Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej CHEMIA OGÓLNA WYKŁAD 3

Oddziaływania międzycząsteczkowe Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej 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.

Wiązania wodorowe mostek tlenowy wodzie wiązania wodorowe Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej Wiązania wodorowe mostek tlenowy wodzie wiązania wodorowe w strukturze DNA

Stany skupienia materii Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej Stany skupienia materii ciało stałe ciecz gaz plazma

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej

Naturalne stany skupienia pierwiastków Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej g - gas l - liquid g l Naturalne stany skupienia pierwiastków

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej Gaz Faza – cześć układu jednorodna w całej swojej objetości zarówno pod względem chemicznym, jak i fizycznym. Gaz – faza, w której energia atomów wynosi: k - stała Boltzman’a, T – temperatura bezwzględna.

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej 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.

Prawa gazu doskonałego Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej Prawa gazu doskonałego Prawo Avogadro: Jednakowe objętości różnych gazów znajdujących się pod tym samym ciśnieniem i w tej samej temperaturze zawierają jednakową liczbę cząsteczek N - liczba Avogadro 1 mol każdego gazu w warunkach normalnych (T=273,15K (00C) p= 1013,25hPa (1atm.)) zajmuje taką samą objętość

Prawo Boyle – Mariotte'a: Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej Prawo Boyle – Mariotte'a: W stałej temperaturze (warunki izotermiczne) iloczyn ciśnienia i objętości jest wartościa stałą. stąd:

Izotermy dla różnych temperatur Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej Izotermy dla różnych temperatur

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej Prawo Gay – Lussac’a: przy stałym ciśnieniu (warunki izobaryczne) objętość danej masy gazu zmienia się proporcjonalnie do temperatury. stąd:

Izobary dla różnych ciśnień Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej Izobary dla różnych ciśnień

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej Prawo Charles’a: przy stałej objętości (warunki izochoryczne) ciśnienie gazu zmienia się proporcjonalnie do zmian temperatury. stąd:

Izochory dla różnych objętości gazu Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej Izochory dla różnych objętości gazu

Równanie stanu gazu doskonałego (Clausiusa-Clapeyrona): Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej Równanie stanu gazu doskonałego (Clausiusa-Clapeyrona): p - ciśnienie [Pa], v - objętość [m3], n - liczba moli gazu [mol], R – uniwersalna stała gazowa 8.314 [Pa·m3/mol·K], T – temperatura bezwzględna [K].

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej Prawo Daltona: ciśnienie całkowite mieszaniny gazów jest sumą ciśnień cząstkowych składników. 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: oraz: Ciśnienie parcjalne (cząstkowe) gazu jest równe iloczynowi ciśnienia całkowitego i ułamka molowego tego składnika w mieszaninie gazu.

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej Dyfuzja gazów Dyfuzja jest to spontaniczne rozprzestrzenianie się cząsteczek gazu wywołane nieustannym ruchem molekularno-kinetycznym.

Prawo dyfuzji Grahama: Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej Prawo dyfuzji Grahama: u – szybkość dyfuzji, t – czas przepływu, d - gęstośc gazu, M – masa molowa.

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej Gaz rzeczywisty cząsteczki gazu rzeczywistego posiadają objętość własną, występują pomiędzy nimi oddziaływania między-cząsteczkowe, zderzenia cząstek nie są doskonale sprężyste. Gazy rzeczywiste w warunkach wysokiego ciśnienia i niskiej temperatury nie stosują się do praw gazu doskonałego.

Odchylenia od praw gazu doskonałego Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej Odchylenia od praw gazu doskonałego

Równanie stanu gazu rzeczywistego: Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej Równanie stanu gazu rzeczywistego: a, b - stałe charakterystyczne dla danego gazu, (n2a/V) - korekta ciśnieniowa, (nb) – korekta objętościowa.

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej Plazma Plasma - stan typowy dla gazów zjonizowanych. 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.

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej 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.

Napięcie powierzchniowe Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej Właściwości cieczy Napięcie powierzchniowe Siły odziałujące na cząsteczki cieczy przy powierzchni w naczyniu oraz w kropli.

Efekt występowania napięcia powierzchniowego wody. Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej Napięcie powierzchniowe – praca powtrzebna do zwiększenia powierzchni cieczy o jednostkę. Efekt występowania napięcia powierzchniowego wody.

Lepkość Rodzaje przepływu cieczy. Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej Lepkość Rodzaje przepływu cieczy.

