1

Pierwiastki i związki chemiczne
występują

w

trzech

stanach

skupienia:

gazowym - ciekłym -
stałym

STANY SKUPIENIA MATERII

STANY SKUPIENIA MATERII

2

G a z d o s k o n a ł y jest to wyidealizowany stan

materii spełniający następujące warunki:

•cząsteczki gazu są jednorodnymi doskonale

sprężystymi kulami,

•objętość własna cząsteczek jest tak mała w

stosunku do objętości zajmowanej przez gaz,
że można ją zaniedbać

•cząsteczki są w stanie ciągłego ruchu,
•zderzenia między cząsteczkami są idealnie

sprężyste,

•cząsteczki nie oddziaływają na siebie, są

chemicznie obojętne,

•ruch cząsteczek jest chaotyczny, bez

uprzywilejowanego kierunku.

Aby wytłumaczyć zachowanie się gazów wprowadzono pojęcie

g a z u d o s k o n a ł e g o

STAN GAZOWY

STAN GAZOWY

3

G a z r z e c z y w i s t y

nie spełnia

wszystkich w/w warunków. Własności gazu
rzeczywistego zbliżają się do własności gazu
doskonałego gdy:

- panuje ciśnienie niskie, oraz
- temperatura jest wysoka.

PRAWA GAZOWE określają zależności
pomiędzy parametrami ( P, T, V ).

S T A N G A Z U

określają wartości

parametrów:
*

temperatury ( T )

* ciśnienia ( P )
* objętości ( V )

Zmiana jednego z parametrów - zmiana
stanu.

4

PRAWA GAZOWE

PRAWA GAZOWE

PRAWO GAY-

PRAWO GAY-

LUSSACA

LUSSACA

IZOBARA

IZOBARA

(2)

T

V

T

V

const;

T

V

2

2

1

1





P= const.

PRAWO

PRAWO

CHARLESA

CHARLESA

IZOCHORA

IZOCHORA

(3)

T

P

T

P

const;

T

P

2

2

1

1





V =
const.

PRAWO BOYLE'A -

PRAWO BOYLE'A -

MARIOTTE'A

MARIOTTE'A

IZOTERMA

IZOTERMA

P  V = const;

P

1

 V

1

= P

2

 V

2

(1)

T = const

5

RÓWNANIE STANU GAZU

RÓWNANIE STANU GAZU

DOSKONAŁEGO

DOSKONAŁEGO

P

P





V = R

V = R





T

T

dla 1 mola

gazu

P

P





V = n

V = n





R

R





T

T

dla n moli

gazu

R - stała gazowa; tj. praca wykonana przez 1 mol
gazu doskonałego rozprężającego się pod stałym
ciśnieniem przy wzroście temperatury o 1 K.











K

mol

J

8,314

R



















K

mol

dm

atm

082

,

0

R

3











K

mol

cal

1,987

R

R

=

T

V

P

const.;

T

V

P



Z równania ( 1 ) i ( 3 )

M

m

n 

ponieważ

to

T

R

M

m

V

P







V

P

T

R

m

M









gdzie: m - masa [ g ]; M - masa molowa [ g/mol ]

6

Gęstość gazów zależy od:
- ciśnienia

- temperatury.

GĘSTOŚĆ GAZÓW

GĘSTOŚĆ GAZÓW

Gęstość bezwzględna

V

m

d

V

M

d

dla 1 mola

gdzie: M - masa 1 mola
V - objętość 1
mola

dla gazu doskonałego w warunkach normalnych:













3

3

o

o

dm

g

=

mol

/

dm

mol

/

g

22,415

M

V

M

d

7

WŁASNOŚCI GAZÓW

RZECZYWISTYCH

•mają swoją objętość

•między cząsteczkami występują siły
oddziaływania

•zderzenia nie są idealnie sprężyste

a,b - stałe

van der

Waalsa

P =

a

V

2

; V

 = b

Równanie stanu gazu rzeczywistego - Van der
Waalsa:





RT

b

-

V

v

a

(P

2





)





RT

V'

-

V

P'

(P



 )

P - ciśnienie wewnętrzne powstałe w wyniku
wzajemnego

oddziaływania

cząsteczek

gazu

rzeczywistego na wskutek przyłożonego z zewnątrz
ciśnienia
V - tj. objętość własna cząsteczek.

