Transcript ft-07-skupenske

Skupenské stavy látek
Obvykle se rozlišují 3 skupenské stavy látek: pevné, kapalné a plynné.
Někdy se uvádí ještě čtvrtý skupenský stav - plazma (plazma = ionty +
volné elektrony).
V závislosti na podmínkách (tlak, teplota) může teoreticky každá látka
existovat ve všech skupenských stavech, tzn. že skupenský stav závisí
na vnějších podmínkách a na velikosti soudržných sil uplatňujícími se
mezi stavebními částicemi látky. Změnou podmínek může dojít ke
změně stavu (skupenská přeměna).
Schéma skupenských přeměn
Přechod plynu na plazmu je postupný - v širokém teplotním intervalu vedle
sebe existují molekuly, atomy, ionty a volné elektrony.
Při vysokých teplotách (106 až 108 °C) jsou od jader odstraněny elektronové
obaly - plazma obsahuje jen atomová jádra a "elektronový plyn".
Množství tepla potřebné k převedení 1 molu látky z jednoho stavu do
druhého = molární teplo (tání, výparné, sublimační …) [kJ.mol-1] .
Obecná charakteristika skupenských stavů
Skupenství plynné
Soudržnost částic zanedbatelná, částice se pohybují relativně nezávisle a
neuspořádaně v prostoru. Hustota plynu je velmi malá, plyny jsou snadno
stlačitelné.
Skupenství kapalné
Částice jsou ve stálém kontaktu, ale mají určitou volnost pohybu (pohyb
translační). Kapaliny mají stálý objem, ale proměnný tvar.
Skupenství pevné
Částice jsou v nejtěsnější blízkosti, nejvíce se uplatňují přitažlivé síly, pohyb
je omezen na vibrace částic v rovnovážných polohách. Pevné látky mají
stálý tvar, objem, značnou mechanickou odolnost a poměrně vysokou
hustotu.
Plyny
Pro plyny je charakteristické rovnoměrné rozptýlení molekul (atomů)
v prostoru, libovolné dráhy, slabé vzájemné působení, interakce
pouze při srážkách molekul.
Model ideálního plynu
-ideální srážky bez interakce
-objem molekuly (atomu) je nulový
Objem plynu je dán prostorem, ve kterém se pohybují hmotné body
a je při konstantní teplotě závislý pouze na tlaku.
Zákon Boyle-Mariotův pro isotermický děj (T=konst.)
p1V1 = p2V2 = konst.
Zákon Gay-Lussacův pro isobarický děj (p=konst.)
Vt = V0 (1 + a . t)
V/T = konst.
a – koeficient teplotní roztažnosti plynu
V0 – objem při 0°C
t – teplota [°C]
Spojením obou zákonů vzniká závislost stavových veličin – p, V, T.
p . V = konst. . T
konst. = n . R
p.V=n.R.T
Stavová rovnice ideálního plynu
R – univerzální plynová konstanta R = 8,314 J . mol-1 . K-1
n – látkové množství v molech
Tzv. normální podmínky:
T0 = 273,15 K; p0 = 101 325 Pa; V022,414 . 10-3 m3.
Zákon Avogadrův
Objem 1 molu ideálního plynu při norm. podmínkách je 22,414 . 10-3 m3.
Plynné směsi
n1 + n2 +………+ ni = n
parciální tlak i-té složky – pi
pi = ni . R . T / Vi
Daltonův zákon
- celkový tlak
p1 + p2 + ……….+ pi = (n1 + n2 + ………+ ni) . R . T / V = p
celkový objem
V1 + V2 + ………+ Vi = V
Reálný plyn
-
chová se odlišně od ideálního plynu
existuje mezimolekulová přitažlivost (n . b)
korekce na vlastní objem molekuly a(n / V)2
[V – n.b] . [p + a(n/V)2] – n.R.T
van der Waalsova rovnice pro
reálný plyn
Kapaliny
-
vyšší stupeň uspořádanosti, výraznější interakce molekul
-
přechodová fáze mezi plyny a krystalickými látkami
-
rychlost toku kapalin je závislá na velikosti přitažlivých sil
Mezi nejvýznamnější vlastnosti kapalin patří tenze par (rovnovážný tlak par) nad
kapalinou, povrchové napětí a viskozita.
Tenze par nad kapalinou
Uvolňování částic z povrchu kapaliny (vypařování) je děj, který více či méně intenzivně
probíhá při každé teplotě. Tenze par nad kapalinou je funkcí teploty; se vzrůstající
teplotou uvedený tlak roste.
Teplota, při níž tenze nasycené páry dosáhne vnějšího tlaku se nazývá teplota (bod)
varu.
Bod varu je důležitá fyzikální konstanta látky, závisí na relativní molekulové hmotnosti,
polárnosti,
možnosti tvorby vodíkových můstků apod. Podle bodu varu posuzujeme tzv. těkavost
látky.
Viskozita – h
-
míra vnitřního tření kapalin
s rostoucí teplotou klesá
Při průtoku kapaliny trubicí se pohybují nejpomaleji částice u stěny trubice,
nejrychleji v jejím
středu. Vrstvičky kapaliny pohybující se rychleji jsou brzděny těmi, jež se
pohybují pomaleji.
Toto vzájemné ovlivňování proudících vrstviček se projevuje jako vnitřní
tření v kapalině a nazývá se viskozita kapaliny.
Rozložení rychlostí v kapalině proudící trubicí:
Při souosém (laminární) vrstvičky kapaliny se navzájem brzdí, dochází k
vnitřnímu tření.
Veličiny charakterizující vnitřní tření kapaliny jsou:
a) dynamická viskozita (koeficient viskozity) h [Pa.s]
b) kinematická viskozita n = h/r [m2 .s-1] , kde r je hustota kapaliny
Viskozita kapalin je závislá zejména na teplotě - s růstem
teploty se její hodnota snižuje.
Viskozita kapalin se měří především viskozimetry kapilárními
(na základě doby potřebné k výtoku daného objemu
kapaliny kapilárou přístroje) nebo kuličkovými (na základě
rovnoměrné rychlosti pádu kuličkového tělíska ve
studované kapalině).
Povrchové napětí – g
Kapaliny se snaží vždy nabýt takového tvaru, aby jejich povrch byl co
nejmenší. Je to způsobeno tím, že na molekulu uvnitř kapaliny působí
přitažlivé (kohezní) síly okolních molekul ze všech stran stejné, a proto
se navzájem vyruší. U povrchu však převažují kohezní síly působící
dovnitř kapaliny nad adhezními silami (tj. silami mezi molekulami v
kapalině a molekulami v plynné fázi). Tím jsou molekuly z povrchu
vtahovány do kapaliny a povrch se zaobluje (snaží nabýt co nejmenší
hodnoty).
Povrchové napětí je tedy silové působení částic v povrchové vrstvě
kapaliny – zaujmutí kulového tvaru (pokud není vnější vliv např.
gravitace, odporu vzduch apod.)
Mezipovrchové napětí – vzniká na fázovém rozhraní s nemísitelnými
kapalinami a tuhými látkami – povrchově aktivní látky
Podchlazené kapaliny – metastabilní struktury – skla (SiO2)
Tuhé krystalické látky
Mají charakteristické pravidelné vnitřní uspořádání = krystalická
struktura. Látky, které nemají pravidelnou vnitřní strukturu se nazývají
látky amorfní (např. sklo, asfalt, vosk) - podobné struktuře kapaliny s
velmi vysokou viskozitou, nemají ostrý bod tání, při zahřívání
postupně měknou a plynule přecházejí v taveninu (kapalinu).
O tom, jestli vznikne z kapaliny látka krystalická nebo amorfní rozhoduje
(krom jiného) také způsob ochlazování. Poklesne-li teplota rychle pod
tzv. teplotu skelného přechodu, nemají částice čas zaujmout
pravidelné polohy a vznikne látka amorfní.
