Stany skupienia materii
1. Struktura i własności ciał stałych
W kryształach atomy/grupy atomów/cząsteczki są ułozone w ten sposób, że ich ukłąd się powtarza. Tworzą przez to sieć krystaliczną.
1.1 Monokryształy
Monokryształ – ciało mające jednolitą strukturę wewnętrzną o określonej symetrii
Charakterystyczna cecha – anizotropia. Mówi ona o tym, że własności kryształu różnią się w zależności od jego kierunku.
1.2 Polikryształy
Polikryształ – ciało składające się z licznych małych kryształków zrośniętych przypadkowo pod różnymi kątami
Przez to losowe ustawienie, właściwości polikryształów są takie same we wszystkich kierunkach, dlatego nazywamy je izotropowymi. Większość spotykanych na codzień ciał stałych, to polikryształy.
1.3 Szczególne kryształy
Struktura kryształu zalezy od geometrzycznych możliwości ustawień cząsteczek zależnych od ich promienia.
Strukturę najgęstszego upakowania kul otrzymujemy wtedy, kiedy aniony i kationy w krysztale znajdują się jak najbliżej siebie. Dobrze jest, gdy różnica promieni cząsteczek jest duża, tak że np. aniony wchodzą pomiędzy kationy, które praktycznie stykają się ze sobą. Układy cząsteczek powtarzają sie w różnych zależnościach między sobą, dzięki czemu możemy wyróżnić kilka cząsteczek krystalicznych.
Struktura upakowanych kul nie może być stosowana do diamentów, stali miękkiej czy kryształu lodu.
2. Struktura cieczy i ciał bezpostaciowych
O ile w kryształach występuje tzw. uporządkowanie dalekiego zesięgu (struktura jest sztywna), o tyle w cieczach występuje uporządkowanie bliskiego zasięgu, czyli każda cząsteczka “kontroluje” tylko kilka cząsteczek wokoł siebie.
Istnieją również ciała bezpostaciowe, czyli ciała stałe, których struktura wewnętrzna odpowiada cieczy. Może to wystąpić np. przy szybki zamrożeniu cieczy, kiedy struktura krystaliczna nie zdąża się uformować. Ciałą te nie mają określonego punktu topienia, zwykle z czasem przechodzą w stan krystaliczny. Są nimi na przykład:
cukier (w cukierku szklisty, potem wykształcają się krzyształki)
miód (ulega scukrzeniu)
szkło (matowieje, ponieważ powstają w nim drobne kryształki)
3. Sily powierzchniowe w cieczach
3.1 Napięcie powierzchwniowe
Cząsteczki na powierzchni mają większą energię potencjalną niż te w środku, ponieważ oddziaływanie międzycząsteczkowe dziłą na nie tylko z dołu, od strony cieczy. Przez to cząsteczki będące na zewnątrz dążą do tego, aby jak najbardziej ścisnąć się z cieczą. Dlatego krople wody mają kształt kulisty.
Napięcie powierzchniowe to stosunek wartości siły, jaką warstwa powierzchniowa cieczy działa na ograniczającą ją krawędź, do długości krawędzi i wyznacza się ją wzrorem:
F=2σl
gdzie σ to napięcie powierzchniowe i dla wody 20st C wynosi 72,7*103 N/m
3.2 Menisk i zjawisko włosowatości.
Gdy wydoa przyściance naczynia jest podniesiona lub opuszczona jest to kolejno menisk wklęsły i menisk wypukły. Kąt między meniskiem a ścianką to kąt zwilżania.Gdy jest mniejszy od 90 (menisk wklęsły) mówimy, że ciecz zwilża ściankę naczynia. O tym, jaki wystepuje typ menisku, decyduje siła oddziaływania cząsteczek cieczy z cząsteczkami ścianki naczynia (jeśli hest większa niż oddziaływanie cząsteczek cieczy między sobą, to menisk jest wklęsły).
Ciśnienie warstwy powierzchniowej na ciecz przy menisku wynosi:
p=-(2 σ cos V)/r
gdzie V to kąt przy menisku (gdy menisk jest wklęsły, ciśnienie jest ujemne, gdy wypukły, dodatnie)
Ciśneinie to, przesuwa równowagę cieczy w bardzo wąskich rurkach (naczyniach włosowatych, lub kapilarnych). Jesli taką rurkę zanucrzymy w cieczy, ktora ją zwilża, poziom w niej będzie wyższy, a gdy w takiej, ktora jej nie zwilza – odwrotnie. Możemy zobaczyć jak wysoko podneisie się ciecz w takim naczyniu:
Aby była równowaga,
p=ρgh
musi być równe
p=-(2σcos V)/r
więc
ρgh-(2σcos V)/r=0
czyli
h=(2σcos V)/(ρgr)
Zjawisko higroskopijności tłumaczy się naczyniami włosowatymi.
4. Pary i parowanie
4.1 Parowanie
Parowanie zachodzi w każdej temperaturze, przy wzroście temperatury wzrasta jego szybkość.
Parowanie ciał stałych to sublimacja.
Szybciej parują substancje, których cząsteczki przyciągają się z mniejszą siłą, np. kryształy organiczne. Zdolność oderwania się cząsteczki od reszty substancji jest determinowana jej energią kinetyczną, która potrzebna jest, aby cząsteczka pokonała siły przyciągania reszty cząsteczek. Energia ta wzrasta, jeśli temperatura jest wyższa. Przy parowaniu, z ciała uciekają cząsteczki o najwiekszych energiach kinetycznych, przez co energia ciała się zmniejsza i ciało się ochładza.
