-
Szerkesztette:
BENK ZOLTN
rta:
BENK ZOLTN, KMVESN TAMS IBOLYA, STANKOVICS VA
Lektorlta:
IGAZ SAROLTA
KMIAI ALAPOK Egyetemi tananyag
2011
Budapesti Mszaki s Gazdasgtudomnyi Egyetem Vegyszmrnki s
Biomrnki Kar Szervetlen s Analitikai Kmia Tanszk
-
COPYRIGHT: 2011-2016, Dr. Benk Zoltn, Kmvesn Tams Ibolya, Dr.
Stankovics va, BME
Vegyszmrnki s Biomrnki Kar Szervetlen s Analitikai Kmia
Tanszk
LEKTORLTA: Dr. Igaz Sarolta, OKKER Zrt.
KZREMKDTT: Fekete Csaba, Knczl Lszl
Creative Commons NonCommercial-NoDerivs 3.0 (CC BY-NC-ND
3.0)
A szerz nevnek feltntetse mellett nem kereskedelmi cllal
szabadon msolhat, terjeszthet, megjelentethet s eladhat, de nem
mdosthat.
TMOGATS:
Kszlt a TMOP-4.1.2-08/2/A/KMR-2009-0028 szm, Multidiszciplinris,
modulrendszer, digitlis
tananyagfejleszts a vegyszmrnki, biomrnki s vegysz alapkpzsben
cm projekt keretben.
KSZLT: a Typotex Kiad gondozsban
FELELS VEZET: Votisky Zsuzsa
AZ ELEKTRONIKUS KIADST ELKSZTETTE: Waizinger Jzsef
ISBN 978-963-279-479-2
KULCSSZAVAK:
ltalnos kmia, szervetlen kmia, szerves kmia, anyagszerkezet,
kmiai reakcik, kmiai egyenslyok,
elektrokmia, matematikai s fizikai alapismeretek
SSZEFOGLALS:
A Kmiai alapok cm elektronikus tananyag 12 fejezetre tagoldik.
Az els fejezet tartalmazza ksbbiek
megrtshez elengedhetetlenl szksges matematikai s fizikai
fogalmakat, sszefggseket. Ezutn egy
igen terjedelmes ltalnos kmiai rsz kvetkezik, mely ismerteti az
atomszerkezet, molekulaszerkezet
alapjait, a klnbz halmazllapotok s halmazllapot-vltozsok
legfontosabb jellemzit. A
koncentrcikkal, oldatokkal s hg oldatok trvnyszersgeivel
foglalkoz fejezetek nemcsak a
kzpiskolai tananyagot, hanem az egyetemek els flvben tantott
ismereteket is trgyaljk. A Kmiai
reakcik cm fejezetben az Olvas megismerkedhet a kmiai egyenletek
rendezsvel, a sztchiometria
alapjaival, a termokmia legfontosabb trvnyszersgeivel, valamint
a reakcikinetika alapfogalmaival. A
Kmiai egyenslyok cm fejezet tbbek kztt trgyalja a homogn s
heterogn fzis egyenslyokat, az
elektrolitegyenslyokat (pH-egyenslyok, komplexkpzdsi egyenslyok,
oldhatsgi egyenslyok),
valamint a megoszlsi egyenslyokat. Az ltalnos kmival foglalkoz
rszt az Elektrokmia cm fejezet
zrja. A jegyzet utols fejezetei rviden ismertetik a legfontosabb
szervetlen s szerves kmiai ismereteket,
vgl az rdekld Olvas az utols fejezetben tallhat pldatr
gyakorlfeladatain nllan ellenrizheti
felkszltsgt.
-
Tartalomjegyzk 3
Benk Zoltn, BME www.tankonyvtar.hu
TARTALOMJEGYZK
ELSZ
..................................................................................................................................................
5 1. MATEMATIKAI S FIZIKAI ALAPOK
..........................................................................................
6
1.1. Matematikai alapok
......................................................................................................................
6 1.2. Fizikai alapismeretek
..................................................................................................................
33 1.3. A grg bc
.............................................................................................................................
43
2. AZ ATOMOK SZERKEZETE
.........................................................................................................
44 2.1. Az atommodellekrl dihjban
..................................................................................................
44 2.2. Az atomok felptse
..................................................................................................................
44 2.3. Az atomok elektronszerkezete
....................................................................................................
48 2.4. A kvantumszmok
......................................................................................................................
56 2.5. Az elemek peridusos rendszere
................................................................................................
57 2.6. Tulajdonsgok vltozsa a peridusos rendszerben
...................................................................
62 2.7. Gyakorlkrdsek, -feladatok:
...................................................................................................
73
3. KMIAI KTSEK S A MOLEKULK SZERKEZETE
............................................................ 75
3.1. Kmiai ktsek
...........................................................................................................................
75 3.2. A molekulk alakja
.....................................................................................................................
90
4. HALMAZOK, HALMAZLLAPOTOK
.......................................................................................
104 4.1. Alapfogalmak: elemek, vegyletek, keverkek
........................................................................
104 4.2. Az anyagi halmazok csoportostsa
..........................................................................................
106 4.3. Halmazllapotok, halmazllapot-vltozsok
............................................................................
106 4.4. Gyakorlkrdsek:
....................................................................................................................
129 4.5. Szmtsi feladatok gztrvnyekkel
.......................................................................................
130
5. KONCENTRCIK, OLDHATSG, TKRISTLYOSTS
................................................ 148 5.1. Trt-,
illetve szzalkjelleg mennyisgek
..............................................................................
148 5.2. Koncentrci jelleg mennyisgek
...........................................................................................
149 5.3. A ppm- s ppb-koncentrcik:
.................................................................................................
150 5.4. A koncentrcik tszmtsa
....................................................................................................
151 5.5. Az oldhatsg
...........................................................................................................................
166 5.6. Mveletek oldatokkal
...............................................................................................................
168 5.7. Kristlyvizes sk
......................................................................................................................
182 5.8. Gyakorlkrdsek:
....................................................................................................................
191
6. HG OLDATOK TRVNYEI
......................................................................................................
193 6.1. A forrspont-emelkeds s fagyspontcskkens trvnye
..................................................... 193 6.2. A
van t Hoff-faktor
.................................................................................................................
194 6.3. Az ozmzisnyoms
...................................................................................................................
197
7. KMIAI REAKCIK
.....................................................................................................................
208 7.1. Bevezets
..................................................................................................................................
208 7.2. A kmiai reakcik fajti
...........................................................................................................
209 7.3. Sav-bzis (protolitikus) reakcik, sav-bzis elmletek
............................................................ 212
7.4. Oxidcifok, redoxireakcik rendezse
...................................................................................
215 7.5. Sztchiometria
..........................................................................................................................
251 7.6. A kmiai reakcikat ksr hvltozsok Termokmia
........................................................ 272 7.7. A
kmiai reakcik sebessge
....................................................................................................
292 7.8. Gyakorlkrdsek
.....................................................................................................................
305
8. KMIAI EGYENSLYOK
............................................................................................................
310 8.1. A tmeghats trvnye s az egyenslyi lland
.....................................................................
310 8.2. A reakciegyenlet s az egyenslyi lland kapcsolata
........................................................... 321
8.3. Az egyensly eltolsa: a legkisebb knyszer elve
....................................................................
324 8.4. Homogn gzfzis reakcik
...................................................................................................
333 8.5. Heterogn fzis egyenslyok
..................................................................................................
344 8.6. Elektrolitegyenslyok
...............................................................................................................
350
-
4 Kmiai alapok
Benk Zoltn, BME www.tankonyvtar.hu
8.7. Megoszlsi egyenslyok
...........................................................................................................
502 9. ELEKTROKMIA
..........................................................................................................................
513
9.1. Bevezets
..................................................................................................................................
513 9.2. Az elektrdpotencil fggse a hmrsklettl, koncentrcitl s
nyomstl ....................... 516 9.3. Galvnelemek
...........................................................................................................................
531 9.4. Koncentrcis elemek
..............................................................................................................
534 9.5. Az elektrdpotencilok s a redoxireakcik irnya
..................................................................
537 9.6. Az elektrdpotencilok s a kmiai egyenslyi lland kapcsolata
......................................... 542 9.7. Az elektrolzis
...........................................................................................................................
548 9.8. Elektrolitok vezetse
................................................................................................................
564
10. A SZERVETLEN KMIA ALAPJAI
...........................................................................................
580 10.1. A szervetlen vegyletek csoportostsa
..................................................................................
580 10.2. Savak
......................................................................................................................................
582 10.3. Bzisok
...................................................................................................................................
588 10.4. Sk
..........................................................................................................................................
590 10.5. Komplex vegyletek
...............................................................................................................
591 10.6. Elemek s vegyletek szisztematikus elnevezse
..................................................................
592 10.7. Gyakorlkrdsek
...................................................................................................................
596
11. SZERVES
KMIA........................................................................................................................
600 11.1. Bevezets
................................................................................................................................
600 11.2. Alknok
..................................................................................................................................
616 11.3. Cikloalknok
..........................................................................................................................
621 11.4. Alknek
..................................................................................................................................
622 11.5. Alkinek
...................................................................................................................................
628 11.6. Aroms vegyletek
.................................................................................................................
631 11.7. Halogntartalm sznhidrognek
...........................................................................................
636 11.8. Alkoholok
...............................................................................................................................
639 11.9. Fenolok
...................................................................................................................................
644 11.10. terek
...................................................................................................................................
646 11.11. Aldehidek s ketonok
...........................................................................................................
648 11.12. Karbonsavak
.........................................................................................................................
653 11.13. szterek
................................................................................................................................
661 11.14. Nitrovegyletek
....................................................................................................................
662 11.15. Aminok
.................................................................................................................................
664 11.16. Savamidok
............................................................................................................................
667 11.17. Aminosavak
..........................................................................................................................
669 11.18. Fehrjk
................................................................................................................................
674 11.19. Sznhidrtok
.........................................................................................................................
681 11.20. Heterociklusok
......................................................................................................................
688 11.21. Nukleinsavak
........................................................................................................................
690
12. PLDATR
..................................................................................................................................
693 12.1. Gztrvnyek
..........................................................................................................................
693 12.2. Koncentrcik
........................................................................................................................
694 12.3. Hg oldatok trvnyei
.............................................................................................................
695 12.4. Sztchiometria
........................................................................................................................
696 12.5. Termokmia
............................................................................................................................
699 12.6. Kmiai egyenslyok
...............................................................................................................
700 12.7. Elektrolitegyenslyok
.............................................................................................................
701 12.8. Elektrokmia
..........................................................................................................................
703 12.9. Megoldsok
............................................................................................................................
705
FELHASZNLT IRODALOM
..........................................................................................................
712 BRK, ANIMCIK, VIDEK JEGYZKE
...............................................................................
713
brk
...............................................................................................................................................
713 Animcik, videk
..........................................................................................................................
717
-
Elsz 5
Benk Zoltn, BME www.tankonyvtar.hu
ELSZ
A Kmiai alapok cm elektronikus jegyzet alapvet clja a vegysz,
vegyszmrnki s biomrnki kmiaoktatshoz szksges elmleti alapok
megteremtse, m haszonnal forgathatjk az rdekld kzpiskolsok is. A
legfontosabb alapfogalmak ismertetse mellett igyeksznk bemutatni a
fontosabb alkalmazsokat, gyakorlati ismereteket is, gy a jegyzet
tbb szz rszletesen kidolgozott mintafeladattal, szmos videval s
animcival segti az Olvast az anyag mlyebb megrtshez.
Ezen elektronikus tananyag 12 fejezetre tagoldik. Az els fejezet
tartalmazza ksbbiek megrtshez elengedhetetlenl szksges matematikai
s fizikai fogalmakat, sszefggseket. Ezutn egy igen terjedelmes
ltalnos kmiai rsz kvetkezik, mely ismerteti az atomszerkezet,
molekulaszerkezet alapjait, a klnbz halmazllapotok s
halmazllapot-vltozsok legfontosabb jellemzit. A koncentrcikkal,
oldatokkal s hg oldatok trvnyszersgeivel foglalkoz fejezetek
nemcsak a kzpiskolai tananyagot, hanem az egyetemek els flvben
tantott ismereteket is trgyaljk. A Kmiai reakcik cm fejezetben az
Olvas megismerkedhet a kmiai egyenletek rendezsvel, a sztchiometria
alapjaival, a termokmia legfontosabb trvnyszersgeivel, valamint a
reakcikinetika alapfogalmaival. A Kmiai egyenslyok cm fejezet tbbek
kztt trgyalja a homogn s heterogn fzis egyenslyokat, az
elektrolitegyenslyokat (pH-egyenslyok, komplexkpzdsi egyenslyok,
oldhatsgi egyenslyok), valamint a megoszlsi egyenslyokat. Az
ltalnos kmival foglalkoz rszt az Elektrokmia cm fejezet zrja. A
jegyzet utols fejezetei rviden ismertetik a legfontosabb szervetlen
s szerves kmiai ismereteket, vgl az rdekld Olvas az utols
fejezetben tallhat pldatr gyakorlfeladatain nllan ellenrizheti
felkszltsgt.
