Keemia ja materjaliõpetuse eksam (1)

Tallinna Tehnikaülikool - Keemia - Keemia ja materjaliõpetus

3 KEHV

Sõnastage ja kommenteerige ( millistel juhtudel on vaja neid arvestada või kasutada) järgmised keemia valdkonnas kasutatavad keemia ja füüsika seadused: elementide ja nende ühendite omaduste muutumise perioodilisus , massi jäävus kinnises süsteemis, aine koostise püsivus (millistel juhtudel kehtib, millistel mitte, näited?), Archimedese seadus, Faraday seadused.

Elementide ja nende ühendite omaduste muutumise perioodilisus – Keemiliste elementide ja (mõnede) nendest moodustunud liht- ja liitainete omadused on perioodilises sõltuvuses elementide aatomite tuumalaengust (elementide aatommassist). Tuumalaengu kvantitatiivse muutusega kaasneb uute omadustega elemendi teke. Mendelejevi tabelis iga periood v.a. esimene algab aktiivse metalliga, lõpeb väärisgaasiga. Perioodi piires elementide järjenumbri kasvamisel nõrgenevad metallilised ja tugevnevad mittemetallilised omadused. Suurtes perioodides nn pea- kui ka kõrvalalarühmade elementide omadused korduvad perioodiliselt. Kahe esimese peaalarühma elemendid asuvad perioodi paarisarvulistes, ülejäänud paarituarvulistes ridades. Paarisarvulistes ridades on ülekaalus metallilised omadusded. Metallilised omadused tugevnevad peaalarühmas ülalt alla, mittemetallilised omadused aga nõrgenevad. VII-peaalarühmas on tüüpilised mittemetallid. Alates III peaalarühmast nim. suurte perioodide paarisarvuliste ridade elemente siirdeelementideks. Kõikides väikestes perioodides kasvab vasakult paremale liikudes elektronide arv aatomi välisel energia tasemel. Aatomite elektronkihtide perioodiline kordumine elementide järjenumbri kasvamisel toob endaga kaasa isoleeritud aatomite kogumi perioodilise kordumise.

Massi jäävus kinnises süsteemis – Reaktsioonist osa võtnud ainete mass võrdub reaktsioonisaaduste massiga (Lomonossov, 1756), st ainete mass ja süsteemi energiale vastav mass on jääv suurus. Tavaliste keemiliste reaktsioonide puhul massi muutusega (~10-9g) ei arvestata.

Aine koostise püsivuse seadus – Paljudel puhastel ainetel on püsiv koostis olenemata nende saamisviisist. Daltoniidid – ühendid, mille korral seadus kehtib (C + O2 -> CO2, CaCO3 -> CaO + CO2). Bertolliidid – ühendid, mille korral seadus ei kehti. Tahkete ainete puhul olenevad aine omadused üldjuhul saamisviisist nt. boksi ja teemanti erinevad omadused on tingitud nende saamisel erinevatel rõhkudel.

Archimedese seadus – Üleslükkejõud on võrdne vedeliku (gaasi) selle ruumiosa kaaluga, mille keha asendab e. välja tõrjub. Sellel põhimõttel töötab areomeeter , millega mõõdetakse vedeliku tihedust .

Faraday seadused – 1) Elektrolüüsil eraldunud aine mass (m) on võrdeline voolutugevuse (I) ja elektrolüüsi kestvusega (t) – seega elektrolüüti läbiva elektrihulgaga (m~I·t). 2) Võrdsete elektrihulkade mõjul elektrolüüsil eraldunud erinevate ainete masside suhe võrdub vastavate ioonide molaarmasside ja ioonlaengute jagatiste suhtega.

Aine ja materjali mõiste, nende eksisteerimise füüsikalised olekud tavatingimustel, rõhu ja temperatuuri mõju nende olekule ja püsivusele. Millest sõltuvad ainete ja materjalide kõik omadused? Ainete ja materjalide enamkasutatav klassifikatsioon , ainete ja materjalide tähistamine praktikas. Näited kõikidemõistete ja seletuste juurde.