Dla n moli gazu:





nRT

b

-

V

v

a

(P

2





)

8

Ciecze różnią się od gazów wielokrotnie większą

liczbą cząsteczek w jednostce objętości.

Np. 1 mol wody w T = 373 K i P = 101,3 kPa zajmuje objętość

V = 19 cm

3

1 mol pary wodnej T = 373 K i P = 101,3 kPa zajmuje

objętość V = 30600 cm

3

STAN CIEKŁY

STAN CIEKŁY

CECHY

•mniejsze odległości między cząsteczkami cieczy niż

gazu

•silniejsze oddziaływanie pomiędzy cząsteczkami

cieczy niż gazu

•przyjmują kształt naczynia
•nie zmieniają swojej objętości - są nieściśliwe lub

bardzo trudno ściśliwe

•struktura cieczy - quasi krystaliczna, istnieją

obszary przypominające sieć krystaliczną

•brak równania stanu c i e k ł e g o analogicznego

jak dla gazów d o s k o n a ł y c h .

9

NAPIĘCIE POWIERZCHNIOWE

NAPIĘCIE POWIERZCHNIOWE

D e f i n i c j a:
występowanie sił działających w kierunku
stycznym

do

powierzchni

(usiłujących

zmniejszyć powierzchnię) nazywamy siłami
napięcia

powierzchniowego

-

napięciem

powierzchniowym, dlatego

C I E C Z wykazuje dążność do zmniejszania
liczby cząsteczek na swej powierzchni -
przyjmuje

powierzchnię

najmniejszą

z

możliwych, a więc kuli (bryła o najmniejszej
powierzchni przy tej samej objętości).

uzupełn
ić

L E P K O Ś Ć

- własność cieczy dostrzegalna podczas

jej ruchu.
Ciecz wprawiona w ruch, po krótkim czasie wraca do
spoczynku, gdyż występuje tarcie wewnętrzne -
lepkość.
Lepkość jest miarą tarcia wewnętrznego

10

STAN STAŁY

STAN STAŁY

Do stanu stałego zaliczamy taką postać materii,
w której elementy struktury - atomy, cząsteczki,
jony są ułożone w siatki przestrzenne i tworzą
postacie k r y s t a l i c z n e.

Jeżeli atomy, cząsteczki lub jony nie są ułożone
w regularne siatki krystaliczne to są to c i a ł a
b e z p o s t a c i o w e np. szkło, kauczuk,
włókna naturalne, włókna syntetyczne.

Stan stały może zatem występować w dwóch
postaciach:

•w postaci

krystalicznej

•jako substancja

bezpostaciowa

.

11

1. ruch atomów, cząsteczek, jonów tworzących ciała
stałe,

ograniczony jest do drgań

(oscylacji ) wokół położeń równowagi,
2. elementy budowy ( w/w ) tworzą uporządkowane
struktury, kryształy,
3. kryształy są anizotropowe tzn. mają:

- różne właściwości fizyczne i chemiczne w różnych

kierunkach przestrzennych np. przewodnictwo
elektryczne, cieplne, przenikalność dielektryczna,
kruchliwość

- własny kształt,
- własną objętość trudno ulegającą zmianie przy

zwiększaniu ciśnienia,

- topią się w ostro zaznaczonej temperaturze.

CECHY

KRYSZTAŁÓW

12

1. nieuporządkowana struktura, pośrednia

pomiędzy cieczą a ciałem krystalicznym

2. są izotropowe tzn. mają:
- nieostrą temperaturę topnienia, miękną

w przedziale temperatury,

- własności fizyczne jednakowe we

wszystkich kierunkach,

3. powstają wskutek przechłodzenia

cieczy

CECHY CIAŁ

BEZPOSTACIOWYCH

13

UKŁADY WIELO-

UKŁADY WIELO-

SKŁADNIKOWE -

SKŁADNIKOWE -

Roztwory

Roztwory

Roztwór

Roztwór

– układ wieloskładnikowy,

jednofazowy znajdujący się w stanie
równowagi.

