58. Układ okresowy, a struktura elektronowa atomów. Wyjaśnienie ferromagnetyzmu.

Posługując się zasadą Pauliego można określić jakie stany w atomie są obsadzane elektronami.

-spinowy moment magnetyczny elektronu:

-zewnętrzne pole magnetyczne obraca wektor momentu magnetycznego elektronu; kierunek wektora też jest skwantowany (ml ) – efekt Zeemana - Efekt Zeemana - zjawisko fizyczne, które polega na rozszczepieniu obserwowanych linii spektralnych na składowe, gdy próbka emitująca promieniowanie zostaje umieszczona w polu magnetycznym.

-moment magnetyczny atomu jest sumą momentów magnetycznych elektronów

-parzysta liczba Z-zero, bo antyrównoległe spiny znoszą się (diamagnetyki - Diamagnetyzm – zjawisko polegające na indukcji (*Indukcja elektromagnetyczna - zjawisko powstawania siły elektromotorycznej w przewodniku na skutek zmian strumienia pola magnetycznego. Zmiana ta może być spowodowana zmianami pola magnetycznego lub względnym ruchem przewodnika i źródła pola magnetycznego) w ciele znajdującym się w zewnętrznym polu magnetycznym pola przeciwnego, osłabiającego działanie zewnętrznego pola. Przyczyną diamagnetyzmu jest fakt, że zewnętrzne pole magnetyczne zmienia tor elektronów na orbitach (jakby indukuje w układzie prąd elektryczny), który powoduje powstanie pola magnetycznego skierowanego przeciwnie do pola zewnętrznego. Diamagnetyki samorzutnie nie wykazują właściwości magnetycznych - nie są przyciągane przez magnes.)

-nieparzysta – spin jednego niesparowanego elektronu (paramagnetyki - Paramagnetyzm - zjawisko magnesowania się makroskopowego ciała w zewnętrznym polu magnetycznym w kierunku zgodnym z kierunkiem pola zewnętrznego. Substancja wykazująca takie własności to paramagnetyk, jest on przyciągany przez magnes, jednak znacznie słabiej niż ferromagnetyk. W niezbyt niskich temperaturach oraz dla niezbyt silnych pól magnetycznych paramagnetyki wykazują liniową zależność namagnesowania od pola zewnętrznego, co wyraża wzór:

gdzie:

 M - namagnesowanie (moment magnetyczny jednostki objętości substancji)

 χ - objętościowa podatnośd magnetyczna

 H - natężenie pola magnetycznego.

- ferromagnetyki mają kilka niesparowanych elektronów – duży atomowy moment magnetyczny

-ich sprzęganie się tworzy domeny

Ferromagnetyzm

Istnieją pierwiastki takie jak Fe, Co, Ni oraz wiele różnych stopów, w których

obserwujemy uporządkowanie magnetyczne pomimo, przeciwdziałających temu, ruchów termicznych atomów. Substancje te zwane ferromagnetykami charakteryzują się dużą podatnością, przy czym wielkość namagnesowania zależy zarówno od pola magnesującego jak i od tego czy były one magnesowane wcześniej.

Jest to związane z silnym oddziaływaniem wymiennym jakie występuje pomiędzy spinowymi momentami magnetycznymi atomów. Ferromagnetyzm jest więc własnością kryształów, a nie pojedynczych atomów.

Poszczególne atomy (tak jak w paramagnetyku) posiadają momenty magnetyczne, które podczas krystalizacji, w wyniku oddziaływania wymiennego, ustawiają się równolegle do siebie w dużych obszarach kryształu zwanych domenami . Każda domena jest więc całkowicie magnetycznie uporządkowana. Natomiast kierunki momentów magnetycznych

poszczególnych domen są różne i próbka jako całość może nie mieć wypadkowego

namagnesowania.

