Gázok (Gases)

A gázok molekulái között rendkívül kicsi a vonzó hatás, mert a részecskék között nagy a távolság (közöttük nincs kölcsönhatás). A gázoknak sem állandó alakjuk, sem állandó térfogatuk nincsen. A gázok nagymértékben összenyomhatók, de melegítés hatására térfogatuk megnő. A gázrészecskék egymással gyorsan keverednek.

A gázokat három állapothatározójukkal jellemezzük:

• A nyomással (p)
• A térfogattal (V)
• A hőmérséklettel (T)

A fentiekből következik Avogadro törvénye: Bármely gázban, amelynek mindhárom állapothatározója azonos, azonos számú molekula van.

Ha a térfogatot és az anyagmennyiséget elosztjuk egymással, a moláris térfogatot kapjuk meg. Jele: Vm Mértékegysége: dm3/mol. Standard állapotban bármely gáz moláris térfogata: 24,5 dm3/mol.

A gázok állapothatározói nem függetlenek egymástól. Az összefüggést az ún. egyesített gáztörvény írja le:
p ´ V = n ´ R ´ T

Gázok kiterjedése hõ hatására
Részletek

Annales de Chimie, Vol 43. p. 137, 1802

(in: William Francis Magie: A Source Book in Physics, Harvard University Press, Cambridge, Massachusetts, 1963)

---

A fizikusok régóta tanulmányozzák a gázok tágulását, de adataik oly nagy eltéréseket mutatnak, hogy határozott eredmények hiányában újabb vizsgálatokat kívánatos végezni.

A gõzök kiterjedése kisebb figyelmet kapott, bár a vízgõz rendkívüli hatásai már hosszú évek óta ismertek; s noha ezeket a hatásokat igen kedvezõ módon használjuk fel, tudomásom szerint eddig csak Ziegler és Bettancourt próbálkozott a mérésükkel. Kísérleteik azonban nem adhatnak számot a vízgõz valódi tágulásáról, hiszen készülékükben mindig volt víz, ezért minden új hõfoknál az elõzõ hõfokok hatására keletkezõ gõz tágulását kapták meg az új gõz képzõdésével járó térfogat-növekedéssel együtt; ez a két ok nyilvánvalóan befolyásolta manométerükben a higany emelkedését.

Az a hõmérõ, amelyet manapság használunk, nem alkalmas a pontos hõarányok megállapítására, mert még mindig nem tudjuk, milyen arány van a hõmérõ fokai és a fokok által jelzett hõmennyiségek között. Általában elfogadják ugyan, hogy a hõmérõ skálájának egyenlõ osztásai a caloricum egyenlõ feszüléseinek felelnek meg, de ez az elképzelés semmilyen határozott tényen nem alapszik.

Be kell tehát vallani, hogy még mindig nagyon távol állunk a gázok és gõzök tágulásának és a hõmérõ kiterjedésének ismeretétõl; ennek dacára a fizikában és a kémiában naponta kell adott térfogatú gázt egyik hõmérsékletrõl a másikra átvinnünk, a testek állapotválatozásakor bekövetkezõ hõfejlõdést vagy hõelnyelést mérnünk, vagy ugyanennek a testnek a hõmérséklet-változásakor keletkezõ vagy elnyelõdõ hõt mérnünk; a mesterségek gyakorlásakor a hõ hatására mozgó gép hatását kiszámítanunk vagy egyes testek pontos tágulását ismernünk; a meteorológiában a levegõben oldott víz mennyiségét meghatároznunk, mely mennyiség egy eleddig ismeretlen törvény szerint változik a hõmérséklet és a sûrûség függvényében. Végül pedig a csillagászati fényvisszaverõdés-táblázatok és a magasságok mérésére szolgáló barométerek használatához nélkülözhetetlen a levegõ hõmérsékletének és a levegõ tágulását leíró törvénynek az ismerete.

Bár ezek a körülmények elegendõk ahhoz, hogy valakit ilyen egyetemes fontosságú kutatásra késztessenek, a vizsgálatok nehézsége engem is elriasztott volna, ha Berthollet polgártárs, akinek van szerencsém tanítványa lenni, nem sürgetett volna nyomatékosan az elvégzésükre. Tõle kaptam a munkához szükséges berendezést; s gyakran támaszkodtam az õ és Laplace polgártárs tanácsaira: ilyen nagy tekintélyek még hitelesebbé teszik az eredményeket.

A gázok és gõzök tágulását leíró törvényre és a hõmérõ kiterjedésére vonatkozó kutatásaim még nem teljesek. Ebben az értekezésben csak az a célom, hogy adott hõmérséklet-emelkedés esetén vizsgáljam meg a gázok és gõzök kiterjedését, és megmutassam, hogy ez minden fluidum esetében ugyanakkora; de mielõtt beszámolnék a kísérleteimrõl, érdemesnek tartom felvázolni, hogy mi történt eddig ezen a téren; ugyanakkor némi megjegyzést fûzök a különbözõ módszerekhez, ezért a történeti áttekintést egy olyan fontos bizonytalansági tényezõvel kezdem, amely az effajta kísérletek során felléphet. Bár ez a tényezõ igen jelentõs és bár a gázok kiterjedését tanulmányozó fizikusok többségének figyelmét elkerülni látszik, elegendõ csak megemlítenem, hogy hatását megvilágítsam. Amit a légköri levegõrõl mondok, a többi gázra is vonatkozik.

Ez a bizonytalansági tényezõ a készülékben levõ víz. Tegyük fel, hogy a levegõvel teli gömbben marad néhány csepp víz, és a levegõ hõmérséklete a forrásban lévõ víz hõmérsékletére emelkedik; a víz elpárolog, és eredeti térfogatánál körülbelül 1800-szor nagyobb térfogatot foglal el, így a gömbbeli levegõ nagy részét kiszorítja. Amikor ez a gõz kondenzálódik, szükségképpen 1800-szor kisebb térfogatot foglal el, ami a gömbben maradt levegõt túlságosan nagy tágulásra készteti, mert azt feltételezik, a forrásban lévõ víz hõmérsékletén a levegõ töltötte be a gömb teljes térfogatát. Ha a hõmérséklet nem emelkedik erre a fokra, ugyanez a bizonytalansági tényezõ akkor is fennáll, s jelentõsége a kísérleti hõmérséklettõl függ: ebben az esetben a víz nem párolog el teljesen, de a levegõ egyre többet old fel, ahogy a hõmérséklet emelkedik, s emiatt egyre nagyobb térfogat-növekedésre tesz szert a hõ hatására bekövetkezõ növekedésen kívül; ezért amikor újra alacsonyabb hõmérsékletre hûl, a gömböt betöltõ levegõ térfogata két ok miatt csökken, 1. a caloricum-veszteség miatt, 2. az oldatban tartott víz elvesztése miatt. Ezért a levegõnek túlságosan nagy tágulást tualjdonítunk.

Általában amikor a gázban olyan folyadék vagy szilárd anyag, például ammónium-klorid van, amely a kísérlet hõmérsékletén feloldódhat vagy elpárologhat, a gáz tágulásának meghatározása szükségképpen hibás lesz.

...

A most leírt kísérletek, amelyek mindegyikét nagy gonddal végeztem, tagadhatatlanul azt bizonyítják, hogy a légköri levegõ, valamint az oxigén-, a hidrogén-, a nitrogén-, a nitrogén-monoxid, az ammónia-, a klór-, a kén-dioxid és a szén-dioxid gáz ugyanolyan mértékben terjed ki azonos hõfokok között; következésképpen az azonos nyomáson és hõmérsékleten mutatott kisebb-nagyobb sûrûségük, vízben való kisebb-nagyobb oldhatóságuk és egyedi jellegük nem befolyásolja tágulásukat. Ennek alapján azt a következtetést vonom le, hogy általában minden gáz egyenlõ mértékben terjed ki ugyanolyan hõfokok között feltéve, ha mindegyik ugyanolyan körülmények közé kerül.

