LTALNOS S SZERVETLEN KMIA

Jkain Szatura Zsuzsanna

Eladsanyag 2005/2006

lelmiszermrnk BSc levelez hallgatknak

Az anyagban tallhat brk forrsai :

Dr. Tth rpd : ltalnos s szervetlen kmia , Eladsi segdanyag Szent Istvn Egyetem, lelmiszertudomnyi Kar , Alkalmazott Kmia Tanszk, Budapest, 2000.

Dr. Fodor Marietta : Kmia I. Budapesti Corvinus Egyetem, Budapest, 2005.

2

MRTKEGYSGEK, FIZIKAI MENNYISGEK A fizikai s kmiai mennyisgek mrtkegysgei A mennyisg kt egymstl fggetlen tnyez, a szmrtk s a mrtkegysg szorzata. A mrtkegysg a fizikai mennyisg megllapods szerinti rtke, a mrszm azt fejezi ki, hogy a mrt mennyisg a mrtkegysg hnyszorosa. A dimenzi a mennyisg fizikai defincija. (pl. a srsg dimenzija : tmeg/trfogat, mrtkegysge lehet g/cm3, vagy kg/dm3). A fizikai mennyisgek jellsei a tudomny fejldsvel egytt alakultak ki, s folyamatosan vltoztak, pl a munka mint fizikai mennyisg jele volt a L, A, ma W-nek jelljk. Ezzel egytt a mrtkegysgek szma szinte ttekinthetetlenn vlt, ezek orszgonknt s idben is nagyon eltrtek. Pl. nhny rgi magyar trfogategysg : bcsi ak, magyar ako, magyar icce. Az angolszsz egysgek ersen klnbztek a kontinensen hasznltaktl pl : 1 barrel = 1.588 m3. A fizikai mennyisgekkel val mveletekre is rvnyesek a matematikai szablyok, a megolds a szmrtk mellett a mrtkegysget is megadja, pl : V dm3 trfogat, p kg/dm3 srsg anyag tmege : m=pV = (kg/dm3). dm3 = kg. A nemzetkzi tudomnyos s szabvnyostsi szervezetek ltal kidolgozott mrtkegysgrendszer (Systeme International d1Unitcs, rvidtve SI) egysgesti s definilja a mrtkegysgeket, azok jellst s a mrszmok hasznlatt is szablyozza. Mo-on ezek hasznlata 1980 ta ktelez. A gyakorlati letben hasznlt sokfle mennyisg egysgeit az alapegysgekbl algebrai mveletekkel vezettk le, tbb szz szrmaztatott egysget hasznlnak. Az alap s szrmaztatott egysgek gyakran tlsgosan nagyok, vagy kicsik a mrend mennyisghez kpest, ezrt azok tbbszrseit, vagy trtrszeit vesszk egysgnek. Prefixumnak nevezzk azt a decimlis szorzt, mellyel a mrtkegysget szorozva olyan egysghez jutunk, mellyel a mrend mennyisg mrszma sem tl nagy sem tl kicsi. Clszeren gy vlasztjuk a prefixumot, hogy a mrszm ne legyen kisebb 0.001-nl s ne legyen nagyobb 1000-nl. A prefixum jele s a mrtkegysg kz rsjelet nem tesznk.

Nagyon kis koncentrcik kifejezsre ma is hasznlatosak a kvetkez nem SI egysgek : ppm (part per millia): milliomod rsz, 10-6g/g = 1g/g ppb (part per billia) : billiomod rsz : 10-9g/g = 1ng/g ppt (part per trillia) : trilliomod rsz : 10-12g/g = 1pg/g A mennyisgek egy rsze fggetlen annak az anyagi rendszernek a mennyisgtl, tmegtl, kiterjedstl, amelyre hat. Ezek az intenzv mennyisgek (nyoms, er, elektromos potencil, hmrsklet). A mennyisgek msik rsze fgg a rendszer mennyisgtl, ezek az extenzv mennyisgek (trfogat, tmeg, mlszm), ezek mrszmai sszeadhatk. Az extenzv mennyisgek neve eltti molris sz az anyagmennyisggel val osztst jelenti, azaz egysgnyi anyagmennyisgre vonatkozik. Pl a Vm a molris trfogatot

3

jelenti. Az extenzv mennyisg neve eltt a fajlagos , egysgnyi tmegre vonatkoztatott rtket jell.

A mennyisgek klnbsgnek vagy vltozsnak lersra a kvetkez jellseket hasznljuk : d kis vltozs, vges vltozs, vagy klnbsg. Log, vagy lg = 10-es alap logaritmus, loga = a alap logaritmus, ln = termszetes alap logaritmus, ahl e~2.7183. Nhny lland : nv jele szmrtke mrtkegysge Avogadro lland NA 6.0221023 mol-1 Boltzmann lland k 1.3810-23 JK-1 Faraday lland F 96480 Cmol-1 Molris trfogat (normal llapot)

Vm 2.241410-2 m3mol-1

Egyetemes gzlland

R 8.314 Jmol-1K-1

A ht alapmennyisg s SI mrtkegysg

4

Szrmaztatott SI mennyisgek

5

Gyakran hasznlt nem SI egysgek

6

Prefixumok

7

AZ ATOM

Az elnevezs az oszthatatlan szbl szrmazik s Demokrtosz rvn vlt ismertt. A technika fejldsvel sikerlt bizonytani, hogy az atom valban a legkisebb anyagi rszecske, amely mg hordozza az elem tulajdonsgait, de az oszthatatlansg elmlete megdlt, amikor a 19.szzad vgn a ksrleti tapasztalatok az atomok bels sszetettsgre utaltak. Az atomok pozitv tlts atommagbl s negatv tlts elektronokbl (e= 1.60210-19C, me = 9.10910-28g) llnak. Az atom tmege a kis mret atommagban sszpontosul, kmiai szempontbl kt egysgbl ll : proton (+) s neutron(0). Az elem jellemz kmiai sajtsgait az atommag ezen bell is a proton hordozza, gy az atomban tallhat protonok szma adja az elem rendszmt.. Az atom kifel semleges, gy a mag protonjainak szma = a mag krli elektronok szma. A tmegszm = protonok + neutronok szma, kisebb rendszmok esetben protonok szma megegyezik a neutronok szmval (kiv H), a rendszm nvekedsvel a neutronok tbben lesznek a protonoknl (atommag stabilizls). Izotpok :kmiailag azonos atomok, de tmegk eltr, vagyis azonos protonszm mellett klnbz szm neutront tartalmaznak. Miutn egy elem tbb izotpja is elfordul a termszetben, ezrt az elemek relatv atomtmege nem egszszm, hiszen ezt gy kapjuk meg, hogy a tmegszmot az izotpok tmegnek elfordulsi valsznsvel slyozzuk s tlagoljuk. A protonokat s a neutronokat a magban ers klcsnhats tartja ssze (magerk). Azt az energit, ami a magok kpzdse sorn szabadul fel, kpzdsi energinak nevezzk. A mag tmege mindig kisebb valamennyivel mint a magot felpt nukleonok (proton + neutron) tmege, vagyis a nukleonok magg val egyeslse sorn a rendszer veszt a tmegbl. Magyarzat : Einstein : E = mc2, ahol c a fnysebessg, s az sszefggs szerint a szabadd vl energia tmeg ekvivalensvel azonos a tmeghiny (tmegdefektus). Kmiai reakcikban (ahol csak az elektronhj vesz rszt, ezt ksr E-k sokkal kisebbek mint a magfolyamatok energija, ezrt a tmegdefektus sem szlelhet gyakorlatilag kmiai folyamatok sorn.

Az atomok szerkezetrl sok elkpzels szletett, ezeket atommodelleknek nevezzk.

Thomson : (1904) : mazsols puding elmlet : az atom pozitv massza, melyben pontszeren vannak az elektronok nem magyarzza az atomok spektrumvonalnak ltt

A Thomson-fle atommodell

8

Rutherford : naprendszer : kzpen a mag krltte keringenek az elektronok, a pozitv tltsek szma = a rendszm

A Rutherford-fle atommodell Niels Bohr (1913) :az elektronok mozgsa s a kibocstott fny is kvantlt, gy az elektron tmenete az atomban egy magasabban kvantlt E szintrl egy alacsonyabbra, egy olyan fnykvantum kibocstst eredmnyezi, amelynek h energija a kt szint kztti E klnbsggel egyenl. A diszkrt E rtkek kitntetettsge kzvetlenl megnyilvnul az atomok vonalas spektrumban.