Aine on osake, mis omab nii massi, kui mahtu. Võib eksisteerida gaasi, vedeliku või tahkisena. Temperatuuri ja/või rõhu tõustes läheb tahkis üle vedelikuks ning vedelik gaasiliseks. Puhaste ainete (suhteline mõiste) omadused sõltuvad elementkoostisest ja sisestruktuurist. Aineid klassifitseeritakse mingi ühise tunnuse või omaduse järgi (nt. ( komposiit materjalid; heterogeensed segud; homogeensed segud; kolloidid ) (lihtained; binaarsed ; polüelemedid> orgaanilised ained; anorgaanilised ained)).

Materjal on aine, mille kasutamisel ja töötlemisel ei toimu arvestatavaid keemilisi muutusi (nt. alumiiniumpotid, metallid, looduslikud ja sünteetilised kivimid, pooljuhid). Selle omadused sõltuvad nagu ainetelgi elementkoostisest ja struktuurist.

Ainete tähistamine: 1)NIMI a)Nimi ei anna infot aine päritolu, kasutamise ega omaduste kohta (kriit, vesi); b)Nimes sisaldub mingi info ( sooraud , seebikivi); c)Kaubanduslik nimi ei sisalda mingit infot (määrdeõli, kiudained ); 2)VALEM: a) Empiiriline – näitab aine elementaarkoostist ja elementide gruppide omavahelist suhet, erandjuhul näitab valem aine molekulaarkoostist (gaasid, vedelikud, molekulvõrega tahkised, nt. N2 ja CH4) Tahkete ioonvõrega ainetel molekule ei ole; b)Struktuuri valem – näitab lisaks elementide ja elemendi gruppide suhtele, kuidas need on omavahel seotud; c)Valem tähtede ja numbrite kombinatsiooniga N:El00-E199 toiduvärvid; d)Nomenklatuursed nimetused on standardiseeritud puhastele ainetele JUPAC poolt H2SO4 (tetraoksosulfaat(VI) vesinik ). Lisaks keemilisele tähestikule kasutatakse mitmeid numbrilisi koode, milledest tähtsamad on CAS ja EINEKS registrite numbrid . (CAS – Chemical Abstract Services (kemikaali (aine) reg. nr. andmebaasis ), EINEKS (European Inventon of Existing Commercial Chemical Substances) – on kemikaali (aine) reg. nr. Euroopa kaubanduslike ainete loetelus. CAS reg. nr. omistatakse ainele kui see lisatakse andmebaasi, igale CAS nr. vastab üks ja ainult üks aine. CAS nr. järgi saab Interneti kaudu kätte ka selle kemikaali ohutuskaardi.
3. Liht- ja liitaine , puhta aine, materjali, homogeense ja heterogeense segu mõisted. Vastavad näited. Reaktsiooni kiiruse mõiste, mõõtmine. Millised tegurid ja kuidas mõjutavad reaktsiooni kiirust homogeenses, millised heterogeenses süsteemis?

Lihtaineks nim. ainet, mis koosneb vaid ühe elemendi aatomitest, keemilises reaktsioonis ei saa seda lõhkuda lihtsamateks aineteks. Lihtaine valemina kasutatakse vastavate elementide sümboleid (üheaatomilised:Fe, Au, Ag, C, S; kaheaatomilised: H2, O2, F2, C12, Br2). Enamik elementidele vastavaid lihtaineid on toatemperatuuril tahked ained või gaasid.

Liitaine e. ühend koosneb kahe või enama elemendi omavahel seotud aatomitest (H2O, H2SO4, CO2, NaCl). Tal on koostiselementidega võrreldes teistsugused füüsikalised ning keemilised omadused. Iga elemendi sisaldus ühendis on konstantne , nt vesi koosneb alati kahest osast H-st ja ühest osast O-st.

Puhtas aine on aine, mis sisaldab ainult ühte lihtainet või ühendit (suhteline mõiste, sest ainet, kus on 100% põhiainet, ei ole olemas). Puhtaks loetakse aineid, milles on lisandeid 0,00001% või milles on põhiainet rohkem kui 95% (puhasaine).

Materjal on keemilisest seisukohast mistahes keemiline aine, mille kasutamisel ei toimu arvestatavaid keemilisi muutusi. Nt. Malm, looduslikud ja sünteetilised kivimid, pooljuhid.

