Materia występuje w trzech stanach skupienia:

– stałym
– ciekłym
– gazowym

Istnieje również czwarty stan skupienia, stan plazmy, który istnieje

jedynie w zakresie niezwykle wysokich temperatur.

• Stan stały charakteryzuje się utrzymaniem kształtu, postaci i

objętości próbki, niezależnie od kształtu naczynia.

• Stan ciekły odznacza się tym, że próbka zachowuje swoją określoną

objętość podczas przelewania z jednego zbiornika do drugiego, ale

przyjmuje kształt dna mieszczącego ją naczynia

• Stan gazowy charakteryzuje się tym, że próbka nie ma ani własnego

kształtu, ani objętości i może rozprzestrzeniać się po całej objętości

naczynia, w której jest zawarta.

 Różnice występujące między różnymi stanami skupienia można

łatwo wyjaśnić za pomocą teorii kinetycznej materii zgodnie z

którą w temperaturach powyżej zera absolutnego (tj. powyżej

-273°C) atomy i cząsteczki substancji znajdują się w

nieustannym ruchu.

 W ciałach stałych ruch ten nie jest wielki i odnosi się głównie do

oscylacji atomów i cząsteczek względem węzłów sieci krystalicznej.

W miarę ogrzewania rośnie energia kinetyczna ruchów a w

temperaturze zwanej temperaturą topnienia cząsteczki lub

pojedyncze atomy tracą zdolność powrotu do swych pierwotnych

położeń i substancja stała przechodzi w ciecz. Wzajemne

oddziaływanie między atomami i cząsteczkami jest jednak ciągle

tak duże, że objętość cieczy w danej temperaturze pozostaje stała.

 Dalsze ogrzewanie cieczy prowadzi wreszcie do stanu, w którym

cząsteczki uzyskują energię kinetyczną wystarczającą do

pokonania sił wzajemnego przyciągania i ciecz zamienia się w gaz,
zdolny do rozprzestrzeniania się w całej dostępnej przestrzeni

.

Ciała stałe

bezpostaciowe i krystaliczne

 Ciała bezpostaciowe - (szkło, stopiona i ochłodzona krzemionka, żywice

polimetakrylowe)

to substancje, których atomy, cząsteczki lub jony nie

są rozmieszczone w prawidłowej sieci przestrzennej.
Substancje te, określone często jako ciecze przechłodzone o dużej

lepkości, wykazują niektóre cechy charakterystyczne dla ciał stałych, jak

twardość i zdolność zachowania nie zmienionego kształtu, nie wykazują

ściśle określonej temperatury topnienia, ogrzewane stopniowo miękną i

rozpływają się.
Ciała bezpostaciowe są

izotropowe

. Oznacza to, że wykazują one we

wszystkich kierunkach identyczne właściwości fizyczne, ich twardość,

wytrzymałość mechaniczną, rozszerzalność cieplną, przewodnictwo

elektryczne, właściwości optyczne - nie zależą od kierunku działania.

 Ciała krystaliczne - wykazują w określonych kierunkach przestrzeni

prawidłowe, powtarzające się okresowo ułożenie atomów, cząsteczek lub

jonów, tworzących prawidłową sieć krystaliczną. Topią się w ściśle

określonych

temperaturach.

Kryształy są

anizotropowe

– to znaczy że ich właściwości zmieniają

się wraz ze zmianą kierunku
W zależności od rodzaju wiązań ciała krystaliczne można podzielić na

kryształy;

– z siecią jonową

– z siecią atomową

– z siecią cząsteczkową

– z siecią metaliczną

Kryształy jonowe

W ciałach stałych jonowych cząstkami w węzłach sieci

są jony dodatnie i ujemne. Siły przyciągania są duże.

Wskutek tego jonowe ciała stałe mają zwykle dość

wysokie temperatury topnienia, dużo wyższe od

pokojowej.

W związkach jonowych, np w alkalicznych halogenkach,

siły wiązania polegają na działających we wszystkich

kierunkach siłach przyciągania elektrostatycznego

przeciwnie naładowanych jonów, które tworzą elementy

struktury

periodycznej

sieci

krystalicznej.

Elektrostatyczny lub polarny charakter sił wiązania i

kulistosymetryczny rozkład ładunku powodują, że

pojedyncze jony w sieci jonowej są otoczone możliwie

dużą liczbą jonów naładowanych przeciwnie.

