STANY SKUPIENIA
GAZOWY, CIEKA
Y I STAA
Y
STAN GAZOWY
Gaz  ciało, które nie ma określonego kształtu i objętości, słabe
oddziaływania międzycząsteczkowe.
Gaz składa się z oddalonych od siebie cząstek (atomów, cząsteczek)
poruszających się szybko i chaotycznie.
Jedną z wielkości charakteryzujących
stan gazu jest ciśnienie (p):
F
p =
A
F  siła wywierana przez gaz
A  pole powierzchni na która działa gaz
ścianki naczynia
PRAWA GAZOWE
Prawo Boyle a
Dla stałej ilości gazu w stałej
temperaturze ciśnienie gazu
jest odwrotnie proporcjonalne
Rys. 5.8 str
do jego objętości.
const
189 Atkins
p =
v
p " v = const
Wykorzystanie  obliczenie zmiany ciśnienia lub objętości po zmianie warunków
w układzie  p1v1 = p2v2 (gdzie 1 i 2 odpowiadają odpowiednio warunkom początkowym
i końcowym).
Prawo Charlesa i Gay-Lussaca
Objętość stałej ilości gazu pod stałym ciśnieniem jest proporcjonalna
do temperatury bezwzględnej
oraz
ciśnienie stałej ilości gazu w stałej objętości jest proporcjonalne
do temperatury bezwzględnej
v = T " const oraz p = T " const
Rys. 5.11 i
5.12 str 191
Atkins
Prawo Avogadra
Objętość próbki gazu w stałej temperaturze i pod stałym ciśnieniem jest
proporcjonalna do liczby moli cząsteczek tego gazu
v = n " const
n  liczba moli
Gaz Objętość molowa (dm3/mol)
Gaz doskonały 22,41
Azot 22,40
Tlen 22,40
Wodór 22,43
Objętości molowe różnych gazów w temp. 273 K i pod ciśń. 1 atm
Gaz doskonały
Założenia:
- cząstki (atomy, cząsteczki) znajdują się w nieustannym i bezładnym
ruchu,
- cząstki nie oddziaływają ze sobą w inny sposób niż poprzez zderzenia
sprężyste,
- objętość cząstek gazu jest zaniedbywalnie mała.
Gazy rzeczywiste wykazują oddziaływania siłami van der Waalsa
i posiadają określoną objętość.
Dlatego gaz może być traktowany jako gaz doskonały tylko w wysokiej
temperaturze (energia kinetyczna większa od energii oddziaływań
elektromagnetycznych) i pod niskim ciśnieniem (rozmiary cząstek o wiele
mniejsze niż odległości pomiędzy nimi).
Prędkość cząstek gazu
Średnia prędkość cząstek gazu:
3RT
v = gdzie: M  masa molowa, R  stała gazowa, T - temperatura
M
Np. O2  prędkość (20�C, 1atm.)  ok. 500 m/s, liczba zderzeń ok. 7"109 1/s,
przeciętna droga swobodna cząsteczki ok. 5 "10-5 cm.
Rys 5.28 str 215
Atkins
Równanie stanu gazu doskonałego
Z prawa Avogadro wynika, że v jest proporcjonalna do n
Z prawa Charlesa i Gay Lussaca wynika, że v jest proporcjonalna do T
Z prawa Boyle a wynika, że v jest odwrotnie proporcjonalna do p
stąd:
pv = nRT
gdzie:
R  stała proporcjonalności,
p  ciśnienie,
R = 0,0820578 atm/(K " mol)
v  objętość,
R = 8,31451 kPa/(K " mol)
T  temperatura
R = 8,31451 J/(K " mol)
n  liczba moli
Gazy rzeczywiste - poprawka van der Waalsa
(p + an2/v2) (v  nb) = nRT
Poprawka uwzględnia efekt oddziaływania między cząstkami gazu.
