Elektrokémia (Electrochemistry)

Redoxireakciók

Minden olyan reakciót, amelyben elektron leadás és elektronfelvétel történik, redoxi reakciónak nevezünk. Az elektronleadás és­ -felvétel egyidejűleg játszódik le. Oxidálószer az a részecske, amely elektront vesz fel, azaz egy másik részecskétől elveszi az elektront, tehát oxidálja azt. Redukálószer az a részecske, amely redukálni képes egy másik részecskét (elektront ad át neki). Azokat a kémiai folyamatokat, amelyekben az oxidációs szám változása történik, redoxi folyamatnak tekintjük. Ha a molekula egy atomja, vagy egy ion oxidációs száma a reakció során csökken, akkor redukálódik. Ha a molekula egy atomja vagy egy ion oxidációs száma a reakciók során növekszik, az az atom vagy ion oxidálódik.

Galvánelemek

A galvánelemek kémiai energiát alakítanak át elektromos energiává. Két elektródból és egy, vagy két elektrolit oldatból állnak. Az oldattal érintkező fémes vezetőket (fémek vagy grafit) elektródoknak nevezzük. Azt az elektródot, ahol redukció történik, katódnak nevezzük. Azt az elektródot, ahol oxidáció történik, anódnak nevezzük. A galván elemek esetén végbemenő kémiai reakció során az egyik fém redukálja a másik fém kationját.

Elektródpotenciál

Fémeknek azt az adatát, amely a redukálóképességük mértékét jellemzi oldatban, elektródpotenciálnak nevezzük. Az elektród potenciál értéke függ az elektród minőségétől, az elektródfolyamatban részt vevő ionok koncentrációjától, a hőmérséklettől. Minden fém standard elektródpotenciálját (EO) az a feszültségérték adja meg, amelyet a saját ionjainak 1 mol/dm3 koncentrációjú oldatába merülő fémlemez és a „standard” hidrogén elektród között mérnek 25 oC-on. A standardpotenciál táblázatból leolvasható az ion képzés hajlama, mégpedig minél kisebb egy elem standard potenciálja, annál szívesebben képez pozitív iont. Minél nagyobb egy elem standard potenciája annál szívesebben képez negatív iont.

Elektrolízis

Az elektrolízis során az elektronos energia kémiai energiává alakul. Az elektromos áram hatására végbemenő kémiai változást elektrolízisnek nevezzük. Egy áramkörben a katódon és anódon áthaladó töltés mennyiség egyenlő, ezért a katód és anód folyamatot ugyanannyi töltésmennyiségre kell felírni. Ez a töltés megmaradás törvénye. Az elektrolízis során mindig az a folyamat megy végbe, amelyhez kisebb energia szükséges. Ezt befolyásolja: az elektród anyaga, az oldatban lévő részecskék leválási potenciája és koncentrációja.

Elektrokémiai folyamatok

Az elektrokémiai folyamatok heterogén redoxireakciók, amelyekben az oxidáció és a redukció mindig a folyékony és a szilárd halmazállapotú anyag érintkezési, más szóval határfelületén megy végbe, térben egymástól elkülönítve, miközben elektromos energia szolgáltatása vagy felhasználása történik.
Az elektrokémia a kémiai és elektromos energia kölcsönös átalakulásával foglalkozik, azokat a folyamatokat és jelenségeket tárgyalja, amelyek az ionos rendszerekben, valamint az ionos rendszer - fém (fémes vezető) illetve félvezető határán (elektródokon) lépnek fel.
Az elektrokémiai reakciók - a hasonlóság ellenére^- nem azonosak a kémiai redoxireakciókkal. Nézzük a következő reakciót:

A reakció lényege:

• Zn Zn²⁺ + 2e^- oxidáció
  
  
• Cu²⁺ + 2e^- Cu redukció
  

Ha a reakció kémiai redoxifolyamatként megy végbe, akkor a következők jellemzik:

• a részecskék az oldatban szabadon mozognak, ütköznek;
  
• a rézionok és a cinkatomok közvetlen érintkezése miatt közvetlen elektronátmenet történik, vagyis az átmenet gyorsan megy végbe, az elektronok útja igen rövid;
  
• a folyamatot kísérő energiaváltozás hőfelszabadulás formájában történik.

Ha az előbbi reakciót elektrokémiai folyamatként akarjuk lejátszatni, úgy kell megváltoztatni a feltételeket, hogy az energiaváltozás egy része elektromos energia formájában jelenjen meg. A kémiai reakció energiaváltozása csak abban az esetben jelentkezik elektromos energia formájában, ha…
q az elektronátmenet az oxidálódó fématom és a redukálódó fémion között egy adott irányba megy végbe, a közvetlen érintkezés helyett vezetőn keresztül. Így az elektronok útja elég nagy, az elektronátmenet meghatározott időt vesz igénybe.

