struktura čistih tvari - ttf.unizg.hr · molekule plina su slobodne ikreću se prostorom koji je...

1

Struktura čistih tvari

Agregacijska stanja

ČVRSTO TEKUĆE PLINOVITO

dr.sc. M. Cetina, doc.Tekstilno-tehnološki fakultet, Zavod za primijenjenu kemiju

2

Čvrste tvari imaju određen volumen i oblik, difuzijačestica je vrlo spora, a kompresija nije moguća.

Atomska struktura čvrstih tvari

Većina čistih tvari u čvrstom je stanju kristaliničneprirode. Amorfne tvari nemaju pravilan oblik i njihovestrukturne jedinke nemaju pravilan periodičkitrodimenzijski raspored unutar tog oblika. Nastajupothlađivanjem tekućina ispod temperature očvršćivanjapothlađivanjem tekućina ispod temperature očvršćivanja.Amorfne čvrste tvari su rijetke u prirodi.


Kristalinične tvari sastoje se od većih ili manjih kristalakoji imaju pravilan vanjski oblik i pravilan unutarnjiraspored čestica (atoma, iona, molekula) koje gaizgrađuju. U kristalu su čestice pravilno poredane i atomi

Kristali imaju sljedeće karakteristike:

određen geometrijski oblik

kutevi između ploha neke tvari su konstantni i za tutvar karakteristični

osciliraju oko ravnotežnog položaja.

tvar karakteristični

kalanjem kristala nastaju takvi dijelovi koji imajukarakteristične i konstante kuteve za tu tvar, itd.


3

Kalavost ionskih kristala

5dr.sc. M. Cetina, doc.

Tekstilno-tehnološki fakultet, Zavod za primijenjenu kemiju

Geometrijski oblik kristala i njegova fizička svojstva(kalavost, lom svijetlosti, tvrdoća) u vezi je sa njegovomgeometrijskom unutarnjom strukturom, tj. vanjskigeometrijski oblik u vezi je s određenim rasporedomnjegovih strukturnih jedinica (atoma, molekula, iona).

Najmanji dio prostorne rešetke, koji ponavljan u tridimenzije daje cijelu kristalnu rešetku, naziva sejedinična ili elementarna ćelija.


4

Postoji 14 vrsta jediničnih ćelija koje spadaju u 7kristalnih sustava određenih duljinama bridova (a, b i c) ikutevima između njih (α, β i γ):

1 kubični1. kubični

2. tetragonski

3. rompski

4. trigonski

5. monoklinski

6 triklinski6. triklinski

7. heksagonski.


Kristalni sustavi

kubičnia = b = c

α = β = γ = 90o

tetragonskia = b ≠ c

α = β = γ = 90o

rompskia ≠ b ≠ c

α = β = γ = 90o

trigonskia = b = c

α = β = γ ≠ 90o

monoklinskia ≠ b ≠ c

α = γ = 90o; β ≠ 90o

triklinskia ≠ b ≠ c

α ≠ β ≠ γ ≠ 90o


heksagonskia = b ≠ c

α = β = 90o; γ = 120o

5

NaCl

kubični sustav

a = b = cα = β = γ = 90o


ub č susta

Kristali u kojima su strukturne jedinice molekule nazivajuse molekulskim kristalima (npr. kristal I2).

atomi joda unutar molekule vezani su jakimđ t ki il d k i l č il đ

Molekulska struktura čvrstih tvari

međuatomskim silama, dok su privlačne sile međumolekulama mnogo manje; zbog toga je i udaljenostmeđu molekulama u kristalu joda relativno velika.

zbog slabih privlačnih sila molekulese zagrijavanjem kristala oslobađaju


kao ljubičaste pare, odnosno plin(sublimacija).

6

Sile koje vežu molekule molekulskog kristala I2 u kristalnojrešetci nazivaju se van der Waalsove sile (J. D. van derWaals).

Međumolekulske sile mnogo su slabije od međuatomskihil i dj l j k d l k l đ b bijsila i djeluju samo kada su molekule međusobno zbijene.

Povisi li se temperatura, molekule se snažnije gibaju,osciliraju na većem prostoru i međusobno se udaljuju.

Ako se kristal nalazi u zatvorenom sustavu, tada molekuleispunjavaju taj prostor i uspostavlja se dinamičkaravnoteža I2(s) I2(g)ravnoteža. I2(s) I2(g)

Molekule koje se slobodno kreću udaraju u stijenkuposude u kojoj se nalaze, što se očituje kao tlak (tlakpara ili tlak plina).