A gázok kiterjedésének tanulmányozása természetesen arra késztetett, hogy a gõzök kiterjedését is megvizsgáljam; de miután az elõzõ eredményekbõl azt vártam, hogy a gõzök a gázokhoz hasonlóan terjednek ki, csak egyetlen gõzzel szándékoztam elvégezni a kísérletet, s a kén-étert [dietil-étert]választottam, mert azzal igen könnyû dolgozni.

Az étergõz tágulásának meghatározásához a már említett két csövet használtam, és összehasonlításként légköri levegõt alkalmaztam. A készüléket elõször egy edényben tartottam, körülbelül 60^o-os hõmérsékleten. Ezután étergõzt engedtem be az egyik csõbe, és légköri levegõt a másikba úgy, hogy mindkettõ ugyanannak az osztásnak felelt meg. Az edény hõmérsékletét ekkor 60^o-ról 100^o-ra emeltem, és megelégedéssel tapasztaltam, hogy akár emelkedés, akár süllyedés következett be, az étergõz és a légköri levegõ egy idõben ugyanannak az osztásnak felelt meg. Ezt a kísérletet, amelyet Berthollet polgártársnak is bemutattam, többször megismételtem, és soha semmilyen különbséget nem tapasztaltam az éter és a légköri levegõ kiterjedése között. Megjegyezném azonban, hogy amikor az éter hõmérséklete csak egy kissé haladja meg a forráspontját, kondenzációja egy kissé gyorsabb, mint a légköri levegõé. Ez a tény rokon azzal a jelenséggel, amelyet számos test mutat, ha folyékonyból szilárd állapotba megy át, de amely nem érzékelhetõ néhány fokkal az átmenet hõmérséklete fölött.

Ez a kísérlet azt mutatja, hogy az étergõz és a gázok egyenlõen terjednek ki, s egyben azt is demonstrálja, hogy ez a tulajdonság semmiképpen nem függ a gázok és gõzök egyedi jellegétõl, hanem csak elasztikus állapotuktól, következésképpen arra a konklúzióra vezet bennünket, hogy minden gáz és minden gõz egyenlõen terjed ki azonos hõfokok között.

Miután minden gáz egyenlõ mértékben tágítható a hõvel és egyenlõ mértékben nyomható össze, és miután ez a két tulajdonság összefügg, amint azt máshol meg fogom mutatni, a gázokkal azonos mértékben tágítható gõzöknek azonos mértékben kell összenyomhatónak lenniük; de megjegyezném, hogy ez utóbbi következtetés csak akkor lehet igaz, ha az összenyomott gõzök teljesen elasztikus állapotban maradnak; ehhez pedig az szükséges, hogy hõmérsékletük kellõen magas legyen, mert így tudnak csak ellenállni annak a nyomásnak, amely a folyadékállapot felvételére készteti õket.

Saussure és az õ méréseit alátámasztó kísérleteim nyomán kijelentettem, hogy a nagyon száraz levegõ és az a levegõ, amely több-kevesebb vizet tartalmaz feloldva, egyenlõ mértékben tágítható; ezért az elmondottak alapján joggal vonhatom le a következõ konklúziókat.

1. Minden gáz, függetlenül a sûrûségétõl és a benne oldott víz mennyiségétõl, és minden gõz egyenlõ mértékben terjed ki azonos hõfokok között.

2. A permanens gázok térfogat-növekedése az olvadó jég és a forrásban levõ víz hõmérséklete között az eredeti térfogat 80/21333 része, ha a hõmérõ 80 részre van osztva, és 100/26666 a 100 fokra osztott hõmérõ esetén.

A munka befejezéséhez meg kell határoznom a gázok és gõzök tágulásának törvényét, hogy bármely hõfokhoz megkapjam a tágulási együtthatót, és megállapítsam a hõmérõ valódi kiterjedését. Ezekkel az új vizsgálatokkal folytatom a munkámat; s amikor elkészültem, megtiszteltetésnek tekintem, ha beszámolhatok róluk az Intézetnek. 

A munkavégzése és energiája, körfolyamatok

A termodinamika első főtétele

    Tudjuk, hogy a szilárd testek és a folyadékok fajlagos hőkapacitása mindig olyan melegítési folyamatra vonatkozik, amelynek során a nyomás állandó és térfogatuk szabadon változhat.
     A gázok melegítése azonban ugyanakkora hőmérséklet-emelkedés esetén is többféle módon történhet. Ahogyan azt a gázok állapotváltozásait tárgyaló fejezetben láttuk, az egyik határesetben a térfogatot tartjuk állandó értéken, ilyenkor a hőmérséklettel együtt a gáz nyomása is nő. A másik határesetben a nyomást tartjuk állandó értéken, ilyenkor a gáz térfogata növekszik a hőmérséklet egyidejű emelkedésével. Az állandó térfogaton végbemenő állapotváltozáskor érvényes fajlagos hőkapacitást -vel, az állandó nyomáshoz tartozót pedig -vel jelöljük. E két határeset között természetesen tetszőlegesen sokféle állapotváltozás fordulhat elő, ahol a nyomás és a térfogat egyidejűleg változik. Mindegyik esetben más és más az a hőmennyiség, amely 1 kg gáz 1 K-nel történő felmelegítéséhez szükséges, a gázok fajlagos hőkapacitásáról tehát csak a körülmények rögzítése esetén lehet egyértelmű megállapításokat tenni.
     Elsőként R. Mayer fogalmazta meg azt az alapvető természeti törvényt, amely szerint az energiát -csakúgy, mint az anyagot- nem lehet megsemmisíteni. Ez a tételt tekintjük a klasszikus fizika egyik alaptételének és az energiamegmaradás elvét mondja ki, a termodinamikában pedig a hőtan első főtételének szoktuk nevezni, és számos, egymással egyenértékű megfogalmazása ismeretes.
     Fontosnak tartjuk hangsúlyozni, hogy a termodinamika valamennyi főtétele önálló, tapasztalati törvény, amelyet semmilyen más tételből levezetni vagy bizonyítani nem lehet, így helyességét kizárólag a tapasztalat igazolja.

Az első főtétel egyik megfogalmazása szerint a hő és a mechanikai munka egymással egyenértékű.

    A tétel tehát azt mondja ki, hogy ha mechanikai munka felhasználásából hő keletkezik, akkor az így keletkezett hőmennyiség a felhasznált mechanikai munkával egyenlő, és ez természetesen fordítva is igaz: a keletkezett mechanikai munka, illetve energia a mechanikai munkává alakult hőmennyiséggel egyenlő. Ha pl. két test súrlódása kapcsán Q hőmennyiség keletkezik és a súrlódás legyőzésére W mechanikai munkát fordítottunk, akkor - az első főtétel fenti megfogalmazása értelmében - ez a két mennyiség egymással egyenlő. A két, látszatra különböző fizikai mennyiség - a hő és a mechanikai munka - között tehát az első főtétel adja meg a kapcsolatot: mindkettő ugyanannak a fizikai mennyiségnek, az energiának a különböző alakja.
     Az első főtétel előbbi megfogalmazása nem más, mint az energia-megmaradás elvének az alkalmazása a hőtani jelenségekre. A főtételnek azonban más megfogalmazásaival is találkozhatunk. Ezek közül az egyik legismertebb az elsőfajú örökmozgónak, latinul perpetuum mobile-nek a lehetetlenségét mondja ki, azaz:

Lehetetlen olyan gépet készíteni, amely tartósan munkát végezne anélkül, hogy a végzett munkával egyenértékű másfajta energiát ne fogyasztana.

A tételnek természetesen a megfordítottja is igaz:

Nem létezhet olyan gép, amely tartósan energiát fogyasztana anélkül, hogy a felhasználttal egyenértékű másfajta energia ne keletkeznék.

A termodinamikai vizsgálatok gyakran a már korábban definiált szigetelt rendszerre vonatkoznak. A szigetelt rendszer tehát olyan testeknek a csoportját jelenti, amelyek egymásnak energiát adnak át, de kifelé sem energiát, sem anyagot nem adnak le, illetve kívülről nem is vesznek fel. Az ilyen rendszerre az energia-megmaradás elve a következőképpen hangzik:

Szigetelt rendszer energiáinak az összege állandó.

A következőkben az első főtételnek ezt az átfogó, általános érvényű elvét fogjuk alkalmazni a hőjelenségek és a mechanikai munka viszonyának vizsgálatára.

Az első főtétel gyakorlati alkalmazásai

A térfogatváltozási vagy külső munka

    Képzeljük el, hogy valamely hengernek egy dugattyúval lezárt térfogatát a környezeténél nagyobb nyomású gáz tölti ki. Ha ez a hengerben lévő gáz a térfogatát növeli, másszóval expandál, akkor a dugattyút elmozdítja, és ezáltal valamilyen mechanikai munkát végez.
     Ábrázoljuk és vizsgáljuk ezt az állapotváltozást a szokásos p-V diagramunkon! A gáz kezdeti térfogatához tarozó nyomás értéke legyen , míg a végállapotot jellemezze a és érték. A dugattyú-elmozdulás, és a keresztmetszet állandóságából következően a térfogat függvényében a gáz nyomása a folytonos vonallal rajzolt görbe szerint változik, miközben a gázzal hőmennyiséget közöltünk.

    A dugattyú valamely közbenső helyzetében a gáz térfogata V, nyomása pedig p, ekkor az A felületű dugattyúra a gáz erőt fejt ki, és a dugattyúrúdra ható külső erő ellenében azt elmozdítja, vagyis mechanikai munkát végez. A dugattyú elemi elmozdulása esetén a gáz térfogata értékkel növekszik, a dugattyúra ható erő pedig

elemi munkát végez. Ez az elemi munka ábránkon egy olyan téglalapnak felel meg, amelynek alapja dV, magassága pedig p, vagyis az ábránkon vonalkázott területtel arányos. A teljes állapotváltozás során a gáz térfogatváltozási vagy külső munkája tehát ezen elemi munkákhoz tartozó téglalapok összegzésével éppen a függvény alatti területtel arányos, vagyis matematikailag a

összefüggéssel határozható meg. Az egyszeri állapotváltozáskor végzett külső munka tehát a nyomásnak a térfogat szerinti integráljával egyenlő, ami a p-V diagramban az állapotváltozást leíró görbe és az abszcissza tengely közötti terület mérőszámával egyenlő.
     Hőtani vizsgálatainkban és általában a műszaki gyakorlatban éppen azért szoktuk a vizsgált folyamatokat p-V diagramban ábrázolni, mert az állapotváltozási görbe alatti terület a térfogatváltozási munkát szemléletesen mutatja.

A belső energia

Valamely testnek vagy rendszernek a belső szerkezetével, illetve belső tulajdonságaival és állapotával összefüggő összes energiáját belső energiának nevezzük, és további vizsgálatainkban U-val jelöljük. Az esetek döntő többségében azonban az állapotváltozás energetikai viszonyainak leírásához, illetve feladataink megoldásához nincs szükségünk a belső energia tényleges értékére, hanem elég, ha ismerjük a belső energia , illetve dU megváltozását.
     A belső energia állapotfüggvény, vagyis csak a test vagy rendszer termikus állapotjelzőitől ( p,V,T ) függő mennyiség. Az, hogy a rendszer az adott állapotba milyen úton jutott, a rendszer belső energiáját nem befolyásolja, a rendszer minden egyes állapotához a belső energiának egyértelműen meghatározott értéke tartozik. Ebből az is következik, hogy a rendszer állapotváltozása során a belső energia változása csak a kezdeti és a végállapottól függ.
     Azokban az állapotváltozásokban, amelyekben a rendszer térfogata nem változik, (izochor állapotváltozások ) a rendszerrel közölt hőmennyiség egyenlő a belső energia megváltozásával, hiszen a hőközlés alatt a térfogatváltozás és ebből következően a térfogatváltozási munka is zérus. Miután az ideális gázok fajhője az adott állapotváltozás során állandó, így

.

Adott anyagmennyiségű (tömegű) ideális gáz belső energiája tehát csak a hőmérséklettől, belső energiájának a változása pedig csak a hőmérséklet változásától függ:

.

Az előzőekben megfogalmazott elvek figyelembevételével tehát az energiamegmaradás elve a következőképpen is felírható:

,

ahol W a rendszer által a külső testeken végzett munka. Az összefüggés azt jelenti, hogy a rendszerrel közölt hőmennyiség a rendszer belső energiájának a megváltozására és a rendszernek a külső erők ellen végzett munkavégzésére fordítódik. Ez a hőtan első főtétele.
     Érdemes megjegyezni, hogy a hőtanban általánosan elfogadottan pozitívnak tekintjük a rendszerrel közölt hőt és a rendszer által végzett munkát, negatívnak pedig a rendszer által leadott hőt és a környezet által a rendszeren végzett munkát. A belső energia változása természetesen pozitív, ha növekedésről, illetve negatív, ha csökkenésről van szó.
     Említettük, hogy a gázok nyomása a térfogat függvényében tetszőleges törvényszerűség szerint változhat, a térfogatváltozási munka meghatározhatósága szempontjából tehát általánosabb összefüggésre jutunk, ha az előbbi egyenlet differenciális alakját vesszük figyelembe:

,

illetve az egységnyi tömegű gázra vonatkoztatva

.

Ez utóbbiakat az első főtétel differenciális alapkifejezésének nevezzük.

Az egyes állapotváltozások energetikai leírása

Az izochor állapotváltozás

    Ennek az állapotváltozásnak az energetikai viszonyait az előbbiekben a belső energia kapcsán már tárgyaltuk, és megállapíthattuk, hogy miután a gáz térfogatváltozási vagy külső munkát nem végez, a gáz belső energiájának megváltozása éppen egyenlő a gázzal közölt hőmennyiség értékével:

.

Az izobár állapotváltozás

    Az állandó nyomáson végbemenő állapotváltozás során a térfogatváltozási munka értéke viszonylag egyszerűen számítható, hiszen a nyomás állandó lévén

összefüggés érvényes, amint azt az állapotváltozást ábrázoló diagramról szemléletesen is leolvashatjuk.

Az állapotváltozás során közölt hőmennyiség értéke a

összefüggéssel határozható meg, vagyis az első főtétel ezen állapotváltozásra érvényes alakja a következő:

.

    A gázzal közölt hőmennyiség tehát egyrészt a gáz belső energiájának megváltoztatására, másrészt külső munkavégzésre fordítódik.

Az izotermikus állapotváltozás

    Amikor a gáz állapotváltozása állandó hőmérsékleten megy végbe, a gáz hőmérsékletének álladósága következtében a gáz belső energiája sem változik. Tudjuk, hogy a Boyle-Mariotte törvény alapján az állapotváltozás a p-V síkon egy elsőfokú hiperbolával ábrázolható:

A térfogatváltozási munkát ebben az esetben csak úgy tudjuk meghatározni, ha kiszámítjuk a függvény alatti terület számértékét az általános gáztörvény segítségével:

.

    A termodinamika első főtételének értelmében tehát állandó hőmérsékleten végbemenő állapotváltozás során a gázzal közölt hőmennyiség teljes egészében a környezetnek adódik át mechanikai munkavégzés formájában, illetve a gázon végzett mechanikai munka számértéke megegyezik azzal a hőmennyiséggel, amelyet a gáz az állapotváltozás során a környezetének lead.