Az elektrokémiai rendszer részei

• Elektrolit: szabadon mozgó elektronokat tartalmazó oldat vagy olvadék, amely vezeti az áramot.
  
  
• Elektród: az elektrolitoldattal közvetlenül érintkező fémes vezető.
  
  
• Fémes vezető: fémhuzal, amely összeköti az elektródokat, biztosítja az elektronok áramlását az elektródok között.
  

Galvánelemek (kémiai áramforrások)

A galvánelem kémiai energiának elektromos energiává való átalakítására alkalmas berendezés. Benne önként végbemenő redoxireakciók termelik az elektromos energiát.

Felépítése:

• két elektródból áll (két különböző, saját elektrolitjába [vagy más elektrolitba] merülő fém vagy fémes vezető);
  
• fémes vezető (a két elektródot köti össze);
  
• diafragma: az elektródok elektrolitjai érintkeznek egymással, de keveredésüket megakadályozza, az ionok mozgását az elektrolitok között megengedi.

Elektród:

• Lehet a fém és a fém ionjait tartalmazó oldat, amelybe a fém belemerül (fémelektród).
  
• Hidrogén-tartalmú (pl. sósav) oldat és a belemerülő indifferens (pl. platina) fémen adszorbeált hidrogéngáz (hidrogén-gázelektród).
  
• Általánosan egy elem redukált és oxidált alakját tartalmazó rendszer, mely oldatot és a vele érintkező, fémes vezetőben folytatódó fázist tartalmaz.
  
  A galvánelem jelölése:
  
  
  

A galvánelem (galváncella) működése

• Az egyik elektródon (katód) redukció, a másik elektródon (anód) oxidáció történik.
  
• A galvánelemben a katód a pozitív, az anód a negatív pólus.
  
• A két elektród közötti fémes vezetőben folyhat az elektromos áram (ide köthetők be a fogyasztók).
  
• Az áramkör zárását a két elektrolitoldat érintkezése (diafragma, vagy sóhíd) biztosítja.
  
  A diafragma, illetve sóhíd:
  
  
• Megakadályozza az oldatok összekeveredését.
  
• Az ionok diffúziója révén biztosítja a töltéskiegyenlítődést.
  

A galvánelemben folyó áram közvetlen oka a két elektród közötti potenciálkülönbség. Ez annak az eredménye, hogy az elektrolit és a belemerülő fém között egyensúlyi elektromos potenciálkülönbség alakul ki. Az elektrolittal érintkező fémből ugyanis fémionok jutnak az oldatba, illetve az oldatban lévő fémionok semleges atomként kiválnak a fém felületére!
Ahhoz, hogy egy fémion az elektrolitoldatból az elektródra kiválhasson ki kell szakítania magát a hidrátburokból. Az ehhez szükséges energia a kiválás aktiválási energiája! A fordított folyamatban, az oldódásban az aktiválási energia ahhoz szükséges, hogy a fématom ionná válva le tudja győzni a szomszédos fématomok vonzóerejét. Mindkét esetben tehát egy energiagáton való átjutás a folyamat kulcsa.

Az elektródreakciók (oldódás - kiválás) sebességét az határozza meg, hogy időegység alatt hány ion jut át az energiagát (elektród és oldat közötti potenciálkülönbség) egyik oldaláról a másikra. Ha a két sebesség egyenlővé válik, az elektródreakció dinamikus egyensúlyba jut és kialakul az elektród és az oldat közötti egyensúlyi elektromos potenciálkülönbség, amit ELEKTRÓDPOTENCIÁLNAK (ls. még később is) nevezünk.

Ha a két elektródot fémes vezetővel összekötjük, akkor az elektronok a negatív potenciálú helyről a pozitívabb potenciálú hely felé áramlanak (a cink - réz galvánelem esetén a cink felületéről áramlanak az elektronok a réz felületére)! E mellett biztosítani kell a töltéskiegyenlítődést a két elektrolit között is, így a redoxireakció folyamatossá válik!

 

 

A galvánelemekben a negatív sarkon megy végbe az oxidáció, tehát ez az anód (cink), a pozitív sarkon redukció, tehát ez a katód (réz).
A cink- és rézelektródból álló galvánelemet Daniel-elemnek nevezzük.

D-mező elemeinek jellemzése (Characterization of D-box elements)

A D oszlopok elemei tartoznak ide a II A és III A oszlopok közé beékelődve, ezért átmeneti elemeknek is nevezzük őket. 31 elem tartozik ide.