Homogeenseks nim. segu, mille mistahes osas on keemiline koostis ja struktuur, seega ka faas, ühesugused.

Heterogeenseks nim. segu, mis koosneb kahest või enamast, kas keemilise koostise või struktuuri poolest erinevast homogeensest segust . Üldjuhul sisaldab vähemalt kahes eri faasis olevaid aineid.

Reaktsiooni kiirus näitab ajaühikus ruumala kohta tekkinud reageerinud aine hulka moolides. Reaktsiooni kiirust mõõdetakse reageerivate ainete kontsentratsiooni muutusega ajaühikus. Homogeenses segus oleneb reaktsiooni kiirus temperatuurist (Van't Hoffi reegel: temperatuuri tõstmisel 10OC võrra kasvab reaktsiooni kiirus 2-4 korda) ja kontsentratsioonist, gaaside ja aurude puhul ka rõhust. Heterogeensete segude korral on olulised ka veel faaside kokkupuutepinna suurus, reaktsiooniproduktide difusioonikiiruse faasi sügavusse ning kaheaatomiliste gaaside korral dissotsiatsiooni kiirus. Ülikiiret reaktsiooni nimetatakse plahvatuseks. Jääval temperatuuril on reaktsiooni kiirus võrdeline reageerivate ainete konsentratsioonide korrutisega. Arvutatakse reaktsiooni kiirust jääval temperatuuril järgmiselt: v=k*[A]m*[B]n, kus k on reaktsiooni kiiruskonstant.
4. Ainete valemite mõiste ja seletus (sisu). Mis on keemiline reaktsioon , tooge vähemalt viis näidet reaktsioonivõrranditena. Milliseid reaktsioone nimetatakse redoksreaktsioonideks. Keemilise reaktsiooni võrrand (mõiste), selle koostamine ja kasutamine praktikas. Näited.

Ainete valemid jagunevad:

Empiiriline valem – näitab ühendisse kuuluvate aatomite arvu vahekorda vähimate täisarvudega, ka elementide gruppide omavahelist suhet.

Struktuurvalem – lisaks elementide ja elementide gruppide suhtele näitab ka kuidas need on omavahel seotud.

Tähtede, numbrite kombinatsioon – identifitseeritav käsiraamatute abil.

Nomenklatuursed nimetused – kokkuleppelised standardiseeritud puhaste ainete nimetused.

Keemiline reaktsioon on ühe või mitme aine – reagendi – muundumine keemilise koostise või struktuuri poolest teistsuguseks aineks – reaktsiooni saaduseks. Keemilised reaktsioonid võivad olla, kas lõplikud (lähteainet ei jää, nt. põlemine) või tasakaalureaktsioonid e. pööratavad (seiskuvad näiliselt, lähteaine ei lähe täielikult üle saaduseks). Keemilisel reaktsioonil katkeb vähemalt üks ja tekib juurde vähemalt üks keemiline side erinevate elementide vahel. Näited, reaktsioonidest kahe erineva aine osakeste vahel:
1)2NaOH+H2SO4=Na2SO4+2H2O; 2)MgCO3+2HCI=MgCl2 +H2O+CO2; 3) CuSO4 + Zn=ZnSO4+Cu; 4)CuO+ H2SO4= CuSO4+H2O; 5)2SO2+ O2=2SO3
Sama aine osakeste sees ( lagunemisreaktsioon ): 1)NH4Cl=NH3+HC1; 2) CaCO3= CaO+CO2; 3)2NaHCO3= Na2CO3+H2O+CO2

Redoksreaktsiooniks nim. keemilist reaktsiooni, mille käigus muutub reageerivate ainete oksüdatsiooniaste. Osakest, mis liidab elektrone nim. oksüdeerijaks (nt. O2), ainet, mis loovutab elektrone nim. redutseerijaks (nt. C).

