Kémia Kutasi, Istvánné dr. Kémia



Yüklə 1,02 Mb.
səhifə7/8
tarix08.03.2018
ölçüsü1,02 Mb.
1   2   3   4   5   6   7   8

1.

A gyomorsav sósav. A pH-ja 1. Lombikba veszünk 100 grammot. Hány gramm magnéziumhidroxiddal Mg(OH)2(s) közömbösíthetjük?

(Atomsúlyok: Cl: 35,5; Mg: 24; O: 16; H: 1)

Megoldás:

A folyamat az alábbi egyenlet szerint zajlik:

2 HCl + Mg(OH)2 → MgCl2 + 2 H2O

A pH1 jelentése koncentrációban: 10-1 normál. Vagyis a sósav molsúlyának 0,1-szerese van jelen 1000 g vízben. Így a feladatban adott 100 g sósavoldat a sósav molsúlyának 0,01-szeresét tartalmazza, ami 36,5 g/mol * 0,01 = 0,365 g HCl.

A folyamat egyenlete szerint 2 mol sósav egyenértékű 1 mol magnéziumhidroxiddal. A szükséges magnéziumhidroxid-mennyiséget aránypárral határozzuk meg:




(5.15)

Vagyis a szükséges magnéziumhidroxid tömege:




(5.16)

2.

Natriumszulfát (Na2SO4) oldatot elektrolizálunk 1 A áramerősséggel 1 órán keresztül. Milyen és mekkora mennyiségű anyagok válnak ki a két elektródon a folyamat során

(Atomsúlyok: Na: 23; S: 32; O:16; H: 1; Faraday állandó: 96500 C)

Megoldás:

Az elektrolízis reakciótermékei ebben az esetben hidrogén gáz, hidroxil ion, oxigén gáz és hidrogén ion, vagyis vízbontás történik. A nátrium- és szulfátionok változás nélkül az oldatban maradnak. A folyamat egyenlete:

2 H+ + 2e- → H2(g)

OH- - 2e- → 0,5 O2(g)

Tehát két mol elektrontöltés áramlásával egy mol hidrogén és fél mol oxigén gáz keletkezik.

A feladat szerint adott töltésmennyiség:

Q = 1 A * 1 óra * 60 perc/óra * 60 s/perc = 3600 As = 3600 C

Fentebb megállapítottuk, hogy egy mol hidrogén és fél mol oxigén gáz keletkezéséhez 2 F töltés kell, rendelkezésre azonban csak 3600/96500-ad része áll. Ezért a keletkező hidrogén és oxigén mennyisége:



mH2 = 3600/(2*96500) * 1 mol * 2 g/mol = 0,037 g

mO2 = 3600/(2*96500) * 0,5 mol * 32 g/mol = 0,298 g
II. rész - Szervetlen kémia
Tartalom

6. Kémia rendszertana Error: Reference source not found

1. 6.1 Az elemek csoportosítása és felosztása Error: Reference source not found

2. 6.2 A hosszú periódusos rendszer Error: Reference source not found

3. 6.3 A periódusos rendszer elemeinek jellemzése Error: Reference source not found

3.1. 6.3.1 Hidrogén ( H ) Error: Reference source not found

3.2. 6.3.2 Alkálifémek Error: Reference source not found

3.3. 6.3.3 Alkáliföldfémek Error: Reference source not found

3.4. 6.3.4 Az alumínium csoport elemei Error: Reference source not found

3.5. 6.3.5 A széncsoport elemei Error: Reference source not found

3.6. 6.3.6 A nitrogéncsoport elemei Error: Reference source not found

3.7. 6.3.7 Az oxigéncsoport elemei Error: Reference source not found

3.8. 6.3.8 Halogének Error: Reference source not found

3.9. 6.3.9 Nemesgázok Error: Reference source not found

3.10. 6.3.10 A szkandiumcsoport Error: Reference source not found

3.11. 6.3.11 A titáncsoport Error: Reference source not found

3.12. 6.3.12 A vanádiumcsoport Error: Reference source not found

3.13. 6.3.13  A krómcsoport Error: Reference source not found

3.14. 6.3.14 A mangáncsoport Error: Reference source not found

3.15. 6.3.15 A vascsoport elemei Error: Reference source not found

3.16. 6.3.16 A rézcsoport elemei Error: Reference source not found

3.17. 6.3.17 A cinkcsoport elemei Error: Reference source not found


6. fejezet - Kémia rendszertana

1. 6.1 Az elemek csoportosítása és felosztása

Az elemek olyan egyszerű anyagok, amelyekből a vegyületek felépülnek. Számuk mai ismereteink alapján 117. Ezek közül számos nem állandó jellegű, bomlékony radioaktív elem. Az elemek kémiailag azonos atomokból állnak, fizikai és kémiai tulajdonságaik alapján két nagy csoportba oszthatók:


fémes elemek

nemfémes elemek.

Az elemek nagyobb része fém. A fémek a hőt, az elektromos áramot jól vezetik. Az arany és a réz kivételével általában szürke színűek, fémes fényűek, szilárdak, kivéve a higanyt, amely cseppfolyós halmazállapotú. Hegeszthetők, forraszthatók és alakíthatók. Kémiailag a bázisok és a sók jellemző alkotórészei.

A nemfémes elemek a fémekkel szemben kevésbé egységes tulajdonságúak. Részben gáz részben szilárd halmazállapotúak, kivétel csak a bróm, amely cseppfolyós. A hőt elektromos áramot nem vezetik, ridegek, törékenyek, negatív jelleműek és savképzők. A fémek elektronegativitása kettőnél kisebb, míg a nemfémeké általában, de nem mindig kettőnél nagyobb szám.

Az elemek más csoportosítása is lehetséges pl.: a nemfémes elemek közül a szén (C), a foszfor (P), a szilícium (Si), a kén (S) és az arzén (As) a fémekhez állnak közel, és azokkal ötvözeteket alkotnak. Ezeket metalloidoknak  (fémszerűeknek) nevezzük. A metallográfiában a fémeket formálisan (nem fizikai, kémiai tulajdonságok alapján) két nagy csoportra osztják:


vas és ötvözeteikre

nemvas fémek és ötvözeteikre.

A csillagászati spektroszkópia tapasztalatai alapján a világegyetemet és a földet ugyanazok az elemek építik fel, 6.1.1 táblázat.

6.1. táblázat - 6.1.1  táblázat




Világegyetem




%




Földkéreg




%

Oxigén

( O )

36,00




Oxigén

( O )

49,50

Vas

( Fe )

24,50

 

Szilícium

( Si )

25,70

Szilícium

( Si )

18,30

 

Alumínium

( Al )

7,50

Magnézium

( Mg )

13,50

 

Vas 

( Fe )

4,70

Kén

( S )

2,00

 

Kalcium

( Ca )

3,39

Kalcium

( Ca )

1,70

 

Nátrium

( Na )

2,63

Nikkel

( Ni )

1,38

 

Kálium

( K )

2,40

Alumínium

( Al )

1,20

 

Magnézium

( Mg )

1,93

98,65 %







 

97,75 %







2. 6.2 A hosszú periódusos rendszer

Az elemek tudományos alapon való rendszerezését Mengyelejev 1869–ben tette közzé. Az elemeket növekvő atomtömegük szerint rakta egymás után úgy, hogy a hasonló kémiai tulajdonságú elemek egymás alá kerültek. A rendszerezés alapja az a felismerés, hogy az elemek kémiai és fizikai tulajdonságai a monoton növekvő atomtömegeik periódikusan visszatérő függvényei. Ma az elemeket növekvő rendszámuk szerint írjuk egymás után, amely kevés kivétellel megegyezik a növekvő atomtömegek sorrendjével. A rendszám megegyezik az atommagban lévő pozitív töltésű részecskék, a protonok számával. Az elemek kémiai tulajdonságát nem az atomtömeg, hanem a rendszám határozza meg.

