Stany skupienia materii
Stany skupienia materii
st. kpt. dr inż. Zdzisław Salamonowicz
Stany skupienia
Stany skupienia
materii
materii
ciało stałe
gaz plazma ciecz
g g
Naturalne stany skupienia pierwiastków
Naturalne stany skupienia pierwiastków
g g g g
g - gas
g
l - liquid
l
g g
g
l
g
g
l
Gaz
Gaz
Faza  cześć układu jednorodna w całej swojej objetości zarówno pod
Faza
względem chemicznym, jak i fizycznym.
Gaz  faza, w której energia atomów wynosi:
Gaz
2
Ek = k Å" T
3
k - stała Boltzman a,
T  temperatura bezwzględna.
Gaz doskonały
Gaz doskonały
" gaz składa się z cząsteczek (atomów) będących
w nieustajÄ…cym, przypadkowym ruchu,
" cząsteczki (atomy) można traktować jako punkty
bezwymiarowe, można zaniedbać wymiary cząsteczek,
" zderzenia między cząsteczkami są doskonale
sprężyste.
Prawa gazu doskonałego
Prawa gazu doskonałego
Prawo Avogadro:
Prawo Avogadro:
Jednakowe objętości ró\
nych gazów znajdujących się pod tym samym
ciśnieniem i w tej samej temperaturze zawierają jednakową liczbę
czÄ…steczek
N = 6,023 × 1023
N - liczba Avogadro
N -
1 mol ka\
dego gazu w warunkach normalnych (T=273,15K (00C) p=
1013,25hPa (1atm.)) zajmuje taką samą objętość
V = 22,4dm3
Prawo Boyle  Mariotte'a:
Prawo Boyle  Mariotte'a:
W stałej temperaturze (warunki izotermiczne) iloczyn ciśnienia i
objętości jest wartościa stałą.
pv = const.
stÄ…d:
p1v1 = p2v2
p1 v2
=
p2 v1
Izotermy dla ró\
nych temperatur
Prawo Gay  Lussac a:
Prawo Gay Lussac a:
przy stałym ciśnieniu (warunki izobaryczne) objętość danej masy gazu
zmienia siÄ™ proporcjonalnie do temperatury.
v1
= const.
T1
stÄ…d:
v1 v2
=
T1 T2
Izobary dla ró\
nych ciśnień
Prawo Charles a:
Prawo Charles a:
przy stałej objętości (warunki izochoryczne) ciśnienie gazu zmienia się
proporcjonalnie do zmian temperatury.
p1
= const.
T1
stÄ…d:
p1 p2
=
T1 T2
Izochory dla ró\
nych objętości gazu
Równanie stanu gazu doskonałego
Równanie stanu gazu doskonałego
(Clausiusa-Clapeyrona):
(Clausiusa-Clapeyrona):
pv = nRT
p - ciśnienie [Pa],
v - objętość [m3],
n - liczba moli gazu [mol],
R  uniwersalna stała gazowa 8.314 [Pam3/molK],
T  temperatura bezwzględna [K].
Prawo Daltona:
Prawo Daltona:
ciśnienie całkowite mieszaniny gazów jest sumą ciśnień cząstkowych
składników.
ptotal = p1 + p2 + ... + pi =
"pi
Ciśnienie parcjalne (cząstkowe)  jest to ciśnienie składnika mieszaniny
gazów, jakie wywierałby na ścianki naczynia, gdyby znajdował się w nim
sam.
wiedzÄ…c, \
e:
n1RT niRT
p1 = ,..., pi =
V V
oraz: ni
= xi
"ni
i
pi = p Å" xi
Ciśnienie parcjalne (cząstkowe) gazu jest równe iloczynowi ciśnienia
całkowitego i ułamka molowego tego składnika w mieszaninie gazu.
Dyfuzja gazów
Dyfuzja gazów
Dyfuzja jest to spontaniczne rozprzestrzenianie siÄ™ czÄ…steczek gazu
Dyfuzja
wywołane nieustannym ruchem molekularno-kinetycznym.
Prawo dyfuzji Grahama:
Prawo dyfuzji Grahama:
d2 M2
u1 t1
= = =
u2 t2 d1 M1
u  szybkość dyfuzji,
t  czas przepływu,
d - gęstośc gazu,
M  masa molowa.
