WYKA
AD III
Budowa i właściwości gazów, cieczy i ciał stałych.
Wiązania chemiczne
Wiązania chemiczne
Stany skupienia materii:
Można wyróżnić dwa wyidealizowane stany materii:
- stan gazu doskonałego o całkowicie nieuporządkowanej budowie
wewnętrznej i braku oddziaływań międzycząsteczkowych,
- stan idealnego kryształu o całkowicie uporządkowanej budowie
- stan idealnego kryształu o całkowicie uporządkowanej budowie
Pomiędzy tymi dwoma stanami skrajnymi zawierają się wszystkie
sytuacje, w jakich materiały w stanie gazowym, ciekłym i stałym
występują w praktyce.
09:16
Gaz doskonały  zwany gazem idealnym jest to abstrakcyjny,
matematyczny model gazu, spełniający następujące warunki:
brak oddziaływań międzycząsteczkowych z wyjątkiem odpychania w
momencie zderzeń cząsteczek
objętość cząsteczek jest znikoma w stosunku do objętości gazu
objętość cząsteczek jest znikoma w stosunku do objętości gazu
zderzenia cząsteczek są doskonale sprężyste
cząsteczki znajdują się w ciągłym chaotycznym ruchu
09:16
Stan gazowy określają parametry stanu: ciśnienie p, objętość v,
temperatura T oraz ilość substancji wyrażająca się liczbą moli n.
Zależność między tymi parametrami opisują prawa gazowe
Prawo izotermy Prawo izotermy nazywane inaczej
prawem Boyle'a-Mariotta odnosi się do przemian
izotermicznych (T=const). Podaje ona zależność
między objętością a ciśnieniem danej masy gazu w
stałej temperaturze i wyraża się równaniem
stałej temperaturze i wyraża się równaniem
v * p = const
v1 * p1 = v2*p2
Stała wartość iloczynu ciśnienia i objętości danej
masy gazu w stałej temperaturze oznacza, że w nie
zmienionych warunkach temperatury, ciśnienie gazu
zmienia się odwrotnie proporcjonalnie do objętości
zajmowanej przez gaz. Graficznym obrazem prawa
Boyle'a jest izoterma, której kształt podaje rysunek.
Prawo izobary Badania Gay Lussaca wykazały, że
gazy ogrzewane przy stałym ciśnieniu
rozszerzają się zgodnie z zależnością
vt = vo(1 + a*t)
gdzie: vt - objetość w temperaturze t, vo -
objętość gazu w temperaturze 0oC, a = 1/273,15
Rozwiązaniem w/w równania jest zależność
vt = vo * T/To
lub dla dwóch temperatur T1 i T2
v1/v2=T1/T2
lub v/T = const
Oznacza to, że objętość danej masy gazu
znajdującego się pod stałym ciśnieniem zmienia
się wprost proporcjonalnie do temperatury
wyrażonej w skali bezwzględnej. Zależność ta,
sformułowana przez Charlesa i Gay-Lussaca,
nosi nazwę prawa izobary. na rysunku
przedstawiono izobarę gazu doskonałego.
Prawo izochory Gay-Lussac i Charles stwierdzili, że ciśnienie gazu ogrzewanego
w stałej objętości zmienia się według zależności.
pt = p0 (1+ �*t) (v = const)
gdzie: pt - ciśnienie gazu w temperaturze t, po ciśnienie gazu w temperaturze OoC,
beta - współczynnik ściśliwości; � = 1/273,15 = 0,00366
Przekształcając równanie otrzymuje się zależność:
pt = po * T/To
lub dla dwóch temperatur T1 i T2
p1/p2 = T1/T2 lub p/T = const
Zależność te można wyrazić słowami: w stałej objętości, ciśnienie gazu jest
wprost proporcjonalne do jego temperatury bezwzględnej.
wprost proporcjonalne do jego temperatury bezwzględnej.
Prawo Avogadra - w tych samych warunkach fizycznych tj. w takiej samej
temperaturze i pod takim samym ciśnieniem, w równych objętościach
różnych gazów znajduje się taka sama liczba cząsteczek".
NA = 6,023 " 1023
Prawo Daltona - ciśnienie wywierane przez mieszaninę gazów jest równe
sumie ciśnień wywieranych przez składniki mieszaniny, gdyby każdy z nich
był umieszczany osobno w tych samych warunkach objętości i temperatury,
jest ono zatem sumą ciśnień cząstkowych
pc = Ł
Łpi
Ł
Ł
Gaz doskonały w mechanice klasycznej opisuje równanie Clapeyrona
(równanie stanu gazu doskonałego), przedstawiające zależność między
ciśnieniem gazu (p), jego objętością (V), temperaturą (T) i licznością (n)
wyrażoną w molach:
=
gdzie R jest stałą gazową, wynoszącą:
R = 8,314472 ą 0,000015 J/(mol K) w układzie SI
Gaz doskonały to model, słuszny w pełni jedynie dla bardzo rozrzedzonych
gazów. Wzrost ciśnienia powoduje, że zmniejszają się odległości między
cząsteczkami oraz powoduje pojawianie się oddziaływań międzycząste-
czkowych. Dla gazów rzeczywistych przy dużych gęstościach i ciśnieniach
niezbędne jest stosowanie równań uwzględniających te efekty (równanie Van
der Waalsa i wirialne równanie stanu).
09:16
Gazy rzeczywiste
Gazy rzeczywiste wykazują pewne odstępstwa od praw stanu gazu
doskonałego. Odstępstwa te są tym większe, im gaz rzeczywisty znajduje się
pod wyższym ciśnieniem, a jego temperatura jest bliska temperatury
skroplenia.
Cząsteczki nie są masami punktowymi, lecz mają określone wymiary. Oznacza
Cząsteczki nie są masami punktowymi, lecz mają określone wymiary. Oznacza
to, że cząsteczki nie mogą swobodnie poruszać się w całej objętości V.
Wynikiem tego jest zmniejszenie swobodnej objętości V
Istnienie sił przyciągania między cząsteczkami. Siły takie istnieją w przypadku
bardzo małych odległości między atomami, cząsteczkami (siły Van der
Waalsa). W wyniku tych sił następuje zmniejszenie się ciśnienia wywieranego
przez zbiór cząsteczek gazu.
Zadanie 1
Do otrzymania 1 m3 gazobetonu zostało użyte 0,65 kg pasty
aluminiowej o zawartości 90 % Al. Ile m3 gazu zostało
wytworzone w temperaturze 50 �C?
2Al + 3Ca(OH )2 + H2O �ł
�ł3CaO �" Al2O3 �" H2O + 3H2
Zadanie 2
Jaka objętość dwutlenku węgla powstanie przy wypale 150 t
kamienia wapiennego (dobowy przerób pieca szybowego) przy
zewnętrznej temperaturze 25�C i ciśnieniu atmosferycznym 95,8
kPa, jeśli zawartość niedopału wynosi 5% ?
CaCO3 �ł
�łCaO + CO2
Ciecz - stan skupienia materii - pośredni między ciałem stałym a gazem, w
którym ciało fizyczne trudno zmienia objętość, a łatwo zmienia kształt.
Istnienie cieczy ogranicza od strony niskich temperatur temperatura
krzepnięcia, a od wysokich temperatura wrzenia.
Własności cieczy wynikają z zachowania się jej cząsteczek:
- podobnie jak w gazie, mają one pełną swobodę przemieszczania się w
- podobnie jak w gazie, mają one 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 powierzchnio-
wym.
09:16
Płynność  możliwość przesuwania się warstewek cieczy względem siebie
Lepkość  opór jaki stawiają cząsteczki podczas ich wzajemnego przesuwania,
czyli tarcie wewnętrzne.
Lepkość większości cieczy maleje wraz ze wzrostem temperatury w wyniku
zwiększenia odległości międzycząsteczkowych, zgodnie z prawem Arrheniusa
Stały stan skupienia jest stanem największego uporządkowania materii.
Charakteryzuje się prawidłowym rozmieszczeniem atomów, jonów lub
cząsteczek i tym różni się od stanu ciekłego i gazowego.
Ciała krystaliczne  kryształy charakteryzujące się uporządkowaną budową
wewnętrzną  spełniają kryterium ciała stałego.
Ciała bezpostaciowe natomiast nie mają uporządkowanej budowy
wewnętrznej.