Gyakorlati szempontból a hosszú periódusos rendszer igen alkalmas az elemek csoportosítására. Itt fő és alcsoport elemei külön oszlopban és rubrikában szerepelnek. A fémes és nemfémes elemek és a szerkezeti fémek diszkrétebben vannak elkülönítve egymástól, mint a klasszikus periódusos rendszerben. A periódusos rendszerben kijelölhető Bór ( B ) – asztácium ( At ) vonal az elemeket fémes és nemfémes csoportra osztja. A vonal mentén átmeneti jellemű, amfoter elemek helyezkednek el. Ezekre jellemző, hogy savakban és lúgokban egyaránt oldódnak.

A főcsoport elemeire érvényes a következő vegyértékszabály: H–nel szemben az elemek vegyértéke az első oszloptól a negyedikig növekedik, majd az ötödik oszloptól a hetedikig bezárólag csökken. Az O–nel szemben egytől hétig növekedik. Nézzük meg a harmadik periódust:




I. / a

II. / a

III. / a

IV. / a

V. / a

VI. / a

VII. / a

Na

Mg

Al

Si

P

S

Cl

NaH

MgH2

AlH3

SiH4

PH3

H2S

HCl

Na2O

MgO

Al2O3

SiO2

P2O5

SO3

Cl2O7

Az egymás alatt elhelyezkedő elemek vegyértéke megegyezik. Azonos perióduson és oszlopon belül vizsgálva az elemek fizikai és kémiai tulajdonságait, a következőket állapítjuk meg:


A sor elején és végén az elemek sűrűsége kisebb, mint a sor közepén. Meg kell jegyezni, hogy a hosszú periódusos rendszerben a periódus mindig egyetlen sort jelent, amíg a klasszikus rendszerben a 4., 5., 6., és 7. periódus két sorból áll.

Az atomtérfogat a sűrűséggel szemben ellentétesen változik, a periódus közepe táján van minimuma. Maximumot az alkálifémeknél éri el. Az atomtérfogat csökkenését azzal magyarázzuk, hogy a rendszámmal növekedik a magtöltések száma, amely az elektronokra egyre nagyobb vonzóerőt fejt ki, és így pályájuk sugara csökken.

A periódusos rendszer erősen pozitív jellemű elemmel, fémmel kezdődik majd erősen negatív jellemű, nemfémes elemmel záródik a nemesgázok előtt.

Az egymás alatt álló elemek kémiai tulajdonságai közel megegyeznek.

3. 6.3 A periódusos rendszer elemeinek jellemzése

3.1. 6.3.1 Hidrogén ( H )

A hidrogén a periódusos rendszer első periódusának első eleme. A hidrogénatom egy protonból és egy neutronból áll. Relatív atomtömege: 1,008. Apoláris szerkezetű molekulát ( H2 ) alkot amelyben az igen erős H-H kötés van.

Fizikai tulajdonságai: színtelen, szagtalan gáz, nem mérgező. Kis molekulatömegével összefüggően igen nagy a diffúziósebessége, hőkapacitása, hővezető és elektromos vezetőképessége.  Vízben kevéssé, de egyes fémekben jól oldódik pl.: platina, palládium.