Warstwy cieczy poruszające się w przepływie laminarnym. Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej Warstwy cieczy poruszające się w przepływie laminarnym.

Lepkość – miara oporu wewnętrznego cieczy przeciw płynięciu. Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej Siła potrzebna do nadania gradientu prędkości pomiędzy dwoma warstwami cieczy wyraża się wzorem:  - lepkość dynamiczna, A - powierzchnia, v - szybkość, x – odległość pomiędzy warstwami cieczy. Lepkość – miara oporu wewnętrznego cieczy przeciw płynięciu.

Efekt wlewania cieczy o wyższej lepkości (mleko) do wody. Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej Lepkość maleje ze wzrostem temperatury zgodnie z równaniem Arheniusa: A - stała, charakterystyczna dla cieczy, EA – 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 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.

Ciała stałe amorficzne krystaliczne ciekłe kryształy Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej Ciała stałe amorficzne krystaliczne ciekłe kryształy

ciała polikrystaliczne Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej Ciała stałe amorficzne – formy przypadkowe o chaotycznym ułożeniu atomów i cząsteczek, których nie można opisać geometrycznie Kryształ – ciało stałe, w którym cząsteczki, atomy, bądź jony są ułożone w regularnym porządku we wszystkich trzech wymiarach. Kryształy monokryształy ciała polikrystaliczne

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej Struktura kryształu 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.

Typy komórek elementarnych Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej Typy komórek elementarnych układ regularny prosty przestrzennie centrowany ściennie centrowany piryt FeS sól kuchenna NaCl

przestrzennie centrowany Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej układ tetragonalny przestrzennie centrowany prosty Sinkosyt CaV2O2(PO4)2•5H2O

układ trygonalny‏ kwarc SiO2 Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej układ trygonalny‏ kwarc SiO2

układ heksagonalny vanadyt Pb5(VO4)3Cl Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej układ heksagonalny vanadyt Pb5(VO4)3Cl

układ rombowy dwuściennie centrowany przestrzennie centrowany prosty Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej układ rombowy dwuściennie centrowany przestrzennie centrowany prosty ściennie centrowany aragonit CaCO3

układ jednoskośny prosty ściennie centrowany gips CaSO4 •4H2O Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej układ jednoskośny prosty ściennie centrowany gips CaSO4 •4H2O

układ trójskośny ortoklaz K[AlSi3O8] Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej układ trójskośny ortoklaz K[AlSi3O8]

Kryształy jonowe – węzły sieci są obsadzone przez jony. Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej Rodzaje kryształów Kryształy jonowe – węzły sieci są obsadzone przez jony. Przykład: NaCl – sól kuchenna

Kryształy kowalentne – węzły sieci są zajęte przez obojętne atomy. Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej Kryształy kowalentne – węzły sieci są zajęte przez obojętne atomy. Przykład: C - diament

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej Kryształy molekularne – węzły sieci są obsadzone przez cząsteczki powiązane: mostkami wodorowymi, np. lód.

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej 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 punktowe – defekty sieci krystalicznej takie, jak: luki elektronowe, położenia międzywęzłowe zanieczyszczenia struktury. luka elektronowa położenie międzywęzłowe zanieczyszczenie

Struktura pasm elektronowych Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej Półprzewodniki Struktura pasm elektronowych Metal Półprzewodnik Izolator pasmo przewodnictwa pasmo walencyjne pasmo wzbronione

Rodzaje półprzewodników Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej Rodzaje półprzewodników Półprzewodniki samoistne półprzewodnik typu n półprzewodnik typu p Półprzewodniki domieszkowane

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej 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.

Rodzaje ciekłych kryształów Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej Rodzaje ciekłych kryształów Faza nematyczna - cząsteczki są równoległe względem siebie lecz nie są zorganizowane w płaszczyzny.

Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej 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 – cząsteczki w poszczególnych warstwach są ułożone równolegle.

Przemiany fazowe kondensacja wrzenie Temperatura sublimacja osadzanie Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej Przemiany fazowe Temperatura Gaz wrzenie kondensacja sublimacja Ciecz osadzanie topnienie krzepnięcie Ciało stałe

 - liczba składników niezależnych,  - ilość faz. Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej 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. s - liczba stopni swobody (liczba parametrów, które można zmienić nie zmieniając ilości faz w układzie),  - liczba składników niezależnych,  - ilość faz.

Układy jednoskładnikowe Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej Układy jednoskładnikowe

Układy dwuskładnikowe Akademia Górniczo-Hutnicza, wykład z chemii ogólnej Układy dwuskładnikowe