Gaz rzeczywisty
Gaz rzeczywisty
" cząsteczki gazu rzeczywistego posiadają objętość
własną,
" występują pomiędzy nimi oddziaływania między-
czÄ…steczkowe,
" zderzenia cząstek nie są doskonale sprężyste.
Gazy rzeczywiste w warunkach wysokiego ciśnienia i niskiej temperatury nie
stosują się do praw gazu doskonałego.
Odchylenia od praw gazu doskonałego
Równanie stanu gazu rzeczywistego:
Równanie stanu gazu rzeczywistego:
ëÅ‚ öÅ‚
n2 Å" a÷Å‚
ìÅ‚
Å" (V - n Å" b) = nRT
ìÅ‚p + V2 ÷Å‚
íÅ‚ Å‚Å‚
a, b - stałe charakterystyczne dla danego gazu,
(n2a/V) - korekta ciśnieniowa,
(nb)  korekta objętościowa.
Plazma
Plazma
Plasma - stan typowy dla gazów zjonizowanych, uwa\
any za odrębny
Plasma
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 ni\

w przypadku metali, maleje ze wzrostem jej temperatury.
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.
E(oddziaÅ‚.) > k Å" T
Właściwości cieczy
Właściwości cieczy
Napięcie powierzchniowe
Napięcie powierzchniowe
powierzchnia
Siły odziałujące na cząsteczki cieczy przy powierzchni.
Napięcie powierzchniowe  praca powtrzebna do zwiększenia powierzchni
Napięcie powierzchniowe 
cieczy o jednostkÄ™.
W îÅ‚ J Å‚Å‚
à =
ïÅ‚ śł
A
ðÅ‚m2 ûÅ‚
Efekt występowania napięcia powierzchniowego wody.
Lepkość
Lepkość
Warstwy cieczy poruszające się w przepływie laminarnym.
Siła potrzebna do nadania gradientu prędkości pomiędzy dwoma
warstwami cieczy wyra\
a siÄ™ wzorem:
dv
F = ·A
dx
· - lepkość dynamiczna,
A - powierzchnia,
v - szybkość,
x  odległość pomiędzy warstwami cieczy.
Lepkość  miara oporu wewnętrznego cieczy przeciw płynięciu.
Lepkość
· = [Pa Å" s]= [P](puaz)
Lepkość maleje ze wzrostem temperatury zgodnie z równaniem Arheniusa:
EA
· = AeRT
A - stała, charakterystyczna dla cieczy,
EA  energia aktywacji przepływu,
R  stała gazowa,
T  temperatura bezwzględna.
Efekt wlewania cieczy o wy\
szej
lepkości (mleko) do wody.
Ciała stałe
Ciała stałe
" atomy, bÄ…dz
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.
Ciała stałe
Ciała stałe
ciekł ły
łe kryształ
Å‚ Å‚
Å‚ Å‚
amorficzne krystaliczne
Ciała stałe amorficzne  formy przypadkowe o chaotycznym uło\
eniu
Ciała stałe amorficzne formy przypadkowe o chaotycznym uło\
eniu
atomów i cząsteczek, których nie mo\
na opisać geometrycznie
atomów i cząsteczek, których nie mo\
na opisać geometrycznie
Kryształ  ciało stałe, w którym cząsteczki, atomy, bądz
jony są uło\
one w
Kryształ
regularnym porzÄ…dku we wszystkich trzech wymiarach.
Kryształy
Kryształy
monokryształy ciała polikrystaliczne
monokryształy ciała polikrystaliczne
Struktura kryształu
Struktura kryształu
Komórka elementarna - najmniejsza, powtarzalna część struktury
Komórka elementarna -
kryształu, zawierająca wszystkie rodzaje cząsteczek, jonów i atomów,
które tworzą określoną sieć krystaliczną. Komórka elementarna
powtarza siÄ™ we wszystkich trzech kierunkach i odwzorowuje strukturÄ™
całego kryształu. Komórka elementarna jest charakteryzowana przez
parametry sieci: odległości międzycząsteczkowe i kąty pomiędzy nimi.