Közös tulajdonságuk az alábbiak:

• a külső s alhéjon 1 vagy 2 elektron van, ezért vegyületeik ionvegyületek, és bennük a fé-mek 1 vagy 2 vegyértékű ionok formájában vesznek részt;
• a d alhéj épül ki balról jobbra, ezen a héjon több-kevesebb párosítatlan elektron is van, melyek kovalens kötésekben vesznek részt, számuktól függően kovalens vegyértékük akár 5, 6, 7 is lehet, ilyenkor vegyes kötés, az ion-kovalens kötés jön létre;
• minél nagyobb a d alhéjon található párosítatlan elektronok száma, annál magasabb az olvadáspontjuk, annál keményebbek. Ha a d alhéjon nincs párosítatlan elektron, akkor a fém olvadáspontja alacsony, lágy (ilyen a cink és a higany).
• sűrűségük 5∙103 kg/m3-nél nagyobb, ezért nehézfémek;
• ionjaik gyakran színesek, ionrácsban és oldatban egyaránt;
• komplex képzők: egyetemi anyag;
• fontos szerkezeti anyagok, különösen a vas, króm, nikkel, vanádium, titánium,  volfrám;
• hőt és elektromosságot jól vezetik.

Észterek és karbonsavészterek (ester acids)

Kémiai tulajdonságaik

Általában jellemző az észterekre, hogy hidrolízisre hajlamosak. Az észterek képződése alkoholokból és savakból megfordítható reakció, a megfordítása az észterhidrolízis. Az észterek gyakorlatilag teljes hidrolízise lúgok, például nátrium-hidroxid hozzáadásával valósítható meg. Az ilyen folyamat neve elszappanosítás. (Az elszappanosítás név onnan ered, hogy ezzel a módszerrel állítottal elő legrégebben szappant). Ekkor az alkohol mellett a sav sója (NaOH esetén nátriumsója) keletkezik. A keletkező só már nem tud reagálni az alkohollal, emiatt lesz a hidrolízis gyakorlatilag teljes.

Előállításuk 

Az észtereknek többféle általános előállítási módja létezik. Ha alkoholok és savak egymással reagálnak, észterek keletkeznek. Az ilyen folyamat neve közvetlen észteresítés. Ez a reakciótípus reverzíbilis.

Észterek keletkeznek alkoholok és savanhidridek reakciójában is. Az ilyen reakciók könnyen végbemennek. Ekkor az észter mellett egy sav keletkezik, ezért az ilyen folyamatok gyakorlatilag csak egy irányban játszódhatnak le.

Alkoholokból és savkloridokból is észterek nyerhetők. Az észter mellett sósav keletkezik. Az ilyen reakciók igen hevesen játszódnak le, ezért általában valamilyen indifferens oldószert, például piridint alkalmaznak.

 

A karbonsavészterek 

A karbonsavakból és alkoholokból származtatható észterek a karbonsavészterek. Szerkezetük úgy is levezethető, hogy a karbonsavak karboxilcsoportjában található hidrogénatomot valamilyen alkilcsoporttal helyettesítjük.

Ezeknek az észtereknek a kisebb illetve a közepes szénatomszámú képviselői kellemes szagú folyadékok, gyakran gyümölcsésztereknek nevezik őket. Ez a név onnan ered, hogy néhány képviselőjük a természetben megtalálható a gyümölcsökben, ezek zamatanyagai. Ezek közül néhány kitűnő oldószer (például etil-acetát, butil-acetát). A nagyobb szénatomszámúak szilárd halmazállapotúak.

Ilyen észterek képződnek közvetlenül alkoholokból és karbonsavakból közvetlen észteresedés során, illetve karbonsavkloridok vagy karbonsavanhidridek és alkoholok reakciójával.

A karbonsavészterek jelentősége nagy, számos képviselőjük a természetben elterjedt. Ide tartoznak a már említett gyümölcsészterek, a zsírok illetve az olajok felépítésében részt vevő gliceridek, illetve a viaszokban található nagy szénatomszámú alkoholokból és karbonsavakból felépülő észterek.

---

Észterek

Az észterek savakból és alkoholokból vízkilépéssel jönnek létre. A savból és alkoholból történő észterképződés megfordítható folyamat.

Az észterek csoportosítása:

• szervetlen savak észterei, pl. kénsavészterek
• karbonsavak észterei – gyűmölcsészterek, viaszok, zsírok, olajok

Karbonsavészterek

A karbonsavak észtereire jellemző funkciós csoport a karboxilcsoporthoz hasonlóan összetett csoport.

A glicerinek észterszármazékai a gliceridek. A természetes zsírok és olajok a glicerinek nagy szénatomszámú, normális láncú, telített és telítetlen karbonsavakkal alkotott észterei.

