Előrejelzés
Szénsavas vízből CO2 távozik; egy másik pohárban pezsgőtabletta reagál és CO2 képződik. Melyik besorolás helyes?
Ne csak a látványt, hanem a részecskék kémiai azonosságát vizsgáld.
Válaszolj a kérdésre, majd ellenőrizd a válaszod, és olvasd el a magyarázatot. Ebben a gyakorló nézetben a válaszokat nem mentjük.
A téma lényege
A fizikai és kémiai változás megkülönböztetése, a megmaradási törvények és a rendezett kémiai egyenlet közös logikája.
A jegyzet a Kémiai átalakulások vizsgán szükséges fogalmait, összefüggéseit, egyenleteit és számítási lépéseit rendezi egyetlen áttekinthető tanulólapba.
Amit biztosan tudnod kell
- A rendszer és környezet határát mindig rögzíteni kell. Exoterm folyamatban a rendszer hőt ad le, ΔH < 0; endoterm folyamatban hőt vesz fel, ΔH > 0.
- A reakcióhő a reakcióegyenlethez és az abban szereplő sztöchiometriai számokhoz tartozik. Az egyenlet megfordításakor előjelet vált, megszorzásakor ugyanazzal a számmal szorzódik.
- A standard képződéshő 1 mol vegyület elemeiből, standard állapotban történő képződésének entalpiaváltozása. Standard állapotú elem standard képződéshője nulla.
- Hess tétele szerint az entalpiaváltozás útfüggetlen, ezért részreakciók összeadásával, képződéshőkből vagy kötési energiákból is meghatározható.
- Kalorimetriában a leadott és felvett hő abszolút értéke ideális esetben azonos. A valós mérésnél a kaloriméter hőkapacitása és a környezet hőcseréje hibaforrás.
- A katalizátor az aktiválási energiát csökkenti, de a kiindulási és végállapot entalpiáját, így a reakcióhőt nem változtatja meg.
- A reakciósebesség a koncentráció időegység alatti változása. A sztöchiometriai együtthatók miatt az egyes komponensek koncentrációváltozása eltérő lehet, de a reakciósebesség megfelelő osztással egységesen definiálható.
- Hatásos ütközéshez megfelelő energia és térbeli irányítás kell. Nem minden ütközés vezet reakcióhoz.
- A koncentráció vagy gázoknál a nyomás növelése gyakoribb ütközéseket, a hőmérséklet növelése nagyobb átlagos energiát és több aktiválási energiát elérő részecskét jelent.
- A nagyobb felületű szilárd anyag gyorsabban reagál, mert több részecskéje érintkezik a reakciópartnerrel. A porítás a sebességet, nem a reakció sztöchiometriáját változtatja.
- A katalizátor más reakcióutat nyit kisebb aktiválási energiával, a reakció végén regenerálódik. Az oda- és visszaalakulást is gyorsítja, ezért az egyensúlyi összetételt nem tolja el.
- Sebességvizsgálatnál egyszerre csak egy tényezőt változtass, a többit tartsd változatlanul; mérhető jel lehet a gáztérfogat, tömeg, szín, pH vagy vezetés változása.
- Dinamikus egyensúly zárt rendszerben alakulhat ki, amikor az oda- és visszaalakulás sebessége azonos. A koncentrációk állandók, de nem szükségképpen egyenlők.
- Az egyensúlyi állapot makroszkopikusan változatlan, részecskeszinten azonban mindkét irányú reakció folyamatosan zajlik.
- Le Châtelier elve szerint az egyensúly a külső változás hatását csökkentő irányba tolódik. Anyag hozzáadása vagy elvonása, nyomásváltozás és hőmérséklet-változás külön vizsgálandó.
- Gázegyensúlynál a térfogat csökkentése a kevesebb gázrészecske felé tolhatja az egyensúlyt; ha a reakcióegyenlet két oldalán azonos a gázok sztöchiometriai együtthatóinak összege, a nyomásváltozás nem okoz eltolódást.
- A hőmérséklet-változást úgy kezeld, mintha a hő is reakciópartner lenne: exoterm előre reakciónál melegítés a kiindulási anyagok, hűtés a termékek felé tol.
- A katalizátor mindkét irányú reakciót gyorsítja, ezért hamarabb áll be ugyanaz az egyensúly, de az egyensúlyi összetétel nem változik.
- A reakciókat több szempont szerint osztályozzuk: egyesülés, bomlás, csere; exoterm vagy endoterm; gyors vagy lassú; egyensúlyra vezető vagy gyakorlatilag teljes; protonátmenettel vagy elektronátmenettel járó.
