stany skupienia materii - Wydział Chemii
Transkrypt
stany skupienia materii - Wydział Chemii
STANY SKUPIENIA MATERII GAZY ciśnienie (p), objętość (V), temperatura (t [oC], T [K]), skład (np. stężenie) ciśnienie: N/m2 = Pa (układ SI); inne jedn.: mmHg; atm. 101325 Pa = 1013,25 hPa = 760 mmHg = 1 atm. objętość: m3 (układ SI); inne jedn.: dm3 temperatura: T = t + 273,15 t = 5/9 · (tF - 32) prawo Boyle'a (1662) i Mariotte'a (1672): W przemianie izotermicznej iloczyn ciśnienia p i objętości V określonej ilości gazu doskonałego jest wielkością stałą. p1· V1 = p2· V2 (p · V)T = const prawo Daltona (1801): p = p1 + p2 + ... + pn dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii równanie stanu gazu doskonałego: p ⋅V p ⋅V p⋅V = const lub 1 1 = 2 2 T1 T2 T równanie Clapeyrona: dla 1 mola gazu: p ⋅ V po ⋅ Vo 101325 N/m2 ⋅ 0,022415 m 3 /mol = = = 8,31 J/mol ⋅ K = R T To 273,15 K dla n moli gazu: p·V =n·R·T uwzględniając prawa Daltona, Avogadra i Clapeyrona można wykazać, że: ni V ⋅ p = i ⋅ p = xi ⋅ p nc Vc xi - ułamek molowy pi = dyfuzja − samorzutne rozprzestrzenianie się cząstek substancji przez daną fazę (stałą, ciekłą lub gazową) dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii M Vo m n ⋅ Mx Mx = gęstość względna gazu Dwz: Dwz = x = m wz n ⋅ M wz M wz M gęstość względem wodoru: DH 2 = x 2 M gęstość względem powietrza: Dpow. = x 29 3 średnia energia kinetyczna cząsteczki gazu: Ek = ⋅ k ⋅ T 2 k - stała Boltzmana, k = R = 1,38 · 10-23 J/K NA Średnie prędkości cząsteczek popularnych gazów w temperaturze 25oC gęstość gazu: d = m V lub d= Gaz H2 prędkość (m/s) 1921 Gaz N2 prędkość (m/s) 515 He CH4 1363 681 O2 CO2 482 412 dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii CIECZE 1/ właściwości cieczy • są praktycznie nieściśliwe, • brak określonego kształtu (kształt naczynia), • dyfundują powoli, • parują z otwartych zbiorników; 2/ gęstość cieczy - zależy od temperatury, gdyż zmiany m d= temperatury powodują zmiany V objętości cieczy; 3/ ciśnienie pary nasyconej - ciśnienie wywierane przez parę znajdu(prężność pary nasyconej) jacą się w stanie równowagi z cieczą; 4/ temperatura wrzenia - temperatura, w której prężność pary cieczy jest równa ciśnieniu zewnętrznemu; dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii zmianę prężności pary nasyconej nad cieczą od temperatury ujmuje równanie Clausiusa-Clapeyrona: log p2 ΔH ⎛ 1 1 ⎞ ⎜ − ⎟ =− p1 2,303 ⋅ R ⎜⎝ T2 T1 ⎟⎠ Ciśnienie (mmHg) 3000 2711 2500 2000 1489 1500 1000 355,1 500 4,58 17,55 0 0 20 55,32 40 148,1 60 80 760 100 120 140 o Temperatura ( C) Zależność temperatury wrzenia wody od ciśnienia dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii 5/ napięcie powierzchniowe - naturalna skłonność powierzchni cieczy do kurczenia się, spowodowana siłami wciągającymi cząsteczki powierzchniowe do wnętrza fazy; Napięcie powierzchniowe cieczy jest to praca potrzebna do zmiany powierzchni cieczy o 1 m2. Napięcie powierzchniowe (γ) wybranych cieczy Ciecz γ · 10−3 [J/m2] Etanol 22,0 CCl4 26,2 Benzen 28,2 Gliceryna 62,5 Woda 71,98 Rtęć 473,5 dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii siły kapilarne - siły powodujące wznoszenie się cieczy w wąskich rurkach (tzw. kapilarach); siły adhezji - siły wiążące substancję z powierzchnią; siły kohezji - siły wiążące ze sobą cząsteczki substancji z utworzeniem zwartego materiału; menisk cieczy - zakrzywiona powierzchnia utworzona przez ciecz w wąskiej rurce; Gdy siły adhezji między cieczą a szkłem są większe od sił kohezji w cieczy, ciecz tworzy menisk wklęsły (woda). Gdy siły kohezji są większe od sił adhezji, menisk jest wypukły (rtęć) Jaki menisk tworzy woda w rurce z tworzywa sztucznego ? woda rtęć dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii 6/ lepkość - właściwość cieczy charakteryzująca jej opór wobec płynięcia; „tarcie wewnętrzne”; przepływ płynu: laminarny - warstwy przesuwają się równolegle względem siebie; burzliwy - cząsteczki mieszają się podczas ruchu; Lepkość (η) wybranych cieczy Ciecz η · 10−3 [Pa · s] Gliceryna 945 Rtęć 1,52 Etanol 1,08 CCl4 0,90 Woda 0,89 Toluen 0,55 Aceton 0,30 Im większa jest lepkość cieczy, tym wolniejszy jest jej przepływ. Lepkość zwykle maleje ze wzrostem temperatury. dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii 7/ wiązanie wodorowe - oddziaływanie między kowalencyjnie związanym atomem wodoru i należącym najczęściej do innej cząstki atomem silnie elektroujemnym, dysponującym wolną parą elektronową; ta forma wiązania występuje pomiędzy cząsteczkami tego samego rodzaju (wiązanie wodorowe międzycząsteczkowe) lub wewnątrz tej samej cząsteczki (wiązanie wodorowe wewnątrzcząsteczkowe) X ... H – Y atomy X i Y to najczęściej: N, O, F, Cl energia wiązania: siły van der Waalsa 2 – 30 kJ/mol wiązanie wodorowe wiązanie atomowe i jonowe 10 – 40 kJ/mol powyżej 100 kJ/mol (oddziaływania międzycząsteczkowe, np. dipol-dipol) długość mostka wodorowego: X ... H – Y dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii 2,5 – 3,2 Å występowanie (m.in.): woda (trzy stany skupienia), NH3, HF, alkohole, aminy, amidy, kwasy nieorganiczne i organiczne, biopolimery Lód Struktura lodu H O ...H O ... H O .. .H O ... H H. H. H. .. . . . . . .. H O ...H O ... H O .. .H O ... H .. . H. .. H CH3 O ...H N H H. .. . .. H O ...H O ...H H. .. H. .. H .. . N H. .. CH3 H. .. metyloamina w wodzie woda dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii O CH3 C O . .. H O O H . . .O C CH3 H... O N O O H... O C OH kwas octowy (dimer) o-nitrofenol wpływ wiązania wodorowego na właściwości fizyczne: • wzrost temperatury wrzenia i topnienia • wzrost lepkości • wzrost momentu dipolowego cząsteczki • wzrost entalpii i entropii parowania • wzrost przenikalności elektrycznej dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii kwas o-hydroksybenzoesowy CIAŁA STAŁE 1/ właściwości ciał stałych • zajmują charakterystyczną objętość • są praktycznie nieściśliwe • wykazują łupliwość • posiadają niski współczynnik rozszerzalności cieplej 2/ ciała bezpostaciowe i krystaliczne ciała bezpostaciowe - wykazują właściwości stanu stałego, ale nie mają uporządkowanej sieci krystalicznej, np. szkło ciała krystaliczne - atomy ułożone są w sposób regularny, tworząc tzw. sieć przestrzenną; dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii 3/ alotropia i polimorfizm alotropia - występowanie pierwiastka chemicznego w różnych postaciach krystalicznych, np.: C grafit, diament i fulereny S rombowa i jednoskośna P biały i czerwony O2 ditlen (O2) i ozon (O3) polimorfizm - występowanie substancji chemicznej w różnych postaciach krystalicznych, np.: CaCO3 aragonit i kalcyt ZnS blenda cynkowa i wurcyt dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii Sieć przestrzenna diamentu Diament Sieć przestrzenna grafitu Grafit dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii Sieć przestrzenna NaCl Sól kamienna (NaCl) Sieć przestrzenna CaF2 Fluoryt (CaF2) dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii WODA KRYSTALIZACYJNA 1/ woda koordynacyjna [Al(H2O)6] 3+ 2/ woda anionowa H H2O O Cu H2O O [Cu(H2O)4] 2+ H. H ... O H H ... O .. O ... O S O H 3/ woda sieciowa BaCl2 · 2H2O 4/ woda konstytucyjna Ca(OH)2 → CaO + H2O KH2PO4 → KPO3 + H2O dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii PRZEMIANY FAZOWE to przemiana termodynamiczna polegająca na zanikaniu (stopniowym lub nagłym) jednej fazy i pojawieniu się na jej miejsce innej. Do podstawowych przemian fazowych należą: - topnienie - parowanie - krzepnięcie - skraplanie - sublimacja - desublimacja Przemianami fazowymi są też: rozpuszczanie i krystalizacja Sublimacja - przemiana fazowa polegająca na bezpośrednim przejściu substancji z fazy stałej do gazowej (bez stopienia). Temperatura sublimacji musi być niższa od temperatury topnienia. Substancjami, które łatwo sublimują, są np.: „suchy lód” (stały CO2), „sublimat” (HgCl2), jod, kwas benzoesowy. dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii