Anyagi halmazok

A részecskék száma elképzelhetetlenül nagy, ezért a kémia saját „darabszám-egységet" használ — ez az anyagmennyiség.

Hogyan írjuk le az anyagokat? — képletek

• Összegképlet: az elemi összetételt és a komponensek anyagmennyiség-arányát tükrözi (pl. BaCl₂).
• Molekulaképlet: molekularácsos anyagoknál a molekulában lévő atomok tényleges számát is megadja (pl. C₂H₆).

Kémiai egyenlet és a tömegmegmaradás

A kémiai egyenlet a részecskék arányát fejezi ki. Például a Fe + S → FeS egyenletből tudjuk, hogy 1 mol vasatom 1 mol kénatommal egyesül — tehát elméletileg 0,1 mol vasport (5,6 g) és 0,1 mol kénport (3,2 g) kell összekevernünk és felhevítenünk a maradék nélküli reakcióhoz, mert bennük azonos számú atom van.

Elem, vegyület, keverék

• Elem: tovább már nem bontható, egyszerű anyag.
• Vegyület: két vagy több kémiai elem atomjaiból vagy ionjaiból, meghatározott arányban felépülő anyag.
• Keverék: többkomponensű, egy- vagy többfázisú diszperz rendszer (két vagy több különböző anyagból áll, tetszőleges arányban).

Két kulcsfogalom

Az elemek és vegyületek adott hőmérsékleten és nyomáson általában egyféle halmazállapotban stabilisak (az olvadás- és a forrásponton viszont kétféle is, egyszerre). A halmaz állapotát meghatározó külső körülmények az állapothatározók.

Ugyanaz az anyag háromféle halmazállapotban létezhet. A különbség a részecskék távolságában, mozgásában és kölcsönhatásában van — ezt a legjobb mozgásban látni:

*A folyadék térfogata a környezeti paraméterektől csak kis mértékben függ.

Gázhalmazállapotban a részecskék egymástól viszonylag távol, a tér minden irányába, gyorsan mozognak. A sebesség a molekulák tömegétől és a hőmérséklettől függ (a hőmérséklet emelkedésével nő).

A gázok jellemzői

• Kölcsönhatás: gyenge — a molekulák csak egy pillanatra, ütközéskor kerülnek kölcsönhatásba.
• Diffúzió: a gázok a részecskék mozgása miatt spontán elkeverednek.
• Összenyomhatóság: a nagy részecsketávolság miatt a gázok összenyomhatók. A gyors mozgás miatt teljesen kitöltik a teret — sem alakjuk, sem térfogatuk nem állandó.

Moláris térfogat, sűrűség, gáztörvény

• Moláris térfogat: a gáz térfogatának és anyagmennyiségének hányadosa. Értéke 24,5 dm³/mol (25 °C, 0,1 MPa); 22,41 dm³/mol (0 °C, 0,1 MPa).
• Sűrűség: a tömeg és a térfogat hányadosa.
• Relatív sűrűség: két gáz sűrűségének aránya — megkapjuk a moláris tömegek hányadosaként. A levegőhöz viszonyítva a levegő átlagos moláris tömege 29 g/mol.

ahol p a nyomás (Pa), V a térfogat (m³), n az anyagmennyiség (mol), T a hőmérséklet (K), és R az egyetemes gázállandó: 8,314 J/(mol·K).

Folyadékban a részecskék közel vannak egymáshoz, erős kölcsönhatással; elgördülhetnek egymáson, és forgó- és rezgőmozgást is végeznek. Felveszik a tárolóedény alakját, de a térfogatuk állandó, és gyakorlatilag összenyomhatatlanok.

Felületi feszültség

Viszkozitás

Folyadékkristályok

Átmenet a folyadékok és a kristályos anyagok között. Rendezett csoportjaik a kristályos testekhez hasonlóak, de ezek a csoportok egymáshoz képest könnyen elmozdulnak, ezért a halmaz folyékony. Elektromos/mágneses mező hatására a csoportok rendeződnek, ami megváltoztatja az anyag fénytani tulajdonságait (pl. átlátszatlanból átlátszó lesz); az erőtér kikapcsolása után a rendezetlenség visszaáll. Felhasználás: elektromos órák, számológépek, műszerek kijelzői (LCD).

Szilárd halmazállapotban a részecskék között lényegesen nagyobb vonzóerők működnek; a részecskék csak rezgőmozgást végeznek, és a szilárd anyag alakja és térfogata állandó. Kétféle szilárd állapot van:

A kristályrács jellemzői

A halmazállapotok hőfelvétellel vagy hőleadással alakulnak át egymásba. Kattints egy átalakulásra, hogy lásd, mi történik és milyen az energiamérlege!

