Podstawy Chemii
Dr inż. Marcin Libera
Polarność cząsteczek
Siły międzycząsteczkowe
Zakres merytoryczny
1. Podstawowe pojęcia i prawa chemii.
2. Budowa atomu i układ okresowy pierwiastków.
3. Budowa cząsteczek (organicznych i nieorganicznych).
4. Typy wiązań chemicznych.
5. Polarność cząsteczek.
6. Siły międzycząsteczkowe.
7. Wybrane klasy związków nieorganicznych i metody ich otrzymywania.
8. Kwasy, zasady, sole, związki amfoteryczne.
9. Dysocjacja elektrolityczna. Elektrolity silne i słabe. Dysocjacja wody i pH.
10. Hydroliza soli. Roztwory buforowe.
11. Iloczyn rozpuszczalności.
12. Typy reakcji chemicznych.
13. Elementy energetyki, kinetyki i statyki chemicznej.
14. Nazewnictwo związków chemicznych.
15. Zarys chemii organicznej: wybrane klasy związków organicznych, związki o znaczeniu biologicznym, podstawowe przemiany związków organicznych, metody otrzymywania wybranych klas związków organicznych.
16. Zasady pracy ze związkami chemicznymi.
17. Podstawowe operacje w laboratorium chemicznym.
18. Zasady postępowania z odpadami chemicznymi.
Dipol
Dipol (z gr. dipolos, dwa bieguny) – układ dwóch różnoimiennych
ładunków lub biegunów magnetycznych, wytwarzający pole dipolowe.
Można go scharakteryzować wektorem zwanym momentem dipolowym. Rodzaje dipoli:
• dipol elektryczny – układ dwóch różnoimiennych ładunków
elektrycznych q, umieszczonych w pewnej odległości l od siebie. Linia przechodząca przez oba ładunki nazywa się osią dipola; tego rodzaju dipole wykazują elektryczny moment dipolowy.
• dipol magnetyczny – układ wytwarzający pole magnetyczne, które cechuje magnetyczny moment dipolowy, na przykład magnes trwały, solenoid lub pojedyncza pętla z prądem. Wszystkie
skończone źródła pola magnetycznego są dipolami.
Elektryczny moment dipolowy
Wektorowa wielkość fizyczna charakteryzująca dipol elektryczny. Dipol jest układem dwóch ładunków o tych samych wartościach
bezwzględnych, ale przeciwnych znakach. Elektryczny moment
dipolowy dwóch punktowych ładunków o jednakowych wartościach i przeciwnych znakach jest równy iloczynowi odległości między nimi i
wartości ładunku dodatniego, gdzie wektor ma kierunek prostej łączącej ładunki i zwrot od ładunku ujemnego do dodatniego.
Elektryczny moment dipolowy
Oprócz trwałego momentu dipolowego pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego lub innej cząsteczki posiadającej moment dipolowy może powstać indukowany moment dipolowy.
Polaryzowalność określa podatność chmur elektronowych lub atomów w cząsteczkach na odkształcenie będące wynikiem oddziaływania z
zewnętrznym polem elektrycznym.
Miara
Moment dipolowy µ = δ * l
δ – ładunek elektryczny [C]
l – długość wiązania [m]
Jednostka: Cm (kulombometr) lub D (debaj) = 3,333*10-33 Cm
Pole elektryczne
Gdy dipol o momencie dipolowym µ znajduje się w polu elektrycznym o natężeniu E, to działa na niego moment siły M:
M = µ * E
Wyznaczanie momentu dipolowego
Metoda Onsagera: Metoda ta pozwala w uproszczony sposób wyznaczyć moment dipolowy μ czystych cieczy polarnych wg.
następującego równania:
μ2= 𝟗𝐤𝐓𝛆𝟎 𝐍𝐀
𝛆 𝐧𝟐 𝒅𝛆
𝟐𝛆 𝐧𝟐 𝐌 𝒏𝟐 𝟐 𝟐
k – stała Boltzmana
T – temperatura w skali bezwzględnej M – masa molowa cieczy
d – gęstość cieczy
– stała dielektryczna
n – współczynnik załamania światła NA – liczba Avogadro
0 – przenikalność dielektryczna próżni
Polarność
Właściwość indywiduów chemicznych polegająca na występowaniu w nich elektrycznego momentu dipolowego w wyniku nierównomiernego rozłożenia cząstkowych ładunków elektrycznych w ich objętości
(momenty dipolowe w cząsteczce są addytywne).
