Kémia Kutasi, Istvánné dr. Kémia
Yüklə 1,02 Mb.
|
- Bu səhifədəki naviqasiya:
- 6. fejezet - Kémia rendszertana 1. 6.1 Az elemek csoportosítása és felosztása
- 6.1. táblázat - 6.1.1 táblázat
- 2. 6.2 A hosszú periódusos rendszer
- 3. 6.3 A periódusos rendszer elemeinek jellemzése 3.1. 6.3.1 Hidrogén ( H )
- 3.2. 6.3.2 Alkálifémek
- 3.3. 6.3.3 Alkáliföldfémek
- 3.4. 6.3.4 Az alumínium csoport elemei
- 3.5. 6.3.5 A széncsoport elemei
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)
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:
Vagyis a szükséges magnéziumhidroxid tömege:
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)
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:
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:
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
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:
Az egymás alatt elhelyezkedő elemek vegyértéke megegyezik. Azonos perióduson és oszlopon belül vizsgálva az elemek fizikai és kémiai tulajdonságait, a következőket állapítjuk meg:
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.
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:
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:
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.
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.
Yüklə 1,02 Mb. Dostları ilə paylaş:
|