Tenzió és a forráspont

• Minél kisebb a szilárd halmazt alkotó részecskék közti kölcsönhatás, annál alacsonyabb hőmérsékleten omlik össze a kristályrács (alacsonyabb olvadáspont), és annál alacsonyabb hőmérsékleten forr fel a folyadék.
• A párolgás mértéke a hőmérséklettől függ. A tenzió (telített gőznyomás) a hőmérséklet emelésével exponenciálisan nő.

A kristályos anyagokat aszerint csoportosítjuk, hogy mi ül a rácspontokon és milyen erő tartja össze a rácsot. Négy fő típus van — válassz egyet:

A négy rácstípus összehasonlítása

*A vízben elektrolitosan disszociáló molekularácsos anyagok oldata vezeti az áramot.

Ionrácsos kristályok

• Rácspontokon: pozitív és negatív töltésű ionok. Összetartó erő: elektrosztatikus vonzás (ionkötés).
• Kemények, ridegek; olvadáspontjuk magas; olvadékuk és vizes oldatuk vezeti az áramot.
• A képlet nem molekulát jelöl, hanem az ionok számarányát. Pl. nátrium-klorid, kalcium-karbonát.

Atomrácsos kristályok

• Rácspontokon: atomok. Összetartó erő: kovalens kötés.
• Az erős kötés következménye a magas olvadáspont és a nagy keménység; vízben nem oldódnak. Pl. gyémánt, szilícium-dioxid, szilícium.

Fémrácsos kristályok

• Rácspontokon: pozitív fém-atomtörzsek. Összetartó erő: delokalizált elektronfelhő.
• Jó áram- és hővezetők, jól megmunkálhatók, többségük szürke. Koordinációs szám: 8–12. Keménységük, sűrűségük, olvadás- és forráspontjuk tág határok között változik, mert a térbeli elrendeződés többféle lehet:

Molekularácsos kristályok

• Rácspontokon: molekulák. Összetartó erő: gyenge, másodrendű kötőerők.
• Kis keménység, alacsony olvadás- és forráspont, nem vezetik az áramot. Pl. jód, cukor, a szerves vegyületek többsége.

A hasonló molekulatömegű anyagok olvadás- és forráspontja között nagy különbség lehet attól függően, milyen másodrendű kötés alakul ki (pl. metán vs. víz):

• Apoláris molekuláknál a legalacsonyabb az op./fp.; a molekulatömeg növekedésével nőnek (a diszperziós kötés erősödése miatt).
• Dipólusmolekuláknál magasabb, mint az azonos tömegű apolárisoknál. Nagy molekuláknál a diszperziós hatás dominálhat a dipólus-dipólus felett — ezért a nagyobb, de kevésbé poláris hidrogén-jodid forráspontja magasabb, mint az erősen poláris, de kisebb hidrogén-kloridé. A polaritás és a molekulatömeg együtt szabja meg a van der Waals-kötés erősségét.
• Hidrogénkötés esetén az op./fp. a moláris tömeg alapján vártnál jóval magasabb.

A grafit és az átmenetek

• Grafit: síkokból álló, atomrácsos szerkezet. Minden szénatom kovalens kötéssel három másik szénhez kapcsolódik (koordinációs szám 3); a negyedik vegyértékelektronok a síkokon belül alkotnak delokalizált (π-)elektronrendszert — ezért a grafit a rétegek síkjában jól vezeti az áramot (a rétegekre merőlegesen viszont alig). A rétegeket egymáshoz gyenge másodrendű kötés kapcsolja, ezért csúsznak el egymáson.
• Kovalens–ionos átmenet: a kovalens jellegű ionvegyületek rosszul oldódnak vízben, és szokatlanul alacsony az olvadáspontjuk. Az alkálifém-kloridok olvadáspontja a fémion méretének növekedésével csökken. A IV.A csoport halogenidjei alacsony op./fp.-úak, a molekulatömeg növekedésével nő az olvadáspontjuk — tipikus molekularácsot alkotnak.

Diszperz rendszerek a komponensek halmazállapota szerint

A kolloid rendszerekben a részecskék mérete 1–500 nm. A hétköznapokban is sok van belőlük: tej, kocsonya, habok, köd. A közeg az az anyag, amelyben egy másikat (a diszpergált anyagot) szétoszlatunk.

A Tyndall-jelenség

A vizes kolloidok fajtái

• Lioszol: a diszpergált részecske mikrofázis — vízben rosszul oldódó anyag, pl. híg oldatok összeöntésével kapott, nagyon finom eloszlású csapadék.
• Asszociációs kolloid: a részecskék ionok és molekulák halmazai (micellák). A részecskék amfipatikusak: egyik részük apoláris, másik részük poláris/ionos. Pl. mosószeroldatok, epe.
• Makromolekulás kolloid: a részecskék óriásmolekulák — vízben jól oldódó (poláris), de kolloid méretű molekulák. Pl. fehérje-, keményítőoldat, nukleinsavak.

