Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne

STANY SKUPIENIA

GAZOWY

CIEKŁY

STAŁY

GAZOWE STANY

MATERII

CIEKŁE STANY

MATERII

STAŁE STANY

MATERII

Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne

STANY SKUPIENIA I STANY MATERII

STANY SKUPIENIA

to klasyfikacja form występowania

materii z

MAKROSKOPOWEGO

punktu widzenia

STANY MATERII

to klasyfikacja form jej występowania z

MIKROSKOPOWEGO

punktu widzenia, czyli z punktu

widzenia struktur jakie tworzą atomy, jony lub cząsteczki

Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne

STANY SKUPIENIA A UPORZĄDKOWANIE

STAN GAZOWY STAN CIEKŁY STAN STAŁY

uporządkowanie

temperatura

Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne

Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne

PODSTAWOWE CECHY STANU GAZOWEGO

BRAK OBJĘTOŚCI

gaz przyjmuje objętość układu, w którym się znajduje

BRAK KSZTAŁTU

gaz przyjmuje kształt układu, w którym się znajduje

ŚREDNIA ENERGIA KINETYCZNA obiektów tworzących gaz

jest WIĘKSZA niż energia oddziaływań pomiędzy nimi

oddz

śr

kin

śr

E

E



Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne

GAZ DOSKONAŁY -

MODEL STANU GAZOWEGO

Cząsteczki są PUNKTAMI MATERIALNYMI, to znaczy

mają masę, ale nie mają wymiaru

Cząsteczki gazu poruszają się bezładnie po liniach prostych

założenia modelu:

Zderzenia między cząsteczkami są traktowane jako tzw.

zderzenia sprężyste

Wielkości opisujące stan gazu:

p – ciśnienie

T – temperatura

V – objętość

Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne

+mv

-mv

Ciśnienie gazu wynika ze zderzeń cząstek gazu

ze ścianami naczynia

D

p = (+mv) – (-mv) = 2mv

F

F

1

F

t

D



D

p

L

Zmiana pędu cząstki:

Siła (def.):

Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne

1

2mv

F

t

t

D





D

D

p

dla 1 cząsteczki

2L

t

v

D 

CIŚNIENIE GAZU

D

p – zmiana pędu cząsteczki w trakcie zderzenia, L – droga

2

mv

F

L



2

F

p =

L

Ciśnienie:

2

3

mv

p

L



czyli

Objętość V

2 x energia kinetyczna E

kin

kin

pV

2E



stąd

dla 1 mola cząsteczek

A

kin

pV

2N E



N

A

- liczba Avogadro

PRAWA GAZOWE

A

2

pV

N E

3



A

3 R

E

T

2 N



pV = nRT

równanie Clapeyrona

Cząsteczki poruszają się w
przestrzeni, czyli energia
rozkłada się na 3 kierunki:

Wiadomo, że energia gazu:

dla n moli cząsteczek:

R = 8,314 J·mol

-1

·K

-1

stała gazowa

Równanie stanu gazu doskonałego

Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne

Prawo Daltona

1

2

3

1

2

3

1

2

3

RT

RT

p

n

(n

n

n

...)

V

V

RT

RT

RT

n

n

n

...

p

p

p

...

V

V

V



















 







p

i

– ciśnienie cząstkowe i-tego gazu

Ciśnieniem cząstkowym gazu wchodzącego w skład mieszaniny
gazowej nazywamy ciśnienie, jakie wywierałby ten gaz, gdyby
sam wypełniał całą objętość naczynia.

Ciśnienie wywierane przez mieszaninę gazów jest sumą ciśnień
cząstkowych wywieranych przez poszczególne składniki tej
mieszaniny.

Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne

ŚREDNIA PRĘDKOŚĆ CZĄSTEK GAZU

A

3 R

E

T

2 N



2

sr

mv

E

2



sr

A

3RT

v

mN



masa cząsteczkowa M

M

RT

v

śr

3



m - masa cząsteczki

W gazie cząsteczki poruszają
się z różnymi prędkościami.

v

sr

– prędkość średnia

Rozkład Maxwella-Boltzmanna podaje, jaki ułamek ogólnej
liczby cząsteczek gazu doskonałego porusza się w danej
temperaturze z określoną prędkością.

Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0

1000

2000

3000

4000

0°C
500°C
1000°C

prędkość m/s

tlen O

2

ROZKŁAD PRĘDKOŚCI CZĄSTECZEK TLENU W

RÓŻNYCH TEMPERATURACH

U

łam

ek

li

cz

by

cz

ąs

tec

zek

o dane

j

pr

ędk

ośc

i

Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne

v

i

i

1

-

(

) 6

×

:

prędkość m/s

25°C

0

2000

2

0

N

2

He

H

2

ROZKŁAD PRĘDKOŚCI CZĄSTECZEK RÓŻNYCH

GAZÓW W TEJ SAMEJ TEMPERATURZE

Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne

PRZEMIANY

GAZOWE

ciśnienie p, objętość V i temperatura T

to PARAMETRY STANU gazu

PRZEMIANA GAZOWA

to proces z udziałem gazu, w

którym co najmniej dwa z parametrów stanu ulegają zmianie

w szczególności jeżeli:

STAŁE ZMIENNE

NAZWA

PRZEMIANY

T

p, V

izotermiczna pV = const

p

T, V

izobaryczna V = const·T

V

p, T

izochoryczna p = const·T

Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne

GAZOWY STAN SKUPIENIA

uporządkowanie

PLAZMA

GAZ

WŁAŚCIWY

PARA

WY

S

OK

O

-

T

E

M

P

E

RA

T

UR

OW

A

NISK

O

-

T

E

M

P

E

RA

T

UR

OW

A

NIENASYCONA

NA

S

YC

ONA

STANY MATERII W GRANICACH

GAZOWEGO STANU SKUPIENIA

Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne

PLAZMA WYSOKOTEMPERATUROWA

W temperaturach >10

5

-10

6

K atomy ulegają całkowitej jonizacji

tworząc nieuporządkowany stan materii złożony z jąder i
elektronów - PLAZMĘ WYSOKOTEMPERATUROWĄ

elektron

jądro

Silne oddziaływania elektrostatyczne i magnetyczne
pomiędzy składnikami

pV ≠ nRT

Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne

PLAZMA NISKOTEMPERATUROWA

W temperaturach >10

3

K i <10

5

atomy ulegają

częściowej jonizacji tworząc nieuporządkowany stan

materii złożony z jonów dodatnich i elektronów:

PLAZMĘ NISKOTEMPERATUROWĄ

elektron

jon
dodatni

Silne oddziaływania elektrostatyczne i magnetyczne

pomiędzy składnikami

pV ≠ nRT

Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne

GAZ WŁAŚCIWY

W temperaturach od kilku do 1000-1500 K atomy i cząsteczki
są praktycznie niezjonizowane i tworzą nieuporządkowany stan
materii złożony z obojętnych atomów lub cząsteczek -

GAZ

WŁAŚCIWY

atom lub
cząsteczka

Występowanie swobodnych atomów lub cząsteczek o

rozmiarach rzędu 10

-10

m

Słabe oddziaływania elektrostatyczne i magnetyczne pomiędzy

atomami lub cząsteczkami

pV ≈ nRT

WŁAŚCIWOŚCI

SIŁY MIĘDZYCZĄSTECZKOWE (1)

Gazy właściwe składają się z atomów, których moment

dipolowy

m

= 0, lub z cząsteczek dla których

m

≥ 0

schematycznie:

atom

m

= 0

cząsteczka

m

= 0

cząsteczka

m

> 0

+

-

Słabe oddziaływania pomiędzy atomami i cząsteczkami gazów
właściwych są wynikiem istnienia

SIŁ MIĘDZYCZĄSTECZKOWYCH

zwanych

siłami Van der Waalsa

Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne

SIŁY MIĘDZYCZĄSTECZKOWE

oddziaływania dipol - dipol

F

2

F

1

F

4

F

3

prosty rachunek wskazuje, że:

F

1

+

F

2

>

F

3

+

F

4

Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne

SIŁY MIĘDZYCZĄSTECZKOWE

oddziaływania dipol - indukowany dipol

duża

odległość

mała

odległość

indukowane

dipole

trwałe dipole

Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne

SIŁY MIĘDZYCZĄSTECZKOWE

siły dyspersyjne (Londona)

Jeżeli dwie cząsteczki znajdują się blisko siebie...

przyciąganie

przyciąganie

Każda cząsteczka, nawet taka, która ma

m

= 0, jest faktycznie

drgającym dipolem elektrycznym (chwilowym)

Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne

SIŁY MIĘDZYCZĄSTECZKOWE

siły Van der Waalsa

oddziaływanie

dipol - dipol

oddziaływanie

dipol - indukowany dipol

siły dyspersyjne (Londona)

W

7

1

F

~

d

d

F

W

Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne

PRAWA GAZOWE DLA GAZÓW RZECZYWISTYCH

pV

l nRT

Istnienie oddziaływań międzycząsteczkowych, jak i fakt
posiadania przez cząsteczki własnej objętości, staje się
przyczyną odstępstw zachowania gazów rzeczywistych od praw
gazu doskonałego

Przybliżenie do gazu doskonałego jest tym lepsze, im średnie

odległości cząsteczek gazu są większe od średnic cząsteczek.

Zwykle dla:

p < 1 MPa

Podwyższonych temperatur

Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne

OBJĘTOŚCI MOLOWE GAZÓW RZECZYWISTYCH

Objętość molowa
gazu doskonałego
(0°C, 101,33 kPa):

V

m

= 22,414 dm

3

azot N

2

................................ 22,401 dm

3

amoniak NH

3

....................... 22,089 dm

3

ditlenek siarki SO

2

............... 21,888 dm

3

siarkowodór H

2

S .................. 22,145 dm

3

Gazy rzeczywiste:

Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne

Co dzieje się w gazie rzeczywistym, gdy obniżamy jego

temperaturę?

1) Średnia energia cząstek gazu maleje:

2) Energia oddziaływań międzycząsteczkowych albo nie
zmienia się albo rośnie (gdy cząsteczki gazu mają różne od
zera momenty dipolowe)

w efekcie powyższego gdy T :

oddz

śr

kin

śr

E

E



oddz
śr

kin

śr

E

E



Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne

Gdy sprężymy gaz, w którym...

oddz
śr

kin

śr

E

E



Gdy sprężymy gaz, w którym...

oddz
śr

kin

śr

E

E



Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne

oddz

śr

kin

śr

E

E



oddz
śr

kin

śr

E

E



temperatura

T

k

temperatura krytyczna

GAZ WŁAŚCIWY

PARA NIENASYCONA

Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne

PARA NIENASYCONA

Jest to stan materii należący do gazowego stanu skupienia,
w którym możliwe jest tworzenie się agregatów cząsteczek o
rozmiarach poniżej pewnej wartości krytycznej

Granicę pomiędzy gazem a parą nienasyconą wyznacza

TEMPERATURA KRYTYCZNA T

k

temperatura

T

k

PARA NIENASYCONA

GAZ WŁAŚCIWY

Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne

Zobaczmy, jak zachowuje się para nienasycona przy
podwyższaniu ciśnienia lub przy obniżaniu temperatury

Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne

Dla każdej temperatury, poniżej temperatury krytycznej T

K,

istnieje takie ciśnienie p

k

, przy którym rozmiary agregatów

cząsteczek osiągają

wartość krytyczną

to znaczy taką powyżej której, szybkość wzrostu agregatu v

wzr

jest większa niż szybkość jego rozpadu v

rozp

v

wzr

> v

rozp

rozmiary agregatów są

WIĘKSZE

niż rozmiary

krytyczne

Wtedy dochodzi do kondensacji i powstają krople cieczy

Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne

Para nasycona

– para pozostająca w

równowadze z cieczą

Równowaga ciecz – para

V

par

V

kond

ciecz

para

V

par

– szybkość parowania

V

kond

– szybkość kondensacji

w stanie równowagi, w stałej
temperaturze:

V

par

= V

kond

W takim stanie para nad cieczą osiąga maksymalne ciśnienie p

r

w danej temperaturze, które jest ciśnieniem pary nasyconej
(tzw. prężność pary)

ZALEŻNOŚĆ PRĘŻNOŚCI PARY NASYCONEJ

OD TEMPERATURY

a

1

260

280

300

320

340

360

380

0

0.5

1

1.5

temperatura /K

ci

œ

n

ie

n

ie

/a

tm

1

373

H

2

O

Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne

SKRAPLANIE

GAZÓW

GAZ

PARA NIENASYCONA

PARA NASYCONA

obniżenie

temperatury

CIECZ

zmniejszenie

objętości

obniżenie

temperatury

obniżenie

temperatury

zmniejszenie

objętości

Skraplanie

(kondensacja) - zmiana

stanu skupienia,

przejście z fazy gazowej

w fazę ciekłą

Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne

STAN GAZOWY STAN CIEKŁY STAN STAŁY

uporządkowanie

temperatura

podsumowanie:

p

lazm

a w

ysok

ot

em

p

er

at

u

row

a

p

laz

m

a ni

sk

ot

em

p

er

at

u

row

a

gaz

w

łaściw

y

p

ar

a

n

ienas

yc

on

a

p

ar

a

n

asyco

n

a

Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne

STAN CIEKŁY

luki w

strukturze

ciecz zwykła



oddz

śr

E

kin

śr

E

Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne

Podstawowe cechy stanu ciekłego

Odległości między cząsteczkami są rzędu ich własnych

rozmiarów

W cieczach obserwuje się tzw. blisko zasięgowe uporządkowanie

obejmujące kilka średnic cząsteczkowych

Powierzchnia cieczy ma szczególne cechy wynikające z istnienia

SIŁ NAPIĘCIA POWIERZCHNIOWEGO

OBJĘTOŚĆ

ciecz posiada własną objętość - ściśliwość cieczy jest bardzo mała

BRAK KSZTAŁTU

ciecz przyjmuje kształt naczynia, w którym się znajduje

Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne

SIŁY MIĘDZYCZĄSTECZKOWE W CIECZACH

oddziaływania dipol – dipol

oddziaływania dipol – indukowany dipol

siły dyspersyjne

Siły Van der Waalsa

Wiązanie wodorowe

Wiązanie między atomem wodoru a atomami:

azotu, tlenu lub fluoru

– silne wiązanie

fosforu, siarki, chloru, bromu lub jodu

– słabe wiązanie

Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne

WIĄZANIE WODOROWE

wodór

fluor

etap I - zbliżanie

etap II – utworzenie wiązania wodorowego

HF

HF

HF

Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne

Wiązania wodorowe w wodzie

Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne

Struktura wody z uwidocznionymi wiązaniami wodorowymi

O

H

H

Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne

ENERGIA WIĄZAŃ WODOROWYCH

siły

Van der Waalsa

wiązanie

wodorowe

wiązanie

chemiczne

<

<

0,5 – 4 kJ·mol

-1

4 – 40 kJ·mol

-1

40 – 500 kJ·mol

-1

Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne

POWIERZCHNIA CIECZY

F

w

> 0

F

w

= 0

ciec

z

gaz

(

p

ar

a)

Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne

Zwiększenie

powierzchni

cieczy

wymaga zatem wykonania pracy

L

przeciwko sile

F

w

zdefiniujemy

NAPIĘCIE POWIERZCHNIOWE

s





1

2

m

N

m

J

S

L

-

-

×



×



s

L – praca zużyta na wytworzenie
powierzchni S

cieczy

~10 <

s

< ~1500 mJ·m

-2

NAPIĘCIE POWIERZCHNIOWE CIECZY

Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne

ZWIĄZKI POWIERZCHNIOWO CZYNNE

(surfaktanty)

to związki chemiczne obniżające napięcie powierzchniowe

cząsteczka (jon)

surfaktanta

część solwofobowa

część solwofilowa

oddziaływanie

silne

oddziaływanie

słabe

Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne

Mydła – surfaktanty obniżające napięcie powierzchniowe wody

Mydła to sole sodowe lub potasowe wyższych kwasów
tłuszczowych

[CH

3

- (CH

2

)

16

– COO

-

] Na

+

stearynian sodu

Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne

PAROWANIE I WRZENIE CIECZY

1

energia E

uł

am

ek

li

cz

by

cz

ąs

tek

o

ene

rg

ii

E

oddz

śr

kin

E

E



Aby cząsteczka opuściła powierzchnię
jej energia E

kin

musi spełniać warunek:

średnia energia oddziaływań

parowanie nie

jest możliwe

cząsteczki zdolne do

przechodzenia w stan pary

Rozkład energii cząsteczek w cieczy jest zgodny z rozkładem
Maxwella-Boltzmanna.

Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne

LEPKOŚĆ CIECZY (tarcie wewnętrzne)

v

1

v

2

F

D

x

v

2

– v

1

=

D

v

S

x

v

S

F

D

D

×

×







– współczynnik lepkości

Jednostka współczynnika

lepkości (SI):

1N·s·m

-2

1 puaz = 0,1 N·s·m

-2

10

-4

<



< 10

13

N·s·m

-2

Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne

Zależność lepkości od temperatury

RT

A

e

0







lepk

ość



/m

N·

s·m

-2

H

2

O

Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne

CIECZE ANIZOTROPOWE – CIEKŁE KRYSZTAŁY

H

3

C – O -

- N = N -

- O – CH

3

O

+

-

W trakcie topienia pewnych związków chemicznych o
cząsteczkach wydłużonych lub płaskich, posiadających duże
momenty dipolowe, takich jak np. p-azoksyanizol (PAA):

..obserwuje się dwuetapowe topnienie:

kryształy

mętna ciecz

przeźroczysta ciecz

112°C

136°C

Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne

topnienie do fazy I

przemiana do fazy II

faza I – termotropowy ciekły kryształ

kryształy

mętna ciecz

przeźroczysta ciecz

112°C

136°C

(ciecz izotropowa)

Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne

STRUKTURY CIEKŁYCH KRYSZTAŁÓW

faza nematyczna

NEMATYK

Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne

STRUKTURY CIEKŁYCH KRYSZTAŁÓW

faza smektyczna

SMEKTYK

Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne

CH

3

HO

CH

3

CH

CH

3

(CH

2

)

3

CH

CH

3

CH

3

STRUKTURY CIEKŁYCH KRYSZTAŁÓW

faza cholesterolowa

Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne

ZASTOSOWANIA CIEKŁYCH

KRYSZTAŁÓW

1. czytniki (ekrany)

nastepują zmiany kierunku uporządkowania pod
wpływem przyłożonego pola elektrycznego, co powoduje
zmianę kierunku dwójłomności światła przechodzącego

2. termografia

opiera się na zjawisku zmiany koloru odbijanego światła
przez fazę cholesterolową w zależności od temperatury

Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne

Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof.

nadzw. WIMiC - materiały

dydaktyczne

STAN STAŁY

CIAŁA

KRYSTALICZNE

CIAŁA

AMORFICZNE

(SZKŁA)