Temperatura nekog sustava izražava intenzivnostgibanja atoma i molekula koji se nalaze u tom sustavu imjera je za prosječnu kinetičku energiju gibanja

Pojam temperature

mjera je za prosječnu kinetičku energiju gibanjamolekula.

Ako je mirovanje atoma i molekula u nekom sustavuapsolutno, temperatura je nula (apsolutna ilitermodinamička nula).

W. Thomson (Lord Kelvin) je postavio temperaturnuskalu s apsolutnom nulom ⇒

T = 0 K; t = -273,15 oC; t = T – 273,15; T = 273,15 + t


7

Molekule plina su slobodne i kreću se prostorom koji jemnogo veći od volumena svih prisutnih molekula.

Zbog toga su van der Waalsove sile između molekulaplina vrlo male ili čak praktički jednake nuli ako se plin

Priroda plina

p p j pnalazi pod smanjenim tlakom.

Kada su međumolekulske sile jednake 0 tada govorimoo idealnom plinu.

Plin nema ni svoj volumen ni oblik, već poprima oblik ivolumen posude u kojoj se nalazi.

Porastom temperature (dovođenjem topline!) povećavase kinetička energija molekula, tj. njihova brzina. Zbogtoga one češće i jače udaraju o stijenku posude štorezultira porastom tlaka plina.


Tekućina za razliku od plina, zauzima određenivolumen, ali isto kao i plin nema određeni oblik većpoprima oblik posude u kojoj se nalazi

Volumen tekućine veći je od volumena čvrste tvari iste

Priroda tekućine

Volumen tekućine veći je od volumena čvrste tvari istemase ⇒ tekućine imaju manju gustoću od tvari učvrstom stanju, a veću gustoću od plinova.

Povećanjem tlaka se smanjuje volumen tekućine ali

He H2O Auρ / g cm−3 0,18763·10−3 1,000 19,300

Povećanjem tlaka se smanjuje volumen tekućine, alije to smanjivanje mnogo manje nego kod plinova.

Povišenjem temperature raste volumen tekućine, aliopet u mnogo manjoj mjeri nego kod plinova.


8

Zagrijavanjem prelazi čvrsta tvar na određenojtemperaturi u tekućinu (talište). Pri toj temperaturi sučvrsta i tekuća faza u ravnoteži.

Iznad tekućine uvijek se nalazi određeni broj čestica uIznad tekućine uvijek se nalazi određeni broj čestica uplinovitom stanju - tekućina ima tlak para. Tlak parauvijek raste s porastom temperature. Tlak pare jepokazatelj relativne jakosti međumolekulskih sila utekućinama.

Para je plinovito stanje tvari koja je pri sobnojtemperaturi i normalnom tlaku u tekućem agregacijskomstanju.


Vrelište je temperatura pri kojoj tlak para tekućinedostigne vrijednost tlaka okoline. Znači, vrelište ovisi ovanjskom (atmosferskom) tlaku plina. Normalnovrelište tekućine je temperatura pri kojoj tlak paratekućine dostigne vrijednost tlaka okoline odtekućine dostigne vrijednost tlaka okoline od101 325 Pa.

Tekućine koje imaju veći tlak para imaju niževrelište. Ako su privlačne sile među česticama vrloslabe (npr. I2) tada tvar ima visok tlak para i sublimira.

( i 18 oC) / kP t / oCp (pri 18 oC) / kPa tv / oCH5C2OC2H5 53,3 34,6H2O 2,1 100


9

Fazni dijagramFazni dijagram prikazuje stanje tvari pri nekoj temperaturi i tlaku.

Fazni dijagram vode pri tlaku od 101325 Pa(≈ 10-1 MPa) led se tali na

tekućina

tvar

( )0 oC i voda vrije na 100 oC.

linija taljenja, linija vrenja i linijasublimacije sastaju se u jednojtočki koja se naziva trojna točkai pri toj vrijednosti temperature itlaka koegzistiraju sva triagregacijska stanja vode (sve tri

plin

čvrs

ta

agregacijska stanja vode (sve trifaze su u ravnoteži).

na velikim visinama gdje jevanjski tlak niži od 10-1 MPa vodavrije na nižim temperaturama.