Kryształy cząsteczkowe

Kryształami cząsteczkowymi - nazywamy
takie struktury, w których pojedyncze cząsteczki
utrzymywane są w sieci krystalicznej w wyniku
oddziaływania:

•sił van der Waalsa

•dipolowego

Ten typ kryształu występuje najczęściej w
związkach organicznych.

Kryształy kowalencyjne

• W kryształach kowalencyjnych atomy są związane z sobą

wiązaniami atomowymi.

W kryształach atomowych traci sens pojęcie cząsteczki, gdyż nie

można tu wyróżnić indywidualnych cząsteczek. Cały kryształ

atomowy (kowalencyjny) trzeba traktować jako jedną olbrzymią

cząsteczkę. Przykładem kowalencyjnej struktury krystalicznej może

być sieć krystaliczna diamentu, w której każdy atom jest otoczony

czterema innymi atomami węgla rozmieszczonymi w narożnikach

czworościanu.

Sieć diamentu dzięki szczególnie gęstemu upakowaniu przestrzennemu

atomów i dzięki wiązaniom kowalencyjnym między nimi określa

właściwości fizyczne tej odmiany alotropowej węgla, tj. najwyższą

twardość i bardzo dużą gęstość

• W sieci krystalicznej grafitu poszczególne warstwy płaskie

związane są słabymi siłami oddziaływania

międzycząsteczkowego, co powoduje, że odstępy między

tymi warstwami (0,341 nm) są duże w porównaniu z

odstępami atomów w obrębie tej samej warstwy (0,142

nm)

Kryształ metaliczny

 Kryształ metaliczny - budowę metalu

najprościej można opisać w ten sposób, że od

każdego atomu metalu odczepiają się elektrony

walencyjne, których liczba jest zależna od jego

położenia w układzie okresowym i które w sieci

przestrzennej,

utworzonej

przez

pozostałe

dodatnie jony, poruszają się mniej lub bardziej

swobodnie jako gaz elektronowy.

Właściwości fizyczne kryształów z różnymi wiązaniami

Właściwo
ści

KRYSZTAŁY

cząsteczko

we

kowalencyn

e

jonowe

metaliczn

e

mechanic

zne

mała twardość,
mała
wytrzymałość

duża twardość,
duża
wytrzymałość

duża twardość,
duża wytrzymałość

różna
wytrzymałość,
dla różnych
metali, na ogół
duża,
ciągliwość

termiczn

e

Temp.
topnienia
niskie, duży
współczynnik
rozszerzalności
cieplnej

Temp. topnienia
wysokie, mały
współczynnik
rozszerzalności
cieplnej

Temp. topnienia
wysokie, mały
współczynnik
rozszerzalności
cieplnej

Temp.
topnienia
różne, duży
współczynnik
rozszerzalnośc
i cieplnej
 

elektrycz

ne

izolatory

W stanie czystym
nie przewodzą
prądu

W stanie ciekłym
źle przewodzą
prąd, w stanie
stopionym i w
roztworach
wodnych wykazują
przewodnictwo
jonowe

Dobre
przewodniki
prądu
 

Budowa krystaliczna ciał stałych warunkuje szereg ich cech
fizycznych:

twardość,

łupliwość,
załamanie światła,
temp. topnienia,
rozpuszczalność.

• W kryształach o sieci mieszanej, zwłaszcza o budowie

warstwowej, tworzą się płaszczyzny łupliwości w miejscach
słabych wiązań międzycząsteczkowych np:

• Grafit – w poszczególnych warstwach występuje między

atomami węgla wiązanie atomowe natomiast między
warstwami słabe oddziaływanie van der Waalsa

• Talk – wiązanie jonowe w warstwach, między warstwami

oddziaływanie van der Waalsa

Struktury krystaliczne

Sieć przestrzenna - nieskończenie rozciągający się,
regularny,

przestrzennie

periodyczny układ punktów,

Typy komórek elementarnych kryształów

Układ regularny -trzy jednakowe osie o długości
a, tworzące z sobą kąty proste

Układ tetragonalny - dwie jednakowe krawędzie
oraz trzecia krawędź o innej długości, wzajemne
prostopadłe

-heksagonalny

i

trygonalny

nieromboedryczny dwie równe krawędzie, pod
kątem 120

o

, i trzecia krawędź o innej długości,

prostopadła do dwóch pierwszych

Układ heksagonalny i trygonalny

nieromboedryczny

dwie równe krawędzie, pod kątem 120

o

, i trzecia

krawędź o innej długości, prostopadła do dwóch

pierwszych

Układ rombowy

trzy krawędzie o niejednakowych długościach,
wszystkie wzajemne prostopadłe

Układ jednoskośny

dwie krawędzie a i c pod kątem  względem siebie i

trzecia krawędź pod kątem prostym do a i c

Układ trójskośny

trzy krawędzie a, b, c z
trzema kątami , , 

między nimi

Układ trygonalny
romboedryczny

trzy krawędzie a, b i c oraz
kąty , ,  są jednakowe

Upakowanie atomów w sieci

krystalicznej

1. Ścisłe upakowanie heksagonalne (hexagonal close
packed = h.c.p.)