Zapis:
Przykłady
Moment dipolowy wiązania nie jest równoznaczny z momentem dipolowym cząsteczki.
W przypadku wielu związków chemicznych pomimo tego, że wiązania są spolaryzowane, na skutek symetrii budowy cząsteczka może pozostawać apolarna, np. dwutlenek węgla CO2, tetrachlorek węgla CCl4, benzen
C6H6.
Woda
Większość cząsteczek jest obojętna elektrycznie. Jednak w wielu z nich występują wiązania chemiczne z elektronami przesuniętymi w stronę jednego ze związanych atomów. Powoduje to występowanie w
cząsteczce większej gęstości ładunku ujemnego w jednym miejscu i mniejszej w innym, dzięki czemu staje się ona dipolem elektrycznym.
Przykładem takiej cząsteczki jest woda H−O−H. Elektrony w wiązaniach H−O są silnie przesunięte w stronę atomu tlenu, co powoduje, że na tym atomie zbiera się cząstkowy ładunek ujemny, a na atomach wodoru
cząstkowy dodatni. Kąt wiązań H−O−H to ok. 104°. To powoduje, że od strony atomu tlenu cząsteczka wody jest naładowana ujemnie, a od strony atomów wodoru dodatnio.
Przykłady
Cząsteczki dwuatomowe heterojądrowe (moment dipolowy wiązań jest równocześnie momentem dipolowym cząsteczki)
HCl, HBr, HI, HF
Posiadają trwałe elektryczne momenty dipolowe
NH3 - posiada wolną parę elektronową na atomie azotu, pomimo budowy czworościanu rozkład ładunków cząstkowych jest
niesymetryczny
Przykłady
1,87 D 1,47 D
Przykłady
Cząsteczka Moment
dipolowy [D] Moment
dipolowy [C*m]
CO 0,11 0,37
HBr 0,83 2,76
HF 1,83 6,09
AgI 4,55 15,18
NaI 9,24 30,82
H2S 0,98 3,24
Właściwości
Polarne związki mają szereg własności, których nie mają cząsteczki
apolarne. Są one np. w stanie solwatować, czyli otaczać inne cząsteczki, o ile te inne cząsteczki też wykazują własności polarne, co powoduje, że ciekłe związki polarne są dobrymi rozpuszczalnikami związków jonowych i innych związków polarnych.
Cząsteczki polarne mają zwykle wyższe temperatury przejść fazowych (topnienie, krystalizacja, wrzenie itp.) niż analogiczne cząsteczki
apolarne o zbliżonej budowie i masie cząsteczkowej. Najczęściej jest to efektem tworzenia przez nie wiązań wodorowych i silnych oddziaływań typu dipol-dipol.
Asocjacja
Wiązanie się pojedynczych cząsteczek w zespoły cząsteczkowe (asocjaty).
Asocjacja występuje przede wszystkim w czystych cieczach i ich mieszaninach.
Na asocjację podatne są szczególnie cząsteczki polarne o budowie pozwalającej na wytworzenie wiązań wodorowych (cząsteczki wody,
alkoholi, kwasów karboksylowych) – na przykład w czystej wodzie średnia liczba cząsteczek wody powiązanych wiązaniami wodorowymi w asocjat wynosi 6 lub 7.
Oddziaływania dyspersyjne są powodem takich zjawisk jak skraplanie i krzepnięcie substancji. Silna asocjacja cząsteczek wody czy alkoholi
powoduje, że mają one znacznie wyższą temperaturę topnienia oraz wrzenia, niż wynikałoby to z ich niskiej masy cząsteczkowej.
Woda zachowuje się w przybliżeniu tak, jakby jej masa molowa była równa 6 × 18 = 108 g/mol.
Siły międzycząsteczkowe
Napięcie powierzchniowe
Zjawisko fizyczne występujące na styku powierzchni cieczy z ciałem stałym, gazem lub inną cieczą, dzięki któremu powierzchnia ta
zachowuje się jak sprężysta błona.
Napięciem powierzchniowym nazywa się również wielkość fizyczną ujmującą to zjawisko ilościowo jako energia przypadająca na jednostkę powierzchni, co jest równoważne pracy potrzebnej do powiększenia powierzchni o tę jednostkę.