Kémiai tulajdonságai: Egyetlen elektron leadásával H+- ion keletkezik, ami elektronhéj nélküli atommag, ( proton ). Vizes oldatában a poláris vízmolekulához kapcsolódik és H3O+ - iont ( oxónium ) képez.  Egy elektron felvételével héliumhéjjal rendelkező H- – iont képez, amely alkáli, illetve alkáliföldfémekkel sószerű hidrideket alkot ( NaH, CaH2 ). Oxigén jelenlétében, meggyújtva vízzé ég el:

2 H2  +  O2  =  2 H2O.

Katalizátorok jelenlétében vagy 600 °C-on O2-vel robbanásszerűen egyesül vízzé (durranógáz). A hidrogén és a klór 1:1 arányú keveréke szintén hevesen reagál egymással (klórdurranógáz):

H2  +  Cl2  =  2 HCl

Fontos redukálószer. Például a feketeszínű réz(II)-oxid, hidrogénáramban vörös színű rézzé redukálódik:

CuO  +  H2  =  Cu  +  H2O



Előfordulása: A földön elemi állapotban a levegőben nyomokban, vulkáni gázokban fordul elő  kis mennyiségben. Kötött állapotban a vízben, valamint szénhidrogénekben található. A világűrben a legelterjedtebb anyaga hidrogén csillagokban, csillagködökben.

Előállítása: Laboratóriumban, Kipp – készülékben kénsav és cink segítségével:

Zn  +  H2SO4  =  ZnSO4  +  H2

Alkálifémek és víz reakciójával:

2 Na  +  2 H2O  =   2 NaOH  +  H2

A reakció rendkívül heves, ezért nagy elővigyázatosságot igényel.

Ipari előállítása: Vízgázból (1000 °C –on):

C  +  H2O  =  CO  +  H2

450 °C-on vas-oxid katalizátor jelenlétében újabb hidrogénmolekula nyerhető:

CO + H2O = CO2 + H2

Földgázból 1000 °C-on alumínium-oxid katalizátor jelenlétében:

CH4 + 2H2O= CO2 + 4H2

Elektrolitikus úton vízből:

2 H+  +  2 e-  =  H2



Felhasználás: Szerves és szervetlen vegyületek előállítása (pl.: metanol, formaldehid, mesterséges benzin, sósav, ammónia …). Élelmiszeriparban növényi olajok keményítése, margaringyártás.

A hidrogén izotópjai:



 izotóp, prócium 99,985%

 izotóp, deutérium 0,015%

 izotóp,  trícium mennyisége elenyésző.

3.2. 6.3.2 Alkálifémek

Lítium ( Li ), nátrium ( Na ), kálium ( K ), rubídium ( Rb ), cézium ( Cs ), francium ( Fr ). Egy vegyértékűek.

Kis sűrűségű, puha, késsel vágható, nagy duktilitású fémek. Az elektromos áramot jól vezetik. Kristályrácsuk köbös, tércentrált. A Na sárgára, a K fakó ibolyára festi a színtelen gázlángot.  A levegőn gyorsan oxidálódó igen aktív elemek. A lítium kivételével csak petróleum alatt lehet tárolni őket. Friss vágási felületük fényes, ezüstfehér színű. A vizet hevesen bontják hidrogéngáz fejlődése közben és vízben oldódó bázisokat, lúgokat képeznek (alkáli = lúgképző) .

2 K + H2O = 2 KOH + H2

Reakcióik nagy hőfejlődés közben játszódnak le fény – és lángjelenség mellett. Erősen redukáló tulajdonságúak. A természetben kloridok, bromidok, szulfátok, foszfátok és karbonátok alakjában fordulnak elő.

Felhasználásra főleg a vegyiparban kerülnek, de alkalmazzák őket a kohászatban is ötvözésre. Atomreaktorok hőcserélőjében a Na-ot alacsony olvadáspontja miatt cseppfolyós állapotban használják. A cseppfolyós ammónia fizikailag oldja a Na-ot és a K-ot. Ezzel az oldattal teszik ragaszthatóvá a legellenállóbb műanyagot a teflont.

3.3. 6.3.3 Alkáliföldfémek

Berilium ( Be ), magnézium ( Mg ), kalcium ( Ca ), stroncium ( Sr ), bárium ( Ba ), rádium ( Ra ). Két vegyértékűek.