Szol, gél és a felület

• Szol: ha a hőmozgás legyőzi a kolloid részecskék közti vonzást, a rendszer folyékony (pl. vér, tej). Hűtéssel vagy oldószer elvonásával gél állapotba vihető.
• Gél: ha a részecskék közti vonzás nagyobb a hőmozgásnál, a részecskék vázszerkezetet képeznek (pl. kocsonya). Melegítéssel vagy hígítással ismét szollá tehető.
• Adszorpció: anyagok megkötése egy felületen; deszorpció: a megkötött anyag eltávolítása. A kolloidok nagy fajlagos felülete (a tömegegységre jutó felület, m²/g) miatt jól adszorbeálnak — pl. aktív szén. A szemcseméret csökkentésével a fajlagos felület nő.

Homogén rendszerek: elegy és oldat

Az oldódás

Az oldódás során az oldószer és az oldott anyag részecskéi elkeverednek (diffúzió) — alapesetben ez fizikai változás, a komponensek fizikai úton visszanyerhetők. Akkor megy végbe, ha az oldószer és az oldott anyag részecskéi közti kölcsönhatás erősebb, mint a tiszta anyagokon belüli kölcsönhatás.

Az oldódás sebessége függ a hőmérséklettől, az aprítottságtól és a keveréstől.

Oldhatóság és telítettség

• Telítetlen oldat: még oldódik benne további anyag. (Lehet tömény is, ha nagy az oldhatóság — pl. ammónium-nitrát.)
• Telített oldat: több már nem oldódik fel. Itt dinamikus egyensúly van: az oldódás és a kikristályosodás sebessége megegyezik. (Lehet híg is, ha kicsi az oldhatóság — pl. alumínium-hidroxid.)
• Túltelített oldat: átmeneti, nem stabilis — több oldott anyagot tartalmaz a telítettnél. Forrón telített oldat lassú hűtésével érhető el; a legkisebb hatásra (porszem, rázás) megindul a felesleg kiválása.

Az oldódás energiája

Az oldódás energiamérlegét két ellentétes folyamat adja: a rács felbontása (energiát igényel, endoterm) és a hidratáció (energiát szabadít fel, exoterm).

• Exoterm oldódás (felmelegszik): ha a hidratációs energia abszolút értéke nagyobb a rácsenergiáénál (Δ_oldH < 0).
• Endoterm oldódás (lehűl): ha a hidratáció nem fedezi a rács felbontásához szükséges energiát — a hiányt a környezet adja (Δ_oldH > 0).

Disszociáció és elektrolitok

• Disszociáció: vízben az ionvegyületek és egyes dipólusmolekulák (pl. savak, bázisok) ionjaikra esnek szét. Pl. NaCl(sz) → Na⁺(aq) + Cl⁻(aq); CH₃COOH(aq) ⇌ CH₃COO⁻(aq) + H⁺(aq).
• Elektrolitok: azok az oldatok, amelyek vezetik az áramot, mert szabadon mozgó, töltött részecskéket (hidratált ionokat) tartalmaznak.
• Disszociációfok (α) = a disszociált és az összes vegyület anyagmennyiségének aránya. Az erős elektrolitok híg oldatban teljesen disszociálnak (α ≈ 1); a gyenge elektrolitok még híg oldatban sem teljesen — α a hígítással nő.
• Egyes molekularácsos anyagok (pl. O₂, N₂, alkoholok, cukrok) a molekula szerkezetének megváltozása nélkül oldódnak — oldatuk nem elektrolit (a cukor oxigéntartalmú csoportjai hidrogénkötéssel oldódnak).

Átkristályosítás

A szilárd anyagok legfontosabb tisztítási módszere, az oldhatóság hőmérsékletfüggését használja ki. A tisztítandó anyagot meleg oldószerben (lehetőleg telített oldatig) feloldjuk, majd lehűtjük: a fő komponens egy része kristályos formában kiválik, a kis mennyiségű szennyezés viszont — mivel arra nézve az oldat hidegen sem telített — oldatban marad. Így tiszta kristályokat kapunk.

Forráspont-emelkedés és fagyáspont-csökkenés

Ha az oldott anyag nem illékony, az oldat felületéről kevesebb oldószermolekula lép ki, ezért:

• az oldat forráspontja magasabb, a fagyáspontja alacsonyabb, mint a tiszta oldószeré (pl. a jeges utak sózása);
• a hatás mértéke az oldószertől és az oldószer egységnyi tömegére jutó oldott részecskék számától (anyagmennyiségétől) függ.

Ozmózis

• Az ozmózisnyomás arányos az oldat koncentrációjával. Két oldat viszonya lehet izotóniás (azonos), hipertóniás (töményebb) vagy hipotóniás (hígabb).
• Híg oldatokra az ozmózisnyomás, a térfogat, az anyagmennyiség és a hőmérséklet összefüggése:

ahol π az ozmózisnyomás, V az oldat térfogata, n az oldott részecskék anyagmennyisége, R az egyetemes gázállandó, T a hőmérséklet (K).