Az adiabatikus állapotváltozás

    A gáz és környezete között lejátszódó hőcsere kapcsán definiálhatjuk azt az állapotváltozást, amelynek során a gáz a környezettől tökéletesen hőszigetelve van, tehát hőt fel nem vehet, és le sem adhat: az ilyen állapotváltozást adiabatikusnak nevezzük.
     Az iménti feltételt, vagyis a tökéletes hőszigetelést a gyakorlatban természetesen nem lehet megvalósítani. Csak a nagyon gyorsan lejátszódó állapotváltozások során mondhatjuk, hogy a gáz és környezete között jó közelítéssel nem valósul meg hőcsere, hiszen ezen állapotváltozások során a gáznak nincs elég ideje ahhoz, hogy környezetével hőcserét valósítson meg.
     Az adiabatikus állapotváltozás állapotjelzői közötti összefüggés az előbbi feltétel alapján határozható meg:

.

Ezt az összefüggést szokás az ideális gáz adiabatikus állapotváltozására vonatkozó Poisson-egyenletnek nevezni. A kifejezésben szereplő kitevő a gázra jellemző mennyiség, az illető gáz adiabatikus kitevője, amelynek értékét a gáz állandó nyomáson és állandó térfogaton mérhető fajlagos hőkapacitásának segítségével is meghatározhatjuk:

.

    Ennek ismeretében a folyamatot p-V diagramban is ábrázolhatjuk, ahol az állapotváltozás adott és hőmérséklethatárok között megy végbe.

    Az adiabatikus állapotváltozás során végzett munkát meghatározhatjuk az izotermikus állapotváltozásnál követett gondolatmenettel, vagyis a Poisson- egyenlet és az általános gáztörvény felhasználásával meghatározhatjuk a függvény alatti terület számértékét, ehhez azonban ismét csak az integrálszámítást kell segítségül hívnunk:

.

    Ennél lényegesen egyszerűbben érünk célhoz, ha figyelembe vesszük, hogy a termodinamika első főtételében szereplő mennyiségek közül a közölt hőmennyiség értéke zérus, vagyis a gáz által végzett térfogatváltozási munka éppen egyenlő kell legyen a gáz belső energiájának megváltozásával, vagyis

.

A negatív előjel megállapodásunknak megfelelően azt jelenti, hogy ha a gáz végez munkát, belső energiája természetesen csökken, míg belső energiája csak abban az esetben növekedhet, ha a gázon külső munkavégzés történik.

Politropikus állapotváltozás, a politropikus fajhő

    Az izotermikus és az adiabatikus állapotváltozások tárgyalása során láttuk, hogy mindkettő leírható az általános állandó összefüggés segítségével, csak a hatványkitevő értékét kell az adott állapotváltozásra érvényes értékben figyelembe venni.
    Előbbi megállapításunkat általánosítva mondjuk azt, hogy általános esetben n értéke tetszőleges lehet. Az olyan állapotváltozást, amely a állandó egyenletnek eleget tesz, politropikus állapotváltozásnak nevezzük (a politróp görög szó, sokfélét jelent).
    Ha az n kitevő értékét 1 és között vesszük fel, akkor az ennek megfelelő állapotváltozás görbéje, a politrópa az adiabata és az izoterma között helyezkedik el. Az állapotváltozás irányától függően hőt kell a gázzal közölni, illetve hőt kell belőle elvonni, ugyanakkor a gáz hőmérséklet csökken, illetve nő. Érdemes megjegyezni, hogy közelítőleg ilyen folyamatok játszódnak le a valóságos dugattyús gépekben is, hiszen nem tudjuk tökéletesen biztosítani az adiabatikus állapotváltozás feltételeit.
    A politropikus állapotváltozás definíciójával egyidejűleg a termikus állapotjelzők közötti összefüggést is meghatároztuk, a külső munkát pedig nagyon egyszerűen megadhatjuk, mivel nem kell mást tennünk, csak az adiabatikus állapotváltozásnál levezetett összefüggésekben helyére n-et írni. Ezekkel a mennyiségekkel tehát a termodinamika első főtétele:

,

ahol az összefüggésben szereplő politropikus fajhő már nemcsak az anyagminőségnek, hanem az állapotváltozás jellegének ( n ) is függvénye:

.

Elmondhatjuk tehát, hogy valamennyi állapotváltozás felfogható a politropikus állapotváltozás speciális eseteként, az illető állapotváltozásra érvényes politropikus kitevő figyelembevételével.

Körfolyamatok

A körfolyamatokról általában

    Az eddig tárgyalt folyamatok többször egymás után ismételten csak akkor mehetnek végbe, ha a munkaközeget a periódus végén kezdeti állapotába juttatjuk vissza. Az olyan a termodinamikai folyamatokat, amelyeknek végeredményeként a rendszer a kiindulási állapotába tér vissza, körfolyamatoknak nevezzük. A körfolyamatokat tehát p-V diagramban zárt görbe ábrázolja.

    Az ábrából szemléletesen is könnyen megállapítható, hogy a p-V diagramban a körfolyamatot ábrázoló zárt görbe által közrefogott munkaterület éppen a körfolyamat munkáját adja meg.
A körfolyamat megvalósításához az szükséges, hogy a körfolyamat egyik részén hőt vigyünk be a munkaközegbe, míg a körfolyamat más részén pedig hőt vonjunk el belőle.
    Mivel a körfolyamat során a munkaközeg kezdő és végállapota, így termikus állapotjelzői is megegyeznek, ezért, bár a körfolyamatot alkotó állapotváltozások közben belső energiája változhat, a kezdő és végállapot hőmérséklete és ezáltal belső energiája mindenképpen megegyezik. A körfolyamat munkája tehát csakis a közegbe bevezetett hőből származhat. Irjuk fel a körfolyamatra a termodinamika első főtételét:

,

ahol a bal oldalon a bevezetett és az elvezetett hőmennyiség különbsége áll, a belső energia változása pedig a már elmondottak alapján zérus. Eszerint bármely körfolyamat munkája a bevezetett és az elvont hőmennyiségek különbségével egyenlő.

Egy hőerőgép körfolyamatának termikus hatásfoka tehát azt fejezi ki, hogy a bevezetett hőnek mekkora hányada a körfolyamatból nyerhető mechanikai munka:

.

A termikus hatásfok a hőerőgép körfolyamatok megítélése szempontjából alapvető fontosságú, hiszen megmutatja, hogy a körfolyamatba bevezetett hőmennyiségnek hány százaléka nyerhető vissza a hőerőgép által végzett mechanikai munka formájában. Attól függően, hogy az adott termodinamikai gépben megvalósított körfolyamat során a munkaközeg milyen állapotváltozásokon megy keresztül, számos jellegzetes körfolyamatot valósíthatunk meg. Gyakorlati jelentőségüknél fogva ezek közül néhányat a következőkben röviden meg kell említenünk.

Nevezetes körfolyamatok

A Carnot-körfolyamat

    A termodinamikában különlegesen nagy a jelentősége annak a körfolyamatnak, amelyet Carnot vezetett be. Ennél a körfolyamatnál a hőbevezetés és a hőelvonás állandó hőmérsékleten történik, míg a munkaközeg mechanikai munkát adiabatikus állapotváltozások során végez.

    A körfolyamat tehát két izotermából és két adiabatából áll, amelyek az ábrán megjelölt sorrendben követik egymást. Hőerőgép- körfolyamat esetén állandó hőmérsékleten hőt közlünk a munkaközeggel, az 1-2 expanzió tehát izotermikus, amelyet a 2-3 adiabatikus expanzió követ. A 3-4 izotermikus kompresszió közben hőmérsékleten hőt vonunk el a közegből, majd a 4-1 állapotváltozás során adiabatikus sűrítéssel ismét a kezdeti állapotba hozzuk.