A zsírok: Főleg telített savakat tartalmazó, inkább állati eredetű, közönséges hőmérsékleten legtöbbször szilárd halmazállapotú glicerinészterek elegyei – disznózsír.

Az olajok: Főként növényi eredetű, főleg olajsavval észteresített gliceridek – napraforgóolaj.

A zsírok és olajok apoláris molekulák. Vízben nem oldódnak, szerves oldószerek közül a benzin, alkohol oldják

Az oldatok (The solutions)

Az oldatok oldószerből és oldott anyag(ok)ból állnak. A kémiai folyamatok nagy része oldatokban játszódik le, ezért ezek nagyon fontosak a gyakorlat számára.

Telített az oldat, ha adott hőmérsékleten már nem tud több oldandó anyagot feloldani. Valamely anyag oldhatóságát telített oldatának összetételével jellemezzük. Ha az oldat ennél kevesebb oldott anyagot tartalmaz, telítetlen oldatról beszélünk. Az oldódás folyamatának időtartama az érintkezési felület nagyságától is függ, de ez nem befolyásolja az oldhatóságot.

Az oldódás

Általános szabály, hogy a hasonló a hasonlóban oldódik jól. Ez azt jelenti, hogy apoláris oldószerek inkább apoláris anyagokat oldanak, míg poláris oldószerek (víz) poláris molekulákat és ionkristályokat.

Az oldatok összetétele

A gyakorlati életben az oldatok összetételét tömeg és térfogat %-ban adják meg. A kémikusok számára legalkalmasabb a mol/dm3- ben kifejezett ún. koncentráció.

Tömeg %: Az oldott anyag és az oldat tömegviszonyát fejezi ki, például megadja, hogy 100 g oldatban hány g oldott anyag van.

Térfogat %: Alapján az oldat és az oldott anyag térfogatviszonyára következtethetünk, például, hogy 100 cm3 hány cm3 oldott anyag van.

A koncentráció: Azt adja meg, hogy 1000 cm3 oldatban hány mol oldott anyag van. Mértékegysége: mol/dm3. Jele: [anyag] = c, vagyis ha az anyag képletét szögletes zárójelbe tesszük, akkor az a koncentrációját jelenti.

Az oldáshő (DHold): 1 mol anyag nagyon sok oldószerben való oldásakor felszabaduló vagy elnyelődő hőmennyiség.

---

A többkomponensű, egyfázisú, homogén, vagy inhomogén, folyékony, vagy szilárd halmazállapotú rendszereket összefoglaló néven elegyeknek nevezzük.

Az oldat elnevezést ezen belül azokra a rendszerekre használjuk, amelyekben egyik komponens – az oldószer – koncentrációja a többiéhez – oldott anyagok – képest viszonylag nagy.

A komponens a rendszert alkotó, kémiailag egységes részecskéinek halmaza. Megkülönböztetünk egy-, két- és többkomponensű rendszereket.

Az oldatokat telítettség szempontjából három csoportba sorolhatjuk:

• telítetlen oldat: ha az oldott komponens koncentrációja kisebb, mint az adott körülményekhez (oldószer, hőmérséklet, nyomás) tartozó oldhatósága;
• telített oldat: ha az oldott komponens koncentrációja megegyezik az adott körülményekhez (oldószer, hőmérséklet, nyomás) tartozó oldhatóságával;
• túltelített az oldat, ha az oldott komponens koncentrációja nagyobb, mint az adott körülményekhez (oldószer, hőmérséklet, nyomás) tartozó oldhatósága. Ilyen rendszer akkor jön létre, ha adott hőmérsékleten egy telített oldat elkezd hűlni és benne a kristálygóc-képződés különféle gátlások miatt nem indul meg.

Az egyértékű és többértékű alkoholok (The monohydric and polyhydric alcohols)

Az alkoholok elnevezése úgy történik, hogy elnevezzük az alapszénhidrogént, majd megadjuk annak a szénatomnak a számát, amelyhez a hidroxilcsoport kapcsolódik, és –ol végződést adunk a névnek.

Egyértékű alkoholok
Metanol (metil-alkohol) CH3-OH: Színtelen, szagtalan, mérgező folyadék, magas forráspontú. Vízzel korlátlanul elegyedik. Enyhe oxidációs hatásra formaldehiddé oxidálódik. Erélyes oxidáció esetén hangyasav keletkezik. Mivel sok más vegyület előállításának alapanyaga, valamint kitűnő oldószer, az ipar nagy mennyiségben használja. Előállítása a klórmetán szubsztitúciós reakciójával történik.

