Chemia

Chemia

Prof. dr hab. Krystyna A. Skibniewska
Katedra Podstaw Bezpieczeństwa WNT
E-mail: [e-mail]

Plan wykładu I1I

Plan wykładu I1I



Budowa i właściwości gazów, cieczy

i ciał stałych.



Termodynamika chemiczna.



Amfoteryczność.



Hydroliza.



Obliczenia stechiometryczne

Wcześniej mówiono strukturę atomów i

cząsteczek. Ale wokół nas zwykle
występują ich zbiorowiska

Gazy

- nie mają określonego kształtu i

objętości (kształt i objętość naczynia). Gaz
wywiera ciśnienie na ściany naczynia,
ściskając naczynie dość łatwo można
zmienić objętość. Brak uporządkowania
cząsteczek.

Równanie gazu

Równanie gazu

doskonałego

doskonałego

pv = RT

Gdzie: p – ciśnienie, v = objętość, T =

temperatura

o

K, R = stała gazowa

Gaz doskonały – założenie, że nie ma

oddziaływania miedzy cząsteczkami

(dostatecznie wysoka temp. i niskie ciśnienie).

Siły van der Waalsa – siły międzycząsteczkowe.

Zanikają wraz ze spadkiem ciśnienia lub

podwyższeniem temperatury. Pozwalają na

skroplenie gazu. Są skutkiem istnienia dipoli,

polaryzacji cząsteczki, lub dyspersji.

Ciecze

– przyjmują kształt naczynia

ale mają powierzchnię. Objętość w
małym stopniu zależy od ciśnienia.
Cząsteczki mogą się przesuwać
względem siebie ale nie wychodzą
poza zasięg wzajemnych
oddziaływań.

Napięcie powierzchniowe. Kapilarność.

Płynność. Lepkość. Lepkość rozpuszczalnika i
roztworu. Zależność lepkości od temperatury –
na ogół maleje ale np. w kitach siarkowych
rośnie. Ciecze sztywne.

Ciała stałe

Ciała stałe

– posiadają strukturę

– posiadają strukturę

krystaliczną. Mają sztywną postać

krystaliczną. Mają sztywną postać

czyli stałą objętość i kształt. Stan

czyli stałą objętość i kształt. Stan

uporządkowany

uporządkowany

.

.



Ciała krystaliczne – sieć krystaliczna o
określonym kształcie dla danego związku
chemicznego. Stały skład. Prawo stałości
kątów. Zależność własności od kierunku. Topi
się w określonej temperaturze.



Ciała bezpostaciowe – zastygły bez
krystalizacji. Nie ma temperatury topnienia.
Podgrzewane, poprzez stan plastyczny
przechodzi w ciecz.

Budowa kryształu

Budowa kryształu

Układ krystalograficzny, oś

krystalograficzna, atom lub jon
centralny, liczba koordynacyjna.

Kryształy: molekularne (zestalone

gazy szlachetne, zestalony
metan), kowalencyjne (diament,
SiC), jonowe (NaCl), metaliczne.

Ten sam pierwiastek lub związek chemiczny w zależności od

sposobu powstawania i warunków zewnętrznych (np.
temperatury) może występować w różnych strukturach
krystalicznych (C: diament, grafit, sadza, grafen)

Nagroda Nobla w

Nagroda Nobla w

dziedzinie fizyki 2010

dziedzinie fizyki 2010

Grafen jest to niezwykle cienka, o grubości

jednego atomu warstwa grafitu. Pomimo,

że powstaje nawet podczas pisania

zwykłym ołówkiem, proces otrzymywania

czystego grafenu poprzez skrawanie

ultracienkich warstw grafitu jest niezwykle

kosztowny, czyniąc go prawdopodobnie

najdroższym materiałem na Ziemi. W tej

chwili główną przeszkodą w popularyzacji

grafenu w produkcji procesorów są bardzo

wysokie koszty uzyskania go z grafitu.

Ostatnio Polacy opracowali metodę

otrzymywania grafenu.

Nagroda Nobla w

Nagroda Nobla w

dziedzinie fizyki 2010 c.d.

dziedzinie fizyki 2010 c.d.

Przeźroczyste warstwy grafenu o grubości jednego

atomu są niezwykle wytrzymałe mechanicznie i
termicznie. Do tego grafen jest bardzo dobrym
przewodnikiem. Wystarczy jednak prosta obróbka
chemiczna, tak jak niedawno odkryta metoda
dołączania atomów wodoru, aby z idealnego
przewodnika stał się prawie idealnym izolatorem (tzw
grafan). Co więcej, można osiągnąć również
praktycznie wszystkie stadia pośrednie. Już w
niedalekiej przyszłości może się okazać możliwe
konstruowanie praktycznie całych układów scalonych
w oparciu jedynie o cienką warstewkę grafenu. Być
może niezbyt odległa jest wizja stworzenia
przeźroczystych ekranów, które można bardzo łatwo
odkształcać, a tak często pojawiających się w filmach
science-fiction.