Po zmieszaniu dwóch lub więcej substancji
może zajść reakcja chemiczna lub powstać :

mieszanina niejednorodna

mieszanina jednorodna

– ROZTWÓR

ROZTWÓR

-przy powstawaniu roztworu nie obowiązują prawa

stałości składu i stosunków wielokrotnych jak przy
tworzeniu związków chemicznych;

- skład roztworów w pewnym zakresie ciśnienia i temp.

może się zmieniać (skład związków chemicznych jest
stały);

- są jednorodne – przy ich powstaniu występują efekty

energetyczne

w

odróżnieniu

od

mieszanin

niejednorodnych.

14

UKŁADY WIELO-

SKŁADNIKOWE -

Roztwory

Roztwór

Roztwór

Rozpuszczal

Rozpuszczal

nik

nik

Substancja

Substancja

rozpuszczon

rozpuszczon

a

a

Proces rozpuszczania jest

SAMORZUTNY

.

Biorąc pod uwagę wielkość substancji
rozpuszczonej
wyróżniamy:
1. ROZTWORY WŁAŚCIWE

ROZTWORY WŁAŚCIWE

-  < 1 nm

2. ROZTWORY KOLOIDALNE -  = 1 – 100 nm

15

Roztwory

STĘŻENIE ROZTWORU

- masa (objętość) substancji rozpuszczonej i
roztworu mają te

same jednostki

- mają różne jednostki.





i

i

i

i

n

n

x

Przykłady:
 % masowy;  Molowość: mol/dm

3

, kmol/m

3

 masa subst.rozp./obj.roztworu, np. g/dm

3

; kg/m

3

 Ułamek molowy (x):

Dla roztworów gazowych stężenie wyraża się
często za pomocą ciśnienia cząstkowego
składnika (p

i

)







i

i

i

i

p

P

P

x

p

Prawo Daltona

P - ciśnienie
całkowite

16

Roztwory

ROZTWÓR

DOSKONAŁY

:

• brak efektów energetycznych podczas

rozpuszczania ΔH

r

= 0,

• objętość roztworu jest sumą objętości

składników: ΔV = 0
gdzie: V

r-ru

= V

rozp.

+ V

s.r.

ROZTWÓR

NASYCONY

- roztwór o maksymalnym

stężeniu substancji rozpuszczonej w danej
temperaturze.

Rozpuszczalność

- stężenie roztworu nasyconego

(g/100 g rozpuszczalnika.
Zależy od rodzaju substancji rozpuszczonej oraz
temperatury.

17

Roztwory gazów w

cieczy

Ad.
1

Roztwory gazów dobrze rozpuszczalnych,

NH

4

OH

H

2

CO

3

H

2

SO

3

np.H

2

O + NH

3

H

2

S

CO

2

SO

2

Tworzą

wiązania

chemiczn

e

Ilość GAZU rozpuszczonego w CIECZY zależy
od:

1. rodzaju gazu i cieczy
2. parametrów stanu układu: temperatury, ciśnienia.

Roztwory gazów słabo rozpuszczalnych,
np. H

2

, O

2

, N

2

+ H

2

O

np. 1 dm

3

H

2

O rozpuszcza: 710 dm

3

NH

3

,

a tylko 0,017 dm

3

H

2

.

Wniosek

Wniosek:
Rozpuszczalność
różnych gazów w
tym

samym

rozpusz-czalniku
zależy zatem od
różnego
wzajemne-go
oddziaływania
cząsteczek gazu i
cieczy.

18

Roztwory gazów w

cieczy

Rozpuszczalność gazu w cieczy zależy od

ciśnienia

–

PRAWO HENRY’EGO

dla T=const.

c = k·p

c = k·p

gdzie: c – stężenie gazu w roztworze
k – stała Henry’ego; charakteryzuje
rozpuszczalność gazu pod ciśnieniem
normalnym.
p – ciśnienie gazu nad roztworem

Ad.
2

Rozpuszczalność gazu jest wprost proporcjonalna

do ciśnienia gazu nad roztworem (w fazie gazowej)

Rozpuszczalność gazów w cieczach zależy od

temperatury

temperatury. Ponieważ rozpuszczanie gazu w cieczy
jest procesem

EGZOTERMICZNYM

ΔH

r

< 0 

rozpuszczalność gazu w cieczy MALEJE ZE

MALEJE ZE

WZROSTEM TEMPERATURY

WZROSTEM TEMPERATURY

19

Roztwory cieczy w

cieczy

Rozpuszczalność dwóch cieczy jest zawsze

WZAJEMNA

, tzn. jeżeli ciecz A rozpuszcza

ciecz B to również ciecz B rozpuszcza ciecz A.

