stany skupienia materii - Wydział Chemii

STANY SKUPIENIA
MATERII
GAZY
ciśnienie (p), objętość (V), temperatura (t [oC], T [K]), skład (np. stężenie)
ciśnienie:
objętość:
temperatura:
N/m2 = Pa (układ SI);
inne jedn.: mmHg; atm.
101325 Pa = 1013,25 hPa = 760 mmHg = 1 atm.
m3 (układ SI); inne jedn.: dm3
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 Charlesa (1787) i Gay-Lussaca (1802):
V1 T1
V2 = V1 · (1 + α · ΔT)
dla p = const
=
i
V2 T2
p2 = p1 · (1 + β · ΔT)
dla V = const
α - współczynnik rozszerzalności temperaturowej gazu,
β - współczynnik prężności gazów,
α =β =
1
1
=
= 0,00366
To 273,15
dr Henryk Myszka - Uniwersytet Gdański - Wydział Chemii
p 1 T1
=
p 2 T2
prawo Daltona (1801): p = p1 + p2 + ... + pn
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:
d2
ν1
=
ν2
d1
prawo Grahama (1829):
ni
V
⋅ p = i ⋅ p = xi ⋅ p
nc
Vc
xi - ułamek molowy
pi =
v1 i v2 − szybkość dyfuzji gazów 1 i 2
d1 i d2 − ich gęstość w danych warunkach
temperatury i ciśnienia
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:
dp
ΔH
=
dT
p R ⋅ T2
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
Temperatura (o 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
polimorfizm - występowanie substancji chemicznej
w różnych postaciach krystalicznych, np.:
CaCO3
ZnS
aragonit i kalcyt
blenda cynkowa i wurcyt
Siedem podstawowych
układów krystalograficznych
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