STANY SKUPIENIA MATERII - konspekt wykładów

Opracowała dr inż. Teresa Szymura

Spójność materii

Wiązania chemiczne:

-kowalencyjne (niespolaryzowane, spolaryzowane, koordynacyjne ), -jonowe, -metaliczne

-wiązania międzycząsteczkowe (Van der Waalsa)

-wiązania wodorowe

HYBRYDYZACJA - „Uśrednienie oritali”

atomy występują we wzbudzonym stanie energetycznym

Rodzaj wiązania chemicznego zależy od różnicy elektroujemności łączących się pierwiastków.

Energie wiązań jonowych i atomowych (Ew = 500 ÷ 1000 kJ/mol).

Energia wiązania metalicznego Ew = 200 ÷ 500 kJ/mol.

WIĄZANIA MIĘDZYCZĄSTECZKOWE

Kształtują właściwości kohezyjne materiału:

temperatura wrzenia, temperatura topnienia, ciepło właściwe, gęstość, twardość, lepkość i napięcie powierzchniowe cieczy - rosną wraz ze wzrostem sił Van der Waalsa.

Są przyczyną zjawisk: asocjacji cząsteczek cieczy, tworzenie się koloidów, adsorpcji, adhezji itp.

WIĄZANIE WODOROWE

Energia wiązania wodorowego (Ew = 20 ÷ 40 kJ/mol),

siły Van der Waalsa (Ew = 4 ÷ 25 kJ/mol).

STANY SKUPIENIA MATERII

1. stały

2. ciekły

3. gazowy

4. stan plazmy, istnieje w zakresie niezwykle wysokich temperatur lub w wysokim polu elektrycznym.

Wg teorii kinetycznej materii:

w temperaturach powyżej zera absolutnego atomy i cząsteczki substancji znajdują się w nieustannym ruchu.
- W ciałach stałych - oscylacja atomów i cząsteczek względem węzłów sieci krystalicznej.
- W temperaturze topnienia tracą zdolność powrotu do swych pierwotnych położeń i substancja stała przechodzi w ciecz.

- Dalsze ogrzewanie cieczy prowadzi do podwyższenia energii kinetycznej wystarczającej do pokonania sił wzajemnego przyciągania i ciecz zamienia się w gaz.

STAN GAZOWY charakteryzuje się: bardzo dużym współczynnikiem ściśliwości, brakiem sprężystości, brakiem uporządkowania cząsteczek.

STAN FIZYCZNY KAŻDEGO GAZU określają następujące parametry : ilość (w molach n, także masa m oraz masa molowa M, przy czym n = m/M,) objętość v (cm³, dm³, l), ciśnienie p(Pa,) temperatura T (^oK, ^oC)

GAZ DOSKONAŁY - założenia.

równania stanu gazu doskonałego (Clapeyrona): pv = nRT

p - ciśnienie (Pa), v - objętość (m3), n - liczność (liczba moli), R - stała gazowa  = 8,314 J/(mol·K),

T - temperatura, K.

Przykład 1

W zbiorniku z ruchomym tłokiem znajduje się 0,006 kg tlenu. Gaz ten zajmuje objętość 0,002 m³ w temperaturze 270C. Masa molowa tlenu jest równa 0,032 kg. Obliczyć ciśnienie gazu w zbiorniku.

RÓWNANIE GAZU RZECZYWISTEGO (van der Waalsa)

(p + an/V²)(V - nb) = nRT 

Poprawka a/V² nosi nazwę ciśnienia wewnętrznego gazu.

Poprawka b zależy od wielkości i kształtu cząsteczki gazu rzeczywistego, oznacza tzw. sferę działania cząsteczek i jest równa w przybliżeniu poczwórnej objętości własnej cząsteczek.

STAN CIEKŁY

- stan pośredni między stanem stałym a gazowym

- brak równania opisującego ciecze.

Każda cząsteczka cieczy przebywa stale w sferze oddziaływania: sił przyciągających pochodzących od otaczających ją innych cząsteczek, przy mniejszych odległościach siły wzajemnego odpychania, dodatkowe siły oddziaływania międzycząsteczkowego (polarność cząsteczek lub tworzenie wiązania wodorowego).

Wielkością charakteryzującą proces parowania dla danej cieczy jest: molowe ciepło parowania

Molowym ciepłem parowania nazywamy ilość ciepła potrzebną do przeprowadzenia 1 mola cieczy w parę w tej samej temperaturze.

