Materia występuje w trzech stanach skupienia:

– stałym
– ciekłym
– gazowym

Istnieje również czwarty stan skupienia, stan plazmy, który istnieje

jedynie w zakresie niezwykle wysokich temperatur.

• Stan stały charakteryzuje się utrzymaniem kształtu, postaci i

objętości próbki, niezależnie od kształtu naczynia.

• Stan ciekły odznacza się tym, że próbka zachowuje swoją określoną

objętość podczas przelewania z jednego zbiornika do drugiego, ale

przyjmuje kształt dna mieszczącego ją naczynia

• Stan gazowy charakteryzuje się tym, że próbka nie ma ani własnego

kształtu, ani objętości i może rozprzestrzeniać się po całej objętości

naczynia, w której jest zawarta.

 Różnice występujące między różnymi stanami skupienia można

łatwo wyjaśnić za pomocą teorii kinetycznej materii zgodnie z

którą w temperaturach powyżej zera absolutnego (tj. powyżej

-273°C) atomy i cząsteczki substancji znajdują się w

nieustannym ruchu.

 W ciałach stałych ruch ten nie jest wielki i odnosi się głównie do

oscylacji atomów i cząsteczek względem węzłów sieci krystalicznej.

W miarę ogrzewania rośnie energia kinetyczna ruchów a w

temperaturze zwanej temperaturą topnienia cząsteczki lub

pojedyncze atomy tracą zdolność powrotu do swych pierwotnych

położeń i substancja stała przechodzi w ciecz. Wzajemne

oddziaływanie między atomami i cząsteczkami jest jednak ciągle

tak duże, że objętość cieczy w danej temperaturze pozostaje stała.

 Dalsze ogrzewanie cieczy prowadzi wreszcie do stanu, w którym

cząsteczki uzyskują energię kinetyczną wystarczającą do

pokonania sił wzajemnego przyciągania i ciecz zamienia się w gaz,
zdolny do rozprzestrzeniania się w całej dostępnej przestrzeni

.

Ciała stałe

bezpostaciowe i krystaliczne

 Ciała bezpostaciowe - (szkło, stopiona i ochłodzona krzemionka, żywice

polimetakrylowe)

to substancje, których atomy, cząsteczki lub jony nie

są rozmieszczone w prawidłowej sieci przestrzennej.
Substancje te, określone często jako ciecze przechłodzone o dużej

lepkości, wykazują niektóre cechy charakterystyczne dla ciał stałych, jak

twardość i zdolność zachowania nie zmienionego kształtu, nie wykazują

ściśle określonej temperatury topnienia, ogrzewane stopniowo miękną i

rozpływają się.
Ciała bezpostaciowe są

izotropowe

. Oznacza to, że wykazują one we

wszystkich kierunkach identyczne właściwości fizyczne, ich twardość,

wytrzymałość mechaniczną, rozszerzalność cieplną, przewodnictwo

elektryczne, właściwości optyczne - nie zależą od kierunku działania.

 Ciała krystaliczne - wykazują w określonych kierunkach przestrzeni

prawidłowe, powtarzające się okresowo ułożenie atomów, cząsteczek lub

jonów, tworzących prawidłową sieć krystaliczną. Topią się w ściśle

określonych

temperaturach.

Kryształy są

anizotropowe

– to znaczy że ich właściwości zmieniają

się wraz ze zmianą kierunku
W zależności od rodzaju wiązań ciała krystaliczne można podzielić na

kryształy;

– z siecią jonową

– z siecią atomową

– z siecią cząsteczkową

– z siecią metaliczną

Kryształy jonowe

W ciałach stałych jonowych cząstkami w węzłach sieci

są jony dodatnie i ujemne. Siły przyciągania są duże.

Wskutek tego jonowe ciała stałe mają zwykle dość

wysokie temperatury topnienia, dużo wyższe od

pokojowej.

W związkach jonowych, np w alkalicznych halogenkach,

siły wiązania polegają na działających we wszystkich

kierunkach siłach przyciągania elektrostatycznego

przeciwnie naładowanych jonów, które tworzą elementy

struktury

periodycznej

sieci

krystalicznej.

Elektrostatyczny lub polarny charakter sił wiązania i

kulistosymetryczny rozkład ładunku powodują, że

pojedyncze jony w sieci jonowej są otoczone możliwie

dużą liczbą jonów naładowanych przeciwnie.

Kryształy cząsteczkowe

Kryształami cząsteczkowymi - nazywamy
takie struktury, w których pojedyncze cząsteczki
utrzymywane są w sieci krystalicznej w wyniku
oddziaływania:

•sił van der Waalsa

•dipolowego

Ten typ kryształu występuje najczęściej w
związkach organicznych.

Kryształy kowalencyjne

• W kryształach kowalencyjnych atomy są związane z sobą

wiązaniami atomowymi.

W kryształach atomowych traci sens pojęcie cząsteczki, gdyż nie

można tu wyróżnić indywidualnych cząsteczek. Cały kryształ

atomowy (kowalencyjny) trzeba traktować jako jedną olbrzymią

cząsteczkę. Przykładem kowalencyjnej struktury krystalicznej może

być sieć krystaliczna diamentu, w której każdy atom jest otoczony

czterema innymi atomami węgla rozmieszczonymi w narożnikach

czworościanu.

Sieć diamentu dzięki szczególnie gęstemu upakowaniu

przestrzennemu atomów i dzięki wiązaniom kowalencyjnym między

nimi określa właściwości fizyczne tej odmiany alotropowej węgla, tj.

najwyższą twardość i bardzo dużą gęstość

• W sieci krystalicznej grafitu poszczególne warstwy płaskie

związane są słabymi siłami oddziaływania

międzycząsteczkowego, co powoduje, że odstępy między

tymi warstwami (0,341 nm) są duże w porównaniu z

odstępami atomów w obrębie tej samej warstwy (0,142

nm)

Kryształ metaliczny

 Kryształ metaliczny - budowę metalu

najprościej można opisać w ten sposób, że od

każdego atomu metalu odczepiają się elektrony

walencyjne, których liczba jest zależna od jego

położenia w układzie okresowym i które w sieci

przestrzennej,

utworzonej

przez

pozostałe

dodatnie jony, poruszają się mniej lub bardziej

swobodnie jako gaz elektronowy.

Właściwości fizyczne kryształów z różnymi wiązaniami

Właściwości

KRYSZTAŁY

cząstecz

kowe

kowalency

ne

jonowe

metaliczn

e

mechaniczn

e

mała
twardość,
mała
wytrzymałoś
ć

duża twardość,
duża
wytrzymałość

duża twardość,
duża wytrzymałość

różna
wytrzymałość,
dla różnych
metali, na ogół
duża,
ciągliwość

termiczne

Temp.
topnienia
niskie, duży
współczynni
k
rozszerzalno
ści cieplnej

Temp. topnienia
wysokie, mały
współczynnik
rozszerzalności
cieplnej

Temp. topnienia
wysokie, mały
współczynnik
rozszerzalności
cieplnej

Temp.
topnienia
różne, duży
współczynnik
rozszerzalnośc
i cieplnej
 

elektryczne

izolatory

W stanie
czystym nie
przewodzą
prądu

W stanie ciekłym
źle przewodzą prąd,
w stanie stopionym
i w roztworach
wodnych wykazują
przewodnictwo
jonowe

Dobre
przewodniki
prądu
 

Budowa krystaliczna ciał stałych warunkuje szereg ich cech
fizycznych:

twardość,

łupliwość,
załamanie światła,
temp. topnienia,
rozpuszczalność.

• W kryształach o sieci mieszanej, zwłaszcza o budowie

warstwowej, tworzą się płaszczyzny łupliwości w miejscach
słabych wiązań międzycząsteczkowych np:

• Grafit – w poszczególnych warstwach występuje między

atomami węgla wiązanie atomowe natomiast między
warstwami słabe oddziaływanie van der Waalsa

• Talk – wiązanie jonowe w warstwach, między warstwami

oddziaływanie van der Waalsa

Struktury krystaliczne

Sieć przestrzenna - nieskończenie rozciągający się,
regularny,

przestrzennie

periodyczny układ punktów,

Typy komórek elementarnych kryształów

Układ regularny -trzy jednakowe osie o długości
a, tworzące z sobą kąty proste

Układ tetragonalny - dwie jednakowe krawędzie
oraz trzecia krawędź o innej długości, wzajemne
prostopadłe

-heksagonalny

i

trygonalny

nieromboedryczny dwie równe krawędzie, pod
kątem 120

o

, i trzecia krawędź o innej długości,

prostopadła do dwóch pierwszych

Układ heksagonalny i trygonalny

nieromboedryczny

dwie równe krawędzie, pod kątem 120

o

, i trzecia

krawędź o innej długości, prostopadła do dwóch

pierwszych

Układ rombowy

trzy krawędzie o niejednakowych długościach,
wszystkie wzajemne prostopadłe

Układ jednoskośny

dwie krawędzie a i c pod kątem  względem siebie i

trzecia krawędź pod kątem prostym do a i c

Układ trójskośny

trzy krawędzie a, b, c z
trzema kątami , , 

między nimi

Układ trygonalny
romboedryczny

trzy krawędzie a, b i c oraz
kąty , ,  są jednakowe

Upakowanie atomów w sieci

krystalicznej

1. Ścisłe upakowanie heksagonalne (hexagonal close
packed = h.c.p.)

(magnez, cynk)

Ścisłe upakowanie sześcienne ( face centered

cubic = f.c.c. )

miedź, srebro i złoto

proste cząsteczki obrotowe, jak CH

4

i HCl

Typy struktur pierwiastków i związków chemicznych

• Pierwiastki chemiczne mogą występować w

różnych odmianach alotropowych – węgiel:
diament, grafit, fulereny

• Związki chemiczne tworzą odmiany polimorficzne

-SiO

2

α – kwarc → γβ trydymit → γ

krystobalit → szkło

• Odmiany alotropowe (polimorficzne) różnią się

między sobą budową sieci krystalicznej oraz
właściwościami fizycznymi.

Stan ciekły

• Jest to stan pośredni między gazami a ciałami

stałymi, charakteryzują się znaczną w
porównaniu z gazami lepkością i gęstością oraz
niewielką ściśliwością oraz rozszerzalnością
cieplną

• Cząsteczki cieczy nie poruszają się bezwładnie,

oraz nie mają takiej swobody ruchu jak to ma
miejsce w gazach.

• Ciecze maja strukturę pseudokrstaliczną -

występuje lokalne uporządkowanie cząsteczek w
temperaturze bliskiej temperaturze krzepnięcia

Napięcie powierzchniowe cieczy

• Napięcie powierzchniowe (ρ) cieczy - powstaje w wyniku wzajemnego

oddziaływania cząsteczek we wnętrzu i na powierzchni cieczy.

Siła wypadkowa działająca na cząsteczki położone na powierzchni jest skierowana
w głąb cieczy i działa prostopadle do jej powierzchni i usiłuje zmniejszyć swobodną
powierzchnię cieczy. Ciecz dąży zatem do zmniejszenia liczby cząsteczek na swojej
powierzchni, a więc do osiągnięcia możliwie najmniejszej swobodnej powierzchni.
Chcąc zwiększyć swobodną powierzchnię cieczy, trzeba wykonać pewną pracę na
pokonanie napięcia powierzchniowego

ρ

= W/S (J/m

2

)

Napięcia powierzchniowe cieczy możemy zmieniać przez rozpuszczenie w

cieczy obcej substancji, lub poprzez zmianę temperatury.

Substancje obniżające napięcie powierzchniowe noszą nazwę powierzchniowo

czynnych do których zaliczamy mydła, niektóre kwasy sulfonowe i ich sole oraz
inne związki organiczne.

Lepkość cieczy

 Lepkość cieczy jest wynikiem sił tarcia wewnętrznego

pomiędzy cząsteczkami cieczy.

 Lepkość cieczy zależy od, rodzaju cieczy i temperatury

cieczy. Wraz z podwyższeniem temperatury lepkość cieczy
silnie maleje.

 Mało ruchliwe płyny o dużej lepkości, jak oliwa lub

gliceryna, to ciecze o dużym tarciu wewnętrznym.

 Ciecze ruchliwe, jak eter, alkohol etylowy itp. to ciecze o

małym tarciu wewnętrznym, czyli o małej lepkości.

 Zwilżalność – zdolność do pokrywania ciała

stałego przez ciecz

 Kapilarność – zachowanie się cieczy w cienkich

kapilarach

 Działanie kapilarne powoduje wsiąkanie wody w

ciała stałe porowate (wznoszenie się wilgoci w
murach).

 Prężność pary w kapilarach jest niższa niż nad

powierzchnią swobodną cieczy, zatem temp.
Wrzenia i skraplania w kapilarach jest wyższa, a
temp. topnienia i krzepnięcia niższa. Ma to
ważne znaczenie przy suszeniu materiałów
porowatych i ze względu na ich mrozoodporność.

• Układy, w których uzyskano znaczne rozwinięcie

powierzchni wskutek rozdrobnienia jednej z faz,

nazywamy – układami dyspersyjnymi

• W każdym układzie rozróżniamy fazę

rozproszoną i fazę rozpraszającą, która otacza i

oddziela od siebie cząstki fazy rozproszonej.

• Biorąc pod uwagę rozmiary cząstek

rozproszonych, rozróżniamy:

- układy o rozdrobnieniu molekularnym- o

rozmiarach cząstek mniejszych od 1 (10 Ǻ)

- układy o rozdrobnieniu koloidalnym – o

rozmiarach cząstek od 1 do 200 nm (10-2000 Ǻ)

- układy grubodyspersyjne- o rozmiarach

cząstek większych od 200 nm.

Charakterystyka układów rozproszonych

CECHY

Mieszanina

jednorodna

Mieszaniny niejednorodne

Roztwory

właściwe

koloidy

zawiesiny

rozproszenie

cząsteczkowe

nadcząsteczkowe

makroskopowe

Wielkość

cząsteczek

<1 nm

Od 1 do 10

3

nm

> 1μm

Rozdzielność

przez sączenie

Nie rozdzielane

Rozdzielane tylko

przez

ultrasączenie

rozdzielane

Rozpoznawalność

optyczna

W mikroskopie

elektronowym

tylko największe

cząstki

W mikroskopie

elektronowym

W mikroskopie

optycznym

Roztwory rzeczywiste

Roztwory rzeczywiste powstają:
 w wyniku rozproszenia substancji, która dąży do osiągnięcia

stanu o maksymalnym uporządkowaniu, dzięki czemu

rozproszenie substancji następuje przy całkowitym braku

współdziałania pomiędzy cząsteczkami rozpuszczalnika a

substancji rozproszonej.

 w

wyniku

reakcji

chemicznej

danej

substancji

z

rozpuszczalnikiem, zwanej solwatacją, polegającej na

rozerwaniu (zniszczeniu) wiązań istniejących pomiędzy

cząsteczkami lub atomami substancji rozpuszczonej i

izolowaniu ich od siebie przez cząsteczki rozpuszczalnika.

• Reakcja solwatacji w przypadku wody jako rozpuszczalnika

nosi nazwę reakcji hydratacji i polega na tym, że cząsteczki

wody będące dipolami otaczają cząsteczkę rozpuszczonego

związku.

Podział koloidów ze względu na stan skupienia

Ośrodek

rozpraszaj

ący

Substancj

a

rozproszo

na

Rodzaj

koloidu

przykłady

Nazwa

szczegółowa

koloidu

gaz

gaz

areozole

-

-

ciecz

mgła

Areozole

ciekłe (mgły)

Ciało stałe

Dym, kurz

Areozole stałe

(dymy)

ciecz

gaz

Zole –

roztwory

koloidalne

piana

piany

ciecz

Mleko

Lizole,

emulsje

Ciało stałe

Zole tlenków

metali,

wodorotlenków

Zawiesiny

koloidalne

Ciało stałe

gaz

dirozole

pumeks

Piany stałe

ciecz

Kwarc mleczny

Piany stałe

(emulsje

stałe)

Ciało stałe

Szkło rubinowe

Zole stałe

• Układy o rozdrobnieniu molekularnym nazywamy

roztworami rzeczywistymi, w ich przypadku
trudno mówić o istnieniu fazy rozproszonej i
rozpraszającej i istnieniu granicy faz

• W układzie dyspersyjnym cząstki fazy

rozproszonej mogą być całkowicie izolowane
przez fazę rozpraszającą. W przypadku cząstek
koloidalnych mówimy wtedy o roztworze
koloidalnym (zol)

• Układy spoiste- cząstki rozproszone stykają się ze

sobą bezpośrednio i tworzą układ mniej lub
bardziej sztywny (żel)

Roztwory koloidalne

• Roztwory koloidalne (zole) zależnie od ośrodka

rozpraszającego możemy nazywać bardziej
szczegółowo -alkozole ( faza rozpraszająca –
alkohol), areozole ( powietrze), hydrozole (woda).

• Cechy roztworów koloidalnych:

- przezroczyste, klarowne
- efekt Tyndalla – rozproszenie światła przez

cząstki koloidalne

- ruchy Browna – chaotyczne, bezwładne

ruchy cząstek koloidalnych

-

ruchy Browna – chaotyczne, bezwładne ruchy

cząstek koloidalnych-

cząsteczki cieczy wykonują

ustawiczne ruchy drgające i zderzają się z cząstkami
koloidalnymi. Ze względu na małe rozmiary cząstek
prawdopodobieństwo dokładnego zrównoważenia uderzeń
nadchodzących z jednej strony cząstki przez uderzenia
nadchodzące z drugiej jest małe i w rezultacie cząstka
przesuwa się w sposób zupełnie nieregularny, chaotyczny.
Ruchy Browna powodują dyfuzję, lecz jest ona znacznie
wolniejsza niż w roztworach rzeczywistych.

Otrzymywanie i oczyszczanie koloidów

• Metody otrzymywania:

- dyspersyjne- polegają na zmniejszaniu rozmiarów cząstek o

charakterze grubodyspersyjnym do rozmiarów cząstek

koloidalnych
- kondensacyjne – łączenie cząstek znajdujących się w stanie

rozproszenia molekularnego

• Metody dyspersyjne:

- w młynach koloidowych o bardzo dużej liczbie obrotów
- metoda rozpraszania katodowego ( metoda Brediga)- polega na

wytworzeniu za pomocą prądu stałego, łuku elektrycznego

pomiędzy dwiema elektrodami metalowymi zanurzonymi w

wodzie, z których katod stanowi metal poddawany

rozdrobnieniu. Pary metalu wydzielające się w tych warunkach

są gwałtownie chłodzone i zestalają się w wodzie tworząc cząstki

koloidalne.
- zastosowanie fal ultradzwiękowych
- niektóre cząstki (żelatyna, białka) w zetknięciu z woda

samorzutnie mogą tworzyć roztwory koloidalne

• Metody kondensacyjne z polegają na wydzieleniu

trudno rozpuszczalnej substancji z silnie
rozcieńczonych roztworów w trakcie różnego
rodzaju reakcji chemicznych:
- utlenianie
- redukcji
- hydrolizy
- wymiany podwójnej

• Oczyszczanie roztworów koloidalnych:

- dializa – zanieczyszczenia roztworu koloidalnego
dyfundują stopniowo przez błonę, która jest
nieprzepuszczalna dla cząstek koloidalnych, na
zewnątrz i zostają uniesione przez prąd wody.
Wewnątrz dializatora pozostaje roztwór koloidalny
pozbawiony elektrolitów.

• Koagulacja – strącanie z roztworu

cząstek koloidalnych

• Peptyzacja – zjawisko

przechodzenia skoagulowanego
osadu z powrotem do roztworu
koloidalnego.

Koloidy liofobowe (hydrofobowe)

• Koloidy liofobowe – swoją trwałość zawdzięczają

elektrostatycznemu odpychaniu się cząstek,
które zyskują jednoimienny ładunek elektryczny
w skutek selektywnej adsorpcji jednego z jonów
zawartych w roztworze. Jeżeli fazą rozpraszającą
jest woda to mówimy o koloidach hydrofobowych.

• Zole wodorotlenków metali: Fe(OH)

3

, Cd(OH)

2

,

Al.(OH)

3

, Cr(OH)

3

, i zole tlenków metali: TiO

2

,

ZrO

2

– ładują się dodatnio

• Zole metali: Ag, Au, Pt oraz zole siarczków As

2

S

3

,

Sb

2

S

3

- ładują się ujemnie

• Aby doprowadzić do koagulacji koloidu

hydrofobowego należy zobojętnić ładunek
elektryczny nagromadzony na powierzchni
cząstek. Można to osiągnąć poprzez dodanie do
roztworu elektrolitu zawierającego dobrze
adsorbujące się jony przeciwnego znaku.
Koagulacja rozpoczyna się w chwili gdy zostanie
osiągnięte całkowite zobojętnienie elektryczne
cząstek czyli punkt izoelektryczny. Proces ten
często nazywa się wysalaniem

• Peptyzacja polega na usunięciu z osadu

zaadsorbowanych jonów koagulujących. Cząstki
odzyskują swój pierwotny ładunek i ponownie
zaczynają się odpychać.

Koloidy liofilowe (hydrofilowe)

• Koloidy liofilowe – zawdzięczają swoja trwałość zdolności

cząstek do tworzenia na swojej powierzchni
wielowarstwowej otoczki złożonej z cząsteczek
rozpuszczalnika (wody – koloidy hydrofilowe). Otoczka
hydratacyjna chroni cząstki koloidalne od bezpośredniego
zetknięcia się i w ten sposób uniemożliwia ich koagulację.

• Są to roztwory koloidalne substancji wielkocząsteczkowych:

białka, skrobi, dekstryn, barwników.

• Cząstki niektórych białek wykazują pewien ładunek

elektryczny, dzięki któremu dodatkowo zwiększa się
trwałość zolu. Ładunek ten nie powstaje na skutek adsorpcji
jonów przez cząstki koloidalne, ale jest wynikiem dysocjacji
grup kwasowych lub zasadowych wchodzących w skład
białka





























OH

NH

R

O

H

NH

R

O

H

COO

R

O

H

COOH

R

3

2

2

3

2

• Koloidy hydrofilowe różnią się od

koloidów hydrofobowych zachowaniem
wobec dodatków elektrolitów. Ulegają one
koagulacji dopiero pod wpływem dużej
ilości soli.

• Koloidy hydrofilowe odznaczają się

większą trwałością niż hydrofobowe, a ich
dodatek do zolów hydrofobowych może
znacznie zwiększyć trwałość tych
ostatnich ( koloidy ochronne)

Budowa cząstki koloidalnej

-

miceli

• Jądro cząstki koloidalnej, wokół

niej powłoka jonów jednego
znaku – warstwa adsorpcyjna

• Według reguły Fajansa

cząsteczki ciał stałych
adsorbują jony wspólne z jonami
wchodzącymi w skład ciała
wytrąconego z roztworu.

• Sole złożone z cząsteczek

Fe(OH)

3

wykazują selektywną

adsorpcję jonów Fe

3+

. Mogą

również tej selektywnej
adsorpcji ulec jony
izostrukturalne (podobnej
budowie i wielkości)