RÓŻNE STRUKTURY

KRYSTALICZNE

Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne

Drogi od stanu ciekłego do stanu krystalicznego

temperatura

STAN CIEKŁY

STAN

KRYSTALICZNY

STAN

CIEKŁOKRYSTALICZNY

STAN SZKLISTY

Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne

STAN SZKLISTY

SZKŁO jest substancją powstającą w wyniku ciągłego przejścia
przy ochładzaniu od stanu cieczy zwykłej (lepkość rzędu 1
N·s·m

-2

) do stanu w którym lepkość jest większa od 10

12

N·s·m

-2

.

STRUKTURA SZKŁA

Struktura szkła przypomina strukturę cieczy, w której
„wyłączono” ruchy translacyjne (postępowe) składników.
Rezultatem jest utworzenie praktycznie nieuporządkowanej
struktury elementarnych składników szkła.

STAN SZKLISTY (AMORFICZNY)

to stan materii cechujący

się

brakiem

uporządkowania

(lub

występowaniem

uporządkowania blisko zasięgowego), w którym cząsteczki
(atomy)

zachowują swobodę ruchów drgających, przy

praktycznym braku swobody ruchów postępowych i rotacyjnych

Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne

STAN KRYSTALICZNY

W STANIE KRYSTALICZNYM atomy, jony lub cząsteczki są
ułożone w periodyczny, trójwymiarowy wzór tzw. KRYSZTAŁ

Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne

STRUKTURA KRYSZTAŁÓW

....może być rozpatrywana z punktu widzenia:

rozmieszczenia przestrzennego elementów

tworzących kryształ

rodzaju elementów tworzących kryształ

rodzaju wiązań chemicznych pomiędzy

elementami tworzącymi kryształ

podejście geometryczne

podejście fizyczne
(chemiczne)

Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne

SIEĆ PRZESTRZENNA KRYSZTAŁÓW

Do opisu struktury geometrycznej kryształów stosujemy pojęcie
SIECI PRZESTRZENNEJ

SIEĆ PRZESTRZENNA

to

zbiór punktów zwanych

WĘZŁAMI SIECI,

podających położenie środków masy

atomów, cząsteczek lub jonów tworzących kryształ

Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne

SYMETRIA KRYSZTAŁÓW

Opisem symetrii kryształów zajmuje się

KRYSTALOGRAFIA GEOMETRYCZNA

Pb

5

[Cl(VO

4

)

3

]

SiO

2

CaCO

3

Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne

parametry sieciowe

KOMÓRKA ELEMENTARNA...

...to równoległościan stanowiący podstawowy, powtarzający
się okresowo w przestrzeni, element sieci przestrzennej

a

b

c

g

b

a

a, b, c

a, b, g

Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne

KOMÓRKA ELEMENTARNA

UKŁADY KRYSTALOGRAFICZNE

Szczegółowa analiza wykazała, że strukturę geometryczną
wszystkich kryształów, można odtworzyć przyjmując, że
istnieją 4 typy KOMÓREK ELEMENTARNYCH, rozdzielone
pomiędzy

7

UKŁADÓW KRYSTALOGRAFICZNYCH

,

różniących się relacjami pomiędzy a, b, c i

a

,

b

,

g

a = b = c

a

=

b

=

g

= 90°

UKŁAD REGULARNY

a

g b g c

a

=

b

=

g

= 90°

UKŁAD ROMBOWY

...przykładowo:

Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne

Typy komórek elementarnych

prymitywna

P

przestrzennie centrowana

I

płasko centrowana na

dwóch ścianach

C

płasko centrowana na

wszystkich ścianach

F

Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne

Wiązania w sieci krystalicznej

W zależności od typu wiązań pomiędzy elementami
tworzącymi kryształ wyróżniamy:

atomy połączone
wiązaniem metalicznym

metaliczny

jony połączone
wiązaniem jonowym

jonowy

atomy połączone
wiązaniami

s

lub

p

kowalencyjny

cząsteczki lub atomy
oddziaływujące siłami
Van der Waalsa

molekularny

elementy struktury i

wiązanie

typ kryształu

Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne

DEFEKTY W KRYSZTAŁACH

Żaden kryształ w temperaturze T > 0 K

NIE MOŻE

mieć

idealnej struktury dlatego w sieci krystalicznej

ZAWSZE

istnieją

DEFEKTY

Defekty w sieci krystalicznej możemy podzielić na:

punktowe (zerowymiarowe)

liniowe (jednowymiarowe)

płaskie (dwuwymiarowe)

Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne

DEFEKTY PUNKTOWE

Zburzenia regularności sieci krystalicznej o rozmiarach rzędu
rozmiarów elementów tworzących kryształ (jonów, atomów
lub cząsteczek) to....

atomowe

elektronowe

dotyczą całego atomu,
jonu lub cząsteczki

dotyczą wyłącznie sytuacji
związanych z zachowaniem się
elektronu w sieci krystalicznej

Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne

ATOMOWE DEFEKTY PUNKTOWE

defekt Schottky’ego

wakancja

kationowa

wakancja
anionowa

sieć

idealna

kation

anion

Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne

ATOMOWE DEFEKTY PUNKTOWE

defekt Frenkla

sieć

idealna

kation

anion

kation

międzywęzłowy

wakancja

kationowa

Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne

ATOMOWE DEFEKTY PUNKTOWE

obcy atom (jon) w pozycji węzłowej

sieć

idealna

kation

anion

Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne

O

Defekty punktowe i stechiometria związków chemicznych

O

2-

Ni

2+

Ni

2+

Ni

2+

O

2-

Ni

2+

O

2-

O

2-

O

2-

Ni

2+

O

2-

Ni

2+

Ni

2+

Ni

2+

O

2-

Ni

2+

O

2-

O

2-

O

2-

Ni

2+

O

2-

Ni

2+

Ni

2+

Ni

2+

O

2-

Ni

2+

O

2-

O

2-

O

2-

Ni

2+

O

2-

Ni

2+

Ni

2+

Ni

2+

O

2-

Ni

2+

O

2-

O

2-

O

2-

Ni

2+

O

O

2-

Ni

3+

Ni

3+

NiO

Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne

Ni

3+

O

2-

Ni

2+

Ni

2+

O

2-

O

2-

O

2-

O

2-

Ni

2+

O

2-

Ni

2+

Ni

2+

Ni

2+

O

2-

Ni

2+

O

2-

O

2-

O

2-

Ni

2+

O

2-

Ni

3+

Ni

3+

O

2-

Ni

2+

Ni

2+

O

2-

O

2-

O

2-

O

2-

Ni

2+

O

2-

Ni

2+

Ni

2+

Ni

2+

O

2-

Ni

2+

O

2-

O

2-

O

2-

Ni

2+

O

2-

Ni

3+

Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne

Gdy w jakiejkolwiek reakcji powstają kryształy tlenku niklu
NiO liczba jonów tlenkowych O

2-

jest zawsze większa od

liczby jonów niklu. Zatem praktycznie wzór tlenku niklu ma
postać:

2

1

1

x

)

III

(

x

)

II

(

x

O

Ni

Ni



-

wartość x (lub y) zależy od sposobu otrzymywania tlenku niklu
(rodzaju reagentów, temperatury, atmosfery otaczająca reagenty i
produkty, szybkości prowadzenia reakcji)

y

NiO



1

Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne

Zalecana literatura:

1. L. Jones, P. Atkins - Chemia ogólna, PWN Warszawa

2004 – str. 183-217, str. 441-461 (wydanie 1-tomowe)

2. A. Bielański – Podstawy chemii nieorganicznej, tom 1,

PWN Warszawa 2010 – str. 187-196, 200-206

Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne