Budowa materii

Budowa materii
Dlaczego miedź przewodzi prąd elektryczny, a diament nie? Dlaczego szkło jest przeźroczyste, a srebrna
folia nie? Dlaczego woda jest płynem a lód nie? Na te pytania można odpowiedzieć, analizując to, co jest w
środku tych ciał.
ATOM
Materia zbudowana jest z atomów. Rozmiary pojedynczych atomów, to wymiary rzędu 10 -10m. Atomy
składają się z jąder (10-15m) i krążących wokół tych jąder elektronów. Jądra zbudowane są z obojętnych
elektrycznie neutronów, dodatnich protonów; krążące wokół jądra elektrony są ujemnie naładowane. Masa
elektronu do około 10-31kg, a masa protonu i neutronu, to około 10-27kg. Atom jest elektrycznie obojętny,
tzn. liczba elektronów i protonów jest jednakowa. Jeżeli ten sam atom ma różną liczbę neutronów w jądrze
to takie atomy nazywamy izotopami.
FAZY – STANY SKUPIENIA
Atomy są w ciągłym ruchu. Połączone atomy nazywamy cząsteczkami i wchodzą one w skład otaczającej
nas materii. Materia występują w czterech stanach skupienia: gazowa, ciekła, stała i plazma. Faza stała –
atomy drgają wokół swych stałych położeń. Ciała mają określone kształty i gęstość ciał stałych prawie się
nie zmienia (nie można ścisnąć bardziej atomów). Faza ciekła – cząsteczki poruszają się ruchem
chaotycznym, nieustannie zderzając się ze sobą, dlatego ciecze nie mają własnych kształtów i przyjmują
kształt naczynia pod wpływem sił grawitacji. Faza gazowa – atomy poruszają się ruchem chaotycznym, ale
oddziaływania pomiędzy nimi są dużo mniejsze. Dużo większe odległości między cząsteczkami, dlatego gaz
można sprężyć. Gaz przyjmuje kształt naczynia, w którym się znajduje, wypełniając całą jego objętość.
Plazma – pod wpływem dużej temperatury atomy są rozbijane na wolne elektrony i dodatnie jony (jądra
atomowe). Plazma występuje np. we wnętrzu Słońca.
CIAŁA STAŁE
Ze względu na budowę wewnętrzną dzielimy ciała stałe na amorficzne, krystaliczne. Amorficzne –
cząsteczki ułożone są w sposób chaotyczny (szkło). Krystaliczne – atomy przyjmują ściśle ułożone
położenia tworząc sieci krystaliczne (większość metali, sól kuchenna). Sprężystość ciał – ściskanie atomów
w sieci krystalicznej. Plastyczność materii – zwiększanie lub zmniejszanie odległości między atomami.
Własności elektryczne – obecność w sieci swobodnych elektronów. Własności magnetyczne – związany z
poruszaniem się elektronów wokół jąder atomowych
CIECZE
Napięcie powierzchniowe - ciecze dążą do przyjmowania
takich kształtów, aby ich powierzchnia była jak najmniejsza i
ma to związek z minimalizację energii (kula ma minimalną
powierzchnię przy maksymalnej objętości). Menisk wklęsły
lub menisk wypukły tworzy się w zależności od wielkości sił
przyciągania pomiędzy cząsteczkami cieczy (siły przyciągania)
i cząsteczkami cieczy i naczynia (siły przylegania). Gdy siły
przyciągania są większe od sił przylegania, tworzy się menisk
wypukły; wklęsły – siły przylegania większe od sił
przyciągania. Siły przyciągania mają bardzo duże znaczenie w
przyrodzie – dzięki nim i zjawisku włoskowatości drzewa
potrafią „wyciągać” wodę z gleby na duże wysokości.
ZMIANY STANU SKUPIENIA
Rysunek przedstawia schematycznie przejścia fazowe
pomiędzy trzema stanami skupienia materii. Procesy przejść
fazowych z fazy stałej do ciekłej i gazowej wymagają
dostarczenia energii. Jeżeli ciało będzie oddawało energię
otoczeniu, mogą zachodzić procesy odwrotne. Podczas
ogrzewania ciała rośnie jego temperatura, aż do uzyskania
temperatury przejścia fazowego. W czasie przejścia fazowego
F1 – siły przylegania F2 – siły przyciągania
ciało zmienia swój stan skupienia, temperatura jest stała, aż do momentu gdy cała materia zmieni swój stan
skupienia. Trzeba tu dodać, że poszczególne temperatury przejść fazowych zależą także od ciśnienia.