Domeny magnetyczne w nienamagnesowanym materiale. trzałki oznaczają kierunek momentu magnetycznego

w domenie

Jeżeli taki materiał ferromagnetyczny umieścimy w zewnętrznym polu magnetycznym

zaobserwujemy, że próbka uzyskuje duże namagnesowanie w relatywnie niskim polu

magnetycznym. Dzieje się tak dlatego, że momenty magnetyczne atomów wewnątrz

domen dążą do ustawienia się zgodnie z polem oraz, że przesuwają się ściany domen:

domeny zorientowane zgodnie z polem rosną kosztem domen o innej orientacji.

Ten proces nie jest całkowicie odwracalny. Po usunięciu pola granice domen nie

wracają do położeń początkowych i materiał pozostaje namagnesowany trwale. Zjawisko

to nazywamy histerezą magnetyczną .

Na rysunku 37.7 pokazana jest krzywa (ab) namagnesowania ferromagnetyka (początkowo

nienamagnesowanego) i towarzysząca jej pętla histerezy (bcdeb).

O przydatności ferromagnetyka jako magnesu trwałego decyduje również zależność

jego podatności od temperatury bo powyżej pewnej charakterystycznej temperatury TC ferromagnetyk staje się paramagnetykiem. Temperaturę TC nazywamy temperaturą

Curie . Z punktu widzenia zastosowao istotne jest aby materiał ferromagnetyczny miał

możliwie wysoką temperaturę przejścia w stan paramagnetyczny

W zależności od wielkości i znaku podatności magnetycznej χ , dzielimy ciała na

następujące trzy grupy:

1) χ < 0, ciała diamagnetyczne;

2) χ > 0, ciała paramagnetyczne;

3) χ >> 0, ciała ferromagnetyczne. Ferromagnetyzm jest własnością kryształów, a nie pojedynczych atomów.

59. Typy wiązań chemicznych.

Wolne atomy mogą, za pomocą oddziaływań zwanych wiązaniami chemicznymi, zostać powiązane w większe zgrupowania - cząsteczki.

Istnieje kilka typów oddziaływań, różniących się między sobą siłą wiązania. Twa główne typy to wiązania silne - kowalencyjne oraz wiązania słabe. Pierwsze z nich są bardzo trwałe w temperaturach fizjologicznych, drugie natomiast, w przypadku gdy występują pojedynczo, ulegają łatwemu zerwaniu nawet w niskich temperaturach. Duże znaczenie mają natomiast wiązania słabe występujące grupowo. Siła wiązania zależy od odległości związanych atomów - im atomy są dalej, tym wiązanie jest słabsze.

Wiązanie kowalencyjne opiera się na zjawisku uwspólniania par elektronów między dwoma silnie elektroujemnymi atomami, z których każdy dąży do przyłączenia obu elektronów. Wyróżniamy dwa typy wiązań kowalencyjnych:

1. spolaryzowane - wiązaniem jest wspólna para elektronów przesunięta w kierunku bardziej elektroujemnego atomu, w wyniku czego na jednym z atomów wytwarza się cząstkowy ładunek dodatni, a na drugim ujemny. Wiązanie kowalencyjne spolaryzowane powstaje między atomami pierwiastków niemetalicznych, różniących się elektroujemnością o 0 - 1,7 w skali Paulinga. Cząsteczki z takim wiązaniem mogą być zarówno dipolami (np. HCl, H₂O) jak i obojętne (np. CO₂)

2. niespolaryzowane - tworzone przez dwa identyczne fragmenty, np. O - O, Cl - Cl, H₃C - CH₃. Obydwa wiązane atomy są jednakowo elektroujemne i każdy z nich tak samo silnie przyciąga pary elektronów.

Substancje kowalencyjne w stanie stałym mogą tworzyć dwa rodzaje kryształów:

1. cząsteczkowe (molekularne) - zbudowane z wielu cząsteczek, podczas topnienia lub rozpuszczania rozpadają się na osobne cząsteczki.

