Skupenské stavy látek

Obvykle se rozlišují 3 skupenské stavy látek: pevné, kapalné a plynné.

Někdy se uvádí ještě čtvrtý skupenský stav - plazma (plazma = ionty +

volné elektrony).

V závislosti na podmínkách (tlak, teplota) může teoreticky každá látka

existovat ve všech skupenských stavech, tzn. že skupenský stav závisí

na vnějších podmínkách a na velikosti soudržných sil uplatňujícími se

mezi stavebními částicemi látky. Změnou podmínek může dojít ke

změně stavu (skupenská přeměna).

Schéma skupenských přeměn

Přechod plynu na plazmu je postupný - v širokém teplotním intervalu vedle

sebe existují molekuly, atomy, ionty a volné elektrony.

Při vysokých teplotách (106 až 108 °C) jsou od jader odstraněny elektronové

obaly - plazma obsahuje jen atomová jádra a "elektronový plyn".

Množství tepla potřebné k převedení 1 molu látky z jednoho stavu do druhého = molární teplo (tání, výparné, sublimační …) [kJ.mol-1] .

Obecná charakteristika skupenských stavů

Skupenství plynnéSoudržnost částic zanedbatelná, částice se pohybují relativně nezávisle a

neuspořádaně v prostoru. Hustota plynu je velmi malá, plyny jsou snadno stlačitelné.

Skupenství kapalnéČástice jsou ve stálém kontaktu, ale mají určitou volnost pohybu (pohyb

translační). Kapaliny mají stálý objem, ale proměnný tvar.

Skupenství pevnéČástice jsou v nejtěsnější blízkosti, nejvíce se uplatňují přitažlivé síly, pohyb

je omezen na vibrace částic v rovnovážných polohách. Pevné látky mají stálý tvar, objem, značnou mechanickou odolnost a poměrně vysokou hustotu.

Plyny

Pro plyny je charakteristické rovnoměrné rozptýlení molekul (atomů) v prostoru, libovolné dráhy, slabé vzájemné působení, interakce pouze při srážkách molekul.

Model ideálního plynu-ideální srážky bez interakce-objem molekuly (atomu) je nulový

Objem plynu je dán prostorem, ve kterém se pohybují hmotné body a je při konstantní teplotě závislý pouze na tlaku.

Zákon Boyle-Mariotův pro isotermický děj (T=konst.)

p1V1 = p2V2 = konst.

Zákon Gay-Lussacův pro isobarický děj (p=konst.)

Vt = V0 (1 + . t) V/T = konst. – koeficient teplotní roztažnosti plynu

V0 – objem při 0°Ct – teplota [°C]

Spojením obou zákonů vzniká závislost stavových veličin – p, V, T.p . V = konst. . T konst. = n . R

p . V = n . R . T Stavová rovnice ideálního plynuR – univerzální plynová konstanta R = 8,314 J . mol-1 . K-1

n – látkové množství v molech

Tzv. normální podmínky:

T0 = 273,15 K; p0 = 101 325 Pa; V022,414 . 10-3 m3.

Zákon AvogadrůvObjem 1 molu ideálního plynu při norm. podmínkách je 22,414 . 10-3 m3.

Plynné směsi

n1 + n2 +………+ ni = n

parciální tlak i-té složky – pi

pi = ni . R . T / Vi

Daltonův zákon - celkový tlak

p1 + p2 + ……….+ pi = (n1 + n2 + ………+ ni) . R . T / V = p

celkový objem

V1 + V2 + ………+ Vi = V

Reálný plyn- chová se odlišně od ideálního plynu- existuje mezimolekulová přitažlivost (n . b)- korekce na vlastní objem molekuly a(n / V)2

[V – n.b] . [p + a(n/V)2] – n.R.T van der Waalsova rovnice pro reálný plyn

Kapaliny- vyšší stupeň uspořádanosti, výraznější interakce molekul

- přechodová fáze mezi plyny a krystalickými látkami

- rychlost toku kapalin je závislá na velikosti přitažlivých sil

Mezi nejvýznamnější vlastnosti kapalin patří tenze par (rovnovážný tlak par) nad

kapalinou, povrchové napětí a viskozita.

Tenze par nad kapalinou

Uvolňování částic z povrchu kapaliny (vypařování) je děj, který více či méně intenzivně

probíhá při každé teplotě. Tenze par nad kapalinou je funkcí teploty; se vzrůstající

teplotou uvedený tlak roste.

Teplota, při níž tenze nasycené páry dosáhne vnějšího tlaku se nazývá teplota (bod)

varu.

Bod varu je důležitá fyzikální konstanta látky, závisí na relativní molekulové hmotnosti,

polárnosti,

možnosti tvorby vodíkových můstků apod. Podle bodu varu posuzujeme tzv. těkavost

látky.