Ezton szeretnnk ksznetet mondani az brk, animcik s videk
elksztsben nyjtott segtsgrt Knczl Lszlnak s Fekete Csabnak,
valamint ksznet illeti Krmos Balzst s Vghelyi dmot, akik rtkes
brkkal sznestettk a jegyzetet. Lelkiismeretes munkjukrt ksznettel
tartozunk Benk Zoltnnnak, Hargittai Istvnnak s Szcs Jlinak, akik a
jegyzet egyes fejezeteit tolvastk, s hasznos tancsaikkal segtettk
munknkat. Szeretnnk ksznetet mondani Nyulszi Lszlnak, Kovcs Ilonnak
s Szieberth Dnesnek az rtkes tancsokrt. Elismerssel mondunk
ksznetet a knyv szakmai lektornak, Igaz Saroltnak a szmtalan
hasznos javaslatrt s segtsgrt.
-
6 Kmiai alapok
Benk Zoltn, BME www.tankonyvtar.hu
1. MATEMATIKAI S FIZIKAI ALAPOK
Ebben a bevezet jelleg fejezetben az els flves Kmiai alapok s
ltalnos kmia gyakorlat elsajttshoz szksges legfontosabb matematikai
s fizikai sszefggseket vesszk sorra.
1.1. Matematikai alapok
1.1.1. A mrsek s szmtsok pontossga
A mrhet mennyisgeknek kt nagy csoportjt klnbztethetjk meg. Az
egyik az gynevezett diszkrt vltozval lerhat mennyisg, melyeket
pontosan szmszersteni tudunk. Ilyen pldul a darabszm, ismernk
olyat, hogy egy darab alma vagy ngy darab alma, de nincs tl sok
rtelme 2,54 darab almrl beszlni. A msik csoportba olyan mennyisgek
tartoznak, melyek rtke folytonosan vltozhat, azaz nem csak adott
egsz rtkeket vehet fel. Ilyen pldul a tmeg, a terlet, az ramerssg,
az anyagmennyisg, s gy tovbb. Ezekre jellemz, hogy rtkk brmilyen
nem felttlenl egsz rtket felvehet. Ennek van egy rendkvl fontos
kvetkezmnye: az ilyen mennyisgek mrsekor elkvetett hiba befolysolja
a mrs pontossgt. Vegynk egy egyszer pldt! Tmegmrsnl egyltaln nem
mindegy, milyen fajta mrleget hasznlunk, hogy pldul tehermrsre
hasznlatos mzsn, szemlymrlegen, konyhai mrlegen vagy a laboratrium
analitikai mrlegn mrjk meg egy trgy tmegt. A klnbz mrlegeket klnfle
mrshatrokra terveztk, s eltr pontossggal is rendelkeznek. Pldul mg
egy mzsa
vagy egy szemlymrleg pontossga 0,1 kilogramm, addig egy
analitikai mrleg pontossga
tbbnyire 0,0001 gramm vagy akr mg ennl kisebb is lehet. Mit is
jelent ez a pontossg kifejezs?
Ha egy digitlis szemlymrleg pontossga 0,1 kilogramm, s a mrleg
76,4 kilogrammot mutat, akkor a tnyleges tmegrl annyit tudunk, hogy
igen nagy valsznsggel a 76,3 kilogramm s 76,5 kilogramm kztt van. s
ebbl az is kvetkezik, hogy 76,4 kilogrammnak ltjuk tmegnket akkor
is, ha az 76,359 kilogramm vagy akr 76,432 kilogramm, mivel a mrleg
nem kpes pontosabban kijelezni az rtket. Vegynk egy msik pldt! Egy
seprnyl hossznak meghatrozst vgezzk, s ktfle mrszalag ll
rendelkezsnkre: az egyiken centimter-beoszts van, a msikon a
millimtereket is feltntettk, az elzt kisebb pontossgnak, az utbbit
nagyobb pontossgnak tekintjk. A seprnyl hosszt egy nagyon pontos
mrssel is megmrtk, s 168,314 centimternek addott. Ha megmrjk ezt a
trgyat a millimter-beoszts mrszalaggal, millimter pontossggal
ismerjk a trgy hosszt, mely 168 centimter s 3 millimter. Ha azonban
a msik, centimter-beoszts mrszalaggal mrjk meg a seprnyelnk hosszt,
csak a centimteregysgeket tudjuk leolvasni, ami esetnkben 168,
esetleg szemre tudjuk becslni a harmad centimternyi tvolsgot. Ebben
az esetben azonban nem adhatjuk meg a seprnyelnk hosszt 168,3
centimternek, mert a mrszalag beosztsa ezt nem teszi lehetv! A
centimter pontossg mrszalaggal mrve a helyesen megadott mennyisg
168 centimter. Tegyk fel, hogy a fentebb emltett seprnyelet megmrjk
a millimter-beoszts mrszalag segtsgvel, s hosszt egszen pontosan
168,3 centimternek olvassuk le, azaz szemre nem rzkelnk eltrst a
millimteregysgben. Ilyenkor azonban nem adhatjuk meg a seprnyl
hosszt az albbi alakban: 168,300 centimter, de mg gy sem: 168,30
centimter, mivel a mreszkz pontossga ezt nem teszi lehetv. A helyes
megadsi md a kvetkez: 168,3 centimter! Akr laboratriumban
dolgozunk, akr szmtsi feladatot oldunk meg, gyakran elfordul, hogy
az adatok pontossgt is figyelembe kell vennnk. Ha mrst vgznk,
ltalban ismerjk a mrs pontossgt, s ebbl meg tudjuk llaptani, milyen
pontossggal clszer megadnunk az eredmnyt. Viszont a szmtsi
feladatok is ltalban ksrleti eredmnyeken alapulnak, ezrt ott is
fontos szem eltt tartani az eredmnyek pontossgt. A fentiek alapjn
jelents klnbsg van pldul az 1,0 dm3 s az 1,0000 dm3 kztt. Az els
esetben csak az els tizedesjegyben lehetnk biztosak, a valsgban
lehet, hogy 1,02 dm3 vagy 0,98 dm3 az rtk. A msodik esetben azonban
biztosak lehetnk abban, hogy ngy tizedesjegy pontossggal ismerjk az
rtket! Termszetesen egy adott trfogatot nem csak
-
1. Matematikai s fizikai alapok 7
Benk Zoltn, BME www.tankonyvtar.hu
dm3-ben, hanem ms mrtkegysgben is megadhatunk, azaz 1,0000 dm3
megegyezik 1000,0 cm3-rel. Innen lthatjuk, hogy nem a tizedesjegyek
szma szmt! Az rtkes jegy fogalmt a pontossg definilsra vezettk be.
rtkes jegynek tekintjk a szm szmjegyeit, kivve az egynl kisebb
szmok elejn tallhat nullt, illetve nullkat (azon nullkat, melyek
csak a helyi rtket jelzik). Az 1,0 dm3 felrsban 2 rtkes jeggyel
adtuk meg a pontossgot, az 1,0000 dm
3 esetn pedig 5 rtkes jegyrl beszlnk. Viszont a 0,02 dm3 esetn
problmba
tkznk. Ebben az esetben az els kt nulla nem szmt rtkes jegynek,
csupn a 2-es szmjegy. A legegyszerbb mdja az rtkes jegyek
megllaptsnak, hogy a mennyisget trjuk norml alakba, s megllaptjuk,
hogy hny szmjegyet tartalmaz a 10 megfelel hatvnya eltt ll szorz
tnyez. A fenti pldban 0,02 dm3 = 2 102 dm3, azaz 1 rtkes jegy
pontossggal ismerjk a trfogatot. Az rtkes jegyek megllaptsra az
albbi szablyokat ismerjk: Az egynl kisebb szmokban az els nem zrus
szmjegyet megelz nullk nem szmtanak
rtkes jegynek. Pldul 0,000060 g = 6,0 105 g, azaz kt rtkes
jegyet tartalmaz. Brmely ms esetben (azaz ha van eltte nem zrus
szmjegy) a nulla is rtkes jegynek szmt.
Pldul a 1,0000 dm3-ben 5 rtkes jegy tallhat. A nulltl eltr
minden szmjegy rtkes jegynek szmt.
Fontos megjegyezni, hogy a mrtkegysgek tvltsa nem okozhat
vltozst az rtkes jegyek szmban, azaz sem nem nvekedhet, sem nem
cskkenhet az rtkes jegyek szma. gy pldul: 0,067060 km = 67,060 m =
6706,0 cm = 67060 mm = 6,7060 102 km, mint ltjuk, minden esetben 5
rtkes jegy a pontossg. Ha szmtsi feladatokat oldunk meg,
szmolgpnkkel ltalban igen sok tizedes jegy pontossgra kpesek
vagyunk meghatrozni az eredmnyeket. Azonban a sok-sok tizedes jegy
megadsa gyakran teljesen felesleges. A kvetkezkben azt vizsgljuk
meg, hogy egy szmtsi feladat megoldsa sorn milyen pontossggal
clszer a szmtsokat elvgezni, s a vgeredmnyt megadni.
A szmtsok sorn clszer a lehet legpontosabban szmolni, mivel gy
tudjuk lecskkenteni a kerektsekbl add hibkat. Ha rendelkezsre ll
szmolgp, akkor rdemes az adatokat megtartani a szmolgpben, s
azokkal szmolni tovbb. Ha a feladat vgre rtnk, a vgeredmny megadst
a kvetkezkpp clszer vgezni: vizsgljuk meg a feladat szvegben
tallhat adatok pontossgt, azaz llaptsuk meg, melyik hny rtkes
jegyre van megadva. Ezutn meg kell llaptanunk, hogy melyik mennyisg
tartalmazza a legkevesebb rtkes jegyet, azaz melyik van a
legpontatlanabbul megadva. A szmtsok sorn csupn matematikai
mveleteket vgznk, s gy nem tudunk javtani az eredmnyek pontossgn!
Teht a vgeredmny pontossgt a legpontatlanabbul megadott kiindulsi
adat pontossga szabja meg: a vgeredmnyt (legfeljebb) annyi rtkes
jegy pontossgra adjuk meg, mint a legpontatlanabbul megadott
kiindulsi adat rtkes jegyeinek szma! A szmolgp adatait a megfelel
rtkes jegyekre kell kerektennk, azaz az 1, 2, 3 s 4 szmjegyeket
lefel, az 5, 6, 7, 8 s 9 szmjegyeket pedig felfel kerektjk. Egy
zrthelyi dolgozat esetn termszetesen a rszeredmnyeket sem clszer
lejegyezni az sszes ltez tizedesjeggyel, ilyenkor is rdemes sszeren
kerektennk a megfelel rtkes jegyre! Amennyiben az eredmny egy
nagyon kicsi vagy nagyon nagy szm, mindenkpp rdemes normlalakban
megadni az eredmnyt. Ennek tovbbi elnye, hogy az rtkes jegyek szmt
is ellenrizni tudjuk!
1.1. plda:
Egy tglatest leinek hossza: a = 6,37 cm, b = 0,14570 m s c =
32,01 cm. Adjuk meg a tglatest trfogatt m3 egysgben!
Megolds:
rjuk t az sszes adatot mter mrtkegysgre, s llaptsuk meg, melyik
hny rtkes jegyet tartalmaz!
a = 6,37 cm = 0,0637 m 3 rtkes jegy b = 0,14570 m 5 rtkes jegy c
= 32,01 cm = 0,3201 m 4 rtkes jegy
-
8 Kmiai alapok
Benk Zoltn, BME www.tankonyvtar.hu
A tglatest trfogata:
V = a b c = (0,0637 m) (0,14570 m) (0,3201 m) = 0,00029708769
m3
Mivel igen kicsi szmrtkrl van sz, clszer trnunk normlalakra: V =
2,9708769 104 m3. Mint fentebb ismertettk, a vgeredmnyt szablyosan
a legpontatlanabbul, azaz legkevesebb rtkes jeggyel megadott adat
rtkes jegyire lehet megadni, azaz jelen esetben 3 rtkes jegynl
tbbet nem rdemes megadunk. A vgeredmny helyes pontossgban
megadva:
V = 2,97 104 m3.
1.1.2. Alapvet matematikai sszefggsek
Egyenes arnyossg: kt mennyisg kztt egyenes arnyossg ll fenn, ha
az egyik mennyisget valahnyszorosra vltoztatjuk, akkor a msik
mennyisg is ugyanannyiszorosra vltozik.
