Transcript Chapter 1: Matter and Measurement

General Chemistry
M. R. Naimi-Jamal
Faculty of Chemistry
Iran University of Science & Technology
‫فصل یازدهم‪:‬‬
‫مايعات و جامدات‬
Intermolecular Forces and Some Properties
of Liquids
• Cohesive Forces
– Intermolecular forces between like molecules.
• Adhesive Forces
– Intermolecular forces between unlike molecules.
• Surface Tension
– Energy or work required to increase the surface area
of a liquid.
• Viscosity
– A liquids resistance to flow
Van der Waals Forces
• Instantaneous dipoles.
– Electrons move in an orbital to cause a
polarization.
• Induced dipoles.
– Electrons move in response to an outside force.
• Dispersion or London forces.
– Instantaneous “dipole – induced dipole”
attraction.
– Related to polarizability.
Dipole Dipole Interactions
Polar Covalent Bonds: Dipole Moments
• Dipole moment - Net molecular polarity, due
to difference in summed charges
•  - magnitude of charge Q at end of
molecular dipole times distance r between
charges
•  = Q  r, in debyes (D)
• 1 D = 3.34  1030 coulomb meter
Dipole Moments in Water and Ammonia
• Large dipole moments
– Electronegativities of O and N > H
– Both O and N have lone-pair electrons oriented away
from all nuclei
Question
Compare the dipole moment of NH3 with NF3, which
one is more polar?
Absence of Dipole Moments
• In symmetrical molecules, the dipole moments of
each bond has one in the opposite direction
• The effects of the local dipoles cancel each other
Phenomenon of Induction
Dispersion or London forces
Instantaneous “dipole – induced dipole” attraction,
related to polarizability.
Hydrogen Bonding
Hydrogen Bonding in HF(g)
Hydrogen Bonding in Water
around a molecule
in the solid
in the liquid
Other examples of H-Bonds
Liquids
• Viscosity
• Surface Tension
• Evaporation
‫ناروانی ‪Viscosity‬‬
‫• ناروانی مقاومتی است كه هر مايع در برابر جاری شدن از خود‬
‫نشان می دهد‪ .‬برای تعيين آن مدت زمان الزم برای عبور مايع‬
‫از داخل يك لوله نازك در فشار معين را اندازه می گيرند‪.‬‬
Surface Tension
Energy or work required to increase the surface area
of a liquid.
Surface Tension
Vaporization of Liquids:
Vapor Pressure
Vapor Pressure
‫‪Boiling Point‬‬
‫جوشيدن یعنی تبخير همه مولكولها حتی مولكولهای ته ظرف و تشكيل حباب و در‬
‫نهایت غل زدن مایع ‪.‬‬
‫نقطه جوش دمایی است كه در آن فشار بخار مایع به فشار جو مي رسد‪ .‬پس نقطه‬
‫جوش با فشار تغيير می كند‪.‬‬
‫نقطه جوش نرمال در فشار یك اتمسفر است ‪.‬‬
‫‪Enthalpy of Vaporization‬‬
‫گرمای تبخير مولی مقدار گرمایی است كه برای تبخير یك مول ماده در دمای‬
‫معين الزم است‪ .‬گرمای تبخير مولی با گرمای ميعان مولی مساوی ولی قرینه اند‪.‬‬
‫‪ΔHvap = Hvapor – Hliquid = - ΔHcondensation‬‬
Vapor Pressure and Boiling Point
(e)
(d) (c) (b)
(a)
1
Ln P = -A (
)+B
T
ΔHvap
A=
R
‫‪Clausius-Clapeyron Equation‬‬
‫گرماي تبخير با افزايش دما كاهش می يابد تا در دمای بحرانی به صفر می‬
‫رسد‪.‬‬
‫در يك محدوده دمايی كوچك گرمای تبخير ثابت می ماند‪ .‬در اين صورت رابطه‬
‫زير برقرار است‪.‬‬
‫‪1‬‬
‫( ‪Ln P = -A‬‬
‫‪)+B‬‬
‫‪T‬‬
‫‪ΔHvap‬‬
‫‪P2‬‬
‫‪1‬‬
‫‪1‬‬
‫‪Ln‬‬
‫=‬‫(‬
‫‬‫)‬
‫‪P1‬‬
‫‪T2 T1‬‬
‫‪R‬‬
‫‪ΔHvap‬‬
‫‪1‬‬
‫‪1‬‬
‫(‬
‫‬‫)‬
‫‪2.303R T1 T2‬‬
‫‪P‬‬
‫= ‪Log 2‬‬
‫‪P1‬‬
‫انتروپی مولی تبخير‬
‫• قاعده تروتون )‪(1884‬‬
‫‪H v‬‬
‫‪ 21cal / K .mol‬‬
‫‪Tb‬‬
‫‪H v‬‬
‫‪S v ‬‬
‫‪Tb‬‬
‫• انتروپی مولی تبخير‬
‫• براي هر مايع انتروپی مولی تبخير با افزايش دما كاهش‬
‫می يابد يعنی اختالف بی نظمی مايع و بخاركم می‬
‫شود‪ .‬در دمای بحرانی اين مقدار صفر می شود‪.‬‬
‫‪H v  0‬‬