2. kowalencyjne - zbudowane z atomów połączonych wiązaniami kowalencyjnymi w jedną wielką "cząsteczkę". Ten typ kryształu występuje znacznie częściej, np. diament, krzem, węglik krzemu.

Właściwości substancji kowalencyjnych

Zarówno w stanie ciekłym, jak i stałym, substancje zbudowane z atomów połączonych wiązaniami kowalencyjnymi są izolatorami elektrycznymi - nie przewodzą prądu. Powodem tego jest brak dysocjacji elektrolitycznej oraz swobodnych elektronów mogących uczestniczyć w procesie przewodzenia prądu. Jedynym wyjątkiem jest grafit. Domieszkowane (zanieczyszczone) substancje kowalencyjne mogą być bardzo dobrymi półprzewodnikami.

Cząsteczki kowalencyjne spolaryzowane rozpuszczają się jedynie w polarnych rozpuszczalnikach, na przykład wodzie, natomiast niespolaryzowane - w rozpuszczalnikach niepolarnych.

Substancje zawierające wiązania kowalencyjne reagują z innymi związkami wolno, gdyż konieczne jest dostarczenie dużej energii do zerwania wiązania. Z tego samego powodu związki tworzące kryształy molekularne mają znacznie niższe temperatury topnienia i wrzenia niż kryształy kowalencyjne.

Wiązania wodorowe

Atom wodoru, ze względu na to, iż ma tylko jeden elektron, może tworzyć tylko jedno wiązanie kowalencyjne. Jest on jednak zdolny do tworzenia innego typu wiązania, znacznie słabszego - wiązania wodorowego, polegającego na słabym oddziaływaniu elektrostatycznym pomiędzy silnie elektroujemnym atomem (akceptorem wiązania wodorowego) a atomem wodoru związanym kowalencyjnie z innym silnie elektroujemnym atomem (donorem wiązania wodorowego). We wzorach chemicznych wiązanie wodorowe oznacza się linią przerywaną: N - H ^{. . . .} O.

Wiązania wodorowe odgrywają zasadniczą rolę w wielu układach biologicznych. Jednym z najważniejszych z nich jest woda - spolaryzowane cząsteczki H2O silnie oddziałują ze sobą za pomocą wiązań wodorowych. Dzięki istnieniu wiązań wodorowych lekkie cząsteczki wody nie ulatniają się już w niskich temperaturach, tylko tworzą stan ciekły - dopiero w 100°C woda zaczyna przechodzić w stan gazowy. Również lód zbudowany jest z cząsteczek H₂O połączonych siecią wiązań wodorowych:

Inne ważne funkcje wiązań wodorowych to zwiększanie rozpuszczalności związków i tworzenie trójwymiarowych struktur makrocząsteczek - białek, kwasów nukleinowych, DNA.

Wiązania jonowe to kolejny typ wiązań chemicznych zaliczanych do słabych. Wiązanie takie tworzy się w wyniku przyciągania elektrostatycznego pomiędzy anionem - atomem (fragmentem cząsteczki) posiadającym ładunek ujemny, oraz kationem - atomem zawierającym ładunek dodatni, gdy różnica elektroujemności jest większa niż 1,7 w skali Paulinga. Jony mogą powstawać w wyniku zerwania wiązania kowalencyjnego - bardziej elektroujemny fragment "zabiera" obydwa elektrony (anion), natomiast mniej elektroujemny fragment staje się kationem. Przykładem cząsteczki jonowej jest NaCl, w której różnica elektroujemności jest tak duża (Na 0,9, Cl 3,0), że chmura elektronów zostaje całkowicie przeciągnięta na stronę chloru - rozkład ładunku wygląda następująco: Na⁺Cl^- .

Właściwości substancji jonowych.