Fizikalno stanje sustava je funkcija tlaka itemperature.

Među tvarima u raznim agregacijskim stanjima mogućisu prijelazi, ali i uspostavljanje ravnoteže međupojedinim stanjima.

Agregacijsko stanje tvari može se promijenitipromjenom tlaka ili temperature.


10

Č

sublimacija

Temperatura

Plin

Tekućina

Čvrsta tvar

taljenje

očvršćivanje(kristalizacija)

isparavanje

kondenzacija(ukapljivanje)

kondenzacija u čvrsto stanje


kondenzacija u čvrsto stanje

Temperatura

Granični slojevi dviju faza bitno se razlikuju u fizikalnokemijskim svojstvima od slojeva u unutrašnjosti faza.

U unutrašnjem je sloju svaka molekula okruženaj d i l k l či išt

Površinska napetost

ravnomjerno s drugim molekulama čime se poništavanjihovo međusobno djelovanje. Privlačne sile molekulakoje se nalaze na površini tekućine nisu uravnotežene,jer na njih djeluju privlačne sile koje ih nastoje pokrenutiu unutrašnjost, odnosno središte tekućine.


11

Zato na površinu tekućine utječe sila koja nastojismanjiti te privlačne sile, a naziva se površinskanapetost.Zbog površinske napetosti se molekule na površini jačebij j t k i ži t j k li (k i t lj izbijaju te npr. kapi žive stvaraju kuglice (kao i rastaljeni

metali), neki lagani insekti mogu hodati po vodi, na njojmože plivati igla za šivanje i sl.


Koeficijenti površinskih napetosti nekih tekućina

Tekućina H5C2OC2H5 CS2 H2O Hg

σ / Nm−1 0,017 0,034 0,073 0,38

meniskusH2O


Hg

12

Ispravno očitanjevolumena

V ≈ 53 cm3 (V = 52,7 cm3)

Pranje detergentima - smanjenje napetosti na granici


faza mast – tekućina; molekule detergenta zbog svojegrađe nakupljaju se na površini nečistoće i smanjujupovršinsku napetost.

Posljedica površinske napetosti su adhezija (privlačnesile između različitih molekula) i kohezija (privlačne sileizmeđu sličnih molekula).

meniskus


Kada je adhezija (sila izmeđučestica tekućine i stjenke) većaod kohezije tekućina se penjeuz stjenke kapilare.

Kada je kohezija (sila međučesticama iste tvari) veća odadhezije uočava se smanjenjenivoa tekućine u kapilari.

13

Postoje tri vrste faza koji se ne uklapaju dobro u shemučvrstog, tekućeg i plinovitog agregacijskog stanja:

Plazma, staklo i tekući kristali

g g p g g g j g jplazma, staklo i tekući kristali.

Plazma je ionizirani plin koji ima barem jedan elektronodvojen od dijela svojih atoma ili molekula. Zbogslobodnih nabijenih čestica plazma je dobar vodičelektrične struje i snažno reagira na električno imagnetsko polje. Plazma se nalazi u ispušnim cijevimaraketa, atmosferi Zvijezda itd.


Stakla su pothlađene tekućine, tj. tekućine koje su nagloohlađene ispod temperature očvršćivanja, ali nisuiskristalizirale, pa su čestice stakla u slučajnom neredu(uređenju kratkog dosega). Staklo je amorfan materijal,dakle bez oblika a sastoji se od smjese oksida Staklodakle bez oblika, a sastoji se od smjese oksida. Staklosu proizvodili Egipćani već 3400 g. pr.n.e.

Tekući kristali teku poput običnih tekućina, ali senjihove molekule povezuju u jata u dvije dimenzije, paimaju određenu strukturu i na taj način u dvije dimenzijepokazuju anizotropna svojstva (rastavljaju zrakusvijetlosti u dvije polarizirane zrake što je svojstvo svihkristala, osim kubičnih). Koriste se u elektronici zabrojčanike, računala i sl.


14

Plinski zakoni iPlinski zakoni i jednadžba stanja

idealnog plina

Idealan plin – jedinke (atomi ili molekule) ne zauzimajuvolumen, a van der Waalsove sile između njih nepostoje Idealan plin se ne može pretvoriti u tekuće ilipostoje. Idealan plin se ne može pretvoriti u tekuće iličvrsto stanje.