- Brønsted-sav protont ad át, Brønsted-bázis protont vesz fel. A sav és a protonleadás után maradó részecske, illetve a bázis és protonfelvétel után képződő részecske konjugált pár.
- Erős sav vagy bázis híg vizes oldatban gyakorlatilag teljesen ionizál; a savi erősség nem azonos a koncentrációval. Semlegesítés nettó ionegyenlete H3O+ + OH− → 2H2O.
- Redoxireakcióban oxidáció és redukció egyszerre történik. Oxidáció elektronleadás és oxidációsszám-növekedés; redukció elektronfelvétel és oxidációsszám-csökkenés.
- Az oxidálószer elektront vesz fel és redukálódik; a redukálószer elektront ad le és oxidálódik. Az elektronmérlegben a leadott és felvett elektronok száma azonos.
- Csapadékképződésnél, gázfejlődésnél vagy gyenge elektrolit képződésénél az ioncsere-reakció nettó irányba haladhat. A nettó ionegyenletből a nézőionokat el kell hagyni.
- Galvánelemben spontán redoxireakció alakít kémiai energiát elektromos energiává. Az oxidáció az anódon, a redukció a katódon zajlik; az elektronok a külső körben az anódtól a katód felé haladnak.
- A sóhíd vagy porózus válaszfal ionvándorlással zárja az áramkört és fenntartja az oldatok közelítő elektromos semlegességét; az elektronok nem a sóhídon haladnak.
- Elektrolízisben külső áramforrás hajt nem spontán redoxifolyamatot. Az anód ekkor is az oxidáció, a katód a redukció helye, de az elektródok előjele eltér a galvánelemétől.
- Vizes oldat elektrolízisekor versenghet az oldott ion és a víz kisülése. A termék meghatározásához az elektródanyagot, az ionokat, koncentrációt és túlfeszültséget együtt kell mérlegelni.
- Standard elektródpotenciál redukciós hajlamot fejez ki a standard hidrogénelektródhoz képest. Pozitívabb értékű redoxipár redukált tagja könnyebben képződik standard körülmények között.
- Korrózió elektrokémiai redoxifolyamat. A bevonat, passziválás, ötvözés, áldozati anód és külső áram más-más módon akadályozza az oxidációt.
Kulcsfogalmak
- belső energia
- aktiválási energia
- exoterm és endoterm
- reakcióhő
- képződéshő
- Hess tétele
- reakciósebesség
- ütközés
- koncentráció
- hőmérséklet
- katalizátor
- megfordítható reakció
- dinamikus egyensúly
- egyensúlyi koncentráció
- Le Chatelier-elv
- nyomás
- Brønsted-sav és -bázis
- amfotéria
- pH és vízionszorzat
- oxidáció és redukció
- csapadék
- közömbösítés
- galvánelem
- anód és katód
- standardpotenciál
- elektromotoros erő
- elektrolízis
- ionvándorlás
A kulcsgondolat: azt figyeld, változik-e a kémiai minőség
Fizikai változáskor a részecskék kémiai azonossága nem változik; elrendeződésük, mozgásuk vagy a fázisuk változhat. Ilyen az olvadás, a párolgás és a fizikai oldódás. Kémiai változáskor elsőrendű kötések bomlanak fel és alakulnak ki, ezért új kémiai részecskék és új anyagok jelennek meg.
A színváltozás, gázfejlődés, csapadékképződés vagy hőmérséklet-változás lehet reakciójel, de önmagában egyik sem bizonyíték. A döntő kérdés az, hogy keletkezett-e új anyag.
Mi marad meg?
A tömegmegmaradás törvényét mindig a kijelölt rendszerre alkalmazzuk. Zárt rendszerben anyag nem lép át a határon, ezért a teljes tömeg változatlan. Nyílt edényben gáz távozhat vagy érkezhet, így a mérlegen látható tömeg változhat anélkül, hogy a törvény sérülne.
- Atomok megmaradása: minden elem atomjainak száma ugyanannyi a reakció előtt és után.
- Töltésmegmaradás: az össztöltés a két oldalon azonos.
- Tömegmegmaradás: zárt rendszer teljes tömege nem változik.
Szóegyenlet, sztöchiometriai egyenlet és ionegyenlet
| Leírás | Mit mutat? | Példa |
|---|---|---|
| Szóegyenlet | Az anyagok nevét és a változás irányát | cink + sósav → cink-klorid + hidrogén |
| Sztöchiometriai egyenlet | Képleteket és mennyiségi arányokat | Zn + 2 HCl → ZnCl2 + H2 |
| Nettó ionegyenlet | Csak a ténylegesen megváltozó részecskéket | Zn + 2 H+ → Zn2+ + H2 |
Az együttható az egész képletet szorozza. A legkisebb egész számarányt használjuk, és rendezéskor a képletek alsó indexeit nem változtatjuk meg.
