Transcript Wykład 3 - Stany skupienia materii
Slide 1
CHEMIA OGÓLNA
STANY SKUPIENIA MATERII
Wojciech Solarski
Slide 2
STANY
SKUPIENIA
• CIAŁO STAŁE
• CIECZ
Slide 3
STANY
SKUPIENIA
• CIAŁO STAŁE
• CIECZ
GAZ
PLAZMA
Slide 4
STANY SKUPIENIA
CIAŁO STAŁE: LÓD
CIECZ: WODA
GAZ: PARA WODNA
PLAZMA
Slide 5
PLAZMA
Slide 6
ZASTOSOWANIA
TECHNIKA
Plazmowe narzędzia do
cięcia metali i stopów
(stal, aluminium, miedź) o
grubości 0,6 – 150 mm
ANALITYKA
CHEMICZNA
spektrometria
emisyjna ze
wzbudzeniem
plazmowym
Slide 7
UKŁAD
FAZA GAZOWA
FAZA CIEKŁA
FAZA STAŁA
FAZA – CZĘŚĆ UKŁADU, ODDZIELONA OD INNYCH
CZĘŚCI GRANICAMI FAZOWYMI, W KTÓREJ
SUBSTANCJA POSIADA JEDNAKOWE WŁAŚCIWOŚCI
FIZYCZNE I CHEMICZNE
Slide 8
Faza
To w jakiej fazie występuje substancja zależy
od:
Siły oddziaływań międzycząsteczkowych.
Temperatura
Ciśnienie
Slide 9
PRZEMIANY FAZOWE
E
N
E
R
G
I
A
E
N
E
R
G
I
A
Slide 10
PRZEMIANY FAZOWE
Slide 11
Krzywe ogrzewania i stygnięcia wody
Ogrz.
pary
Wrzenie wody
Ogrzewanie wody
Topienie się lodu
Ogrzewanie lodu
Slide 12
DIAGRAM FAZOWY PRZEDSTAWIA PRZEMIANY FAZOWE
DOKONUJĄCE SIĘ POD WPŁYWEM TEMPERATURY I
CIŚNIENIA
H2O
CO2
Slide 13
Przejścia
fazowe
Diagram fazowy
Linie są tworzone przez punkty o określonych
parametrach p i T, w których układ osiąga
równowagę między fazami.
Slide 14
Diagram fazowy wody
W punkcie potrójnym wszystkie trzy fazy
znajdują się w trwałym stanie równowagi. Punkt
potrójny dla wody znajduję się przy temperaturze
0.0098 C 610 Pa.
Slide 15
Diagram
fazowy wody
Wrzenie
Krzepnięcie
Punkt potrójny
T(C)
100
0
0.0098
P(hPa)
1013,25
1013,25
6,10
Slide 16
GAZ
Slide 17
GAZ
Model
gazu
doskonałego
można
scharakteryzować
następującymi założeniami:
1. Gaz składa się z cząsteczek (atomów) będących w
nieustającym, przypadkowym ruchu.
2. Cząsteczki
(atomy)
można
traktować
jako
punkty
bezwymiarowe. Można zaniedbać wymiary cząsteczek.
Średnica cząsteczek (atomów) jest znacznie mniejsza od
średniej drogi między zderzeniami.
3. Zderzenia
cząsteczek
i atomów są
„zderzeniami
sprężystymi”.
Slide 18
GAZ
T =273K, p = 101325 Pa
Prawa gazu doskonałego
Prawo Avogadra
Jednakowe objętości różnych gazów znajdujących się pod
tym samym ciśnieniem i w tej samej temperaturze zawierają
jednakową liczbę cząsteczek.
Z prawa tego wynika, że jednakowa liczba moli różnych gazów w
tych samych warunkach ciśnienia i temperatury zajmuje tą samą
objętość.