Keemilise reaktsiooni võrrand on keemilise reaktsiooni väljendusviis reaktsioonist osavõtvate ainete valemite kaudu. Võrrandi koostamise üldpõhimõtted: 1)Võrrandi vasakule poole kirjutatakse lähteaine valemid, paremale saaduste valemid. Võrrandi pooli eraldab pöördumatu reakts korral või =, pöörduva reakts korral; 2)Võrrand tuleb tasakaalustada, st. elemendi aatomeid on võrrandi vasakul ja paremal pool võrdselt, on tavaks kirjutada gaasina eralduva aine valemi järele ↑ ja sademena eralduva aine järele . Praktikas kasutamine: fotokeemia – valgustamine, kiirguskeemia – kiiritamine, katalüüs.
5. Ainete ja materjalide iseloomustamise ( sertifitseerimise ) printsiibid nende pakenditel ja saatedokumentidel. Millised on vesilahuste peamised omadused, milledega iseloomustatakse neid sertifikaadis? Loodusliku vees on Ca2+ + Mg2+ sisaldus o 4,8 mmol⋅dm─3, HCO3– sisaldus 3,1 mmol⋅dm─3, kui palju võib moodustuda katlakivi viiest kuupmeetrist veest (katlakivi koostiseks võtta CaCO3)?

Ainete ja materjalide iseloomustamise printsiipideks pakenditel ja saatedokumentidel on CAS (Chemical Absract Servce) ja EINECS (European Inventory of Existing Commercial Chemical Substances) registrite numbrid. Lisaks peab igal kasutataval ainel olema MSDS ohutuskaart, milles on ainele, kemikaalile või materjalile iseloomulikud omadused (nt. identifitseerimine, koostis, ohtlikkus, esmaabi, käitlemine ja hoiustamine, keskkonnarisk ).

Vesilahustes on lahustiks alati vesi olenemata tema protsendilisest koostisest, enamasti on tegu anorgaanilise lahusega, mis võib olla tuleohtlik või toksiline . Sertifikaadis: 1)Vedelik; 2)Värvus; 3)Vikoossus erinevatel temperatuuridel ; 4)Tihedus; 5) Keemistemperatuur ; 6)Koostis; 7) Lisainfo .
6. Aatomi, elektroni, molekuli, iooni, valemi, mooli, faasi ja süsteemi mõisted ja sisu, näited. Avogadro arvu suurus ja sisu. Hapete ja aluste teooria, hapete ja aluste tugevuse ja reaktsioonivõime mõiste, näited. pH mõiste, näited. pH arvutamine prootonite kontsentratsioonist ja vastupidi.

Aatomiks nim. keemilise elemendi väikseimat osakest, mis kuulub liht- või liitaine molekulide koostisse.

Elektron on aatomi negatiivse laenguga osake.

Molekul on mõnede ainete väikseim osake, mis on võimeline iseseisvalt eksisteerima ja, millel on antud aine keemilised omadused.

Iooniks nim. molekulaarse aine osa, mis on, kas positiivse- ( katioon ) või negatiivse ( anioon ) laenguga.

Valem väljendab ühendi kvalitatiivset ja kvantitatiivset koostist ühendit moodustavate elementide sümbolite ja aatomite arvu kaudu molekulis.

Mool ainet sisaldab 6,02· 1023 osakest (aatomit, molekuli, iooni, elektroni).

Faas on ühtlane piirpindadega eraldatud süsteemi osa. Ühtlasi on see ka heterogeense süsteemi üks homogeenne osa. Faasid võivad erineda üksteisest füüsikalise oleku, keemilise koostise või struktuuri poolest.

Süsteemiks nim. isoleeritud ruumiosa.

Avagadro arv – 6,02·1023 – näitab osakeste arvu 1 moolis aines.

Hapeteks nim. ühendeid, mis vesilahustes vabastavad H+ iooni. Alusteks nim. neid ühendeid, mis vesilahustes vabastavad OH– iooni. Mida rohkem happed ja alused dissotseeruvad seda tugevamad nad on. Hapete ja aluste reaktsioonivõime ei ole otseselt seotud nende tugevusega. Tugev hape on nt. HCl, nõrk (COOH)2. Tugev leelis on nt. NH3 ning nõrk alus on nt. NaHCO3.