Rendszer, környezet és előjel
Exoterm folyamatban a rendszer energiát ad át a környezetnek, ezért állandó nyomáson a reakcióhő negatív. Endoterm folyamatban a rendszer vesz fel energiát, így ΔH pozitív. A környezet melegedése tehát a rendszer energiacsökkenésének jele. A reakció beindításához exoterm esetben is szükség lehet aktiválási energiára.
Az energiadiagram függőleges tengelye a rendszer energiáját, vízszintes tengelye a reakció előrehaladását mutatja. A termék- és kiindulási szint különbsége ΔH; a csúcs és a kiindulási szint különbsége az előre irányú aktiválási energia.
Hatásos ütközés
Reakció akkor történik, ha a részecskék megfelelő térbeli helyzetben és legalább az aktiválási energiának megfelelő energiával ütköznek. A reakciósebesség a hatásos ütközések gyakoriságától függ. Homogén rendszerben nagyobb koncentrációnál több ütközés történik időegység alatt; gázoknál a nyomás növelése hasonlóan növelheti a részecskesűrűséget.
Dinamikus, nem mozdulatlan
Zárt rendszerben egy megfordítható reakció előre és visszafelé is lejátszódik. Egyensúlyban a két irány sebessége azonos, ezért a koncentrációk időben állandók, de a részecskék továbbra is átalakulnak. Nem szükséges, hogy a kiindulási anyagok és termékek koncentrációja azonos legyen.
Sav–bázis: protonátadás
A Brønsted-sav protont ad át, a Brønsted-bázis protont vesz fel. A víz amfoter: HCl mellett bázisként H3O+-t képez, NH3 mellett savként OH− képződéséhez ad protont. Erős sav vagy bázis vizes oldatban nagy mértékben alakul ionokká; ez nem azonos a töménységgel.
25 °C-on semleges oldatban [H3O+] = [OH−], pH = 7. Savas oldat pH-ja 7-nél kisebb, lúgosé nagyobb. Az indikátor színe tartományt jelez, nem önmagában „méri meg” pontosan a pH-t.
A biztos kapaszkodó: anódon oxidáció
Az anódon mindig oxidáció, a katódon mindig redukció történik. Galvánelemben a spontán redoxireakció termel áramot: az anód negatív, a katód pozitív. Elektrolizálócellában a külső áramforrás hajt nem spontán folyamatot: az anód pozitív, a katód negatív. A pólusjel tehát változhat, a reakciótípus nem.
Reakcióhő képződéshőkből
ΔrH° = Σν·ΔfH°(termékek) − Σν·ΔfH°(kiindulási anyagok)
Hőmennyiség
Q = c · m · ΔT
Moláris reakcióhő
ΔrH = Q(rendszer)/ξ = −Q(környezet)/ξ
ξ a reakció előrehaladása; egyszerű feladatban a reakcióegyenlet szerinti átalakulás anyagmennyiségével számolunk.
Képződéshőkből
ΔrH° = ΣνΔfH°(termékek) − ΣνΔfH°(kiindulási anyagok)
Átlagos képződési sebesség
v = Δc(termék) / Δt
Átlagos reakciósebesség
v = −Δc(kiindulási anyag)/(νΔt) = Δc(termék)/(νΔt)
Haber–Bosch-egyensúly
N2(g) + 3 H2(g) ⇌ 2 NH3(g) ΔH < 0
Dinamikus egyensúly
v(oda) = v(vissza)
Vízionszorzat 25 °C-on
Kv = [H3O+]·[OH−] = 10−14
Közömbösítés nettó ionegyenlete
H3O+(aq) + OH−(aq) → 2 H2O(l)
Víz autoprotolízise
2H2O(l) ⇌ H3O+(aq) + OH−(aq)
Semlegesítés
H3O+(aq) + OH−(aq) → 2H2O(l)
Elektronmérleg
Σ leadott e− = Σ felvett e−
Daniell-elem cellareakciója
Zn(s) + Cu2+(aq) → Zn2+(aq) + Cu(s)
Elektromotoros erő
EMF = ε(katód) − ε(anód)
Daniell-elem anódfolyamata
Zn(s) → Zn2+(aq) + 2e−
Daniell-elem katódfolyamata
Cu2+(aq) + 2e− → Cu(s)
A metán égésének részecske- és egyenletszintű ábrázolása
Adattáblázat megtekintése
| Oldal | Szénatomok | Hidrogénatomok | Oxigénatomok |
|---|---|---|---|
| Kiindulási anyagok | 1 | 4 | 4 |
| Termékek | 1 | 4 | 4 |
Kidolgozott lépés
Rendezz kémiai egyenletet az atomok megmaradása alapján.