Warto też wspomnieć o jeszcze jednej niesłychanej

własności grafenu. Elektrony poruszają się w nim tak
szybko, że do ich opisu nie można stosować równania
Schrödingera a jedynie jego relatywistyczny odpowiednik
- równanie Diraca. Grafen jest zatem doskonałym
materiałem do testowania relatywistycznych własności
materii, pomagając w zrozumieniu budowy nawet tak
egzotycznych obiektów astrofizycznych takich jak białe
karły czy gwiazdy neutronowe.

Zasługi Andre Gejma i Konstantina Nowosiełowa polegają

przede wszystkim na wyizolowaniu grafenu i dokładnym
opisaniu jego niezwykłych własności, pozwalających na
budowanie tzw. procesorów grafenowych. Grafen to
dwuwymiarowy kryształ złożony z atomów węgla,
zbudowany z sześcioczłonowych pierścieni tego
pierwiastka. Budową przypomina zatem plaster miodu.

Nagroda Nobla w

Nagroda Nobla w

dziedzinie fizyki 2010 c.d.

dziedzinie fizyki 2010 c.d.

Nagroda Nobla w

Nagroda Nobla w

dziedzinie fizyki 2010 c.d.

dziedzinie fizyki 2010 c.d.

Najważniejszą właściwością kryształu jest

znakomite przewodzenie prądu i ciepła.

Dzięki temu nadaje się do budowy

energooszczędnych tranzystorów, z

których zbudowane są procesory,

stanowiące "mózg" każdego komputera.

W przyszłości grafen posłuży

prawdopodobnie do budowy

superszybkich komputerów, z

procesorami o taktowaniu nawet 500-

1000 GHz.

Grafen może zastąpić krzem jako materiał

do budowy procesorów. 

Budowa krystaliczna warunkuje takie cechy

fizyczne materiałów, jak twardość,
łupliwość, załamanie światła, a także
rozpuszczalność, ciepło i temperaturę
topnienia.

Materiały mogą być zbudowane wg kilku

wzorców sieci krystalicznej (sieć
mieszana).

Grafit: wiązanie atomowe w warstwach, siły Van der Waalsa między warstwami;
Talk: wiązanie jonowe w warstwach, siły Van der Waalsa między warstwami;
Gips: wiązanie jonowe w warstwach, mostki wodorowe między warstwami.

Budowa kryształu c.d.

Budowa kryształu c.d.

Skala twardości wg Mohsa

Skala twardości wg Mohsa

Stopień

twardośc

i

Substancja

Wzór

chemiczny

Wiązanie sieciowe

1

Talk

Mg

3

(Si

4

O

10

) (OH)

2

Struktura pakietowa: w

warstwach jonowe, między

warstwami siły Van der

Waalsa

2

Gips

CaSO

4

.

2H

2

O

w warstwach jonowe,

między warstwami mostki

wodorowe

3

Kalcyt

CaCO

3

jonowe

4

Fluoryt

CaF

2

jonowe

5

Apatyt

Ca

5

(PO

4

)

3

(F,Cl)

jonowe

6

Ortoklaz

K[AlSi

3

O

8

]

jonowe

7

Kwarc

SiO

2

atomowe spolaryzowane

8

Topaz

Al

2

(F,OH)

2

SiO

4

jonowe

9

Korund

Al

2

O

3

atomowe spolaryzowane

9,5 (10)

Węglik krzemu SiC

atomowe

10 (15)

Diament

C

atomowe

Budowa atomu – stan podstawowy i

wzbudzony. Jonizacja. Stan energetyczny
atomu w zależności od stanu.
Promieniowanie.

Termochemia – nauka o cieplnych efektach

przemian chemicznych.

I zasada termodynamiki – w układzie

zamkniętym suma wszystkich rodzajów
energii pozostaje stała, niezależnie od
zachodzących przemian.

E = constans

Ciepło molowe

Ciepło molowe

Im wyższa temperatura, tym większa

prędkość ruchu cząsteczek

(w gazach

swobodne, postępowe oraz obrotowe i drgające, w cieczach

mniej swobodne, w kryształach jedynie drgające)

.

Ciepło molowe Q [J/m] – ilość energii

potrzebnej do ogrzania 1 mola
substancji o 1K.

Q zależy od temperatury – w pobliżu 0K

zbliża się do 0, gdyż ustaje ruch
cząsteczek.

Każdej reakcji chemicznej towarzyszy

wydzielenie lub pobranie pewnej ilości
energii, najczęściej w postaci ciepła.

Reakcje egzo- i endotermiczne (+ lub –

∆H).

CaCO

3

+ 178,5 kJ → CaO + CO

2

CaO + H

2

O → Ca(OH)

2

+ 67,0 kJ

∆H to efekt cieplny reakcji zachodzącej pod

stałym ciśnieniem, zwany zmiana entalpii
składników reakcji.

Zagadnienia na ćwiczenia

Zagadnienia na ćwiczenia



Amfoteryczność.



Hydroliza soli.



Obliczenia stechiometryczne