A Be lényegében nem sorolható az alkáliföldfémekhez, tulajdonságai az alumíniuméhoz hasonlók. Felületén vékony tömör oxidréteg van, amely passzívvá, korrózióállóvá teszi. Ezen tulajdonsága alapján a réz ötvözésére használják, mivel a réz-oxid és az ötvözet között, mint védőréteg ( BeO ) helyezkedik el.

Az alkáli földfémek sűrűsége kicsi: 1,5 és 3,5 g/cm3 között van. A rádium azonban nehéz fém amelynek sűrűsége 6 g/cm3 . Színük ezüstfehér, viszonylag puha fémek. Szerkezetük tömör, kristályrácsuk szoros illeszkedésű hexagonális vagy lapon középpontos, köbös. Jellemző lángfestésük:

Ca → téglavörös

Sr  → karminpiros

Ba → fűzöld

Az alkálifémek után a legreakcióképesebb fémek, az atmoszférán már oxidálódnak. A magnézium és a bárium felületén tömör szerkezetű védőoxid képződik, míg a kalcium oxidrétege laza, porózus szerkezetű, az atmoszférának nem áll ellen. A kalcium a nátriumhoz hasonlóan oldódik vízben:

Ca + 2 H2O = Ca(OH)2 + H2

Az alkáliföldfémek hidroxidjai közül a Ca( OH )2 elég jól oldódik vízben, ezért közepes erősségű lúg.

Műszaki szempontból a magnéziumnak van a legnagyobb jelentősége, az Al-Mg, illetve a Mg-Al, ötvözetei a legismertebbek ( Mg-Al elektronfém ).

Legismertebb vegyületeik a természetben:

CaCO3                mészkő

CaMg(CO3)2       dolomit

MgSO4 • 7 H2O  keserűsó

CaSO4 • 2 H2O    kristályos gipsz

CaCl2, MgCl2        halogenidek.

3.4. 6.3.4 Az alumínium csoport elemei

Bór ( Br ), alumínium ( Al ), gallium ( Ga ), indium ( In ), tallium ( Tl ). Három vegyértékűek.

A bórt nem szokták az alumínium csoporthoz sorolni, mert tulajdonságai a szénéhez és a szilíciuméhoz hasonlóak.  A bórt és az alumíniumot az elektronhéjnak a vegyületképzésben való szerepe alapján, a félfémek közé, a Ga, In, és Tl elemeket a másodfajú fémekhez soroljuk.  A másodfajú fémek atomjai a vegyületképzésben például halogenidekben nem az összes vegyértékelektronjukkal vesznek részt. Az alumínium csoport elemei közül az alumínium könnyű fém, sűrűsége 2,7 g/cm3. Az atomtömeg növekedésével a sűrűség nő, az olvadáspont is emelkedik.

A csoport legfontosabb eleme az alumínium. Olvadáspontja 660 °C. Megolvasztásához nagy mennyiségű hőre van szükség mivel fajhője a többi fémhez viszonyítva jelentős: 8,96 J/mol fok. Az alumínium a vörösréz után legjobban vezeti az elektromos áramot. A réznél másfélszer nagyobb átmérőjű, de fele akkora súlyú alumínium vezeték elektromos vezetőképessége a rézével egyenértékű.

Az alumíniumnak lapon centrált, köbös kristályrácsa van.

Az alumínium igen aktív fém, látszólagos passzivitását a felületén kialakult tömör oxidréteg okozza. Az oxidréteget mesterségesen, kémiai vagy elektrokémiai úton meg lehet vastagítani. Először a természetes úton létrejött oxidréteget el kell távolítani savas vagy lúgos oldattal, hogy a víz az elemi alumíniummal érintkezzen:

2 Al + 3 H2O = Al2O3 + 3 H2

Az alumínium igen erőteljes redukáló hatású fém, nagy az oxigénhez való affinitása. Ezt használják ki a termit eljárásnál:

2 Al + Fe2O3 = Al2O3 + 2 Fe

A reakciót erős hőfejlődés kíséri magas hőmérsékleten.

