Chemia – laboratoria

Chemia – laboratoria

Temat:

Temat:

Siły spójności tworzyw jednorodnych i

Siły spójności tworzyw jednorodnych i

niejednorodnych

niejednorodnych

Wykonali:

Wykonali:

Jasik Rafał

Jasik Rafał

Jurkiewicz Marek

Jurkiewicz Marek

Opole, 13.03.2008

Opole, 13.03.2008

Jednorodność

Jednorodność

- wykazywanie

- wykazywanie

jednakowych właściwości

jednakowych właściwości

(rozszerzalność termiczna,

(rozszerzalność termiczna,

przewodnictwo elektryczne,

przewodnictwo elektryczne,

współczynnik załamania

współczynnik załamania

światła, szybkość wzrostu i

światła, szybkość wzrostu i

rozpuszczania) w każdym

rozpuszczania) w każdym

punkcie objętości danej

punkcie objętości danej

substancji.

substancji.

Ciała (substancje, przedmioty,

Ciała (substancje, przedmioty,

cząstki) jednorodne wykazują

cząstki) jednorodne wykazują

jednakowe właściwości bez

jednakowe właściwości bez

względu na punkt ciała, w

względu na punkt ciała, w

którym dana właściwość jest

którym dana właściwość jest

rozpatrywana.

rozpatrywana.

Niejednorodność

Niejednorodność

–

–

analogicznie do jednorodności

analogicznie do jednorodności

jest to cecha charakteryzująca

jest to cecha charakteryzująca

się odmiennymi

się odmiennymi

właściwościami fizycznymi

właściwościami fizycznymi

oraz mechanicznymi tworzyw

oraz mechanicznymi tworzyw

w zależności od miejsca i

w zależności od miejsca i

kierunku przyłożenia siły.

kierunku przyłożenia siły.

Przykładowym tworzywem

Przykładowym tworzywem

jednorodnym jest:

jednorodnym jest:

Stal

Stal

Przykładowym tworzywem

Przykładowym tworzywem

niejednorodnym jest

niejednorodnym jest

Drewno

Drewno

Siły spójności

(oddziaływania

międzycząsteczkowe) są to

inne niż wiązania chemiczne

siły wiążące atomy i

cząsteczki.

Oddziaływania między

atomami w cząsteczkach

należą do oddziaływań

silnych, których energie są

większe niż 100 kJ/mol.

Istnieją też znacznie słabsze

oddziaływania o energiach

znacznie niższych od

przytoczonej wartości.

Przyciąganie

międzycząsteczkowe jest

odpowiedzialne za łączenie

się atomów lub cząsteczek,

ale jest ono ograniczone

przez zjawisko odpychania

między jądrami oraz

rdzeniami elektronowymi

sąsiadujących atomów.

Oddziaływania

międzycząsteczkowe dzieli się

na:

• oddziaływanie jon – jon

• oddziaływanie trwały dipol – trwały
dipol

• wiązania wodorowe

•

oddziaływania van der Waalsa

Wiązania wodorowe

Wiązania wodorowe

W cząsteczkach związków

chemicznych oprócz oddziaływań typu

uniwersalnego wystepują również

oddziaływania specyficzne. Należy do

nich wiązanie wodorowe.

O istnieniu tego rodzaju wiązania

świadczą wyjątkowo wysokie

temperatury wrzenia wody, amoniaku

i fluorowodoru. Jest ono utworzone

przez atom wodoru położony między

dwoma małymi, silnie

elektroujemnymi atomami

zawierającymi wolne pary

elektronowe.

Donorami wolnych par elektronowych

w szczególności atomy N, O i F.

Wiązanie wodorowe oznacza się

kropkami, by odróżnić je od

prawdziwego wiązania

kowalencyjnego, np. we wzorze;

Wiązanie wodorowe tworzy się

pomiędzy atomem wodoru związanym

z atomem o dużej elektroujemności, a

atomem z wolnymi parami

elektronowymi.

Schemat powstawania wiązania

Schemat powstawania wiązania

wodorowego

wodorowego

Przykładowe wiązania

Przykładowe wiązania

wodorowe

wodorowe

Aby zrozumieć powstawanie wiązania

Aby zrozumieć powstawanie wiązania

wodorowego, posłużymy się cząsteczką

wodorowego, posłużymy się cząsteczką

wody w której mamy silnie

wody w której mamy silnie

spolaryzowane wiązanie O-H.

spolaryzowane wiązanie O-H.

Elektroujemny atom tlenu silnie

Elektroujemny atom tlenu silnie

przyciąga elektrony wiązania, co

przyciąga elektrony wiązania, co

powoduje, że atom wodoru uzyskuje

powoduje, że atom wodoru uzyskuje

duży cząstkowy ładunek dodatni.

duży cząstkowy ładunek dodatni.