4.2 Równowaga
Jeśli parującą ciecz zamkniemy w naczyniu, jej częśc pozotanie w fazie ciekłej, a część w gazowej, czyli ciecz bedzie w stanie równowagi. Jest to równowaga dynamiczna, ponieważ cały czas część cząsteczek bedzie parować a część kondensować, w tym samym czasie. Para w tej sytuacji jest parą nasyconą, czyli fazą gazową, zawierającą cząsteczki cieczy, będącą w stanie równowagi dynamicznej z cieczą. W parze nie moze się wtedy zmieścić już więcej cząsteczek cieczy. Jej gęstość rośnie ze wzrostem temperatury. Jeśli gęstość cząsteczek jest mniejsza niż w parze nasyconej, jest to para nienasycona (odkrywcze).
W ten sposób powstaje rosa, albo woda na szybie, gdy nagle obniza sie temperatura powietrza o dużym nasyceniu cząsteczkami wody.
4.3 Wilgotność bezwzględna
Wilgotność bezwględna to masa pary wodnej w m3 powietrza w danej temperaturze. Np. w temperaturze 10 st C para jest nasycona przy 10 g/m3, a przy 20 st C, 10g/m3 nie jest parą nasyconą.
Punkt rosy, to temperatura, w której para wodna zawarta w powietrzu zaczyna się kondensować.
4.4 Wilgotnosć względna
Wilgotonść względna to stosunek wilgotności bezwględnej powietrza do gęstości pary nasyconej, w danej temperaturze. Czyli np. 10 g/m3 w temp 20 st C, gdzie gęstość pary nasyconej wynosi 17,3 g/m3, ozncza, ze wilgotność względna jest równa 10/17,3*100%=57,8%.
5. Przemiany fazowe
5.1 Przemiany
Przemiany stanu skupienia to: topnienie, wrzenie, skraplanie i krzepnięcie, sublimacja i resublimacja. Stan skupienia zależy od temperatury i ciśnienia oddziałujących na ciało.
Gdy przy przemianie fazowej następuje zmiana struktury, nazywamy je przejściem fazowym pierwszego rodzaju. Jeśli zachodzą bardziej subtelne zmiany, a ułoiżenie atomów się nie zmienia, jest to przejście fazowe drugiego rodzaju.
5.2 Topnienei i krzepnięcie
Przy dostarczaniu energii do ciała stałego, przekształaca się ona na energię kinetyczną czasteczek w strukturze krystalicznej, które zaczynają poruszać się coraz szybciej i osłabiać wiązania. Potem odrywają się i ciało zmienia swój stan skupienia. Jesli w wyniku osłabienia wiązań zniszczone zostanie tylko uporządkowanie dalekiego zasięgu, ciało zamieni się w ciecz, a jeśli znicszczone zostnie eż uporządkowanie bliskiego zasięgu, zamieni się w gaz.
Gdy dostarczamy ciepło to ciała tmeperatura wzrasta aż do temperatury topnienia, gdzie zatrzymuje się na czas topnienia ciała, kiedy współisteniją fazy ciekła i stała. Potem po całkowitej przemianie, temperatura nadal wzrasta. Ciepło topnienia oznaczamy ct [J/kg]. Ciepło potrzbne to stopienia masy m, to
Q=mct
Proces krzepnięcia jest procesem odwrotnym. Jeśli w jego czasie tworzy się kryształ, nazywamy go krystalizacją.
5.3 Wrzenie i skraplanie
Wrzenie to gwałtowne parowanie z całej objętości. Zachodzi przy osignięciu odpowiedniej temperatury i jest analogią procesu topnienia. Konieczne jest stałe ciśnienie zewnętrzne panujące nad powierzchną cieczy.
Przy wzroście temperatury wzrasta objętość pęcherzyków z parą nasyconą w cieczy i wypływają one na wierzch (stąd bulgotanie).
Warunek wypłynięcia pęcherzyka przedstawia wzór:
pp>=p0 +ρgh + 2σ/r
gdzie p0 to cisnienie atmosferyczne, pp to ciśnienie pary nasyconej wewnątrz pęchecrzyka, ρgh to ciśnieni hedrostatyczne na danej głebokości, a 2σ/r to ciśnienie napięcia powierzchniowego. Przy rozmiarach pęcherzyka rzędu kilku milimetrów można zaniedbać dwa ostatnie wyrazy, dizęki czemu powstaje nam:
pp>=p0
Wynika z tego, że jeżeli zmniejszymy ciśneinie nad wodą może ona zaczać wrzeć w o wiele niższej temperaturze niż 100 st C.
Ciepło parowania odkrywczo ma wzór podobny do ciepła topnienia:
Q=mcp
Skraplanie to odwrotność parowania.
5.5 Diagram przejścia fazowego
Jako że stan ciała zalezy od ciśnienia i temperatury można narysować krzywą, która jest zbiorem punktów przejścia między fazami. Na jednym diagramie można przedstawić krzywe przejścia między wszystkimi trzema stanami, a punkt je łączący nazywamy punktem potrójnym. Wszystkie fazy mogą w tym momencie współistnieć ze sobą. Dla wody jest to 273,16 K.
W punkcie krytycznym temperatura i ciśńienie pary nasyconej są tak duże, że nie możne odróżnić jej od cieczy, lub nawet kryształu. Przy bardzo wysokich temperaturach i ciśnienieach, istnieje stan całkowicie nieuporządkowany, który nazywamy plazmą, w której jądra atomowe są pozbawione swoichg otoczek elektronowych.
Jako, że nie chce mi się przerysowywać wykresu fazowego, ani robić mu zdjęć, oto link do niego na Wikipedii.