Etanol (etil-alkohol) CH3-CH2-OH: Színtelen, jellegzetes szagú folyadék, magas forráspontú. Vízzel korlátlanul elegyedik. Enyhe oxidációs hatásra acetaldehiddé alakul. Erélyesebb oxidációval vele azonos szénatomszámú ecetsavvá alakítható. Az etanol éghető, égése erősen exoterm folyamat. Fontos ipari alapanyag, mert sok más szerves vegyület gyártásának kiindulási anyaga, valamint jó oldószer. Előállítása történhet: erjesztéssel vagy az etilén vízaddiciójával.

Többértékű alkoholok
Molekuláik között erősebb hidrogénkötés lép fel, mint az egyértékű alkoholok esetén, ezért magas forráspontú, a kisebb szénatomszámúak sűrűnfolyós (nagy viszkozitású) folyadékok – glikol, glicerin.

Éterek
Az éterekre jellemző funkciós csoport: oxigén, amely két szénhidrogéncsoporthoz kapcsolódik. Általános képletük: R-O-R¢. Elnevezésük úgy történik, hogy az oxigénhez kapcsolódó két szénhidrogéncsoport neve után az éter szót tesszük.

Dietil-éter (éter) CH3-CH2-O-CH2-CH3: Az éter erősen párolgó jellegzetes szagú folyadék. Apoláris szénvegyületek jó oldószere. Rendkívül tűzveszélyes, levegővel elegyedett gőzei robbannak. Előállítása történhet alkoholból vízelvonással.

Az atomok felépítése (The structure of atoms)

Az atom atommagból és elektronokból áll. Az atommag a pozitív töltésű protonokból és a töltés nélküli neutronokból épül fel. Az atommag körül elektron felhőt alkotva helyezkednek el a negatív töltésű elektronok. Az atom semleges mivel a pozitív töltésű protonok száma megegyezik a negatív töltésű elektronok számával.

Az atomok legfontosabb jellemzője a protonok száma a rendszám. A protonok és a neutronok számának összegét az atom tömegszámának nevezzük. Az atom tömege az atommagban összpontosul. Az atommag az atomnak csak kis térfogatát foglalja el. Az atom átmérője az atommag átmérőjénél kb. százezerszer kisebb.

Az atomok elektronszerkezete

Az elektron atomi pályái: az atomnak azt a részét, amelyben az elektron nagy valószínűséggel előfordul, atompályának nevezzük.

Az atompályák jellemzői: az atompályák megkülönböztetésére illetve azonosítására a kvantumszámokat használjuk.

Az atomban minden atompályát három kvantumszám jellemez:

• Főkvantumszám: az atompálya méretét jellemzi. Minél nagyobb a főkvantumszám annál kiterjedtebb az atompálya. Jele: n; értékei: 1, 2, 3, 4…
• Mellékkvantumszám: az atompálya alakját jellemzi. Jele: l; érékei: 0, 1, 2, 3… A mellékkvantumszámot gyakran nem számmal, hanem betűvel jelöljük. l = 0, 1, 2, 3…, l = s, p, d, f…

A mágneses kvantumszámnak határozott jelentése akkor van, ha az atom mágneses térbe kerül. Jele: m.

Az elektronszerkezet felépítése

Az atomok elektron szerkezetének leírásához három fontos elvet kell ismernünk.

• Az energiaminimum elve szerint az alapállapotú atomban az elektronok mindig a lehető legkisebb energiájú szabad helyet foglalják el.
• A pauli elv szerint egy atompályán maximálisan két elektron lehet.
• A hund szabály szerint az azonos energiájú atompályákon az elektronok a lehető legtávolabb igyekeznek elhelyezkedni.

Ha egy alhéjon annyi elektron van, amennyit a Pauli-elv maximálisan megenged, telített alhéjról beszélünk. Ha az elektronok száma ennél kevesebb az alhéj telítetlen.

Az atompályák feltöltésének sorrendje: 1s – 2s – 2p – 3s – 3p – 4s – 3d – 4p – 5s – 4d – 5p – 6s – 4f – 5d – 6p – 7s – 5f.

Milyen az atom felépítése?

A neves dán fizikus, Nils Bohr 1913-ban állította fel híres atommodelljét, amely még mai tudásunk szerint is egész jól megközelíti a valóságot. Eszerint az atom úgy épül fel, mint egy parányi naprendszer. A naprendszerben a jelentõs tömegû Nap körül nagy távolságra keringenek a bolygók: a Merkúr, a Vénusz, a Föld, a Mars, a Jupiter, a Szaturnusz, az Uránusz, a Neptunusz és a Plutó. Az atom felépítése is hasonló. Középpontjában található a kicsi, de nagy tömegû atommag. Körülötte keringenek, tõle óriási távolságra a piciny, könnyû részecskék, az elektronok. A proton egységnyi pozitív töltéssel, az elektron egységnyi negativ töltéssel rendelkezik. Az elektronokat az elektromos vonzerõ tartja az atommag körüli pályán. A naprendszerben pedig a gravitációs vonzerõ köti a bolygókat a Naphoz.