(magnez, cynk)

Ścisłe upakowanie sześcienne ( face centered

cubic = f.c.c. )

miedź, srebro i złoto

proste cząsteczki obrotowe, jak CH

4

i HCl

Typy struktur pierwiastków i związków chemicznych

• Pierwiastki chemiczne mogą występować w

różnych odmianach alotropowych – węgiel:
diament, grafit, fulereny

• Związki chemiczne tworzą odmiany polimorficzne

-SiO

2

α – kwarc → γβ trydymit → γ

krystobalit → szkło

• Odmiany alotropowe (polimorficzne) różnią się

między sobą budową sieci krystalicznej oraz
właściwościami fizycznymi.

Stan ciekły

• Jest to stan pośredni między gazami a ciałami

stałymi, charakteryzują się znaczną w
porównaniu z gazami lepkością i gęstością oraz
niewielką ściśliwością oraz rozszerzalnością
cieplną

• Cząsteczki cieczy nie poruszają się bezwładnie,

oraz nie mają takiej swobody ruchu jak to ma
miejsce w gazach.

• Ciecze maja strukturę pseudokrstaliczną -

występuje lokalne uporządkowanie cząsteczek w
temperaturze bliskiej temperaturze krzepnięcia

Napięcie powierzchniowe cieczy

• Napięcie powierzchniowe (ρ) cieczy - powstaje w wyniku wzajemnego

oddziaływania cząsteczek we wnętrzu i na powierzchni cieczy.

Siła wypadkowa działająca na cząsteczki położone na powierzchni jest skierowana
w głąb cieczy i działa prostopadle do jej powierzchni i usiłuje zmniejszyć swobodną
powierzchnię cieczy. Ciecz dąży zatem do zmniejszenia liczby cząsteczek na swojej
powierzchni, a więc do osiągnięcia możliwie najmniejszej swobodnej powierzchni.
Chcąc zwiększyć swobodną powierzchnię cieczy, trzeba wykonać pewną pracę na
pokonanie napięcia powierzchniowego

ρ

= W/S (J/m

2

)

Napięcia powierzchniowe cieczy możemy zmieniać przez rozpuszczenie w

cieczy obcej substancji, lub poprzez zmianę temperatury.

Substancje obniżające napięcie powierzchniowe noszą nazwę powierzchniowo

czynnych do których zaliczamy mydła, niektóre kwasy sulfonowe i ich sole oraz
inne związki organiczne.

 Zwilżalność – zdolność do pokrywania ciała

stałego przez ciecz

 Kapilarność – zachowanie się cieczy w cienkich

kapilarach

 Działanie kapilarne powoduje wsiąkanie wody w

ciała stałe porowate (wznoszenie się wilgoci w
murach).

 Prężność pary w kapilarach jest niższa niż nad

powierzchnią swobodną cieczy, zatem temp.
Wrzenia i skraplania w kapilarach jest wyższa ,a
temp. Topnienia i krzepnięcia niższa. Ma to
ważne znaczenie przy suszeniu materiałów
porowatych i ze względu na ich mrozoodporność.

Roztwory rzeczywiste

Roztwory rzeczywiste powstają:
 w wyniku rozproszenia substancji, która dąży do osiągnięcia

stanu o maksymalnym uporządkowaniu, dzięki czemu

rozproszenie substancji następuje przy całkowitym braku

współdziałania pomiędzy cząsteczkami rozpuszczalnika a

substancji rozproszonej.

 w

wyniku

reakcji

chemicznej

danej

substancji

z

rozpuszczalnikiem, zwanej solwatacją, polegającej na

rozerwaniu (zniszczeniu) wiązań istniejących pomiędzy

cząsteczkami lub atomami substancji rozpuszczonej i

izolowaniu ich od siebie przez cząsteczki rozpuszczalnika.

