Bevezetés
Tanult a kémiai szempontból legkisebb részecskékről (az atomokról) és találkozott vegyületekké összekapcsolódásuk törvényszerűségeivel. A hétköznapi életben nem egy-két atommal vagy molekulával találkozunk, ennél sokkal nagyobb léptékekben vesznek körül bennünket az anyagok. Ez a relatív atomtömeg és az Avogadro-féle szám tárgyalása során is szóba került.
Atomi vagy molekula szinten természetesen érvényesek a korábban tanultak, azonban amikor nagyobb anyagmennyiséggel találkozik (makroszkopikus szinten) egyéb kölcsönhatásokkal is számolni kell. Ebben a tananyagban a makroszkopikus szinten érzékelhető anyagi tulajdonságokra keresi a magyarázatot a molekuláris világ összefüggésein keresztül. Egyszerűsítve a kérdés: Miért folyik a víz?
Követelmények:
• a másodrendű kötésekre visszavezetve értse a halmazok összetartó erőit,
• tudjon besorolni egyszerű, hétköznapi anyagokat,
• tisztán lássa a különbséget az elsőrendű és a másodrendű kötések között!
Halmazok keletkezése
Az elemeket, a vegyületeket felépítő atomokat és molekulákat igen kicsi méretük miatt csak közvetett módon (műszerekkel) tudjuk vizsgálni. A közvetlen megfigyeléshez sok atom, ill. molekula együttes jelenléte szükséges. Ezek a rendszerek a halmazok.
Az elemek, vegyületek tulajdonságainak vizsgálata tehát nem más, mint az illető anyaghalmazok tulajdonságainak vizsgálata.
A halmazok tulajdonságait alapvetően két tényező befolyásolja: a halmazt alkotó részecskék tulajdonságai (méret, tömeg, töltés, polaritás stb.), valamint a közöttük fellépő kölcsönhatások (vonzó- és taszító erők).
A halmazok nem tekinthetők csupán sok részecskének, mert keletkezésük energia felszabadulással járó folyamat. Ezt azt bizonyítja, hogy a részecskék stabilabb energiaállapotba kerülnek a halmaz kialakításával.
Ebből következik, hogy a halmazok részecskéi között kölcsönhatás van. A kölcsönhatások a halmaz számos fizikai tulajdonságát megszabják: az olvadáspontot, a forráspontot, a keménységet, a belső súrlódást stb.
Hogy a halmaztulajdonságokat megértsük, ismét a kémiai kötésekhez kell visszamennünk. Korábbi tanulmányaink alapján ismert, hogy az elektronegativitások összege és különbsége dönti el az elsőrendű kötés jellegét, ami lehet:
• ionos (pl. a NaCl halmazában),
• kovalens (pl. a víz molekulákban) vagy
• fémes kötés (pl. a vas halmazában).
Az elsőrendű kötések kötési energiája (102-103 kJ/mol), vagyis a felbontásához ekkora energia szükséges.
A másodrendű kötések
Az elsőrendű kovalens kötéssel létrejövő molekulák között működő erők azok, amelyek a halmazszerkezetet kialakítják. Kötési energiájuk csak töredéke az elsőrendű kötésekének.
Vagyis mi tartja össze a halmazokat?
• azokat a halmazokat, amelyek molekulákból épülnek fel, a másodrendű kötések tartják össze,
• ezek energiája jóval alacsonyabb (0,1-50 kJ/mol) az elsőrendű kötésekénél,
Anyagi halmazok
• alapvetően elektrosztatikus természetűek (tehát a kölcsönhatás alapja az azonos töltések közötti taszítás, a különböző töltések közötti vonzás), a másodlagos kötőerők (bár eltérő mértékben) egyaránt hatnak az apoláris illetve a poláris molekulák között,
• minél nagyobb a molekula polarizációja, annál nagyobb az összetartó erő,
• minél nagyobb az összetartó erő, annál nehezebben bontható meg a halmaz, tehát magasabb olvadás- és forráspontra számíthatunk,
• léteznek olyan halmazok, melyekben nem molekulákat találunk, ezekben az elsőrendű kötések alakítják ki a halmazszerkezetet,
• az elsőrendű kötések jóval erősebbek, így ezekben a halmazokban nagyobb összetartó erők dolgoznak, ami magasabb olvadás- és forráspontban is megnyilvánul.
A molekulák közötti (más szóval: intermolekuláris) kötéseket két nagy csoportba oszthatjuk:
• van der Waals-féle kötések (összefoglaló elnevezés)
Lezárt elektronhéjú atomok vagy molekulák között alakul ki. A kölcsönhatás alapja: a szomszédos molekulák állandó vagy átmenetileg kialakult pólusai a legkedvezőbb térbeli rend szerint rendeződnek (az azonos töltések a lehető legtávolabb, az ellentétes töltések térben közel kerüljenek egymáshoz). Erősségét főként a töltéseltolódás nagysága határozza meg.
