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.