Skupenské stavy látek
Mezimolekulární síly
1
Interakce iont-dipól
• Např. hydratační (solvatační) interakce mezi Na+ (iont) a molekulou vody (dipól). • Jde o nejsilnější mezimolekulární (nevazebnou) interakci.
Interakce dipól-dipól
• Interakce mezi dipóly dvou stejných nebo i různých polárních molekul. • Slabší než interakce iont-dipól.
2
Disperzní síly (Londonovy, indukované dipóly)
• Nejslabší mezimolekulární interakce. • Fluktuací elektronů v elektronových obalech vznikají okamžité dipóly, které indukují vznik dipólu v okolních molekulách. • Polarizovatelnost je míra snadnosti s jakou se v elektronovém obalu indukují dipóly. U atomů obvykle roste s počtem elektronů, resp. s molární hmotností.
Vodíková vazba • • -
Speciální případ dipól-dipólové interakce. Velmi silná interakce, nejsilnější z tzv. van der Waalsových interakcí (vodíková vazba, dipól-dipól, Londonovy síly). Vodíková vazba se projevuje u molekul kde je H vázán na elektronegativní prvek (zvláště F, O, N).
Srovnání bodů varu podobných sloučenin prvků 4.-7. periody
3
Vodíková vazba, srovnání vazebných sil a intermolekulárních interakcí
• •
K vypaření 1 molu vody je třeba 41 kJ (intermolekulární) K rozrušení všech vazeb O-H v 1 molu vody je třeba 930 kJ (intramolekulární)
Anomální vlastnosti vody: hustota
Maximum hustoty 40C
Důsledek: led má nižší hustotu než kapalná voda
4
Kvalitativní odhad mezimolekulárních interakcí Př.: Jaký typ nebo typy mezimolekulárních interakcí se uplatňují u následujících látek?
HBr CH4 HF SO2
S O
O
Změna skupenství: fázový diagram Fázový diagram vymezuje podmínky za kterých látka existuje v tuhé, kapalné popř. plynné fázi. Fázový diagram CO2 při 1 atm CO2 (s) CO2 (g)
5
Křivka zahřívání
Vlastnosti plynů • • • • •
Zaujímají objem a tvar nádoby. Jde o nejstlačitelnější formu hmoty. Všechny plyny jsou navzájem zcela mísitelné. Hustota plynů je nižší než kapalin nebo tuhých látek. Stlačitelnost plynů v závislosti na teplotě popisuje stavová rovnice ideálního plynu:
PV = nRT n: látkové množství, R: plynová konstanta (8.314 J·K-1·mol-1) • Př.: Argon je inertní plyn používaný v žárovkách k ochraně vlákna před vypařením. Žárovka, která obsahuje argon při 1.20 atm a 18°C, je zah řáta na 85°C. Jak se přitom změní tlak argonu (v atm)?
6
Vlastnosti kapalin: povrchové napětí Povrchová energie je energie potřebná ke zvětšení povrchu kapaliny o jednotkovou plochu.
Čím silnější jsou mezimolekulární interakce, tím vyšší je povrchová energie, resp. povrchové napětí.
Vlastnosti kapalin: smáčení Kapilární elevace (smáčení, převládají adhezní síly) nastává pokud molekuly kapaliny a materiálu mají podobný charakter. Kapilární deprese (nesmáčení , převládají kohezní síly) nastává při značné odlišnosti charakteru molekul kapaliny a materiálu.
7
Vlastnosti kapalin: viskozita Viskozita je měřítkem odporu kapaliny k toku. Čím silnější jsou mezimolekulární interakce, tím vyšší je viskozita.
Vlastnosti kapalin: tenze Tlak nasycené páry (tenze) je tlak páry v rovnovážném systému ve kterém látka existuje v kapalné i plynné fázi. H2O (l)
počátek
H2O (g)
rovnováha
8
Vlastnosti kapalin: bod varu
Bod varu je teplota při které se tlak nasycené páry vyrovná vnějšímu tlaku.
Tuhé látky: struktura Krystalická tuhá látka vykazuje rigidní prostorové uspořádání atomů, molekul nebo iontů. V krystalu se opakuje tvar elementárního rovnoběžstěnu (jednotkové/základní buňky). V uzlových bodech jsou atomy, molekuly nebo ionty
uzlový bod mřížky
jednotková buňka a její opakování ve 3D
9
Základní typy jednotkových buněk
Variace základních tvarů: kubická mřížka
10
Určení struktury krystalů: rentgenová difrakce
Braggova rovnice
rozdíl vzdáleností =BC + CD = 2d sinθ = nλ
11
Difrakce: příklad Rentgenové paprsky o vlnové délce 0.154 nm se odrážejí od krystalu pod úhlem 14.170 (pro n = 1). Jaká je vzdálenost (v pm) mezi stěnami jednotkové buňky v krystalu?
n λ = 2d sin θ
d=
n=1
θ = 14.170 λ = 0.154 nm = 154 pm
nλ
1 x 154 pm = 314.0 pm 2 x sin14.17
2sin θ
=
Tuhé látky: iontové krystaly • • • •
V uzlových bodech mřížky anionty a kationty Silné elektrostatické interakce (iontová vazba) Obvykle tvrdé, křehké, vysoký bod tání Špatné vodiče tepla a elektřiny
CsCl
ZnS
CaF2
12
Tuhé látky: kovalentní krystaly • • • •
V uzlových bodech mřížky atomy Pevné kovalentní vazby Obvykle tvrdé, vysoký bod tání Špatné vodiče tepla a elektřiny atomy uhlíku
diamant
grafit
Tuhé látky: molekulové krystaly • • • •
V uzlových bodech mřížky molekuly Slabé mezimolekulární interakce Obvykle měkké, nízký bod tání Špatné vodiče tepla a elektřiny
13
Tuhé látky: kovové krystaly • • • •
V uzlových bodech mřížky atomy kovu Kovová vazba mezi atomy Různá tvrdost i body tání Dobré vodiče tepla a elektřiny Průřez krystalem kovu jádro a vnitřní elektrony
mobilní “elektronový oblak” z valenčních elektronů
Krystalové mřížky kovů
14
Amorfní látky V amorfní tuhé látce nelze najít opakované, dobře definované prostorové uspořádání. Prostorovou strukturou se podobají amorfní tuhé látky kapalině. Na křivce zahřívání nevykazují bod tání (tají v rozmezí teplot).
krystalický křemen (SiO2) nekrystalické křemenné sklo
Vysokoteplotní supravodiče
15