Az Otto- körfolyamat

    A legelterjedtebb hőerőgépek a belsőégésű motorok, amelyekben a hő a hengert kitöltő gáz és levegő, illetve gázolaj és levegő keverékének elégésekor keletkezik. Az ezekben a motorokban lejátszódó folyamatok leírása akkor válik lehetségessé, ha bizonyos egyszerűsítő feltételezésekkel élünk. Ezek a feltevések a következők:

    - a hengerben lévő gáz tömege és összetétele az egész folyamat során változatlan,
    - a belső égés során történő hőközlést kívülről történő hőközléssel helyettesítjük,
    - a kipufogást és a friss levegő vagy keverék bevezetést az egyébként változatlan hengertöltet lehűtésével tehát hőelvonással helyettesítjük,
     - a munkaközeget ideális gáznak és fajhőjét állandónak tekintjük,
     - a rés- és súrlódási veszteségektől eltekintünk.

Az Otto- vagy szikragyújtású motorok ily módon eszményiesített körfolyamata során a hőbevezetés, illetve a hőelvonás izochor állapotváltozások során történik, amelyeket egy adiabatikus kompresszió és expanzió kapcsol össze.

A körfolyamatot alkotó állapotváltozások végpontjainak termikus állapotjelzői a megismert összefüggések alapján meghatározhatók, az első főtétel alkalmazásával pedig az egyes állapotváltozások során közölt hőmennyiségek és mechanikai munkavégzések is ismertek, vagyis a körfolyamat termikus hatásfoka meghatározható.

A Diesel-körfolyamat

Ez a körfolyamat az előzőtől csupán a hőközlés módjában tér el, a Diesel körfolyamatba ugyanis egy izobár állapotváltozás során történik a hőközlés, hiszen a dízelmotorok levegőt szívnak be és sűrítenek olyan nagy nyomásra, hogy a sűrítés során felmelegedett levegőbe beporlasztott gázolaj öngyulladása indítja meg az égést, a hőfelszabadulás tehát jó közelítéssel izobár hőközlésnek felel meg.

A körfolyamat tehát egy adiabatikus kompresszióval indul, amelyet izobár hőközlés követ. Az ezután végbemenő adiabatikus expanzió végén a hőelvonás egy izochor állapotváltozás során történik.

A Seiliger-Sabathé körfolyamat

A legtöbb dízelmotor azonban a valóságban nem az előbbi Diesel-körfolyamatot valósítja meg, hanem a Seiliger vagy másnéven Sabathé körfolyamatot.

Ez a körfolyamat tehát abban tér el az előbbiektől, hogy a hőközlés részben izochor, részben pedig izobár állapotváltozás során történik, vagyis mintegy átmenetet képez az Otto- és a Diesel körfolyamatok között.

A termodinamika II. főtétele

    Az előbb elmondottak alapján ahhoz, hogy egy körfolyamatból mechanikai munkát nyerjünk, egy magas és egy alacsony hőmérsékletű hőtartály mellett expanzióképes munkaközegre van szükség. A körfolyamatból nyerhető munka mindig a felső hőtartályból felvett hőből származik, azonban az így felvett hőnek mindig csak egy része alakul át mechanikai munkává, másik része az alsó hőtartályba kerül.
    Ha sikerülne olyan gépet megvalósítanunk, amely a felvett hőt teljes egészében mechanikai munkává tudná alakítani, vagyis nem lenne szükség alsó hőtartályra, a rendelkezésünkre álló csaknem korlátlan hőkapacitásokból -mint például a tengerek vize, a Föld mélyének termikus energiája - csaknem korlátlanul tudnánk mechanikai energiát előállítani. Az olyan gépet, amely egyetlen hőtartály felhasználásával mechanikai energiát állítna elő, másodfajú perpetuum mobile-nek nevezzük.
    A termodinamika II. főtételének Thomson szerinti megfogalmazása azonban kimondja a másodfajú perpetuum mobile lehetetlenségét. Planck ugyanezen tapasztalati törvényt úgy fogalmazta meg, hogy lehetetlen olyan periodikusan működő gépet készíteni, amely semmi mást nem tesz, csak teheremelési munkát végez és egyetlen hőtartályból hőt von el.
    Természetesen az előbbi megfogalmazások egyenértékűek azzal a Clausius szerinti megfogalmazással, amely szerint hő nem mehet át hidegebb testről melegebb testre önmagától. Alapvetően azt mondhatjuk, hogy minden vakóságos folyamatot megfordíthatatlan jelenségek kísérnek, és ezek megakadályozzák, hogy az eredeti állapot ismét helyreálljon, vagyis minden valóságos folyamat megfordíthatatlan.
    A megfordítható és megfordíthatatlan körfolyamatok kapcsán megállapíthatjuk, hogy a megfordíthatatlan, másnéven irreverzibilis körfolyamatok esetében a körfolyamatban résztvevő hőmérsékletű hőtartályok által felvett előjeles hőmennyiségek és a hőmérsékletek hányadosainak összege mindig negatív:

.

Ez a Clausius-féle egyenlőtlenség. Az egyenlőtlenségben szereplő kifejezés értéke független attól, hogy a rendszer milyen állapotok sorozatán jutott egyik állapotából a másikba, csak a két végállapot függvénye, tehát állapotjelző. A

, illetve a

hányadossal definiált mennyiséget a rendszer vagy test entrópiaváltozásának nevezzük. Hasonlóan a korábban definiált másik kalorikus állapotjelzőhöz, a belső energiához, az entrópia esetében sincs szükségünk az entrópia adott állapothoz tartozó konkrét értékére, hanem elsősorban az entrópiaváltozás mértékét kívánjuk meghatározni.
     Az entrópia fogalmának bevezetésével a II. főtétel úgy is megfogalmazható, hogy zárt rendszerben lezajló spontán folyamatok során a rendszer entrópiája csak nőhet, és ez a növekedés mindaddig tart, amíg a rendszer egyensúlyi állapotba nem kerül. Ez az entrópia növekedésének, illetve az entrópiamaximumnak az elve.

    A II. főtételből számos olyan, gyakorlati szempontból is jelentős következtetés vonható le, amelyek közül néhányat mindenképpen érdemes lehet megemlítnünk:

    - 0 K-nél alacsonyabb hőmérséklet nincs
    - az azonos hőmérséklethatárok között lejátszódó megfordíthatatlan körfolyamat hatásfoka mindig kisebb, mint a megfordíthatóé
    - a Carnot körfolyamat hatásfoka csak az alsó és a felső hőtartály hőmérsékletétől függ, és bármely munkaközeg esetén ugyanakkora, mint ideális gáz esetében.

Ezeknek a megállapításoknak elsősorban a hőerőgépek üzemében, illetve a bennük megvalósított körfolyamatok termikus hatásfokának javításában van igen nagy jelentősége.

A termodinamika III. főtétele

A termodinamika III. alapvető természeti tapasztalati törvényének is több, egymással egyenértékű megfogalmazása ismeretes. A legáltalánosabban ismert megfogalmazás szerint:

Az abszolút zérus fokhoz közeledve a kémiailag egységes anyagok entrópiája a zérushoz tart.

Ennek alapján az is belátható, hogy ezen hőmérséklethez közeledve az anyagok fajhője is zérushoz tart, amiből következően az abszolút zérus fok soha nem érhető el, hiszen ezen 0 K hőmérséklet közelében az anyag fajhője rendkívül kicsi, vagyis a legtökéletesebb hőszigetelés ellenére felvett igen kis hőmennyiség is megemeli a test hőmérsékletét.