Ha az egyenes arnyossgot fggvnyknt fejezzk ki, gy rhatjuk le: y
= a x, ahol y s x a kt krdses mennyisg, a pedig egy lland. Ebbl a
felrsbl ltszik, hogy kt mennyisg kztt akkor beszlhetnk egyenes
arnyossgrl, ha a kt mennyisg arnya lland, jelen esetben ez
megegyezik a-val. Grafikonban brzolva egy orign tmen egyenest
kapunk:
1.1.2.1. bra: Az egyenes arnyossg
Az egyenes arnyossg fggvnye a lineris fggvnyek egy specilis
esete: a tengelymetszet zrus, azaz az egyenesnek az orign kell
tmennie.
Az egyenes arnyossgra szmtalan pldt tudunk a mindennapi letbl s
a termszettudomnyokbl egyarnt. A fizikai s kmiai tartalm pldkkal a
ksbbiekben ismerkednk meg rszletesen, azonban kvetkezzen egy igen
egyszer plda. Ennek clja elssorban az, hogy megismerhessk a klnbz
megoldsi mdszereket, hogy ki-ki maga eldnthesse, hogy melyiket
alkalmazza knnyebben.
1.2. plda:
Ha 2 kilogramm rzglic 1800 forintba kerl, akkor mennyibe kerl 3
kilogramm rzglic?
Megolds:
A) Felrs egyenes arnyossggal, szvegesen:
-
1. Matematikai s fizikai alapok 9
Benk Zoltn, BME www.tankonyvtar.hu
Ha 2 kilogramm rzglic 1800 forint, akkor 3 kilogramm rzglic x
forint.
Ezt tbbflekppen lehet megoldani: Felrhatjuk, hogy a mennyisgek
arnya lland:
kg3
forintw
kg2
forint1800 .
Ebbl knnyedn megkapjuk, hogy w = 2700 forint. Egy msik megolds,
ha az gynevezett keresztbeszorzst alkalmazzuk, melyet sok helyen
tantanak kzpiskolkban, elssorban kmiarn:
Ha 2 kilogramm rzglic 1800 forint, akkor 3 kilogramm rzglic w
forint.
Azaz 2 kg w forint = 3 kg 1800 forint, melybl egyszeren addik,
hogy w = 2700 forint, hasonlan az elz megolds eredmnyhez.
B) Kiszmthatjuk az arnyossgi tnyezt az y = a x egyenlet alapjn:
ez tulajdonkppen az 1 kilogramm rzglic ra:
kg
forint900
kg2
forint1800
tmeg
ra
gy az egysgrbl knnyedn megkaphatjuk a 3 kilogramm rzglicrt
fizetend rat: w = a x = (900 forint / kg) (3 kg) = 2700 forint.
Fordtott arnyossg: ha az egyik mennyisget valahnyszorosra
nveljk, a msik mennyisg ugyanannyiad rszre cskken.
Ha a fordtott arnyossgot fggvnyknt fejezzk ki, a kvetkezkpp
rhatjuk fel: y = b / x, ahol y s x a kt krdses mennyisg, b pedig
egy lland. Ebbl a felrsbl ltszik, hogy kt mennyisg kztt akkor
beszlhetnk egyenes arnyossgrl, ha a kt mennyisg szorzata lland,
jelen esetben ez megegyezik b-vel. Grafikonban brzolva egy
gynevezett hiperbolt kapunk (amennyiben a negatv mennyisgekrl is
van rtelme beszlni, a hiperbolnak van egy negatv tartomnyban
tallhat szra is):
-
10 Kmiai alapok
Benk Zoltn, BME www.tankonyvtar.hu
1.1.2.2. bra: A fordtott arnyossg
Termszetesen fordtott arnyossgra is szmtalan pldt lehet tallni,
melyekkel a ksbbiekben ismerkednk meg. Ismt egy igen egyszer
plda:
1.3. plda:
Ktfle tisztasg rzglicot forgalmaz a vegyszerkeresked. A rosszabb
minsg, tbb szennyezdst tartalmaz ra kilogrammonknt 1800 forint, m
van egy tisztbb is, melynek ra 2400 forint kilogrammonknt. Hny
kilogrammnyit tudunk venni a jobb minsg rzglic 12 kilogrammjnak
rbl, ha azt rosszabb minsg rzglicra kltjk?
Megolds:
A) Arnyprral: Ha 2400 Ft/kg r rzglicbl 12 kg-ot tudunk venni,
akkor az 1800 Ft/kg r rzglicbl z kg-ot tudunk venni.
Fordtott arnyossg esetn a mennyisgek szorzata lland:
(2400 Ft/kg) (12 kg) = (1800 Ft/kg) (z kg)
Ebbl z = 16 kilogramm.
B) Fggvnnyel: Mivel a fordtott arnyossg felrhat gy, hogy y = b /
x, ebbl kvetkezik, hogy b = y x, teht b = (2400 Ft/kg) (12 kg) = 28
800 Ft, azaz ennyi a rendelkezsre ll pnzsszeg. Ebbl kiszmthat, hogy
az olcsbb rzglicbl mennyit tudunk venni:
y = (28 800 Ft) / (1800 Ft/kg) = 16 kg.
-
1. Matematikai s fizikai alapok 11
Benk Zoltn, BME www.tankonyvtar.hu
Msodfok egyenlet megoldsa:
A msodfok egyenlet megoldkpletnek alkalmazshoz az egyenletet az
albbi formra kell hozni:
a x2 + b x + c = 0.
Ekkor az a, b s c paramterek fggvnyben a msodfok egyenlet kt
megoldsa:
a2
ca4bbx
2
1
s
a2
ca4bbx
2
2
.
A ngyzetgyk alatti kifejezst diszkriminnsnak nevezzk: D = b2 4 a
c. A diszkriminns eljelbl kvetkeztethetnk arra, hogy hny vals
megoldsa van a msodfok egyenletnek. Ha a diszkriminns pozitv, kt
vals gykt kapunk, ha a diszkriminns negatv, nincsen vals megoldsa
az egyenletnek. Abban az esetben, ha a diszkriminns rtke nulla, x1
s x2 gykk megegyeznek, azaz a msodfok egyenletnek egyetlen megoldsa
van.
1.4. plda:
Oldjuk meg a kvetkez egyenletet!
(x 2) (x + 5) = 8 Megolds:
Elvgezve a szorzst: x2 2 x + 5 x 10 = 8. Nullra rendezve: x2 + 3
x 18 = 0.
Teht a = 1, b = 3 s c = 18. Behelyettestve a megoldkpletbe (itt
a fenti kt kplet egy kzs kplett van sszeolvasztva):
2
93
2
813
12
)18(1433
a2
ca4bbx
22
2,1
,
azaz 2
93x1
s 6
2
93x 2
.
1.5. plda:
Oldjuk meg a kvetkez egyenletet!
16 x2 104 x + 169 = 0
Megolds:
A nullra rendezett formbl a = 16, b = 104 s c = 169.
Behelyettestve a megoldkpletbe:
4
13
32
0104
162
169164104104
a2
ca4bbx
22
2,1
.
Mivel az egyenlet diszkriminnsa (a ngyzetgyk alatt ll kifejezs:
D = b2 4 a c) zrus, az
egyenlet kt gyke ugyanaz, teht egy megoldsa van az egyenletnek:
4
13x .
-
12 Kmiai alapok
Benk Zoltn, BME www.tankonyvtar.hu
sszegek s szorzatok felrsa:
Egy sszeg kifejtse:
n
1i
n21i a...aaa .
Egy szorzat kifejtse: m21
m
1i
i bbbb
.
Legfontosabb hatvnyozsi s gykvonsi azonossgok:
(a + b)2 = a2 + 2ab + b2
(a b) (a + b) = a2 b2
an bn = (ab)n
an : bn = (a : b)n (b 0)
an am = an + m
an : am = an m (a 0)
mnnmmn aaa
n
1
n aa (a 0, ha n pros),
mely alapjn a fenti hatvnyozsi azonossgok alkalmazhatak a
gykvonsra is!
nm
mnn m aaa (a 0, ha n pros)
mnn mm n aaa (a 0, ha n vagy m pros)
Hatvnyozs gykvons logaritmus: Adott a kvetkez hatvny (legyen a s
b is pozitv): c = ab
Ekkor c hatvnyrtkt gy kaphatjuk meg, ha az a hatvnyalapot a b
hatvnykitevre emeljk. A hatvnyozsnak vagy kt megfordtott
(gynevezett inverz) mvelete: a gykvons s a logaritmus. Ha az a
hatvnyalap rtkt szeretnnk megkapni c s b ismeretben, akkor gykvonst
kell
vgeznnk: a egyenl c b-edik gykvel: b ca .
Ha ismert az a hatvnyalap s c hatvnyrtk, a krdses b kitevt
logaritmusszmtssal
kaphatjuk meg: clogb a .
Azaz az a-alap logaritmus c (logac) az a kitev, melyre a-t
emelve ppen c-t kapjuk.
Logaritmusazonossgok: Legyen a, b s c pozitv:
babloga
loga (b c) = loga b + loga c
loga (b : c) = loga b loga c
-
1. Matematikai s fizikai alapok 13
Benk Zoltn, BME www.tankonyvtar.hu
loga (bc) = c (loga b).
ttrs logaritmusalapok kztt:
alog
blogblog
c
ca .
1.1.3. A hatvny-, gyk-, exponencilis s logaritmusfggvnyek
Hatvnyfggvnynek nevezzk a kvetkez alak fggvnyeket: f(x) = xn,
ahol n egy pozitv egsz. A fggvny minden vals x-re rtelmezve van.
Jellemzje, hogy pros fggvny, ha n pros, s pratlan fggvny, ha n
pratlan, s ez utbbi esetben szigoran monoton nvekv. x = 0 helyen a
hatvnyfggvny rtke 0.
1.1.3.1. bra: Hatvnyfggvnyek
A gykfggvnyek ltalnos alakja: n1
n xx)x(f , ahol n pozitv egsz szm.
rtelmezsi tartomny: ha n pros, minden nemnegatv x-re rtelmezve
van, ha n pratlan, minden vals x-re rtelmezve van. A gykfggvnyek
szigoran monoton nvekedk. A pratlan gykkitevj gykfggvnyek
pratlanok.
-
14 Kmiai alapok
Benk Zoltn, BME www.tankonyvtar.hu
1.1.3.2. bra: Gykfggvnyek
Az exponencilis fggvny alakja: f(x) = ax, ahol a egy pozitv szm.
A fggvny minden vals x esetn rtelmezve van. Amennyiben a > 1, a
fggvny monoton nvekv, ha 0 < a < 1, akkor monoton cskken. Az
exponencilis fggvny mindig a (0 ; 1) pontban metszi az y tengelyt.
Egy-egy plda az exponencilis fggvnyekre:
1.1.3.3. bra: Exponencilis fggvnyek
A logaritmusfggvnyt a kvetkezkppen definilhatjuk: f(x) = loga x,
ahol a egy pozitv szm. A fggvny csak pozitv x rtkekre van
definilva. Amennyiben a > 0, a fggvny monoton nvekv, ha 0 < a
< 1, a fggvny cskken. A logaritmusfggvny az x tengelyt mindig az
(1 ; 0) pontban metszi.
-
1. Matematikai s fizikai alapok 15
Benk Zoltn, BME www.tankonyvtar.hu
1.1.3.4. bra: Logaritmusfggvnyek
1.1.4. Log-log diagramok s trsaik
A mrnki-kmiai gyakorlatban sok sszefggst hatvnyfggvnyknt
jelenthetnk meg. A logaritmus egyik igen fontos alkalmazsa, hogy
meg tudjuk vele llaptani egy hatvnyfggvny ismeretlen kitevjt:
1.6. plda:
Adott kt mrhet mennyisg, x s y, s tudjuk, hogy a kt mennyisg
kztti sszefggs az albbi alak: y = xn. A mrseink sorn a kvetkez
rtkprokat kapjuk:
x y
1,7 3,77
3,0 15,59
3,7 26,33
4,2 36,15
4,9 53,15
5,7 77,57
6,9 125,06
llaptsuk meg az n hatvnykitevt!
