Inżynieria Biomedyczna
Wykład XI
1
2007-01-05
Plan
" Stany materii
" Oddziaływania międzycząsteczkowe
" Diagramy fazowe
2
2007-01-05
Fizyczne stany materii
" Gaz
 Przyjmuje kształt naczynia w którym się znajduje
 Wypełnia naczynie w którym się znajduje
 A
atwo ulega kompresji
 Niska gęstość
" Ciała stałe
 Zachowuje własny kształt, niezależnie od kształtu naczynia w którym się
znajduje
 Nie ulega kompresji
 Wysoka gęstość
" Ciecze
 Własności pośrednie pomiędzy własnościami gazów i ciał stałych, bardziej
zbliżone do własności ciał stałych (gęstość wody i lodu są podobne)
3
2007-01-05
Fizyczne stany materii cd
Gaz Ciecz Ciało stałe
4
2007-01-05
Oddziaływania międzycząsteczkowe
" Oddziaływanie wewnątrzcząsteczkowe
Oddziaływanie pomiędzy dwoma atomami  wewnątrz cząsteczki (udział
elektronów pomiędzy dwoma atomami- wiązanie kowalencyjne)
" Jakie siły są odpowiedzialne za agregacje indywidualnych
elementów tworzących ciecz lub ciało stałe?
Oddziaływania te mogą  wprowadzać wiązania jonowe lub kowalencyjne
lub słabsze wzajemne oddziaływania zwane oddziaływaniami
międzycząsteczkowymi
" Oddziaływania międzycząsteczkowe-oddziaływania pomiędzy
czÄ…steczkami
" Zmiany w stanie skupienia sÄ… spowodowane przez zmiany w
oddziaływaniach pomiędzy cząsteczkami a nie w
wewnÄ…trzczÄ…steczkowych
5
2007-01-05
Rodzaje oddziaływań międzycząsteczkowych
" Dipol-dipol
Siły van
" Oddziaływanie dyspersyjne Londona
der Waalsa
" Dipol-dipol
 Cząsteczki polarne mają moment dipolowy (nierównomierne
rozłożenie ładunku w cząsteczce)
 Cząsteczki z momentem dipolowym mogą oddziaływać ze sobą
(elektrostatycznie)
Elektrostatyczne
oddziaływanie
" Oddziaływanie pomiędzy wieloma
pomiędzy dwoma
czÄ…steczkami w stanie skondensowanym
dipolami
" Oddziaływanie dipol-dipol jest rzędu 1%
mocy wiÄ…zania jonowego lub
kowalencyjnego
" Moc tego oddziaływania spada ze
wzrostem odległości
6
2007-01-05
WiÄ…zanie wodorowe
" Występują silne oddziaływania dipol-dipol jeżeli H jest
przyciągany przez pierwiastki o wysokiej elektroujemności
np. N, O, F
 WiÄ…zanie polarne
 Dipole są małe z powodu małych wymiarów atomu H
" Ten typ oddziaływania dipol-dipol nazywamy wiązaniem
wodorowym
WiÄ…zania
wodorowe
7
2007-01-05
Oddziaływania Londona
" Co z oddziaływaniem pomiędzy niepolarnymi cząsteczkami?
" Musi istnieć oddziaływanie pomiędzy cząsteczkami niepolarnymi
jeżeli wszystkie substancje występują w stanie gazowym, ciekłym
lub stałym w pewnych warunkach
" Te relatywnie słabe wiązania nazywa się dyspersyjnymi
oddziaływaniami Londona (wiązania te występują także w w
przypadku cząsteczek polarnych ale są nieporównywalnie słabsze od
silnych oddziaływań dipol-dipol)
" Dla niepolarnych cząsteczek oddziaływania Londona są jedynie
oddziaływaniami międzycząsteczkowymi (pomiędzy cząsteczkami).