WYKRES FAZOWY WODY

REGUŁA FAZ GIBBSA

W danym układzie liczba stopni swobody n jest równa liczbie składników niezależnych s, pomniejszonej o liczbę faz plus dwa: n = s - f + 2 

    Jako liczbę stopni swobody w danym układzie rozumiemy liczbę niezależnych czynników fizycznych (parametrów), które mogą być dowolnie zmieniane pod warunkiem, że nie wywoła to zmiany liczby faz.

WŁAŚCIWOŚCI CIECZY (zależą od jej rodzaju)

1. Napięcie powierzchniowe

2. Lepkość

Inne szczególne cechy cieczy: zwilżalność, włoskowatość (kapilarność), właściwości sorpcyjne (przenoszenia masy) - absorpcja gazów przez ciecze, - adsorpcja na powierzchni.

Na granicy styku cieczy, ciała stałego i gazu ciecz tworzy zawsze taki sam kąt z powierzchnią ciała stałego,

który nazywa się KĄTEM ZWILŻANIA.

Kapilarność materiałów - zdolność podciągania wody ku górze przez włoskowate kanaliki kapilarne materiału.

Wysokość podciągania kapilarnego określa wzór:

2 ∙ σ ∙ cosΘ

h = -------------

ρ ∙ g ∙ r

gdzie: h - wysokość podciągania (m), σ - napięcie powierzchniowe (J/m² lub N/m), ρ - gęstość cieczy (kg/m³),

g - przyspieszenie ziemskie (m/s²), r - promień rurki (m), θ - kąt zwilżania.

A B S O R P C J A - proces wnikania cząsteczek, atomów lub jonów do wnętrza innej substancji tworzącej dowolną fazę ciągłą (gazu, cieczy, ciała stałego )

Zjawisko opisuje prawo podziału Nernsta,

(przyp. szczeg. gaz/ciecz prawo Henry'ego).

Podział i zastosowania absorpcji

ADSORPCJA - zjawisko gromadzenia się substancji - ADSORBATU na powierzchni cieczy (lub ciała stałego) - ADSORBENTU

SPOISTOŚĆ CIECZY zależy: od jej rodzaju, od typu wiązań wewnątrzcząsteczkowych.

• CIECZE W BUDOWNICTWIE: Woda, ciecze sztywne.

Ciecze przechłodzone: szkliwa - szkła nieorganiczne, np. okienne, szkła organiczne z polimetakrylanu metylu, szkliwa naturalne (np. bursztyn).

ciecze sztywne, to najczęściej osady koloidalne.

Ciecze krystaliczne lub ciekłe kryształy

• płaskie — lamele,

• bądź przestrzenne — krystality,

• aglomeraty o kształcie kulistym lub cylindrycznym - sferolity,

• a w materiałach włóknistych — fibryle.

I Z O T R O P I A I A N I Z O T R O P I A

Ciała izotropowe wykazują jednakowe właściwości bez względu na kierunek, w którym dana właściwość jest rozpatrywana. na przykład: rozszerzalność termiczna, przewodnictwo elektryczne, współczynnik załamania światła, szybkość wzrostu i rozpuszczania. Przeciwieństwem jest anizotropia.

Modele struktury cieczy : a) ciecz izotropowa - araorficzna, struktura bezładna, b) ciecz anizotropowa-nematyczna, obszary częściowo uporządkowane, c) ciecz anizotropowa-smektyczna, obszary częściowo uporządkowane o wyrównanych czołach orientacji.

ODSZKLENIE = DEWITRYFIKACJA

STAN STAŁY mają w danej temperaturze: określony kształt, Objętość, dużą sztywność, ich gęstość jest mniej zależna od temperatury i ciśnienia.

Dzieli się ciała stałe na: bezpostaciowe, krystaliczne.

CIAŁA BEZPOSTACIOWE ( ciecze sztywne):Atomy, cząsteczki lub jony nie są rozmieszczone w prawidłowej sieci przestrzennej. Określane często jako ciecze przechłodzone o dużej lepkości.

Wykazują niektóre cechy charakterystyczne dla ciał stałych, jak twardość i zdolność zachowania nie zmienionego kształtu. Brak określonej temperatury topnienia. Ogrzewane stopniowo miękną i rozpływają się. Są izotropowe (tzn. wykazują we wszystkich kierunkach identyczne właściwości fizyczne).

STAN STAŁY KRYSTALICZNY

Cechy: -sprężystość, -kształt geometryczny, -uporządkowana budowa wewnętrzna.

Podział: -kryształy, -ciekłe kryształy.