Megolds:
Az rtkprokat derkszg koordintarendszerben brzolva, a kvetkez
grafikont kapjuk:
-
16 Kmiai alapok
Benk Zoltn, BME www.tankonyvtar.hu
1.1.4.1. bra: A kt vltoz kzti kapcsolat
A fenti brbl igen nehz megllaptani a hatvnykitevt. Mivel a kt
vltoz (x s y) kztti kapcsolat hatvnyfggvnnyel rhat le, y = xn,
pozitv x s y esetn loga y = loga x
n = n loga x. Ezrt vegyk az x s y rtkek 10-es alap
logaritmust!
lg x lg y
0,2304 0,5761
0,4771 1,1928
0,5682 1,4205
0,6232 1,5581
0,6902 1,7255
0,7559 1,8897
0,8388 2,0971
A fenti rtkprokat szintn brzolhatjuk derkszg
koordintarendszerben:
1.1.4.2. bra: A kt vltoz logaritmusa kzti kapcsolat
-
1. Matematikai s fizikai alapok 17
Benk Zoltn, BME www.tankonyvtar.hu
Mint lthat, az rtkek logaritmusa kztti kapcsolat mr egyenes
arnyossggal rhat le, knnyen megllapthatjuk az egyenes meredeksgt
(irnytangenst) is: n = 2,5. (Ezt akr a grafikonrl leolvasva, akr a
megfelel logaritmusok hnyadosaknt megkaphatjuk.) Teht a keresett
fggvnykapcsolat: y = x2,5. A mrnki gyakorlatban elterjedt az
gynevezett log-log diagramok hasznlata is. Ekkor nem a
logaritmusrtkeket brzoljuk a hagyomnyos beoszts tengelyeken, hanem
a tnyleges rtkeket gynevezett logaritmikus beoszts tengelyeken
brzoljuk:
1.1.4.3. bra: A kt vltoz kzti kapcsolat log-log diagramon
brzolva
A mrt rtkeket (nem a logaritmusukat!) ilyen beoszts
koordintarendszerben brzolva szintn egyenes arnyossgot kapunk.
rdemes megfigyelni a segdrcsokat, ezek nem egyenl tvolsgban
helyezkednek el egyms mellett! A fenti plda ltalnosthat, hasonl
mdon nemcsak a hatvnyfggvnyek, hanem egyb fggvnykapcsolatok is
felderthetek. Figyelem! Attl fggen, hogy milyen fggvnykapcsolat ll
fenn x s y kztt, nem mindig log-log diagramot kell alkalmazni,
gyakran elg csak az x vagy y vltozt logaritmusos beoszts tengelyen
brzolni (lsd lentebb)! A teljessg ignye nlkl nhny plda:
y = f(x) = a xn, mely log-log diagramban lineris fggvnyt ad: lg
y = lg a + n lg x
1.1.4.4. bra: Az y = f(x) = a xn fggvny
-
18 Kmiai alapok
Benk Zoltn, BME www.tankonyvtar.hu
y = f(x) = a 10bx, mely talakthat a kvetkez sszefggss:
lg y = lg(a 10bx) = lg a + lg 10bx = lg a + bx.
Ekkor az x vltoz fggvnyben (s nem lg x fggvnyben!) kell brzolni
lg y-t, s a tengelymetszetbl megkapjuk lg a-t, melybl szmthat a,
valamint az egyenes meredeksge megadja a b paramtert. A jobb oldali
diagramon az x tengely (abszcissza) lineris lptk, mg az y tengely
(ordinta) logaritmikus lptk.
1.1.4.5. bra: Az y = f(x) = a 10bx fggvny
A jobb oldali diagramon az x tengely (abszcissza) lineris lptk,
mg az y tengely (ordinta) logaritmikus lptk. Az exponencilis fggvny
paramtereit a meredeksgbl s tengelymetszetbl knnyen
leolvashatjuk.
y = f(x) = a lg x. Ekkor egyszeren y-t brzoljuk lg x fggvnyben,
s meghatrozhatjuk az ismeretlen a paramtert.
1.1.4.6. bra: Az y = f(x) = a lg x fggvny
Teht ebben az esetben az abszcissza (x tengely) lptke
logaritmikus, mg az ordinta (y tengely) lptke lineris.
Ez a mdszer akkor is segtsgnkre lehet, ha nem ismerjk az
sszefggst a kt mennyisg (x s y) kztt, viszont az brzolsbl
remnykedhetnk, hogy az sszefggs nem tl bonyolult fggvnnyel rhat le.
Ilyenkor rdemes kiprblni a fenti talaktsokat, s abban a szerencss
esetben, ha az gy keletkezett transzformlt vltozk kztt lineris
sszefggst kapunk, meg tudjuk hatrozni a szksges paramtereket.
-
1. Matematikai s fizikai alapok 19
Benk Zoltn, BME www.tankonyvtar.hu
1.1.5. Lineris interpolci s extrapolci
Mrsi eredmnyeket tartalmaz tblzatok hasznlata sorn gyakran
elfordul, hogy egy olyan adatra van szksgnk, melyre ppen nincs mrsi
eredmny. Erre egy egyszer plda (pldul y mennyisget mrjk x
fggvnyben):
x y
0,0 12,0
5,0 16,0
10,0 20,0
Teht ismerjk y rtkt x = 0,0, x = 5,0 s x = 10,0 esetn. Tegyk
fel, hogy neknk trtnetesen szksgnk van x = 7,0 esetn y rtkre! Ekkor
tbb lehetsgnk van:
megmrjk ksrletileg x = 7,0 esetn y rtkt brzoljuk y-t x
fggvnyben, s grafikusan prblunk kvetkeztetni y rtkre x = 7,0 esetn
matematikai ton kiokoskodjuk y rtkt az x = 7,0 helyen.
Az els megoldsra gyakran nincs lehetsg, noha valsznleg az lenne
a legpontosabb. A grafikus megolds ltalban hosszadalmas s a
leolvass pontatlan, ezrt ltalban az gynevezett lineris interpolcit
alkalmazzuk ilyen esetekben. Termszetesen ehhez az szksges, hogy a
kt vizsglt vltoz kztt lineris sszefggs lljon fenn. A mdszer gyakran
olyankor is alkalmazhat, ha a kt mennyisg kztt nem lineris az
sszefggs, viszont igen j kzeltssel linerisnak tekinthet az adott
tartomnyban, ezrt nem okoz tl nagy hibt az, ha linerisnak vesszk az
sszefggst. Ezt termszetesen az adott problma jellege hatrozza meg,
s csak bizonyos esetekben hasznlhat. Amennyiben kt mrsi pont kztti
rtket szeretnnk meghatrozni, interpolcirl beszlnk (lsd fent). Ha a
mrsi pontok alapjn egy olyan pontot szeretnnk meghatrozni, mely a
mrsi tartomnyon kvl esik, azaz a fenti tblzat alapjn pldul x = 15,0
esetn szeretnnk meghatrozni y rtkt, extrapolcirl van sz. Figyelem!
Mg az interpolci a linearits felttelezsvel helyes eredmnyt ad, az
extrapolci gyakran vezet olyan eredmnyhez, mely nem felel meg a
valsgnak. Ennek oka, hogy attl, hogy egy bizonyos tartomnyban
joggal alkalmazhatunk lineris sszefggst, gyakran ms tartomnyokban
mr nagy hibt okozhat a lineris viselkedstl val eltrs. Erre egy
szemlletes pldt mutat az albbi bra:
1.1.5.1. bra: Az extrapolci hibi
-
20 Kmiai alapok
Benk Zoltn, BME www.tankonyvtar.hu
Mint lthat, az x = 40 50 tartomnyban az sszefggs linerisnak
tekinthet, teht pldul az x = 42 vagy x = 46 pontokban viszonylag
pontosan becslhetjk y rtkt. m ha az x = 40 s x = 50 pontok alapjn
prblunk extrapollni x = 10 rtkre a piros szn egyenes alapjn
(lineris fggvnyt felttelezve), igen nagy hibt kvetnk el! A lineris
interpolcit legszemlletesebben egy plda alapjn rthetjk meg:
1.7. plda:
A magnzium-szulft vizes oldatnak a srsge s az oldat tmeg%-os
sszettele kztt gyakorlatilag lineris az sszefggs. Az albbi tblzat
klnbz tmeg%-os sszettel magnzium-szulft-oldatok srsgt tartalmazza
20 C hmrskleten. Becsljk meg lineris interpolcival a 11 tmeg%-os
magnzium-szulft-oldat srsgt!
MgSO4-tartalom
(tmeg%) srsg (g/cm3)
6 1,0602
10 1,1034
14 1,1484
18 1,1955
Megolds:
Az els lps megkeresni, hogy mely pontok kztt clszer az
interpolcit vgezni, azaz meg kell llaptani, mely mrsi pontok kz
esik a krdses pont. A 11 tmeg%-os oldat a 10 s a 14 tmeg%-os oldat
sszettele kz esik, teht ebben az intervallumban clszer a lineris
interpolcit elvgezni. (Elvileg ugyan ms pontok kztt is tudnnk
vgezni interpolcit, m a legszkebb intervallumot clszer kivlasztani,
mert a linearits felttelezse itt a leghelytllbb.)
Lineris interpolci esetn az y mennyisget (a srsget) x mennyisg
(a MgSO4-tartalom tmeg%-ban) fggvnyben a kvetkez sszefggssel
rhatjuk le:
y = a x + b.
Az albbi diagramon lthatk a 10 tmeg%-os (x1) s a 14 tmeg%-os
(x2) sszettelhez tartoz pontok (a megfelel srsgek rendre y1 s y2),
illetve a krdses srsg (y) a 11 tmeg%-os pontban (melyet a vzszintes
tengelyen x-nek rvidtettnk).
1.1.5.2. bra: Az oldat srsge a tmegszzalk fggvnyben
-
1. Matematikai s fizikai alapok 21
Benk Zoltn, BME www.tankonyvtar.hu
Teht az (x1; y1) s (x2; y2) pontok kz behzott egyenes
meredeksge:
12
12
xx
yy
x
ya
.
Mivel a nvekmnyek (y s x) kztt egyenes arnyossg ll fenn, az a
meredeksg ugyanakkora a 10 tmeg%-os (x1) s a 11 tmeg%-os (x)
sszettel esetn is, mint ahogyan a kvetkez brn is lthat:
1.1.5.3. bra: A srsg szmtsa interpolcival
Azaz felrhat ismt, hogy y s x arnya lland, mghozz a fenti a
rtk:
1
1
xx
yy
x
ya
.
Mivel az a meredeksg mindkt esetben ugyanakkora, felrhatjuk a
kvetkez kifejezst:
1
1
12
12
xx
yy
xx
yy
x
ya
.
Ezt a kpletet rdemes megjegyezni, m ha nem megy olyan knnyedn,
akkor a fenti gondolatmenettel brmikor igen knnyen eljuthatunk
hozz. Mivel a fenti egyenletben csupn az y az ismeretlen, knnyen
kifejezhet:
1112
121
12
121 y)xx(
xx
yyy)xx(
xx
yyyy
.
Behelyettestve a kpletbe x, x1, x2, y1 s y2 rtkt (mrtkegysgek
nlkl):
1147,111465,11034,1)1011(1014
1034,11484,1y)xx(
xx
yyy 11
12
12
.
Teht a 11 tmeg%-os magnzium-szulft-oldat srsge 1,1147 g/cm3.
-
22 Kmiai alapok
Benk Zoltn, BME www.tankonyvtar.hu
Megjegyzs: ugyanehhez az eredmnyhez eljuthatunk kicsit ms ton
is. Az albbi brn bejellt kt hromszg hasonl egymshoz, gy az oldalaik
arnya is lland.
1.1.5.4. bra: Az interpolci szemlltetse hasonl hromszgekkel
1.8. plda:
Egy ksrlet sorn megmrtk egy ismeretlen magnzium-szulft oldat
srsgt, mely 1,1600 g/cm3-nek addott. Lineris interpolci segtsgvel
llaptsuk meg az oldat magnzium-szulft-tartalmt tmeg%-ban! A feladat
megoldshoz hasznljuk az elz pldban megadott tblzatot!
Megolds:
A lineris sszefggs lehetsget terem arra, hogy a srsg (y)
ismeretben az ismeretlen tmeg%-os sszettelt (x) is meghatrozhassuk.
Mivel az 1,1600 g/cm3 srsg-rtk a 1,1484 s 1,1955 g/cm3 rtkek kztt
tallhat, a 14 s 18 tmeg%-os sszettelhez tartoz pontok kzt kell
interpollni. Az elz pldban megismert sszefggst kell
alkalmaznunk:
1
1
12
12
xx
yy
xx
yy
.
Ebbl most x-et kell kifejeznnk x1, x2, y1, y2, s y
fggvnyben:
112
121
12
1211 x
yy
xx)yy(x
yy
xx)yy(xx
.
Behelyettestve a megfelel rtkeket:
1598,14141484,11955,1
1418)1484,11600,1(x
yy
xx)yy(x 1
12
121
.
Teht az 1,1600 g/cm3 srsg magnzium-szulft-oldat krlbell 15
tmeg%-os. Mint emltettk, az extrapolci sorn mindig fokozott
figyelemmel kell eljrni, mivel gyakran elfordul, hogy az extrapollt
rtk nem j becslse a valdi rtknek. Kvetkezzen egy plda az
extrapolcira:
-
1. Matematikai s fizikai alapok 23
Benk Zoltn, BME www.tankonyvtar.hu
1.9. plda:
A magnzium-szulft-oldatra bemutatott 6 s 10 tmeg%-os adatok
alapjn extrapolljunk 0 tmeg%-os sszettelre!
Megolds:
Az elzekhez hasonlan, 6 tmeg%-os sszettelnl (x1) a srsg 1,0602
g/cm3, (y1), 10 tmeg%
(x2) esetn pedig 1,1034 g/cm3 (y2). A feladat megbecslni a
srsget (y) 0 tmeg% (x) esetn.