Typy komórek elementarnych
Typy komórek elementarnych
układ regularny
układ regularny
prosty przestrzennie ściennie
centrowany centrowany
układ tetragonalny
układ tetragonalny
prosty przestrzennie centrowany
układ trygonalny
układ trygonalny
układ heksagonalny
układ heksagonalny
układ rombowy
układ rombowy
dwuściennie przestrzennie
prosty ściennie
centrowany centrowany
centrowany
układ
układ
jednoskośny
jednoskośny
prosty ściennie centrowany
układ trójskośny
układ trójskośny
Przykłady struktur krystalicznych
Przykłady struktur krystalicznych
układ regularny układ tetragonaly układ trygonalny
piryt
sól kuchenna sinkosyt kwarc
FeS
NaCl CaV2O2(PO4)2" 5H2O SiO2
układ układ układ układ
heksagonalny rombowy jednoskośny trójskośny
vanadyt aragonit gips ortoklaz
Pb5(VO4)3Cl CaCO3 CaSO4 " 4H2O K[AlSi3O8]
Rodzaje kryształów
Rodzaje kryształów
Kryształy jonowe  węzły sieci są obsadzone przez jony.
Kryształy jonowe 
Przykład:
NaCl  sól kuchenna
Kryształy kowalentne  węzły sieci są zajęte przez obojętne atomy.
Kryształy kowalentne 
Przykład:
C - diament
Kryształy molekularne  węzły sieci są obsadzone przez cząsteczki
Kryształy molekularne 
powiÄ…zane:
lub
mostkami wodorowymi, np. lód.
siłami Van der Waals'a, np. grafit.
Kryształy metaliczne  węzły sieci są obsadzone
Kryształy metaliczne 
dodatnio naładowanymi zrębami atomowymi, pomiędzy
którymi poruszają się wolne elektrony, tzw.  gaz
elektronowy . Po przyło\
eniu ładunku zewnętrznego ruch
elektronów staje się uporządkowany i mamy do czynienia
z przepływem prądu elektrycznego.
sieć metaliczna
Defekty kryształów
Defekty kryształów
Defekty punktowe  defekty sieci krystalicznej takie, jak: luki
Defekty punktowe 
elektronowe, poło\
enia międzywęzłowe zanieczyszczenia struktury.
luka elektronowa
położ
ł żenie
ł ż
ł ż
mię ęzłowe
ędzywę ł
Ä™ Ä™ Å‚
Ä™ Ä™ Å‚
zanieczyszczenie
Półprzewodniki
Półprzewodniki
Struktura pasm elektronowych
pasmo
pasmo przewodnictwa
przewodnictwa
pasmo
wzbronione
pasmo
walencyjne
pasmo
walencyjne
Metal Półprzewodnik Izolator
Rodzaje półprzewodników
Rodzaje półprzewodników
Półprzewodniki samoistne
półprzewodnik typu n
półprzewodnik typu p
Półprzewodniki domieszkowane
Ciekłe kryształy
Ciekłe kryształy
Ciekłe kryształy  substancje wykazujące właściwości pośrednie
Ciekłe kryształy
pomiędzy cieczami i ciałami stałymi.
Na przykład mogą być płynne, jak ciecz, ale posiadać dwuwymiarowe
uporzÄ…dkowanie czÄ…steczek, jak w ciele krystalicznym.
Rodzaje ciekłych kryształów
Rodzaje ciekłych kryształów
Faza nematyczna - cząsteczki są równoległe względem siebie lecz nie są
Faza nematyczna
zorganizowane w płaszczyzny.
Faza chiralna - (cholesteryczna) cząsteczki w poszczególnych płaszczyznach
Faza chiralna
są obrócone wokół osi prostopadłych do ich środków i tworzą spiralę.
Faza smektyczna  cząsteczki w poszczególnych warstwach są uło\
one
Faza smektyczna
równolegle.
Przemiany fazowe
Przemiany fazowe
Gaz
Ciecz
Ciało stałe
Å‚ Å‚
Å‚ Å‚
Å‚ Å‚
Reguła faz Gibbs'a
Reguła faz Gibbs'a
Każdy ukÅ‚ad chemiczny okreÅ›lony jest przez liczbÄ™ faz ²
oraz liczbę składników niezbędnych do zbudowania tego
układ ą. Ilość faz oraz składników jaka może występować
w danym układzie jest zależna od temperatury, ciśnienia.
s = Ä… + 2 - ²
s - liczba stopni swobody (liczba parametrów, które można zmienić
nie zmieniając ilości faz w układzie),
ą - liczba składników niezależnych,
² - ilość faz.
wrzenie
kondensacja
sublimacja
osadzanie
Temperatura
topnienie
krzepni
Ä™
cie
Układy jednoskładnikowe
Układy jednoskładnikowe
Układy dwuskładnikowe
Układy dwuskładnikowe