A Bohr-fle atommodell He atomra Az elektronhj Ha az anyagokat gerjesztnk vilgtani fognak, a kibocstott fny meghatrozott frekvencij s jellemz a kibocst elemre. A kibocstott frekvencik sszessge a sznkp, mely atomok esetben diszkrt hullmhossz sugarakbl pl fel, ezrt vonalas szerkezet. Az adott frekvencij fnysugarat alkot rszecskk (fotonok) mindegyike h energij.(h Planck lland)

9

A vonalas szerkezet azzal magyarzhat, hogy az elemek kls hjn lv elektronok a gerjeszts kvetkeztben magasabb E-j plyra kerlnek s az alapllapotba val visszatrs sorn E-t bocstanak ki fny formjban. Az atomok azonban csak diszkrt (kvantlt ) E kibocstsra s elnyelsre kpesek. A diszkrt energiasvok a kvantumelmlettel magyarzhatk. E szerint az elektront mint hullmot az atomban egy hullmfggvnyknt rhatjuk le (Schrdinger egyenlet). Az elektron tartzkodsi valsznsgt az atomban 2, a hullmfggvny ngyzete adja meg minden pontra. A klnbz plyk E szintje ms s ms, tjuts egy msikra E = h vagy ennek tbbszrse energij fotonok elnyelse vagy kibocstsa rvn lehet. Az atomban az elektronok atomplykon (olyan trrsz az atomon bell, ahol az elektronok megtallsi valsznsge 90%) vannak, az atomplyk azonostsa kvantumszmokkal trtnik : Fkvantumszm (n) : a magtl val tvolsgot fejezi ki, rtke 1-7, az azonos fkvantumszm plyk hjakat alkotnak, a mag krl teht max.7 hj plhet ki. (n=1) a K, (n=2) a L, (n=3) a M hj jellse. Mellkkvantumszm (l) :az atomplya alakjt, szimmetrijt hat meg, rtke 0-(n-1), (l=0)az s, (l=1) a p, (l=2) a d plya

s-plya

lehetsges p-plya orientcik

x

yz

px py pz

x

yz

xy

z

x

z

x

y

z

kt plda a d-plya orientcikra Nhny plda az atomplyk lehetsges alakjaira Mgneses kvantumszm (m) : a plya orientltsgt, trbeli elrendezdst szabja meg, rtke : -l - +l Heisenberg- fle bizonytalansgi elv, a kvantummechanika egyik alaptrvnye : az elektron impulzusa s tartzkodsi helye egyidben nem hatrozhat meg abszolt pontossggal :

. hxpx Az egyes E szintek a mellkkvantumszm szerint is felhasadnak, ami azt jelenti, hogy a msodik hj s s p alhjakra, a harmadik mr s, p, s d alhjakra hasad, s ezek klnbz E-j szintek.

10

E5f

6d 7s

6p 4f5d

6s

5p4d

5s

4p3d

4s

3p3s

2p 2s

1s A klnbz fkvantumszm plyk energiasorrendje A plyk feltltdsnek sorrendje nem az elvrt logikai sorrendben trtnik teht, mert a magtl tvolodva a hjak E nvi sszecssznak, megsznik a szablyos emelkeds. K hj : n=1, l=0, (s plya, gmbszimmetrikus9, m=0 (vagyis trben egyfle elhelyezkedse van L hj : n=2, l=1 s 2 (a hj alhjakra hasad, az s plya mellett van tengelyszimmetrikus p plya is), m=0 az s plya esetben, m=-1, 0, +1 a p plya esetben (vagyis ez a trben hromflekppen (px, py, pz) helyezkedhet el, ezen 3 plya energiaszintje azonos, vagyis a p plya hromszorosan degenerlt. M hj : n=3, l=0,1,2, vagyis s, p, d alhjakra hasad, d plya esetn a m= -2,-1,0,+1,+2, vagyis a d plyk mr tszrsen degenerltak Az atomplyk energijt (plyaenergia) a f s mellkkvantumszm hatrozza meg. Spinkvantumszm (ms): az elektron sajt mgneses tulajdonsgra utal, rtke ktfle lehet : +1/2, s -1/2 Energiaminimum elv : az atomplyk feltltdsekor az elektronok elszr mindig a legalacsonyabb E szint plykat tltik