Fémek tulajdonságai (Metal Properties)

Fizikai tulajdonságok:

• áramvezetés: elektromos áram hatására a delokalizált kötő elektronok (elektronsereg) egy irányba mozdulnak el. Szilárd fémeknél nagyobb az áramvezetés, mint az olvadé-koknál;
• hővezetés: a rácspontokban lévő atomok rezgőmozgása és a delokalizált elektronok segítségével történik;
• fémes fény és szín: a delokalizált elektronok a minden irányból jövő fény egy részét elnyelik, másik részét visszaverik, ezért szürkék;
• olvadás- és forráspont: függnek a fém atom tömegétől, atomátmérőtől, a közöttük lévő kötési energia és a koordinációs nagyságától, fémenként nagy az eltérés, mert a d alhéj elektronjai is részt vesznek a kovalens kötésben;
• sűrűség: az atom tömegétől függ;
• szívósság, rugalmasság: maradandó alakváltozás részleteit lásd a fizikában;
• ötvözetek: ha a fémeket más fémekkel összeolvasztjuk ötvözetet kapunk. A fém olva-dékában más fémek feloldódnak és együtt kristályosodnak, tulajdonságuk nagyon megváltozik;

Kémiai tulajdonságok:

A fémek a kémiai reakciók során mindig oxidálódnak, mert kicsi az ionizációs energiájuk és az elektronegativitásuk.
Ebből következik, hogy vegyületeikből a fémek csak költséges redukciós folyamattal vagy eljárással állíthatók elő:

• kémiai korrózió: a korróziót oxidációs folyamat okozza, aminek az az oka, hogy külső elektronjukat könnyen leadják, ilyenkor gázokkal és nem elektrolit olvadékokkal reak-cióba lépnek. Néhány fém felületén összefüggő oxidréteg alakul ki, pl. az alumínium felületén az alumíniumoxid, más fémeknél az oxidréteg porózus, és alatta az oxidáció tovább folytatódik, ilyen, pl. a vas felületén a vasoxid, a rozsda. Ez kivédhető a fém passzivitásával, pl. a vasat rövid időre tömény salétromsavba mártjuk, majd sósavol-datba. Az arany és a platina nem korrodálódik.
• elektrokémiai korrózió: a kémiai energia elektromos energiává alakul át a folyamatban, ezt gyorsítja a nedvesség, különösen, ha van a levegőben széndioxid (CO2) vagy kéndioxid (SO2), a párában ezek feloldódnak, és savas elektrolitok keletkeznek. To-vább gyorsul a folyamat, ha a vashoz rezet kötnek, de lassul, ha cinket kötünk (a mai autógyártásban az autók karosszériáját cinkfürdőbe mártják, és így érik el a 20 éves át-rozsdásodás elleni védelmet).

	1. Szín: általában ezüstös fényű, csillogó. Két kivétel van, a réz (Cu) vörös, az arany (Au) sárga. A fémek por alakban általában feketék, bár több kivétel is van.
	2. Szag: a fémek számunkra szagtalanok. Az egyetlen kivétel az ozmium (Os), aminek szúrós szaga van.
	3. Halmazállapot: A fémek standardállapotban a higany (Hg) kivételével szilárdak. A gallium (Ga) olvadáspontja 30oC körül van, már az ember tenyerében megolvad! Néhány fém olvadáspontja:
		higany (Hg)	-39oC
		ólom (Pb)	328 oC
		arany (Au)	1064 oC
		vas (Fe)	1539 oC
		volfrám (W)	3410 oC
	4. Keménység:	a legpuhább fémek késsel vághatóak (nátrium, kálium), a legkeményebbek közé az ozmium (Os), iridium (Ir),  wolfrám (W), a titán(Ti) vagy a króm(Cr) tartozik
		Nem puha fém a folyékony higany, hiszen a keménység a szilárd anyagok tulajdonsága.
	5. Sűrűség: nagyon változó. Gyakorlati szempontből megkülönbözetetünk könnyűfémeket (5 g/cm3 sűrűség alatt) és nehézfémeket (5 g/cm3 sűrűség fölött). A legkisebb sűrűségű fém a litium (0,5 g/cm3 ) a legnagyobb sűrűségű az iridium 22,65 g/cm3. Az 1cm3 alatti sűrűségű fémek úsznak a víz tetején!
	Gyakran használt fémek sűrűsége:
		nátrium (Na)	0,968 g/cm3
		alumínium (Al)	2,7 g/cm3
		vas (Fe)	7,87 g/cm3
		réz (Cu)	8,96 g/cm3
		ezüst (Ag)	10,5 g/cm3
		ólom (Pb)	11,34 g/cm3
		higany (Hg)	13,5 g/cm3
		arany (Au)	19,32 g/cm3
		platina (Pt)	21,45 g/cm3
	6. Áramvezetés:	Nagyon jellegzetes eltérés a nemfémekhez képest, hogy a fémek vezetőképessége a hőmérséklet emelésével csökken ( a nemfémeké ezzel párhuzamosan nő). A fémek  elsőfajú vezetők, azaz bennük elektronok vezetnek (nem ionok). A legjobban vezető fémek között van az ezüst és az arany, valamint a réz. Néhány fém fajlagos vezetőképessége:(Am/Vmm2)
		ezüst	63
		réz	56
		arany	45
		alumínium	37
		vas	10
		A táblázatból kiderül, hogy az ezüstnek és a réznek jobb a vezetőképessége, mint az aranynak. Az arany viszont nem oxidálódik, ezért az elektromos kontaktusokhoz jobban alkalmazható.

Jellemezzük a fémek kristályszerkezetét!
a,  Milyen a kötés a fémrácsban?

Tudjuk, hogy a fématomok kevés számú vegyértékelektronja viszonylag kis enegiával kötődik az atommaghoz. A fématomokat tehát kis ionizációs energia jellemzi, ami a nemfémekhez viszonyított kisebb elektron vonzóképesség következménye. A fémkristályok képződésekor az egyes fématomok vegyértékelektronjai (vagy azok egy része) a többi atom
magjának vonzó hatása következtében közössé válnak, delokalizálódnak; kialakul a fémes kötés. A fémes kötéssel összekapcsolt fématomok alkotják a szilárd fémrácsot.

b, Milyen fémrács típusokat ismerünk?

• lapon középpontos kockarács; melyben a koordinációs szám: 12
• térben középpontos kockarács; melyben a koordinációs szám:8
• hatszöges v. hexagonális kockarács; melyben a koordinációs szám:12

c, Mi a koordinációs szám?

A koordinációs szám arról ad felvilágosítást, hogy a kristályrácsban egy atomnak hány közvetlen (legközelebbi) szomszédja van. A koordinációs számból a rács tömöttségére, térkitöltésére következtethetünk. Általában a fémes rácsban az atomok legszorosabb illeszkedése, legnagyobb térkitöltése valósul meg.

Mi határozza meg a fémek fizikai sajátosságait? Indokold!

A fémek fizikai sajátosságait a fématomok és a fémrács szerkezete határozza meg.

Hogyan változik az elektromos vezetőképesség hőmérsékletemelkedés hatására? Miért nevezzük a fémeket elsőrendű-vezetőknek?

Azért nevezzük elsőrendű vezetőknek a fémeket, mert bennük a elmozdulás töltéssel rendelkező részecske az elektron. A fémek elektromos vezető képessége hőmérséklet-emelkedés hatására csökken. A fématomok, illetve a delokalizált elektronok ugyanis a magasabb hőmérsékletre jellemző erőteljesebb, gyorsabb mozgásuk következtében gyakrabban ütköznek, ami akadályozza az elektronok rendezett mozgását, s így az áramvezetést.

Mitől függ a fémek sűrűsége? Ez alapján, hogy csoportosíthatók?

A fémeket sűrűségük szerint is megkülönböztetjük:

• könnyűfémek: az 5g/köbcentinél kisebb sűrűségű fémek;
• nehézfémek: az 5g/köbcentinél nagyobb sűrűségű fémek.

A legnagyobb sűrűségű fém az ozmium: 22,6 g/köbcenti, a legkisebb a lítium:0,53 g/köbcenti. A fémek sűrűségét atomjaik tömege, mérete, és a rácstípus határozza meg.

Mivel magyarázható a fémek megmunkálhatósága, alakíthatósága?

