C + O2 = CO2, Qr < 0)

• Endoterm reakció: energiát igényel (H2O → H2 + ½O2, Qr > 0)

Képződéshő (Qk, kJ/mol): annak a reakciónak az energiaváltozása, melyben egy vegyület 1 mólja standard körülmények (25 ºC, 0,1 MPa) között alapállapotú elemeiből keletkezik. Alapállapotú elemek képződéshője standard körülmények között 0 kJ/mol.

Kémiai reakciókKémiai reakciókreakcióhőreakcióhő

Hess tétel: a reakcióhő független a reakció útjától (általában többféle útvonal van), csak a kezdeti és végállapottól függ.

Reakcióhő a képződéshőkből: a termékek együtthatókkal szorzott képződéshői-nek összegéből levonjuk a kiindulási anyagok együtthatókkal szorzott képződés-hőinek összegét.

I. CaCO3 + 2HCl = CaCl2 + CO2 + H2O Qr = QkCaCl2 + QkCO2 + QkH2O – QkCaCO3 – 2QkHCl

II. CaCO3 = CaO + CO2

CaO + 2HCl = CaCl2 + H2O Qr = QkCaO + QkCO2 + QkH2O + QkCaCl2 – QkCaO - QkCaCO3 – 2QkHCl

A CaO csak átmeneti termék, keletkezik és megszűnik, ezért képződéshője a

II. összetett reakcióban kiesik.Reakcióentalpia (H, kJ): ugyanaz mint a reakcióhő, csak ki van kötve a nyomás állandóságának feltétele (zárt edényben gázok reakciójakor lehet különbség ha mólszám változás van)

Entrópia (S, kJ/K): egy rendszer rendezetlenségének mértéke. A rendezetlenség

kedvezőbb állapot:• kristályos anyag oldódása (oldott anyag oldószerben való eloszlása)• gázok keveredése (kibocsátott CO2, füst)A természetes folyamatokat az irányítja, hogy:• csökkenjen a rendszer energiája (energia-felszabadulás)• növekedjen a rendezetlenség mértéke

Ezt fejezi ki a szabadentalpia: G = H – TS

Valamely folyamat (kémiai reakció) szabadentalpia változása:

G = H – TS

Spontán folyamat akkor megy végbe, ha szabadentalpia változás negatív (G<0).

Az entrópia tagnak inkább csak magas hőmérséklet esetén (T > 1500 K) van

jelentősége, szobahőmérsékleten általában elhanyagolható, azaz

G ≈ H

Kémiai reakciókKémiai reakciókSzabadentalpiaSzabadentalpia

G: szabadentalpia, kJH: entalpia, kJT: hőmérséklet, K

Kémiai reakciókKémiai reakciók

Kémiai reakció feltételei:• részecskék ütközése – nagyobb koncentrációban gyakoribb:

• a részecskék megfelelő térhelyzetben legyenek

Aktiválási energia (kJ/mol): az az energiatöbblet, amelynek következtében a részecskék átalakulásra képes aktív állapotba jutnak = az aktivált komplexum keletkezéséhez szükséges energia

Aktivált komplexum:• részecskék ütközés utáni nagyon rövid ideig tartó összekapcsolódása

• tartalmazza mind a megszűnő, mind a létrejövő kötéseket, de azok sokkal gyengébbek, hosszabbak mint a kiindulási ill. termék molekulákban

• kötésszögek teljesen másokAktivált

komplexum

Reakcióút Termékek

Ea E’

a Reaktánsok

Reaktánsok

Átmeneti komplexum Termék