Stała a - uwzględnia efekt przyciągania między cząstkami
Stała b - uwzględnia efekt odpychania między cząstkami
n  liczba moli gazu
Mieszanina gazów
Prawo Daltona
Ciśnienie mieszaniny gazów jest równe sumie ciśnień cząstkowych
składników mieszaniny.
n
p = pA + pB + pC +& + pi = " pi
i=1
Cząstkowe ciśnienie gazu, to ciśnienie, które wywierałby ten gaz, gdyby
sam wypełniał całe naczynie.
ni/n = xi  ułamek molowy
ni
pi = " p = xi " p
n
STAN CIEKA
Y
Ciecz  ciało posiadające zdefiniowaną objętość, ale nie ma określonego
kształtu (przyjmuje kształt zbiornika)
Charakteryzuje się niewielką ściśliwością, mniejszą ruchliwością cząstek
niż w przypadku gazu  silniejsze oddziaływania międzycząsteczkowe.
Cząsteczki w cieczy mogą się przemieszczać w różnych kierunkach
i zderzać ze sobą.
W cieczy mogą tworzyć się obszary
o uporządkowanej strukturze  jednak ich
istnienie ma charakter dynamiczny , tzn. że
tworzą się i szybko zanikają, odtwarzając
w innym miejscu.
Właściwości cieczy
Lepkość cieczy
Jest to opór (tarcie pomiędzy warstwami cieczy) przeciwdziałający jej
płynięciu.
Przyczyną lepkości jest
występowanie sił
międzycząsteczkowych, które
wiążą ze sobą cząsteczki i
utrudniają ich przemieszczanie
Rys. str 449 dół
się względem innych cząsteczek.
Atkins
Ciecze zawierające wiązania
wodorowe mają z reguły dużą
lepkość.
Napięcie powierzchniowe
Może być definiowane jako siła
wypadkowa działająca na
cząsteczkę znajdującą się na
powierzchni cieczy i zwrócona
do wnętrza cieczy.
Napięcie powierzchniowe
związane jest z istnieniem sił
międzycząsteczkowych.
Siły adhezji  siły wiążące substancję
Rys. 10.9 str 450
z powierzchnią.
Atkins
Siły kohezji  siły wiążące ze sobą
cząsteczki substancji.
STAN STAA
Y
Ciało stałe  posiada zdefiniowaną objętość i określony kształt, silne
oddziaływania pomiędzy atomami lub cząsteczkami.
Atomy nie przemieszczają się względem siebie.
KLASYFIKACJA CIAA
STAA
YCH
Ciała krystaliczne  atomy, jony lub cząsteczki tworzą uporządkowaną
sieć
Ciała bezpostaciowe (amorficzne)  atomy, jony lub cząsteczki są
rozmieszczone w bezładny sposób
Podział kryształów ze względu na rodzaj wiązań chemicznych, które
w nich występują
Kryształy molekularne
- mała wytrzymałość, miękkie,
- niska temperatura topnienia,
- izolatory,
- widmo pochłaniania światła takie samo jak w stanie gazowym i ciekłym,
- tworzone przez tlen, azot, gazy szlachetne lub wodorki kowalencyjne,
- najczęstszy typ kryształów jaki jest spotykany w przypadku połączeń
organicznych
Kryształy kowalencyjne
- atomy w krysztale połączone wiązaniami kowalencyjnymi
- duża wytrzymałość, twarde,
- wysokie temperatury topnienia
- nie przewodzą prądu lub półprzewodniki,
- widmo pochłaniania światła inne niż w stanie ciekłym i gazowym,
- tworzone przez diament, krzem, german, węglik krzemu.
Kryształy jonowe
- duża wytrzymałość, twarde,
- wysokie temperatury topnienia,
- w stanie stałym z
le przewodzą prąd (dobre przewodnictwo stopione lub
w roztworze),
- pochłaniają światło w zakresie dalekiej podczerwieni,
- tworzone przez substancje o charakterze jonowym, np. NaCl, CsF.