A fémek többsége az elektromosságot és a hőt jól vezeti. Tapasztalat szerint a fémek elektromos- és hővezető képessége párhuzamosan változik, a jó elektromos vezető fém egyben jó hővezető is.

Milyen anyagok az ötvözetek? Soroljunk fel néhány ismert ötvözetet, adjuk meg összetételüket!

A fémek nagy része olvadt állapotban egymásban oldódik; az olvadék lehűlve, a fémes jelleget megtartva kristályosodik, szilárdul meg, így jönnek létre az ötvözetek. Az ötvözetek sok esetben jobbak, mint a tiszta fémek. Pl. a krómmal ötvözött vas ellenáll a rozsdásodásnak, ha nikkelt is tartalmaz, akkor saválló. Az ötvözetek a nagyobb mennyiségű alapfémből és a kisebb mennyiségű ötvözőanyagból állnak. A legismertebb ötvözetek az acél, a sárgaréz (Zu+Zn) és a bronz (Cu+Sn).

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

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

A nemfémes elemek és egymással képzett vegyületeik

A hidrogén és vegyületei

A hidrogén a legkisebb legegyszerűbb atom. Az atommagjában lévő egyetlen proton körül az 1s alhéj egyetlen elektronja található. A hidrogén színtelen, szagtalan gáz. Sűrűsége az összes gáz közül a legkisebb. Olvadáspontja, forráspontja rendkívül alacsony. Diffúziósebessége, hővezető-képessége nagy, vízben, poláris oldószerekben, csekély mértékben oldódik.

Vegyületei kőzetekben, szerves anyagokban, nagy mennyiségben található. A hidrogén molekula kötési energiája nagy. Ezért a hidrogén gáz kevésbé reakcióképes. A hidrogén és az oxigén gáz 2: 1 térfogatarányú elegyét durranógáznak nevezzük. A hidrogén égése során víz keletkezik. A hidrogén halogénekkel is reakcióba lép. Klórral megvilágítás hatására hidrogén-kloridot képez H2+Cl2 = 2HCl. A hidrogének különböző elemekkel alkotott kettős vegyületei a hidridek. Az ionrácsos hidrideket alkáli fémek és alkáliföldfémek képeznek. Kovalens kötésű hidrideket nem fémes elemek alkotnak a hidrogénnel (CH4, NH3, H2O).

A halogének és vegyületei

A halogének atomjanak vegyértékhéj szerkezete : Ns2np5. A halogéneknek kevés izotópjuk van: a fluor és a jód úgynevezett, tiszta elemek, azaz egyféle tömegszámú atomokból állnak. A halogének elemi állapotban kétatomos molekulát alkotnak: F2, Cl2, Br2, I2. Az apoláris kétatomos molekulák között folyadék, ill. szilárd állapotban gyenge másod rendű kötések hatnak, melyek erőssége a molekulák méretének növekedésével nő. Ennek eredményeként a halogénelemek olvadás-és forráspontja is emelkedik. A halogének kellemetlen, szúrós szagú anyagok, színük változó. A halogének a legreakcióképesebb elemek közé tartoznak.

Fluor (F2)
A fluor zöldessárga, mérgező gáz. Elektron negativitása az összes elem között a legnagyobb, emiatt a legreakcióképesebb halogén elem. A fluor minden elemtől elektront von el , ezért a legerélyesebb oxidáló hatású anyag. A legtöbb fémmel könnyen reakcióba lép. Nagy reakció képessége miatt elemi állapotban nem található természetben , csak ásványaiban fordul elő.

Klór (Cl2)
A klór sárgás zöld színű, szúrós szagú, mérgező gáz. Vízben oldódik. A legtöbb elemmel közvetlenül egyesül. A klórgáz vízben oldódik, vizes oldata a klóros víz. Az oldott klór molekulák egy része reakcióba lép a vízzel hidrogén-klorid és hipoklórsav képződik H2O+CL2 = HCL+HOCL. A klór a hidrogénnel egyesülve hidrogén-kloridot képez. A nagyipari sósavgyártás ezen a reakción alapul: H2+CL2 = 2HCL.

Bróm (Br2)
A bróm vörösbarna színű, gyorsan párolgó folyadék. Az egyetlen cseppfolyós nemfémes elem. Gőze kellemetlen, szúrós szagú és erősen mérgező. Bőrre cseppenve nehezen gyógyuló sebet okoz. Vízben és szerves oldószerekben oldódik. Vizes oldata a brómos víz oxidáló hatású: H2O+Br2 = HOBr. Kevésbé reakcióképes, gyengébb oxidáló hatású és hidrogénnel is csak magasabb hőmérsékleten egyesül.

Jód (I2)
Az elemi jód kétatomos molekulái szürke, fémfényű kristályokat alkotnak. Melegítve szublimálódik, és lila színű gőzzé alakul. Vízben alig oldódik. A jód oxigéntartalmú oldószerekben pl: alkoholban, éterben vörösbarna színnel, oxigénmentes oldószerekben pl: szén-etrakloridban vagy benzolban lila, illetve vörös színnel oldódik. Kémiailag a jód a halogének között a legkevésbé aktív elem. Reakciói lassúak, pl: hidrogénnel csak magas hőmérsékleten egyesül.

Hidrogén-klorid (HCL)
A hidrogén-klorid színtelen, szúrós szagú, vízben igen jól oldódó gáz. A HCL-gáz 83 C-on cseppfolyósítható. A hidrogén-klorid vizes oldata a sósav. Sósavban a fémek egy része pl: cink, vas magnézium jól oldódik, hidrogéngáz képződése közben. A rézre, ezüstre a sósav hatástalan. A hidrogén-kloridot az iparban elemeiből állítják elő szintézissel: H2+Cl2 = 2HCl. A folyamat során jelentős mennyiségű hő fejlődik.

Az oxigéncsoport nemfémes elemei és vegyületei

Az atomjaik vegyértékhéj-szerkezete ns2p4. Az oxigén és kén kifejezetten nemfémek A szelénnek és tellúrnak fémes és nemfémes tulajdonságú módosulatai vannak, a polónium viszont fémes elem.

Oxigén (O2)
Az oxigén atomjai kétatomos apoláris molekulákat alkotnak. A molekulában az atomok kettős kötéssel kapcsolódnak. Az oxigén színtelen, szagtalan gáz. Vízben kismértékben oldódik. Ez a levegő legfontosabb alkotórésze (O2). Az oxigén a földön a legnagyobb mennyiségben előforduló elem. Tiszta oxigén nyerhető a víz elektrolízisével is: 2H2O = O2+4H +4e (anódfolyamat).

Víz (H2O)
A tiszta víz színtelen, szagtalan, ízetlen folyadék. A természetben légnemű, folyadék és szilárd állapotban is előfordul. A víz dipólusmolekulából álló vegyület. A víz jellegzetes tulajdonságai: olvadás és forráspontja lényegesen magasabb, sűrűsége nagyobb, mint a hidrogén vegyületeké. Víz sűrűsége +4C-on a legnagyobb, fagyáskor 0 C-on sűrűsége csökken, térfogata megnő. A víz a leggyakoribb poláris oldószer, oldja a savakat, bázisokat és a sókat.

Kén (S)
A kén sárga színű anyag. Molekularácsos kristályát nyolcatomos (S8) molekulák alkotják, amelyekben a kénatomokat kovalens kötések kapcsolják össze. A kén olvadás pontja viszonylag alacsony, keménysége kicsi. A kén vízben oldhatatlan, apoláris oldószerben oldódik. Szilárd halmazállapotú mérgező anyag. Reakcióba lép fémekkel (szulfidokat képez) Fe+S = FeS és nem fémekkel is (S+O2 = SAO2). Képes kétszeres negatív ion képzésre, ez az un. Szulfidion.

Kéndioxid (So2)
A kéndioxid színtelen, szúrós szagú mérgező gáz, a savas esőkért felelős, növényekre káros, vizek kémhatását savassá teszi. Használják fertőtlenítőként. Ipari szennyezőanyagként kerül a légtérbe.

