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

A periódusos rendszer

Az atomok szerkezete:
az atomnak két fő része van:

• atommag, kétféle részecskéből épülnek fel:
  
  
  • proton: tömege és pozitív töltése van, a periódusos rendszerben ez lesz a rend-szám;
  • neutron: töltése nincs, tömege van, a periódusos rendszerben a protonnal együtt a tömegszámot adja.
• elektron: tömegük igen kicsi és negatív töltésük van. Különböző sugarú pályákon keringenek, ezeket a pályákat héjaknak nevezzük. A héjakat az atommagtól 1 – 7-ig számozzuk, ez lesz a periódus szám, amelyet a periódus rendszer baloldali füg-gőleges oszlopában van feltüntetve.

A kémiai reakciókban azok az elektronok vesznek részt, amelyek a külső elektronhéjon helyezkednek el. Ezek a vegyérték elektronok. Az atom többi része az atomtörzshöz tartozik – nem vesznek részt a kémiai reakciókban. Az atomtörzset az atommag és a belső, lezárt alhéjak alkotják.

Egy-egy elektronhéjon annyi elektron keringhet, ahány elfér rajta. Férőhely szempontjából az egyes elektronhéjakon szigorúan meghatározott számú elektron kering: az első héjon 2 elekt-ron, a másodikon 8 elektron, a harmadikon 18 elektron, stb. Bármely atom elektronjainak számát a 2n2 képlettel számoljuk ki, ahol az n a héjak sorszámát jelenti.

Ezek az elektronok még egy héjon belül sem egy konkrét rádiusszal meghatározható körpályán találhatók, hanem ezek a rádiuszok a sorszámmal együtt növekvő szélességű sávok, ezeket a sávokat alhéjaknak nevezzük, és betűkkel jelöljük (s=2e-, p=6e-, d=10e-, f=14e-), az alhéjak száma négynél tovább nem emelkedik.

A periódusos rendszer az elemeket rendszerbe foglalja.

A periódusos rendszer logikája:

• az elemeket növekvő rendszám (ami a protonszám, ami megegyezik az elektronok számával) szerint vízszintes sorokba soroljuk;
• minden vízszintes sor egy adott elektronhéj kiépítésével kezdődik, és annak telítő-désével fejeződik be, vagyis a megfelelő nemesgázzal. Egy-egy vízszintes sort pe-riódusnak nevezzük, összesen 7 periódus van, 1 – 7-ig sorszámozva (a periódusos rendszer vízszintes sorában);
• az egymás alá kerülő elemek oszlopokat alkotnak. Az első oszlopba tartozó elemek külső elektronhéja azonos, ezeket az oszlopokat római számmal I – VIII-ig szá-mozzuk. Minden oszlopba két csoport tartozik, az A és a B csoport.
• az oszlopokat az alhéjak kiépülése mezőkre osztja, így az alhéjaknak megfelelő mezők léteznek, s mező elemei: He IA IIA oszlopokban (s alhéj épül ki), d mező elemei: összes d oszlop (d alhéj épül ki), f mező: lantanidák (14 elem, 4 f alhéj épül ki), aktinidák (14 elem, 5 f alhéj épül ki);
• bór-polónium vonal két nagy csoportra oszlik: a vonaltól jobbra nemfémes elemek, a vonaltól balra fémes elemek;
• a rendszerben a 6. periódustól kezdve kisebb nagyobb szabálytalanságok vannak, de ezeket majd a fémes elemeknél fogjuk bővebben kifejteni.

Mengyelejev rendszere a kémiai elemeket rendszerezi a növekvő rendszám alapján úgy, hogy a hasonló vegyértékhéjú elemek egymás alá kerülnek.

A vízszintes sorok a periódusok: a periódusok száma megadja az abban a periódusban lévő atomok elektron héjainak a számát.

A függőleges sorok a csoportok:

• 8 főcsoport 1.A-8.A
• 8 mellékcsoport 1.B-8.B. (a 8.B csoport három oszlopot foglal el).

A főcsoportok száma megadja az abba a csoportba tartozó atomok vegyérték elektronjainak a számát. A legfontosabb csoportok nevet is kaptak:

• 1.A. alkáli fémek (kivéve a hidrogén)
• 2.A. alkáliföldfémek
• 7.A. halogének
• 8.A. nemesgázok

A nemesgázok kitüntetett szerepet töltenek be a kémiai elemek között, mivel vegyértékhéjuk telített. A s2p6 szerkezetet nevezzük nemesgázhéj-szerkezetnek. A bór-asztácium vonal a kémiai elemeket három részre osztja:

• A vonaltól jobbra a nem fémek
• A vonaltól balra a fémek (kivéve a hidrogén)
• A vonal mellett lévő elemek az átmeneti fémek