pH on negatiivne kümnendlogaritm vesinikioonide kontsentratsioonist [mol/l]. Seda mõõdetakse indikaatorite abil ning kasutatakse keskkonna happelisuse või aluselisuse hindamiseks. Kui pH on 7, siis on tegemist neutraalse lahusega. Mida madalam on pH seda happelisem on keskkond ning mida kõrgem on pH, seda aluselisem on keskkond. Näiteks: Nõrk alus on NH3- vesilahus (pH=10,6), tugev alus on NaOH (pH=14,0), nõrk hape on äädikhape (pH=2,4) ja tugev hape on HNO3 (pH=1,0). Üldjuhul jääb lahuste pH 0 ja 14 vahele, kuigi võimalik on ka kõrgem pH. Üldjuhul arvutatakse pH'd järgmiselt pH = log [H+] ja vesinikioonide sisaldust vastavalt: [H+] = 10pH.
7. Gaasi ja auru mõiste, nende üldised omadused ning nende omadusi väljendavad põhiseadused (normaaltingimused, tiheduste väljendamine ja määramine, mooli ruumala, kriitiline temperatuur ja rõhk, käitumine rõhu ja temperatuuri muutumise korral, segude iseloomustamine , osarõhud).

Gaasideks nim. aineid, mille keemistemperatuur normaalrõhul on alla 20°C. Gaasis on molekulidevahelised kaugused suuremad, kui molekulide mõõtmed, kusjuures osakesed liiguvad ruumis vabalt. Gaasidele on iseloomulik, et neid saab paisutada ja kokku suruda, st. neil ei ole kindlat kuju, mistõttu nad täidavad kogu anuma. Samas on gaasi ruumala otseselt sõltuv rõhust ja temperatuurist. Normaaltingimustel (0OC, 1 atm) on ühe mooli gaasi ruumala 22,4 l. Gaasi tihedus võib ruumala ulatuses kõikuda ning gaas avaldab anuma seintele püsivat rõhku, mis on kõigis suundades ühesugune (Pascali seadus). Gaaside puhul kehtib Clapeyroni võrrand: . Kriitiliseks temperatuuriks nim. temperatuuri, millest kõrgemal ei saa vedeldada rõhu tõstmisega. Kriitiliseks rõhuks nim rõhku, mille korral gaas on nii vedelas kui gaasilises olekus, st. vedela ja gaasilise oleku vahel on tasakaal. Gaas liigub suurema kontsentratsiooni või rõhuga piirkonnast väiksema kontsentratsiooni või rõhuga piirkonda. Osarõhk on rõhk, mida vaatlusalune segu komponent omaks, kui ta antud temperatuuril täidaks üksinda kogu segu ruumala.

Aurudeks nim. selliseid gaasilises olekus aineid, mille keemistemperatuur on kõrgem toatemperatuurist. Küllastunud auruks nim. maksimaalset auru kogust, mis võib olla antud temperatuuril ja rõhul. Küllastunud auru rõhk ja tihedus suurenevad temperatuuri tõustes. Küllastumata auru rõhk on väiksem küllastunud auru rõhust antud temperatuuril. Üleküllastunud aur e. kuiv aur on selline, millel puudub kokkupuude vedela faasiga. Niiskes aurus on vedela faasi piisku.
8. Väävelvesiniku (H2S) iseloomulikud omadused, leidumine tehis- ja looduskeskkonnas, moodustumise kemism .

Väävelvesinik on toksiline gaas, mida leidub põhjaveekaevudes, mineraalvee allikates , kanalisatsioonikaevudes ja –trassides, kommunikatsioonikanalites ja –kaevudes, naftamahutites, heitvete mahutites ja teiste lagunemisprotsesside käigus. 90% väävelvesinikust on loodusliku päritoluga ning 10% on tekkinud sulfiitide lagunemisel. Keskmiselt on õhus 0,0001-0,0002 osakest miljoni õhuosakese kohta. Kui väävelvesiniku sisaldus õhus kasvab 0,0047 osakeseni miljoni õhuosakese kohta on tunda mädamunalõhna, kui on 800 väävelvesiniku osakest miljoni õhuosakese kohta sureb 50% inimestest ning kui väävelvesiniku sisaldus kasvab 1000 osakeseni miljoni osakese kohta sureb 100% inimestest. Seetõttu ei tohi õhutamata sahtkaevudesse ning kanalisatsiooni- ja kommunikatsioonikaevudesse minna ilma kaitsevarustuseta. Looduses on ka baktereid, mis toodavad väävelvesinikust väävelhapet, seega võib väävelvesinik soodustada metallide korrosiooni.
9. Veeaur õhus. Absoluutne niiskus, suhteline niiskus. Kondensaadi tekkimise põhjused õhus olevast veeaurust ja kondensaadi koguste arvutusmetoodikad. Kuidas arvutatakse õhu samal rõhul rõhu muutumisel temperatuur, millal tekib kondensaat ? Kuidas arvutatakse rõhu suurus, mille juures tekib kondensaat ja temperatuur ei muutu?

