Семинарски радПредмет: Хемија

Тема: Агрегатна стања

Ментор: Студенти:

др Татјана Голубовић, доцент Невена Николић 14144

Александра Костов 14114

Ниш, 2014.

Хемија

Садржај

Увод............................................................................................................................................................3

1. Чврсто стање материје..........................................................................................................................4

1.1. Кристално стање чврсте материје.................................................................................................4

1.2. Структура кристала........................................................................................................................5

1.3. Врсте кристала................................................................................................................................7

1.3.1. Јонски кристали.......................................................................................................................7

1.3.2. Метални кристали....................................................................................................................7

1.3.3. Ковалентни кристали...............................................................................................................8

1.4. Аморфно стање материје...............................................................................................................9

2. Гасовито стање материје.......................................................................................................................9

2.1. Гасни закони.................................................................................................................................10

3. Течно стање материје..........................................................................................................................11

Литература...............................................................................................................................................13

Хемија

УводЧовеково окружење представља различите облике материје која се вечито креће и

мења. Агрегатно стање материје може бити чврсто, течно и гасовито, а одређено је хемијским идентитетом супстанце,притиском и температуром.На собној температури и притиску неке супстанце су чврсте (злато,натриј хлорид итд.),неке су течне(жива,вода)а неке су гасови(кисеоник,угљендиоксид).Али повишењем или снижењем температуре све супстанце се могу превести у друга два агрегатна стања. Промене агрегатних стања се називају фазни прелази. Нпр. вода је на собној температури у течном агрегатном стању, а може се превести у чврсто агрегатно стање на температури нижој од 0°С,или превести у гас повишењем температуре изнад 100°С при нормалном атмосферском притиску.

Хемија

1. Чврсто стање материје

Тела која се налазе у овом агрегатном стању имају сталан облик и запремину. Атоми и молекули чврстих тела осцилују око тачно одређених равнотежних положаја. Енергија узајамног деловања честица много су веће од средње енергије њиховог топлотног кретања.

Тела у чврстом стању могу бити кристална и аморфна. У кристалним телима атоми су правилно распоређени у простору и само осцилују око равнотежних положаја. У аморфним телима честице исто осцилују око равнотежних положаја, али је њихов просторни распоред неуређен.

Слика 1. Чврсто стање материје (коцка леда)

Постоје два облика чврстог стања материје:

Кристално и Аморфно

1.1. Кристално стање чврсте материје

Кристално стање се сматра правим чврстим стањем јер у природи већина чврстих супстанци има кристалну структуру. Код кристалног стања честице су на малим растојањима, за разлику од гасовитог где су молекули на великим растојањима и интерагују тек у тренутку судара. У кристалном стању је доминантан утицај њихових међусобних сила, сто резултира минималном количином енергије по честици.

Честице које изграђују кристал могу бити: атоми, атомске групе, молекули или јони и правилно и периодично су распоређене у простору тако да образују тродимензионалну решетку која се зове решетка кристала или кристална решетка. Везе које се јављају између изграђивачких честица у кристалу су:

Ковалентне; Јонске; Водоничне; Металне и Ван дер Валсове.

4

Хемија

1.2. Структура кристала

Кристална структура је карактеристика чврстих тела, која је одређена правилном структуром честица од којих је тело грађено. Оваква чврста тела чији су атоми или атомске групе правилно просторно распоређене називамо кристалима.

Кристали могу бити веома мало, да се не могу видети голим оком или већи кристали који се јасно виде. Структурне честице које изграђују кристал називају се структурне јединице или елементи и могу бити: атоми, атомске групе, молекули или јони. Распоређени су у чворовима кристалне решетке и граде одређену геометријску конфигурацију. Најједноставнији распоред јединичних ћелија у кристалу је геометријска структура основна кубична (коцка) где су све ивице и сви углови исти. Јединице кристала које садржи најмањи могући број структурних јединица или елемента назива се јединична или елементарна ћелија кристала. Она представља основни паралелопипед одређен са три вектора (а,б,ц). Правилности просторне распоређености атома се изражавају и код екстерних особина кристала, нпр. код кристала натријум хлорида (кухињске соли). Видљиво је да сваки кристал натријум хлорида представља готово савршену коцку. У овом случају се та правилност протеже на велики део, односно на цели комад испитиваног материјала, па се та особона назива макрокристалношћу, а материјал - монокристал. У противном случају тј. када се правилност протеже на малу област материјала, тада кристалност постоју у малим размерама па се особина назива поликристалношћу, а материјал - поликристал. Кристална структура даје чврстим материјалима већу механичку чврстину, док са друге стране неправилна (аморфна) структура утиче на жилавост. Процес промене агрегатног стања супстанце, из течног у чврсто, при чему долази до формирања кристала који имају правилну структуру се назива кристализација.

Слика 2. Кристална структура Натријум-Хлорида. Слика 3. Проста решетка

5

Хемија

Основне кристалне решетке:

6

Хемија

1.3. Врсте кристала

На основу природе хемијских веза и међумолекулских сила којима се изграђује кристал разликују се јонске, ковалентне, металне и молекулске структуре.