Związki jonowe w stanie stałym tworzą kryształy jonowe, składające się z naprzemiennie ułożonych anionów i kationów. Jony ułożone są w taki sposób, aby jak największa liczba jonów jednego znaku otaczała każdy z jonów przeciwnego znaku, co jest równoznaczne z osiągnięciem najmniejszej energii. Miejsca zajmowane przez jony to węzły sieci krystalicznej. Liczbę jonów przeciwnych otaczających dany jon opisuje się za pomocą liczby koordynacyjnej, zależnej od stosunku wielkości anionu do kationu. Na przykład dla NaCl liczba koordynacyjna L.K.= 6.

Kryształy jonowe nie przewodzą prądu, natomiast ciekłe lub rozpuszczone związki jonowe tworzą elektrolity, w których prąd przenoszony jest przez przepływ kationów i anionów, podobny do ruchu elektronów w przewodnikach. Jest to możliwe dzięki temu, że substancje jonowe ulegają dysocjacji.

Związki jonowe dobrze rozpuszczają się w rozpuszczalnikach polarnych - głownie w wodzie, natomiast nie rozpuszczają się w niepolarnych rozpuszczalnikach - eterach czy benzynie.

Ze względu na małą energię wiązania, związki jonowe reagują bardzo szybko, w przeciwieństwie do związków kowalencyjnych. Mimo słabego charakteru wiązania, mają jednak wysokie temperatury wrzenia i topnienia - np. dla NaCl t_t = 801°C, a t_w = 1413°C.

Wiązania metaliczne powstaje w wyniku elektrostatycznego oddziaływania kationów metalu w węzłach sieci krystalicznej z gazem elektronowym elektronów walencyjnych. Substancje metaliczne są świetnymi przewodnikami elektrycznymi i termicznymi, mają również, w zależności od składu chemicznego, różne właściwości mechaniczne.

Wiązanie koordynacyjne (donorowo - akceptorowe) tworzy się w wyniku oddziaływania dwu atomów z parą elektronową pochodzącą od jednego z nich - donora. Wiązanie takie ma właściwości bardzo podobne jak wiązanie kowalencyjne spolaryzowane.

Siły van der Waalsa są wynikiem wzajemnego oddziaływania elektronów i jąder w czasteczkach. A konkretnie polegają one na przyciąganiu się szybkozmiennych albo inaczej falujących dipoli.
W wyniku ruchu elektronów walencyjnych gęstość ładunku ujemnego na zewnętrznej powłoce atomów ulega szybkim fluktuacjom wzbudzając podobną fluktuację w powłoce walencyjnej sąsiednich atomów. Powstają szybkozmienne dipole, które wzajemnie przyciągają się zwiększając, w miarę zbliżania się, wzajemną polaryzację elektronową.

60. Ciała krystaliczne i bezpostaciowe.

Ciała stałe dzielimy na kryształy, polikryształy i ciała bezpostaciowe

-większość ciał stałych to kryształy; mają one budowę uporządkowaną w dużym obszarze (atomy w krysztale ułożone są w powtarzający się regularny wzór zwany siecią krystaliczną). Są ograniczone prawidłowymi płaszczyznami. Wykazują ANIZOTROPOWE – czyli niezależne od kierunku – własności fizyczne (np. przewodnictwo elektryczne i cieplne, sprężystość) -w kryształach wszystkie wiązania „puszczają” w tej samej temperaturze – mają tą samą wytrzymałość

-pozostałe – ciała bezpostaciowe – nie mają określonego rozmieszczenia atomów; są to ciecze przechłodzone o dużej lepkości (smoła, szkło, wiele tworzyw sztucznych) uporządkowane lokalnie. Do ciał bezpostaciowych należą: szkła, żywice, tłuszcze i niektóre proszki. Nie mają regularnych płaszczyzn ograniczających. Nie można stwierdzić jakiegokolwiek prawidłowego ułożenia cząstek. Wykazują izotropowe – niezależne od kierunku własności fizyczne

-np. B2O3

- w ciałach bezpostaciowych wiązania między atomami mają różną wytrzymałość, pękają w różnych temperaturach –brak ostrego przejścia fazowego.

-kryształy jonowe (NaCl), kowalencyjne (diament) i mieszane

Na CL