Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

CHEMIA OGÓLNA

CHEMIA OGÓLNA

WYKŁAD 3

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Oddziaływania międzycząsteczkowe

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.

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Wiązania wodorowe

Wiązania wodorowe

mostek tlenowy wodzie

wiązania wodorowe

w strukturze DNA 

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Stany skupienia 

Stany skupienia 

materii

materii

ciało stałe

 

gaz

 

ciecz

 

plazma

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Naturalne stany skupienia pierwiastków

Naturalne stany skupienia pierwiastków

g

g

 - gas

l

l

 

 - liquid

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

g

l

l

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Gaz

Gaz

Gaz

Gaz – faza, w której energia atomów  wynosi:

T

k

3

2

E

k





Faza

Faza  –  cześć  układu  jednorodna  w  całej  swojej  objetości 

zarówno pod względem chemicznym, jak i fizycznym.

 k - stała Boltzman’a,

 T – temperatura bezwzględna.

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Gaz doskonały

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.

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Prawa gazu doskonałego

Prawa gazu doskonałego

 

 

Prawo Avogadro:

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 - 

N - liczba Avogadro

3

dm

4

,

2

2

V 

1  mol  każdego  gazu  w  warunkach  normalnych 

(T=273,15K  (0

0

C)  p=  1013,25hPa  (1atm.))  zajmuje 

taką samą objętość

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Prawo Boyle – Mariotte'a:

Prawo Boyle – Mariotte'a:

W stałej temperaturze (warunki izotermiczne)  iloczyn 

ciśnienia i objętości jest wartościa stałą.

.

const

v

p 

1

2

2

1

2

2

1

1

v

v

p

p

v

p

v

p





stąd:

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Izotermy dla różnych temperatur

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

.

const

T

v

1

1



stąd:

2

2

1

1

T

v

T

v



Prawo Gay

Prawo Gay –

 Lussac’a:

 Lussac’a:

przy  stałym  ciśnieniu  (warunki  izobaryczne)  objętość 

danej  masy  gazu  zmienia  się  proporcjonalnie  do 

temperatury.

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Izobary dla różnych ciśnień

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Prawo Charle

Prawo Charle

s

s

’a:

’a:

przy  stałej  objętości  (warunki  izochoryczne)  ciśnienie 

gazu 

zmienia 

się 

proporcjonalnie 

do 

zmian 

temperatury. 

.

const

T

p

1

1



stąd:

2

2

1

1

T

p

T

p



Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Izochory dla różnych objętości gazu

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Równanie stanu gazu doskonałeg

Równanie stanu gazu doskonałeg

o

o

(Clausiusa-Clapeyrona):

(Clausiusa-Clapeyrona):

nRT

v

p 

 p -  ciśnienie [Pa],

 v -  objętość [m

3

],

 n -  liczba moli gazu [mol],

 R – uniwersalna stała gazowa 8.314 [Pa·m

3

/mol·K],

 T – temperatura bezwzględna [K].

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Prawo Daltona:

Prawo Daltona:

ciśnienie  całkowite  mieszaniny  gazów  jest  sumą 

ciśnień cząstkowych składników.













i

i

2

1

total

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.

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

wiedząc, że:

V

RT

n

p

,...,

V

RT

n

p

i

i

1

1





oraz:

i

i

i

i

x

n

n





Ciśnienie  parcjalne  (cząstkowe)  gazu  jest  równe 

iloczynowi  ciśnienia  całkowitego  i  ułamka  molowego 

tego składnika w mieszaninie gazu.

i

i

x

p

p





Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Dyfuzja gazów

Dyfuzja gazów

Dyfuzja 

Dyfuzja  jest  to  spontaniczne  rozprzestrzenianie  się 

cząsteczek 

gazu 

wywołane 

nieustannym 

ruchem 

molekularno-kinetycznym.

 

 

Prawo dyfuzji Grahama:

Prawo dyfuzji Grahama:

1

2

1

2

2

1

2

1

M

M

d

d

t

t

u

u







 u – szybkość dyfuzji,

 t – czas przepływu,

 d -  gęstośc gazu,

 M – masa molowa.

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Gaz rzeczywisty

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,

• zderzenia cząstek nie są doskonale sprężyste.

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Odchylenia od praw gazu doskonałego

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Równanie stanu gazu rzeczywistego:

Równanie stanu gazu rzeczywistego:





nRT

b

n

V

V

a

n

p

2

2

























 a, b -  stałe charakterystyczne dla danego gazu,

 (n

2

a/V) -  korekta ciśnieniowa,

(nb) – korekta objętościowa.

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Plasma

Plasma  -    stan  typowy  dla  gazów  zjonizowanych, 

uważany  za  odrębny  stan  skupienia  z  powodu  swoich 

unikalnych  właściwości.  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.

Plazma

Plazma

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Ciecz

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

.)

oddział

(





Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Właściwości cieczy

Właściwości cieczy

Napięcie powierzchniowe

Napięcie powierzchniowe

Siły odziałujące na cząsteczki cieczy przy powierzchni.

 powierzchnia

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Napięcie  powierzchniowe  – 

Napięcie  powierzchniowe  –  praca  powtrzebna  do 

zwiększenia powierzchni cieczy o jednostkę.

















2

m

J

A

W

 Efekt występowania napięcia powierzchniowego  wody.

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Lepkość

Lepkość

Warstwy cieczy poruszające się w przepływie laminarnym.

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Lepkość

Lepkość  –  miara  oporu  wewnętrznego  cieczy  przeciw 

płynięciu.



  





puaz

P

s

Pa









Siła  potrzebna  do  nadania  gradientu  prędkości  pomiędzy  dwoma 

warstwami cieczy wyraża się wzorem: 

dx

dv

A

F 





 -  lepkość dynamiczna,

A -  powierzchnia,

v - szybkość,

x – odległość pomiędzy warstwami cieczy.

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

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.

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Ciała stałe

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. 

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Ciała stałe

Ciała stałe

amorficzne

ciekłe kryształy

krystaliczne

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Ciała  stałe  amorficzne

Ciała  stałe  amorficzne  – 

formy  przypadkowe  o 

formy  przypadkowe  o 

chaotycznym  ułożeniu  atomów  i  cząsteczek,    których  nie 

chaotycznym  ułożeniu  atomów  i  cząsteczek,    których  nie 

można opisać geometrycznie 

można opisać geometrycznie 

Kryształ

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

jony  są  ułożone  w  regularnym  porządku  we  wszystkich 

trzech wymiarach.

Kryształy

Kryształy

monokryształy

monokryształy

ciała polikrystaliczne

ciała polikrystaliczne

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Struktura kryształu

Struktura kryształu

Komórka  elementarna  - 

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.

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Typy komórek elementarnych

Typy komórek elementarnych

układ regularny

układ regularny

prosty

przestrzennie 

centrowany

ściennie 

centrowany

układ tetragonalny

układ tetragonalny

prosty

przestrzennie centrowany

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

układ trygonalny

układ trygonalny

układ heksagonalny

układ heksagonalny

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

układ rombowy

układ rombowy

układ 

układ 

jednoskośny

jednoskośny

prosty

przestrzennie 

centrowany

ściennie 

centrowany

prosty

ściennie centrowany

dwuściennie 

centrowany

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

układ trójskośny

układ trójskośny

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

piryt 

FeS

układ regularny

sól kuchenna 

NaCl 

sinkosyt 

CaV

2

O

2

(PO

4

)

2

•5H

2

O

aragonit 

CaCO

3

 

gips 

CaSO

4

 •4H

2

O

układ 

jednoskośny

układ 

rombowy

układ tetragonaly

vanadyt 

Pb

5

(VO

4

)

3

Cl

układ trygonalny

układ 

heksagonalny

kwarc 

SiO

2

ortoklaz 

K[AlSi

3

O

8

]

układ 

trójskośny

Przykłady

Przykłady

 

 

struktur krystalicznych

struktur krystalicznych

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Rodzaje kryształów

Rodzaje kryształów

Kryształy jonowe –

Kryształy jonowe – węzły sieci są obsadzone przez 

jony.

Przykład:

NaCl – sól kuchenna

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Kryształy  kowalentne  –

Kryształy  kowalentne  –  węzły  sieci  są  zajęte  przez 

obojętne atomy.

 

 

Przykład:

C - diament

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Kryształy  molekularne  –

Kryształy  molekularne  –  węzły  sieci  są  obsadzone 

przez cząsteczki powiązane:

siłami Van der Waals'a, np. grafit.

mostkami wodorowymi, np. lód.

lub

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Kryształy  metaliczne  –

Kryształy  metaliczne  –  węzły  sieci  są  obsadzone 

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.

sieć metaliczna

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Defekty kryształów

Defekty kryształów

Defekty punktowe –

Defekty punktowe – defekty sieci krystalicznej takie,   

jak:  luki  elektronowe,  położenia  międzywęzłowe 

zanieczyszczenia struktury.

 

 

luka elektronowa

położenie 
międzywęzłowe

zanieczyszczenie

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Półprzewodniki

Półprzewodniki

Struktura pasm elektronowych

Metal

Półprzewodnik

Izolator

pasmo 

przewodnictwa

pasmo 

walencyjne

pasmo 

przewodnictwa

pasmo 

walencyjne

pasmo 

wzbronione

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Rodzaje półprzewodników 

Rodzaje półprzewodników 

Półprzewodniki samoistne

Półprzewodniki domieszkowane

półprzewodnik typu p 

półprzewodnik typu n 

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Ciekłe kryształy

Ciekłe kryształy

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. 

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Rodzaje ciekłych kryształów 

Rodzaje ciekłych kryształów 

Faza  nematyczna

Faza  nematyczna  -  cząsteczki  są  równoległe  względem 

siebie lecz nie są zorganizowane w płaszczyzny. 

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Faza  chiralna

Faza  chiralna  -  (cholesteryczna)  cząsteczki  w  poszcze-

gólnych 

płaszczyznach 

są 

obrócone 

wokół 

osi 

prostopadłych do ich środków i tworzą spiralę.

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Faza  smektyczna

Faza  smektyczna  –  cząsteczki  w  poszczególnych 

warstwach są ułożone równolegle.

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Przemiany fazowe

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

w

rz

e

n

ie

ko

n

d

e

n

sa

cj

a

to

p

n

ie

n

ie

kr

ze

p

n

ię

ci

e

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Reguła faz Gibbs'a

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,



 - ilość faz.

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Układy jednoskładnikowe 

Układy jednoskładnikowe 

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Układy dwuskładnikowe

Układy dwuskładnikowe