Przyczyną istnienia napięcia powierzchniowego są siły przyciągania pomiędzy molekułami cieczy. Napięcie powierzchniowe na granicy dwóch faz termodynamicznych (np. dwóch niemieszających
się ze sobą cieczy) nazywane jest również napięciem międzyfazowym.
Napięcie powierzchniowe
Siły napięcia powierzchniowego wpływają na kształt swobodnej
(niestykającej się ze ściankami naczynia) powierzchni cieczy, przy czym na ogół współistnieją przy tym z innymi siłami.
Współistnienie sił napięcia powierzchniowego, sił przylegania oraz grawitacji prowadzi do powstawania menisku: powierzchnia cieczy w sąsiedztwie ścianki zbiornika ulega zakrzywieniu. W dużych zbiornikach menisk stanowi zaledwie niewielką część powierzchni cieczy, jednak w przypadku cienkich rurek, nazywanych kapilarami, może prowadzić do podniesienia się lub obniżenia słupa cieczy na znaczną (znacznie większą od średnicy kapilary) wysokość.
Napięcie powierzchniowe
Współistnienie sił napięcia powierzchniowego, grawitacji i sił
aerodynamicznych nadaje kształt spadającym w powietrzu kroplom deszczu. Pod nieobecność dodatkowych sił (np. w warunkach
nieważkości), nieruchoma kropla cieczy (niezależnie od wielkości) przybrałaby kształt kuli, gdyż spośród wszystkich możliwych brył
charakteryzuje się on najmniejszym możliwym stosunkiem powierzchni bocznej do objętości.
Napięcie powierzchniowe silnie zależy od temperatury cieczy. Zmniejsza się wraz ze wzrostem temperatury i spada do zera w temperaturze
krytycznej.
Kohezja, adhezja
Ogólna nazwa zjawiska stawiania oporu przez ciała fizyczne,
poddawane rozdzielaniu na części. Jej miarą jest praca potrzebna do rozdzielenia określonego ciała na części, podzielona przez
powierzchnię powstałą na skutek tego rozdzielenia.
Kohezji nie należy mylić z adhezją, czyli zdolnością do łączenia się powierzchni ciał fizycznych. Jakkolwiek źródłem obu zjawisk jest występowanie rozmaitych oddziaływań międzycząsteczkowych,
adhezja jest zjawiskiem czysto powierzchniowym, podczas gdy kohezja wynika z sił działających wewnątrz ciała.
Gęstość
Stosunek masy pewnej ilości substancji do zajmowanej przez nią objętości.
W przypadku substancji jednorodnych porcja ta może być wybrana dowolnie; jeśli jej objętość wynosi V, a masa m, to gęstość substancji wynosi:
ρ = 𝒎
𝑽 [kg/L]
W przypadku substancji niejednorodnych gęstość nie jest stała w
przestrzeni i określana jest dla każdego punktu z osobna; definiuje się ją jak wyżej, przy założeniu, że wybrana porcja substancji, obejmująca
dany punkt, jest jak najmniejsza. Wybierając próbkę w otoczeniu danego punktu otrzymujemy gęstość w tym punkcie jako granicę stosunku masy próbki dm do jej objętości dv przy rozmiarach
próbki dążących do zera:
ρ = 𝒅𝒎
𝒅𝑽 [kg/L]
Siła tarcia
Lepkość - Właściwość płynów i plastycznych ciał stałych
charakteryzująca ich tarcie wewnętrzne wynikające z przesuwania się względem siebie warstw płynu podczas przepływu (nie jest to
natomiast opór przeciw płynięciu powstający na granicy płynu i ścianek naczynia, w warstwie granicznej).
Zgodnie z laminarnym modelem przepływu lepkość wynika ze zdolności płynu do przekazywania pędu pomiędzy warstwami poruszającymi się z różnymi prędkościami.
Lepkość
Różnice w prędkościach warstw są charakteryzowane w modelu laminarnym przez szybkość ścinania. Przekazywanie pędu zachodzi dzięki pojawieniu się na granicy tych warstw naprężeń ścinających.
Wspomniane warstwy są pojęciem hipotetycznym, w rzeczywistości zmiana prędkości zachodzi w sposób ciągły (zobacz: gradient), a
naprężenia można określić w każdym punkcie płynu. Model laminarny lepkości zawodzi też przy przepływie turbulentnym, powstającym np.
na granicy płynu i ścianek naczynia. Dla przepływu turbulentnego jak dotąd nie istnieją dobre modele teoretyczne.