Dodatnio naładowany atom wodoru jest

Dodatnio naładowany atom wodoru jest

silnie przyciągany przez jedną z wolnych

silnie przyciągany przez jedną z wolnych

par elektronowych atomu tlenu

par elektronowych atomu tlenu

sąsiedniej cząsteczki wody. W wyniku

sąsiedniej cząsteczki wody. W wyniku

silnego oddziaływania wolnej pary

silnego oddziaływania wolnej pary

elektronowej o ładunku ujemnym i

elektronowej o ładunku ujemnym i

cząstkowego ładunku dodatniego

cząstkowego ładunku dodatniego

powstaje wiązanie.

powstaje wiązanie.

Wiązania wodorowe mogą tworzyć

się pomiędzy różnymi

cząsteczkami. Takie wiązanie nosi

nazwę międzycząsteczkowego

wiązania wodorowego.

Przykładem mogą być wiązania

tworzące się pomiędzy już

opisanymi cząsteczkami wody.

Ten typ wiązania wpływa, między

innymi na wartość temperatury

wrzenia temperatury topnienia

oraz rozpuszczalności

Porównanie temperatur wrzenia związków

wodoru z pierwiastkami

rodziny głównej 4-7.

Fakt występowania wiązania wodorowego

Fakt występowania wiązania wodorowego

pomiędzy cząsteczkami wody, warunkuje

pomiędzy cząsteczkami wody, warunkuje

jej szczególne właściwości, które

jej szczególne właściwości, które

umożliwiają istnienie życia na Ziemi.

umożliwiają istnienie życia na Ziemi.

Wiązania te silnie łączą ze sobą cząsteczki

Wiązania te silnie łączą ze sobą cząsteczki

wody, co powoduje, że woda ma znacznie

wody, co powoduje, że woda ma znacznie

wyższą temperaturę wrzenia, niż

wyższą temperaturę wrzenia, niż

wskazywałyby na to obliczenia. Wiązanie

wskazywałyby na to obliczenia. Wiązanie

wodorowe utrzymuje cząsteczki wody w

wodorowe utrzymuje cząsteczki wody w

pewnej odległości od siebie, gdy woda

pewnej odległości od siebie, gdy woda

krzepnie, tworząc lód; w rezultacie, lód ma

krzepnie, tworząc lód; w rezultacie, lód ma

mniejszą gęstość niż ciekła woda i pływa

mniejszą gęstość niż ciekła woda i pływa

po powierzchni. Woda zawdzięcza również

po powierzchni. Woda zawdzięcza również

wiązaniu wodorowemu dużą pojemność

wiązaniu wodorowemu dużą pojemność

cieplną, co znacznie łagodzi klimat na

cieplną, co znacznie łagodzi klimat na

Ziemi, ponieważ wielkie masy wody

Ziemi, ponieważ wielkie masy wody

znajdujące się w oceanach powoli

znajdujące się w oceanach powoli

nagrzewają się i powoli stygną.

nagrzewają się i powoli stygną.

Energia wiazań wodorowych

Wiązanie

wodorowe

Energia w kJ/mol

O-H...O

12,5 - 33,4

O-H...N

16,7 - 29,3

N-H...O

12,5 - 16,7

N-H...N

5,4 - 20,9

F-H...F

20,9 - 33,4

Wiązania zdelokalizowane

Wiązania zdelokalizowane

Są to takie wiązania atomowe,

Są to takie wiązania atomowe,

które na skutek oddziaływań

które na skutek oddziaływań

między sobą oraz ze względu

między sobą oraz ze względu

na sprzyjający kształt

na sprzyjający kształt

cząsteczki nie tworzą się

cząsteczki nie tworzą się

pomiędzy dwoma atomami, ale

pomiędzy dwoma atomami, ale

kilka wiązań spaja się w jedno

kilka wiązań spaja się w jedno

duże, które nie zajmujące

duże, które nie zajmujące

pozycji wiązań pierwotnych,

pozycji wiązań pierwotnych,

dlatego nazywane jest

dlatego nazywane jest

zdelokalizowanym.

zdelokalizowanym.

Do najbardziej

Do najbardziej

reprezentatywnych wiązań

reprezentatywnych wiązań

zdelokalizowanych należy

zdelokalizowanych należy

wiązanie w benzenie i jego

wiązanie w benzenie i jego

pochodnych. Elektrony trzech

pochodnych. Elektrony trzech

wiązań π tworzą jedno

wiązań π tworzą jedno

wiązanie (sześć elektronów).

wiązanie (sześć elektronów).

Wiązania van der Waalsa

To, że każdą substancję możemy

skroplić, jest dowodem że między

atomami i cząsteczkami występują

przyciągające oddziaływania.

Przykładem takiego przyciągania jest

oddziaływanie występujące między

atomami gazów szlachetnych, które

umożliwia ich kondensację. Ten

rodzaj oddziaływania nosi nazwę sił

van der Waalsa i jest to jedyny rodzaj

przyciągania między atomami gazów

szlachetnych i między cząsteczkami

niepolarnymi.

Siły van der Waalsa i temperatury wrzenia

niektórych helowców

Pierwiast

ek

erg *

cm

6

Temperatura

wrzenia

(kcal/mol)

He

1,2

-269

o

C

Ar

52,0

-185

o

C

Xe

217,0

-108

o

C

Wielkość tych sił podawana jest w jednostkach

erg * cm

6

. Dla porównania podano także

temperatury wrzenia odpowiednich

pierwiastków. Z przedstawionych w tabeli

danych widać, że wzrost sił van der Waalsa

powoduje wzrost temperatury wrzenia helowców.

Erg - jednostka pracy i energii, jednostka pochodna w układzie miar

CGS.

1 erg = 10

-7

J

Siły van der Waalsa są wynikiem

wzajemnego oddziaływania elektronów i

jąder w cząsteczkach. A konkretnie

polegają one na przyciąganiu się

szybkozmiennych albo inaczej falujących

dipoli.

W wyniku ruchu elektronów

walencyjnych gęstość ładunku ujemnego

na zewnętrznej powłoce atomów ulega

szybkim fluktuacjom wzbudzając

podobną fluktuację w powłoce

walencyjnej sąsiednich atomów.

Powstają szybkozmienne dipole, które

wzajemnie przyciągają się zwiększając,

w miarę zbliżania się, wzajemną

polaryzację elektronową.

Schemat powstawania

Schemat powstawania

wiązania van der Waalsa

wiązania van der Waalsa

Siły van der Waalsa są stosunkowo słabe

Siły van der Waalsa są stosunkowo słabe

w przypadku małych cząsteczek

w przypadku małych cząsteczek

(kilkanaście razy słabsze od sił wiązania

(kilkanaście razy słabsze od sił wiązania

atomów w cząsteczce), ale w przypadku

atomów w cząsteczce), ale w przypadku

dużych cząsteczek mogą nawet

dużych cząsteczek mogą nawet

przewyższać siły wiązania chemicznego

przewyższać siły wiązania chemicznego

np. w smarach albo w tworzywach

np. w smarach albo w tworzywach

sztucznych. Prawidłowość ta również jest

sztucznych. Prawidłowość ta również jest

zauważalna dla temperatur wrzenia, gdzie

zauważalna dla temperatur wrzenia, gdzie

zwykle substancje o dużej masie

zwykle substancje o dużej masie

cząsteczkowej mają wysokie temperatury

cząsteczkowej mają wysokie temperatury

wrzenia a substancje o małej masie

wrzenia a substancje o małej masie

cząsteczkowej - niskie temperatury

cząsteczkowej - niskie temperatury

wrzenia

wrzenia

Jest to spowodowane większą liczbą

Jest to spowodowane większą liczbą

elektronów w cząsteczce, czemu

elektronów w cząsteczce, czemu

odpowiadają większe fluktuacje ładunków

odpowiadają większe fluktuacje ładunków

cząstkowych uwarunkowane oscylowaniem

cząstkowych uwarunkowane oscylowaniem

elektronów między różnymi położeniami.

elektronów między różnymi położeniami.

Daje się to zauważyć wśród cząsteczek

Daje się to zauważyć wśród cząsteczek

fluorowców. I tak atom wodoru F2 ma

fluorowców. I tak atom wodoru F2 ma

tylko 9 elektronów, fluktuacje w tej

tylko 9 elektronów, fluktuacje w tej

chmurze elektronowej są małe i

chmurze elektronowej są małe i

oddziaływania międzycząsteczkowe są tak

oddziaływania międzycząsteczkowe są tak

słabe, że gazowy fluor wrze w

słabe, że gazowy fluor wrze w

temperaturze -188

temperaturze -188

o

o

C. W atomie takim jak

C. W atomie takim jak

brom Br2 mamy 35 elektronów, fluktuacje

brom Br2 mamy 35 elektronów, fluktuacje

są zdecydowanie większe a efektem tego

są zdecydowanie większe a efektem tego

jest zmiana temperatury wrzenia, która dla

jest zmiana temperatury wrzenia, która dla

bromu wynosi 59

bromu wynosi 59

o

o

C.

