CHEMIA

Struktura cieczy, ciał

stałych i gazów

dr Marek Jasiorski

Stany skupienia substancji

krzepnięcie

topnienie

parowanie

skraplanie

sublimacja

gaz

ciecz

ciało stałe

Zmiana energii przy przechodzeniu

substancji ze stanu stałego w ciekły i

gazowy

ciepło

parowania

ciepło

sublimacji

ciepło topnienia

substancja stała

ciecz

gaz

E

Gazy

Gazami nazywamy substancje, które nie mają

określonego kształtu ani objętości, lecz

przyjmują kształt i objętość zbiornika, w

którym się znajdują.

Dążąc do zajęcia jak największej objętości gazy

wywierają ciśnienie na ścianki zbiornika.

Wywierając na gaz ciśnienie można zmienić

jego objętość.

Gaz jest zbiorem cząsteczek lub atomów

będących w ciągłym, chaotycznym ruchu, o

szybkości rosnącej ze wzrostem temperatury.

Przykłady gazów

- gazy jednoatomowe (helowce: hel,

neon, argon, krypton, xenon, radon)

- gazy dwuatomowe (H

2

, O

2

, N

2

, Cl

2

, F

2

)

- gazy nieorganiczne (NH

3

, CO, CO

2

, SO

2

)

- gazy organiczne (metan CH

4

, propan

C

3

H

8

, butan C

4

H

10

)

Ciśnienie

Ciśnienie

gazu

jest

wynikiem

uderzeń cząsteczek o stałą
powierzchnię. Jest to siła
uderzeń podzielona przez
pole powierzchni, na którą
działa.

Ciśnienie

Jednostki ciśnienia

1 Pa = 1 kg/(m x s

2

) = 1 N/m

2

1 bar = 10

5

Pa = 100 kPa

1 atm = 1,01325 x 105 Pa = 101,325

kPa

1 atm = 760 Tr

Prawo Avogadra

W jednakowych warunkach temperatury i ciśnienia

dana liczba cząsteczek dowolnego gazu zajmuje
jednakową objętość.

Gaz doskonały

22,41

Argon

22,09

Ditlenek węgla

22,26

Azot

22,40

Tlen

22,40

Wodór

22,43

Równanie stanu gazu

doskonałego

PV = nRT

R = 0,08205781 atm/(K x mol) - stała gazowa

Gaz, który w dowolnych warunkach stosuje się do

tego równania nazywamy gazem doskonałym.

Gazy rzeczywiste (azot, tlen, gazy używane w

laboratoriach) zachowują się jak gazy doskonałe w
przypadku, gdy ciśnienie jest niskie.

Równanie van der Waalsa

an

V

2

2

efekt

odpychania

efekt

przyciągania

(P +

(V - nb) = nRT

)

Stała a uwzględnia efekt przyciągania między cząsteczkami, a stała
b – efekt odpychania

Dyfuzja

Jest to proces rozprzestrzeniania
się cząsteczek w danym ośrodku,
będący konsekwencją
chaotycznych zderzeń cząsteczek
dyfundującej substancji między
sobą i cząsteczkami otaczającego
ją ośrodka.

Ciecze

Ciecze traktuje się jako stan pośredni

pomiędzy gazami i ciałami stałymi.
Ciecze zachowują własną objętość, ale
przyjmują kształt naczynia, w którym
się znajdują. Wykazują znaczną, w
porównaniu z gazami, gęstość i lepkość,
niewielką ściśliwość i rozszerzalność
cieplną.

Lepkość

Lepkość cieczy jest to opór przeciwdziałający

jej płynięciu.

Im większa jest lepkość cieczy, tym wolniejszy

jest jej przepływ. Ciecze zawierające wiązania
wodorowe mają z reguły dużą lepkość.
Lepkość

zwykle

maleje

ze

wzrostem

temperatury.

Napięcie powierzchniowe

Napięcie powierzchniowe cieczy określa

działającą

na

jej

powierzchnię

siłę.

Powierzchnia cieczy jest gładka, ponieważ siły
międzycząsteczkowe wciągają cząsteczki do
wewnątrz.

Napięcie powierzchniowe jest przyczyną

tworzenia przez ciecze kropelek i wykazywania
przez substancje działania kapilarnego.

Ciała stałe

Ciała stałe w przeciwieństwie do gazów

i cieczy, mają określony kształt i

objętość,

charakteryzują

się

sztywnością, a ich gęstość w dużo

mniejszym

stopniu

zależy

od

temperatury i ciśnienia.