Plin koji nema takove osobine naziva se realan plin. Onse može pretvoriti u tekuće ili čvrsto stanje u kojima suvan der Waalsove sile znatno veće.


van der Waalsove sile znatno veće.

15

Realni plin može se ukapljiti u uvjetima izraženijegdjelovanja međumolekulskih sila, a to su visok tlak iniska temperatura. Pri tim uvjetima znatno se smanjujeki tičk ij č ti likinetička energija čestica plinova.

Kada ne vladaju uvjeti niske temperature i visokog tlaka,ponašanje realnog plina može se aproksimirati sidealnim.


4 parametra koji određuju plinsko stanje tvari sukoličina tvari (n), tlak (p), volumen (V) i temperatura (T).

R. Boyle i E. Mariotte (1662. g.)

Volumen plina pri stalnoj temperaturi obrnuto

Boyle-Mariotteov zakon

Volumen plina pri stalnoj temperaturi obrnutoproporcionalno se mijenja sa tlakom

p · V = konst (T n = konst )

pkonst.V =


p · V = konst. (T, n = konst.)

16

J. A. Charles (1787 g.) i J. L. Gay-Lussac (1802. g.)

Charles-Gay-Lussacov zakon

Pri stalnom tlaku i stalnoj množini plina volumen plinaraste (ili pada) za 1/273,15 volumena pri 0 oC, kadatemperatura poraste (ili pada) za 1 oC.

V = konst. · T (p, n = konst.);


p = konst. · T (V, n = konst.).

tVVV oo C 273,15 o+= t

C 273,15ppp o

oo +=


t = −273,15 oC ⇒ apsolutna nula

17

Jednadžba stanja idealnog plina

konst Tnkonst

n.konstV ⋅=

pkonst.V =

pV Tnkonst. ⋅⋅=

T.konstV ⋅=

p · V = n · R · T


jednadžba stanja idealnog plina

Jednadžba stanja idealnog plina

p · V = n · R · T

R = 8,314 J mol−1 K−1 = 8,314 Pa m3 mol−1 K−1

- opća plinska konstanta

Volumen 1 mola plina pri normalnim okolnostima,To = 273,15 K i po = 101 325 Pa, naziva se molarni


volumen i izračunat pomoću opće plinske jednadžbeiznosi 22,4 dm3 mol−1.

18

normalne okolnosti: To = 273,15 K; po = 101 325 Pa

Preračunavanje volumena plina na normalne okolnosti

11 Vp ⋅ 22 Vp ⋅

za n1 = n2

o

1

111 TR

Vpn⋅

=

2

22

1

11T

VpT

Vp ⋅=

⋅

oo VpVp ⋅⋅

2

222 TR

Vpn⋅

=

oo VpVp ⋅⋅


za n = nooTR

VpTRVp

⋅=

⋅⇒ ⇒

TT

ppVV

o

oo ⋅⋅=

oTVp

TVp=

Primjena opće plinske jednadžbe pri određivanju relativnih molekulskih masa

1 Određivanje M plinovitih tvari ili tvari koje se mogu1. Određivanje Mr plinovitih tvari ili tvari koje se moguprevesti u parno stanje

MTRmVp ⋅⋅

=⋅;Mmn = ⇒TRnVp ⋅⋅=⋅

TRmM ⋅⋅=

⇒


pTRM ⋅

⋅ρ=2. Određivanje Mr plina

VpM

⋅

19

van der Waalsova jednadžba

Za realne plinove potrebito je izvršiti ispravak jednadžbestanja idealnog plina s obzirom da je mjereni volumen veći

( ) TRnbnVVanp ⋅⋅=−⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+ 2

2

nego volumen kojim raspolažu molekule, a i zbog privlačnihsila među molekulama mjereni tlak je nešto manji.


van der Waalsove konstante a i b u van der Waalsovojjednadžbi mogu se pronaći u literaturi i karakteristične suza svaki plin.

J . Dalton (1801. g.)

Daltonov zakon parcijalnih tlakova – u plinskoj smjesi

Parcijalni tlak komponenata plinske smjese

p j p j jsvaka vrsta molekula plina tlači kao kad bi bila sama, aukupan je tlak zbroj tlakova svakog pojedinog plina usmjesi.

p = p1 + p2 + ….+ pn.


+ =

struktura čistih tvari - ttf.unizg.hr · molekule plina su slobodne ikreću se prostorom koji je...

Documents