Kovcs AttilaKmiatermktervezknekBME, Szervetlen s Analitikai Kmia TanszkMTA-BME Anyagszerkezeti s Modellezsi Kutatcsoportakovacs@mail.bme.huhttp://amkcs.ch.bme.hu/ka.htmTel.: 463-22-78

Ch. plet

Kurzussal kapcsolatos tudnivalkVizsgaidszakban rsbeli vizsgaOpcionlis: vkzben eladsidben 3 db zrthelyi megajnlott jegy

Eladsanyag (ppt) honlaprl elre letlthet

Elads: K140, 17.15 - ??

http://amkcs.ch.bme.hu/ka.htm(Idpont megegyezs szerint, csak az utols elads napja fix)

A kmia helye a termszettudomnyok kztt

Mirt van szksge a gpsz termkterveznek kmiai tudsra?Vegyiparban, kutatintzetekben, egyb laborokban gpekkel, mszerekkel dolgoznakGpeket felpt anyagnak vannak kmiai vonatkozsai

Gpek mkdsnek kmiai vonatkozsaifm, tvzet, manyagmegfelel szilrdsg, krnyezeti hatsokkal szembeni ellenllsgmkdsbiztosts (kenolaj)megmunklt anyag tulajdonsgaimszerekkel nyert kmiai informci (gp clja)

Tematika ltalnos kmia Szervetlen kmia Szerves kmiaAtomok, molekulk, kmiai ktsekPeridusos rendszer (http://www.ptable.com/)Anyagi halmazok (gz, folyadk, szilrd, tvzetek)Kmiai reakcik (reakciegyenlet, egyenslyok, energetika)Elektrokmia (galvnelem, akkumultor, korrzi)

Tematika ltalnos kmia Szervetlen kmia Szerves kmiaElemekAlkli-, alklifld- s tmeneti fmek vegyleteiNemfmes elemek vegyletei

Tematika ltalnos kmia Szervetlen kmia Szerves kmiaAlifs vegyletekAroms vegyletekAlkoholok, karbonsavak, aminokPolimerek (Dr. Wagner dn)

Az atomAz atom az anyag azon legkisebb stabil rsze, melyre az anyag kmiai ton bonthat. A klnbz elemek klnbz atomokbl llnak. Az adott atom hatrozza meg az adott elem kmiai tulajdonsgait.Atomok egymsba val talaktsa csak nagy energij magreakcikkal trtnhet:Radioaktv bomls (14C 14N + e-, felezsi id 5700 v)Maghasads (235U + n0 kisebb atomok + 2-3 n)Magfzi (2H + 3H 4He + n0)Az atomok mrete: 10-10 m (1 ) nagysgrendnyi. Az atomok tmege: 10-27-10-25 kg kztt.Makroszkopikus dimenzi: 1 ml = 6.022.1023 db rszecske (atom, molekula)Molris tmeg: 1 ml anyag tmege.Avogadro-fle lland, NA

Az atom felptseelemi rszecskk: atommag + elektronok

ElektronokJellemzk:Atommag elektronok kztti vonzsElektron elektron tasztsElektron mozog (tartzkodsi valsznsg)Energiaminimumra val trekvs = alacsonyabb energia kedvezbb (helyzeti energia analgja)Az elektronok a kb. 10-15 m tmrj atommagok krl mozognak meghatrozott energij s alak elektronplykon. Elektronplya (atomok esetben atomplya) = ahol az elektron mozgsa kzben 90%-os valsznsggel megtallhat.Tovbbi fogalmak:Alapllapot: minden elektron a legalacsonyabb energij plyn vanGerjesztett llapot: egy vagy tbb elektron magasabb E-j plyn (instabil)Plyaenergia: felszabadul, ha az elektron az atomon kvlrl belp

ElektronszerkezetFkvantumszm (n): elektronhjat definilja (K, L, M, N, )Mellkkvantumszm (l): elektron alhjat definilja (s, p, d, f, )K (n=1): 1s2L (n=2): 2s2, 2p6M (n=3): 3s2, 3p6, 3d10N (n=4): 4s2, 4p6, 4d10, 4f14Az elektronok az atommag krl jl definilt rendszer szerint mozognak. Az atomplyk elektronhjakba/alhjakba csoportosthatk, melyeket kvantumszmokkal jellemznk.Mgneses kvantumszm: atomplya trbeli irnya mgneses trbenrtke: egsz szm -l +l tartomnyban1-fle s plya (2 db s e-)3-fle p plya (6 db p e-)5-fle d plya (10 db d e-)7-fle f plya (14 db f e-)Spinkvantumszm: +1/2 s -1/2Kt elektron lehet minden plyn

Atomplyk rszletesenBodonyi F., Pitter Gy.: Kmiai sszefoglal, Mszaki Knyvkiad, Budapest

ElektronszerkezetPlyaenergik s bepls:K (n=1): 1s2L (n=2): 2s2, 2p6M (n=3): 3s2, 3p6, 3d10N (n=4): 4s2, 4p6, 4d10, 4f14Hund szably: egy alhjon adott szm elektron gy helyezkedik el, hogy maximlis legyen a prostatlan spin elektronok szma. Pl. Fe 3d6 betltttsge:Pauli elv: egy atomban nem lehet kt olyan elektron, melynek mind a ngy kvantumszma megegyezik. Azaz minden cellban maximum kt (ellenttes spin elektron) lehet csak.Plyaenergik sorrendje kicsit eltr:1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, (lsd majd a peridusos rendszert)Bodonyi F., Pitter Gy.: Kmiai sszefoglal, Mszaki Knyvkiad, Budapest

Elektronszerkezet28Ni elektronszerkezet felplse:28 elektron1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, 4s2, 3d8Vegyrtkelektronok: 4s2, 3d8Vegyrtkelektronok: teltetlen hj(ak)on lev elektronok. Ezek vesznek rszt kmiai reakcikban s a msik atomokkal val klcsnhatsokban.Atomtrzs: atommag + nem vegyrtkelektronok (kmiailag inert)

Lngfests (gerjeszts)A lngban az elektronok a h hatsra magasabb energij plyra kerlnek. A gerjeszts utn az energiaszinteknek megfelel energia-klnbsg kisugrzsa kzben visszakerlnek az eredeti energia-szintre. Egyes elemeknl a kibocstott foton hullmhossza a lthat fny tartomnyba esik.3s 3p h foton kibocsts Na:

Lngfests (szilveszter)

Tzijtk raktaBegyjts a bal oldalon lev gyjtzsinrral.A motortrben lev feketelpor gse gzt termel, mely hajtja a raktt.Ha a feketelpor elfogy, begyullad a robbanfej: csillagok, stb.Sznek:vrs: stroncium-klorid, stroncium-hidroxid stroncium-nitrt zld: brium-klorid,kk: rz-oxid, rz-klorid bbor: rz-klorid + stroncium-kloridlila: stroncium-klorid, ltium-klorid halvny ibolya: klium-klorid

Fluoreszcencia(UV fnnyel besugrozva)Kalcit (CaCo3)Gipsz (CaSO4)Fluorit (CaF2)http://www.mineraltivadar.hu/AboutTheMinerals.htm

Fluoreszcencia (foszforeszcencia)(G. G. Stokes, 1852, fluorit) Nhny anyag UV fnnyel megvilgtva elnyeli az UV sugrzst s helyette lthat fnyt bocst ki.Magyarzat: UV foton hatsra egy vegyrtkelektron magasabb energij plyra gerjesztdik: EUVfoton=DEelektron + egyb gerjeszts.A rendszer az egyb gerjesztett llapotbl relaxldik.Az elektron visszaugrik az alapllapotba DEelektron-nak megfelel lthat tartomnyba es foton kisugrzsa kzben.Fluoreszcencia: 10-9 sFoszforeszcencia: 10-3 103 s

Peridusos rendszer(Mengyelejev, 1869)f-mez(fmek)http://www.ptable.com/d-mez(fmek)p-mez(nemfm, flfm, fm)s-mez(fmek)nemesgz csoport: zrt hj, extra stabilRendezs elve:nvekv rendszm (elektronszm, atomtmeg)hasonl vegyrtkelektron szerkezet egyms alatt