Kénsav (H2SO4)
A kénsav színtelen, szúrós szagú, maró hatású folyadék. Vizes oldata erősen savas kémhatású. Oldja a negatív standard potenciálú fémeket hidrogéngáz fejlődése közben. (H2So4+CA = CASO4+H2). A tömény kénsav néhány fémet passzivizál (Fe). Előállítása elemi kénből történik.(S+O2 =SO2).

A nitrogéncsoport nemfémes elemei és vegyületei

Nitrogén és foszfor, iont nem képeznek. Kovalens kötésű molekulákat hoznak létre. Biológiailag rendkívül jelentős elemek, ugyanis a nitrogén építőeleme a nukleinsavaknak és fehérjéknek. A foszfor 50%-ban a nukleinsavakban illetve a csontok felépítésében, mint szervetlen vegyület van jelen. Körforgásban vannak a természetben. A növények számára rendkívül fontosak, a talaj nitrogén és foszfor tartalmát trágyázással folyamatosan pótolni kell.

Nitrogén
A nitrogén kétatomos molekulát alkot, benne háromszoros kötéssel. A nitrogén a levegő 70-80%-át alkotja. Színtelen, szagtalan, alacsony forráspontú gáz, vízben alig oldódik. A nitrogén nem reakcióképes, ún. inert gáz. Megfelelő körülmények között az oxigénnel reakcióba lép.(N2+O2 = 2NO). Megfelelő körülmények között a hidrogénnel is reakcióba lép, ammónia képzése közben. (N2+3H2 Û 2NH3) A levegő cseppfolyósításával állítják elő. Ammónia és salétromsav előállítására használják.

Ammónia (NH3)
Az ammónia a természetben nem fordul elő. Színtelen, szúrós szagú, mérgező gáz, vízben jól oldódik, vízzel ammónium-hidroxidot képez.(NH3+H2O Û NH4OH). Proton megkötésére képes, tehát bázis. Savakkal reakcióba lép só képzés közben (NH3+HCl = NH4Cl). Előállítása szintézissel történik: elemeiből állítják elő (N2+3H2 Û 2NH3), exoterm folyamat. Salétromsav gyártására illetve műtrágyázásra használják.

Salétromsav (HNO3)
A salétromsav színtelen szúrósszagú folyadék. Fény hatására bomlik. Vizes oldata erősen savas kénhatású ugyanis a víznek protont ad át. A tömény salétromsav oldat 68%-os. Bázisokkal sót képez. A híg salétromsav csak a negatív standard potenciájú fémeket oldja fel. A tömény salétromsav oldja a pozitív standard potenciájú fémeket is. Műtrágya, robbanószer és festékek előállítására használják.

A széncsoport nemfémes elemei és vegyületei

Az elemi szén kétféle módosulatban fordul elő a természetben: gyémánt és grafit formájában. Az elemi módosulatok kristályrácsa különböző: gyémánté atomrács, a grafité úgynevezett réteg rácsos, amely mutatja az atomrács, a fémrács és a molekularács tulajdonságait is.

Gyémánt
A gyémánt atomrács szerkezetű, áttetsző, nagy a fénytörő képessége, a legkeményebb természetes anyag, oldhatatlan, magas az olvadáspontja, jó szigetelő. Megtalálható: Dél-Afrika, Ausztrália.

Grafit
A grafit rétegrács szerkezetű, nagy mennyiségben található a természetben, szürke színű, puha, a rétegekben lévő erős kötések miatt magas olvadáspontú. Jól vezeti az elektromos áramot. Előfordul: Csehország, Németország, Oroszország.

Ásványi szenek
Nagyobb mennyiségben a szén ásványi szenek formájában fordul elő, ez nem elemi szén, elhalt élőlényekből képződött. Legkisebb széntartalmú: tőzeg, lignit, barna és fekete kőszén.

Szén-dioxid (CO2)
A szén-dioxid színtelen, szagtalan gáz. A levegőnél nagyobb sűrűségű, az égést nem táplálja, kis koncentrációban nem mérgező, nagyobb mennyiségben belélegezve a vér pH-át csökkenti. Nagy nyomáson cseppfolyósítható, acélpalackban hozzák forgalomba. Párolgás közben erősen lehűl úgynevezett szárazjéggé alakul. Vízben oldódik, vizes oldata a szénsav. Széntartalmú anyagok elégetésénél keletkezik. Laboratóriumi előállítása mészkő és sósav reakciójával történik. Számos ipari eljárás alapanyaga.

Szén-monoxid (Co)
A szén-monoxid színtelen, szagtalan igen mérgező gáz, vízben csak kevéssé oldódik, meggyújtva szén-dioxiddá ég el. Az iparban szén-dioxidnak szénnel történő redukciójával állítják elő. Laboratóriumi előállítása, hangyasavból történik. Számos ipari szintézis alapanyaga, a fémiparban redukálószerként használják.

A molekulák térbeli felépítése

A molekulák térbeli felépítését az atommagok közötti kötések hossza, és a kötések által bezárt szögek határozzák meg. A kapcsolódó atomok által bezárt szöget kötésszögnek nevezzük.

A molekulában kialakuló kötő és nemkötő elektronpárok taszítják egymást, igyekeznek úgy elrendeződni, hogy egymástól a lehető legmesszebb kerüljenek. A molekulában a legnagyobb vegyértékű atomot, amelyhez a többi atom kapcsolódik, központi atomnak nevezzük.

• Ha két kötő elektronpár kapcsolódik a központi atomhoz, azok egymással 180°-os szöget zárnak be, a molekula alakja lineáris lesz.
• Ha három kötő elektronpár kapcsolódik a központi atomhoz, azok egymással 120°-os szöget zárnak be, a molekula alakja síkháromszög lesz.
• Ha négy kötő elektronpár kapcsolódik a központi atomhoz, azok egymással 109,5°-os szöget zárnak be, a molekula alakja tetraéderes lesz.

Ha a molekulában a központi atomhoz nemkötő elektronpár is tartozik, azok hatása a kötésszöget módosítja.

• Ha három kötő és egy nemkötő elektronpár kapcsolódik a központi atomhoz, azok egymással 109,5°-nál valamivel kisebb szöget zárnak be, a molekula alakja háromszög alapú piramis lesz.
• Ha két kötő és két nemkötő elektronpár kapcsolódik a központi atomhoz, azok egymással 109,5°-nál valamivel kisebb szöget zárnak be, a molekula alakja V-alak lesz.

A p kötések a molekula alakját lényegesen nem befolyásolják, a kötés szögeket csak kis mértékben módosítják. A molekula alakját a s kötések, a molekula s váza határozza meg.

A molekulák polaritása

A kovalens kötés polaritása kétféle lehet:

• Poláris kovalens kötés: ha különböző elektronegativitású atomok között jön létre.
• Apoláris kovalens kötés: ha azonos atomok, vagy azonos elektronegativitású atomok között jön létre.

Ha a molekulát különböző elektronegativitású atomok építik fel. Akkor a molekula kötő elektronjai többet tartózkodnak a nagyobb elektronegativitású atom közelében, ezért az lesz a molekula negatív pólusa, a másik atom pedig a pozitív pólus. A két pólussal rendelkező molekulákat dipólus molekuláknak nevezzük.

Kétatomos molekulánál a kovalens kötés polaritása megadja a molekula polaritását is. Többatomos molekulák polaritását a bennük lévő kovalens kötések polaritása, és a molekula térbeli alakja együtt határozza meg.

Dipólus molekula: Ha van benne poláris kovalens kötés, és a térbeli alakja nem szimmetrikus.

Apoláris molekula: Ha a benne lévő összes kovalens kötés apoláris, vagy ha vannak benne poláris kovalens kötések, de a szimmetrikus térbeli alakjuk miatt ezek kiegyenlítik egymást.