8
2007-01-05
Oddziaływania Londona cd
" Zakładamy że elektrony są w atomie
rozłożone równomiernie
" Jeżeli elektrony w atomie nie są
rozmieszczone równomiernie to atom jest
spolaryzowany
" Powoduje to powstanie dipolu, który może
wzbudzać dipol w atomie sąsiednim
" Wynik przyciągania międzyatomowego
zwany jest dyspersyjnym oddziaływaniem
Londona, które jest słabe i charakteryzuje
się krótkim  czasem życia
" Podobny efekt występuje w przypadku
czÄ…steczek
9
2007-01-05
Oddziaływania Londona cd
" Te wzajemne oddziaływania mogą być na tyle silne, że
powodują tworzenie ciała stałego, ruch atomów lub cząsteczek
musi być znacznie ograniczony
" To wyjaśnia dlaczego gazy szlachetne mają bardzo niską
temperaturę krzepnięcia
Pierwiastek Temperatura
krzepnięcia (oC)
Hel -269.7
Neon -248.6
Argon -189.4
Krypton -157.3
Ksenon -111.9
10
2007-01-05
Polaryzowalność
" Pojęcie polaryzowalność opisuje tendencję do rozdzielania
ładunku, które następuje w atomie lub cząsteczce
" Polaryzowalność rośnie ze wzrostem ilości elektronów
(konsekwentnie ze wzrostem masy atomowej)
 Zewnętrzne elektrony są słabiej związane z jądrem
 Atomy o dużej masie atomowej lub cząsteczki o dużej masie
cząsteczkowej generalnie wykazują większe oddziaływania Londona
 Wyjaśnia to trend w zmianach punktu krzepnięcia dla gazów
szlachetnych
 Moc oddziaływania Londona zależy również od kształtu cząsteczki.
Elektrony w cząsteczkach o wydłużonym kształcie mogą łatwiej się
przemieszczać niż w przypadku małych, zwartych, symetrycznych
cząsteczek (cząsteczki wydłużone łatwiej się polaryzują)
11
2007-01-05
Oddziaływania jon-dipol
" Przyciągające oddziaływania jon-dipol odgrywają znacząca
rolÄ™ tylko w roztworach
" Proces hydratacji (rozpuszczanie NaCl w wodzie- ujemny
koniec czÄ…steczki H2O jest skierowany w stronÄ™ jonu Na+)
12
2007-01-05
O oddziaływaniach van der Waalsa - podsumowanie
" Jeżeli porównujemy związki o cząsteczkach z porównywalną
masą (w przybliżeniu) oddziaływania dipol-dipol są bardziej
znaczące niż oddziaływania Londona
" Wiązania wodorowe są szczególną odmianą silnych
oddziaływań dipol-dipol
" Jeżeli porównujemy związki o cząsteczkach znacznie
różniących się masą oddziaływania Londona mogą być
bardziej znaczące niż oddziaływania dipol-dipol
" Wszystkie oddziaływania międzycząsteczkowe są znacznie
słabsze niż wiązania
" Oddziaływania mogą mieć charakter przyciągający lub
odpychajÄ…cy
13
2007-01-05
Własności cieczy
" Wiele z własności cieczy można wyjaśnić poprzez rozpatrywanie
oddziaływań międzycząsteczkowych
powierzchnia
 Napięcie powierzchniowe
 Kapilarność
 Tarcie wewnętrzne-lepkość
" Cząsteczki we wnętrzu cieczy są
całkowicie otoczone przez inne
wnętrze
cząsteczki w przeciwieństwie do
czÄ…steczek na powierzchni cieczy
 Powoduje to nierównomierny rozkład sił działających na cząsteczkę na
powierzchni cieczy,  wciągając ją do wnętrza
 Powód tworzenia kropli cieczy  przyjęcie kształtu który przyjmuje
minimalne pole powierzchni tzn. kulÄ™
14
2007-01-05
Napięcie powierzchniowe
" Wzrost pola powierzchni cieczy nastąpi jeżeli cząsteczki zostaną przesunięte
z wnętrza cieczy do jej powierzchni, co wymaga energii na pokonanie
oddziaływań międzycząsteczkowych
" Opór cieczy na wzrost jej pola powierzchni nazywa się napięciem
powierzchniowym
" Napięcie powierzchniowe
pozwala na  spacerowanie
po powierzchni wody
" Ciecze z silnymi oddziaływaniami międzycząsteczkowymi wykazują duże
napięcie powierzchniowe (potrzebna jest duża energia na przesunięcie
cząsteczki z wnętrza cieczy na powierzchnię)
15
2007-01-05
Kapilarność
" Polarne cieczy wykazują zjawisko kapilarności-spontaniczne
wspinanie cieczy po ściance wąskiej rurki
" Zjawisko to związane jest z występowaniem sił kohezji i
adhezji
 Siły kohezji: oddziaływanie jedynie pomiędzy cząsteczkami cieczy
 Siły adhezji: oddziaływanie pomiędzy cząsteczkami cieczy a ciała
stałego
Woda: siły adhezji (woda-
szkło) są silniejsze niż siły
kohezji (woda-woda)
Rtęć: siły adhezji (rtęć-szkło) są
słabsze niż siły kohezji (rtęć-rtęć)
16
2007-01-05
Tarcie wewnętrzne
" Tarcie wewnętrzne  opór cieczy na jej ruch (przepływ)
" Ciecze z silnymi oddziaływaniami międzycząsteczkowymi
wykazują duże tarcie wewnętrzne
" Kompleksy czÄ…steczkowe prowadzÄ… do zrostu tarcia
wewnętrznego
" Wpływ oddziaływań międzycząsteczkowych można
kompensować poprzez wzrost temperatury
" Wzrastający ruch cząsteczek  rozrywa oddziaływania
międzycząsteczkowe
17
2007-01-05
Rodzaje ciał stałych
" Ciała stałe
 Krystaliczne
 Amorficzne
" Ciała krystaliczne - uporządkowana budowa w dużym
obszarze
 Cząsteczki, jony i atomy tworzące strukturę kryształu są ułożone
określonego i stałego porządku. Najmniejszą część tej struktury,
zawierającą wszystkie jej elementy, nazywamy komórką
elementarnÄ….
" Ciała amorficzne (bezpostaciowe)  brak określonego
rozmieszczenia atomów, występuje uporządkowanie lokalne
18
2007-01-05
Ciała stałe cd
" Ciała amorficzne (bezpostaciowe)  wiązania pomiędzy atomami
maja różną siłę,  pękają więc w różnych temperaturach co
powoduje że przemiany np. topnienie nie zachodzi w jednej
temperaturze
" Dla ciał krystalicznych przemiana zachodzi w charakterystycznej
temperaturze
" Strukturę ciała krystalicznego określa się za pomocą dyfrakcji
rentgenowskiej
19
2007-01-05
Ciała stałe cd
" Atomowe
a) Metaliczne (na, Mg, Al., Fe)
 kationy i zdelokalizowane elektrony
 WiÄ…zania metaliczne
 Miękkie lub twarde
 Przewodniki
b) Warstwowe (grafit, diament, SiO2)
 WiÄ…zanie kowalencyjne
 Twarde, sublimujÄ… lub topiÄ… siÄ™ w bardzo wysokich temperaturach
 izolatory
" CzÄ…steczkowe
a) CzÄ…steczki polarne (CHCl3, HCl, H2O)
 Oddziaływania dipol-dipol i dyspersyjne Londona
 Miękkie lub twarde
b) Atomy lub niepolarne czÄ…steczki (He, Ar, CO2, H2)
 Oddziaływania dyspersyjne Londona
 Miękkie, izolatory
" Jonowe (NaCl, MgO)
 Kationy i aniony (oddziaływanie elektrostatyczne
 Twarde, izolatory
20
2007-01-05
Parowanie cieczy
" Parowanie
 Przejście cząsteczek z powierzchni cieczy w stan gazowy
 Proces endotermiczny, wymagana jest energia do pokonania
oddziaływań międzycząsteczkowych występujących w stanie ciekłym
 Energia potrzebna na parowanie 1 mola cieczy pod ciśnieniem 1 atm
nazywana jest standardowym ciepłem parowania (lun standardowa
entalpia parowania), opisywana symbolem "Hopar
" W zamkniętym pojemniku ciecz będzie początkowo parować
z szybkością większą niż przejście na powrót do cieczy,
ewentualnie szybkości obu procesów są równe co oznacza, że
system znajduje się w równowadze
 Ciśnienie pary w układzie znajdującym się stanie równowagi
nazywamy równowagową prężnością pary (lub prężność parowania)
21
2007-01-05
Parowanie cieczy i lotne ciecze
" Ciecze, które posiadają wysoką wartość prężności parowania
nazywamy cieczami lotnymi (ciecze, które łatwo parują)
" Prężność parowania rośnie z:
 Wzrostem temperatury
 Zmniejszeniem oddziaływania międzycząsteczkowego
Temperatura (K) 1/T (K-1)
22
2007-01-05
par
l
np
par
p
(mm Hg)
Zmiany stanu skupienia
" Jeżeli krystaliczne ciało stałe jest ogrzewane, jego atomy, jony
lub cząsteczki drgają a temperatura ciała rośnie (znajomość
ciepła właściwego pozwala obliczyć wymaganą energię do
ogrzania ciała)
" Osiągnięcie temperatury topnienia (punkt topnienia) drgania
są tak duże, że następuje zniszczenie struktury krystalicznej i
ciało stałe przechodzi w stan ciekły
 Ilość energii wymaganej na topnienie ciała stałego w punkcie topnienia
nazywa się ciepłem topnienia "Htop
 Proces endotermiczny
 Całkowita dostarczona energia użyta jest na zniszczenie oddziaływań
międzycząsteczkowych w punkcie topnienia (temperatura pozostaje
stała aż do momentu kiedy cała ilość ciała stałego przemieni się w
ciecz, dopiero wtedy nastÄ…pi dalszy wzrost temperatury)
23
2007-01-05
Zmiany stanu skupienia cd
" Jeżeli cała ilość ciała stałego z topi się dodatkowe ciepło
powoduje wzrost temperatury (ciepło właściwe cieczy pozwala na
obliczenie energii potrzebnej na ogrzanie cieczy)
" Osiągnięcie temperatury wrzenia (punkt wrzenia)  ciecz
przechodzi w stan gazowy
 Ilość energii wymagana do procesu parowania cieczy w punkcie wrzenia
nazywamy ciepłem parowania "Hpar
 Proces endotermiczny
 Cała ilość energii jest użyta do zniszczenia oddziaływań
międzycząsteczkowych cieczy w punkcie parowania
24
2007-01-05
Zmiany stanu skupienia cd
para
Woda i para
lód i woda
woda
lód
Czas
(ciepło dodawane ze stałą szybkością)
25
2007-01-05
o
Temperatura ( C)
Para nasycona
" 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),
Para nasycona (definicja) to para, która w danej temperaturze
osiągnęła maksymalne ciśnienie
" Para nasycona to para w równowadze z cieczą, z której powstała.
" Para ta ma największe możliwe dla danej temperatury ciśnienie i
gęstość. Ciśnienie pary nasyconej jest niezależne od objętości.
Zmniejszanie objętości w stałej temperaturze powoduje skraplanie
pary, a stan równowagi w dalszym ciągu istnieje. Zwiększanie
objętości powoduje wyparowanie cieczy bez obniżenia ciśnienia
pary nasyconej.
26
2007-01-05
Wpływ położenia na punkt wrzenia
Miejsce Położenie Patm (mm Temperatura
npm (stopy) Hg) parowania (oC)
Mt. Everest (Tybet) 29 028 240 70
Mt. McKinley (Alaska) 20 320 340 79
Mt. Whitney (Kalifornia) 14 494 430 85
Nowy Jork 10 760 100
Dolina Åšmierci (Kalifornia) -282 770 100.3
27
2007-01-05
Diagramy fazowe
" Diagram fazowy reprezentuje występowanie czystej fazy
substancji w zależności od temperatury i ciśnienia (czysta
substancja w układzie zamkniętym)
Reguła faz lub reguła faz Gibbsa -
obowiązuje dla każdego układu w
równowadze termodynamicznej
Ciało stałe Ciecz
Gaz
s = Ä… - ² + 2
gdzie:
s - liczba stopni swobody, czyli liczba zmiennych, które
można zmieniać bez jakościowej zmiany układu (bez
zmiany liczby faz w równowadze)
ą - liczba niezależnych składników,
² - liczba faz, a wiÄ™c postaci materii jednorodnej Temperatura oC
chemicznie i fizycznie (np. roztwór, faza gazowa,
kryształ) o określonym składzie)
28
2007-01-05
Ciśnienie (atm)
Punkty charakterystyczne
" Temperatura wrzenia - temperatura, w której ciśnienie pary
nasyconej nad cieczą jest równe ciśnieniu zewnętrznemu
" Normalna temperatura wrzenia  temperatura wrzenia pod
ciśnieniem 1 atm
" Temperatura krytyczna  w temperaturze tej zanika powierzchnia
odgraniczająca ciecz od pary (gęstość pary = gęstość nie
odparowanej cieczy)
" Ciśnienie krytyczne - ciśnienie pary w temperaturze krytycznej
" Punkt krytyczny- położenie na wykresie fazowym, określone
temperatura i ciśnieniem krytycznym
" Punkt potrójny  punkt w którym spotykają się trzy linie
równowagi
29
2007-01-05
Diagram fazowy dla CO2
Punkt krytyczny
C. stałe Ciecz
Gaz
Punkt potrójny
Temperatura (C)
30
2007-01-05
Ciśnienie (atm)
C. stałe
Ciecz
Gaz
Temperatura
31
2007-01-05
Skraplanie
Brak skraplania
Ciśnienie