Teljes példa: metán égése
Válaszolj a kérdésre, majd ellenőrizd a válaszod, és olvasd el a magyarázatot. Ebben a gyakorló nézetben a válaszokat nem mentjük.
Kiindulás: CH4 + O2 → CO2 + H2O. A szén már egyezik. Négy H-atomhoz 2 H2O kell. A jobb oldalon így összesen 4 O-atom van, ezért balra 2 O2 kell: CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O.
Felidéző gyakorlás
Mely állítások helyesek? Jelöld az összeset.
Válaszolj emlékezetből, ne görgess vissza.
Válaszolj a kérdésre, majd ellenőrizd a válaszod, és olvasd el a magyarázatot. Ebben a gyakorló nézetben a válaszokat nem mentjük.
Nyisd le, ha a részletes követelményszöveget szeretnéd ellenőrizni. A tanuláshoz először a fenti összefoglalót használd.
1.5.1 — Termokémia
A folyamatok energiaviszonyai
- Fogalmak: endoterm és exoterm folyamat, energiadiagram
- Elvárt művelet: Értse a halmazállapot-változást, az oldódást és a kémiai reakciókat kísérő energiaváltozások exoterm vagy endoterm jellegét. Ábrázolja energiadiagramon a folyamatok energiaviszonyait.
Reakcióhő
- Fogalmak: reakcióhő fogalma, jelölése (ΔH), mértékegysége, r előjele, képződéshő fogalma, jelölése, mértékegysége, Hess tétele
- Elvárt művelet: Ábrázolja a reakcióhőt energiadiagramon. Értse a reakcióhő kiszámításának módját a képződéshő-adatok alapján
1.5.2 — Reakciókinetika
Reakciósebesség
- Fogalmak: a reakciók csoportosítása sebességük szerint, a koncentráció változtatásának hatása a reakciósebességre (homogén reakció esetében), a hőmérséklet-változtatás hatása a reakciósebességre
- Elvárt művelet: Elemezzen reakciósebességgel és katalízissel kapcsolatos egyszerű kísérleteket.
Katalízis
- Fogalmak: katalizátor fogalma
- Elvárt művelet: Értelmezze a katalizátor hatását. Ábrázolja a reakció energiaviszonyait katalizátor nélkül és katalizátor alkalmazása esetén.
1.5.3 — Kémiai egyensúly
Megfordítható reakciók
- Elvárt művelet: Értse a megfordítható folyamat lényegét.
Egyensúly
- Fogalmak: dinamikus egyensúly, kiindulási és egyensúlyi koncentráció, kémiai egyensúlyok, a legkisebb kényszer elve (Le Chatelier-elv)
- Elvárt művelet: Értse a dinamikus egyensúly kialakulását, az egyensúly megzavarásának lehetőségeit (c, p, T). Értelmezze a legkisebb kényszer elvét a N + 3 H ⇌ 2 2 2 NH reakción, és a katalizátor és az egyensúlyi 3 folyamatok kapcsolatát.
1.5.4 — A kémiai reakciók típusai
Kémiai reakció
- Fogalmak: kémiai reakció fogalma, aktiválási energia
- Elvárt művelet: Értse a kémiai reakciók létrejöttének feltételeit (ütközés, hatásos ütközés). Tudja jelölni az aktiválási energiát az energiadiagramon.
Képlet
- Fogalmak: összegképlet fogalma és fajtái (tapasztalati és molekulaképlet), szerkezeti képlet fogalma és fajtái (elektronképlet, konstitúciós képlet stb.)
- Elvárt művelet: Adja meg a tanult vegyületek tapasztalati képletét, illetve molekulaképletét.
Kémiai egyenlet
- Fogalmak: sztöchiometriai egyenlet, tömegmegmaradás törvénye, töltésmegmaradás elve
- Elvárt művelet: Értelmezze a kémiai egyenlet minőségi és mennyiségi jelentéseit. Értse az egyszerű sztöchiometriai egyenletek írásának alapelveit. Rendezzen egyszerű sztöchiometriai egyenleteket.
Sav-bázis reakciók
- Fogalmak: értékűség, Brønsted-sav, Brønsted-bázis, amfotéria, sav- és báziserősség
- Elvárt művelet: Értelmezze a víz amfotériáját.
