STANY MATERII

STANY SKUPIENIA

GAZOWY

CIEKŁY

STAŁY

GAZOWE STANY

MATERII

GAZOWE STANY

MATERII

CIEKŁE STANY MATERII

CIEKŁE STANY MATERII

STAŁE STANY MATERII

STAŁE STANY MATERII

STANY SKUPIENIA I FAZY MATERII

STANY SKUPIENIA to klasyfikacja form występowania materii z
MAKROSKOPOWEGO punktu widzenia

STANY SKUPIENIA

to klasyfikacja form występowania materii z

MAKROSKOPOWEGO

punktu widzenia

FAZY MATERII to klasyfikacja form jej występowania z
MIKROSKOPOWEGO punktu widzenia, czyli z punktu widzenia
struktur jakie tworzą atomy, jony lub cząsteczki.

FAZY MATERII

to klasyfikacja form jej występowania z

MIKROSKOPOWEGO

punktu widzenia, czyli z punktu widzenia

struktur jakie tworzą atomy, jony lub cząsteczki.

faza gazowa

– całkowity brak organizacji – cząsteczki (lub atomy)

mają pełną swobodę ruchu i nie występują między nimi żadne
oddziaływania oprócz odpychania w momencie zderzeń i
przyciągania grawitacyjnego energia cząsteczek nie jest zbyt duża i
dlatego ich zderzenia są sprężyste; w gazie mogą występować
przyciągania między cząsteczkami, lecz energia tych oddziaływań
jest mniejsza od energii kinetycznej cząsteczek

faza nadkrytyczna

– powstająca po przekroczeniu ciśnienia i

temperatury punktu krytycznego; faza ta posiada pośrednie
własności między cieczą a gazem

plazma

– jest to w zasadzie gaz, ale tworzony przez silnie

zjonizowane atomy/cząsteczki oraz elektrony ; plazmę można
wytwarzać w specjalnych urządzeniach, występuje ona także w
jądrach większości gwiazd; w plazmie cząsteczki mają na tyle dużą
energię, że zderzenia między cząsteczkami nie są sprężyste,
dochodzi do wzbudzenia lub jonizacji cząsteczek; plazma przewodzi
prąd elektryczny

Fazy gazowe

faza ciekła

– w fazie tej istnieje przyciąganie

międzycząsteczkowe powodujące, że cząsteczki pozostają
blisko siebie, ale zachowują swobodę ruchu; oddziaływania te
tworzą bliskozasięgowe i średniozasięgowe uporządkowanie w
cieczy lub w roztworach, przykładowo – oddziaływania
dipolowe (odpowiedzialne za hydratację jonów w roztworze),
siły Van der Waalsa oraz wiązania wodorowe; istnienie tych
oddziaływań powoduje powstawanie uporządkowanych
struktur cząsteczek w cieczach,

faza ciekła izotropowa

– w fazie tej nie występuje żadne

dalekozasięgowe uporządkowanie cząsteczek (podobnie jak w
gazach), choć mogą występować elementy uporządkowania
krótkozasięgowego (w obrębie kilku – kilkunastu cząsteczek)

faza nadciekła

– różni się od zwykłej cieczy tym, że jej lepkość

jest równa 0; Np. nadciekły hel

ciekłe kryształy

–ciecze, w których jednak istnieje częściowe

dalekozasięgowe uporządkowanie cząsteczek; obecnie
znanych jest kilkadziesiąt różnych faz ciekłokrystalicznych,
które różnią rodzajem tego dalekozasięgowego
uporządkowania

Fazy ciekłe

Fazy stałe

fazy stałe

– czyli takie, które nie płyną, tzn. pod

wpływem sił ścinających ulegają naprężeniom, a
przy większych pękają lub płyną (plastyczne):

faza krystaliczna

– w fazie tej cząsteczki są

"zablokowane" i tworzą trwałe sieci

kryształy plastyczne

– w fazie tej cząsteczki

są również zablokowane, ale mogą rotować
(obracać się) wokół własnych osi

kryształy condis

– w fazie tej cząsteczki nie

mogą się przemieszczać, ale mogą zmieniać w
dość szerokim zakresie swoją konformację

faza amorficzna

– w fazie tej cząsteczki nie

tworzą sieci krystalicznej, ale oddziaływania
między nimi są na tyle silne, że nie mogą się
one swobodnie przemieszczać względem siebie;
czasami fazę amorficzną nazywa się też
"superlepką" cieczą lub cieczą "zamrożoną

"

Przemiany fazowe

Przemiana fazowa

– przejście substancji z jednej

fazy (stanu skupienia) do drugiej.

T = 0,01°C (273,16 

K

)

p = 611,73 

Pa

punkt potrójny wody

Przykład:

STAN GAZOWY STAN CIEKŁY STAN STAŁY

uporządkow
anie

temperatu
ra

STANY SKUPIENIA A UPORZĄDKOWANIE

Uporządkowanie cząstek materii w poszczególnych stanach opisujemy
określając prawdopodobieństwo napotkania innych cząstek w
sąsiedztwie dowolnej wybranej cząstki co wyraża:

p

ra

w

d

o

p

o

d

o

b

ie

ń

st

w

o

n

a

p

o

tk

a

n

ia

c

zą

st

ki

odległość

gaz
właściwy

Uporządkowanie

FUNKCJA DYSTRYBUCJI

R. Boyle

R. Boyle

J. Dalton

J. Dalton

J. L. Gay-Lussac

J. L. Gay-Lussac

oddz

śr

kin

śr

E

E 

PODSTAWOWE CECHY STANU GAZOWEGO

BRAK OBJĘTOŚCI

gaz przyjmuje objętość układu, w którym się

znajduje

BRAK KSZTAŁTU

gaz przyjmuje kształt układu, w którym się

znajduje

ŚREDNIA ENERGIA KINETYCZNA

obiektów tworzących gaz jest WIĘKSZA niż

energia oddziaływań pomiędzy nimi

założenia modelu:

GAZ DOSKONAŁY - MODEL

STANU GAZOWEGO

1. Cząsteczki są PUNKTAMI MATERIALNYMI, to znaczy

mają masę, ale nie mają wymiaru

2. Energia oddziaływań między cząsteczkami
wynosi 0, za wyjątkiem momentów zderzeń,
które są traktowane jako tzw. zderzenia
sprężyste

4. Cząsteczki znajdują się w ciągłym
chaotycznym ruchu

3. Zderzenia cząsteczek są doskonale sprężyste

Średnia energia kinetyczna

cząstek w gazie jest wprost

proporcjonalna do temperatury bezwzględnej:

kT

2

3

E

śr



A

N

R

k

k - stała Boltzmanna

*)

*) T [K] = t [°C] + 273,15

R - stała gazowa = 8.314
J·K

-1

mol

-1

N

A

- liczba Avogadro  6.02

·10

23

ZWIĄZEK POMIĘDZY ENERGIĄ

CZĄSTEK GAZU A

TEMPERATURĄ

k = 1,38·10

-23

J·K

-1

Zależność pomiędzy stałą Boltzmana k a stałą
gazową R:

A

śr

N

RT

E

2

3



ŚREDNIA PRĘDKOŚĆ CZĄSTEK

GAZU

kT

E

śr

2

3



2

2

śr

śr

mv

E 

m

kT

v

śr

3



A

śr

mN

RT

m

kT

v

3

3





masa cząsteczkowa M

M

RT

v

śr

3



prędkość m/s

prędkość m/s

3

0

10



n

n

ROZKŁAD MAXWELLA-BOLTZMANNA

tlen O

2

v

i

i 1



(

) 6





3

0

10



n

n

prędkość m/s

25°C

0

4000

2

0

N

2

He

H

2

2000

ROZKŁAD PRĘDKOŚCI CZĄSTECZEK RÓŻNYCH GAZÓW W TEJ

SAMEJ TEMPERATURZE

...doświadczenia wykazały, że dla gazów spełnione jest równanie:

const

T

pV



..zatem dla 1 mola
gazu:

..zatem dla 1 mola
gazu:

R

T

pV

m



R = 8,3145 J mol

-1

K

-1

R = 8,3145 J mol

-1

K

-1

stała gazowa

stała gazowa

śr

2

pV

E

3

=

..jak pamiętamy Bernoulli wykazał:

R

T

pV

m



śr(m)

2

E

3

R

T

=

śr(m)

3

E

RT

2

=

dla 1 mola gazu doskonałego

dla 1 mola gazu doskonałego

m

(m)

śr

2

pV

E

3

=

śr

3

E

nRT

2

=

dla n moli gazu doskonałego

dla n moli gazu doskonałego

pV = nRT

RÓWNANIE CLAPEYRONA

ciśnienie: 101,325 kPa

temperatura: 0°C (273,15 K)

Objętość 1 mola gazu w warunkach normalnych:

R

T

pV

m



p

RT

V

m



R = 8,3145 J mol

-1

K

-1

R = 8,3145 J mol

-1

K

-1

l22,4 dm

3

WARUNKI NORMALNE - definicja

ciśnienie p, objętość V i temperatura T to PARAMETRY
STANU gazu

w szczególności jeżeli:

PRZEMIANA GAZOWA

to proces z udziałem gazu, w

którym co najmniej dwa z parametrów stanu ulegają
zmianie

PRZEMIANY GAZOWE

=

p

1

+

p

2

p

1

p

2

P

PRAWO DALTONA

PRAWO DALTONA

uporządkowanie

PLAZMA

GAZ WŁAŚCIWY

PARA

W

Y

S

O

K

O

-

T

E

M

P

E

R

A

T

U

R

O

W

A

N

IS

K

O

-T

E

M

P

E

R

A

T

U

R

O

W

A

N

IE

N

A

S

YC

O

N

A

N

A

S

YC

O

N

A

STANY MATERII W GRANICACH

GAZOWEGO STANU SKUPIENIA

GAZOWY STAN SKUPIENIA

25

Ją

dro

sło

ńca

Korona słoneczna

Synteza jądrowa

Wiatr

sło

ne

czny

PLAZMA GORĄCA

wysokotemperat

urowa

elektron
jądro

PLAZMA WYSOKOTEMPERATUROWA

W temperaturach > 10

5

-10

6

K

atomy ulegają całkowitej

jonizacji tworząc nieuporządkowany stan materii
złożony

z

jąder

i

elektronów

-

PLAZMĘ

WYSOKOTEMPERATUROWĄ

temperatura

w jądrze

słońca ~ 1.5·10

7

K

pV >

nRT

pV >

nRT

PLAZMA

WYSOKOTEMPERATUROWA

podstawowe właściwości

Występowanie

swobodnych ładunków

elektrycznych

o rozmiarach rzędu 10

-15

m

Silne oddziaływanie
elektrostatyczne i magnetyczne
pomiędzy składnikami

28

PLAZMA ZIMNA

niskotemperaturowa T 1000 – 10000K

PLAZMA ZIMNA

niskotemperaturowa T 1000 – 10000K

Zorza

polarna

Zorza

polarna

Wyładowani

a

atmosferycz

ne

Wyładowani

a

atmosferycz

ne

Wyładowani

a

elektryczne

Wyładowani

a

elektryczne

elektron

jon

dodatni

PLAZMA NISKOTEMPERATUROWA

W temperaturach > 10

3

K

atomy ulegają

częściowej

jonizacji

tworząc nieuporządkowany stan materii złożony z

jonów

dodatnich

i

elektronów:

PLAZMĘ

NISKOTEMPERATUROWĄ

pV > nRT

pV > nRT

PLAZMA

NISKOTEMPERATUROWA

podstawowe właściwości

Występowanie

swobodnych

ładunków

elektrycznych o rozmiarach rzędu 10

-10

m

(jony dodatnie)

i 10

-15

m

(elektrony)

Silne

oddziaływanie

elektrostatyczne

i

magnetyczne pomiędzy składnikami

Stopień jonizacji

31

•

Plazma jest opisywana za pomocą różnorodnych
parametrów, wśród których stopień jonizacji (stosunek
liczby elektronów do liczby pozostałych cząstek)
odgrywa rolę podstawową.

- stopień jonizacji

• Słabo zjonizowana plazma to taka, w której stopień jonizacji

wynosi mniej niż 10%. Z kolei, w plazmie silnie zjonizowanej
występują atomy pozbawione wielu swoich elektronów, co
prowadzi do dużej wartości stopnia jonizacji.

atom lub
cząsteczka

GAZ WŁAŚCIWY

W temperaturach od kilku do 1000-1500 K

atomy i

cząsteczki praktycznie

nie ulegają jonizacji

mogąc

tworzyć nieuporządkowany stan materii złożony z
obojętnych atomów lub cząsteczek -

GAZ

WŁAŚCIWY

pV

nRT

pV

nRT

GAZ WŁAŚCIWY

podstawowe właściwości

Występowanie

swobodnych atomów lub

cząsteczek

o rozmiarach rzędu 10

-10

m

Słabe

oddziaływania

elektrostatyczne

i

magnetyczne

pomiędzy

atomami

lub

cząsteczkami

p

ra

w

d

o

p

o

d

o

b

ie

ń

st

w

o

n

a

p

o

tk

a

n

ia

cz

ą

st

ki

odległoś

ć

Funkcja dystrybucji dla gazu właściwego

Brak struktury - cząsteczki przyjmują

RÓŻNE

wzajemne odległości, z

TAKIM

SAMYM

prawdopodobieństwem

Funkcja dystrybucji dla gazu

właściwego jest

izotropowa

oddz

śr

kin

śr

E

E 

Pamiętajmy, że warunkiem
istnienia

stanu gazowego

jest:

Istnienie

silnych oddziaływań

w plazmie było

wynikiem obecności swobodnych ładunków
elektrycznych (dlatego plazma nie może istnieć
w niskich temperaturach)

Słabe oddziaływania

pomiędzy atomami i

cząsteczkami

gazów

właściwych

(co

umożliwia ich istnienie w stosunkowo niskich
temperaturach) są wynikiem istnienia

SIŁ

MIĘDZYCZĄSTECZKOWYCH

zwanych

siłami

Van der Waalsa

schematycznie:

atom m =

0

cząsteczka m

= 0

cząsteczka m >

0

+

-

SIŁY MIĘDZYCZĄSTECZKOWE

Gazy właściwe składają się z atomów, których

moment

dipolowy m = 0

,

lub z cząsteczek dla których

m > 0

F

2

F

1

F

4

F

3

rachunek wskazuje, że:

SIŁY

MIĘDZYCZĄSTECZKO

WE oddziaływania dipol

- dipol

F

1

+

F

2

>

F

3

+ F

4

SIŁY MIĘDZYCZĄSTECZKOWE

oddziaływania

dipol - indukowany dipol

duża

odległość

mała

odległość

indukowane

dipole

trwałe dipole

SIŁY MIĘDZYCZĄSTECZKOWE

siły

dyspersyjne (Londona)

W każdym atomie lub cząsteczce środki ładunku dodatniego i ujemnego
Q

s(+)

i Q

s(-)

wykonują ruch drgający wokół położenia równowagi, które jest

wspólne dla cząsteczek (i atomów) mających zerowy moment dipolowy
(m = 0)

Zatem każda cząsteczka, nawet taka, która ma m = 0, jest faktycznie
drgającym dipolem elektrycznym

W układzie drgających dipoli elektrycznych dochodzi do
powstawania identycznych sił przyciągających jak omówione
wcześniej oddziaływania dipol-dipol

siły Londona

siły Londona

SIŁY MIĘDZYCZĄSTECZKOWE siły Van der

Waalsa

SIŁY MIĘDZYCZĄSTECZKOWE siły Van der

Waalsa

oddziaływanie dipol -

dipol

oddziaływanie

dipol - indukowany dipol

oddziaływanie

dipol - indukowany dipol

siły dyspersyjne (Londona)

siły dyspersyjne (Londona)

7

1

d

~

F

mcz

d

F

mcz

PRAWA GAZOWE DLA GAZÓW RZECZYWISTYCH

pV  nRT

Istnienie oddziaływań międzycząsteczkowych, jak i fakt posiadania
przez cząsteczki własnej objętości, staje się przyczyną odstępstw
zachowania gazów rzeczywistych od praw gazu doskonałego

Istnienie oddziaływań międzycząsteczkowych, jak i fakt posiadania
przez cząsteczki własnej objętości, staje się przyczyną odstępstw
zachowania gazów rzeczywistych od praw gazu doskonałego

Przybliżenie jest tym lepsze im średnie odległości cząsteczek gazu są

większe od średnic cząsteczek

Przybliżenie jest tym lepsze im średnie odległości cząsteczek gazu są

większe od średnic cząsteczek

zwykle:

p < 1 MPa T > T

k

*)

*)

T

k

- temperatura krytyczna

OBJĘTOŚCI MOLOWE GAZÓW

RZECZYWISTYCH

OBJĘTOŚCI MOLOWE GAZÓW

RZECZYWISTYCH

dla gazu doskonałego (0°C,
101,325 kPa):

V

m

= 22,414

dm

3

azot N

2

................................

22,401 dm

3

amoniak NH

3

....................... 22,089

dm

3

ditlenek siarki SO

2

...............

21,888 dm

3

siarkowodór H

2

S ..................

22,145 dm

3

azot N

2

................................

22,401 dm

3

amoniak NH

3

....................... 22,089

dm

3

ditlenek siarki SO

2

...............

21,888 dm

3

siarkowodór H

2

S ..................

22,145 dm

3

GAZY RZECZYWISTE

- współczynnik ściśliwości z

GAZY RZECZYWISTE

- współczynnik ściśliwości

z

z

p /atm

=

m

pV

z

RT

objętość

molowa

RÓWNANIA STANU GAZÓW

RZECZYWISTYCH

RÓWNANIA STANU GAZÓW

RZECZYWISTYCH

równanie Van der Waalsa dla n moli gazu:





nRT

nb

V

V

a

n

p





















2

2

stałe a i b zależą od rodzaju gazu

równanie wirialne:





















......

V

)

T

(

B

V

)

T

(

B

nRT

pV

2

2

1

1

Co dzieje się w gazie rzeczywistym, gdy
obniżamy jego temperaturę?

1) Średnia energia cząstek gazu maleje:

kT

E

śr

2

3



2) Energia oddziaływań międzycząsteczkowych praktycznie nie
zmienia się lub rośnie (gdy cząsteczki gazu mają różne od zera
momenty dipolowe)

w efekcie powyższego:

oddz

śr

kin

śr

E

E 

oddz

śr

kin

śr

E

E 

Zajrzyjmy do wnętrza gazu, w którym.....

oddz

śr

kin

śr

E

E 

oddz

śr

kin

śr

E

E 

Gdy sprężymy gaz, w którym...

oddz

śr

kin

śr

E

E 

Gdy sprężymy gaz, w którym...

oddz

śr

kin

śr

E

E 

podsumowując....

W gazie, w którym:

oddz

śr

kin

śr

E

E 

....cząsteczki nie tworzą agregatów, a sprężanie gazu prowadzi
wyłącznie do zmniejszania odległości miedzy cząsteczkami

W gazie, w którym:

oddz

śr

kin

śr

E

E 

....obserwuje się tworzenie agregatów cząsteczek, a sprężanie gazu
prowadzi do zmniejszania odległości miedzy cząsteczkami oraz do
rozrostu agregatów

Zatem mamy dwa różne stany
materii....

oddz
śr

kin

śr

E

E 

oddz

śr

kin

śr

E

E 

temperatura

T

k

temperatura krytyczna

GAZ WŁAŚCIWY

PARA NIENASYCONA

PARA

NIENASYCONA

Jest to stan materii należący do gazowego stanu
skupienia, w którym możliwe jest tworzenie się
agregatów

cząsteczek

o

rozmiarach

nie

przekraczających pewnej wartości krytycznej

Jest to stan materii należący do gazowego stanu
skupienia, w którym możliwe jest tworzenie się
agregatów

cząsteczek

o

rozmiarach

nie

przekraczających pewnej wartości krytycznej

Granicę pomiędzy gazem a parą nienasyconą

wyznacza TEMPERATURA KRYTYCZNA T

k

temperatura

T

k

PARA NIENASYCONA

GAZ WŁAŚCIWY

TEMPERATURY

KRYTYCZNE

NH

3

132°C

O

2

-

119°C

Cl

2

144°C

N

2

-

147°C

He

-

268°C

CH

4

-82°C

H

2

O

374°C

H

2

S

100°C

Funkcja dystrybucji dla pary

nienasyconej

p

ra

w

d

o

p

o

d

o

b

ie

ń

st

w

o

n

a

p

o

tk

a

n

ia

c

zą

st

ki

odległość

Zalążek

uporządkowania

–

pojawiają

się

odległości

międzycząsteczkowe (d

1

, d

2

), które

są uprzywilejowane w stosunku do
innych,

jednak

zasięg

uporządkowania jest niewielki

Funkcja dystrybucji dla pary

nienasyconej jest izotropowa

d

2

d

1

Zobaczmy jak zachowuje się para nienasycona przy
podwyższaniu ciśnienia lub przy obniżaniu temperatury

Przy obniżaniu temperatury lub podwyższaniu
ciśnienia pary nienasyconej wzrasta przeciętny
rozmiar agregatów cząsteczek