Podział ciał stałych:
- ciała krystaliczne
- ciała bezpostaciowe (amorficzne)

Ciała krystaliczne

Ciała krystaliczne (kryształy) – mają w dużym

obszarze uporządkowaną budowę

Ciała bezpostaciowe

Ciała bezpostaciowe nie mają określonego

rozmieszczenia

atomów;

są

to

ciecze

przechłodzone o dużej lepkości lokalnie
uporządkowane (smoła, szkło, tworzywa
sztuczne).

W ciałach bezpostaciowych nie obserwuje się

ostrego przejścia fazowego, wiązania między
atomami mają różną wytrzymałość i pękają w
różnych temperaturach.

Ciekłe kryształy

Ciekłe kryształy są to substancje, które

wykazują płynność lepkich cieczy, lecz
występuje

w

nich

pewne

uporządkowanie cząsteczek, podobnie
jak w krysztale.

Budowa atomowa metali

Sieć heksagonalna zwarta A3

Sieć regularna płaskocentrowana A1

Sieć regularna przestrzennie centrowana A2

Kryształ metaliczny

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

Metale - właściwości

Ruchliwość elektronów walencyjnych w

metalach warunkuje ich właściwości:

- połysk
- kowalność
- ciągliwość
- przewodnictwo elektryczne

Opór elektryczny

Opór elektryczny jest miarą zdolności substancji do

przewodzenia elektryczności. Im mniejszy jest opór,
tym lepiej substancja przewodzi elektryczność.

Klasyfikacja substancji oparta na ich oporze i jego

zależności od temperatury:

- izolator
- przewodnik metaliczny
- półprzewodnik
- nadprzewodnik

Temperatura

Opór elektryczny

Nadprzewodnik

Przewodnik

metaliczny

Półprzewodnik

Teoria pasmowa ciał stałych

- Teoria

pasmowa

dotyczy

zasadniczo

2

poziomów

energetycznych

atomów

w

ciele

stałym:

najbardziej

zewnętrznego poziomu obsadzonego elektronem i najbliższego

mu poziomu wzbudzonego

- Poziomy te pod wpływem oddziaływania pól elektrostatycznych

pozostałych atomów ulegają rozszczepieniu na dużą liczbę

blisko położonych poziomów tworzących pasma energetyczne:

walencyjne i przewodnictwa

- W ramach pasma elektrony poruszają się swobodnie dzięki

małym różnicom energii pomiędzy tworzącymi je poziomami

- Na każdym poziomie tworzącym pasmo mogą być 2 elektrony

Struktura pasmowa

Pasmo walencyjne

Pasmo przewodnictwa

Pasmo wzbronione

półprzewodnik

półprzewodnik typu n

półprzewodnik typu p

izolator

przewodnik

metaliczny

Półprzewodniki

Półprzewodnik samoistny

– monokryształ

półprzewodnika pozbawionego defektów

sieci krystalicznej i domieszek, czyli nie

zawierający obcych atomów w sieci

krystalicznej

Półprzewodnik typu n

– półprzewodnik, w

którym elektryczność jest przenoszona przez

nadmiar elektronów

Półprzewodnik typu p

– półprzewodnik, w

którym elektryczność jest przenoszona przez

dziury elektronowe

Półprzewodnik typu n

Elektron nadmiarowy

Półprzewodnik typu p

Dziura

Stopy

Stopy są to mieszaniny dwóch lub większej

liczby metali.

Podział stopów:
- Stopy homogeniczne (jednofazowe) – atomy

różnych metali są rozmieszczone równomiernie.
Przykłady: mosiądz, brąz, stopy monetowe.

- Stopy heterogeniczne (wielofazowe) stanowią

mieszaniny obszarów krystalicznych o różnym
składzie. Przykłady: amalgamat, lut cyna-ołów.

Budowa stopów

stop substytucyjny

stop międzywęzłowy

Skład typowych stopów

Mosiądz – do 40% cynku w miedzi
Brąz – metal inny niż cynk lub nikiel w miedzi
Lut – cyna i ołów
Stal – stop żelaza z węglem (mniej niż 2%)
Stal nierdzewna – ponad 12% chromu w żelazie
Amalgamat – stop metalu z rtęcią

Stopy metali wykazują na ogół większą twardość i

mniejszą przewodność elektryczną niż czyste
metale.