BUDOWA MATERII

Stany skupienia substancji i przemiany fazowe

   .

Ciało fizyczne­ każdy przedniot, istoty żywe , które biorą udział w doświadczeniu lub za pomocą których opisujemy zjawiska fizyczne. Ciała fizyczne są z budowane z różnych substancji np. linijka z plastiku, szafa z drewna itd.

Wszystko co nas otacza zbudowane jest z  atomów  lub  cząsteczek  (czyli połączonych atomów) Zbiór atomów tego samego rodzaju nazywamy pierwiastkiem.  W przyrodzie istnieją trzy podstawowe stany skupienia : a) Stan stały  (np. drewno, żelazo) b) Stan ciekły  (np. woda, alkohol) c) Stan gazowy (np. para wodna, dwutlenek węgla)  Przemiany fazowe ( nazwy przejść między stanami skupienia).  Stan skupienia substancji może się zmienić wraz ze zmianą temperatury,  zachodzą wtedy następujące zjawiska fizyczne:

Ogrzewanie substancji

Pod wpływem ogrzewania: ­ zwiększa się energia drobin (atomów), ­ drobiny szybciej się poruszają i zajmują większą przestrzeń , ­ drobiny oddalają się od siebie coraz bardziej i następuje zmiana stanu skupienia. Kiedy ogrzewamy ciało stałe, następuje wzrost jego temperatury, a po pewnym czasie zaczyna   ono   topnieć   ­   zmienia   się   w   ciecz.   Jej  temperatura  mimo  ogrzewania  nie wzrasta.   Taką   temperaturę   nazywamy  temperaturą   topnienia.  Jest   ona charakterystyczna   dla   poszczególnych   substancji.  Temperatura   topnienia  liczbowo jest równa temperaturze krzepnięcia.

Kiedy ogrzewamy ciecz, następuje wzrost temperatury i ciecz zaczyna parować, a przy dalszym   wzroście   temperatury   ciecz   zaczyna  wrzeć.   W   tym   momencie,   mimo ogrzewania, temperatura cieczy już  nie wzrasta,  to  temperatura wrzenia.  Jest ona stała, charakterystyczna dla każdej substancji.

Wrzenie­ parowanie w całej objętości 

Temperatura wrzenia zależy od wartości ciśnienia atmosferycznego, np. wysoko w górach woda   wrze   w   niższej   temperaturze   niż   100°C.  Parowanie   cieczy   to   powolne przechodzenie w stan gazowy, odbywa się ono w dowolnej temperaturze. Oziębienie substancji Na skutek oziębiania substancji: ­ zmniejsza się energia drobin, ­ drobiny poruszają się coraz wolniej, ­ drobiny przybliżają się do siebie, zmienia się stan skupienia. Kiedy oziębiamy ciało stałe, nie następuje zmiana stanu skupienia, obniża się tylko jego temperatura, natomiast gdy oziębiamy  ciecz, następuje przejście w  ciało stałe, czyli krzepnięcie   (potocznie   ciecz   zamarza,   zachodzi   w  temperaturze   krzepnięcia charakterystycznej   dla   danej   substancji).   Gdy   oziębiamy  gaz,   następuje   przejście   w ciecz, czyli gaz się skrapla. Stan skupienia substancji w danym momencie zależy od temperatury i ciśnienia.

Dla wody 

   (najważniejsze informacje w warunkach normalnych) Temperatura topnienia lodu i krzepnięcia wody 0o_{C ( zamiana lodu w wodę i wody w lód)} Woda paruje w każdej temperaturze, a intensywność parowania zależy od wilgotności powietrza  (   im  mniejsza  to  parowanie  rośnie),  temperatury  (   wzraz   ze  wzrostem rośnie   parowanie)   i  powierzchni   parującej  (im   większa   powierzchnia   parująca   to większe   parowanie).   Woda   wrze   (   paruje   w   całej   objętości)   w   temperaturze   100o_C

zamieniając się w parę wodną (gaz).

Wysychanie mokrych ubrań na mrozie jest przykładem sublimacji lodu. Powstawanie szadzi w mroźny wilgotny dzień (noc)

jest   przykładem  resublimacji  pary   wodnej (zamarzanie   pary   wodnej   i   osadzanie   się kryształków lodu np. na drzewach).  

