Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne
STANY SKUPIENIA
GAZOWY
STAA
Y
CIEKA
Y
GAZOWE STANY
STAA
E STANY
MATERII
MATERII
CIEKA
E STANY
MATERII
Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne
STANY SKUPIENIA I STANY MATERII
STANY SKUPIENIA to klasyfikacja form występowania
materii z MAKROSKOPOWEGO punktu widzenia
STANY MATERII to klasyfikacja form jej występowania z
MIKROSKOPOWEGO punktu widzenia, czyli z punktu
widzenia struktur jakie tworzÄ… atomy, jony lub czÄ…steczki
Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne
STANY SKUPIENIA A UPORZ
DKOWANIE
uporzÄ…dkowanie
STAN GAZOWY STAN CIEKA
Y STAN STAA
Y
temperatura
Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne
Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne
PODSTAWOWE CECHY STANU GAZOWEGO
BRAK OBJ
TOÅšCI
gaz przyjmuje objętość układu, w którym się znajduje
BRAK KSZTAA
TU
gaz przyjmuje kształt układu, w którym się znajduje
ŚREDNIA ENERGIA KINETYCZNA obiektów tworzących gaz
jest WI
KSZA niż energia oddziaływań pomiędzy nimi
k oddz
EÅ›rin >ðEÅ›r
Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne
GAZ DOSKONAA
Y - MODEL STANU GAZOWEGO
założenia modelu:
CzÄ…steczki sÄ… PUNKTAMI MATERIALNYMI, to znaczy
majÄ… masÄ™, ale nie majÄ… wymiaru
Cząsteczki gazu poruszają się bezładnie po liniach prostych
Zderzenia między cząsteczkami są traktowane jako tzw.
zderzenia sprężyste
Wielkości opisujące stan gazu:
p  ciśnienie
T  temperatura
V  objętość
Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne
Ciśnienie gazu wynika ze zderzeń cząstek gazu
ze ścianami naczynia
L
+mv
F
F
-mv
Dp
Siła (def.):
Zmiana pÄ™du czÄ…stki: F1 =ð
Dt
Dp = (+mv)  (-mv) nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne
= 2mv
Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof.
CIÅšNIENIE GAZU
Dp 2mv
dla 1 czÄ…steczki
F1 =ð=ð
Dt Dt
Dp  zmiana pędu cząsteczki w trakcie zderzenia, L  droga
2L
mv2
Dt =ð
F =ð
v
L
2 x energia kinetyczna Ekin
F
mv2
stÄ…d
pV =ð 2Ekin
Ciśnienie:
p=
czyli p =ð
L2
L3
Objętość V
dla 1 mola czÄ…steczek NA - liczba Avogadro
pV =ð 2NAEkin
PRAWA GAZOWE
CzÄ…steczki poruszajÄ… siÄ™ w
2
przestrzeni, czyli energia
pV =ð NAE
3
rozkłada się na 3 kierunki:
3 R
Wiadomo, że energia gazu:
E =ð T
2 NA
R = 8,314 J·mol-1·K-1 staÅ‚a gazowa
dla n moli czÄ…steczek:
równanie Clapeyrona
pV = nRT
Równanie stanu gazu doskonałego
Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne
Prawo Daltona
Ciśnienie wywierane przez mieszaninę gazów jest sumą ciśnień
cząstkowych wywieranych przez poszczególne składniki tej
mieszaniny.
RT RT
p =ð n =ð (n1 +ð n2 +ð n3 +ð...) =ð
VV
RT RT RT
=ð n1 +ð n2 +ð n3 +ð... =ð p1 +ð p2 +ð p3 +ð...
V V V
pi  ciśnienie cząstkowe i-tego gazu
Ciśnieniem cząstkowym gazu wchodzącego w skład mieszaniny
gazowej nazywamy ciśnienie, jakie wywierałby ten gaz, gdyby
sam wypełniał całą objętość naczynia.
Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne
ÅšREDNIA PR
DKOŚĆ CZ
STEK GAZU
2
3 R 3RT
mvsr
E =ð T
vsr =ð
E =ð
2 NA
mNA
2
m - masa czÄ…steczki
masa czÄ…steczkowa M
vsr  prędkość średnia
3RT
vÅ›r =ð
W gazie czÄ…steczki poruszajÄ…
M
się z różnymi prędkościami.
Rozkład Maxwella-Boltzmanna podaje, jaki ułamek ogólnej
liczby cząsteczek gazu doskonałego porusza się w danej
temperaturze z określoną prędkością.
Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne
ROZKA
AD PR
DKOÅšCI CZ
STECZEK TLENU W
RÓŻNYCH TEMPERATURACH
2.5
tlen O2
2
1.5
0°C
500°C
1
1000°C
0.5
0
0 1000 2000 3000 4000
prędkość m/s
Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne
prędkości
UÅ‚amek liczby czÄ…steczek o danej
ROZKA
AD PR
DKOÅšCI CZ
STECZEK RÓŻNYCH
GAZÓW W TEJ SAMEJ TEMPERATURZE 1) ×6
vi :=ð (i -
2
N2 25°C
He
H2
0
0 prędkość m/s 2000
Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne
PRZEMIANY ciśnienie p, objętość V i temperatura T
GAZOWE to PARAMETRY STANU gazu
PRZEMIANA GAZOWA to proces z udziałem gazu, w
którym co najmniej dwa z parametrów stanu ulegają zmianie
w szczególności jeżeli:
NAZWA
STAA
E ZMIENNE
PRZEMIANY
T p, V izotermiczna pV = const
p T, V izobaryczna V = const·T
V p, T izochoryczna p = const·T
Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne
GAZOWY STAN SKUPIENIA
uporzÄ…dkowanie
PLAZMA PARA
GAZ
WA
AÅšCIWY
STANY MATERII W GRANICACH
Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne
GAZOWEGO STANU SKUPIENIA
NISKO-
WYSOKO-
NASYCONA
NIENASYCONA
TEMPERATUROWA
TEMPERATUROWA
PLAZMA WYSOKOTEMPERATUROWA
W temperaturach >105-106 K atomy ulegają całkowitej jonizacji
tworząc nieuporządkowany stan materii złożony z jąder i
elektronów - PLAZM
WYSOKOTEMPERATUROW

elektron
jÄ…dro
Silne oddziaływania elektrostatyczne i magnetyczne
pomiędzy składnikami
pV `" nRT
Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne
PLAZMA NISKOTEMPERATUROWA
W temperaturach >103 K i <105 atomy ulegajÄ…
częściowej jonizacji tworząc nieuporządkowany stan
materii złożony z jonów dodatnich i elektronów:
PLAZM
NISKOTEMPERATUROW

elektron
jon
dodatni
Silne oddziaływania elektrostatyczne i magnetyczne
pomiędzy składnikami
pV `" nRT
Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne
GAZ WA
AÅšCIWY
W temperaturach od kilku do 1000-1500 K atomy i czÄ…steczki
sÄ… praktycznie niezjonizowane i tworzÄ… nieuporzÄ…dkowany stan
materii złożony z obojętnych atomów lub cząsteczek - GAZ
WA
AÅšCIWY
atom lub
czÄ…steczka
WA
AÅšCIWOÅšCI
Występowanie swobodnych atomów lub cząsteczek o
rozmiarach rzędu 10-10 m
Słabe oddziaływania elektrostatyczne i magnetyczne pomiędzy
atomami lub czÄ…steczkami
pV H" nRT
SIA
Y MI
DZYCZ
STECZKOWE (1)
Słabe oddziaływania pomiędzy atomami i cząsteczkami gazów
właściwych są wynikiem istnienia
SIA
MI
DZYCZ
STECZKOWYCH
zwanych siłami Van der Waalsa
Gazy właściwe składają się z atomów, których moment
dipolowy m = 0, lub z cząsteczek dla których m e" 0
schematycznie:
+
-
atom czÄ…steczka czÄ…steczka
m = 0 m = 0 m > 0
Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne
SIA
Y MI
DZYCZ
STECZKOWE
oddziaływania dipol - dipol
F3
F1
F4
F2
prosty rachunek wskazuje, że:
F1 + F2 > F3 + F4
Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne
SIA
Y MI
DZYCZ
STECZKOWE
oddziaływania dipol - indukowany dipol
duża
odległość
mała
indukowane
trwałe dipole
odległość
dipole
Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne
SIA
Y MI
DZYCZ
STECZKOWE
siły dyspersyjne (Londona)
Każda cząsteczka, nawet taka, która ma m = 0, jest faktycznie
drgajÄ…cym dipolem elektrycznym (chwilowym)
Jeżeli dwie cząsteczki znajdują się blisko siebie...
przyciÄ…ganie
Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne
przyciÄ…ganie
SIA
Y MI
DZYCZ
STECZKOWE
siły Van der Waalsa
oddziaływanie
oddziaływanie
dipol - indukowany dipol
dipol - dipol
siły dyspersyjne (Londona)
FW
1
FW ~
d7
d
Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne
PRAWA GAZOWE DLA GAZÓW RZECZYWISTYCH
Istnienie oddziaływań międzycząsteczkowych, jak i fakt
posiadania przez cząsteczki własnej objętości, staje się
przyczyną odstępstw zachowania gazów rzeczywistych od praw
gazu doskonałego
pV l nRT
Przybliżenie do gazu doskonałego jest tym lepsze, im średnie
odległości cząsteczek gazu są większe od średnic cząsteczek.
p < 1 MPa
Zwykle dla:
Podwyższonych temperatur
Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne
OBJ
TOŚCI MOLOWE GAZÓW RZECZYWISTYCH
Objętość molowa
gazu doskonałego
Vm = 22,414 dm3
(0°C, 101,33 kPa):
Gazy rzeczywiste:
azot N2 ................................ 22,401 dm3
amoniak NH3 ....................... 22,089 dm3
ditlenek siarki SO2 ............... 21,888 dm3
siarkowodór H2S .................. 22,145 dm3
Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne
Co dzieje się w gazie rzeczywistym, gdy obniżamy jego
temperaturÄ™?
1) Åšrednia energia czÄ…stek gazu maleje:
2) Energia oddziaływań międzycząsteczkowych albo nie
zmienia się albo rośnie (gdy cząsteczki gazu mają różne od
zera momenty dipolowe)
w efekcie powyższego gdy T :
k oddz
k oddz
EÅ›rin >ðEÅ›r
EÅ›rin ð EÅ›r
Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne
k oddz
Gdy sprężymy gaz, w którym... EÅ›rin >ðEÅ›r
k oddz
Gdy sprężymy gaz, w którym...
EÅ›rin ð EÅ›r
Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne
temperatura krytyczna
Tk
temperatura
GAZ WA
AÅšCIWY
PARA NIENASYCONA
k oddz
k oddz
EÅ›rin ð EÅ›r
EÅ›rin >ðEÅ›r
Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne
PARA NIENASYCONA
Jest to stan materii należący do gazowego stanu skupienia,
w którym możliwe jest tworzenie się agregatów cząsteczek o
rozmiarach poniżej pewnej wartości krytycznej
Granicę pomiędzy gazem a parą nienasyconą wyznacza
TEMPERATURA KRYTYCZNA Tk
Tk
temperatura
PARA NIENASYCONA GAZ WA
AÅšCIWY
Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne
Zobaczmy, jak zachowuje siÄ™ para nienasycona przy
podwyższaniu ciśnienia lub przy obniżaniu temperatury
Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne
Dla każdej temperatury, poniżej temperatury krytycznej TK,
istnieje takie ciśnienie pk, przy którym rozmiary agregatów
czÄ…steczek osiÄ…gajÄ…
wartość krytyczną
to znaczy taką powyżej której, szybkość wzrostu agregatu vwzr
jest większa niż szybkość jego rozpadu vrozp
rozmiary agregatów są
WI
KSZE niż rozmiary
vwzr > vrozp
krytyczne
Wtedy dochodzi do kondensacji i powstajÄ… krople cieczy
Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne
Równowaga ciecz  para
Vpar  szybkość parowania
para
Vpar Vkond
Vkond  szybkość kondensacji
w stanie równowagi, w stałej
temperaturze:
ciecz
Vpar = Vkond
Para nasycona  para pozostajÄ…ca w
równowadze z cieczą
W takim stanie para nad cieczą osiąga maksymalne ciśnienie pr
w danej temperaturze, które jest ciśnieniem pary nasyconej
(tzw. prężność pary)
ZALEŻNOŚĆ PR
ŻNOŚCI PARY NASYCONEJ
OD TEMPERATURY
a 1
1.5
373
1
1
H2O
0.5
0
260 280 300 320 340 360 380
temperatura /K
Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne
n
ciS
ienie /atm
SKRAPLANIE
GAZ
GAZÓW
obniżenie
temperatury
Skraplanie
(kondensacja) - zmiana
stanu skupienia,
PARA NIENASYCONA
przejście z fazy gazowej
w fazę ciekłą
zmniejszenie
obniżenie
objętości
temperatury
PARA NASYCONA
zmniejszenie
obniżenie
objętości
temperatury
CIECZ
Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne
podsumowanie:
uporzÄ…dkowanie
STAN GAZOWY STAN CIEKA
Y STAN STAA
Y
temperatura
Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne
plazma wysokotemperaturowa
plazma niskotemperaturowa
gaz właściwy
para nienasycona
para nasycona
STAN CIEKA
Y k
oddz
Eśrin
ð
Eśr
ciecz zwykła
luki w strukturze
Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne
Podstawowe cechy stanu ciekłego
BRAK KSZTAA
TU
ciecz przyjmuje kształt naczynia, w którym się znajduje
OBJ
TOŚĆ
ciecz posiada własną objętość - ściśliwość cieczy jest bardzo mała
Odległości między cząsteczkami są rzędu ich własnych
rozmiarów
W cieczach obserwuje się tzw. blisko zasięgowe uporządkowanie
obejmujące kilka średnic cząsteczkowych
Powierzchnia cieczy ma szczególne cechy wynikające z istnienia
SIA
NAPI
CIA POWIERZCHNIOWEGO
Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne
SIA
Y MI
DZYCZ
STECZKOWE W CIECZACH
Siły Van der Waalsa
oddziaływania dipol  dipol
oddziaływania dipol  indukowany dipol
siły dyspersyjne
WiÄ…zanie wodorowe
Wiązanie między atomem wodoru a atomami:
azotu, tlenu lub fluoru  silne wiÄ…zanie
fosforu, siarki, chloru, bromu lub jodu  słabe wiązanie
Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne
WI
ZANIE WODOROWE
wodór fluor
HF
HF HF
etap I - zbliżanie
etap II  utworzenie wiÄ…zania wodorowego
Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne
WiÄ…zania wodorowe w wodzie
Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne
Struktura wody z uwidocznionymi wiÄ…zaniami wodorowymi
O
H
H
Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne
ENERGIA WI
ZAC
WODOROWYCH
siły wiązanie wiązanie
<
<
wodorowe chemiczne
Van der Waalsa
0,5  4 kJ·mol-1 4  40 kJ·mol-1 40  500 kJ·mol-1
Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne
POWIERZCHNIA CIECZY
Fw = 0
Fw > 0
Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne
gaz (para)
ciecz
NAPI
CIE POWIERZCHNIOWE CIECZY
Zwiększenie powierzchni cieczy
wymaga zatem wykonania pracy L
przeciwko sile Fw
zdefiniujemy
NAPI
CIE POWIERZCHNIOWE s
L
L  praca zużyta na wytworzenie
s=ð [ð ]ð
J ×m-2 =ð N×m-1
powierzchni S cieczy
S
~10 < s < ~1500 mJ·m-2
Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne
ZWI
ZKI POWIERZCHNIOWO CZYNNE
(surfaktanty)
to związki chemiczne obniżające napięcie powierzchniowe
część solwofobowa
czÄ…steczka (jon)
surfaktanta
część solwofilowa
oddziaływanie
słabe
oddziaływanie
silne
Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne
Mydła  surfaktanty obniżające napięcie powierzchniowe wody
Mydła to sole sodowe lub potasowe wyższych kwasów
tłuszczowych
stearynian sodu
[CH3 - (CH2)16  COO-] Na+
Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne
PAROWANIE I WRZENIE CIECZY
Aby cząsteczka opuściła powierzchnię
oddz
Ekin >ðEÅ›r
jej energia Ekin musi spełniać warunek:
Rozkład energii cząsteczek w cieczy jest zgodny z rozkładem
Maxwella-Boltzmanna.
1
średnia energia oddziaływań
parowanie nie
jest możliwe
czÄ…steczki zdolne do
przechodzenia w stan pary
Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne
energia E
o energii E
ułamek liczby cząstek
LEPKOŚĆ CIECZY (tarcie wewnętrzne)
v1
S
v2
F
v2  v1 = Dv
Dx
Jednostka współczynnika
Dv
F=ðhð×S×
lepkoÅ›ci (SI): 1N·s·m-2
Dx
1 puaz = 0,1 N·s·m-2
hð  współczynnik lepkoÅ›ci
10-4 < hð < 1013 N·s·m-2
Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne
Zależność lepkości od temperatury
A
hð ðhð0eRT
H2O
Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne
-2
lepkość
hð
/mN·s·m
CIECZE ANIZOTROPOWE  CIEKA
E KRYSZTAA
Y
W trakcie topienia pewnych związków chemicznych o
cząsteczkach wydłużonych lub płaskich, posiadających duże
momenty dipolowe, takich jak np. p-azoksyanizol (PAA):
O -
+
H3C  O - - N = N - - O  CH3
..obserwuje siÄ™ dwuetapowe topnienie:
136°C
112°C
kryształy mętna ciecz przez
roczysta ciecz
Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne
136°C
112°C
kryształy mętna ciecz przez
roczysta ciecz
(ciecz izotropowa)
topnienie do fazy I przemiana do fazy II
faza I  termotropowy ciekły kryształ
Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne
STRUKTURY CIEKA
YCH KRYSZTAA
ÓW
faza nematyczna
NEMATYK
Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne
STRUKTURY CIEKA
YCH KRYSZTAA
ÓW
faza smektyczna
SMEKTYK
Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne
STRUKTURY CIEKA
YCH KRYSZTAA
ÓW
CH3
CH3
(CH2)3 CH
CH
CH3
CH3
CH3
HO
faza cholesterolowa
Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne
ZASTOSOWANIA CIEKA
YCH
KRYSZTAA
ÓW
1. czytniki (ekrany)
nastepujÄ… zmiany kierunku uporzÄ…dkowania pod
wpływem przyłożonego pola elektrycznego, co powoduje
zmianę kierunku dwójłomności światła przechodzącego
2. termografia
opiera się na zjawisku zmiany koloru odbijanego światła
przez fazę cholesterolową w zależności od temperatury
Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne
Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof.
nadzw. WIMiC - materiały
dydaktyczne
STAN STAA
Y
CIAA
A CIAA
A
KRYSTALICZNE AMORFICZNE
(SZKA
A)
RÓŻNE STRUKTURY
KRYSTALICZNE
Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne
Drogi od stanu ciekłego do stanu krystalicznego
temperatura
STAN
CIEKA
OKRYSTALICZNY
STAN
STAN CIEKA
Y
KRYSTALICZNY
STAN SZKLISTY
Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne
STAN SZKLISTY
SZKA
O jest substancją powstającą w wyniku ciągłego przejścia
przy ochładzaniu od stanu cieczy zwykłej (lepkość rzędu 1
N·s·m-2) do stanu w którym lepkość jest wiÄ™ksza od 1012 N·s·m-2.
STRUKTURA SZKA
A
Struktura szkła przypomina strukturę cieczy, w której
 wyłączono ruchy translacyjne (postępowe) składników.
Rezultatem jest utworzenie praktycznie nieuporzÄ…dkowanej
struktury elementarnych składników szkła.
STAN SZKLISTY (AMORFICZNY) to stan materii cechujÄ…cy
się brakiem uporządkowania (lub występowaniem
uporządkowania blisko zasięgowego), w którym cząsteczki
(atomy) zachowują swobodę ruchów drgających, przy
praktycznym braku swobody ruchów postępowych i rotacyjnych
Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne
STAN KRYSTALICZNY
W STANIE KRYSTALICZNYM atomy, jony lub czÄ…steczki sÄ…
ułożone w periodyczny, trójwymiarowy wzór tzw. KRYSZTAA

Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne
STRUKTURA KRYSZTAA
ÓW
....może być rozpatrywana z punktu widzenia:
rozmieszczenia przestrzennego elementów
tworzących kryształ
podejście geometryczne
rodzaju elementów tworzących kryształ
podejście fizyczne
(chemiczne)
rodzaju wiązań chemicznych pomiędzy
elementami tworzącymi kryształ
Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne
SIEĆ PRZESTRZENNA KRYSZTAA
ÓW
Do opisu struktury geometrycznej kryształów stosujemy pojęcie
SIECI PRZESTRZENNEJ
SIEĆ PRZESTRZENNA to zbiór punktów zwanych
W
ZA
AMI SIECI, podających położenie środków masy
atomów, cząsteczek lub jonów tworzących kryształ
Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne
SYMETRIA KRYSZTAA
ÓW
Opisem symetrii kryształów zajmuje się
KRYSTALOGRAFIA GEOMETRYCZNA
Pb5[Cl(VO4)3]
CaCO3
SiO2
Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne
KOMÓRKA ELEMENTARNA...
