Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

CHEMIA OGÓLNA

CHEMIA OGÓLNA

WYKŁAD 3

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Oddziaływania międzycząsteczkowe

Oddziaływania międzycząsteczkowe

Siły Van der Waals'a:

• oddziaływania dipol - dipol (d-d),

• oddziaływania trwały dipol – indukowany dipol (d-i),

• oddziaływania indukowany dipol – indukowany dipol (i-i),

• siły dyspersji Londona.

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Wiązania wodorowe

Wiązania wodorowe

mostek tlenowy wodzie

wiązania wodorowe

w strukturze DNA

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Stany skupienia

Stany skupienia

materii

materii

ciało stałe

gaz

ciecz

plazma

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Naturalne stany skupienia pierwiastków

Naturalne stany skupienia pierwiastków

g

g

- gas

l

l

- liquid

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

l

l

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Gaz

Gaz

Gaz

Gaz – faza, w której energia atomów wynosi:

T

k

3

2

E

k





Faza

Faza – cześć układu jednorodna w całej swojej objetości

zarówno pod względem chemicznym, jak i fizycznym.

k - stała Boltzman’a,

T – temperatura bezwzględna.

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Gaz doskonały

Gaz doskonały

• gaz składa się z cząsteczek (atomów) będących

w nieustającym, przypadkowym ruchu,

• cząsteczki (atomy) można traktować jako punkty

bezwymiarowe, można zaniedbać wymiary cząsteczek,

• zderzenia między cząsteczkami są doskonale

sprężyste.

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Prawa gazu doskonałego

Prawa gazu doskonałego

Prawo Avogadro:

Prawo Avogadro:

Jednakowe objętości różnych gazów znajdujących się

pod tym samym ciśnieniem i w tej samej

temperaturze zawierają jednakową liczbę cząsteczek

23

10

6,023

N





N -

N - liczba Avogadro

3

dm

4

,

2

2

V 

1 mol każdego gazu w warunkach normalnych

(T=273,15K (0

0

C) p= 1013,25hPa (1atm.)) zajmuje

taką samą objętość

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Prawo Boyle – Mariotte'a:

Prawo Boyle – Mariotte'a:

W stałej temperaturze (warunki izotermiczne) iloczyn

ciśnienia i objętości jest wartościa stałą.

.

const

v

p 

1

2

2

1

2

2

1

1

v

v

p

p

v

p

v

p





stąd:

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Izotermy dla różnych temperatur

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

.

const

T

v

1

1



stąd:

2

2

1

1

T

v

T

v



Prawo Gay

Prawo Gay –

Lussac’a:

Lussac’a:

przy stałym ciśnieniu (warunki izobaryczne) objętość

danej masy gazu zmienia się proporcjonalnie do

temperatury.

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Izobary dla różnych ciśnień

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Prawo Charle

Prawo Charle

s

s

’a:

’a:

przy stałej objętości (warunki izochoryczne) ciśnienie

gazu

zmienia

się

proporcjonalnie

do

zmian

temperatury.

.

const

T

p

1

1



stąd:

2

2

1

1

T

p

T

p



Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Izochory dla różnych objętości gazu

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Równanie stanu gazu doskonałeg

Równanie stanu gazu doskonałeg

o

o

(Clausiusa-Clapeyrona):

(Clausiusa-Clapeyrona):

nRT

v

p 

p - ciśnienie [Pa],

v - objętość [m

3

],

n - liczba moli gazu [mol],

R – uniwersalna stała gazowa 8.314 [Pa·m

3

/mol·K],

T – temperatura bezwzględna [K].

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Prawo Daltona:

Prawo Daltona:

ciśnienie całkowite mieszaniny gazów jest sumą

ciśnień cząstkowych składników.













i

i

2

1

total

p

p

...

p

p

p

Ciśnienie parcjalne (cząstkowe) – jest to ciśnienie

składnika mieszaniny gazów, jakie wywierałby na

ścianki naczynia, gdyby znajdował się w nim sam.

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

wiedząc, że:

V

RT

n

p

,...,

V

RT

n

p

i

i

1

1





oraz:

i

i

i

i

x

n

n





Ciśnienie parcjalne (cząstkowe) gazu jest równe

iloczynowi ciśnienia całkowitego i ułamka molowego

tego składnika w mieszaninie gazu.

i

i

x

p

p





Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Dyfuzja gazów

Dyfuzja gazów

Dyfuzja

Dyfuzja jest to spontaniczne rozprzestrzenianie się

cząsteczek

gazu

wywołane

nieustannym

ruchem

molekularno-kinetycznym.

Prawo dyfuzji Grahama:

Prawo dyfuzji Grahama:

1

2

1

2

2

1

2

1

M

M

d

d

t

t

u

u







u – szybkość dyfuzji,

t – czas przepływu,

d - gęstośc gazu,

M – masa molowa.

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Gaz rzeczywisty

Gaz rzeczywisty

Gazy rzeczywiste w warunkach wysokiego ciśnienia i

niskiej temperatury nie stosują się do praw gazu

doskonałego.

• cząsteczki gazu rzeczywistego posiadają objętość

własną,

• występują pomiędzy nimi oddziaływania między-

cząsteczkowe,

• zderzenia cząstek nie są doskonale sprężyste.

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Odchylenia od praw gazu doskonałego

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Równanie stanu gazu rzeczywistego:

Równanie stanu gazu rzeczywistego:





nRT

b

n

V

V

a

n

p

2

2

























a, b - stałe charakterystyczne dla danego gazu,

(n

2

a/V) - korekta ciśnieniowa,

(nb) – korekta objętościowa.

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Plasma

Plasma - stan typowy dla gazów zjonizowanych,

uważany za odrębny stan skupienia z powodu swoich

unikalnych właściwości. Występują w niej neutralne

cząsteczki, zjonizowane atomy oraz elektrony, jednak

cała

objętość

zajmowana

przez

plazmę

jest

elektrycznie obojętna. Plazma przewodzi prąd

elektryczny, a jej opór elektryczny, inaczej niż

w przypadku metali, maleje ze wzrostem jej

temperatury.

Plazma

Plazma

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Ciecz

Ciecz



podobnie jak w gazie, cząsteczki mają pełną swobodę

przemieszczania się w objętości zajmowanej przez ciecz,
 występują między nimi oddziaływania międzycząsteczkowe,

które się jednak w obrębie objętości cieczy znoszą nawzajem,
 oddziaływania międzycząsteczkowe nie znoszą się na granicy

cieczy z inną fazą na skutek czego występuje zjawisko zwane

napięciem powierzchniowym,
 ciecz przyjmuje kształt naczynia, w którym się znajduje,
 energia kinetyczna oddziaływań pomiędzy cząsteczkami cieczy

jest wyższa niż pomiędzy cząsteczkami gazu.

T

k

E

.)

oddział

(





Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Właściwości cieczy

Właściwości cieczy

Napięcie powierzchniowe

Napięcie powierzchniowe

Siły odziałujące na cząsteczki cieczy przy powierzchni.

powierzchnia

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Napięcie powierzchniowe –

Napięcie powierzchniowe – praca powtrzebna do

zwiększenia powierzchni cieczy o jednostkę.

















2

m

J

A

W

Efekt występowania napięcia powierzchniowego wody.

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Lepkość

Lepkość

Warstwy cieczy poruszające się w przepływie laminarnym.

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Lepkość

Lepkość – miara oporu wewnętrznego cieczy przeciw

płynięciu.



  





puaz

P

s

Pa









Siła potrzebna do nadania gradientu prędkości pomiędzy dwoma

warstwami cieczy wyraża się wzorem:

dx

dv

A

F 





- lepkość dynamiczna,

A - powierzchnia,

v - szybkość,

x – odległość pomiędzy warstwami cieczy.

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Lepkość maleje ze wzrostem temperatury zgodnie z

równaniem Arheniusa:

RT

E

A

Ae





A - stała, charakterystyczna dla cieczy,

E

A

– energia aktywacji przepływu,

R – stała gazowa,

T – temperatura bezwzględna.

Efekt wlewania cieczy o wyższej

lepkości (mleko) do wody.

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Ciała stałe

Ciała stałe

• atomy, bądź cząsteczki ciała stałego są ściśle upakowane

w przestrzeni,

• odległości między cząsteczkami są stałe i ściśle określone,
• przy zastosowaniu odpowiedniej siły ułożenie cząstek

w sieci krystlicznej może ulec trwałej deformacji,

• cząsteczki ciała stałego drgają wokół położenia równowagi

w sieci krystalicznej.

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Ciała stałe

Ciała stałe

amorficzne

ciekłe kryształy

krystaliczne

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Ciała stałe amorficzne

Ciała stałe amorficzne –

formy przypadkowe o

formy przypadkowe o

chaotycznym ułożeniu atomów i cząsteczek, których nie

chaotycznym ułożeniu atomów i cząsteczek, których nie

można opisać geometrycznie

można opisać geometrycznie

Kryształ

Kryształ – ciało stałe, w którym cząsteczki, atomy, bądź

jony są ułożone w regularnym porządku we wszystkich

trzech wymiarach.

Kryształy

Kryształy

monokryształy

monokryształy

ciała polikrystaliczne

ciała polikrystaliczne

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Struktura kryształu

Struktura kryształu

Komórka elementarna -

Komórka elementarna - najmniejsza, powtarzalna

część struktury kryształu, zawierająca wszystkie

rodzaje cząsteczek, jonów i atomów, które tworzą

określoną sieć krystaliczną. Komórka elementarna

powtarza się we wszystkich trzech kierunkach i

odwzorowuje strukturę całego kryształu. Komórka

elementarna jest charakteryzowana przez parametry

sieci: odległości międzycząsteczkowe i kąty pomiędzy

nimi.