1.3.1. Јонски кристали

- у чворовима кристалне решетке јони,

- јонска веза,

- велике тврдине,

- слабо испарљиви,

- високе тачке топљења,

- Пример : флуориди и хлориди алкалних метала,

- Тачка топљења нижа и тврдина мања код кристала које садрже многоатомске јоне у односу на оне са простим јонима ( нпр. температура топљења натријум хлорида (НаЦл) 801°Ц, а натријум нитрата (НаНО3) 311°Ц).

Слика 4. Натријум-хлорид Na+, Cl-

1.3.2. Метални кристали

Метали имају низ специфичних особина, као што су добра проводљивост електричне струје и топлоте, висок сјај, тврдина, висока тачка топљења, а које су објашњене зонском теоријом. У кристалној решетки метала катјони су у чворовима кристалне решетке, а електрони се налазе у одређеним енергетским тракама или зонама.

Ширина забрањене зоне између валентне и проводне зоне је мала тако да електрони могу уз малу енергију да пређу у проводну зону у којој се понашају делокализовано, што објашњава велику електричну и топлотну проводљивост метала. Елементи смештени на левој страни и у средини периодног система су метали и имају овај тип кристалне решетке.

7

Хемија

1.3.3. Ковалентни кристали

Ковалентни кристали се састоје од мреже атома који се држе јаким поларним и неполарним ковалентним везама, високе тачке топљења и сублимације, ниска електрична проводљивост (сем угљеника), веома тврди.

Дијамант:

Угљеник има четири неспарена електрона помоћу којих може да гради четири електронска пара са другим атомима угљеника. Сва растојања између угљеникових атома су једнака и износе 0,153 нм. Пошто су углови између атома исти, угљеникови атоми су распоређени у облику тетраедра у чијем средишту се налази такође угљеников атом , док су друга четири распоређена по теменима тетраедра.

Слика 5. Структура дијаманта

Графит:

Друга алотропска модификација угљеника, има специфичну кристалну структуру. Угљеникови атоми образују шесточлане прстенове који су распоређени у паралелним равнима (слојевима). Веза између Ц атома у слојевима је јака ковалентна веза, са растојањем између суседних угљеникових атома од 0,145 нм. Између слојева, међутим, делују слабе Ван дерВалсове силе, тако да је растојање између њих 0,341 нм. Овај тип решетке представља слојевиту решетку која графиту даје специфичне особине. Графит је веома мек и слузи за подмазивање, за разлику од дијаманта који има атомску кристалну решетку.

Слика 6. Структура графита

8

Хемија

1.4. Аморфно стање материје

Аморфне супстанце немају одређен кристалан облик и немају оштру тачку топљења. Аморфне супстанце при загријавању најпре омекшају, а затим постају течне и немогуће је код њих установити прелазак из једног агрегатног стања у друго.

Аморфне супстанце подсјећају на течности, код који је вискозитет хлађењем јако увећан. Оне се могу сматрати као подхлађене течности,чије честице имају врло смањено кретање (нпр., стакло, смола и др.). Стога би се као чврсте супстанце могле да сматрају само кристалне супстанце. Многе на изглед аморфне супстанце у свари су кристалне, али су им кристали врло ситни.

2. Гасовито стање материје

Просечна енергија по молекулу гаса (честици) много је већа од енергије која одговара енергији међумолекулских интеракција, молекули се крећу слободно, праволинијски различитим брзинама између два судара са другим молекулима али и са зидовима суда у коме се налазе. Растојања између молекула гаса димензијама самих молекула гаса су велика тако да је запремина која заузимају сами молекули гаса мала у поређењу са укупном запремином коју заузима гас,док су судари између молекула еластични. Између молекула гаса постоји знатан слободан простор чије постојање је разлог њихове велике стишљивости. Ово представља идеално стање гаса које у ствари представља скуп материјалних тачака (честица) занемарљивих запремина које због великих растојања међусобно не реагују, и које се непрекидно хаотично крећу у свим правцима.

Идеално гасно стање материје описује се параметрима стања,као сто су притисак,запремина,температура и количина супстанце ( број молова). Гасни закони ,који су формулисани још у седамнаестом веку, и затим уопштених у једначину стања, дају везу између ових параметара.

Реални гас чине молекули који имају реалну запремину и између молекула постоје међумолекулске привлачне силе. Реални гасови се у одређеним условима понашају слично идеалном гасном стању, па се може наћи аналогија између реалног и идеалног гасног стања да би се дефинисало стање гаса.

9

Хемија

2.1. Гасни закони

Бојл-Мариотов закон

Дефиниција Бојл-Мариотовог закона је да за одређену количину гаса при константној темеператури, запремина гаса је обрнуто пропорционална притиску под којим се гас налази.

P1*V1 = P2*V2 односно P1/P2 = V1/V2

На константној температури производ притиска и запремине одређене количине гаса је константан,односно:

PV = const. на T = const.

Геј-Лисаков закон

Повећањем температуре одређене количине гаса долази до повећања запремине гаса, при константном притиску.