WŁAŚCIWOŚCI STANÓW SKUPIENIA  a) stan stały: ­ posiada własny określony kształt, mimo zmiany kształtu zachowuje swoją objętość ­ przewodniki i izolatory (cieplne i elektryczne) ­ włąściwości mechaniczne : kruchość, twardość, plastyczność, sprężystość b) stan ciekły: ­ nie posiadają własnego kształtu, przyjmują kształt naczyń w których się znajdują ­ tworzą powierzchnię swobodną , powierzchnia nieograniczona ściankami naczynia   („lustro cieczy” związane z napięciem powierzchniowym) ­ są mało ściśliwe ( wykorzystana własność w podnośnikach hydraulicznych) ­  konwekcja  cieplna ( ogrzewanie się cieczy i gazów na wskutek   unoszenia   się   ciepłych   lżejszych   warstw cieczy/gazu ku górze a opadaniu cięższych zimnych) ­ przewodnictwo prądu  (elektrolity np.roztwory soli) oraz izolatory ( woda destylowana) c) stan gazowy ­ nie posiadają własnego kształtu, przyjmują (wypełniają) kształt naczyń w których się   znajdują ­ są ściśliwe i rozprężliwe ( łatwo zmienić ich objętość) ­ podlegają konwekcji ­ praktycznie nie przewodzą prądu BUDOWA CZĄSTECZKOWA STANÓW SKUPIENIA a) stan stały: ­ odległości między cząsteczkami są małe, a oddziaływania (przyciągające) między nimi duże, ­ każda cząsteczka ma swoje określone miejsce w ciele i mocno jest związana   cząsteczkami sąsiednimi,  ­ cząsteczki poruszają się względem położenia równowagi (drgają a nie mieszają się !) ­ większości cząsteczki są ułożone w sposób reguralny tworząc tzw. sieć krystaliczną.

Taką   budowę   ma   większość   substancji   np.   cukier,   metale,   kamienie   itp.   Kryształy możemy   podzielić   na  monokryształy  (   pojedynczy   krysztal   np.   diament)   oraz polikryształy ( zlepek wielu monokryształów np. bryłka miedzi). ­ niektóre substancje nie mają określonej temperatury topnienia lub krzepnięcia,   wynika to z faktu, iż nie mają reguralnej budowy krystalicznej takie substancje   nazywamy amorficzne (bezpostaciowe) np. wosk, smoła, szkło b) stan ciekły ­ odległości między sząsteczkami są małe i oddziaływania duże, choć nie tak duże jak w   ciałach stałych (oznacza, że ciecze są praktycznie nieściśliwe) ­ cząsteczki poruszają się bez przerwy mieszają się z sobą   c) stan gazowy ­ cząsteczki nie sią związane z sobą i poruszają się chaotycznie w przypadkowych   kierunkach zderzając się ze sobą  ­ cząsteczki gazów zajmują całą dostępną im przestrzeń ­ odległości między nimi są duże a oddziaływania bardzo małe ( zatem łatwo można   zmienić odległości między cząsteczkami czy są ściśliwe i rozprężliwe) SIŁY MIĘDZYCZĄSTECZKOWE  Siły międzycząsteczkowe­ siły wystepujące między cząsteczkami substancji, do takich sił należą:

  siły   spójności  (   siły   oddziaływania   między   cząsteczkami   tej   samej   substancji   np. między cząsteczkami wody. Siły takie są dość silne a ich oddziaływanie przyciągające formuje ciecz w krople, kule.) 

 siły przylegania ( występują między cząsteczkami dóch różnych substancji np. woda szkło.   Siły   te   powodują   np.   zlepianie   się   płytek   szklanych   zwilżonych   wodą, przyczepianie się tuszu do papieru lub  kropel wody do szyby) Rodzaje menisków: a) mienisk wklęsły – powstaje gdy siły przylegania cieczy do naczynia są większe od sił spójności cieczy np. woda w szklance b)  menisk wypukły  ­powstaje gdy siły spójności cieczy są większe od sił przylegania cieczy do naczynia np. rtęć w naczyniu szklanym

Napięcie powierzchniowe – to cieńka, elastyczna i wytrzymała błonka   na   powierzchni   cieczy.  Przyczyną   istnienia   napięcia powierzchniowego   są   siły   przyciągania   pomiędzy   cząsteczkami ( siły spójności). Taką własność cieczy wykorzystuje nartnik 

Detergenty  –   substancje   chemiczne   zmniejszające   siły   międzycząsteczkowe   (gdy zmniejszy się oddziaływanie międzycząsteczkowe np. cząsteczek brudu z ubraniem to łatwiej jest ten brud zmyć). Do takich substancji zaliczmy np. mydło, płyn do mycia naczyń.

DOŚWIADCZENIA   POTWIERDZAJĄCE   BUDOWĘ   CZĄSTECZKOWĄ SUBSTANCJI

Wiemy,   iż   cząsteczki   są   w   nieustannym   ruchu,   a   ruchliwość   ich   wzrasta   wraz   ze wzrostem   temperatury.   Zatem   cząsteczki   mogą   się   przemieszczać   między   sobą. Doświadczenia potwierdzające ich przemieszczanie się to :

a) dyfuzja­ przenikanie cząsteczek jednej substancji w drugiej   będących   w   tym   samym   stanie   skupienia. Zachodzi we wszystkich sanach skupienia, najszybciej w gazach   najwolniej   w   ciałach  stałych.   Szybkość   dyfuzji zależy od: stanu skupienia i temperatury. Przykłady dyfuzji   np.   ozchodzenie   się   zapachu   w   powietrzu,

zaparzanie   herbaty.   Innym  przykładem  dyfuzji   jest   zjawisko  osmozy,  polegające  na przemieszczaniu   się   cząsteczek   i   jonów   przez   błony   półprzepószczalne,   w   kierunku wyrównywania   się   stężenia   związku   chemicznego   lub   jonu,   zdolnego   do   przenikania przez błonę

b)   kontrakcja  –   przenikanie   mniejszych   cząsteczek   w   wolne   miejsca   między   duże sząsteczki, co powoduje zmniejszenie się objętości mieszających się substancji np. alkohol i woda, groch i kasza manna. 

c)   ruchy   Browna­chaotyczne   ruchy   cząstek   w   płynie, wywołane  zderzeniami  zawiesiny z cząsteczkami  płynu np. oczka tłuszczu w rosole, drobinki pieprzu na wodzie.

ROZSZERZALNOŚĆ TEMPERATUROWA SUBSTANCJI.

Rozszerzalność temperaturowa  substancji to właściwość fizyczna ciał polegająca na zwiększaniu   się   ich   długości   (rozszerzalność   liniowa)   lub   objętości   (rozszerzalność objętościowa) w miarę wzrostu temperatury.

Ciała stałe

a)   dylatoskop­  to   przyrząd   do   demonstrowania rozszerzalności   liniowej   ciał   stałych(   np.   prętów metalowych),   czyli   wydłużaniu   się   ciał   stałych   podczas ogrzewania   (wzrostu   ich   temperatury)   i   kurczeniu   się przy studzeniu (obniżaniu temperatury).

b)   przerwa   dylatacyjna­jest   to   celowo   utworzona wolna   przestrzeń   między   dwoma   rozszerzającymi   się ciałami   w   celu   zapobięgnięcia   deformacji   lub uszkodzenia np. torów kolejewych, konstrukcji mostów itp.

c)   bimetal­połączenie   dówch   metali   o   różnych rozszerzalnościach   temperaturowych   np.  inwar   z aluminium. W wyniku ogrzewania biletal wygina się. Zastosowanie   np.   urządzeniach   do   pomiaru temperatury,   w   kierunkowskazach   samochodowych,

urządzeniach termoregulacyjnych, bezpiecznikowych i sygnalizacyjnych. Rysunek obok przedstawia   bimetal   (na   czerowno   ozanczony   metal   o   dużej   rozszerzalności temperaturowej zaś na żółty to metal o małej rozszerzalności temperaturowej) Ciecze. Wraz ze wzrostem temperatury ciecz rozszerza się i jej poziom w rurce podnosi się. Przy obniżeniu temperatury ciecz kurczy się i jej poziom w rurce obniża się. Wiekszość cieczy rozszerza się liniowo np. alkohol wyjątkiem jest woda.  Anomalna rozszerzalność wody  – zjawisko fizyczne polegające na zmniejszaniu się objętości   wody   w   miarę   wzrostu   temperatury   w   przedziale   od  0o_{C   do   4}o_{C.  Po} przekroczeniu 4o_{C objętość wody rośnie.}  V[mm3_{]      alkohol       V[mm}3_{]      woda} Vo       Vo        Vmin   0       T[o_{C]       0      4       T[}o_C] W temperatururze 4o_{C objętość wody jest najmniejsza a gęstość największa ( czyli} w jeziorach przy dnie osiągnie około  4o_C) Gazy

Gazy największym stopniu rozszerzają  się ze wszsytkich  stanów  skupienia.  Wraz ze wzrostem temperatury cząsteczki gazów poruszają się szybciej jednocześnie wzrastają odległości   między   nimi.   Wraz   ze   wzrostem   temperatury   wzrasta   ciśnienie   gazu   w zamkniętym zbiorniku.