Objętość jednego mola gazu doskonałego tzw. objętość
molowa, w warunkach normalnych wynosi:
V0 =22,415 dm3/mol
Liczba cząsteczek (atomów) w jednym molu nosi nazwę
liczby Avogadra i wynosi:
NA = 6,023 * 1023
Slide 19
Objętość molowa = 22,4 dm3
Warunki normalne T=273 K, p=101 325 Pa
Slide 20
GAZ
doskonały
Równanie stanu gazu doskonałego
Równania opisujące zachowanie się gazów wczasie
przemian: izotermicznej, izobarycznej i izochorycznej można
sprowadzić do ogólnego równania stanu gazu doskonałego.
p 0V 0
T0
p 1V 1
T1
const
Slide 21
GAZ
doskonały
Równanie stanu gazu doskonałego
p 0V 0
T0
p 1V 1
T1
pV
T
const
nR
R= 8,314 J/mol*K
Równanie Clapeyrona
Slide 22
GAZ doskonały
Dla 1 mola gazu doskonałego
pV=nRT
pV
RT
1
Slide 23
GAZ
rzeczywisty
W niskich temperaturach (mała energia kinetyczna cząsteczek) i
przy wysokich ciśnieniach (duże zagęszczenie cząsteczek) nie
można zaniedbać ani wymiarów cząsteczek ani ich wzajemnego
oddziaływania.
Slide 24
GAZ
rzeczywisty
Slide 25
GAZ
rzeczywisty
pV nRT
RÓWNANIE CLAPEYRONA
gaz idealny (doskonały)
p nV a * V n * b nRT
2
2
RÓWNANIE VAN DER WAALSA
gaz rzeczywisty
Slide 26
STAN CIEKŁY
Slide 27
Ciecze
Cząsteczki są w stałym
ruchu
Oddziaływują na siebie
siłami
międzycząsteczkowymi
Odległości
międzycząsteczkowe są
znacznie mniesze niż w
gazach
Ciecze są praktycznie
nieściśliwe
Ciecze, w odróżnieniu do
gazów, nie wypełniają
całej objętości zbiornika
Slide 28
Własności cieczy
Napięcie powierzchniowe
Slide 29
Własności cieczy
Napięcie powierzchniowe
Na skutek oddziaływań
międzycząsteczkowych na
powierzchnii cieczy tworzy się siła
działająca do wnętrza cieczy.
Nadaje ona kroplom kształt
kulisty. Nosi nazwę napięcia
powierzchniowego , które
Napięcie powierzchniowe
definiujemy jak stosunek pracy
maleje wraz z temperaturą. W
potrzebnej do zmiany
temperaturze krytycznej,
swobodnej powierzchni cieczy : kiedy zanika różnica między
cieczą a parą, uzyskuje
W
wartość równą zeru.
2
W
S
S
,J / m
Slide 30
Własności cieczy
F S
dv
dx
Lepkość cieczy
Istnienie sił spójności miedzy cząsteczkami cieczy powoduje, że
przesuwanie się jednych warstw cieczy względem drugich natrafia
w ruchu jednostajnym na pewien opór zwany tarciem
wewnętrznym lub lepkością.
Mało ruchliwe płyny o dużej lepkości jak gliceryna czy olej to
ciecze o dużym tarciu wewnętrznym.
Slide 31
PAROWANIE CIECZY
W KAŻDEJ TEMPERATURZE W
CIECZY ZNAJDUJE SIĘ PEWNA
LICZBA CZĄSTECZEK O
ENERGII WYŻSZEJ NIŻ
POTRZEBNA DO POKONANIA
ODDZIAŁYWAŃ
MIĘDZYCZĄSTECZKOWYCH I
PRZEJŚCIA W STAN GAZOWY.
Slide 32
PAROWANIE CIECZY
W wyniku ustalenia się
równowagi dynamicznej
Parowanie = Kondensacja
w fazie gazowej znajdzie się pewna
ilość cząsteczek cieczy.
Ilość ta zależy od rodzaju cieczy i
temperatury. Ciśnienie fazy
gazowej w warunkach równowagi
nosi nazwę prężności pary
nasyconej
Slide 33
WODA
H O H
H 1s1 O 1s2 2s2p4
Tt = 0C, Tw = 100C, Tkr = 374,1C, pkr = 218,5 bar,
dysocjacja H2O H+ + OH,
asocjacja x(H2O) = (H2O)x
przewodność wł. = 4,2*108 1cm1,
4C = 1,000 g/cm3, pH.
Slide 34
Wiązania wodorowe w H2O
Wiązanie O—H jest spolaryzowane, tzn
wiążąca para elektronów przesunięta jest w
stronę atomu tlenu
Atom tlenu posiada 2 pary wolnych elektronów
Wiązanie wodorowe
190 pm
Slide 35
Wiązania wodorowe w H2O
Poniżej temperatury 0C powstaje krystaliczna struktura
lodu.
Kryształ lodu posiada objętość większą niż ta sama ilość
ciekłej wody, zatem ma mniejszą gęstość.
Slide 36
CIAŁO STAŁE
Slide 37
Ciała stałe
O budowie krystalicznej
-metale
-niektóre mat. ceramiczne
-niektóre polimery
krystaliczna SiO2
O budowie niekrystalicznej
-złożone struktury
-szkła
Amorficzna SiO2
Slide 38
Ciała stałe
O budowie krystalicznej
Amorficzne - bezpostaciowe
o budowie nieuporządkowanej
Slide 39
Ciała amorficzne
Szkła
Polimery
Slide 40
CIAŁO STAŁE
Ciałem stałym nazywamy zbiór cząsteczek lub atomów
oddziaływujących ze sobą tak silnie, że wszelkie ruchy translacyjne
względnie rotacyjne cząsteczek (atomów) są niemożliwe. Cząsteczki
(atomy) ciała stałego mają tendencję do zajmowania ściśle określonych
miejsc w przestrzeni co różni stan stały od stanu gazowego i ciekłego.
KRYSZTAŁ
Slide 41
CIAŁO STAŁE
SIEĆ KUBICZNA
SIEĆ KUBICZNA
PRZESTRZENNIE
CENTROWANA
SIEĆ KUBICZNA
PŁASKO
CENTROWANA
Slide 42
Struktura metali
Slide 43
CIAŁO STAŁE
Ruch cząsteczek i atomów w stanie stałym sprowadza się wyłącznie do
ruchów oscylacyjnych wokół ich położenia równowagi. Zbiór cząstek
o regularnym ułożeniu w przestrzeni nosi nazwę KRYSZTAŁU
Slide 44
Struktury krystaliczne węgla - alotropia
Grafit
Diament
Fullereny
Slide 45
CIAŁO STAŁE
BADANIE STRUKTURY METODĄ DYFRAKCJI
RENTGENOWSKIEJ
Slide 46
Kryształ molekularny
W węzłach sieci znajdują się atomy lub cząsteczki. Siłą
wiążącą są oddziaływania międzycząsteczkowe.
Slide 47
Kryształ metalu
Elektrony walencyjne atomów metalu mogą swobodnie
poruszać się między dodatnimi rdzeniami atomowymi
stanowiąc tzw. zdelokalizowany gaz elektronowy.
Uporządkowany ruch elektronów to przepływ prądu
elektrycznego.
Slide 48
Kryształy jonowe
CHEMIA OGÓLNA
STANY SKUPIENIA MATERII
Wojciech Solarski
Slide 2
STANY
SKUPIENIA
• CIAŁO STAŁE
• CIECZ
Slide 3
STANY
SKUPIENIA
• CIAŁO STAŁE
• CIECZ
GAZ
PLAZMA
Slide 4
STANY SKUPIENIA
CIAŁO STAŁE: LÓD
CIECZ: WODA
GAZ: PARA WODNA
PLAZMA
Slide 5
PLAZMA
Slide 6
ZASTOSOWANIA
TECHNIKA
Plazmowe narzędzia do
cięcia metali i stopów
(stal, aluminium, miedź) o
grubości 0,6 – 150 mm
ANALITYKA
CHEMICZNA
spektrometria
emisyjna ze
wzbudzeniem
plazmowym
Slide 7
UKŁAD
FAZA GAZOWA
FAZA CIEKŁA
FAZA STAŁA
FAZA – CZĘŚĆ UKŁADU, ODDZIELONA OD INNYCH
CZĘŚCI GRANICAMI FAZOWYMI, W KTÓREJ
SUBSTANCJA POSIADA JEDNAKOWE WŁAŚCIWOŚCI
FIZYCZNE I CHEMICZNE
Slide 8
Faza
To w jakiej fazie występuje substancja zależy
od:
Siły oddziaływań międzycząsteczkowych.
Temperatura
Ciśnienie
Slide 9
PRZEMIANY FAZOWE
E
N
E
R
G
I
A
E
N
E
R
G
I
A
Slide 10
PRZEMIANY FAZOWE
Slide 11
Krzywe ogrzewania i stygnięcia wody
Ogrz.
pary
Wrzenie wody
Ogrzewanie wody
Topienie się lodu
Ogrzewanie lodu
Slide 12
DIAGRAM FAZOWY PRZEDSTAWIA PRZEMIANY FAZOWE
DOKONUJĄCE SIĘ POD WPŁYWEM TEMPERATURY I
CIŚNIENIA
H2O
CO2
Slide 13
Przejścia
fazowe
Diagram fazowy
Linie są tworzone przez punkty o określonych
parametrach p i T, w których układ osiąga
równowagę między fazami.