...to równoległościan stanowiący podstawowy, powtarzający
siÄ™ okresowo w przestrzeni, element sieci przestrzennej
parametry sieciowe
a, b, c
a, b, g
a
c
b
g
b
a
Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne
KOMÓRKA ELEMENTARNA
UKA
ADY KRYSTALOGRAFICZNE
Szczegółowa analiza wykazała, że strukturę geometryczną
wszystkich kryształów, można odtworzyć przyjmując, że
istnieją 4 typy KOMÓREK ELEMENTARNYCH, rozdzielone
pomiędzy 7 UKA
ADÓW KRYSTALOGRAFICZNYCH,
różniących się relacjami pomiędzy a, b, c i a, b, g
...przykładowo:
a = b = c a = b = g = 90° UKA
AD REGULARNY
a g b g c a = b = g = 90° UKA
AD ROMBOWY
Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne
Typy komórek elementarnych
prymitywna P przestrzennie centrowana I
płasko centrowana na płasko centrowana na
dwóch ścianach C wszystkich ścianach F
Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne
WiÄ…zania w sieci krystalicznej
W zależności od typu wiązań pomiędzy elementami
tworzącymi kryształ wyróżniamy:
elementy struktury i
typ kryształu
wiÄ…zanie
czÄ…steczki lub atomy
molekularny oddziaływujące siłami
Van der Waalsa
atomy połączone
kowalencyjny
wiÄ…zaniami s lub p
jony połączone
jonowy
wiÄ…zaniem jonowym
atomy połączone
metaliczny
wiÄ…zaniem metalicznym
Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne
DEFEKTY W KRYSZTAA
ACH
Żaden kryształ w temperaturze T > 0 K NIE MOŻE mieć
idealnej struktury dlatego w sieci krystalicznej ZAWSZE
istniejÄ… DEFEKTY
Defekty w sieci krystalicznej możemy podzielić na:
punktowe (zerowymiarowe)
liniowe (jednowymiarowe)
płaskie (dwuwymiarowe)
Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne
Zburzenia regularności sieci krystalicznej o rozmiarach rzędu
rozmiarów elementów tworzących kryształ (jonów, atomów
lub czÄ…steczek) to....
DEFEKTY PUNKTOWE
atomowe elektronowe
dotyczą wyłącznie sytuacji
dotyczą całego atomu,
zwiÄ…zanych z zachowaniem siÄ™
jonu lub czÄ…steczki
elektronu w sieci krystalicznej
Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne
ATOMOWE DEFEKTY PUNKTOWE
defekt Schottky ego
sieć idealna
wakancja wakancja
kationowa anionowa
kation
anion
Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne
ATOMOWE DEFEKTY PUNKTOWE
defekt Frenkla
sieć idealna
kation
międzywęzłowy
wakancja
kationowa
kation
anion
Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne
ATOMOWE DEFEKTY PUNKTOWE
obcy atom (jon) w pozycji węzłowej
sieć idealna
kation
anion
Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne
Defekty punktowe i stechiometria związków chemicznych
NiO
O
O2-
O
Ni3+
Ni2+ Ni2+ Ni2+
O2- O2-
Ni2+ Ni2+ Ni2+
O2- O2-
O2- Ni2+ O2- Ni2+ O2-
Ni3+
O2- Ni2+ O2- Ni2+ O2-
Ni2+ O2- Ni2+ O2- Ni2+
Ni2+ O2- Ni2+ O2- Ni2+
O2- Ni2+ O2- Ni2+ O2-
O2- Ni2+ O2- Ni2+ O2-
Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne
O2- O2- Ni2+
Ni2+
Ni3+ Ni3+
Ni2+ Ni2+ Ni2+
O2- O2- O2- O2-
O2- O2- Ni2+ O2- O2- O2- O2-
Ni2+
Ni3+
Ni3+
Ni2+ O2- Ni2+ O2- Ni2+ Ni2+ O2- O2- Ni2+
O2- Ni2+ O2- Ni2+ O2- O2- Ni2+ O2- Ni2+ O2-
Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne
Gdy w jakiejkolwiek reakcji powstają kryształy tlenku niklu
NiO liczba jonów tlenkowych O2- jest zawsze większa od
liczby jonów niklu. Zatem praktycznie wzór tlenku niklu ma
postać:
(II)
Ni1-xNi(III)O
NiO1+ðy
x x
1+ð
2
wartość x (lub y) zależy od sposobu otrzymywania tlenku niklu
(rodzaju reagentów, temperatury, atmosfery otaczająca reagenty i
produkty, szybkości prowadzenia reakcji)
Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne
Zalecana literatura:
1. L. Jones, P. Atkins - Chemia ogólna, PWN Warszawa
2004  str. 183-217, str. 441-461 (wydanie 1-tomowe)
2. A. Bielański  Podstawy chemii nieorganicznej, tom 1,
PWN Warszawa 2010  str. 187-196, 200-206
Dr hab. inż. Barbara Małecka, prof. nadzw. WIMiC - materiały dydaktyczne