Három altípusát különböztetjük meg aszerint: mennyire polarizált molekulák között jött létre?
Lehetőségek:
1. apoláris – apoláris molekulák között (diszperziós vagy London-féle erők)
20. ábra: Diszperziós erők működnek a nemesgázok atomjai között is
A molekulák elektroneloszlása teljesen szimmetrikus. Az elektronfelhő rezgőmozgása hozza létre az átmeneti polarizálódást (ábra).
(Az apoláris molekulák között fellépő London-féle erő annál erősebb, minél könnyebben polarizálható a molekula, minél nagyobb az egy atomra jutó elektronok száma és minél nagyobb a molekula felülete.)
Minél nagyobb energiájú a London-féle erő, annál magasabb olvadáspontú, forráspontú az illető anyag.
Ez a jellemző kölcsönhatás a nemesgázok ill. az elemmolekulák jó részének halmazaiban, pl. neon, klór, oxigén. Nem véletlen a gázhalmazállapot!)
2. apoláris – dipólusos (más szóval: poláris) molekulák között
Ha a dipólusmolekula apoláris molekula közelébe kerül, azt átmenetileg dipólussá teheti ( ez un. indukált dipólus), másodrendű kémiai kötés jön létre közöttük. Pl. a jód kismértékben oldódik vízben, ezt a poláris vízmolekula és az apoláris jódmolekula (I2) közötti kölcsönhatással magyarázzuk.
Anyagi halmazok
21. ábra: Dipólus indukálta töltéseltolódás
3. dipólus – dipólus (más szóval: poláris) molekulák között fellépő kölcsönhatás.
22. ábra: Dipólus-dipólus molekulák térbeli elrendeződése
A dipólus molekulák ellentétes töltéssel helyezkednek (orientálódnak) egymás mellé (dipóluskötés vagy Debye- hatás).
A molekulák állandó pólusai között fellépő erő a London-féle erőnél (1.) jóval erősebb, az így kialakult szerkezet nagy rendezettséget mutat. A nagyobb összetartó erők miatt a dipólus molekulák halmaza magasabb olvadás- és forráspontú, mint a London-féle erőkkel összetartott halmazok. A szilárd anyagoknál nagyobb, a folyadékoknál kisebb ez a kölcsönhatás.
• hidrogénhíd-kötés
A hidrogénhíd-kötés energiája kb. tizede az elsőrendű kötések energiájának. A másodrendű kötések közül a legerősebb.
Egy hidrogénatom létesít kötést (hidat) két másik atom között.
Olyan molekulák között alakulhat ki, amelyek:
• nagy elektronegativitású központi atommal rendelkeznek,
• nemkötő elektronpárjuk elektronban szegény hidrogénhez kapcsolódik
A részleges pozitív töltésű hidrogén atom és a szomszédos részleges negatív töltésű központi atom nemkötő elektronpárja között alakul ki a kölcsönhatás.
(A nagy elektronegativitású atom magához vonzza a kovalens kötés elektronpárját, és az elektronban elszegényedett hidrogén (gyakorlatilag egy proton) másodrendű kötésbe lép a szomszédos molekula nemkötő elektronpárjával.)
Anyagi halmazok
23. ábra: Hidrogénhíd-kötés a vízmolekulák között
Minél erősebb két részecske között a kölcsönhatás, annál kisebb közöttük a távolság (kötéshossz vagy kötéstávolság). A víz molekulájában (a) az O-H kötés kovalens kötéshossza 100 pm (1 pikométer = 10-12 m), a másodlagos kötéssel összetartott O·····H ennél gyengébb, ezért a hidrogénhíd kötéshossza 180 pm. b) a vízmolekula pálcika modellje. A vízmolekulában a hidrogénhíd-kötés mellett a dipólus-dipólus hatás is érvényesül. Ez a kettős hatás mutatkozik meg a kiugróan magas olvadás- és forráspont értékekben.
(A másodrendű kötéseknek köszönhetően a vízben ún. fürtöcskék alakulnak ki, dinamikusan változó csoportokkal. Még manapság is a víz leírása a legnehezebb probléma a számítógépes szimulációkban.)
A hidrogénhíd-kötés létrejöttének feltétele egy nagy elektronegativitású atom, melynek nemkötő elektronpárja is van. Ezek a feltételek három elemre teljesülnek: a nitrogénre, az oxigénre és a fluorra.
A hidrogénhíd pillér atomjai az összekapcsolódó molekulák központi atomjai, a híd többféleképpen kialakulhat:
N- H …O, N…H-O, OH…O
A hidrogénhíd-kötés kialakulását láthatjuk a HF (hidrogén-fluorid) vegyületnél.
