Kmiai BSc Kmiai alapismeretek Termszettudomnyok Csillagszat Matematika Fizika

Kémiai BSc Kémiai alapismeretek

Természettudományok • • • Csillagászat Matematika Fizika Kémia Biológia

Technoszféra – Bioszféra • Környezetvédelem, környezeti kémia • Táplálkozás. Gyógyszerek hatása • Energiaellátás

Az ember tevékenysége révén természeti környezetét állandóan alakítja, változtatja. A Föld, mint e tevékenység színtere évezredeken át gyakorlatilag korlátlan kapacitású puffernek bizonyult, azaz az emberi tevékenységet úgy tűrte el, hogy eközben alapvető változást nem szenvedett. Ám az elmúlt néhány évtizedben nyilvánvalóvá vált, hogy az emberiség létszámának és ezzel együtt az ipari termelésnek ugrásszerű növekedése, az élővilág egyes fajtáinak visszaszorulása, illetve kihalása maradandóan megváltoztatja a környezetet. A levegő, a víz, a talaj egyre több idegen anyagot, olyan kemikáliákat tartalmaz, amelyeket még 100 évvel ezelőtt sem ismert az emberiség.

• A civilizációs fejlődés eredményeként a két globális rendszer: a technoszféra és a bioszféra egyensúlya megbomlott. Technoszférán azoknak az objektumoknak az összességét értjük, amelyek emberi tevékenységgel jöttek létre, és nem a természetben keletkeztek. Bioszférának a természeti környezetet, vagyis a Föld biológiai és geológiai rendszereinek együttesét nevezzük. Hosszú ideig a technikai fejlődés nyersanyag- és energiaigényének kielégítése szinte korlátlannak látszott, másrészt a technoszférából származó hulladékot a bioszféra képes volt maradéktalanul befogadni.

Ez a kép jelenleg kedvezőtlen változást mutat: 1950 és 1990 között a világ népessége megkétszereződött, a világgazdasági termelés pedig közel négyszeresére nőtt. Ezért a nyersanyagés energiaforrások végessége és a környezet hulladéktűrő képessége egyre határozottabban kirajzolódott az utóbbi évtizedekben.

A kutatások eredményeként eddig több, mint ötmillió kémiai vegyületet állítottak elő. A világ vegyipara évente mintegy százötven millió tonna vegyi anyagot termel. Ezek jelentős része ún. természetidegen vegyület. Másként fogalmazva, az emberiség ma az addig csak a természetben előforduló vegyületek sorát technikai méretekben előállítja, továbbá olyan természettől idegen anyagok millióit szintetizálja, amelyek speciális tulajdonságokkal és alkalmazási területtel rendelkeznek.

Mindez természetesen nem maradhatott hatás nélkül a természeti környezetre, hanem elvezetett a kémiai elemek körforgásának felgyorsulásához, a legkönnyebben kitermelhető nyersanyagtelepek kimerüléséhez. Közben a hulladékok hatalmas mennyisége keletkezik, amelyek elhelyezését és hatását a biológiai rendszerekre nem tudjuk egyértelműen megoldani, illetve megítélni.

A világgazdaság mai szintje azt kívánja meg, hogy a Föld rövid idő alatt nem regenerálódó erőforrásaiból évente mintegy 105 Mt (1 Mt = 106 tonna = 109 kg) anyagot használjunk fel. Ennek a roppant anyagmennyiségnek egy része hulladékként jelenik meg. Felmerült az a veszély, hogy ha a biokémiai körfolyamatokban működő ellenőrző és átalakító mechanizmusok kapacitását – ezzel a körfolyamatok kompenzáló képességét – túllépjük, az ökológiai rendszerek működése irreverzibilisen is megváltozhat. A környezetszennyezést tehát úgy is definiálhatjuk, mint az ökológiai rendszerek dinamikus egyensúlyának megzavarását vagy megszüntetését.