Ismtelten clszer egy brt kszteni a megoldshoz:
1.1.5.5. bra: Plda a lineris extrapolcira
Az elz feladatok megoldshoz hasonlan felrhatjuk az egyes
pontokat sszekt egyenesek meredeksgt, s a kt meredeksgnek meg kell
egyeznie:
12
12
1
1
xx
yy
xx
yy
x
ya
.
Kifejezve y-t x fggvnyben:
1112
1211
12
121
12
121 y)xx(
xx
yyyy)xx(
xx
yyy)xx(
xx
yyyy
.
rdemes megfigyelni, hogy a kapott kifejezs ugyanaz, mint amit az
interpolcinl kaptunk! Behelyettestve az rtkeket:
9954,00602,1)60(610
0602,11034,1y)xx(
xx
yyy 11
12
12
.
A desztilllt vz srsge 4 C-on 1,000 gramm/cm3, 20 C-on pedig
0,998 gramm/cm3, gy az extrapolcival kapott 0,9954 gramm/cm3 rtk
igen jl kzelti a valdi rtket. Ebbl arra kvetkeztethetnk, hogy a
magnzium-szulft-oldat srsge s sszettele kztti sszefggs igen jl
kzelthet lineris fggvnnyel.
-
24 Kmiai alapok
Benk Zoltn, BME www.tankonyvtar.hu
1.1.6. Egyenletek kzelt megoldsa itercis ton
Gyakran elfordul, hogy egy egyenlet megoldsra nem ismernk
megfelel kpletet, st nem ritka, hogy egy egyenletet csak kzeltleg
tudunk megoldani. Ebben a rszben bemutatunk egy egyszer mdszert,
melynek segtsgvel knnyen megoldhatunk klnfle egyenleteket.
1.10. plda:
Oldjuk meg kzeltleg a kvetkez egyenletet!
0xlgx
Megolds:
Az egyenletet a pozitv szmok halmazn kell megoldanunk. Hozzuk az
egyenletet a kvetkez formra!
x = f(x)
Erre kt lehetsgnk van, azaz:
A) xlgx
x10x xA 10)x(f
B) xlgx
22 )x(lg)xlg(x xlg)x(f 2B .
Ezutn prbljuk megoldani az egyenletet az A) illetve B) ton!
Vegynk egy kiindulsi x0 rtket, pldul x0 = 0,5, ezutn x0 rtkt
behelyettestjk az egyenlet jobb oldaln ll kifejezsbe, melynek
eredmnye x1 = f(x0) lesz. Ezutn x1-et behelyettestjk a jobb oldali
kifejezsbe, s megkapjuk x2 = f(x1) rtkt, majd ezt ismt
behelyettestjk az egyenlet jobb oldalba, s gy tovbb. Ha az egyenlet
megoldhat ezzel a mdszerrel, azt kell tapasztalnunk, hogy az egymst
kvet x0, x1 = f(x0), x2 = f(x1), x3 = f(x2), , xi+1 = f(xi),
rtkeknek kzelednik kell a megoldshoz, mely gy tetszleges
pontossggal kiszmthat. Most nzzk ezt meg az adott pldn:
A)
x0 = 0,5 x0 = 0,5000
x1 = 5000,0x
1010 0 x1 0,1363
x2 = 1963,0x
1010 1 x2 0,3605
x3 = 3605,0x
1010 2 x3 0,2509
x4 = 2509,0x
1010 3 x4 0,3156
x5 = 3156,0x
1010 4 x5 0,2743
x6 = 2743,0x
1010 5 x6 0,2994
x7 = 2994,0x
1010 6 x7 0,2837
x8 = 2837,0x
1010 7 x8 0,2933
-
1. Matematikai s fizikai alapok 25
Benk Zoltn, BME www.tankonyvtar.hu
x9 = 2933,0x
1010 8 x9 0,2873
x10 = 2873,0x
1010 9 x10 0,2910
x11 = 2910,0x
1010 10 x11 0,2887
x12 = 2887,0x
1010 11 x12 0,2902
x13 = 2902,0x
1010 12 x13 0,2893
x14 = 2893,0x
1010 13 x14 0,2898
x15 = 2898,0x
1010 14 x15 0,2895
x16 = 2895,0x
1010 15 x16 0,2897
x17 = 2897,0x
1010 16 x17 0,2896
x18 = 2896,0x
1010 17 x18 0,2896
x19 = 2896,0x
1010 18 x19 0,2896
Mint ltjuk, az eredmnyek egy adott rtkhez kzeltenek, s ez az rtk
ppen az egyenlet megoldsa!
1.1.6.1. bra: Az eredmnyek konvergencija
Az eredmnyekbl szpen ltszik, hogy minl tbbszr vgezzk el a
behelyettestst, egyre pontosabban kapjuk meg az egyenlet eredmnyt.
Ha kt tizedesjegy pontossggal szeretnnk megoldani az egyenletet,
akkor elg csak a 8. lpsig folytatni, ha az eredmnyre hrom
tizedesjegy pontossgra vagyunk kvncsiak, a 14. lpsig kell
folytatnunk az itercis eljrst. Az egyenlet pontos megoldsa ht rtkes
jegy pontossggal: 0,2896232. Megjegyzend, hogy a mdszer gyorsasga
termszetesen fgg a kiindulsi x0 rtk kivlasztstl. Az eljrst
grafikusan az albbi animci segtsgvel szemlltethetjk:
-
26 Kmiai alapok
Benk Zoltn, BME www.tankonyvtar.hu
1.1.6.1. animci: Az iterci
1.1.6.2. bra: Az itercis eljrs szemlltetse
B)
Az elzekhez hasonlan legyen a kiindulsi rtk x0 = 0,5! x0 = 0,5
x0 0,5000
x1 = (lg x0)2 = (lg 0,5000)2 x1 0,0906
x2 = (lg x1)2 = (lg 0,0906)2 x2 1,0874
x3 = (lg x2)2 = (lg 1,0874)2 x3 0,0013
x4 = (lg x3)2 = (lg 0,0013)2 x4 8,2837
x5 = (lg x4)2 = (lg 8,2837)2 x5 0,8431
x6 = (lg x5)2 = (lg 0,8431)2 x6 0,0055
x7 = (lg x6)2 = (lg 0,0055)2 x7 5,1090
x8 = (lg x7)2 = (lg 5,1090)2 x8 0,5017
x9 = (lg x8)2 = (lg 0,5017)
2 x9 0,0897
x10 = (lg x9)2 = (lg 0,0897)2 x10 1,0965
x11 = (lg x10)2 = (lg 1,0965)2 x11 0,0016
x12 = (lg x11)2 = (lg 0,0016)2 x12 7,8140
-
1. Matematikai s fizikai alapok 27
Benk Zoltn, BME www.tankonyvtar.hu
x13 = (lg x12)2 = (lg 7,8140)2 x13 0,7972
x14 = (lg x12)2 = (lg 0,7972)2 x14 0,0097
x15 = (lg x14)2 = (lg 0,0097)2 x15 4,0555
x16 = (lg x15)2 = (lg 4,0555)2 x16 0,3697
x17 = (lg x16)2 = (lg 0,3797)2 x17 0,1867
x18 = (lg x17)2 = (lg 0,1867)2 x18 0,5311
Mint ahogyan a fenti rtkeket brzolva lthatjuk, az eredmnyek nem
tartanak egy adott rtkhez.
1.1.6.3. bra: A nem megfelel fggvnykapcsolat kvetkezmnye
A feladatot gy a B) ton nem tudjuk megoldani, a megolds csak az
A) ton lehetsges. Annak magyarzathoz, hogy mirt csak az egyik ton
jutottunk el a vgeredmnyhez, felsbb matematikai eszkzk is
szksgesek, ezrt ezzel a krdssel itt nem foglalkozunk rszletesen.
Amennyiben egy talaktsi md nem vezet megoldshoz, rdemes megprblni
az itercis eljrst a fggvny inverzvel is!
1.11. plda:
Oldjuk meg a kvetkez egyenletet!
x3 + 4 x2 1 = 0
Megolds:
Egy harmadfok fggvnynek egy, kett vagy hrom gyke lehetsges. A
g(x) = x3 + 4 x2 1 fggvnyt brzolva a kvetkez grafikont kapjuk:
-
28 Kmiai alapok
Benk Zoltn, BME www.tankonyvtar.hu
1.1.6.4. bra: A g(x) = x3 + 4 x2 1 fggvny
Mint a fenti brbl lthat, a g(x) fggvnynek hrom zruspontja van,
gy a g(x) = 0 egyenletnek hrom megoldsa van. A grafikus megoldsbl
annyit megllapthatunk, hogy egy gyk x = 4 krnyezetben, egy msik x =
0,5 krnyezetben, mg a harmadik x = 0,5 krnyezetben tallhat. Az
itercis eljrshoz x = f(x) alakra kell hozni az egyenletet. Erre tbb
lehetsg is van:
A)
3 2x41x
Az elz feladat megoldsnak mintjra vegynk egy kiindulsi x0 rtket,
pldul x0=10 (brmely ms szm is lehetne)! Az iterci els 32 lpsnek xn
rtke a lpsszm fggvnyben a kvetkez tblzatban tallhat:
n xn n xn n xn
0 10,0000 11 3,9848 22 3,9361
1 7,3619 12 3,9688 23 3,9359
2 5,9981 13 3,9580 24 3,9357
3 5,2282 14 3,9507 25 3,9356
4 4,7671 15 3,9458 26 3,9356
5 4,4798 16 3,9424 27 3,9355
6 4,2958 17 3,9402 28 3,9355
7 4,1758 18 3,9387 29 3,9355
8 4,0966 19 3,9376 30 3,9355
9 4,0439 20 3,9369 31 3,9355
10 4,0085 21 3,9364 32 3,9354
Mint lthat, az xn rtkek sorozata viszonylag lassan kzelt a
megoldshoz. Az itercis eljrst folytatva a megolds ht rtkes jegy
pontossggal: 3,935432.
-
1. Matematikai s fizikai alapok 29
Benk Zoltn, BME www.tankonyvtar.hu
B)
3x1
4
1x
Az iterlst teht elvgezhetjk a pozitv s a negatv eljel
kifejezssel is. Mivel a ngyzetgyk alatti kifejezsnek nemnegatvnak
kell lennie, teljeslnie kell, hogy 1 x3 0, azaz x3 1, mely teljesl,
ha x 1. Teht az iterlst olyan kiindulsi rtkkel rdemes kezdeni, mely
nem nagyobb, mint 1.
A pozitv eljel kifejezssel vgezve az iterlst, ha x0 = 1, akkor
az eredmnyek sorozata:
n xn n xn n xn
0 1,000000 4 0,473732 8 0,472835
1 0,000000 5 0,472674 9 0,472834
2 0,500000 6 0,472862 10 0,472834
3 0,467707 7 0,472829 11 0,472834
Az eljrs ebben az esetben igen gyorsan kzelt egy adott rtkhez, s
az eredmny: x = 0,472834.
Ha az itercit a negatv eljel kifejezssel vgezzk, a kvetkez
sorozatot kapjuk, ha x0 = 1:
n xn n xn n xn
0 1,000000 5 0,537118 10 0,537401
1 0,000000 6 0,537345 11 0,537402
2 0,500000 7 0,537390 12 0,537402
3 0,530330 8 0,537399 13 0,537402
4 0,535993 9 0,537401 14 0,537402
Az eredmnyt ismt igen gyorsan megkapjuk, ennek rtke:
0,537402.
Teht a harmadfok egyenlet megoldsai:
x1 = 3,9354,
x2 = 0,4728,
x3 = 0,5374.
1.1.7. Skidomok kerlete s terlete
Az albbiakban a legfontosabb skidomok kerletnek (K) s terletnek
(T) szmtsra alkalmas sszefggseket mutatjuk be: Hromszg:
cbaK ,
2
sinba
2
maT a
,
a, b s c a hromszg oldalai, ma az a oldalhoz tartoz magassg,
pedig az a s b oldal ltal bezrt szg. Trapz:
dcbaK ,
-
30 Kmiai alapok
Benk Zoltn, BME www.tankonyvtar.hu
m2
caT
,
a s c a trapz prhuzamos oldalai, m a kt prhuzamos oldal kztti
tvolsg, azaz a trapz magassga, c s d a trapz szrai.
Paralelogramma:
)ba(2K ,
sinbambmaT ba ,
a s b a paralelogramma oldalai, ma az a oldalhoz tartoz magassg,
mb az a oldalhoz tartoz magassg, pedig az a s b oldal ltal bezrt
szg. Tglalap:
)ba(2K ,
baT ,
a s b a tglalap oldalai. Ngyzet:
a4K ,
2aT ,
a a ngyzet oldala. Deltoid:
)ba(2K ,
fe2
1T ,
a s b a deltoid oldalai, e s f a deltoid tli. Rombusz:
a4K ,
sinamaT 2a ,
a a rombusz oldala, ma a magassga, pedig a rombusz kt egyms
melletti oldala ltal bezrt szg. Kr:
dr2K ,
22 d4
1rT ,
r a kr sugara, d a kr tmrje.