Azt, hogy milyen kicsi is az atommag, gyorsan tisztázhatjuk: egy vízcsepp körülbelül 6 * 10²¹ darab atomból áll. Ha kiírjuk a nullákat, akkor ez így fest: 6 000 000 000 000 000 000 000.

Bármennyire kicsi is egy atom, az atommag még nála is sokkal kisebb. A mag az atom térfogatának csupán egybilliomod (1/1 000 000 000 000) részét teszi ki. Ha az atommag akkora volna, mint egy cseresznye, és egy futball pálya kellõs közepére tennénk, akkor az elektronjait a lelátó legfelsõ széksorain kellene keresnünk. Bár az atommag térfogatának csak billiomod része, tömege majdnem egyenlõ az egész atom tömegével. Az anyag az atommagban nagyon erõsen tömörített.

Ha a valóságban szeretnénk egy cseresznye méretû atommagot készíteni, akkor az legalább 30 millió tonnát nyomna, és nem maradna nyugalomban a pálya közepén, hanem a föld középpontja felé süllyedne.

Az anyagok fizikai tulajdonságai és változásai (The physical properties of materials and changes)

Mivel foglalkozik a kémia?
A kémia az anyagok összetételével, szerkezetével, tulajdonságaival és az anyagok felhasználásával foglalkozik.
Az anyagok fizikai tulajdonságai és változásai
Az anyagok fizikai tulajdonságai mérhetőek és sok esetben érzékszerveinkkel érzékelhetők. Fizikai tulajdonságok többek között a halmazállapot, a részecskék mérete, a sűrűség, az olvadáspont, a mágnesesség stb.. Ha az anyagok kölcsönhatásba lépnek környezetükkel és eközben a fizikai tulajdonságai megváltoznak, akkor fizikai változásról beszélünk.

A víz fizikai  tulajdonságai:
•a víz sűrűsége 3,98 oC hőmérsékletnél a legnagyobb (1000 kg/m3)
•a víz fajhője 180 oC hőmérsékleten 4189 J/kg. A víz fajhője (K0), nagyságrenddel nagyobb, mint bármely egyéb anyagé, ezért alkalmas hő közvetítő és  hűtőközeg céljára.
•viszkozitása a hőmérséklet növekedésével csökken,
•halmazállapot változáskor hő felvétel illetve leadás szükséges,
•helyzeti energiája (duzzasztáskor) jó hatásfokkal alakítható át elektromos energiává (turbina, generátor)
•forráspontja 101,325 kPa nyomáson 100 oC,
•fagyáskor térfogata 9,2 %-al nő.
A víz kémiai tulajdonságai
  A víz összetétele H2O. Mivel a természetben a hidrogénnek három (1H, 2H, 3H ), az oxigénnek hat (14O,  15O,  16O,  17O,  18O,  19O) izotópja létezik, elvileg 36 víz molekula szerkezet létezhet, amelyből 9 képez stabil nuklidet. Ezek a természetben kisebb-nagyobb mennyiségben fordulnak elő. Legnagyobb mennyiségben a H2O (99,73 mol %) , ezt követi a nehézvíz (D2O).
A víz fontosabb kémiai jellemzői: 
•a pH (a tiszta természetes vizek pH-ja 4,5-8,3  közötti)
•az összes sótartalom koncentrációban (100 - 1000 mg/l körüli),
•a keménység (összes, változó, állandó NKo = 10 mg/l CaO),
•oldott oxigén (mg/l),
•összes szerves szén (TOC, mg/l),
•kémiai oxigén igény KOI; kálium permanganátos KOIps, káliumdikromátos, KOId  (mg/l),
•biokémiai oxigén igény ; BOI5 (mg/l),
•szerves mikroszennyezők,
•szervetlen mikroszennyezők.
•KOI – kémiai oxigén igény:
A vízben lévő anyagok redukáló képessége
   Oxidálószer: KMnO4; K2Cr2O7
•BOI – biológiai oxigén igény:
Az az oxigén mennyiség, amely térfogategységben lévő oldott, kollodiális és szuszpendált, bomlóképes szerves anyagok lebontásához szükséges.

Aromás szénhidrogének (Aromatic hydrocarbons)

Az aromás molekulák szerkezetében az egy síkban elhelyezkedő atomokat gyűrűsen delokalizált, stabilis p elektronrendszer köti össze.