C.

Oddziaływania jon-jon

Oddziaływania jon-jon

Oddziaływania jon-jon nazywane też

efektem jojo (kulombowskie lub

elektrostatyczne) - zachodzą między

dwiema różnoimiennie

naładowanymi cząsteczkami; od

wiązań jonowych różni je to, że

ładunek w oddziałujących ze sobą

cząsteczkach nie jest

skoncentrowany na jednym atomie,

lecz jest zdelokalizowany na kilku-

kilkunastu atomach. Siła ich

oddziaływania jest proporcjonalna

do 1/r2 (gdzie r - odległość między

cząsteczkami). W przypadku ośrodka

zawierającego inne ładunki (np.

roztworu elektrolitu) efekt

oddziaływania jest mniejszy.

Oddziaływanie dipol-dipol

Oddziaływanie dipol-dipol

Oddziaływania trwały dipol - trwały

dipol - tworzą się między

cząsteczkami posiadającymi trwałe

momenty dipolowe. Cząsteczki takie

posiadają w jednych miejscach

nadmiar ładunku ujemnego, a w

innych jego niedomiar. Oddziałują one

ze sobą tak jak jony - tyle, że

oddziaływanie to jest słabsze, gdyż w

grę wchodzą cząstkowe, a nie

całkowite ładunki elektryczne, a także

przyciąganiu pomiędzy ładunkami

różnoimiennymi towarzyszy zawsze

odpychanie pomiędzy ładunkami

jednoimiennymi.

Cząsteczki o trwałych momentach

Cząsteczki o trwałych momentach

dipolowych  mogą się

dipolowych  mogą się

elektrostatycznie przyciągać

elektrostatycznie przyciągać

wzajemnie z siłą:

wzajemnie z siłą:

                                             

                                             

                                                

                                                

gdzie  oznacza stałą

gdzie  oznacza stałą

dielektryczna ośrodka a r -

dielektryczna ośrodka a r -

odległość pomiędzy

odległość pomiędzy

oddziaływującymi cząsteczkami.

oddziaływującymi cząsteczkami.

Oddziaływanie trwały dipol-

Oddziaływanie trwały dipol-

dipol dipol indukowany

dipol dipol indukowany

Siłę oddziaływania pomiędzy dipolem

trwałym a dipolem indukowanym można

wyrazić równaniem:

gdzie:
    - trwały moment dipolowy,
    - polaryzowalność cząsteczki,

  A

  - stała,

  r

 

  - odległość pomiędzy oddziaływującymi

cząsteczkami

.

Siły dyspersyjne Londona

Siły dyspersyjne Londona

Siły dyspersyjne Londona powstają

Siły dyspersyjne Londona powstają

wskutek periodycznych zmian

wskutek periodycznych zmian

gęstości elektronów w cząsteczkach.

gęstości elektronów w cząsteczkach.

Dlatego chwilowe asymetrie rozkładu

Dlatego chwilowe asymetrie rozkładu

ładunku wytwarzają się nawet w

ładunku wytwarzają się nawet w

cząsteczkach dla których uśredniony

cząsteczkach dla których uśredniony

w czasie rozkład elektronów jest

w czasie rozkład elektronów jest

symetryczny (np. w cząsteczce

symetryczny (np. w cząsteczce

wodoru). Powstają małe momenty

wodoru). Powstają małe momenty

dipolowe o zmiennej orientacji.

dipolowe o zmiennej orientacji.

Momenty te mogą oddziaływać na

Momenty te mogą oddziaływać na

sąsiednie powłoki elektronowe

sąsiednie powłoki elektronowe

powodując efekt indukcyjny.

powodując efekt indukcyjny.

Przyciąganie się takich chwilowych

Przyciąganie się takich chwilowych

momentów daje oddziaływanie

momentów daje oddziaływanie

dyspersyjne.

dyspersyjne.

Względne wartości efektów wzajemnego

Względne wartości efektów wzajemnego

oddziaływania cząsteczek. 

oddziaływania cząsteczek. 

      

      

     

     

     

     

  

    Cząsteczka

Efekt

orientacyjny- 

oddziaływanie

d-d

Efekt

indukcyjny- 

oddziaływanie

d-i

Efekt dyspersyjny-

siły dyspersyjne

Londona

H

2

       brak

      brak

          11,3

N

2

       brak

      brak

          62,0

CH

4

       brak

      brak 

         117,0

CO

      0,0034

        0,057

           67,0

NH

3

       84,0

      10,0

           93,0

H

2

O

       190,0

      10,0

           47,0