..agregaty takie tworzą się i rozpadają z szybkością
zależną od rodzaju cząsteczek, temperatury,
ciśnienia oraz rozmiarów agregatów (czyli od
liczby cząsteczek w agregacie),

ciśnienie

temperatur
a

Dla każdej temperatury poniżej temperatury krytycznej T

K

istnieje takie ciśnienie p

k

, przy którym rozmiary agregatów

cząsteczek osiągają wartość krytyczną, to znaczy taką
począwszy od której, szybkość wzrostu v

wzr

agregatu przewyższa

szybkość jego rozpadu v

rozp

v

rozp

>

v

wzr

rozmiary agregatów są

MNIEJSZE niż rozmiary

krytyczne

v

rozp

<

v

wzr

rozmiary agregatów są

WIĘKSZE niż rozmiary

krytyczne

PARA NASYCONA

definicja:

para, która w danej temperaturze osiągnęła

maksymalne ciśnienie

para, która w danej temperaturze osiągnęła

maksymalne ciśnienie

a 1

260

280

300

320

340

360

380

0

0.5

1

1.5

temperatura /K

ci

œn

ie

ni

e

/a

tm

1

373

H

2

O

Rozważmy sytuację, w której para nienasycona o
temperaturze T < T

k

poddana jest sprężaniu...

a 1

objêtoœæ

ci

œn

ie

n

ie

p

k

para

nienasycona

para nasycona

ci

e

cz

pV = const

pV = const

p=const

p=const

Zależność p od V dla CO

2

w różnych temperaturach

20°

0°

T

kr

=

31°

prawo Boyle’a -

Mariotta

60°

PARAMETRY

KRYTYCZNE

p

k

V

k

T

k

OBJĘTOŚĆ KRYTYCZNA V

k

- objętość jednego mola gazu w

temperaturze krytycznej T

k

pod ciśnieniem krytycznym p

k

CIŚNIENIE KRYTYCZNE p

k

- ciśnienie pary nasyconej w temperaturze

krytycznej T

k

PARAMETRY KRYTYCZNE W RÓWNANIU

VAN DER WAALSA

PARAMETRY KRYTYCZNE W RÓWNANIU

VAN DER WAALSA





nRT

nb

V

V

a

n

p





















2

2

2

3

27

8

27

=

=

=

k

k

k

V

b

a

p

b

a

T

bR

2

3

=

=

k k

k

a pV

V

b

gaz

a

atm·dm

2

·mol

-2

b

dm

3

·mol

-1

gaz

a

atm·dm

2

·mo

l

-2

b

dm

3

·mol

-1

NH

3

4,17

0,0514

H

2

0,2444 0,0266

N

2

1,39

0,0391

O

2

1,36

0,0318

Cl

2

6,493

0,0562

CO

2

11,62

0,0768

5

PRZYKŁADOWE WARTOŚCI PARAMETRÓW

a i b W RÓWNANIU VAN DER WAALSA

PRZYKŁADOWE WARTOŚCI PARAMETRÓW

a i b W RÓWNANIU VAN DER WAALSA

Funkcja dystrybucji dla pary nasyconej

p

ra

w

d

o

p

o

d

o

b

ie

ń

st

w

o

n

a

p

o

tk

a

n

ia

c

zą

st

ki

odległość

Zalążek uporządkowania – pojawiają się
odległości

międzycząsteczkowe,

które

są

wyraźnie uprzywilejowane w stosunku do
innych, jednak zasięg uporządkowania nie
przekracza 2 – 4 średnic cząsteczek

Funkcja dystrybucji dla pary

nasyconej jest izotropowa

SKRAPLANIE GAZÓW

SKRAPLANIE GAZÓW

GAZ

GAZ

PARA NIENASYCONA

PARA NIENASYCONA

PARA NASYCONA

PARA NASYCONA

obniżenie

temperatu

ry

CIECZ

CIECZ

zmniejsze

nie

objętości

obniżenie

temperatu

ry

obniżenie

temperatu

ry

zmniejsze

nie

objętości

STAN GAZOWY STAN CIEKŁY STAN STAŁY

uporządkowanie

temperatura

podsumowanie
:

p

la

zm

a

w

y

so

ko

te

m

p

e

ra

tu

ro

w

a

p

la

zm

a

n

is

ko

te

m

p

e

ra

tu

ro

w

a

g

a

z

w

ła

śc

iw

y

p

a

ra

n

ie

n

a

sy

co

n

a

p

a

ra

n

a

sy

co

n

a

STAN CIEKŁY

<

oddz

śr

E

kin

śr

E

luki w

strukturze

ciecz zwykła

STAN CIEKŁY – FUNKCJA DYSTRYBUCJI

p

ra

w

d

o

p

o

d

o

b

ie

ń

st

w

o

odległość

Funkcja dystrybucji dla cieczy

zwykłych jest izotropowa

Blisko zasięgowe

uporządkowanie obejmuje 4 –

6 średnic cząsteczek

Blisko zasięgowe

uporządkowanie obejmuje 4 –

6 średnic cząsteczek

Podstawowe cechy stanu

ciekłego

Cząsteczki pomiędzy którymi działają znaczące siły znajdują się w

odległościach rzędu ich własnych rozmiarów

W cieczach obserwuje się tzw. blisko zasięgowe uporządkowanie

obejmujące kilka średnic cząsteczkowych

ściśliwość cieczy jest bardzo mała

powierzchnia cieczy ma szczególne cechy wynikające z istnienia SIŁ

NAPIĘCIA POWIERZCHNIOWEGO

SIŁY MIĘDZYCZĄSTECZKOWE W CIECZACH

SIŁY MIĘDZYCZĄSTECZKOWE W CIECZACH

oddziaływania dipol – dipol
oddziaływania dipol – indukowany dipol
siły dyspersyjne

siły Van der Waalsa

wiązanie

wodorowe

występujące wyłącznie w cieczach złożonych z cząsteczek
zawierających atomy wodoru oraz atomy:

azotu, tlenu lub fluoru

– silne wiązanie

fosforu, siarki, chloru, bromu lub jodu

– słabe wiązanie

WIĄZANIE WODOROWE

wodór

fluor

etap I - zbliżanie

etap II – utworzenie wiązania wodorowego

Struktura wody z uwidocznionymi wiązaniami

wodorowymi

O

H

H

ENERGIA WIĄZAŃ

WODOROWYCH

ENERGIA WIĄZAŃ

WODOROWYCH

siły

Van der Waalsa

siły

Van der Waalsa

wiązanie

wodorowe

wiązanie

wodorowe

wiązanie

chemiczne

wiązanie

chemiczne

<

<

POWIERZCHNIA

CIECZY

F

w

>

0

F

w

=

0

ci

e

c

z

g

a

z

(p

a

ra

)

Zwiększenie

powierzchni

cieczy

wymaga zatem wykonania pracy L
przeciwko sile F

w

Zwiększenie

powierzchni

cieczy

wymaga zatem wykonania pracy

L

przeciwko sile

F

w

zdefiniujemy

NAPIĘCIE POWIERZCHNIOWE s





1

2













m

N

m

J

S

L



L – praca zużyta na
wytworzenie powierzchni S

cieczy

~10 < s < ~1500
mJ·m

-2

LEPKOŚĆ CIECZY (tarcie

wewnętrzne)

LEPKOŚĆ CIECZY (tarcie

wewnętrzne)

v

1

v

2

F

Dx

v

2

– v

1

=

Dv

v

2

– v

1

=

Dv

S

x

v

S

F













h – współczynnik
lepkości

jednostka (SI):

1N·s·m

-2

1 puaz = 0,1

N·s·m

-2

10

-4

< h < 10

13

N·s·m

-2

CIECZE ANIZOTROPOWE – CIEKŁE KRYSZTAŁY

CIECZE ANIZOTROPOWE – CIEKŁE KRYSZTAŁY

W trakcie topienia pewnych związków chemicznych o
cząsteczkach wydłużonych lub płaskich, posiadających duże
momenty dipolowe obserwuje się dwuetapowe topnienie:

kryształy

topnienie do fazy I

przemiana do fazy II

faza I – termotropowy ciekły

kryształ

mętna ciecz

I

przeźroczysta

ciecz

II

ciecz, dla której funkcja dystrybucji jest anizotropowa – różna dla

różnych kierunków w przestrzeni

p

ra

w

d

o

p

o

d

o

b

ie

ń

st

w

o

odległość

odległość

p

ra

w

d

o

p

o

d

o

b

ie

ń

st

w

o

kierunek 1

kierunek 2

Ciecz

anizotropowa

Ciecz

anizotropowa

jak w „zwykłej
cieczy”

znacznie
lepsze
uporządkowani
e

STRUKTURY CIEKŁYCH

KRYSZTAŁÓW

STRUKTURY CIEKŁYCH

KRYSZTAŁÓW

faza

nematyczna

NEMATY

K

STRUKTURY CIEKŁYCH KRYSZTAŁÓW

STRUKTURY CIEKŁYCH KRYSZTAŁÓW

faza smektyczna

SMEKTY

K

STRUKTURY CIEKŁYCH KRYSZTAŁÓW

STRUKTURY CIEKŁYCH KRYSZTAŁÓW

faza

cholesterolowa

Drogi od stanu ciekłego do stanu

stałego

STAN CIEKŁY

STAN STAŁY

STAN

CIEKŁOKRYSTALICZNY

STAN SZKLISTY

temperatura

Przejście do stanu szklistego – zmiana

lepkości z temperaturą

10

0

10

12

10

3

10

6

10

9

stan plastyczny

sztywność
postaci

temperatura

h

temperatura

krzepnięcia

STAN SZKLISTY - definicja

SZKŁO jest substancją powstającą w wyniku ciągłego
przejścia przy ochładzaniu od stanu cieczy (lepkość
rzędu 1 N·s·m

-2

) do stanu w którym lepkość jest

większa od 10

12

N·s·m

-2

.

SZKŁO jest substancją powstającą w wyniku ciągłego
przejścia przy ochładzaniu od stanu cieczy (lepkość
rzędu 1 N·s·m

-2

) do stanu w którym lepkość jest

większa od 10

12

N·s·m

-2

.

10

0

10

12

10

3

10

6

10

9

stan plastyczny

stan szklisty lub stały

temperatura

h

temperatura

krzepnięcia

przejście w stan

szklisty

przejście w stan

szklisty

przejście w stan

stały

przejście w stan

stały

STRUKTURA SZKŁA

Struktura szkła przypomina strukturę cieczy, w której
„wyłączono” ruchy translacyjne (postępowe) składników.
Rezultatem jest utworzenie praktycznie nieuporządkowanej
struktury elementarnych składników szkła.

elementarny

składnik struktury

STAN STAŁY

CIAŁA KRYSTALICZNE

CIAŁA AMORFICZNE

RÓŻNE STRUKTURY

KRYSTALICZNE

SZKŁA

STAN

AMORFICZNY

STAN AMORFICZNY to stan materii cechujący się
brakiem uporządkowania (lub występowaniem
uporządkowania blisko zasięgowego), w którym
cząsteczki (atomy) zachowują swobodę ruchów
drgających, przy praktycznym braku swobody
ruchów postępowych.

