wyklad3.ppsx

CHEMIA OGÓLNA

Oddziaływania międzycząsteczkowe

Siły Van der Waals'a:

• oddziaływania dipol - dipol (d-d),

• oddziaływania trwały dipol – indukowany dipol (d-i),

• oddziaływania indukowany dipol – indukowany dipol (i-i), • siły dyspersji Londona.

Wiązania wodorowe

mostek tlenowy wodzie

wiązania wodorowe w strukturze DNA

Stany skupienia

materii

Naturalne stany skupienia pierwiastków g - gas l - liquid g g g g g g g g g g g l l

Gaz

Gaz – faza, w której energia atomów wynosi:

T

k

3

2

E





Faza – cześć układu jednorodna w całej swojej objetości

zarówno pod względem chemicznym, jak i fizycznym.

k - stała Boltzman’a,

Gaz doskonały

• gaz składa się z cząsteczek (atomów) będących w nieustającym, przypadkowym ruchu,

• cząsteczki (atomy) można traktować jako punkty bezwymiarowe, można zaniedbać wymiary cząsteczek,

• zderzenia między cząsteczkami są doskonale sprężyste.

Prawa gazu doskonałego

Prawo Avogadro:

Jednakowe objętości różnych gazów znajdujących się pod tym samym ciśnieniem i w tej samej temperaturze zawierają jednakową liczbę cząsteczek

23 10 6,023 N   N - liczba Avogadro 3 dm 4 , 2 2 V 

1 mol każdego gazu w warunkach normalnych (T=273,15K (00C) p= 1013,25hPa (1atm.)) zajmuje

Prawo Boyle – Mariotte'a:

W stałej temperaturze (warunki izotermiczne) iloczyn ciśnienia i objętości jest wartościa stałą.

.

const

v

p 

v

v

p

p

v

p

v

p





.

const

T

v



T

v

T

v 

Prawo Gay – Lussac’a:

przy stałym ciśnieniu (warunki izobaryczne) objętość danej masy gazu zmienia się proporcjonalnie do temperatury.

Prawo Charles’a:

przy stałej objętości (warunki izochoryczne) ciśnienie gazu zmienia się proporcjonalnie do zmian temperatury.

.

const

T

p



T

p

T

p 

Równanie stanu gazu doskonałego (Clausiusa-Clapeyrona):

nRT

v

p 

n - liczba moli gazu [mol],

R – uniwersalna stała gazowa 8.314 [Pa·m3/mol·K],

Prawo Daltona:

ciśnienie całkowite mieszaniny gazów jest sumą ciśnień cząstkowych składników.













p

p

...

p

p

p

Ciśnienie parcjalne (cząstkowe) – jest to ciśnienie składnika mieszaniny gazów, jakie wywierałby na ścianki naczynia, gdyby znajdował się w nim sam.

wiedząc, że:

V

RT

n

p

,...,

V

RT

n

p





_x

n

n

_



Ciśnienie parcjalne (cząstkowe) gazu jest równe iloczynowi ciśnienia całkowitego i ułamka molowego tego składnika w mieszaninie gazu.

i

i

p

x

Dyfuzja gazów

Dyfuzja jest to spontaniczne rozprzestrzenianie się

cząsteczek gazu wywołane nieustannym ruchem molekularno-kinetycznym.

Prawo dyfuzji Grahama: 1 2 1 2 2 1 2 1

M

M

d

d

t

t

u

u

_

_

_

Gaz rzeczywisty

Gazy rzeczywiste w warunkach wysokiego ciśnienia i niskiej temperatury nie stosują się do praw gazu doskonałego.

• cząsteczki gazu rzeczywistego posiadają objętość własną,

• występują pomiędzy nimi oddziaływania między-cząsteczkowe,

Równanie stanu gazu rzeczywistego:



V

n

b



nRT

V

a

n

p

_



















_



a, b - stałe charakterystyczne dla danego gazu, (n2a/V) - korekta ciśnieniowa,

Plasma - stan typowy dla gazów zjonizowanych. Występują

w niej neutralne cząsteczki, zjonizowane atomy oraz elektrony, jednak cała objętość zajmowana przez plazmę jest elektrycznie obojętna. Plazma przewodzi prąd elektryczny, a jej opór elektryczny, inaczej niż w przypadku metali, maleje ze wzrostem jej temperatury.

Ciecz

 podobnie jak w gazie, cząsteczki mają pełną swobodę

przemieszczania się w objętości zajmowanej przez ciecz,

 występują między nimi oddziaływania międzycząsteczkowe,

które się jednak w obrębie objętości cieczy znoszą nawzajem,

 oddziaływania międzycząsteczkowe nie znoszą się na granicy

cieczy z inną fazą na skutek czego występuje zjawisko zwane napięciem powierzchniowym,

 ciecz przyjmuje kształt naczynia, w którym się znajduje,

 energia kinetyczna oddziaływań pomiędzy cząsteczkami cieczy

jest wyższa niż pomiędzy cząsteczkami gazu.

T

k

E





Właściwości cieczy

Napięcie powierzchniowe

Siły odziałujące na cząsteczki cieczy przy powierzchni w naczyniu oraz w kropli.

Napięcie powierzchniowe – praca powtrzebna do

zwiększenia powierzchni cieczy o jednostkę.

















m

J

A

W

Lepkość

Lepkość – miara oporu wewnętrznego cieczy przeciw

płynięciu.



Pa



s

  



P



puaz







Siła potrzebna do nadania gradientu prędkości pomiędzy dwoma warstwami cieczy wyraża się wzorem:

dx

dv

A

F





Lepkość maleje ze wzrostem temperatury zgodnie z równaniem Arheniusa: RT E_A

Ae





A - stała, charakterystyczna dla cieczy, E_A – energia aktywacji przepływu,

R – stała gazowa,

T – temperatura bezwzględna.

Efekt wlewania cieczy o wyższej lepkości (mleko) do wody.

Ciała stałe

• atomy, bądź cząsteczki ciała stałego są ściśle upakowane w przestrzeni,

• odległości między cząsteczkami są stałe i ściśle określone, • przy zastosowaniu odpowiedniej siły ułożenie cząstek

w sieci krystlicznej może ulec trwałej deformacji,

• cząsteczki ciała stałego drgają wokół położenia równowagi w sieci krystalicznej.

Ciała stałe

Ciała stałe amorficzne – formy przypadkowe o

chaotycznym ułożeniu atomów i cząsteczek, których nie można opisać geometrycznie

Kryształ – ciało stałe, w którym cząsteczki, atomy, bądź

jony są ułożone w regularnym porządku we wszystkich trzech wymiarach.

Kryształy

Struktura kryształu

Komórka elementarna - najmniejsza, powtarzalna

część struktury kryształu, zawierająca wszystkie rodzaje cząsteczek, jonów i atomów, które tworzą określoną sieć krystaliczną. Komórka elementarna powtarza się we wszystkich trzech kierunkach i odwzorowuje strukturę całego kryształu. Komórka elementarna jest charakteryzowana przez parametry sieci: odległości międzycząsteczkowe i kąty pomiędzy nimi.

Typy komórek elementarnych układ regularny prosty przestrzennie centrowany ściennie centrowany piryt

układ tetragonalny

prosty przestrzennie centrowany

układ trygonalny

kwarc SiO₂

układ heksagonalny

vanadyt Pb₅(VO₄)₃Cl

układ rombowy

prosty przestrzennie

centrowany _centrowanyściennie dwuściennie

centrowany

aragonit CaCO₃

układ jednoskośny

prosty ściennie centrowany

gips

układ trójskośny

ortoklaz K[AlSi₃O₈]

Rodzaje kryształów

Kryształy jonowe – węzły sieci są obsadzone przez

jony.

Przykład:

Kryształy kowalentne – węzły sieci są zajęte przez

obojętne atomy.

Przykład:

Kryształy molekularne – węzły sieci są obsadzone

przez cząsteczki powiązane:

dodatnio naładowanymi zrębami atomowymi, pomiędzy którymi poruszają się wolne elektrony, tzw. „gaz elektronowy”. Po przyłożeniu ładunku zewnętrznego ruch elektronów staje się uporządkowany i mamy do czynienia z przepływem prądu elektrycznego.

Defekty kryształów

Defekty punktowe – defekty sieci krystalicznej takie,

jak: luki elektronowe, położenia międzywęzłowe zanieczyszczenia struktury.

luka elektronowa

położenie

międzywęzłowe zanieczyszczenie

Półprzewodniki

Struktura pasm elektronowych

Metal Półprzewodnik Izolator

pasmo przewodnictwa pasmo walencyjne pasmo przewodnictwa pasmo walencyjne pasmo wzbronione

Rodzaje półprzewodników

Półprzewodniki samoistne

Półprzewodniki domieszkowane

Ciekłe kryształy

Ciekłe kryształy – substancje wykazujące właściwości

pośrednie pomiędzy cieczami i ciałami stałymi. Na przykład mogą być płynne, jak ciecz, ale posiadać dwuwymiarowe uporządkowanie cząsteczek, jak w ciele krystalicznym.

Rodzaje ciekłych kryształów

Faza nematyczna - cząsteczki są równoległe względem

Faza chiralna - (cholesteryczna) cząsteczki w

poszcze-gólnych płaszczyznach są obrócone wokół osi prostopadłych do ich środków i tworzą spiralę.

Faza smektyczna – cząsteczki w poszczególnych

Przemiany fazowe Te m p e ra tu ra Gaz Ciecz Ciało stałe su b lim a cj a o sa d za n ie wrz e n ie ko n d e n sa cj a to p n ie n ie kr ze p n ię ci e

Reguła faz Gibbs'a

Każdy układ chemiczny określony jest przez liczbę faz  oraz liczbę składników niezbędnych do zbudowania tego układ . Ilość faz oraz składników jaka może występować w danym układzie jest zależna od temperatury, ciśnienia.











2

s

s - liczba stopni swobody (liczba parametrów, które można zmienić nie zmieniając ilości faz w układzie),

 - liczba składników niezależnych,