Kmiai ktsekAz atomok kmiai ktsekkel kapcsoldnak egymshoz molekulkat vagy nagyobb rendszereket alkotva:Elsrend ktsek (ltalban atomok kztt)

Msodrend ktsek (ltalban molekulk kztt)Ionos ktsKovalens kts (koordinatv kts)Fmes ktsHidrognktsDiplus-diplus klcsnhatsDiszperzis klcsnhatsElektronegativits: az atom elektronvonz kpessge. Kt atom klcsnhatsakor a nagyobb elektronegativits kpes bizonyos fokig elszvni a msik egyes vegyrtkelektronjait.Kis elektronegativits: s-, d-, f-mez fmei (ENCs=0.7)Nagy elektronegativits: p-mez nemfmes elemei (ENF=4)Vltozs: csoportban felfel, sorban jobbra n.Nemesgz elektronszerkezetre val trekvs = stabilits!

Ionos ktsEgy negatv s egy pozitv tlts ion kztti elektrosztatikus (Coulomb-fle) vonzer.Anion: semleges atombl elektron felvtellel (nemfmes elemek: F-, Cl-, O2-)Kation: semleges atombl elektron leadssal (fmek: Na+, Ca2+, Al3+, stb.)(Els) Ionizcis energia (Ei): energia, mely ahhoz szksges, hogy semleges atombl egyszeres pozitv tlts kation kpzdjk.Elektronaffinits (Ea): energia, mely felszabadul (vagy szksges ahhoz), hogy semleges atombl egyszeres negatv tlts anion kpzdjk.Ktstvolsg: elektrosztatikus vonzs s taszt (mag-mag, e--e-) erk egyenslya hatrozza megVegyletkpzs: Al2O3 semleges!

Kovalens ktsAz atomok nemesgz elektronszerkezete elektronmegosztssal alakul ki.Nhny (2 - 4 - 6) elektron kzss vlik, majd a kzs elektronok sszekapcsoljk az atomokat.Jellemz: nemfmes elemekreMolekulaplya: ahol az elektron kt vagy tbb atommag erterben 90%-os valsznsggel tartzkodik. A molekulaplya a ktsben rsztvev elektronok eredeti atomplyibl, azok kombinldsval alakul ki. Emiatt tkrzi bizonyos fokig az atomplyk tulajdonsgait.Eatomplykkt molekulaplyalazt molekulaplyaKt molekulaplya alacsonyabb energij mint az atomplyk, elektronok szmra kedvezbb.Ez a kmiai kts hajtereje!*

Kovalens ktss (egyszeres) ktsJellemz: az elektronsrsg maximuma a kt atomot sszekt egyenes (ktstengely) mentn van.Kialakulhat:s s elektronok kztts p elektronok kzttpx px elektronok kztthttp://dl.clackamas.edu/ch106-02/sigma.htmEgyszeres kts = egyvegyrtk atom az egyik partner:hidrogn vegyletei (HBr, H2O, NH3, CH4)halognek vegyletei (F2, Cl2, SCl2, PF3, CCl4)EF F2 F

Kovalens ktsp ktsJellemz: a kt atomot sszekt egyenes (ktstengely) mentn nincs elektron, az elektronsrsg az egyenes alatt s felett pl ki (kt rintkezsi pont, de csak egy kts!). A gyengbb p-p tlapols miatt a p ktsek gyengbbek mint a s kts. Ezrt a tbbszrs ktsekben az egyik ltalban s kts, csak a msodik illetve harmadik p.Kialakulhat:py py elektronok kzttpz pz elektronok kztthttp://dl.clackamas.edu/ch106-02/sigma.htmp kts = kt- vagy hromvegyrtk atomok kzttketts kts (O2, CO2, SO2, SO3, H2C=CH2)hrmas kts (N2, HCCH, HCN)

a msodik p merleges az els skjrap atomplyks plyap plykEN N2 N

Kovalens ktsMirt nincs kovalens kts He2 molekula? (2e- kt, 2e- lazt plyn lenne)EEEatomplykktlazt