A vizes oldatok kémhatása
- Fogalmak: a víz autoprotolízise, a pH definíciója, a vízionszorzat és értéke, savas, lúgos és semleges kémhatás
- Elvárt művelet: Értelmezze az autoprotolízis egyenletét, kvalitatíve a savas, lúgos és semleges kémhatást, kvalitatíve a pH-t (25 °C-ra vonatkoztatva), a sav- és lúgoldatok kerek egész számú pH-értékének kapcsolatát az oldat oxónium-, illetve hidroxidion-koncentrációjával. Állapítsa meg adott oldat kémhatását (savasság, lúgosság, annak mértéke), hasonlítsa össze oldatok kémhatását a pH értékük alapján, becsülje meg a sav- és lúgoldat hígításakor, töményítésekor bekövetkező pH-változás irányát.
Sav-bázis indikátorok
- Fogalmak: univerzál indikátor és pH-papír, fenolftalein, lakmusz, növényi indikátorok
- Elvárt művelet: Értelmezzen egyszerű kémcsőkísérleteket a kémhatás vizsgálatával kapcsolatban (univerzál indikátor és pH papír használatával). Jelezze a tanult indikátorok várható színét a különböző kémhatású oldatokban.
Közömbösítés
- Fogalmak: közömbösítés
- Elvárt művelet: Értse a közömbösítés lényegét, a fém-oxidok és savoldatok reakcióit, a nemfém-oxidok és lúgoldatok reakcióit. Jelölje a lúg- és savoldatok, a fém-oxidok és savoldatok, a nemfém-oxidok és lúgoldatok közötti reakciókat sztöchiometriai egyenlettel.
Elektron- átmenettel járó reakciók
- Fogalmak: oxidáció és redukció, oxidáló- és redukálószer
- Elvárt művelet: Értelmezze az oxidációt és a redukciót, valamint az oxidálószer és redukálószer fogalmát konkrét példa alapján. Értelmezze az oxidációt és redukciót, valamint az oxidáló- és redukálószer fogalmát tanult vagy megadott szervetlen kémiai reakciókban. Elemezzen egyszerű kísérleteket a redoxireakciókkal kapcsolatban.
Egyéb, vizes oldatban végbemenő kémiai reakciók
- Fogalmak: csapadék, gázfejlődés
- Elvárt művelet: Értelmezze a csapadékképződési reakciókat és a gázfejlődési reakciókat a szerves és szervetlen kémiai tanulmányai során megismert konkrét példákon. Írja fel a csapadékképződési és a gázfejlődési reakciók sztöchiometriai egyenleteit. Elemezze a vizes oldatban lezajló különböző kémiai reakciókkal kapcsolatos egyszerű kísérleteket.
Egyéb reakciók
- Fogalmak: egyesülés, bomlás
- Elvárt művelet: Sorolja be a tanult kémiai reakciókat a megfelelő reakciótípusba.
1.5.5 — Elektrokémia
Galvánelem
- Fogalmak: a galváncella felépítése, elektród, anód és katód, standardpotenciál fogalma, elektromotoros erő fogalma, jele, mértékegysége, Daniell-elem felépítése és jelölése
- Elvárt művelet: Értelmezze az anódon és a katódon lejátszódó folyamatokat a Daniell-elemben. Jelölje egyszerű galvánelemek felépítését, azonosítsa az egyes pólusokat, írja fel a hozzájuk tartozó elektródfolyamatok kémiai egyenletét, illetve a folyamat bruttó egyenletét. Értse az elektromotoros erő és a standardpotenciálok kapcsolatát. Értse a galvánelemek környezetvédelmi vonatkozásait.
Elektrolízis
- Fogalmak: elektrolízis fogalma, pólusok az elektrolizáló cellában, olvadékelektrolízis, vizes oldat elektrolízise
- Elvárt művelet: Értse az elektrolizáló cella felépítését, az anód- és katódfolyamatot az elektrolizáló cellában, az indifferens elektródok között végbemenő (kis feszültséggel történő) elektrolízis folyamatait a sósav, illetve az általa választott vizes oldat elektrolízise esetében. Jelölje egyenlettel az elektrolízis anód- és katódfolyamatát megadott végtermékek esetében.
Egyéb
- Elvárt művelet: Alkalmazza a kémiai reakciókról tanultakat a mindennapi jelenségek, információk értelmezésében.
Gyors önellenőrzés
- Idézd fel a kulcsfogalmakat a jegyzet visszaolvasása nélkül.
- Oldd meg újra a két választási helyzetet, és indokold a hibás válaszokat is.
- Alkalmazd a gondolatmenetet egy új anyagra, adatsorra vagy kísérleti leírásra.