STAN AMORFICZNY to stan materii cechujący się
brakiem uporządkowania (lub występowaniem
uporządkowania blisko zasięgowego), w którym
cząsteczki (atomy) zachowują swobodę ruchów
drgających, przy praktycznym braku swobody
ruchów postępowych.

Funkcja dystrybucji w tym stanie jest
izotropowa i analogiczna do funkcji
dystrybucji cieczy lub gazów

Stan krystaliczny

STAN KRYSTALICZNY

W STANIE KRYSTALICZNYM atomy, jony lub cząsteczki
są ułożone w periodyczny, trójwymiarowy wzór tzw.
KRYSZTAŁ

STRUKTURA KRYSZTAŁÓW

....

może być rozpatrywana z punktu

widzenia:

rozmieszczenia przestrzennego elementów

tworzących kryształ

rodzaju elementów tworzących

kryształ

rodzaju wiązań chemicznych

pomiędzy elementami tworzącymi

kryształ

podejście
geometryczne

podejście
geometryczne

podejście fizyczne
(chemiczne)

podejście fizyczne
(chemiczne)

SIEĆ PRZESTRZENNA

KRYSZTAŁÓW

Do opisu struktury geometrycznej kryształów
stosujemy pojęcie SIECI PRZESTRZENNEJ

Do opisu struktury geometrycznej kryształów
stosujemy pojęcie SIECI PRZESTRZENNEJ

SIEĆ PRZESTRZENNA

to zbiór punktów zwanych

WĘZŁAMI SIECI,

podających położenie środków masy

atomów, cząsteczek lub jonów tworzących kryształ

SIEĆ

PRZESTRZENNA

SYMETRIA KRYSZTAŁÓW

SYMETRIA KRYSZTAŁÓW

Opisem symetrii kryształów zajmuje się

KRYSTALOGRAFIA GEOMETRYCZNA

Pb

5

[Cl(VO

4

)

3

]

Pb

5

[Cl(VO

4

)

3

]

SiO

2

SiO

2

CaCO

3

CaCO

3

parametry sieciowe

parametry sieciowe

KOMÓRKA

ELEMENTARNA...

KOMÓRKA

ELEMENTARNA...

...to równoległościan stanowiący podstawowy, powtarzający się
okresowo w przestrzeni, element sieci przestrzennej

...to równoległościan stanowiący podstawowy, powtarzający się
okresowo w przestrzeni, element sieci przestrzennej

a

b

c

g

b

a

a, b, c

a, b, g

a, b, c

a, b, g

KOMÓRKA ELEMENTARNA

UKŁADY KRYSTALOGRAFICZNE

Szczegółowa analiza wykazała, że strukturę geometryczną
wszystkich kryształów, można odtworzyć przyjmując, że istnieją
4 typy KOMÓREK ELEMENTARNYCH, rozdzielone pomiędzy 7
UKŁADÓW KRYSTALOGRAFICZNYCH, różniących się relacjami
pomiędzy a, b, c i a, b, g

Szczegółowa analiza wykazała, że strukturę geometryczną
wszystkich kryształów, można odtworzyć przyjmując, że istnieją
4 typy KOMÓREK ELEMENTARNYCH, rozdzielone pomiędzy

7

UKŁADÓW KRYSTALOGRAFICZNYCH

, różniących się relacjami

pomiędzy a, b, c i a, b, g

Siedem układów
krystalograficznych:

1. • trójskośny T
2. • jednoskośny M
3. • rombowy lub ortogonalny O
4. • romboedryczny lub

trygonalny R

5. • tetragonalny lub kwadratowy

Q

6. • heksagonalny H
7. • kubiczny lub regularny K

a = b = c a = b = g = 90°

a = b = c a = b = g = 90°

UKŁAD REGULARNY

a <> b <> c a = b = g =
90°

a <> b <> c a = b = g =
90°

UKŁAD ROMBOWY

...przykładowo:

UKŁADY

KRYSTALOGRAFICZNE

Typy komórek

elementarnych

Typy komórek

elementarnych

prymitywna P

prymitywna

P

przestrzennie centrowana I

przestrzennie centrowana

I

płasko centrowana na

dwóch ścianach C

płasko centrowana na

dwóch ścianach

C

płasko centrowana na

wszystkich ścianach F

płasko centrowana na

wszystkich ścianach

F

Wiązania w sieci

krystalicznej

W zależności od typu wiązań pomiędzy elementami
tworzącymi kryształ wyróżniamy:

atomy połączone wiązaniem
metalicznym

metaliczny

jony połączone wiązaniem
jonowym

jonowy

atomy połączone wiązaniami s
lub p

kowalencyjny

cząsteczki lub atomy
oddziaływujące siłami Van der
Waalsa

molekularny

elementy struktury i

wiązanie

typ kryształu

KRYSZTAŁY MOLEKULARNE

C

60

C

60

właściwości:

•mała wytrzymałość mechaniczna i mała
twardość
•niska temperatura topnienia
•duży współczynnik rozszerzalności cieplnej
•izolatory

KRYSZTAŁY MOLEKULARNE –

przykłady

Heksagonalna sieć krystaliczna lodu

Kryształ lodu

T

top

= 0 °C

KRYSZTAŁY MOLEKULARNE –

przykłady

Regularna sieć krystaliczna stałego CO

2

Kostki suchego lodu

T

sub

= -78,5

°C

KRYSZTAŁY MOLEKULARNE –

przykłady

Sieć krystaliczna stałego jodu
(struktura ortorombowa)

T

sub

= 113,7 °C

Kryształy jodu

KRYSZTAŁY

KOWALENCYJNE

właściwości
:

•duża wytrzymałość mechaniczna i duża twardość
•wysoka temperatura topnienia
•mały współczynnik rozszerzalności cieplnej
•izolatory, po stopieniu nie przewodzą prądu
elektrycznego

diament

diament

KRYSZTAŁY JONOWE

NaCl

NaCl

właściwości:

•duża wytrzymałość mechaniczna i duża
twardość
•wysoka temperatura topnienia
•mały współczynnik rozszerzalności cieplnej
•izolatory,

po stopieniu przewodzą prąd

elektryczny

KRYSZTAŁY

METALICZNE

właściwości:

•różna wytrzymałość mechaniczna i
twardość, zwykle dobra ciągliwość
• raczej wysokie temperatury topnienia
•mały współczynnik rozszerzalności
cieplnej
•przewodniki prądu elektrycznego
•nieprzezroczyste o charakterystycznym
połysku metalicznym

bizmut

bizmut

WIĄZANIE

METALICZNE

WIĄZANIE

METALICZNE

jony dodatnie

gaz elektronowy

DEFEKTY W KRYSZTAŁACH

Żaden kryształ w temperaturze T > 0 K

NIE MOŻE

mieć idealnej struktury dlatego w sieci krystalicznej

ZAWSZE

istnieją

DEFEKTY

Defekty w sieci krystalicznej możemy
podzielić na:

punktowe
(zerowymiarowe)
liniowe
(jednowymiarowe)
płaskie (dwuwymiarowe)

DEFEKTY PUNKTOWE

DEFEKTY PUNKTOWE

Zaburzenia regularności sieci krystalicznej o
rozmiarach rzędu rozmiarów elementów tworzących
kryształ (jonów, atomów lub cząsteczek) to....

atomowe

elektronowe

dotyczą

całego

atomu, jonu lub
cząsteczki

dotyczą wyłącznie sytuacji
związanych z zachowaniem
się

elektronu

w

sieci

krystalicznej

ATOMOWE DEFEKTY PUNKTOWE

defekt Schottky’ego

ATOMOWE DEFEKTY PUNKTOWE

defekt Schottky’ego

wakancja

kationowa

wakancja

anionowa

sieć idealna

kation
anion

ATOMOWE DEFEKTY PUNKTOWE

defekt Frenkla

ATOMOWE DEFEKTY PUNKTOWE

defekt Frenkla

sieć idealna

kation
anion

kation

międzywęzłowy

wakancja

kationowa

O

Defekty punktowe i stechiometria związków

chemicznych

Defekty punktowe i stechiometria związków

chemicznych

O

2-

Ni

2+

Ni

2+

Ni

2+

O

2-

Ni

2+

O

2-

O

2-

O

2-

Ni

2+

O

2-

Ni

2+

Ni

2+

Ni

2+

O

2-

Ni

2+

O

2-

O

2-

O

2-

Ni

2+

O

2-

Ni

2+

Ni

2+

Ni

2+

O

2-

Ni

2+

O

2-

O

2-

O

2-

Ni

2+

O

2-

Ni

2+

Ni

2+

Ni

2+

O

2-

Ni

2+

O

2-

O

2-

O

2-

Ni

2+

O

O

2-

Ni

3+

Ni

3+

NiO

NiO

Ni

3+

O

2-

Ni

2+

Ni

2+

O

2-

O

2-

O

2-

O

2-

Ni

2+

O

2-

Ni

2+

Ni

2+

Ni

2+

O

2-

Ni

2+

O

2-

O

2-

O

2-

Ni

2+

O

2-

Ni

3+

Ni

3+

O

2-

Ni

2+

Ni

2+

O

2-

O

2-

O

2-

O

2-

Ni

2+

O

2-

Ni

2+

Ni

2+

Ni

2+

O

2-

Ni

2+

O

2-

O

2-

O

2-

Ni

2+

O

2-

Ni

3+

Gdy w jakiejkolwiek reakcji powstają kryształy tlenku
niklu NiO liczba jonów tlenkowych O

2-

jest zawsze

większa od liczby jonów niklu. Zatem praktycznie
wzór tlenku niklu ma postać:

2

1

1

x

)

III

(

x

)

II

(

x

O

Ni

Ni





wartość x (lub y) zależy od sposobu otrzymywania
tlenku niklu (rodzaju reagentów, temperatury,
atmosfery

otaczająca

reagenty

i

produkty,

szybkości prowadzenia reakcji)

y

NiO



1

ZWIĄZKI NIESTECHIOMETRYCZNE - BERTOLIDY

ZWIĄZKI NIESTECHIOMETRYCZNE -

BERTOLIDY

Związki chemiczne, których skład zależy od
sposobu i warunków otrzymywania noszą nazwę
związków niestechiometrycznych lub bertolidów.

Związki chemiczne, których skład zależy od
sposobu i warunków otrzymywania noszą nazwę

związków niestechiometrycznych

lub

bertolidów

.

Istnienie

bertolidów

uwarunkowane

jest

obecnością defektów w sieci krystalicznej, dlatego
związki niestechiometryczne występują wyłącznie
w grupie ciał stałych.

Istnienie

bertolidów

uwarunkowane

jest

obecnością defektów w sieci krystalicznej, dlatego
związki niestechiometryczne występują wyłącznie
w grupie ciał stałych.

powszechnie występującymi bertolidami są tlenki
i siarczki pierwiastków bloków d i f

powszechnie występującymi bertolidami są tlenki
i siarczki pierwiastków bloków d i f