Kryształy metaliczne
- różna wytrzymałość, ciągliwość,
- temperatura topnienia zmienia się w szerokich granicach,
- dobre przewodnictwo elektryczne,
- nieprzezroczyste, charakterystyczny połysk metaliczny,
- tworzone przez metale.
Pozostałe typy kryształów:
Kryształy condis  faza pośrednia pomiędzy cieczą i ciałem stałym,
najczęściej tworzone przez długie, cienkie cząsteczki, które mają
swobodę zmiany konformacji, np. teflon
Kwazikryształy - atomy układają się w pozornie regularną, ale nie
powtarzającą się strukturę - uniemożliwia to wyróżnienie komórek
elementarnych w tego typu układzie.
Przykład kwazikryształu
Polimorfizm, izomorfizm, alotropia, ciała anizotropowe
Polimorfizm  zjawisko występowania tej samej substancji w różnych
strukturach przestrzennych (odmianach krystalograficznych).
Np. węglan wapnia
kalcyt aragonit
Izomorfizm  zjawisko występowania różnych substancji w tym samym
typie sieci krystalograficznej.
Alotropia  zjawisko występowania tej samej substancji prostej
(pierwiastka chemicznego) w tym samym stanie skupienia w dwóch lub
więcej postaciach (tzw. odmianach alotropowych) charakteryzujących się
odmiennym składem cząsteczek lub postacią krystaliczną
np.
tlen O2, ozon O3
siarka jednoskośna i rombowa.
Ciała anizotropowe  ciała jednorodne wykazujące zależność swych
właściwości od kierunku.
Np. w niektórych kierunkach atomy mogą być słabiej związane niż
w innych  większa łupliwość (grafit).
Ciała bezpostaciowe
Powstają, gdy nie następuje krystalizacja.
W miarę obniżania temperatury ruchliwość cząsteczek maleje, co powoduje
wzrost lepkości i zakrzepnięcie cieczy.
Ciała bezpostaciowe nie wykazują zależności swych właściwości od kierunku.
W czasie ogrzewania przejście ich do stanu ciekłego odbywa się
w sposób ciągły, a nie skokowy.
Sieć przestrzenna
W krysztale panuje stan pełnego uporządkowania w każdym kierunku
przestrzeni.
Rys. 7.2 str 209
Bielan
Sieć przestrzenna NaCl
Do opisania wyglądu sieci przestrzennej nie jest konieczne opisanie położenia
wszystkich zawartych w niej atomów. Wystarcza znajomość komórki
elementarnej.
Komórka elementarna 
najmniejszy wycinek sieci
zachowujący jej wszystkie
cechy.
Komórka elementarna
Rys 1.4 str 17 Krystalografia
powtarza się cyklicznie
w przestrzeni.
Jest określana za pomocą
trzech krawędzi a, b, c oraz
trzech kątów ą, �, ł
pomiędzy tymi krawędziami
- są to tzw. parametry sieci
przestrzennej.
Sieć przestrzenna i komórka elementarna kryształu NaCl
Rys 7.4 str
211 Bielan
Liczba koordynacyjna  liczba atomów lub jonów bezpośrednio
sąsiadujących w sieci przestrzennej kryształu z danym atomem lub
jonem.
Przykłady komórek elementarnych i układów krystalograficznych
Układ Kształt komórki elementarnej Parametry sieciowe
Regularny Sześcian a = b = c ą = � = ł = 90�
Tetragonalny Prostopadłościan o podstawie a = b `" c ą = � = ł = 90�
kwadratowej
Heksagonalny Prostopadłościan o podstawie a = b ą = � = 90�
rombu ł = 120�
Rombowy Prostopadłościan o podstawie a `" b `" c ą = � = ł = 90�
prostokątnej
Jednoskośny Równoległościan a `" b `" c ą = � = 90� `" ł
Trójskośny Równoległościan a `" b `" c ą `" � `" ł
Przykłady sieci przestrzennych w kryształach
Rys. 7.12 str 223 Bielan
Sieć przestrzenna regularna płasko centrowana
Rys. 7.13 i 7.14 str 224
i 225 Bielan
Sieć przestrzenna regularna
Sieć przestrzenna heksagonalna
przestrzennie centrowana
Energia sieciowa kryształów jonowych
Energia sieciowa  ilość energii, którą należy dostarczyć, aby 1 mol
substancji krystalicznej rozłożyć na jony znajdujące się w nieskończenie
dużych odległościach od siebie.