Slide 14
Diagram fazowy wody
W punkcie potrójnym wszystkie trzy fazy
znajdują się w trwałym stanie równowagi. Punkt
potrójny dla wody znajduję się przy temperaturze
0.0098 C 610 Pa.
Slide 15
Diagram
fazowy wody
Wrzenie
Krzepnięcie
Punkt potrójny
T(C)
100
0
0.0098
P(hPa)
1013,25
1013,25
6,10
Slide 16
GAZ
Slide 17
GAZ
Model
gazu
doskonałego
można
scharakteryzować
następującymi założeniami:
1. Gaz składa się z cząsteczek (atomów) będących w
nieustającym, przypadkowym ruchu.
2. Cząsteczki
(atomy)
można
traktować
jako
punkty
bezwymiarowe. Można zaniedbać wymiary cząsteczek.
Średnica cząsteczek (atomów) jest znacznie mniejsza od
średniej drogi między zderzeniami.
3. Zderzenia
cząsteczek
i atomów są
„zderzeniami
sprężystymi”.
Slide 18
GAZ
T =273K, p = 101325 Pa
Prawa gazu doskonałego
Prawo Avogadra
Jednakowe objętości różnych gazów znajdujących się pod
tym samym ciśnieniem i w tej samej temperaturze zawierają
jednakową liczbę cząsteczek.
Z prawa tego wynika, że jednakowa liczba moli różnych gazów w
tych samych warunkach ciśnienia i temperatury zajmuje tą samą
objętość.
Objętość jednego mola gazu doskonałego tzw. objętość
molowa, w warunkach normalnych wynosi:
V0 =22,415 dm3/mol
Liczba cząsteczek (atomów) w jednym molu nosi nazwę
liczby Avogadra i wynosi:
NA = 6,023 * 1023
Slide 19
Objętość molowa = 22,4 dm3
Warunki normalne T=273 K, p=101 325 Pa
Slide 20
GAZ
doskonały
Równanie stanu gazu doskonałego
Równania opisujące zachowanie się gazów wczasie
przemian: izotermicznej, izobarycznej i izochorycznej można
sprowadzić do ogólnego równania stanu gazu doskonałego.
p 0V 0
T0
p 1V 1
T1
const
Slide 21
GAZ
doskonały
Równanie stanu gazu doskonałego
p 0V 0
T0
p 1V 1
T1
pV
T
const
nR
R= 8,314 J/mol*K
Równanie Clapeyrona
Slide 22
GAZ doskonały
Dla 1 mola gazu doskonałego
pV=nRT
pV
RT
1
Slide 23
GAZ
rzeczywisty
W niskich temperaturach (mała energia kinetyczna cząsteczek) i
przy wysokich ciśnieniach (duże zagęszczenie cząsteczek) nie
można zaniedbać ani wymiarów cząsteczek ani ich wzajemnego
oddziaływania.
Slide 24
GAZ
rzeczywisty
Slide 25
GAZ
rzeczywisty
pV nRT
RÓWNANIE CLAPEYRONA
gaz idealny (doskonały)
p nV a * V n * b nRT
2
2
RÓWNANIE VAN DER WAALSA
gaz rzeczywisty
Slide 26
STAN CIEKŁY
Slide 27
Ciecze
Cząsteczki są w stałym
ruchu
Oddziaływują na siebie
siłami
międzycząsteczkowymi
Odległości
międzycząsteczkowe są
znacznie mniesze niż w
gazach
Ciecze są praktycznie
nieściśliwe
Ciecze, w odróżnieniu do
gazów, nie wypełniają
całej objętości zbiornika
Slide 28
Własności cieczy
Napięcie powierzchniowe
Slide 29
Własności cieczy
Napięcie powierzchniowe
Na skutek oddziaływań
międzycząsteczkowych na
powierzchnii cieczy tworzy się siła
działająca do wnętrza cieczy.
Nadaje ona kroplom kształt
kulisty. Nosi nazwę napięcia
powierzchniowego , które
Napięcie powierzchniowe
definiujemy jak stosunek pracy
maleje wraz z temperaturą. W
potrzebnej do zmiany
temperaturze krytycznej,
swobodnej powierzchni cieczy : kiedy zanika różnica między
cieczą a parą, uzyskuje
W
wartość równą zeru.
