Kovács Attila

1. Kovács Attila Kémia terméktervezőknek BME, Szervetlen és Analitikai Kémia Tanszék MTA-BME Anyagszerkezeti és Modellezési Kutatócsoport akovacs@mail.bme.hu http://amkcs.ch.bme.hu/ka.htm Tel.: 463-22-78

2. Ch. épület

3. Kurzussal kapcsolatos tudnivalók • Vizsgaidőszakban írásbeli vizsga • Opcionális: évközben előadásidőben 3 db zárthelyi  megajánlott jegy • Előadásanyag (ppt) honlapról előre letölthető • Előadás: K140, 17.15 - ?? (Időpont megegyezés szerint, csak az utolsó előadás napja fix) http://amkcs.ch.bme.hu/ka.htm

4. A kémia helye a természettudományok között

5. Miért van szüksége a gépész terméktervezőnek kémiai tudásra? • Vegyiparban, kutatóintézetekben, egyéb laborokban gépekkel, műszerekkel dolgoznak • Gépeket felépítő anyagnak vannak kémiai vonatkozásai • Gépek működésének kémiai vonatkozásai • fém, ötvözet, műanyag • megfelelő szilárdság, környezeti hatásokkal szembeni ellenállóság • működésbiztosítás (kenőolaj) • megmunkált anyag tulajdonságai • műszerekkel nyert kémiai információ (gép célja)

6. Tematika • Általános kémia • Szervetlen kémia • Szerves kémia • Atomok, molekulák, kémiai kötések • Periódusos rendszer (http://www.ptable.com/) • Anyagi halmazok (gáz, folyadék, szilárd, ötvözetek) • Kémiai reakciók (reakcióegyenlet, egyensúlyok, energetika) • Elektrokémia (galvánelem, akkumulátor, korrózió)

7. Tematika • Általános kémia • Szervetlen kémia • Szerves kémia • Elemek • Alkáli-, alkáliföld- és átmeneti fémek vegyületei • Nemfémes elemek vegyületei

8. Tematika • Általános kémia • Szervetlen kémia • Szerves kémia • Alifás vegyületek • Aromás vegyületek • Alkoholok, karbonsavak, aminok • Polimerek (Dr. Wagner Ödön)

9. Az atom Az atom az anyag azon legkisebb stabil része, melyre az anyag kémiai úton bontható. A különböző elemek különböző atomokból állnak. Az adott atom határozza meg az adott elem kémiai tulajdonságait. Atomok egymásba való átalakítása csak nagy energiájú magreakciókkal történhet: • Radioaktív bomlás (14C → 14N + e-, felezési idő 5700 év) • Maghasadás (235U + n0→ kisebb atomok + 2-3 n) • Magfúzió (2H + 3H → 4He + n0) Az atomok mérete: 10-10 m (1 Å) nagyságrendnyi.Az atomok tömege: 10-27-10-25 kg között. Makroszkopikus dimenzió: 1 mól = 6.022.1023 db részecske (atom, molekula) Moláris tömeg: 1 mól anyag tömege. Avogadro-féle állandó, NA

10. Név (jel) Tömeg (kg) Töltés (C) Relatív Relatív tömeg töltés • Proton (p+) 1,673.10-27 +1,6.10-19 1 +1 • Elektron (e-) 9,109.10-31 -1,6.10-19 1/1840 -1 • Neutron (n0) 1,675.10-27 0 1 0 • + kb. 200 kis részecske Jellemzők: • Az atom semleges: protonok és elektronok száma azonos • Vegyjel: C, N, O, H, Al, Fe, stb. • Rendszám: protonszám (jelölés: 6C) • Tömegszám: protonok + neutronok száma (ezek a nukleonok), pl. 12C Izotóp: azonos protonszám mellett eltérő neutronszám, pl. 14C 6 6 Az atom felépítéseelemi részecskék: atommag + elektronok

11. Elektronok Az elektronok a kb. 10-15 m átmérőjű atommagok körül mozognak meghatározott energiájú és alakú elektronpályákon. Elektronpálya (atomok esetében atompálya) = ahol az elektron mozgása közben 90%-os valószínűséggel megtalálható. Jellemzők: • Atommag – elektronok közötti vonzás • Elektron – elektron taszítás • Elektron mozog (tartózkodási valószínűség) • Energiaminimumra való törekvés = alacsonyabb energia kedvezőbb (helyzeti energia analógja) További fogalmak: • Alapállapot: minden elektron a legalacsonyabb energiájú pályán van • Gerjesztett állapot: egy vagy több elektron magasabb E-jú pályán (instabil) • Pályaenergia: felszabadul, ha az elektron az atomon kívülről belép