‫‪Sv  0‬‬
‫انجماد‬
‫– با سرد شدن مايع حركت مولكولهاي آن كند شده و سرانجام در‬
‫دماي معيني انرژي جنبشي مولكولها به حدي كم مي شود كه‬
‫نيروهاي بين مولكولي مي توانند ذرات را در نقاطي ثابت نگه‬
‫دارند و انجماد آغاز مي شود‪.‬‬
‫– انجماد يك پديده گرمازا است و براي ثابت نگه داشتن دماي مايع‬
‫در حال انجماد بايد از آن گرما گرفت‪.‬‬
‫– دمايي كه در آن مايع و جامد در فشار كل يك اتمسفر با هم در‬
‫حال تعادل اند‪ ،‬دماي انجماد نرمال است‬
‫– مقدار گرمايي كه در نقطه انجماد بايد از مايعي گرفته شود تا يك‬
‫مول آن منجمد گردد گرماي مولي تبلور ناميده مي شود‪.‬‬
‫جامد‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫مايع زير انجماد نوعي جامد است كه جامد نيست!!‬
‫يا نوعي مايع است كه به دماي سردتر از انجماد خود مي رسد‬
‫ولي بي نظمي هاي خاص مايع را از دست نمي دهد‪.‬‬
‫مثال ‪ :‬مواد شيشه اي ‪ ,‬قير و برخي پالستيكها‬
‫خواص ‪ :‬نقطه ذوب و انجماد نامعين‬
‫نقطه ذوب نرمال دمايي است كه در آن تحت فشار يك اتمسفر‬
‫بين مايع و جامد تعادل برقرار مي شود‪.‬‬
‫گرماي مولي ذوب گرمايي است كه براي ذوب يك مول ماده‬
‫بايد به آن داده شود‪ .‬گرماي مولي ذوب با گرماي مولي انجماد‬
‫مساوي ولي قرينه اند‪.‬‬
‫انتروپي ذوب‬
‫انتروپي ذوب از انتروپي تبخير كمتر است ‪.‬‬
‫‪H f‬‬
‫‪Tf‬‬
‫‪S f ‬‬
‫ماده‬
‫نقطه ذوب نرمال‬
‫‪C‬‬
‫گرماي ذوب‬
‫‪kCal/mol‬‬
‫انتروپي ذوب‬
‫‪Cal/mol.K‬‬
‫آب‬
‫‪0‬‬
‫‪44/1‬‬
‫‪26/5‬‬
‫بنزن‬
‫‪5/5‬‬
‫‪35/2‬‬
‫‪44/8‬‬
‫الكل‬
‫‪-2/12‬‬
‫‪10/1‬‬
‫‪10/7‬‬
‫كربن تتراكلريد‬
‫‪-9/22‬‬
‫‪60/0‬‬
‫‪40/2‬‬
‫كلروفرم‬
‫‪-5/63‬‬
‫‪20/2‬‬
‫‪50/10‬‬
‫كربن دي سولفيد‬
‫‪-1/11‬‬
‫‪5/1‬‬
‫‪52/6‬‬
Some Properties of Solids
Freezing Point
Melting Point
ΔHfus(H2O) = + 6.01 kJ/mol
‫‪Sublimation‬‬
‫تصعيد‬
‫مولكولهاي پر انرژي در سطح بلور مي توانند بر‬
‫نيروهاي جاذبه بين مولكولي غلبه كرده به فاز‬
‫بخار بگریزند‪ .‬وقتي بين دوفاز جامد وبخار تعادل‬
‫برقرار شد فشار بخار جامد‪ ،‬فشار مولكولهاي‬
‫بخار در حال تعادل است‪.‬‬
‫‪ΔHsub = ΔHfus + ΔHvap‬‬
‫‪= -ΔHdeposition‬‬
Phase Changes
Phase Changes
•
•
•
•
•
•
Sublimation:
Vaporization:
Melting or fusion:
Deposition:
Condensation:
Freezing:
solid  gas.
liquid  gas.
solid  liquid.
gas  solid.
gas  liquid.
liquid  solid.
Phase Changes
H2O
Water
Phase Changes
Energy Changes Accompanying Phase Changes
–
–
–
–
–
–
Sublimation:
Vaporization:
Melting or Fusion:
Deposition:
Condensation:
Freezing:
Hsub > 0 (endothermic)
Hvap > 0 (endothermic)
Hfus > 0 (endothermic)
Hdep < 0 (exothermic)
Hcon < 0 (exothermic)
Hfre < 0 (exothermic)
Heating Curve Illustrated
Phase changes
Phase Diagrams of Iodine
Iodine (I2)
Phase Changes
Critical Temperature and Pressure
• Gases liquefied by increasing pressure at some
temperature.
• Critical temperature (Tc): The temperature, above
it liquefaction of a gas using pressure is not more
possible.
• Critical pressure: the minimum pressure required
for liquefaction at Tc.
Critical Temperature, Tc
Supercritical Fluids
The Critical Point
Critical Temperatures and Pressures
Phase Diagrams
Carbon dioxide
Transition to Supercritical CO2
Supercritical CO2 Used to Decaffeinate Coffee
Crystal Structures
Unit Cells in the Cubic Crystal System
bcc
fcc
Hexagonal Close Packed (hcp)
Coordination Number
Counting Cell Occupancy
X-Ray Diffraction
X-Ray Diffraction
Bragg’s equation: nλ = 2d sin θ
Cesium Chloride
BCC
Atomic Radii from Crystal Structures
Sodium Chloride
Holes in Crystals
Holes in Crystals
Unit Cell in Ionic Solids
Energy Changes in the Formation of Ionic
Crystals
Chapter 11Questions
9, 14, 16, 20, 23, 28, 33,
34, 44, 46, 53, 58, 64,
70, 74