Benzol

A legfontosabb aromás vegyület a benzol C6H6. A benzol jellegzetes szagú folyadék, vízzel nem, apoláris oldószerekkel elegyedik, gőze rákkeltő hatású.

Kémiai reakciói: Levegőn meggyújtható, nagy széntartalma miatt kormozó, világító lánggal ég. Stabilis elektronszerkezete miatt kémiai reakciókban teljesen másként viselkedik, mint a telítetlen szénhidrogének.

A benzol származékai: A toulol a benzolhoz hasonló szagú folyadék, kitűnő oldószer. Ipari jelentőségét az adja, hogy a sztirol gyártásának alapanyaga.

Sztirol: Kellemes illatú folyadék. Telítetlen oldallánca miatt polimerizációs reakcióba vihető, és a polisztirol nevű műanyag készül belőle.

Az aromás szénhidrogének alapvegyületének, a benzolnak a molekulájában hat szén és hat hidrogén atom van. Az első gyűrűs képletet Friedrich August Kekulé von Stradonitz javasolta. Annak ellenére, hogy nagyon telítetlen, nehezen addícionál más vegyületeket, viszont könnyen vesz részt szubsztitúciós reakcióban. A benzol gyűrű szerkezetében a kettős kötések nem rögzítettek, hanem delokalizáltak és emiatt adódik az aromás jelleg (van szaguk). Színtelen, mozgékony folyadék, amelynek szaga kellemetlen, könnyen párolog. Fajsúlya 20 °C -on 0,880; forráspontja 80,5 °C. Az olvadó jég hőmérsékletére lehűtve kristályos tömeggé dermed, mely 6 °C-on megolvad. Vízben alig oldódik; vízmentes borszesszel és éterrel elegyíthető. Gyantákat és zsírokat bőségesen old. A jódot, a ként és a foszfort is feloldja. A brómot is oldja, de azzal nem lép reakcióba - bizonyítja a stabilis szerkezetet. Meggyújtva világító és kormozó lánggal ég. Tömény kénsav szulfonsavvá alakítja, a vörös füstölgő salétromsav pedig nitro-benzollá. Igen nagy számú származékait ismerjük, amelyeket benzolszármazékoknak vagy aromás vegyületeknek nevezünk. Számos bonyolultabb összetételű szénvegyület száraz desztillálásakor képződik. Jelentékeny mennyiségben van a kőszénkátrányban.

Előállítása

A kőszénkátrány 60 °C és 200 °C között átdesztilláló részletéből, az ún. könnyű kátrányolajból készül. E könnyű kátrányolajat előbb kevés tömény kénsavval elegyítik, amely az organikus bázisokat kioldja, majd tömény lúggal rázogatják, amely a sav- természetű vegyületeket távolítja el. Majd a folyadékot újból desztillálva a 85 °C-on átmenő részletet külön felfogják. Az így kapott termék az árubeli nyers benzol, amely a benzolon kívül, annak homológjait (toluol, xilol) is tartalmazza. Frakcionált desztillációval is megtisztítható. Még tisztább úgy lesz, ha a nyers benzolt erősen lehűtik, miközben a benzol kifagyva kristályosan leválik. A kristályos tömeget kipréselik, ami által a meg nem fagyott homológjai elválaszthatóak. Igen tiszta benzolt kalcium-hidroxid és benzoesav elegyének száraz desztillálása révén kaphatunk. A benzol dehidroaromatizálással és toluol dezalkilezésével is gyártható. A dehidroaromatizálás során a nyílt szénláncú normál-hexánból indulunk ki, ami katalizátor (például platina) jelenlétében gyűrűzáródás és dehidrogéneződés révén benzollá alakul. A dehidroaromatizálással azonban nem csak a benzol, hanem homológjai is előállíthatóak. Például ha ipari normál-heptánból indulunk ki, ugyanezzel a módszerrel 90%-os hozammal toluolt kapunk. A toluol dezalkilezéssel szintén benzollá alakítható. Az eljárás lényege, hogy hidrogéngáz és toluolgőz keveréke 500-600 °C-on benzollá és metánná alakul:

C₆H₅CH₃ + H₂ → C₆H₆ + CH₄

Másik módszer a hexánból való hidrogénelvonás, és az azutáni aromatizálás (gyűrűvé zárás).

C₆H₁₄ → C₆H₁₂ + H₂

C₆H₁₂ → C₆H₆ + 3H₂

Anyagi halmazok (Material sets)

A sok részecskéből felépített rendszereket anyagi halmazoknak nevezzük. Az anyag (halmaz) tulajdonságainak megismeréséhez nem elegendő egyetlen részecske szerkezetét, jellemzőit tudnunk, hanem nagyon sok részecskét kell a köztük lévő kölcsönhatásokkal együtt vizsgálnunk.