2
W
S
S
,J / m
Slide 30
Własności cieczy
F S
dv
dx
Lepkość cieczy
Istnienie sił spójności miedzy cząsteczkami cieczy powoduje, że
przesuwanie się jednych warstw cieczy względem drugich natrafia
w ruchu jednostajnym na pewien opór zwany tarciem
wewnętrznym lub lepkością.
Mało ruchliwe płyny o dużej lepkości jak gliceryna czy olej to
ciecze o dużym tarciu wewnętrznym.
Slide 31
PAROWANIE CIECZY
W KAŻDEJ TEMPERATURZE W
CIECZY ZNAJDUJE SIĘ PEWNA
LICZBA CZĄSTECZEK O
ENERGII WYŻSZEJ NIŻ
POTRZEBNA DO POKONANIA
ODDZIAŁYWAŃ
MIĘDZYCZĄSTECZKOWYCH I
PRZEJŚCIA W STAN GAZOWY.
Slide 32
PAROWANIE CIECZY
W wyniku ustalenia się
równowagi dynamicznej
Parowanie = Kondensacja
w fazie gazowej znajdzie się pewna
ilość cząsteczek cieczy.
Ilość ta zależy od rodzaju cieczy i
temperatury. Ciśnienie fazy
gazowej w warunkach równowagi
nosi nazwę prężności pary
nasyconej
Slide 33
WODA
H O H
H 1s1 O 1s2 2s2p4
Tt = 0C, Tw = 100C, Tkr = 374,1C, pkr = 218,5 bar,
dysocjacja H2O H+ + OH,
asocjacja x(H2O) = (H2O)x
przewodność wł. = 4,2*108 1cm1,
4C = 1,000 g/cm3, pH.
Slide 34
Wiązania wodorowe w H2O
Wiązanie O—H jest spolaryzowane, tzn
wiążąca para elektronów przesunięta jest w
stronę atomu tlenu
Atom tlenu posiada 2 pary wolnych elektronów
Wiązanie wodorowe
190 pm
Slide 35
Wiązania wodorowe w H2O
Poniżej temperatury 0C powstaje krystaliczna struktura
lodu.
Kryształ lodu posiada objętość większą niż ta sama ilość
ciekłej wody, zatem ma mniejszą gęstość.
Slide 36
CIAŁO STAŁE
Slide 37
Ciała stałe
O budowie krystalicznej
-metale
-niektóre mat. ceramiczne
-niektóre polimery
krystaliczna SiO2
O budowie niekrystalicznej
-złożone struktury
-szkła
Amorficzna SiO2
Slide 38
Ciała stałe
O budowie krystalicznej
Amorficzne - bezpostaciowe
o budowie nieuporządkowanej
Slide 39
Ciała amorficzne
Szkła
Polimery
Slide 40
CIAŁO STAŁE
Ciałem stałym nazywamy zbiór cząsteczek lub atomów
oddziaływujących ze sobą tak silnie, że wszelkie ruchy translacyjne
względnie rotacyjne cząsteczek (atomów) są niemożliwe. Cząsteczki
(atomy) ciała stałego mają tendencję do zajmowania ściśle określonych
miejsc w przestrzeni co różni stan stały od stanu gazowego i ciekłego.
KRYSZTAŁ
Slide 41
CIAŁO STAŁE
SIEĆ KUBICZNA
SIEĆ KUBICZNA
PRZESTRZENNIE
CENTROWANA
SIEĆ KUBICZNA
PŁASKO
CENTROWANA
Slide 42
Struktura metali
Slide 43
CIAŁO STAŁE
Ruch cząsteczek i atomów w stanie stałym sprowadza się wyłącznie do
ruchów oscylacyjnych wokół ich położenia równowagi. Zbiór cząstek
o regularnym ułożeniu w przestrzeni nosi nazwę KRYSZTAŁU
Slide 44
Struktury krystaliczne węgla - alotropia
Grafit
Diament
Fullereny
Slide 45
CIAŁO STAŁE
BADANIE STRUKTURY METODĄ DYFRAKCJI
RENTGENOWSKIEJ
Slide 46
Kryształ molekularny
W węzłach sieci znajdują się atomy lub cząsteczki. Siłą
wiążącą są oddziaływania międzycząsteczkowe.
Slide 47
Kryształ metalu
Elektrony walencyjne atomów metalu mogą swobodnie
poruszać się między dodatnimi rdzeniami atomowymi
stanowiąc tzw. zdelokalizowany gaz elektronowy.
Uporządkowany ruch elektronów to przepływ prądu
elektrycznego.
Slide 48
Kryształy jonowe