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Typy komórek elementarnych

Typy komórek elementarnych

układ regularny

układ regularny

prosty

przestrzennie

centrowany

ściennie

centrowany

układ tetragonalny

układ tetragonalny

prosty

przestrzennie centrowany

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

układ trygonalny

układ trygonalny

układ heksagonalny

układ heksagonalny

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

układ rombowy

układ rombowy

układ

układ

jednoskośny

jednoskośny

prosty

przestrzennie

centrowany

ściennie

centrowany

prosty

ściennie centrowany

dwuściennie

centrowany

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

układ trójskośny

układ trójskośny

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

piryt

FeS

układ regularny

sól kuchenna

NaCl

sinkosyt

CaV

2

O

2

(PO

4

)

2

•5H

2

O

aragonit

CaCO

3

gips

CaSO

4

•4H

2

O

układ

jednoskośny

układ

rombowy

układ tetragonaly

vanadyt

Pb

5

(VO

4

)

3

Cl

układ trygonalny

układ

heksagonalny

kwarc

SiO

2

ortoklaz

K[AlSi

3

O

8

]

układ

trójskośny

Przykłady

Przykłady

struktur krystalicznych

struktur krystalicznych

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Rodzaje kryształów

Rodzaje kryształów

Kryształy jonowe –

Kryształy jonowe – węzły sieci są obsadzone przez

jony.

Przykład:

NaCl – sól kuchenna

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Kryształy kowalentne –

Kryształy kowalentne – węzły sieci są zajęte przez

obojętne atomy.

Przykład:

C - diament

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Kryształy molekularne –

Kryształy molekularne – węzły sieci są obsadzone

przez cząsteczki powiązane:

siłami Van der Waals'a, np. grafit.

mostkami wodorowymi, np. lód.

lub

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Kryształy metaliczne –

Kryształy metaliczne – węzły sieci są obsadzone

dodatnio naładowanymi zrębami atomowymi, pomiędzy

którymi poruszają się wolne elektrony, tzw. „gaz

elektronowy”. Po przyłożeniu ładunku zewnętrznego ruch

elektronów staje się uporządkowany i mamy do czynienia

z przepływem prądu elektrycznego.

sieć metaliczna

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Defekty kryształów

Defekty kryształów

Defekty punktowe –

Defekty punktowe – defekty sieci krystalicznej takie,

jak: luki elektronowe, położenia międzywęzłowe

zanieczyszczenia struktury.

luka elektronowa

położenie
międzywęzłowe

zanieczyszczenie

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Półprzewodniki

Półprzewodniki

Struktura pasm elektronowych

Metal

Półprzewodnik

Izolator

pasmo

przewodnictwa

pasmo

walencyjne

pasmo

przewodnictwa

pasmo

walencyjne

pasmo

wzbronione

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Rodzaje półprzewodników

Rodzaje półprzewodników

Półprzewodniki samoistne

Półprzewodniki domieszkowane

półprzewodnik typu p

półprzewodnik typu n

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Ciekłe kryształy

Ciekłe kryształy

Ciekłe kryształy

Ciekłe kryształy – substancje wykazujące właściwości

pośrednie pomiędzy cieczami i ciałami stałymi.

Na przykład mogą być płynne, jak ciecz, ale posiadać

dwuwymiarowe uporządkowanie cząsteczek, jak w ciele

krystalicznym.

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Rodzaje ciekłych kryształów

Rodzaje ciekłych kryształów

Faza nematyczna

Faza nematyczna - cząsteczki są równoległe względem

siebie lecz nie są zorganizowane w płaszczyzny.

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Faza chiralna

Faza chiralna - (cholesteryczna) cząsteczki w poszcze-

gólnych

płaszczyznach

są

obrócone

wokół

osi

prostopadłych do ich środków i tworzą spiralę.

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Faza smektyczna

Faza smektyczna – cząsteczki w poszczególnych

warstwach są ułożone równolegle.

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Przemiany fazowe

Przemiany fazowe

Te

m

p

e

ra

tu

ra

Gaz

Ciecz

Ciało stałe

su

b

lim

a

cj

a

o

sa

d

za

n

ie

w

rz

e

n

ie

ko

n

d

e

n

sa

cj

a

to

p

n

ie

n

ie

kr

ze

p

n

ię

ci

e

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Reguła faz Gibbs'a

Reguła faz Gibbs'a

Każdy układ chemiczny określony jest przez liczbę faz 
oraz liczbę składników niezbędnych do zbudowania tego

układ . Ilość faz oraz składników jaka może występować
w danym układzie jest zależna od temperatury, ciśnienia.











2

s

s - liczba stopni swobody (liczba parametrów, które można zmienić

nie zmieniając ilości faz w układzie),



- liczba składników niezależnych,



- ilość faz.

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Układy jednoskładnikowe

Układy jednoskładnikowe

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Układy dwuskładnikowe

Układy dwuskładnikowe