Veeauru kogust õhus väljendatakse kahel viisil: absoluutne niiskus (gH2O·m-3) ja suhteline niiskus (veeauru rõhu suhe küllastunud veeauru rõhku või veeauru sisalduse suhe maksimaalsesse veeauru sisaldusse).

Kondensaat tekib kui veeauru osarõhk õhus ületab küllastatud veeauru rõhu antud tingimustel.

Boyle ’I- Mariotte seadus on pH2O/Püld=VH2O/100. Selle järgi on veeauru osarõhu suhe üldrõhku võrdne veeauru osaga 100-s mahuühikus õhus. Kui võrrandi mõlemaid pooli korrutada 100-ga, võrdub veeauru osarõhk õhus (gaasisegus) protsentides veeauru sisaldusega mahuprotsentides õhus või gaasisegus. Kuna õhu komprimeerimisel veeauru mahuprotsent ei muutu seni, kuni veeaur ei kondenseeru, tuleneb võrrandist (1): pH2O/Püld=pH2O,küll./Püld, kompr.. Selle võrrandi abil saab arvutada rõhu, mille juures hakkab komprimeeritavas õhus sisalduv veeaur kondenseeruma. Õhu kokkusurrumisel suureneb üldrõhu suurenemisega ka veeauru osarõhk õhus, sest veeauru osarõhu osa suurus ei muutu. Üldrõhul, mille juures veeauru osarõhu suurus ületab küllastatud auru rõhu suuruse sellel temperatuuril hakkab veeaur kondenseeruma.
10. Vedeliku mõiste ja üldised omadused: aurumine (küllastatud auru rõhu mõiste), lendumine , keemine , kondenseerumine (mõiste ja tingimused), kondensaat (mõiste), tahkumine (mõiste ja põhjused). Näited. Mis toimub tavatemperatuuridel vedelate lahustega (vedelik vedelikus , tahke aine vedelas lahustis) kinnises ja avatud süsteemis (aururõhud, lendumine, lahustunud tahke aine käitumine)?

Vedelikeks nim. aineid, mis voolavad raskusjõu mõjul. Nendes on osakeste vahelised sidemed nõrgemad kui tahketes ainetes, seega vedelik ei avalda vastupanu nihkedeformatsioonile ning seetõttu saavad liiguvad vedeliku osakesed mistahes väikeste jõudude mõjul. Seetõttu võtab vedelik alati anuma kuju.

Aurumine on vedeliku osakeste pidev lahkumine vedeliku pinnalt gaasilisse faasi. Kui auru kontsentratsioon gaasi faasis on konstantne, siis auru osarõhku nim. küllastunud auru rõhuks.

Lendumiseks nim. aine osakeste eraldumist vedeliku pinnalt difusiooni tõttu.

Keemine leiab aset kui vedeliku aururõhk saab võrdseks välisrõhuga. Keemise põhjustab mitte üksnes vedeliku pinnal olev aur, vaid ka vedeliku sees olev aur.

Kondenseerumiseks nim. aurumise pöördprotsessi, mille käigus eraldub aurumiseks kulunud soojushulk. Toimub süsteemi jahutamisel või kui välisrõhk suureneb küllastunud aururõhust.

Kondensaadiks nim. vedelikku, mis tekib aurunud osakeste kondenseerumisel külmal pinnal.

Tahkumiseks nim. aine üleminekut vedelast faasist tahkesse. See leiab aset vedeliku jahutamisel, millega

80% sisust ei kuvatud. Kogu dokumendi sisu näed kui laed faili alla