V1/T1 = V2/T2 или V1*T2 = V2*T1

Температура се изражава као термодинамичка температура, а јединица је келвин [K]. Температура од 0К назива се апсолутна или термодинамичка нула и њена вредност износи -273,15°С.

Шарлов закон

Повећањем температуре одређене количине гаса долази до повећања притиска гаса при константној запремини.

P1/T1=P2/T2 или P1*T2=P2*T1

При нормалним условима: температура износи 273,15 К, притисак 101,325 кРа, запремина 22,4 dm3.

Авогадров закон

При константном притиску и температури запремина неког гаса директно је пропорционална броју молекула гаса.

V=const. n n=N/NA или n=m/MПри нормалним условима Авогадров број износи 6,023 * 1023 молекула.

Комбиновањем предходних закона добија се једначина идеалног гасног стања или Клајперонова једначина:

PV = nRT, R- 8,314 кРа*dm3/mol*K

10

Хемија

3. Течно стање материје

Код гасова су молекули јако удаљени један од другог, те су привлачне силе између њих врло слабе. У чврстом стању атоми и молекули се држе у тачно одређеном положају помоћу кулонових сила и они имају правилан распоред. Код течности, међутим, силе привлачења су недовољно јаке да би се молекули држали у одређеним положајима, али су довољне да спријече одлажење молекула са површине течности

Код течности постоји узајамна зависности између честица што је већ извјестан степен сређености. Када се течност приближава температури мржњења, унутрашња структура се све више сређује. Напротив, када се течност приближава температури кључања, све је већи неред у распореду честица. Течно стање је, према томе, прелазно стање између чврстог и гасовитог.

На молекул који се налази у унутрашњости течности дјелују привлачне силе свих молекула који га окружују и он је изложен подједнако привлачењу са свих страна. Међутим, ако се молекул налази на површини течности бива привлачен само према унутрашњости течности. Ефекат сила привлачења према унутрашности огледа се у појави површинског напона. Цијела површина течности налази се под извјесним напоном. То је тзв. површински напон. Овај површински напон опада с порастом температуре; на критичној температури раван је нули и тада су течна и гасовита фаза идентична.

Течности имају одређену запремину, а немају одређен облик. Оне имају већу густину од гасова, јер су им молекули ближи једни другима. Брзина кретања молекула течности је мања него код гасова, и поједини молекули се не крећу истом брзином. Молекули који имају брзину кретања већу од средње брзине молекула и према томе, већу кинетичку енергију, могу да савладају привлачне силе околних молекула из течности смањује се кинетичка енергија течности и она се хлади, или ако се не хлади, она узима одговарајућу количину топлотне енергије из спољне средине.

Простор изнад течности садржи молекуле паре течности и ови су у сталном кретању као гасни молекули. Неки од молекула се приближе површини течности, она их привуче и они продру у течности. Молекули који продру у течност, усљед велике брзине кретања, повећавају кинетичку енергију течности. Зато се при кондензовању гасова ослобађа топлота. Тако настаје стална измјена молекула између течности и паре. Када је концентрација паре већа, врати се у течност у јединици времена већи број молекула. Када при сталној температури број молекула који испари у јединици времена постане једнак броју молекула који кондензује, настаје динамичка ревнотежа, па кажемо да је пара засићена. Тежња течности за испаравањем, чије је мјерило притисак који врши засићена пара на течности, назива се напон паре дотичне течности. За одређену течност напон паре зависи само од температуре. Он је већи, што је температуре већа.

Испаравање је, према томе у сагласности са кинетичком теоријом гасова, излажење брзих молекула течности. Стога сви фактори који повећавају брзину кретања молекула, помажу процес испаравања. Овај процес потпомаже у првом реду топлота. Топлотна енергија се претвара у кинетичку енергију и молекули се брже крећу. На тај начин загријавањем се повећава број брзи молекула, који су у стању да из течности изађу. Када температуре расте, а површина течности је недовољна да пропусти све најбрже молекуле,

11

Хемија

стварају се у течности мехурићи паре, који имају притисак једнак атмосферског притиска. Са повећањем температуре, дакле, расте напон паре и на температури кључања течности, њен напон паре једнак је притиску, који споља дјелује на њену површину. Мјехурићи паре, као лакши од течности, пењу се на површину течности и излазе у облику паре. При даљем загријавању течности испарава, док сва не пређе у пару, а при томе се не мјења ни њен напон паре, ни температура.

Кључање је дакле, процес испаравања при коме се стварају мјехурићи а температура кључања неке течности је она температура на којој се притисак паре у самој течности (напон паре) изједначи са спољним притиском.

12

Хемија

Литература

1. Хемија, Материјал за припрему испита, Марина Стојановић, Татјана Голубовић, Ниш 2012.

2.http://sr.wikipedia.org/sr/Агрегатна_стања

3. http://sh.wikipedia.org/wiki/%C4%8Cvrsto_agregatno_stanje

4. http://www.futura.edu.rs/servisi/materijali/FHPREZ013.pdf