24 ábra: Hidrogénhíd-kötés a HF molekulában
Energiaközlés hatására a másodlagos kötések bomlanak fel először, a molekulák azonban továbbra is egészben maradnak. A másodlagos kötőerők (kisebb-nagyobb mértékben) egyaránt hatnak az apoláris illetve a poláris molekulák között.
Az elsőrendű kémiai kötés pl. 20-30 °C-on még igen erős, addig a gyengébb van der Waals-féle kötések itt már felbomolhatnak, ezzel megszűnik a halmazszerkezet (elpárolog az anyag).
A molekulák közti kötések határoznak meg lényeges fizikai tulajdonságokat, például a halmazállapotot, olvadáspontot, forráspontot, keménységet stb.
Anyagi halmazok csoportosítása
Az anyagi halmazok sok szempont alapján csoportosíthatók (pl. szín, anyag, méret, áramvezetés, stb.) Mi néhány olyan csoportosítási szempontot tekintünk át, amelyek még később fontossá válnak.
Anyagi halmazok
• Összetevők száma szerint (elem, vegyület, keverék) Ezt a csoportosítást már az első tananyagban megismertük.
• Fázisok száma szerint (egyfázisú, többfázisú)
Egyfázisú a rendszer, ha benne sem szabad szemmel, sem mikroszkóppal nem különböztethetünk meg határfelületeket. Az egyfázisú anyagi rendszer lehet egykomponensű (pl. víz, oxigéngáz, konyhasó, stb.) vagy többkomponensű (pl. konyhasóoldat, levegő, stb.)
Többfázisú rendszerben észrevehető a határfelület, vagyis a rendszer több fázisból áll.
(Például a víz és az olaj egy kémcsőben különváltan helyezkedik el. Ha összerázzuk a kémcső tartalmát, akkor zavaros rendszer keletkezik, de a különálló olajcseppek ekkor is egyetlen fázist alkotnak. Valójában a két fázis nem különül el tökéletesen, az egyik fázis olaj a vízben, a másik fázis víz az olajban.)
Többfázisú rendszerekben a határfelületet átlépve ugrásszerűen változnak a tulajdonságok (pl. só és homok esetében a fázishatárt átlépve.).
• Homogenitás szerint (homogén, kolloid, heterogén)
A homogén, a kolloid és a heterogén anyagi rendszerek között lényegében csak a részecskék méretében (ennek következtében egyes tulajdonságokban is) van különbség:
Homogén anyagi rendszer: x <1nm (pl. cukoroldat)
Kolloid anyagi rendszer: 1nm <x <500 nm (pl. szappanos víz)
Heterogén anyagi rendszer: 500 nm <x (pl. kristályos cukor és só keveréke) 1 nm = 10-9 m
Az anyagi rendszerek méret szerinti csoportosításával a későbbiekben még részletesen foglalkozunk a kolloidok témakörében (9. tananyag).
• A keverékek a közeg és az eloszlatott anyag halmazállapota szerint
A többkomponensű rendszerek tovább tagolhatók, ugyanis mindhárom halmazállapotú közegben elkeverhetünk bármilyen halmazállapotú anyagot, sőt a részecskék mérete alapján tagolhatunk homogén, kolloid vagy heterogén típusokra.
A kolloid rendszerek bemutatása során ezt még bővebben is tárgyaljuk.
Összefoglalás
A mindennapokban nem néhány atommal, hanem olyan anyagokkal találkozik, amelyek igen sok kémiai részecskéből álltak össze. Az ilyen anyagi rendszerek a halmazok.
A halmazok összetartásában többféle erő is működik, most csak a molekulákat egybefűző kötőerőkkel, a másodlagos kötésekkel foglalkozott.
Ezeknek két nagy csoportja különíthető el. A van der Waals-féle erők a szomszédos molekulák állandó vagy átmeneti polarizálódása miatt működnek. A hidrogénhíd-kötés csak meghatározott feltételek között alakulhat ki, azonban ez biztosítja a legerősebb másodlagos kötést.
Miután jól megértette a másodlagos kötőerőket, megpróbálkozhat az önellenőrzéssel.
Ha jól „vizsgázott”, a következő tananyagban megnézi, hogyan érvényesülnek az elsődleges és másodlagos kötőerők az anyagok három halmazállapotában.
Önellenőrző feladatok és kérdések Kérdések
1. Mik a halmazok?
2. Miért nem tekinthető az anyaghalmaz az atomok ill. a molekulák sokaságának?
Anyagi halmazok
3. Hogyan alakul ki a van der Waals-féle kötőerő?
4. Hasonlítsa össze a dipóluskötést a diszperziós kötéssel!
5. Hogyan alakulhat ki hidrogénhíd-kötés?