Energia sieciowa (U0) wyraża całkowitą energię potencjalną kryształu
(zależą od niej trwałość, temp. topnienia, rozpuszczalność, itd.).
N " A " e2 " z- " z+ 1
U0 = 1 -
4 " Ą " �0 " r0 n
gdzie: N  liczba Avogadra, A  stała, e  ładunek elektronu, z- i z+ - liczba
elementarnych ładunków anionu i kationu, �0  przenikalność elektryczna próżni,
r0  odległość dwóch sąsiednich jonów o przeciwnym znaku, n  współczynnik
wyznaczany na podstawie ściśliwości kryształów.
Np. LiF 1034 kJ/mol  MgO 3934 kJ/mol  zmiana wartości energii
sieciowej spowodowana różnicą ładunku jonów (temp. topnienia
kryształów LiF 845�C, a MgO 2800�C).
PRZEMIANY FAZOWE
Faza oznacza fizyczną postać materii (odnosi się nie tylko do trzech
stanów skupienia, ale również do różnych odmian tych stanów).
Układ jednorodny  każda część układu wykazuje te same cechy co cały
układ.
Układ niejednorodny  różne części układu wykazują różne właściwości.
Jest to związane z obecnością różnych faz oddzielonych od innych
powierzchnią rozdziału.
Przemiany fazowe  parowanie, skraplanie, topnienie, krzepnięcie,
krystalizacja, sublimacja.
Równowagi ciecz  para i ciało stałe - para
Prężność pary
Energia niektórych cząsteczek znajdujących się w fazie ciekłej wystarcza
do oderwania się od cząsteczek sąsiednich i przejścia w stan pary.
Tendencja do parowania zależy od temperatury układu i siły oddziaływań
międzycząsteczkowych.
Proces parowania
W zamkniętym zbiorniku ustala się stan
równowagi dynamicznej.
szybkość parowania = szybkość kondensacji
H
H2O(c) O(g)
�! 2
Prężność pary nasyconej
Jest to ciśnienie, jakie wywiera para, gdy para i ciecz (lub substancja stała)
znajdują się w równowadze dynamicznej.
Prężność pary jest niska w przypadku substancji o silnych oddziaływaniach
międzycząsteczkowych i wzrasta wraz z temperaturą.
Wrzenie
Gdy ciecz znajduje się w otwartym zbiorniku, to powstająca para może
odpływać od cieczy.
Wrzenie następuje gdy prężność pary cieczy jest równa ciśnieniu
atmosferycznemu.
Prężność pary nasyconej nad wodą (po lewej) i lodem (po prawej) w zależności od temperatury.
Tablica 10.2 i 10.3 str 322
i 323 Bielan
Mieszanina azeotropowa  mieszanina cieczy wrząca w stałej
temperaturze bez zmiany składu (udziału każdego ze składników).
Krzepnięcie
Ciecz krzepnie, gdy cząsteczki mają tak małą energię, że nie mogą się
przemieszczać względem cząsteczek sąsiednich.
W ciele stałym cząsteczki mogą drgać wokół swoich średnich połączeń,
ale nie przesuwają się z miejsca na miejsce.
Diagram fazowy
Określa wartości ciśnienia i temperatury, w których każda z faz występujących
w danym układzie jest najtrwalsza. Granice faz wyznaczają warunki, w których
dwie fazy mogą istnieć w warunkach równowagi (trzy fazy współistnieją
w punkcie potrójnym).