A természetben a szilikátok legfontosabb és leggyakoribb alkotórésze az alumínium. Ásványai: földpátok, bauxit, korund. A korundot mesterségesen is előállítják és mint csiszolóport, elektrokorund néven hozzák forgalomba.

Legfontosabb ötvözetei:




magnálium

Al + 10 … 30%

Mg

hidronálium

Al + 3 … 12%

Mg

duralumínium

Al + 2,5 … 5,5%

0,5 … 2,0%

0,5 … 1,2%

0,2 … 1,0%



Cu

Mg

Mn



Si

szilumin

Al + 5,0 … 12%

Si

Az Al – Mg – Si típusú ötvözetek szilárdságuk mellett a korróziónak is ellenállnak. A  Cu – tartalom növeli az alumínium ötvözetek korróziós hajlamát.

3.5. 6.3.5 A széncsoport elemei

Szén ( C ), szilícium ( Si ), germánium ( Ge ), ón ( Sn ), ólom ( Pb ).  Négy és két vegyértékűek.

A szén dominálóan nemfémes, a szilícium és a germánium félfémes, az ón és az ólom fokozottabban fémes ( másodfajú fém ) elem. A szénnek három módosulata ismert, a gyémánt és a grafit és a fullerén.

A grafit vezeti az elektromos áramot és ebben a fémekhez hasonlít. A gyémánt kristályrácsában a szénatomok tetraéderesen, a grafitéban szabályos hatszög alakú gyűrűben rétegrácsos szerkezetben helyezkednek el. Eltérő szerkezetük miatt fizikai tulajdonságaik is meglehetősen eltérőek. A grafit vezeti az elektromos áramot a gyémánt nem. A  szén jellegzetes tulajdonsága, hogy atomjai egymással igen változatosan tudnak kapcsolódni, ezért a szénvegyületek száma a legnagyobb. Ezekkel a vegyületekkel a szerveskémia foglalkozik. A szén jellemző szervetlen vegyületei a szén-dioxid ( CO2 ), szén-monoxid ( CO ), karbonátok ( CaCO3 ), cianidok ( KCN ), cianátok ( HOCN ) stb.

A Si és a Ge gyémántráccsal rendelkeznek. Szennyeződések hatására kismértékben vezetővé válnak (félvezetők), reakciókészségük csekély.

Felhasználásuk:


ötvözésre ( Fe – Si ) ferroszilícium

tranzisztorokhoz

felületek szilicizálására, főleg korrózió elleni védelem szempontjából.

Az ón és az ólom alacsony olvadáspontú, nagy sűrűségű elemek. Az ólom izotópjai radioaktív bomlási sorozatok végső termékei. Amfoter karakterűek. Az ónnak két módosulata ismeretes.


α - ón, amely 13 °C alatt stabilis, mikrokristályos por, gyémántrácsú.

β - ón, amely 13 °C felett stabilis, mikrokristályos por, gyémántrácsú.

Az ón és az ólom felületén védőrétegek alakulnak ki: SnO, PbO, SnSO4, PbCO3, … Ha a víznek nagy az agresszív szénsavtartalma, hidrokarbonátok alakjában oldja az ólmot:

PbCO3 + H2CO3 = Pb(HCO3)2

A természetben ónkő, SnO2 és galenit, PbS vegyületekben fordulnak elő. Az ón és az ólom ötvözetei alacsony olvadáspontú eutektikumok. Felhasználják lágyforraszok, csapágyfémek előállítására és korrózióálló tűzi vagy galvanikus bevonatok készítésére. Az ólomból vízvezetéki csöveket készítenek, mert a cső falára lerakódott bázisos ólom-karbonát megakadályozza a mérgező ólom ionok vízbe jutását.




Dostları ilə paylaş:
1   2   3   4   5   6   7   8


Verilənlər bazası müəlliflik hüququ ilə müdafiə olunur ©genderi.org 2019
rəhbərliyinə müraciət

    Ana səhifə