Płyn nielepki to płyn o zerowej lepkości (→ nadciekłość).
Lepkość
Współczynnik lepkości dynamicznej dla rozrzedzonych gazów
doskonałych jest proporcjonalny do pierwiastka z temperatury (jest to wynikiem ruchu cząsteczek gazów), a nie zależy od ciśnienia. Dla cieczy współczynnik ten jest odwrotnie proporcjonalny do temperatury, a
rośnie wraz ze wzrostem ciśnienia (jest to spowodowane oddziaływaniem międzycząsteczkowym).
Pomiar
Wiskozymetr Ubbelohde’a Wiskozymetr Ostwalda
Wiskozymetr Hopplera
Kubek Forda
Lepkość dynamiczna
Lepkość dynamiczna wyraża stosunek naprężeń ścinających do szybkości ścinania:
η = τγ − 𝟏 * s -1]
Przykłady:
woda 0 °C = 1,79 mPa*s 25 0 °C = 0,89 mPa*s 100 0 °C = 0,28 mPa*s
Gliceryna 25 0 °C = 934 mPa*s Miód 25 0 °C = 2-10 mPa*s Etanol 25 0 °C = 1,07 mPa*s Rtęć 25 0 °C = 1,55 mPa*s
Lepkość kinematyczna
Lepkość kinematyczna, nazywana też kinetyczną, jest stosunkiem lepkości dynamicznej do gęstości płynu:
υ = ηρ 𝟐 − 𝟏
Lepkość względna jest to stosunek lepkości dynamicznej badanej cieczy do lepkości cieczy wzorcowej (najczęściej wody). Jest to wielkość
bezwymiarowa. Można ją wyznaczyć poprzez porównanie czasu wypływu danej cieczy w porównaniu do czasu wypływu cieczy wzorcowej przez otwór kubka wypływowego (lakiery, farby) lub lepkościomierza porównawczego (oleje smarne).
Płyn Newtonowski
Płyn newtonowski (doskonale lepki), model lepkości płynu
wprowadzony przez Isaaca Newtona wykazujący liniową zależność naprężenia ścinającego od szybkości ścinania.
Wzór wprowadzony został przez Newtona na podstawie danych doświadczalnych, przez późniejszych fizyków uzasadniony i
wyprowadzony na podstawie teorii cząsteczkowej gazów. Znaczna część płynów, np. woda, gazy w tym i powietrze, zachowuje się jak płyny newtonowskie. Dla płynów newtonowskich lepkość nie zależy od szybkości ścinania, zależy natomiast od własności substancji
tworzącej płyn i jego parametrów termodynamicznych takich jak temperatura i ciśnienie.
Płyn Newtonowski
Równanie Newtona:
F = η*S*𝒅𝒗
𝒅𝒙
F - siła równoważąca tarcie między warstwami η – lepkość
S – pole powierzchni dv – różnica prędkości dx – odległość między warstwami
Płyn Newtonowski
Równanie Newtona:
F = η*S*𝒅𝒗
𝑭 𝒅𝒙
𝑺 η * 𝒅𝒗
𝒅𝒙 𝐅
𝐒 - naprężenie styczne (ścinające) = τ
𝒅𝒗
𝒅𝒙 - szybkość ścinania = γ τ = ηγ
Lub η = τ
γ = const
Płyn Nienewtonowski
Istnieją płyny, zwane płynami nienewtonowskimi, które nie spełniają powyższej zależności, dla nich naprężenia nie są proporcjonalne do gradientu prędkości, co jest równoznaczne z tym, że współczynnik lepkości nie jest stały lecz jest funkcją gradientu prędkości.
Zależność naprężeń od gradientu prędkości przedstawiona na wykresie nosi nazwę krzywej płynięcia.
Jeżeli krzywa płynięcia jakiegoś płynu nie jest prostą przechodzącą przez początek układu współrzędnych płyn taki jest płynem
nienewtonowskim, lecz płynem z granicą płynięcia. Płyn newtonowski można też traktować jako specjalny przypadek płynu
nienewtonowskiego.
η = τ
γ const
Krzywa płynięcia
Wraz ze wzrostem szybkości ścinania lepkość:
Wzrasta - ciecz dylatacyjna (zawiesina skrobi)
Maleje – ciecz pseudoplastyczna (pulpa papierowa)