Környezeti kémia - A légkör kémiája Az, hogy a Földön kialakulhatott az élet, a Naptól való kedvező távolságnak, a héliumnál nehezebb elemek képződésének, valamint a vízburok és a légkör kialakulásának köszönhető. Hiszen gondoljuk arra, hogy az ember táplálék nélkül öt hétig is élhet, de víz nélkül kb. öt napot, levegő nélkül pedig kevesebb, mint öt percet bír ki. A felnőtt ember normális életműködéséhez naponta 15 kg (kb. 13 m 3) levegő szükséges. Az anyagcsere-folyamatokon kívül a levegő alapvető feltétele a látásnak, a hallásnak és a szaglásnak is.

Hogyan változik a tengerszint feletti magassággal a légnyomás. A tengerszintnek megfelelő magasságban (ilyen pl. Hamburg fekvése) kis ingadozásoktól eltekintve – amit a változó páratartalom okoz – jó közelítéssel 101 k. Pa a légnyomás. 1000 méter magasságban (pl. Kékestetőn) már csak 89 k. Pa, 2000 méteren 79 k. Pa, 3000 méter magasságban 70 k. Pa, 4000 méter magas hegycsúcson 61 k. Pa, 5000 méter magasságban (közel ennyi a Mont Blanc csúcsa) csak 54 k. Pa a légnyomás, ami igen nagy megterhelést okozhat az ilyen körülményekhez nem szokott hegymászóknak.

C + O 2 → CO 2 + H 2 O ↔ H 2 CO 3 Szén és széntartalmú anyagok tökéletes égésekor keletkezik. Hosszú ideig egyensúlyban volt a Föld széndioxid-háztartása, mert a növények fotoszintézisük során jelentős mennyiségű szén-dioxidot kötnek meg és oxigént bocsátanak ki. Száz évvel ezelőtt a légköri széndioxid-koncentráció még csak 29 ppm volt, jelenleg 35 ppm. Az utóbbi évtizedekben viszont a trópusi erdők nagymértékű kiirtásával a szén-dioxid megkötése jelentősen csökkent, az iparosodás és a közlekedés fejlődése viszont azt eredményezte, hogy a kibocsátás állandóan és gyors ütemben nőtt. A szén-dioxidmolekula stabilis, átlagos tartózkodása a légkörben mintegy 10– 15 év. Ez a háromféle hatás együttesen okozza azt a tényt, hogy az egyensúly megbomlott, és évről évre rohamosan nő az ún. nettó kibocsátás. Ez Magyarországra vonatkoztatva évi 30– 35 millió tonna. A teljes kibocsátás a Földön jelenleg 25 milliárd tonna/év.

Szén-monoxid (CO) • Színtelen, szagtalan, vízben kevésbé oldódó gáz. Rendkívül mérgező emberre, állatra egyaránt. A vér hemoglobinjával stabilisabb komplexet képez, mint az oxigén, így megakadályozza annak a megkötését és szállítását, azaz a gázcserét, ezért fulladásos halált okoz. • Jelöljük az oxigénnel képzett komplexet Hem. O 2 vel, a szén-monoxid-komplexet pedig Hem. COval. Felírhatjuk a következő egyensúlyi folyamatot: • CO + Hem. O 2 ↔ O 2 + Hem. CO • A folyamat egyensúlyi állandójának értéke: 200.

• A folyamat egyensúlyi állandójának értéke: 200. • K= • Az egyensúlyi állandó nagy érték, ez azt jelenti, hogy már kis szén-monoxid-koncentráció is leköti a hemoglobint. • Ha pl. a [CO] eléri az [O 2] 200 -ad részét, akkor • Ez azt jelenti, hogy a hemoglobin fele a szénmonoxiddal képez komplexet az oxigén helyett. Így kevés Hem. O 2 komplex marad ahhoz, hogy ellássa a szervezetet oxigénnel. Ha 20%-ban átalakul a Hem. O 2 Hem. CO-dá, az már végzetes lehet.

Emberi tevékenység eredményeként évente mintegy 2000 millió tonna jut a légkörbe, ahol néhány hónap az átlagos tartózkodási időtartama. Széntartalmú anyagok tökéletlen égésekor keletkezik. Érdekes adat, hogy Budapesten a teljes szennyezés 76%-át a közlekedés okozza. Lényegesen kisebb hányad származik a háztartási tüzelésből és speciális iparágakból.