Přechod mezi pevnými a kapalnými látkami představují tzv. tekuté
krystaly. (Některé vlastnosti typické pro kapaliny (např.viskozita), ale
současně určitá vnitřní struktura - jeví dvojlom, látky s výrazně
asymetrickými molekulami.
pravidelné prostorové uspořádání stavebních částic
- pravidelnost geometrického tvaru
- symetrie
- nestejné fyzikální vlastnosti v různých směrech pravidelného tvaru
(anizotropie)
Krystalografie – studium tvarů krystalů z hlediska geometrických prvků
(plochy, hrany, vrcholy)
Zákon souměrnosti – všechny krystaly téže látky mají stejné prvky
symetrie (osa, rovina, střed)
14 typů základních Bravaisových buňek
- jednoduché, primitivní (P) – vrcholy
- bazálně centrované (C) – vrcholy a středy podstav
- plošně centrované (F) – vrcholy a středy všech ploch
- prostorově centrované (I) – vrcholy a tělesné úhlopříčky
Krystalografické soustavy
Trojklonná
(triklinická)
-a≠b≠c
-a≠b≠g
Klencová
(trigonální)
-a=b=c
- a = b = g ≠ 90°
Jednoklonná
(monoklinická)
-a≠b≠c
- b = g = 90° ≠ a
Šesterečná
(hexagonální)
-a=b≠c
- a = b = 90°; g = 120°
Kosočtverečná
(orthorombická)
-a≠b≠c
- a = b = g = 90°
Krychlová
(kubická)
-a=b=b
- a = b = g = 90°
Čtverečná
(tetragonální)
-a=b≠c
- a = b = g = 90°
Fyzikální vlastnosti krystalů
- skalární (nezávislé na směru): hustota, teplota tání
- vektorové (závislé na orientaci krystalu): štěpnost, tvrdost, lom,
pružnost, kluznost, tepelná roztažnost, optické, elektrické a
magnetické vlastnosti
Polymorfie – látka existuje ve více modifikacích s různou krystalovou
strukturou (grafit, diamant; kalcit, aragonit)
Izomorfie – různé látky mají stejnou krystalovou strukturu lišící se
absolutními hodnotami geometrických parametrů (kamence)
Látky submikrokrystalické – drobné krystalky s různou orientací ve všech
směrech – IZOTROPIE
Látky amorfní (beztvaré) – vlastnosti mezi podchlazenou kapalnou fází a
tuhou krystalickou fází
Podle typu stavebních částic rozlišujeme:
a) iontové krystaly
-
pravidelné střídání kationtů a aniontů, mezi nimiž působí elektrostatické
síly. Tyto síly nejsou prostorově orientovány, na každý ion působí stejnou
silou všechny ionty, které jej obklopují. Není možné rozhodnout, které
částice tvoří jednu molekulu. Iontový krystal představuje makromolekulu.
Mřížková energie ( = práce potřebná k rozrušení mřížky a oddálení iontů do
nekonečna) - u iontových krystalů vysoká, vysoké body tání, tvrdost (ale
křehkost). V pevném stavu nevodivé, ale taveniny a roztoky vedou
elektrický proud (elektrolyty). Např. soli.
b) atomové krystaly
Jednotlivé atomy v krystalické mřížce spojeny kovalentními vazbami (krystal =
makromolekula). Všechny vazby stejně pevné, velká tvrdost, lesk, málo
odolné vůči rázům, vysoké teploty tání, prakticky nerozpustné (ve vodě ani
jiných rozpouštědlech). Např. diamant, křemík, karbidy, silicidy.
c) molekulové krystaly
Molekuly vázány jen mezimolekulárními silami ( van der Waalsovy síly,
vodíkové vazby), krystaly málo pevné, měkké, nízké body tání. Např. voda
(led), organické látky nízkomolekulární i makromolekulární.
d) kovové krystaly
V krystalické mřížce jsou poměrně těsně uspořádány kationty kovu a jejich
soudržnost zprostředkovávají relativně volně pohyblivé delokalizované
elektrony. Charakteristickou vlastností je tepelná a elektrická vodivost, lesk,
řada dalších vlastností (tvrdost, body tání závisí na počtu delokalizovaných
elektronů (tj. počtu valenčních elektronů, které mohou atomy kovu pro
vazbu poskytnout). Z dalších mechanických vlastností je pro řadu kovů
typická kujnost a tažnost.
e) vrstevnaté krystaly
U těchto krystalů se uplatňují dva typy soudržných sil. Jednak jsou to
kovalentní vazby, kterými jsou spojeny atomy tvořící vrstvu a dále
nevazebné interakce (mezimolekulární síly ), které se uplatňují mezi
vrstvami. Vlastnosti těchto látek vyplývají z toho, že tyto soudržné síly
jsou nesouměřitelné, takže jednotlivé vrstvy je možné snadno oddělovat.
Např. grafit.