12. Alhéj: egyúttal különböző alakú pályákat jelent: • s (l=0) • p (l=1) • d (l=2) • f (l=3) Elektronszerkezet Az elektronok az atommag körül jól definiált rendszer szerint mozognak. Az atompályák elektronhéjakba/alhéjakba csoportosíthatók, melyeket kvantumszámokkal jellemzünk. Főkvantumszám (n): elektronhéjat definiálja (K, L, M, N, …) Mellékkvantumszám (l): elektron alhéjat definiálja (s, p, d, f, …) • K (n=1): 1s2 • L (n=2): 2s2, 2p6 • M (n=3): 3s2, 3p6, 3d10 • N (n=4): 4s2, 4p6, 4d10, 4f14 • …… Mágneses kvantumszám: atompálya térbeli iránya mágneses térben Értéke: egész szám -l … +l tartományban • 1-féle s pálya (2 db s e-) • 3-féle p pálya (6 db p e-) • 5-féle d pálya (10 db d e-) • 7-féle f pálya (14 db f e-) Spinkvantumszám: +1/2 és -1/2 Két elektron lehet minden pályán

13. Atompályák részletesen Bodonyi F., Pitter Gy.: Kémiai összefoglaló, Műszaki Könyvkiadó, Budapest

14. Elektronszerkezet Pályaenergiák és beépülés: • K (n=1): 1s2 • L (n=2): 2s2, 2p6 • M (n=3): 3s2, 3p6, 3d10 • N (n=4): 4s2, 4p6, 4d10, 4f14 • …… Pályaenergiák sorrendje kicsit eltér: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, … (lásd majd a periódusos rendszert) Pauli elv: egy atomban nem lehet két olyan elektron, melynek mind a négy kvantumszáma megegyezik. Azaz minden cellában maximum két (ellentétes spinű elektron) lehet csak. Hund szabály: egy alhéjon adott számú elektron úgy helyezkedik el, hogy maximális legyen a párosítatlan spinű elektronok száma. Pl. Fe 3d6 betöltöttsége: Bodonyi F., Pitter Gy.: Kémiai összefoglaló, Műszaki Könyvkiadó, Budapest

15. Elektronszerkezet 28Ni elektronszerkezet felépülése: • 28 elektron • 1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, 4s2, 3d8 • Vegyértékelektronok: 4s2, 3d8 Vegyértékelektronok: telítetlen héj(ak)on levő elektronok. Ezek vesznek részt kémiai reakciókban és a másik atomokkal való kölcsönhatásokban.Atomtörzs: atommag + nem vegyértékelektronok (kémiailag inert)

16. Lángfestés (gerjesztés) A lángban az elektronok a hő hatására magasabb energiájú pályára kerülnek. A gerjesztés után az energiaszinteknek megfelelő energia-különbség kisugárzása közben visszakerülnek az eredeti energia-szintre. Egyes elemeknél a kibocsátott foton hullámhossza a látható fény tartományába esik. foton kibocsátás hő 3p Na: 3s

17. Lángfestés (szilveszter)

18. Tűzijáték rakéta Színek: vörös: stroncium-klorid, stroncium-hidroxid stroncium-nitrát zöld: bárium-klorid, kék: réz-oxid, réz-klorid bíbor: réz-klorid + stroncium-klorid lila: stroncium-klorid, lítium-klorid halvány ibolya: kálium-klorid • Begyújtás a bal oldalon levő gyújtózsinórral. • A motortérben levő feketelőpor égése gázt termel, mely hajtja a rakétát. • Ha a feketelőpor elfogy, begyullad a robbanófej: csillagok, stb.

19. Fluoreszcencia(UV fénnyel besugározva) Kalcit (CaCo3) Gipsz (CaSO4) Fluorit (CaF2) http://www.mineraltivadar.hu/AboutTheMinerals.htm

20. Fluoreszcencia (foszforeszcencia) (G. G. Stokes, 1852, fluorit) Néhány anyag UV fénnyel megvilágítva elnyeli az UV sugárzást és helyette látható fényt bocsát ki. Fluoreszcencia: 10-9 sFoszforeszcencia: 10-3 – 103 s Magyarázat: • UV foton hatására egy vegyértékelektron magasabb energiájú pályára gerjesztődik: EUVfoton=DEelektron + egyéb gerjesztés. • A rendszer az egyéb gerjesztett állapotból relaxálódik. • Az elektron visszaugrik az alapállapotba DEelektron-nak megfelelő látható tartományba eső foton kisugárzása közben.

21. Periódusos rendszer(Mengyelejev, 1869) http://www.ptable.com/ nemesgáz csoport: zárt héj, extra stabil s-mező(fémek) p-mező(nemfém, félfém, fém) d-mező(fémek) f-mező(fémek) Rendezés elve: • növekvő rendszám (elektronszám, atomtömeg) • hasonló vegyértékelektron szerkezet egymás alatt

22. Kémiai kötések Az atomok kémiai kötésekkel kapcsolódnak egymáshoz molekulákat vagy nagyobb rendszereket alkotva: • Elsőrendű kötések (általában atomok között) • Másodrendű kötések (általában molekulákközött) • Ionos kötés • Kovalens kötés (koordinatív kötés) • Fémes kötés • Hidrogénkötés • Dipólus-dipólus kölcsönhatás • Diszperziós kölcsönhatás Elektronegativitás: az atom elektronvonzó képessége. Két atom kölcsönhatásakor a nagyobb elektronegativitású képes bizonyos fokig elszívni a másik egyes vegyértékelektronjait. • Kis elektronegativitás: s-, d-, f-mező fémei (ENCs=0.7) • Nagy elektronegativitás: p-mező nemfémes elemei (ENF=4) • Változás: csoportban felfelé, sorban jobbra nő. Nemesgáz elektronszerkezetre való törekvés = stabilitás!

23. Összetett ionok: NH+, SO2-, CO2-, stb. 4 3 4 K+ F- Ionos kötés Egy negatív és egy pozitív töltésű ion közötti elektrosztatikus (Coulomb-féle) vonzóerő. Anion: semleges atomból elektron felvétellel (nemfémes elemek: F-, Cl-, O2-) Kation: semleges atomból elektron leadással (fémek: Na+, Ca2+, Al3+, stb.) Vegyületképzés: Al2O3semleges! (Első) Ionizációs energia (Ei): energia, mely ahhoz szükséges, hogy semleges atomból egyszeres pozitív töltésű kation képződjék. Elektronaffinitás (Ea): energia, mely felszabadul (vagy szükséges ahhoz), hogy semleges atomból egyszeres negatív töltésű anion képződjék. Kötéstávolság: elektrosztatikus vonzás és taszító (mag-mag, e--e-) erők egyensúlya határozza meg

24. + - - + Kovalens kötés Az atomok nemesgáz elektronszerkezete elektronmegosztással alakul ki. Néhány (2 - 4 - 6) elektron közössé válik, majd a közös elektronok összekapcsolják az atomokat. Jellemző: nemfémes elemekre Molekulapálya: ahol az elektron két vagy több atommag erőterében 90%-os valószínűséggel tartózkodik. A molekulapálya a kötésben résztvevő elektronok eredeti atompályáiból, azok kombinálódásával alakul ki. Emiatt tükrözi bizonyos fokig az atompályák tulajdonságait. * lazító molekulapálya Kötő molekulapálya alacsonyabb energiájú mint az atompályák, elektronok számára kedvezőbb. Ez a kémiai kötés hajtóereje! E atompályák kötő molekulapálya

25. Kovalens kötéss (egyszeres) kötés Kialakulhat: • s – s elektronok között • s – p elektronok között • px – px elektronok között Jellemző: az elektronsűrűség maximuma a két atomot összekötő egyenes (kötéstengely) mentén van. Egyszeres kötés = egyvegyértékű atom az egyik partner: • hidrogén vegyületei (HBr, H2O, NH3, CH4) • halogének vegyületei (F2, Cl2, SCl2, PF3, CCl4) F F2 F E http://dl.clackamas.edu/ch106-02/sigma.htm

26. Kovalens kötésp kötés Kialakulhat: • py – py elektronok között • pz – pz elektronok között Jellemző: a két atomot összekötő egyenes (kötéstengely) mentén nincs elektron, az elektronsűrűség az egyenes alatt és felett épül ki (két érintkezési pont, de csak egy kötés!). A gyengébb p-p átlapolás miatt a p kötések gyengébbek mint a s kötés. Ezért a többszörös kötésekben az egyik általában s kötés, csak a második illetve harmadik p. p kötés = két- vagy háromvegyértékű atomok között • kettős kötés (O2, CO2, SO2, SO3, H2C=CH2) • hármas kötés (N2, HCCH, HCN) a második p merőleges az első síkjára N N2 N E p atompályák p pályák s pálya http://dl.clackamas.edu/ch106-02/sigma.htm

27. Kovalens kötés egyéb fontosabb jellemzői: • Nemkötő elektronpár: kötésben részt nem vevő vegyértékelektronok pl: N2 a N vegyértékhéja: 2s2 2p3 • Kötéshossz: a kötést létesítő atomok magjai közti távolság • Kötésszög: a kapcsolódó atomok magjai által bezárt szög • Kötési energia: kötés felszakításához szükséges energia • Kötésrend = (kötőelektronok – lazító pályán levő elektronok)/2 Pl. H2: 1 H2: 0.5 H2: 0.5 N N + - Kovalens kötés lazító E E E atompályák kötő Miért nincs kovalens kötésű He2 molekula? (2e- kötő, 2e- lazító pályán lenne)

28. C O Kovalens kötés Koordinatív (datív) kötés: A kötő elektronpárt az egyik atom adja (volt nemkötő elektronpárja) Pl. C (2s2 2p2) O (2s2 2p4) Molekulák között is: H3B + NH3 H3B NH3 p atompályák p pályák s pálya Vegyérték: egy adott molekulában az adott atomhoz tartozó kötő elektronpárok száma. HCl (1;1), H2O (1;2), NH3 (3;1), CH4 (4;1), H2S (1;2), SO2 (4;2), SO3 (6,2) (b) (a) S vegyértékhéja: 3s2 3p4 3d0 kis energia befektetéssel átalakulhat: (a) 3s2 3p3 3d1 illetve (b) 3s1 3p3 3d2-vé

29. H H H Ca F F C B H N H H H H H H Térbeli alak 3D szerkezet: a központi atom nemkötő elektronpárjainak és a s kötő elektron- párok kölcsönhatása határozza meg. Cél: • a kötő és nemkötő elekronpárok egymástól legtávolabb helyezkedjenek el • a rendelkezésre álló legnagyobb teret foglalják el • nemkötő elektronpár térigénye nagyobb (NH3 piramis míg CH4 tetraéder) 180º 109.5º 120º 107.3º lineáris (Ca2+: 3s0) síkháromszög (B: 2s22p1) tetraéder (C: 2s22p2) piramis (N: 2s22p3) CH4: a szén vegyértékelektronjai a CH kötések kialakítása előtt átrendeződnek E sp3 hibridpályák azonos energiájúak: ekvivalens kötéseket képeznek 2s22p2 2s12p3

30. Polaritás Kötések polaritása: Az eltérő elektronegativitású atomok poláris kötéseket létesítenek. A nagyobb elektronegativitású atom jobban vonzza maga felé a kötő elektronpárt: a kötés elektronfelhője torzul. Megbomlik a töltésegyensúly, a nagyobb elektronega-tivitású atom parciálisan negatív, míg a másik parciálisan pozitív töltésű lesz. Pl. HCl, CO, H2O. Apoláris kötés van azonos atomok kapcsolódása esetén. Pl. H2, O2, N2, F2. Molekulák polaritása: Apoláris kötés esetén a molekula is apoláris. Poláros kötéssel kapcsolódó kétatomos molekulák polárisak. Poláris kötéssel kapcsolódó többatomos molekulák polaritása függ a szimmetriától: d+ d- d- d- O C O O H d+ H d+ 105º szén-dioxid: apoláris pozitív és negatív súlypont egybeesik víz: erős dipólus

31. + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + Fémes kötés A fémek kis elektronegativitásuk miatt könnyen leadják vegyérték elektronjaikat. Szilárd és olvadt halmazállapotban pozitív töltésű fématomtörzsek és delokalizált (helyhez nem kötött) elektronrendszer jön létre. A szilárd halmazállapotban kialakuló szerkezet a fémrács: Alapja a fémes tulajdonságok: • elektromos vezetés • jó hővezetés • megmunkálhatóság (ugyanolyan környezet mint megmunkálás előtt)

32. d- d- O O H H d+ d+ H H d+ d+ d+ d- d+ d- d+ d- d- d+ Másodrendű kötések(általában molekulák között) Elsőrendű kötések kötési energiája: 80-850 kJ/mol Másodrendű kötések (általában molekulák között) • Hidrogénkötés • Dipólus-dipólus kölcsönhatás • Diszperziós kölcsönhatás 8-40 kJ/mol 0.8-12 kJ/mol 1.0 Å Hidrogénkötés: O-H/N-H/Halogén-H kötések nagy polaritása miatt nagyon kicsi a H körüli elektron- sűrűség. Emiatt közelben levő másik elektronegatív atom vonzza a H-t. Vegyes ionos - kovalens jellegű a kölcsönhatás. Annál erősebb, minél elektronegatívabbak a nem-H atomok. 1.9 Å Dipólus-dipólus kölcsönhatás: aszimmetrikus elektronsűrűség (töltés) eloszlással rendelkező molekulák között. Pl. CO Diszperziós kölcsönhatás: apoláris molekulák térközelbe kerülve tudják egymást polarizálni, kistöltésű indukált dipólusok jönnek létre. Pl. dihalogének (F2, Cl2, Br2) Nagyobb méret → erősebb polarizáció.

33. Találkozunkszeptember 21-én ugyanekkor, ugyanitt.