Kovalens ktsKoordinatv (datv) kts:A kt elektronprt az egyik atom adja (volt nemkt elektronprja)Pl. p atomplyks plyap plykC (2s2 2p2)O (2s2 2p4)Vegyrtk: egy adott molekulban az adott atomhoz tartoz kt elektronprok szma.HCl (1;1), H2O (1;2), NH3 (3;1), CH4 (4;1), H2S (1;2), SO2 (4;2), SO3 (6,2) Molekulk kztt is:H3B + NH3 H3B NH3S vegyrtkhja: 3s2 3p4 3d0kis energia befektetssel talakulhat: (a) 3s2 3p3 3d1 illetve (b) 3s1 3p3 3d2-v(a)(b)

Trbeli alaklineris(Ca2+: 3s0)3D szerkezet: a kzponti atom nemkt elektronprjainak s a s kt elektron-prok klcsnhatsa hatrozza meg. Cl:a kt s nemkt elekronprok egymstl legtvolabb helyezkedjenek ela rendelkezsre ll legnagyobb teret foglaljk elnemkt elektronpr trignye nagyobb (NH3 piramis mg CH4 tetrader)skhromszg(B: 2s22p1)piramis(N: 2s22p3)tetrader(C: 2s22p2)CH4: a szn vegyrtkelektronjai a CH ktsek kialaktsa eltt trendezdnek2s22p22s12p3sp3 hibridplyk azonos energijak: ekvivalens ktseket kpeznekE180120107.3109.5

PolaritsKtsek polaritsa:Az eltr elektronegativits atomok polris ktseket ltestenek. A nagyobb elektronegativits atom jobban vonzza maga fel a kt elektronprt: a kts elektronfelhje torzul. Megbomlik a tltsegyensly, a nagyobb elektronega-tivits atom parcilisan negatv, mg a msik parcilisan pozitv tlts lesz. Pl. HCl, CO, H2O.Apolris kts van azonos atomok kapcsoldsa esetn. Pl. H2, O2, N2, F2. Molekulk polaritsa:Apolris kts esetn a molekula is apolris.Polros ktssel kapcsold ktatomos molekulk polrisak.Polris ktssel kapcsold tbbatomos molekulk polaritsa fgg a szimmetritl:szn-dioxid: apolrispozitv s negatv slypont egybeesikOCOHOHvz: ers diplus105d-d+d+d-d-d+

Fmes ktsA fmek kis elektronegativitsuk miatt knnyen leadjk vegyrtk elektronjaikat. Szilrd s olvadt halmazllapotban pozitv tlts fmatomtrzsek s delokalizlt (helyhez nem kttt) elektronrendszer jn ltre. A szilrd halmazllapotban kialakul szerkezet a fmrcs:Alapja a fmes tulajdonsgok:elektromos vezetsj hvezetsmegmunklhatsg (ugyanolyan krnyezet mint megmunkls eltt)

Msodrend ktsek(ltalban molekulk kztt)Hidrognkts: O-H/N-H/Halogn-H ktsek nagy polaritsa miatt nagyon kicsi a H krli elektron-srsg. Emiatt kzelben lev msik elektronegatv atom vonzza a H-t. Vegyes ionos - kovalensjelleg a klcsnhats. Annl ersebb, minlelektronegatvabbak a nem-H atomok.Diplus-diplus klcsnhats: aszimmetrikus elektronsrsg (tlts) eloszlssal rendelkez molekulk kztt. Pl. CODiszperzis klcsnhats: apolris molekulk trkzelbe kerlve tudjk egymst polarizlni, kistlts induklt diplusok jnnek ltre. Pl. dihalognek (F2, Cl2, Br2) Nagyobb mret ersebb polarizci.Elsrend ktsek ktsi energija: 80-850 kJ/molMsodrend ktsek (ltalban molekulk kztt)HidrognktsDiplus-diplus klcsnhatsDiszperzis klcsnhats0.8-12 kJ/mol8-40 kJ/mol1.9 1.0

Tallkozunkszeptember 21-n ugyanekkor, ugyanitt.