-
1. Matematikai s fizikai alapok 31
Benk Zoltn, BME www.tankonyvtar.hu
Hromszg
cbaK 2
sinba
2
maT a
Trapz
dcbaK m2
caT
Paralelogramma
)ba(2K sinbambmaT ba
Tglalap
)ba(2K baT
Ngyzet
a4K 2aT
Deltoid
)ba(2K fe
2
1T
Rombusz
a4K sinamaT 2a
Kr
dr2K 22 d
4
1rT
1.1.8. Testek felszne s trfogata
Az albbiakban a legfontosabb testek felsznnek (A) s trfogatnak
(V) szmtsra alkalmas sszefggseket mutatjuk be: Tglatest:
)acbcab(2A ,
-
32 Kmiai alapok
Benk Zoltn, BME www.tankonyvtar.hu
cbaV ,.
a, b s c a tglatest lei. Kocka:
2a6A ,
3aV ,
a a kocka le. Egyenes krhenger:
)hr(r2hr2r2A 2 ,
hd4
1hrV 22 ,
r az alapkr sugara, d az alapkr tmrje, h a henger magassga.
Gmb:
22 dr4A ,
33 d6
1r
3
4V ,
r a gmb sugara, d a gmb tmrje.
Tglatest
)acbcab(2A cbaV
Kocka
2a6A 3aV
Egyenes
krhenger
)hr(r2hr2r2A 2 hd4
1hrV 22
Gmb
22 dr4A 33 d
6
1r
3
4V
-
1. Matematikai s fizikai alapok 33
Benk Zoltn, BME www.tankonyvtar.hu
1.2. Fizikai alapismeretek
1.2.1. SI-alapmennyisgek, mrtkegysgeik s gyakori jellseik
Hosszsg Jele: (longitudo, hosszsg), s (tvolsg, t)
Mrtkegysge: mter ( metrum latin / metron grg, mrtk), rvidtse:
m.
Tmeg Jele: m (massa)
Mrtkegysge: kilogramm ( kilo + gramma grg, kis tmeg), rvidtse:
kg. Id Jele: t (tempus)
Mrtkegysge: msodperc vagy szekundum ( secunda latin, kis rsz),
rvidtse: s.
ramerssg Jele: I (intensitas)
Mrtkegysge: amper ( Andr-Marie Ampre), rvidtse: A.
Hmrsklet Jele: T (temperare)
Mrtkegysge: kelvin ( William Thomson Kelvin), rvidtse: K.
Anyagmennyisg Jele: n (numerus)
Mrtkegysge: ml ( mole, a nmet Molekl rvidtse alapjn), jele:
mol.
Fnyerssg Jele: Iv (intensitas, visual)
Mrtkegysge: kandela ( candela latin, gyertya), rvidtse: cd.
1.2.2. SI kiegszt mennyisgek, mrtkegysgeik s gyakori
jellseik:
Skszg Jele:
Mrtkegysge: radin ( radius latin, sugr), rvidtse: rad.
Trszg Jele: Iv (intensitas, visual)
Mrtkegysge: szteradin ( stereos grg + radius latin, tr + sugr),
rvidtse: sr.
A kmiai szempontbl fontos szrmaztatott mennyisgeket s
mrtkegysgeit a ksbbiek sorn trgyaljuk.
-
34 Kmiai alapok
Benk Zoltn, BME www.tankonyvtar.hu
Prefixumok
A mrtkegysgek trtrszeit s tbbszrseit az egysg neve el illesztett
egy-egy szorzt jelent, az albb felsorolt prefixumok egyikvel
kpezzk.
yotta- Y 1024
deci- d 101
zetta- Z 1021 centi- c 102
exa- E 1018 milli- m 103
peta- P 1015 mikro- 106
tera- T 1012 nano- n 109
giga- G 109 piko- p 1012
mega- M 106 femto- f 1015
kilo- K 103 atto- a 1018
hekto- H 102 zepto- z 1021
deka- Da 101 yocto- y 1024
1.2.3. Mechanika
Srsg: a tmeg s a trfogat hnyadosa.
Jele: vagy d ( density angol)
V
md
Mrtkegysge: kg/m3 (kgm3), de hasznlhatjuk mg a kvetkez
mrtkegysgeket is: g/cm3 (gcm3), kg/dm3 (kgdm3), stb. 1 g/cm3 = 1
kg/dm3 = 1 000 kg/m3. Gzok srsge esetn (mivel ez ltalban 3
nagysgrenddel kisebb, mint a folyadkok s szilrd anyagok) gyakran
hasznljuk a g/dm3 = kg/m3 mrtkegysget.
Sebessg: a megtett t s az t megttelhez szksges id hnyadosa.
Megklnbztetnk pillanatnyi s tlagos sebessget.
Jele: v ( velocitas latin)
t
sv
Mrtkegysge: 1 m/s = 1 ms1 = 0,001 km / (1/3600 h) = 3,6 km/h =
3,6 kmh1.
Gyorsuls: idegysgre es sebessgvltozs, a sebessg vltozsnak
gyorsasga.
Jele: a ( accelerare latin)
t
va
Mrtkegysge: 1 m/s2 = 1 m s2.
Er: testek kztti klcsnhats mrtke. (Azt a fizikai hatst, mely egy
test mozgsllapott vagy alakjt megvltoztatja, erhatsnak nevezzk,
ennek a hatsnak a mrtke az er.) Az er egyik defincija szerint a
tmeg s a gyorsuls szorzata.
Jele: F ( force angol)
amF
Mrtkegysge: N (newton). 1 N = 1 kgm/s2 = 1 kgms2.
-
1. Matematikai s fizikai alapok 35
Benk Zoltn, BME www.tankonyvtar.hu
Nyoms: az er s a fellet hnyadosa.
Jele: p ( pressure angol)
A
Fp
Mrtkegysge: Pa (pascal). 1 Pa = 1 N/m2 = 1 (kgm/s2)/m2 = 1
kg/(ms2) = 1 kgm1s2.
Folyadkok hidrosztatikai nyomsa: egy folyadkoszlop slybl add
nyomst a kvetkez kifejezs adja meg:
hgdp
d: a folyadk srsge, h: a folyadkoszlop magassga, g: a gravitcis
gyorsuls (rtke: 9,81 m/s2).
1.2.3.1. bra: A folyadkok hidrosztatikai nyomsa
A fenti kplet kzvetlenl addik a nyoms defincijbl, azaz a folyadk
slya osztva a folyadk felletvel. (Sly: a tmeg s a gravitcis
gyorsuls szorzata, az az er, mely hzza a felfggesztst vagy nyomja
az altmasztst.)
hgdA
gAhd
A
gVd
A
gm
A
Fp
Teht egy folyadk nyomsa fggetlen attl, hogy a folyadk mekkora
felleten gyakorol nyomst az edny aljra, az csak a folyadk srsgtl s
a folyadkoszlop magassgtl fgg.
A gzok nyomsa a gzmolekulknak az edny falval trtn tkzsekbl
addik. A pascal mellett gzok esetn tovbbi mrtkegysgeket is szoks
hasznlni:
Bar:
1 bar = 105 Pa
Higanymillimter vagy torr: 1 mm magassg higanyoszlop nyomsa (a
lgnyoms mrsre gyakran hasznlunk U-csves manomtert, melyben a
higanyoszlopok magassgnak klnbsgt mrjk). Mivel a higany srsge 13
578 kg/m3, 1 mm magas higanyoszlop nyomsa:
p = d g h = 13 578 kg/m3 9,81 m/s2 0,001 m = 133,2 Pa, azaz 1
Hgmm = 1 torr = 133,2 Pa.
h
-
36 Kmiai alapok
Benk Zoltn, BME www.tankonyvtar.hu
Fizikai atmoszfra: a norml lgkri nyoms rtke, azaz
1 atm = 101 325 Pa.
A folyadkok s gzok mechanikjval kapcsolatban rdemes megjegyezni
kt fontos trvnyt is:
Pascal trvnye: egy nyugv folyadkban a nyoms cskkens nlkl minden
irnyban gyengtetlenl tovbbterjed.
Arkhimdsz trvnye: a folyadkba vagy gzba merl testre hat
felhajter megegyezik a test ltal kiszortott folyadk vagy gz slyval.
Kpletben kifejezve:
VgdF ,
ahol F a felhajter, d a folyadk vagy gz srsge, g a gravitcis
gyorsuls (rtke: 9,81 m/s2), V a test trfogata.
Munka: az ernek az elmozduls irnyba es komponensnek s az
elmozdulsnak a szorzata.
Jele: W ( work angol)
sFW s
1.2.3.2. bra: A munka
Fs az er elmozduls irnyba es komponense, s az elmozduls
Mrtkegysge: J (joule), 1 J = 1 Nm = 1 kgm/s2m = 1 kgm2/s2 = 1
kgm2s2.
Energia: a munkavgz kpessg. Az energia eltrolt munka, mely
megfelel krlmnyek kztt munkv alakthat. Az energia klnfle formkban
jelenik meg, pldul beszlhetnk mechanikai (mozgsi, helyzeti,),
termikus, elektromos, stb. Az energia a rendszer egy llapott rja
le, a munka pedig az llapotok kztti vltozst.
Jele: E ( energy angol) Mrtkegysge: ugyanaz, mint a munknak: J
(joule), 1 J = 1 Nm = 1 kgm2s2.
Teljestmny: a munka s az munkavgzs idtartamnak hnyadosa,
egysgnyi id alatt vgzett munka, a munkavgzs sebessge.
Jele: P ( power angol)
t
WP
Mrtkegysge: W (watt), 1 W = 1 J/s = 1 (kgm2/s2)/s = 1 kgm2/s3 =
1 kgm2s3.
s
F
Fs
-
1. Matematikai s fizikai alapok 37
Benk Zoltn, BME www.tankonyvtar.hu
Hatsfok: a hasznos munka s az sszes befektetett munka hnyadosa,
vagy mskppen a hasznos teljestmny s az sszes befektetett teljestmny
hnyadosa. Jele:
h
W
W
h
P
P
Wh: hasznos munka, W: befektetett munka, Ph: hasznos teljestmny,
P: befektetett teljestmny. Dimenzimentes szm, rtke: 0 1.
1.2.4. Elektromossgtan
Tlts: az elemi tltsnek valahnyszorosa.
Jele: Q
Mrtkegysge: C (coulomb). 1 C = 1 As Az elektron tltse q =
1,6021019 C. Az elektoron tltst negatvnak a protont pedig pozitvnak
tekintjk. Coulomb trvnye: kt pontszer tlts kztt hat er egyenesen
arnyos a tltsekkel, s fordtottan arnyos a tltsek kztti tvolsg
ngyzetvel. Kt azonos eljel tlts (+,+ illetve ,) kztt taszt, mag kt
ellenttes eljel tlts (+,) kztt vonz elektrosztatikus klcsnhats jn
ltre.
2
21
r
QQkF
F: er, Q1 s Q2 tlts, r: a kt tlts kztti tvolsg, k: arnyossgi
tnyez, melynek rtke 8,99 109 Nm2/C2.
1.2.4.1. bra: Coulomb trvnye
ramerssg: az idegysg alatt thaladt tltsek mennyisge.
Jele: I ( intensitas angol)
t
QI
Q: thaladt tlts, t: id. Mrtkegysge: A (amper). 1 A = 1 C/s = 1
Cs1.
-
38 Kmiai alapok
Benk Zoltn, BME www.tankonyvtar.hu
Feszltsg: a munka s a tlts hnyadosa. A feszltsg megadja, hogy
mennyi munkt vgez a mez egysgnyi tltsen, mg a tlts az egyik pontbl
elmozdul a msikba. Jele: U
Q
WU
Q: tlts, W: a Q tlts egyik pontbl a msikba juttatshoz szksges
munka. Mrtkegysge: V (volt). 1 V = 1 J/C = 1 kgm2/s2/(As) = 1
kgm2/(As3) = 1 kgm2A1s3.
Ellenlls: egy elektromos krben egy fogyasztn es feszltsg s a
rajta tmen ramerssg hnyadosa.
Jele: R ( resistance angol)
I
UR
Mrtkegysge: (ohm). 1 = 1 V/A = 1 kgm2/(As3)/s = 1 kgm2A2s3
Ohm trvnye: egy fogyasztra kapcsolt feszltsg s a rajta thalad
ramerssg kztt egyenes arnyossg figyelhet meg.
Fajlagos ellenlls: egysgnyi hossz s egysgnyi keresztmetszet tmr
anyag ellenllsa. Egy adott vezetkdarab ellenllsa egyenes arnyos a
vezetk hosszval, fordtottan annak keresztmetszetvel, s az arnyossgi
tnyez a fajlagos ellenlls.