09:16
Skala elektroujemności według Paulinga
Wiązania wewnątrzcząsteczkowe
jonowe, tworzące się między atomami różnych pierwiastków matali i
niemetali w wyniku przekazywania elektronu
09:16
Wiązania wewnątrzcząsteczkowe
atomowe, powstające między atomami
pierwiastków niemetali o zbliżonej lub tej
samej elektroujemności w wyniku utwo-
rzenia wspólnej pary elektronów
09:16
Wiązania wewnątrzcząsteczkowe
metaliczne, tworzące się między atomami z reguły tych samych
pierwiastków  metali, w wyniku oddziaływań wielkiej liczby swobodnych
elektronów i dodatnich rdzeni atomowych
jony metalu
elektrony
09:16
Wiązania międzycząsteczkowe
Między cząsteczkami różnych materiałów w stanie stałym, ciekłym i
gazowym występują siły przyciągające (wiązania II rzędu). Są one o dwa
rzędy wielkości słabsze od wiązań wewnątrzcząsteczkowych  energia
wiązania Ew = 4  40 kJ/mol. Rozróżnia się tu:
- wiązania wodorowe (Ew = 20  40 kJ/mol)
- wiązania wodorowe (Ew = 20  40 kJ/mol)
- siły Van der Waalsa (Ew = 4  25 kJ/mol)
Wiązania wodorowe, tzw. mostki wodorowe, wiązanie pośrednie
pomiędzy jonowym a atomowym. Tworzy się w wyniku oddziaływania
między protonem a elektronami atomów o dużej elektroujemności, np.
tlenu, azotu itd. Występują w wielu związkach organicznych i wodzie.
09:16
Siły Van der Waalsa są wynikiem działania kilku czynników:
Sił orientacyjnych (efekt Keesoma) polegających na wzajemnym
oddziaływaniu stałych dipoli
Sił indukcyjnych (efekt Debye a), polegających na wzajemnym
oddziaływaniu stałych dipolu i dipolu przez niego indukowanego
oddziaływaniu stałych dipolu i dipolu przez niego indukowanego
Sił dyspersyjnych (efekt Londona), polegających na wzajemnym wpływie
poruszających się elektronów; np. układ jądro-elektron tworzy w danej
chwili dipol elementarny, który współdziała z innymi tego typu
szybkozmiennymi dipolami
09:16
Siły van der Waalsa:
-bardzo szybko maleją ze wzrostem odległości międzycząsteczkowych
-zwiększają się ze wzrostem ciśnienia
-maleją ze wzrostem temperatury
Siły międzycząsteczkowe kształtują także właściwości kohezyjne
materiału, takie jak temperatura wrzenia, temperatura topnienia,
ciepło właściwe, gęstość, twardość, a także lepkość i napięcie
powierzchniowe cieczy.
09:16
Rodzaj występujących wiązań chemicznych uzasadnia podział
materiałów budowlanych na trzy zasadnicze grupy;
- metale, w tym żelazne i nieżelazne, w których występują wyłącznie
wiązania metaliczne,
- materiały mineralne, w których dominuje wiązanie jonowe bądz

jonowo-atomowe; w materiałach zbudowanych z cząsteczek wieloatomowych
może występować równocześnie kilka rodzajów wiązań, np. w gipsie
może występować równocześnie kilka rodzajów wiązań, np. w gipsie
CaSO4 " 2H2O można wyróżnić wiązanie jonowe między jonami Ca2+ i SO42-
oraz wiązania atomowe spolaryzowane i koordynacyjne w jonie SO42-, a także
wiązania koordynacyjne i mostki wodorowe związane z obecnością wody.
- materiały organiczne (drewno, bitumy, tworzywa sztuczne), w których
dominuje wiązane atomowe i siły międzycząsteczkowe
09:16
W polimerach  substancjach wielkocząsteczkowych, będących
podstawowym składnikiem tworzyw sztucznych, suma oddziaływań
międzycząsteczkowych (między wielką liczbą atomów należących do
różnych cząsteczek) jest tak duża, że przekracza siłę oddziaływań
różnych cząsteczek) jest tak duża, że przekracza siłę oddziaływań
wewnątrzcząsteczkowych. Wówczas energia wiązania wewnątrzcząst-
eczkowego (atomowego), jako słabszego, wyznacza wytrzymałość
mechaniczną materiału.
09:16