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.