Jele:
A
R
R: ellenlls, A: keresztmetszet, . Mrtkegysge: m2/m = 1 m,
viszont a fajlagos ellenllsnak tbb ms elterjed mrtkegysge is
ismert, attl fggen, hogy milyen mrtkegysgben mrjk a
keresztmetszetet s a hosszt:
1 m = 1 m2/m = 106 mm2/m; 1 m = 102 cm2/cm = 102 cm
Ez utbbi mrtkegysget ltalban oldatok fajlagos ellenllsa esetn
hasznljuk.
Ered ellenlls: soros kapcsolsnl: az ered ellenlls az n darab
sorba kapcsolt ellenllsok rtknek sszege.
n
1i
in21e RRRRR
prhuzamos kapcsolsnl: az ered ellenlls reciproka az n darab
prhuzamosan kapcsolt ellenllsok rtknek sszege.
n
1i in21
e
n
1i in21e
R
1
1
R
1
R
1
R
1
1R
R
1
R
1
R
1
R
1
R
1
-
1. Matematikai s fizikai alapok 39
Benk Zoltn, BME www.tankonyvtar.hu
Az elektromos ramkr: elektromotoros er, kapocsfeszltsg, bels
ellenlls, rvidzrsi ram
Ha egy ramforrson nagy bels ellenlls feszltsgmrvel megmrjk a
feszltsget, az ramforrs elektromotoros erejt (ms nven
forrsfeszltsgt, jele U0) kapjuk eredmnyl. Ilyenkor az ramforrs
terheletlen, azaz a teljes feszltsg az ramforrson esik. Azonban ha
egy fogyasztval terheljk az ramforrst, az ramforrson mrt feszltsg
mr nem egyezik meg az elektromotoros ervel, hanem annl kisebb lesz.
Ezt a feszltsget kapocsfeszltsgnek nevezzk (a terhelt ramforrs
kapcsain mrt feszltsg). A jelensg oka, hogy az ramkrben foly ram az
ramforrson is tfolyik. A tltsek mozgsval szemben azonban az
ramforrsnak is van ellenllsa, ezt bels ellenllsnak nevezzk.
1.2.4.2. bra: A bels ellenlls szemlltetse
Az ramkrben mrhet ramerssget (I) a fogyaszt kls ellenllsa (Rk) s
az ramforrs bels ellenllsa (Rb) hatrozza meg:
)RR(IU bk0 bk
0
RR
UI
.
A kapocsfeszltsg az ramforrs kapcsain mrhet feszltsg, azaz
b0kk RIURIU .
A kapocsfeszltsget az ramerssg fggvnyben brzolva a kvetkez
diagramot kapjuk:
1.2.4.3. bra: A kapocsfeszltsg az ramerssg fggvnyben
U0
Uk
RbRk
+
I
-
40 Kmiai alapok
Benk Zoltn, BME www.tankonyvtar.hu
Ha egy elhanyagolhat ellenlls vezetdarabbal sszektjk az ramforrs
kivezetseit, a kapocsfeszltsg zrus s az ilyenkor mrhet ramerssg a
rvidzrsi ram:
b
00
R
UI .
Mint ahogyan a fenti diagramon is lthat a rvidzrsi ram ramerssg
maximumt adja meg.
Egyenram munkja: az ramerssg, a feszltsg s az id szorzata, m az
ellenlls segtsgvel tbb ms mdon is meghatrozhat.
tUIW
I: ramerssg, U: feszltsg, t: az elektromos munkavgzs ideje.
Mrtkegysge a tbbi munkhoz hasonlan joule.
A munka knnyen addik a feszltsg s a tltsmennyisg defincijbl:
Q
WU tIUQUW .
Az ellenlls segtsgvel a kvetkez kpletek addnak:
tR
UtU
R
UtUIW
2
, illetve tRIt)RI(ItUIW 2 .
Elektromos teljestmny: az elektromos teljestmny az ramerssg s a
feszltsg szorzataknt addik. Az ellenlls bevezetsvel ismt tovbbi
sszefggseket kaphatunk.
RIR
UUIW 2
2
Az elektromos teljestmny mrtkegysge a watt. A fenti sszefggsek
kzvetlenl addnak az elektromos munka kpleteibl (a teljestmny munka
s a munkavgzs idejnek hnyadosa).
1.2.5. Htan
Hmrskleti sklk: a hmrsklet meghatrozsra tbb klnbz sklt
hasznlhatunk. A sklk nagy rszt tapasztalati ton alaktottk ki,
mghozz egy kivlasztott als s fels hmrskleti rtk kztt, meghatrozott
szm egyenletes sklaosztst alkalmazva. Itt csak a gyakorlati
szempontbl legfontosabb kt sklt trgyaljuk: Celsius-skla: a vz norml
lgkri nyomson mrt olvads- s forrspontja kztti klnbsg szzadrszt
tekintjk 1 C-nak (1 Celsius-foknak). Celsius-skln mrve a vz
olvadspontja 0 C, mg forrspontja 100 C norml lgkri nyomson. Abszolt
hmrskleti vagy Kelvin-skla: a lptke megegyezik a Celsius-sklval,
azaz 1 C = 1 K (kelvin), viszont a kiindulpontja 273,15 C. Az
abszolt nulla fokon, azaz 0 K hmrskleten a molekulk mr nem vgeznek
rezgst. Ksrletileg az abszolt nulla fok megkzelthet, m nem rhet el.
A kelvin mrtkegysg utn nem runk fokot, s a K jellst is kerljk! ttrs
a Celsius-fok s a kelvin kztt:
15,273]C[T]K[T .
-
1. Matematikai s fizikai alapok 41
Benk Zoltn, BME www.tankonyvtar.hu
Hkapacits: megadja, hogy mennyi ht kell kzlni a rendszerrel,
hogy annak hmrsklete egysgnyivel emelkedjen, vagy mennyi ht kell
elvonni a rendszerbl, hogy annak hmrsklete egysgnyivel cskkenjen.
Jele: C.
T
QC
Q: hmennyisg, T: hmrsklet-vltozs. Mrtkegysge: 1 J/K. 1 J/K = 1
J/C = 1 kgm2s2K1, de mivel itt hmrskletklnbsgrl vagy sz,
termszetesen a Celsius-fokot is hasznlhatunk kelvin helyett.
Fajlagos hkapacits vagy fajh: megadja, hogy mennyi ht kell kzlni
egysgnyi tmeg anyaggal ahhoz, hogy a hmrsklete egysgnyivel
megemelkedjen. Jele: c.
Tm
Qc
Q: hmennyisg, m: tmeg, T: hmrsklet-vltozs. Mrtkegysge: 1
J/(kgK). 1 J/(kgK) = 103 J/(gK) = 1 m2s2K1. 1 kJ/(kgK) = 1
J/(gK)
Molris hkapacits vagy mlh: megadja, hogy mennyi ht kell kzlni
egysgnyi anyagmennyisg anyaggal ahhoz, hogy a hmrsklete egysgnyivel
megemelkedjen. Jele: cm.
Tn
Qcm
Q: hmennyisg, n: anyagmennyisg, T: hmrsklet-vltozs. Mrtkegysge:
1 J/(molK). 1 Jmol1K1 = 1 kgm2s2mol1K1. Megklnbztetnk lland nyomson
s lland hmrskleten rtelmezett fajlagos, illetve molris hkapacitst.
Ennek legnagyobb jelentsge gzok esetn van, mivel ezeknek jelents a
htgulsa. Megjegyzend, hogy az lland nyomson mrt hkapacitsokat
hasznljuk leginkbb, mivel a gyakorlatban a hkzls is lland (gyakran
lgkri) nyomson trtnik.
A htguls trvnyszersgei Lineris vagy vonalas htgulsi egytthat:
egysgnyi hmrskletemels hatsra bekvetkez relatv hossznvekeds.
Jele:
TT
12
1
: hossznvekeds, 1: kiindulsi hossz, 2: megnvekedett hossz, T:
hmrsklet-nvekeds. Mrtkegysge: K1 vagy C1
A trgy hossza a melegts utn: )T1(12
Trfogati vagy kbs htgulsi egytthat: egysgnyi hmrskletemels
hatsra bekvetkez relatv trfogat-nvekeds (V/V1). Jele:
TV
VV
TV
V 12
1
V: trfogat-nvekeds, V1: kiindulsi trfogat, V2: megnvekedett
trfogat, T: hmrsklet-nvekeds. Mrtkegysge: K1 vagy C1
-
42 Kmiai alapok
Benk Zoltn, BME www.tankonyvtar.hu
A gzok trfogati htgulsi egytthatja gyakorlatilag teljesen
fggetlen az anyagi minsgtl, s rtke: = 1/273,15 K1 A trfogati s
lineris htgulsi egytthat kztti kapcsolat: 3 . Ennek igazolsa a
kvetkezkpp trtnhet egy kocka alak trgy esetn:
)TT3T31(V)T1()]T1([V 3322133
13
12 .
Mivel rtke igen kicsi, a ngyzetes s kbs tagok sokkal kisebb
nagysgrendek, mint a lineris tag, gy elhanyagolhatak.
1.2.6. Fnytan
A fny hullmhossza, frekvencija s sebessge kztti sszefggs, a fny
energija A fny, mint az elektromgneses hullmok ltalban, szinusz
fggvnnyel rhat le:
1.2.6.1. bra: A fny mint hullm
A peridusid (T) egy teljes szinuszhullm megttelhez szksges id
(pldul kt egymst kvet maximum kztt eltelt id). A frekvencia a
peridusid reciproka, s azt mutatja meg, hogy egy idegysg alatt hny
hullmot tesz meg a fny. Mskpp gy szmthatjuk ki, hogy a peridusok
szmt elosztjuk az ezen peridusok megttelhez szksges idvel. Jele:
(egybknt rezgseknl a frekvencit szoks f-fel is jellni.)
t
N
T
1
T: peridusid, N: peridusok szma, t: id. Mrtkegysge: Hz (herz). 1
Hz = 1/s = 1 s1.
A fny sebessge vkuumban fggetlen a fny frekvencijtl, rtke kb.
300 000 km/s (=3108 m/s).
A fny hullmhossza egy peridus alatt megtett tvolsg:
Jele:
-
1. Matematikai s fizikai alapok 43
Benk Zoltn, BME www.tankonyvtar.hu
1.2.6.2. bra: A fny hullmhossza
A fnysebessg, a frekvencia s hullmhossz kztti sszefggs:
c .
A fny energija egyenesen arnyos a fny frekvencijval s az
arnyossgi tnyez az gynevezett Planck-lland. A fny energija
fordtottan arnyos a fny hullmhosszval.
c
hhE
h: Planck-lland. rtke: h = 6,626 1034 Js.
1.3. A grg bc
alfa ita r
bta kappa szigma
gamma lambda tau
delta m pszilon
epszilon n f
zta ksz kh
ta omikron psz
thta p omega
-
44 Kmiai alapok
Benk Zoltn, BME www.tankonyvtar.hu
2. AZ ATOMOK SZERKEZETE
2.1. Az atommodellekrl dihjban
Dalton-fle atommodell: az elemek azonos atomokbl plnek fel, a
vegyletek klnbz elemek atomjaibl llnak.
Thomson-fle atommodell (mazsols puding): az atomban egyenletesen
oszlik el a jelents tmeg, pozitv tlts rsze, s ebben mozognak a
sokkal kisebb tmeg negatv tlts rszecskk.
Rutherford-fle atommodell: az atommag s az elektronok azonostsa.
A kis tmeg elektronok a nagy tmeg atommag krl keringenek.
Borh-fle atommodell: az elektronok adott sugar krplykon
keringenek.
Sommerfeld-fle atommodell: az elektronok adott sugar, ellipszis
alak plykon keringenek.
Schrdinger-fle atommodell: az elektronok csak bizonyos
valsznsggel tallhatk meg egy adott trrszben, pontos helyzetket nem
lehet megadni.
2.2. Az atomok felptse
Atom: atommagbl s elektronburokbl felpl semleges rszecske.
Az atommagban pozitv tlts protonok s semleges neutronok
tallhatak (egyetlen kivtel a hidrognatom, melyben nem tallhat
neutron, csak proton). A protonokat s neutronokat mint elemi
rszecskket egyttesen nukleonoknak nevezzk.
Az atomot alkot elemi rszecskk tmege s tltse:
Rszecske neve Tmeg Tlts Relatv tmeg
Relatv tlts
Atommag Proton (p+) 1,672 1027 kg 1,6021 1019 C 1835,5 +1
Neutron (n0) 1,674 1027 kg 0 1837,7 0
Elektronburok Elektron (e) 9,109 1031 kg 1,6021 1019 C 1 1
Mint lthat a fenti tblzatbl, a proton s a neutron tmege kzeltleg
megegyezik, az elektron tmege pedig ezeknl nagysgrendekkel kisebb
(mintegy 1840-ed rsze a proton vagy a neutron tmegnek). A neutron
semleges, a proton s az elektron tltse abszolt rtkben megegyezik, m
eljelk ellenttes.