Topnienie – przejście ze stanu stałego do ciekłego (lód-woda). Podczas ogrzewania ciała stałego rośnie jego
temperatura (energia wewnętrzna), rosną odległości pomiędzy węzłami sieci krystalicznej, cząstki w
węzłach drgają intensywniej i słabną oddziaływania między cząsteczkami w węzłach. Po doprowadzeniu
ciała do temperatury topnienia zostaje zniszczona sieć krystaliczna i następuje przejście do fazy ciekłej (lub
gazowej, gdy wiązania między cząsteczkami zostaną całkowicie zniszczone - sublimacja).
Krzepnięcie – po ochłodzeniu cieczy do temperatury krzepnięcia zaczyna się proces odwrotny to topnienia
– chaotyczne drgania cząstek przekształcają się w drgania cząstek, ale w węzłach sieci. Aby krystalizacja
mogła się rozpocząć konieczne są tzw. centra krystalizacji (pęcherzyki gazy, zanieczyszczenia, lokalne
zagęszczenia cieczy). Jeżeli nie ma centrów krystalizacji można doprowadzić do tzw. cieczy
przechłodzonej – o temperaturze niższej niż temperatura krzepnięcia. Ciała amorficzne (bez sieci
krystalicznej, np. wosk) nie mają ściśle określonej temperatury przejścia fazowego.
Parowanie – przejście ze stanu ciekłego do gazowego. Parowanie następuje w każdej temperaturze, gdyż
niektóre z cząstek mogą pokonać siły oddziaływań międzycząsteczkowych i wyrwać się z „objęć” cieczy.
Oczywiście im wyższa temperatura tym szybkość parowania rośnie; rośnie też, gdy mamy do czynienia z
większą powierzchnią parowania oraz tego czy cząstki gazu są szybko usuwane z powierzchni cieczy (np.
suszenie ubrań w wietrzny dzień). Jeżeli nie usuwamy cząstek znad powierzchni cieczy dochodzi do
zwiększenia ich gęstości, a w końcu wyrównania się procesów parowania i skraplania cząstek – mamy do
czynienia wtedy z parą nasyconą.
Wrzenie jest procesem parowania zachodzącym w całej objętości cieczy – cała dostarczana energia jest
zużywana na rozrywanie wiązań pomiędzy cząsteczkami, czyli zamianę cieczy w gaz; odbywa się to
oczywiście w stałej temperaturze (dla wody 100°C). Im wyższe ciśnienie, tym temperatura wrzenia jest
niższa, co oznacza, że trzeba mniej energii dostarczyć na przejście fazowe. W praktyce wykorzystuje się to
zjawisko w szybkowarach. Szczelnie zamknięty pojemnik (z małym otworkiem) podgrzewamy. Skoro jest
zamknięty, to zjawisko parowania jest niewielkie i niewielka ilość energii jest na nie tracona – woda
zostanie szybko doprowadzona do stanu wrzenia. Dodatkowo podwyższenie ciśnienia powoduje obniżenie
temperatury wrzenia (mniej niż 100°C); gotowanie następuje szybciej i jest krótsze.
ZADANIE
1 kilogram lodu o temperaturze -10°C należy zamienić w
parę wodną o temperaturze 100°C. Ile energii trzeba
dostarczyć?
°C
parowanie w
temperaturze
wrzenia
100
Cała dostarczona energia jest równa: ciepłu dostarczonemu
podczas ogrzewania lodu od -10 do 0 stopni Q1, ciepłu
dostarczonemu podczas przemiany fazowej lód-woda Q2, ciepłu
dostarczonemu podczas podgrzewania wody od 0 do 100 stopni
Q3 i ciepłu dostarczonemu na przemianę fazową woda-para Q4.
Q=Q1+Q2+Q3+Q4
podgrzewanie wody
0
-10
topnienie
Q1=cl·m·ΔTt
podgrzewanie lodu
Q2=L·m
Q3=cw·m·ΔTp
Q2=R·m
gdzie: cl – ciepło właściwe lodu 2,1 kJ·kg-1·K-1
L – ciepło topnienia lodu 332 kJ·kg-1·K-1
cw – ciepło właściwe wody 4,2 kJ·kg-1·K-1
R – ciepło parowania wody 2260 kJ·kg-1·K-1
ΔTt – przyrost temperatury w trakcie topnienia w skali bezwzględnej 10 K
ΔTw – przyrost temperatury w trakcie parowania w skali bezwzględnej 100 K
m – masa 1 kg
Po podstawieniu wartości do wzorów i obliczeniu: Q=3303 kJ
czas