• Tételezzük fel, hogy a benzin főleg C 8 H 18 összetételű oktánból áll, a levegő 1 molja pedig 0, 21 mol O 2 -ből és 0, 79 mol N 2 -ből, átlagos moláris tömege 29 g/mol. Ha a benzin égése nem tökéletes a robbanómotorban, akkor a következő folyamat megy végbe: C 8 H 18 + 8, 5 O 2 = 8 CO + 9 H 2 O • A benzin tökéletes égésének reakcióegyenlete: C 8 H 18 + 12, 5 O 2 = 8 CO 2 + 9 H 2 O • 12, 5 mol O 2 mellett a levegő összetételének megfelelően 47, 0 mol N 2 is jelen van. A reakcióegyenlet alapján kiszámíthatjuk, hogy 1 mol, azaz 114 g (8. 12 + 18) benzin elégéséhez 1725 g (59, 5. 29) levegő szükséges. Tehát az elméleti levegő: üzemanyag tömegarány =

Szénhidrogének • A legegyszerűbb szénhidrogénből, a metánból (CH 4) 6– 7 milliárd tonna van a légkörben. Ennek jelentős része természetes forrásokból, a szerves anyagok anaerob bomlása révén kerül a levegőbe. • Nagy mennyiségű metán keletkezik pl. a vízzel elárasztott rizsföldeken. Az állatok, különösen a szarvasmarhák emésztése is jelentős metánforrás. A kőzetekből is számottevő mennyiségű metán szabadul ki a bányaművelés és a földgázkitermelés során. Évente globálisan kb. 1 milliárd tonna metán jut a levegőbe, ennek 70%-a antropogén eredetű. A magyarországi kibocsátás 700– 800 ezer tonnára becsülhető. • Az utolsó 100 évben a metánkoncentráció is jelentős növekedést mutat: a többszáz évig állandó 0, 77 ppm értékről hirtelen 1, 7 ppm-re nőtt. (1 ppm = 1 μg/g = 1 mg/kg = 1 g/t = 1 cm 3/m 3)

• Légköri átlagos tartózkodási ideje 5– 10 év. A teljes • és: halogénezett troposzférában szénhidrogének elkeveredik, ahol • aromás rövidebb-hosszabb szénhidrogének idő alatt szén • policiklusos monoxiddá, majd szénhidrogének szén-dioxiddá oxidálódik, és így visszatér a légkörből a bioszférába és az óceánokba.

Energia • Eredete: görög szó, munkát jelent (Arisztotelész) • E = m x v 2 Joule = kg x M 2 x s-2 • Minden kémiai változás ENERGIA változással jár • /Energiafajták / Termokémia/ • Kőolaj, földgáz, kőszén, atomenergia • Megújuló energiaforrások (Nap – Szél – Víz – Geotermikus energia)

Az élelmiszerek és a szervezet sav-lúg egyensúlya • Az anyagcsere-folyamat során a felvett táplálék számos kémiai változáson megy keresztül, s vagy beépül a szervezetbe, vagy energiaként használódik fel. Megfelelő közegben ezek a folyamatok optimálisan működnek. A vérplazmában enyhén lúgos kémhatásnak (p. H~7, 1) kell lennie az egészség fenntartása és a betegségek megelőzése érdekében. A savas kémhatás felé való eltolódás számos betegség előidézője lehet, különösen izületi és reumatikus problémák jelentkezése várható.

Az anyagcsere folyamán rengeteg savas kémhatást okozó anyag keletkezik. A szervezetben folyó lassú égés, az exoterm oxidáció során keletkező szén-dioxid a vérben szénsavként nyelődik el. A sejtanyagcsere kapcsán számos sav, pl. piroszőlősav, tejsav stb. keletkezik. Mindezek az elsavasodáshoz vezetnének, ha a szervezet nem tenne óvintézkedéseket ennek megakadályozására. Például a vérben felszaporodó szénsav ingerként hat a légzőközpontra, gyakoribbá és mélyebbé válik a légzés, így több szén-dioxid távozik (légzési pufferálás). A vizelet p. H-ja is széles skálán mozog, így a vese is jelentős kiegyenlítő szerepet játszik. Fontos a vér ún. pufferkapacitása, amely megköti az erősebb savakat. A felhasználódott mennyiségnek pótlódnia kell. Ha a pufferkapacitásnak több, mint a fele elfogy, az egyensúly felbomlik, savasodás jön létre, amely fáradékonyságot, álmatlanságot, nyugtalanságot okoz.