Rendszm: az atomban tallhat protonok szma. Jele: Z
Tmegszm: az atommagban tallhat protonok s neutronok szmnak az
sszege. Jele: A
Neutronszm: tmegszmbl levonva a protonok szmt, azaz a tmegszm s
a rendszm klnbsge. Jele: N
N = Z A.
-
2. Az atomok szerkezete 45
Benk Zoltn, BME www.tankonyvtar.hu
(Kmiai) elemeknek nevezzk az azonos rendszmmal rendelkez
atomokbl felpl anyagokat. Az elemeket vegyjelkkel szoktuk
azonostani. A vegyjel eltt a tmegszmot s a rendszmot is
feltntethetjk, ilyenkor rendszerint a bal fels indexbe a tmegszmot,
a bal als indexbe a rendszmot rjuk:
EAZ
Nuklid: azonos rendszm s tmegszm atommagokat tartalmaz atomok
sszessge.
Izotp: egy elem izotpjainak nevezzk azonos rendszmmal, m klnbz
tmegszmmal rendelkez atomjait. (Egy elem klnbz neutronszm
nuklidjai.)
Relatv atomtmeg: megmutatja, hogy az adott atom tmege hnyszorosa
egy C126 -atom
tmegnek 1/12-ed rsznl.
Anyagmennyisg: 1 ml az anyagmennyisge 6,022 1023 darab
rszecsknek.
Avogadro-szm: egy ml rszecske darabszma. rtke 6,022 1023 /
mol.
A relatv atomtmeg megadja 1 ml elem tmegt, az adott elem 6,022
1023 darab atomjnak ssztmegt.
Egy elemek legnagyobb rsze tbbfle izotp elegye, a termszetes
gyakorisgukbl addik a relatv atomtmeg. A relatv atomtmeg kiszmtsnl
az egyes izotpok atomtmegt a termszetes gyakorisgukkal
slyozzuk.
Tiszta elem: olyan elem, mely (a termszetben) csak egyetlen
stabil izotpjval fordul el. Pldul: foszfor (P), alumnium (Al),
fluor (F), ntrium (Na), mangn (Mn), jd (I) stb.
(Az rdekldk kedvrt megemltjk, hogy egy izotp atomtmege szm
szerint nem azonos tkletesen az izotp tmegszmval [mely mindig egsz
szm]. Ennek hrom oka van: egyrszt a protonok s neutronok tmege nem
teljesen azonos lsd fentebb , msrszrl az atomtmeg tartalmazza az
elektronok tmegt is, harmadrszt az atommag keletkezsekor
felszabadul hatalmas energia tmegcskkenst okoz lsd
relativitselmlet. J kzeltssel azonban egy izotp
tmegszma s az atomtmege megegyezik. A C126 -izotp esetben
azonban a tmegszm s az
atomtmeg pontosan megegyezik.)
A stabil izotppal rendelkez elemek rendszmt (Z), vegyjelt,
relatv atomtmegt (Ar), termszetben megtallhat stabil izotpjaik
tmegszmt (A) s neutronszmt (N) az albbi tblzat tartalmazza:
Z Vegyjel Ar A N A N A N A N A N
1 H 1,00794(7) 1 0 2 1
2 He 4,002602(2) 3 1 4 2
3 Li 6,941(2) 6 3 7 4
4 Be 9,012182(3) 9 5
5 B 10,811(7) 10 5 11 6
6 C 12,0107(8) 12 6 13 7
7 N 14,0067(2) 14 7 15 8
8 O 15,9994(3) 16 8 17 9 18 10
vegyjel
tmegszm
rendszm
-
46 Kmiai alapok
Benk Zoltn, BME www.tankonyvtar.hu
9 F 18,9984032(5) 19 10
10 Ne 20,1797(6) 20 10 21 11 22 12
11 Na 22,98976928(2) 23 12
12 Mg 24,3050(6) 24 12 25 13 26 14
13 Al 26,9815386(8) 27 14
14 Si 28,0855(3) 28 14 29 15 30 16
15 P 30,973762(2) 31 16
16 S 32,065(5) 32 16 33 17 34 18 36 20
17 Cl 35,453(2) 35 18 37 20
18 Ar 39,948(1) 36 18 38 20 40 22
19 K 39,0983(1) 39 20 41 22
20 Ca 40,078(4) 40 20 42 22 43 23 44 24
21 Sc 44,955912(6) 45 24
22 Ti 47,867(1) 46 24 47 25 48 26 49 27 50 28
23 V 50,9415(1) 51 28
24 Cr 51,9961(6) 52 28 53 29 54 30
25 Mn 54,938045(5) 55 30
26 Fe 55,845(2) 56 30 57 31 58 32
27 Co 58,933195(5) 59 32
28 Ni 58,6934(4) 58 30 60 32 61 33 62 34 64 36
29 Cu 63,546(3) 63 34 65 36
30 Zn 65,38(2) 64 34 66 37 67 38 68 38 70 40
31 Ga 69,723(1) 69 38 71 40
32 Ge 72,64(1) 70 38 72 40 73 41 74 42
33 As 74,92160(2) 75 42
34 Se 78,96(3) 74 40 76 42 77 43 78 44 80 46
35 Br 79,904(1) 79 44 81 46
36
Kr
83,798(2)
78 42 80 44 82 46 83 47 84 48
86 50
37 Rb 85,4678(3) 85 48
38 Sr 87,62(1) 84 46 86 48 87 49 88 50
39 Y 88,90585(2) 89 50
40 Zr 91,224(2) 90 50 91 51 92 52
41 Nb 92,90638(2) 93 52
42
Mo
95,96(2)
92 50 94 52 95 53 96 54 97 55
98 56
43 Tc 98,9063
44
Ru
101,07(2)
96 52 98 54 99 55 100 56 101 57
102 58 104 60
45 Rh 102,90550(2) 103 58
46
Pd
106,42(1)
102 56 104 58 105 59 106 60 108 62
110 64
47 Ag 107,8682(2) 107 60 109 62
48 Cd 112,411(8) 110 62 111 63 112 64
49 In 114,818(3) 113 64
50
Sn
118,710(7)
112 62 114 64 115 65 116 66 117 67
118 68 119 69 120 70 122 72 124 74
51 Sb 121,760(1) 121 70 123 72
52 Te 127,60(3) 122 70 124 72 125 73 126 74
53 I 126,90447(3) 127 74
54
Xe
131,293(6)
124 70 126 72 128 74 129 75 130 76
131 77 132 78 134 80 136 82
-
2. Az atomok szerkezete 47
Benk Zoltn, BME www.tankonyvtar.hu
55 Cs 132,9054519(2) 133 78
56
Ba
137,327(7)
130 74 132 76 134 78 135 79 136 80
137 81 138 82
57 La 138,90547(7) 139 82
58 Ce 140,116(1) 136 78 138 80 140 82
59 Pr 140,90765(2) 141 82
60 Nd 144,242(3) 142 82 143 83 145 85 146 86 148 88
61 Pm 146,9151
62 Sm 150,36(2) 144 82 150 88 152 90 154 92
63 Eu 151,964(1) 153 90
64 Gd 157,25(3) 154 90 155 91 156 92 157 93 158 94
65 Tb 158,92535(2) 159 94
66
Dy
162,500(1)
158 92 160 94 161 95 162 96 163 97
164 98
67 Ho 164,93032(2) 165 98
68 Er 167,259(3) 166 98 167 101 168 100 170 102
69 Tm 168,93421(2) 169 100
70
Yb
173,054(5)
170 100 171 101 172 102 173 103 174 104
176 106
71 Lu 174,9668(1) 175 104
72 Hf 178,49(2) 176 104 177 105 178 106 179 107 180 108
73 Ta 180,9479(1) 181 108
74 W 183,84(1) 182 108 183 109 184 110
75 Re 186,207(1) 185 110
76 Os 190,23(3) 187 111 188 112 189 113 190 114
77 Ir 192,217(3) 191 114 193 116
78 Pt 195,084(9) 192 114 194 116 195 117 196 118
79 Au 196,966569(4) 197 118
80
Hg
200,59(2) 196 116 198 118 199 119 200 120 201 121
202 122 204 124
81 Tl 204,3833(2) 203 122 205 124
82 Pb 207,2(1) 206 124 207 125 208 126
83 Bi 208,98040(1) 209 126
A klnbz izotpok gyakorlatilag tkletesen azonos kmiai
tulajdonsggal rendelkeznek. A legnagyobb klnbsg fizikai
tulajdonsgokban a hidrogn hrom izotpja kztt van (itt egyetlen
proton mellett egy vagy kt neutron viszonylag nagyobb eltrst okoz):
1H: prcium (99,98%) 2H: deutrium (0,02%), ltalban a jellse: D 3H:
trcium (radioaktv), ltalban a jellse: T.
Radioaktivits: a nem stabil atommagok spontn bomlsa. A radioaktv
bomlst nagy energij sugrzs ksri. A nem stabil magokat szoks
radioaktv magoknak is nevezni. A radioaktivits kmiai mdszerekkel
teht az elektronszerkezeten keresztl nem befolysolhat.
-
48 Kmiai alapok
Benk Zoltn, BME www.tankonyvtar.hu
2.3. Az atomok elektronszerkezete
Az elemek kmiai tulajdonsgait az elektronszerkezetk hatrozza
meg, a kmiai vltozsok az atommagra nincsenek hatssal. Az elektronok
szma megegyezik a rendszmmal, mely az adott elemre jellemz, gy a
klnbz elemek vrhatan klnbz kmiai tulajdonsgokkal rendelkeznek. Az
elektronok az atomokban atomplykon helyezkednek el.
Atomplya: az a trrsz, ahol az elektron 90%-os valsznsggel
megtallhat. Az elektron a tr brmely trrszben megtallhat valamilyen
valsznsggel, az atomplya nem jelent les hatrt, inkbb valsznsgi
jelleg. Az atomplykat egy szm s egy bet kombincijval szoktuk
jellni, pldul 1s, 2px, 3dxy stb A plykat trben brzolhatjuk gy, hogy
megjelentjk azt a felletet, mellyel hatrolt trrszben az elektron
megtallsnak valsznsge 90%-os. A klnfle plyk alakjt megfigyelhetjk
az albbi brn:
s-plya p-plya d-plya f-plya
2.3.1. bra: Klnbz atomplyk alakja
A plyk egyik fontos jellemzje a csomskok szma. Csomsknak nevezzk
azt a skot, mely keresztlmegy az atommagon s benne az elektron
megtallsi valsznsge zrus. Mint lthat, az s-plynak nincsen csomskja,
a p-plyknak egy csomskja van, a d-plyknak kt csomskja van s gy
tovbb.
Az elektronburok felplse Mint a korbbiakban is emltettk, az
elemek kmiai tulajdonsgait az elektronburok felptse, az
elektronszerkezet hatrozza meg. Ezrt rendkvl fontos az
elektronszerkezet felplst viszonylag rszletesen trgyalnunk. Az
ltalnos kmia ezen rsze viszonylag bonyolult, viszont a fontos
alapfogalmak elsajttsa utn rdekes trvnyszersgeket ismernk majd
meg!
Vegynk egy tetszleges atommagot, s kzeltsnk hozz egy elektront!
Az elektron a legalacsonyabb energij atomplyra kerl, s ezt
energiafelszabaduls ksri. (Megjegyzend, hogy a felszabadul energia
nem vehet fel brmilyen rtket.) A legalacsonyabb energij plyt 1s
plynak nevezzk. Egy msodik elektron, kzeltve az gy keletkezett
egyelektronos rendszerhez, szintn egy atomplyra kerlt, melyet ismt
energiafelszabaduls ksr. A msodik elektron az elshz hasonlan az 1s
plyra kerl, s az energiafelszabaduls is megegyezik az els elektron
ktdsnl tapasztalttal. Ha ehhez a ktelektronos rendszerhez egy jabb
elektront adunk, az mr nem kerlhet a legalacsonyabb energij 1s
plyra, mivel az atomplykon maximlisan kt elektron foglalhat helyet!
(Most ezt fogadjuk el tnyknt, a kiegszt anyagknt trgyaland
ltalnosan megfogalmazott Pauli-elv kvetkezmnye.) A harmadik
elektron gy a 2s plyra kerl. Egy negyedik elektront mg mindig el
tudunk helyezni a 2s plyn, m az tdik elektronnak mr az egyik 2p
plyra kell kerlnie (mivel plynknt maximum kt elektron foglalhat
helyet). Mg mieltt tlzottan belebonyoldnnk a plyk szmozsba s
sorrendjbe, rdemes sszefoglalnunk a fentieket:
-
2. Az atomok szerkezete 49
Benk Zoltn, BME www.tankonyvtar.hu
Energiaminimumra trekvs: az elektron mindig a legalacsonyabb
energij plyra kerl. Egy plyra maxi