Az anyagi halmazok tulajdonságait az alkotó részecskék szerkezete és tulajdonságai, illetve a közöttük fellépő kölcsönhatások határozzák meg. Az anyagi halmazokban a részecskék közötti kölcsönhatást a kémiai kötések biztosítják.

Másodrendű kötések

Az anyagok kémiai és fizikai tulajdonságait az elsőrendű (kovalens, ionos, fémes) kötéseken kívül a molekulák között fellépő lényegesen gyengébb másodrendű kötések is befolyásolják.

Dipólus-dipólus kölcsönhatás: Dipólus molekulák között jön létre. Az ellentétes pólusok közötti vonzás tartja össze a molekulákat. Ek = 0,8-12 kj/mol.

Diszperziós kölcsönhatás: Apoláris molekulák között csak diszperziós kötés lehetséges. A leggyengébb másodrendű kötés. A diszperziós kötés annál erősebb, minél jobban deformálható a molekula külső atomjainak elektronfelhője. Ek = 0,8 kj/mol alatt.

Hidrogénkötés: A legerősebb másodrendű kötés. Mikor egy hidrogénatom létesít kötést két másik atom között, hidrogénkötésnek nevezzük. Hidrogénkötés olyan molekulák között alakul ki, amelyek a hidrogénatomon kívül nagy elektronegativitású atomokat tartalmaznak, s amely atomokhoz nemkötő elektronpár is tartozik. A hidrogénkötés jelentősége rendkívül nagy, mert nemcsak a víz, hanem számos, biológiailag fontos vegyület (fehérjék, zsírok, szénhidrátok) tulajdonságait is befolyásolja. Ek = 8-40 kj/mol.

Aminosavak, fehérjék

A fehérjék aminosavakból épülnek fel. Aminosavnak nevezzük azokat a vegyületeket, amelyekben aminocsoport és karboxilcsoport is előfordul. A fehérjeeredetű aminosavak közös tulajdonsága, hogy a karboxilcsoport és az aminocsoport ugyanahhoz a szénatomhoz kapcsolódik.

Az aminosavak aminocsoportja bázisos jellegű, azaz a nitrogénatom nemkötő elektronpárja protonfelvételre képes. A karboxilcsoport, mint a savaknál láttuk, protonleadásra képes, tehát savas. Éppen ezért az aminosavak mind kristályos állapotban, mind vizes oldatban ún. ikerionos állapotúak, a karboxilcsoport hidrogénionja átadódik az aminocsoportnak +H3N-CH2-COO- (glicin)

Amidkötés (peptidkötés) létrejötte, aminosavak reakciója egymással. Ilyenkor az egyik aminosav aminocsoportja és a másik aminosav karboxilcsoportja vízkilépéssel amidkötést képez. A létrejött molekulának továbbra is egyik végén szabad aminocsoportja, a másikon szabad karboxilcsoportja van, tehát sok aminosav tud ilyen módon egymáshoz kapcsolódni.

Fehérjék

A fehérjék óriásmolekulák. A vízben oldódó fehérjék kolloid oldatot képeznek. Ennek következtében:

• hőérzékenyek
• savakkal, sókkal denaturálhatók (kicsaphatók)
• pH-érzékenyek

Az igen változatos összetételű fehérjék 20 féle aminosavból felépülő polipeptidek. Egy-egy fehérje sok ezer aminosavegységből épül fel. A fehérjékben az aminosavsorrendet, az aminosavszekvenciát a fehérjék elsődleges vagy primer szerkezetének nevezzük. A 20 féle aminosavból több ezer kapcsolódhat össze, ezért a fehérjék felépítésének a változatossága korlátlan.

A polipeptidláncban egymást követő amidcsoportok viszonylagos térbeli helyzetét – a poliamidláncolat a-hélix vagy b-redőzött réteg konformációját – a fehérjemolekula másodlagos szerkezetének nevezzük. A szálas szerkezetű (fibrilláris) fehérjéknek általában vagy csak a-hélix vagy csak b-redőzött struktúrája van. A fehérjék harmadlagos szerkezete egy adott fehérjemolekula egészének a térszerkezetét jelenti.

Globuláris vagy gömb alakú fehérjék
A legbonyolultabb térszerkezetű fehérjék – enzimek, hemoglobin stb. – tartoznak a gömb alakú fehérjék közé. A globuláris fehérjék térszerkezete jóval bonyolultabb és összetettebb, mint a fibrillásoké, a-hélix és b-redőzött struktúra váltakozik bennük, meghatározott térszerkezetet alkotva