A szervezet sav-lúg egyensúlyának megóvása érdekében igen fontos táplálékunk összetételének megválasztása. Az ételek egy részéből savas, más részéből lúgos és igen kis részéből semleges kémhatást okozó anyagcseretermékek keletkeznek. Nagyon fontos a megfelelő arány a lúg- és a savképző ételek között. Egyes kutatások szerint a természetes arány 4 : 1, azaz 80% lúgos, 20% savas. Ennek betartásakor legerősebb a szervezet ellenálló képessége. 3 : 1 aránynál a lúgtartalék kimerül, a szervezet többet nem tud kompenzálni, és savasodás következik be.

Savképző ételek: • az összes húsok, hal, baromfi, tojás • állati zsír, növényi zsiradék (margarin) • az összes gabonaneműek (kivéve a köles) • dió, mogyoró, mandula • fehérliszt, fehérkenyér, rozskenyér • hüvelyesek • rizs, savanyú gyümölcsök Lúgképző ételek: • gyakorlatilag minden zöldség és gyümölcs Semleges ételek: • tej, tejtermékek, növényi olajok

ELEMEK • azonos atomok: Jelölése: VEGYJEL-lel He, H, Ca Elnevezés: • H hidrogén: vízképző (Wasserstoff) • O oxigén: savképző (Sauerstoff) • P foszfor: fény hordozó • I jód: ibolya színű • He – Nap • Se – Hold • U, Np, Pu bolygók • Es, Md, Cm – Ge, Fr, Eu, Ga

VEGYÜLETEK • alkotórészek aránya állandó • Molekulák: (százalékos összetétel) Jelölése: KÉPLET-tel H 2 O, C 6 H 12 O 6, Na. Cl(sz) CO, CO 2, Ca. CO 3 • De: Elemmolekulák: H 2, O 2… P 8 • Moláris tömeg – Móltömeg – Relatív /atom/moltömeg • Mól fogalma • 6. 1023 db • ATE, (u)

„Kémiai” anyag / –Csoportosítás/ 1. Elemek, Vegyületek, Keverékek 2. ANYAG /szerkezete sz. / • DISZKONTINUUS „részecske” j. korpuszkuláris folytonos „mező” • Nem abszolút! (Pl. atomok, molekulák töltésfelhői) KÉMIA fogl. FIZIKA fogl.

Kémiai” anyag / –Csoportosítás/ 3. 4. • • • Szvetlen – Szerves Szilárd – Cseppfolyós – Légnemű /Halmazáll. / Kristályos a. Folyadékok Gázok és /amorf/ és/plazma á. / egykomponensű többkomponensű OLDATOK /Kolloidok/

A víz körforgása (1000 km 3/év)

Az ATOM-ok szerkezete • Atommag és Elektronhéj • p+, no, e– • Nukleonok • Rutherford kísérlete: 10– 10 m; 10– 15 m • Rendszám: p+ száma • Tömegszám: no száma + p+ száma • /146 n+92 p/

IZOTÓP-ok /izotóp elemek/ • Ugyanazon kémiai elem változatai – rendszám azonos, tömegszám különbözik • Természetes –Mesterséges/”Tiszta” elemek/ • és • • 35, 5 súlyozott átl. 75% – 25% gyógyászat Radioaktív – és nem radioaktív izotópok Pl. Au …

CO 2

O 2

Felhasznált irodalom: 1. Bodonyi–Pitter: Kémiai összefoglaló (Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1993) 2. Rózsahegyi Márta–Vajand Judit: Kémia itt, kémia ott, kémia mindenhol! (Nemzeti Tankönyvkiadó, ELTE Eötvös Kiadó Budapest 1995) 3. Gergely–Erdődi–Vereb: Általános és bioszervetlen kémia (Semmelweis Kiadó, 1997) 4. Dr. Kiss Attila: Kémiai ismeretek (Oktatási segédanyag) EKF 5. Papp Sándor–Ralf Kümmer: Környezeti kémia (Tankönykiadó Bp. 1992) 6. Dr. Bodor Endre: Szervetlen kémia I. (Veszprémi Egyetemi Kiadó, Veszprém, 1994) 7. Simándi Péter: Alkalmazott kémia (Tessedik Sámuel Főiskola, Szarvas, 2003) Megjegyzés: A konzultáción megismert anyag egyéni feldolgozására bármilyen más kémiai jegyzet, tankönyv, kiadvány felhasználható.