Rys 10.48 Rys. 10.3 str
str 483 324 Bielan
Atkins
Diagram fazowy dla przykładowego
Diagram fazowy wody
układu jednoskładnikowego
REGUA
A FAZ GIBBSA
Reguła ta formułuje ogólne warunki równowag fazowych w układach
jedno- i wieloskładnikowych.
s = n + 2  f
s  liczba stopni swobody - czyli liczba czynników wyznaczających
równowagę (temperatura, ciśnienie, stężenia), które można zmieniać
zachowując niezmienioną liczbę faz,
f  liczba faz obecnych w układzie,
n  liczba niezależnych składników  najmniejsza liczba substancji
z których można zbudować układ, np. C + CO2 "! 2CO, dwa
niezależne składniki
Prężność pary nasyconej nad roztworami
Zmiany temperatury wrzenia i krzepnięcia roztworów
Prawo Raoulta
Stosunek prężności pary nasyconej nad roztworem do prężności pary nad
czystym rozpuszczalnikiem jest równy ułamkowi molowemu rozpuszczalnika
w roztworze.
pr / pc = xc
pr  prężność pary nad roztworem
pc  prężność pary nad rozpuszczalnikiem
xc  ułamek molowy rozpuszczalnika w roztworze
Uwzględniając fakt, że:
xc = 1  xA
xA  ułamek molowy substancji rozpuszczonej
otrzymujemy równanie:
pc  pr
= xA
pc
gdzie: (pc  pr)/pc  względne obniżenie prężności pary
W związku z tym można stwierdzić, że względne obniżenie prężności pary
nad roztworem jest równe ułamkowi molowemu substancji rozpuszczonej.
Konsekwencją obniżenia prężności pary pozostającej w równowadze
z roztworem jest zmiana temperatury jego wrzenia i krzepnięcia
w porównaniu z czystym rozpuszczalnikiem.
Obniżenie temperatury krzepnięcia i podwyższenie temperatury wrzenia
jest wprost proporcjonalne do stężenia roztworu (dla roztworów
rozcieńczonych).
"Tk = Ek " c
"Tw = Ew " c
gdzie: Tk  temperatura krzepnięcia, Tw  temperatura wrzenia,
Ek i Ew  stała krioskopowa i stała ebulioskopowa
Rys. 10.7 str 333
Bielan
Diagram prężności pary nad roztworem wodnym (linia przerywana)
i diagram fazowy wody (linia ciągła).
KRYSTALIZACJA
Krystalizacja polega na utworzeniu
układu przestrzennego, w którym
położenie tych samych jonów
powtarza się okresowo w każdym
kierunku.
Pierwszym etapem jest tworzenie zarodków krystalizacji
Roztwory nie są absolutnie homogeniczne  wykazują pewne zmiany
stężenia rozpuszczonego ciała  prowadzi to do utworzenia niewielkich
skupisk jonów bądz
cząsteczek.
Po utworzeniu zarodków krystalizacji następuje wzrost kryształów
Wielkość kryształów zależy od szybkości wzrostu kryształów i szybkości
tworzenia się nowych zarodków krystalizacji.
Jeżeli szybkość wzrostu kryształów jest większa powstają osady
grubokrystaliczne.
Jeśli większą jest szybkość tworzenia nowych zarodków krystalizacji,
to powstają osady drobnokrystaliczne
W dalszych etapach krystalizacji możemy wyróżnić następujące procesy:
Agregacja  łączenie się poszczególnych zarodków krystalizacji
w skupienia (tworzenie agregatów utrzymujących się w dowolny sposób).
Aglomeracja  tworzenie i wzrost agregatów prowadzący do wydzielenia
osadów złożonych z cząstek o wymiarach większych niż cząstki
koloidalne.
Rekrystalizacja  przejście nieuporządkowanych pierwotnych skupień
o nieuporządkowanej budowie w uporządkowaną sieć krystaliczną.