W fazie ciekłej:

cząsteczki mają pełną swobodę przemieszczania się w obrębie objętości cieczy (translacyjne stopnie swobody), nie są daleko zasięgowo uporządkowane (rotacyjne stopnie swobody) - Translacja (przemieszczanie się) i rotacja (ruchy obrotowe) związane są z energią kinetyczną cząstek materialnych.

W fazie ciekłokrystalicznej ( ciecze smektyczne, nematyczne): cząsteczki mają niewielką swobodę ruchu (częściowo uwolniona translacja), są trochę uporządkowane ( częściowo uwolniona rotacja).

W fazie krystalicznej: wszystkie cząsteczki są ściśle uporządkowane, nie mają swobody ruchu.

CIEKŁE KRYSZTAŁY - MEZOFAZA

CIAŁA KRYSTALICZNE: cechy

Topią się w ściśle określonych temperaturach. Podstawowe elementy budowy chemicznej: atomy, jony lub cząsteczki w stanie stałym są przestrzennie uporządkowane i tworzą sieć krystaliczną.

W zależności od rodzaju wiązań ciała krystaliczne można podzielić na kryształy:

- z siecią jonową, - z siecią atomową, - z siecią cząsteczkową, - z siecią metaliczną.

Charakteryczne dla materiału krystalicznego: układ krystalograficzny, sposób rozmieszczenia ścian kryształu w stosunku do osi krystalograficznej, liczba koordynacyjna określająca liczbę jednakowych jonów lub atomów otaczających w tej samej odległości pewien atom lub jon przyjęty za centralny.

Kształt i wymiary komórki elementarnej są charakterystyczne dla danego materiału.

PODSTAWOWE TYPY KOMÓREK ELEMENTARNYCH, którym odpowiada siedem układów krystalograficznych:

1. regularny

2. tetragonalny

3. heksagonalny i trygonalny nieromboedryczny

4. rombowy

5. jednoskośny

6. trójskośny

7. trygonalny romboedryczny.

IZOMORFIZM = RÓWNOPOSTACIOWOŚĆ -definicja, przykłady.

Zdolność do wzajemnego zastępowania jonów, atomów lub cząsteczek przez inne o zbliżonych wymiarach nazywa się diadochią - przykłady.

Pierwiastki krystalizują w typach sieci o dużej liczbie koordynacyjnej i o wysokiej symetrii.

KRYSZTAŁY JONOWE

• W ciałach stałych jonowych cząstkami w węzłach sieci są jony dodatnie i ujemne.• Siły przyciągania są duże - dość wysokie temperatury topnienia, dużo wyższe od pokojowej.
Pojedyncze jony w sieci jonowej są otoczone możliwie dużą liczbą jonów naładowanych przeciwnie (powód: elektrostatyczny lub polarny charakter sił wiązania oraz kulisty i symetryczny rozkład ładunku).

KRYSZTAŁY CZĄSTECZKOWE ( siły spójności). Właściwości: niskie temperatury topnienia, dość miękkie, są złymi przewodnikami elektryczności.

KRYSZTAŁY KOWALENCYJNE: atomy są związane ze sobą wiązaniami atomowymi, cały kryształ atomowy (kowalencyjny) należy traktować jako jedną olbrzymią cząsteczkę.

SIEĆ KRYSTALICZNA GRAFITU

KRYSZTAŁ METALICZNY

POLIMORFIZM I ALOTROPIA (różnopostaciowość). Ten sam związek chemiczny lub pierwiastek może występować w różnych strukturach krystalicznych i różnić się właściwościami fizycznymi. Przykłady.

ALOTROPIA WĘGLA

Energia wiązań sieci

Defekty strukturalne; zaburzenie periodycznego uporządkowania atomów w krysztale

Może to być zaburzenie: Położenia atomów, typu atomów.

ZNACZENIE DEFEKTÓW

RODZAJE DEFEKTÓW (ze względu na ich wymiarowość)

Punktowe (0D): wakanse, atomy międzywęzłowe, domieszki,

Liniowe (1D): dyslokacje krawędziowe i śrubowe,

Powierzchniowe (2D): granice międzyziarnowe, mikropęknięcia,

Objętościowe (3D): puste miejsca, wtrącenia obcych faz.

DEFEKTY PUNKTOWE(a) wakans, (b) (obcy) atom międzywęzłowy, (c) mały atom domieszki, (d) duży atom domieszki, (e) defekt Frenkela, (f) Defekt Schottky'ego.

DOMIESZKI (roztwory stałe)

DYSLOKACJE krawędziowa, śrubowa.

---