2 grupy roztworów ciecz-ciecz:

1. Wzajemna rozpuszczalność dwóch cieczy

jest

NIEOGRANICZONA

– np. H

2

O –

etanol

2. Wzajemna rozpuszczalność jest

OGRANICZONA

– np. H

2

O – eter

20

Roztwory cieczy w cieczy

Prawo Raoulta

Dotyczy roztworów cieczy o

NIEOGRANICZONEJ WZAJEMNEJ

NIEOGRANICZONEJ WZAJEMNEJ

ROZPUSZCZALNOŚCI.

ROZPUSZCZALNOŚCI.

ROZTWÓR CIECZY

A

i

B

 PARA NASYCONA

X

A

,

X

B



Ułamki molowe



p

A

,

p

B



Ciśnienia

cząstkowe

Mamy układ dwufazowy – dwuskładnikowy w

równowadze

równowadze

:

Wg prawa DALTONA:ciśnienie całkowite P = p

A

+ p

B

PRAWO RAOULTA -

PRAWO RAOULTA -

liniowa zależność

prężności pary (p

A

,

p

B

)

nad roztworem od

stężenia roztworu (X

A

,

X

B

)

.

21

Roztwory cieczy w cieczy

Prawo Raoulta

p

A

= p

0

B

x

A

A

A

A

0

.

Roztwór doskonały:
(np. CH

3

OH-C

2

H

5

OH)

- prężność pary

nasyconej składnika A i B
nad czystą cieczą

o

B

o

A

p

,

p

;

x

p

p

i

x

p

p

B

o

B

B

A

o

A

A









Wówczas
:

z prawa
Daltona

B

o

B

A

o

A

x

p

x

p

p









Roztwór doskonały oraz T = const.

Roztwory rzeczywiste -
występują odchylenia od
prawa Raoulta, które mogą
być dodatnie (większe) lub
ujemne (mniejsze).

22

Roztwory ciał stałych w

cieczy

Układ:

ROZTWÓR  PARA

Stosuje się PRAWO RAOULTA:

Wniosek:Po wprowadzeniu STAŁEJ substancji do

cieczy następuje

OBNIŻENIE PRĘŻNOŚCI PARY

NAD ROZTWOREM

(w porównaniu z czystym

rozpuszczalnikiem):

dla roztworu ciała stałego w cieczy:

p

B

= 0

wówczas:

p

x

p

p

A

o

A

A





ponieważ

B

A

x

1

x





,

więc

)

x

(1

p

p

B

o

A

A





x

B

– ułamek molowy

substancji
rozpuszczonej

Ciśnienie całkowite

B

o

B

B

A

o

A

A

x

p

p

x

p

p









Wówczas:

jeżeli: A – rozpuszczalnik i B – substancja rozpuszczona (stała)

Wg prawa
Raoulta

23

Roztwory ciał stałych w

cieczy

Można zatem stwierdzić, że:
WZGLĘDNE

OBNIŻENIE

PRĘŻNOŚCI

PARY

ROZPUSZCZALNIKA JEST PROPORCJONALNE DO
UŁAMKA

MOLOWEGO

SUBSTANCJI

ROZPUSZCZONEJ, zatem:

NIE ZALEŻY OD RODZAJU SUBSTANCJI
ROZPUSZCZONEJ

.

Obniżenie prężności
pary:

Obniżenie względne
wyniesie:

B

o

A

o

A

A

o

A

x

p

p

p

p

p









B

o

A

A

o

A

x

p

p

p

p









24

Roztwory ciał stałych w

cieczy

Jakie są konsekwencje obniżenia prężności pary
rozpusz-czalnika nad roztworem?

1. Podwyższenie temp. wrzenia roztworu

2. Obniżenie temp. krzepnięcia roztworu (w

stosunku do czystego rozpuszczalnika)