A konzultáción feldolgozott anyag: A kémia tárgya, a kémia és a természettudományok, a kémia és a társadalom kapcsolata. Kémiai alapfogalmak. Tömeg, térfogat, átváltások, prepozíciók, százalékos összetételek. Sztöchiometria: atom- és molekulatömeg, a kémiai anyagmennyiség fogalma – mól, elemek, vegyületek jelölése. A kémiai reakciók, a kémiai változás paraméterei. Egyszerű sztöchiometriai számítási feladatok megoldása. Az atomok elektronszerkezete, az atommodellek. Az elemek periódusos rendszere. Molekulák képződése, a kémiai kötések. Halmazok szerkezete. Halmazállapotok és változásaik. A víz fázisdiagramja. Oldatok, elegyek, koncentrációszámítás. Termokémia alapjai. Reakciósebesség. Homogén és heterogén egyensúlyok. Sav-, bázis egyensúlyok, p. H. Redoxi reakciók. Standard potenciál. Galvánelemek. Elektrolízis. Kolloidok. Legfontosabb szerves kémiai vegyületcsoportok. A konzultáción bemutatott kísérletek: 1. A szén-dioxid üvegházhatásának szemléltetése 2. CO 2 fejlesztő Kipp készülék 3. A hidrogén előállítása (Kipp k. ), égése, sűrűsége, oldhatósága, -durranógáz 4. Oldhatósági kísérletek 5. Extrakció (Megoszlás) 6. Kolloid oldatok előállítása 7. Elektrolízis (H 2, O 2 kimutatása) 8. Galvánelem készítése, Kapocsfeszültség, Elektromotoros erő Dr. Rácz László, Veres Tamás

Tantárgy neve: Kémiai alapismeretek Kredit: 2 Félév: 1 Heti óraszám: 2 Óratípus: Előadás Szeminárium Gyakorlat x � � Értékelés: Kollokvium Gyakorlati jegy x � Tantárgy leírása: A kémia tárgya, a kémia és a természettudományok, a kémia és a társadalom kapcsolata. Kémiai alapfogalmak. Sztöchiometria: atom- és molekulatömeg, a kémiai anyagmennyiség fogalma – mól, elemek, vegyületek jelölése. A kémiai reakciók, a kémiai változás paraméterei. Egyszerű sztöchiometriai számítási feladatok megoldása. Az atomok elektronszerkezete, az atommodellek. Az elemek periódusos rendszere. Molekulák képződése, a kémiai kötések. Halmazok szerkezete. Halmazállapotok és változásaik. A víz fázisdiagramja. Oldatok, elegyek, koncentrációszámítás. Termokémia alapjai. Reakciósebesség. Homogén és heterogén egyensúlyok. Sav-, bázis egyensúlyok, p. H. Redoxi reakciók. Standard potenciál. Galvánelemek. Elektrolízis. Kolloidok. Legfontosabb szerves kémiai vegyületcsoportok. Kötelező olvasmányok: 1. Dr. Bodor Endre: Szervetlen kémia I. Veszprémi Egyetemi Kiadó, Veszprém, 1994. 2. Dr. Kiss Attila: Kémiai ismeretek. (Oktatási segédanyag) EKF Környezettudományi Tanszék, Eger, 1999. 3. Bodonyi–Pitter: Kémiai összefoglaló. Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1993. 4. Gergely–Erdődi–Vereb: Általános és bioszervetlen kémia. Semmelweis Kiadó, 1997. 5. Simándi Péter: Alkalmazott kémia. Tessedik Sámuel Főiskola, Szarvas, 2003. Tantárgyfelelős: Dr. Rácz László Oktatók: Dr. Rácz László