• Reakcja solwatacji w przypadku wody jako rozpuszczalnika

nosi nazwę reakcji hydratacji i polega na tym, że cząsteczki

wody będące dipolami otaczają cząsteczkę rozpuszczonego

związku.

Lepkość cieczy

 Lepkość cieczy jest wynikiem sił tarcia wewnętrznego

pomiędzy cząsteczkami cieczy.

 Lepkość cieczy zależy od, rodzaju cieczy i temperatury

cieczy. Wraz z podwyższeniem temperatury lepkość cieczy
silnie maleje.

 Mało ruchliwe płyny o dużej lepkości, jak oliwa lub

gliceryna, to ciecze o dużym tarciu wewnętrznym.

 Ciecze ruchliwe, jak eter, alkohol etylowy itp. to ciecze o

małym tarciu wewnętrznym, czyli o małej lepkości.

Charakterystyka układów rozproszonych

CECHY

Mieszanina

jednorodna

Mieszaniny niejednorodne

Roztwory

właściwe

koloidy

zawiesiny

rozproszenie

cząsteczkowe

nadcząsteczkowe

makroskopowe

Wielkość

cząsteczek

<1 nm

Od 1 do 10

3

nm

> 1μm

Rozdzielność

przez sączenie

Nie rozdzielane

Rozdzielane tylko

przez

ultrasączenie

rozdzielane

Rozpoznawalność

optyczna

W mikroskopie

elektronowym

tylko największe

cząstki

W mikroskopie

elektronowym

W mikroskopie

optycznym

Charakterystyka układów

koloidalnych

W zależności od powinowactwa do rozpuszczalnika,

koloidy dzieli się na:

• koloidy liofilowe (hydrofilowy dla układów, gdzie ośrodkiem

rozpraszającym jest woda) mające duże powinowactwo do
rozpuszczalnika, dzięki czemu cząstki koloidalne otaczają się
cząsteczkami rozpuszczalnika, co nadaje im trwałość.

• koloidy

liofobowe

(hydrofobowe)

posiadające

małe

powinowactwo do rozpuszczalnika i na swojej powierzchni
gromadzące ładunek elektryczny

W zależności od wartości dyspergowania koloidy dzieli się

na:

• koloidy asocjacyjne - układy w których substancja

rozproszona samorzutnie przechodzi w stan koloidalny.

• koloidy dyspersyjne - układy, w których substancję

rozproszoną otrzymuje się przez wymuszone rozdrobnienie.

Podział koloidów ze względu na stan skupienia

Ośrodek

rozpraszaj

ący

Substancj

a

rozproszo

na

Rodzaj

koloidu

przykłady

Nazwa

szczegółowa

koloidu

gaz

gaz

areozole

-

-

ciecz

mgła

Areozole

ciekłe (mgły)

Ciało stałe

Dym, kurz

Areozole stałe

(dymy)

ciecz

gaz

Zole –

roztwory

koloidalne

piana

piany

ciecz

Mleko

Lizole,

emulsje

Ciało stałe

Zole tlenków

metali,

wodorotlenków

Zawiesiny

koloidalne

Ciało stałe

gaz

dirozole

pumeks

Piany stałe

ciecz

Kwarc mleczny

Piany stałe

(emulsje

stałe)

Ciało stałe

Szkło rubinowe

Zole stałe

Sposoby otrzymywania koloidów:

• Metody dyspersyjne – rozdrobnienie mechaniczne, ultradźwięki
• Metody kondensacyjne – polimeryzacja, utlenianie, strącanie,

redukcja

Cechy cząstek koloidalnych:

• Ruchy Browna – cząstki koloidalne znajdują się w ciągłym,

chaotycznym ruchu

• Nie przenikają przez błony półprzepuszczalne, przez które

przechodzi rozpuszczalnik – dializa

• Przemieszczają się pod wpływem pola elektrycznego –

elektrofereza

• W przypadku unieruchomienia fazy rozproszonej, pod wpływem

zewnętrznego pola elektrycznego przemieszcza się ciecz –
elekrtoosmoza

• Są obdarzone ładunkiem elektrycznym
• Efekt Tyndala

Roztwory koloidalne są układami nietrwałymi.
Proces przechodzenia zolu w żel nosi nazwę

koagulacji.

Koagulację można wywołać przez:

– Dodatek elektrolitu
– Zmianę temperatury
– Czynniki mechaniczne
– Przepływ prądu
– Działanie światła