Viskozita –

- míra vnitřního tření kapalin- s rostoucí teplotou klesá

Při průtoku kapaliny trubicí se pohybují nejpomaleji částice u stěny trubice, nejrychleji v jejím

středu. Vrstvičky kapaliny pohybující se rychleji jsou brzděny těmi, jež se pohybují pomaleji.

Toto vzájemné ovlivňování proudících vrstviček se projevuje jako vnitřní tření v kapalině a nazývá se viskozita kapaliny.

Rozložení rychlostí v kapalině proudící trubicí:

Při souosém (laminární) vrstvičky kapaliny se navzájem brzdí, dochází k vnitřnímu tření.

Veličiny charakterizující vnitřní tření kapaliny jsou:a) dynamická viskozita (koeficient viskozity) [Pa.s]b) kinematická viskozita = [m2 .s-1] , kde je hustota kapaliny

Viskozita kapalin je závislá zejména na teplotě - s růstem teploty se její hodnota snižuje.

Viskozita kapalin se měří především viskozimetry kapilárními (na základě doby potřebné k výtoku daného objemu kapaliny kapilárou přístroje) nebo kuličkovými (na základě rovnoměrné rychlosti pádu kuličkového tělíska ve studované kapalině).

Povrchové napětí – Kapaliny se snaží vždy nabýt takového tvaru, aby jejich povrch byl co

nejmenší. Je to způsobeno tím, že na molekulu uvnitř kapaliny působí

přitažlivé (kohezní) síly okolních molekul ze všech stran stejné, a proto

se navzájem vyruší. U povrchu však převažují kohezní síly působící

dovnitř kapaliny nad adhezními silami (tj. silami mezi molekulami v

kapalině a molekulami v plynné fázi). Tím jsou molekuly z povrchu

vtahovány do kapaliny a povrch se zaobluje (snaží nabýt co nejmenší

hodnoty).

Povrchové napětí je tedy silové působení částic v povrchové vrstvě

kapaliny – zaujmutí kulového tvaru (pokud není vnější vliv např.

gravitace, odporu vzduch apod.)

Mezipovrchové napětí – vzniká na fázovém rozhraní s nemísitelnými

kapalinami a tuhými látkami – povrchově aktivní látky

Podchlazené kapaliny – metastabilní struktury – skla (SiO2)

Tuhé krystalické látkyMají charakteristické pravidelné vnitřní uspořádání = krystalická

struktura. Látky, které nemají pravidelnou vnitřní strukturu se nazývají

látky amorfní (např. sklo, asfalt, vosk) - podobné struktuře kapaliny s

velmi vysokou viskozitou, nemají ostrý bod tání, při zahřívání

postupně měknou a plynule přecházejí v taveninu (kapalinu).

O tom, jestli vznikne z kapaliny látka krystalická nebo amorfní rozhoduje

(krom jiného) také způsob ochlazování. Poklesne-li teplota rychle pod

tzv. teplotu skelného přechodu, nemají částice čas zaujmout

pravidelné polohy a vznikne látka amorfní.

Přechod mezi pevnými a kapalnými látkami představují tzv. tekuté

krystaly. (Některé vlastnosti typické pro kapaliny (např.viskozita), ale

současně určitá vnitřní struktura - jeví dvojlom, látky s výrazně

asymetrickými molekulami.

pravidelné prostorové uspořádání stavebních částic

- pravidelnost geometrického tvaru

- symetrie

- nestejné fyzikální vlastnosti v různých směrech pravidelného tvaru (anizotropie)

Krystalografie – studium tvarů krystalů z hlediska geometrických prvků (plochy, hrany, vrcholy)

Zákon souměrnosti – všechny krystaly téže látky mají stejné prvky symetrie (osa, rovina, střed)

14 typů základních Bravaisových buňek

- jednoduché, primitivní (P) – vrcholy

- bazálně centrované (C) – vrcholy a středy podstav

- plošně centrované (F) – vrcholy a středy všech ploch

- prostorově centrované (I) – vrcholy a tělesné úhlopříčky

Krystalografické soustavy

Trojklonná (triklinická) - a ≠ b ≠ c-≠ ≠

Jednoklonná (monoklinická)- a ≠ b ≠ c- = = 90° ≠

Klencová (trigonální)- a = b = c- = = ≠ 90°

Šesterečná (hexagonální)- a = b ≠ c- = = 90°; = 120°

Kosočtverečná (orthorombická)- a ≠ b ≠ c- = = = 90°

Čtverečná (tetragonální)- a = b ≠ c- = = = 90°

Krychlová (kubická)- a = b = b- = = = 90°

Fyzikální vlastnosti krystalů

- skalární (nezávislé na směru): hustota, teplota tání- vektorové (závislé na orientaci krystalu): štěpnost, tvrdost, lom,

pružnost, kluznost, tepelná roztažnost, optické, elektrické a magnetické vlastnosti

Polymorfie – látka existuje ve více modifikacích s různou krystalovou strukturou (grafit, diamant; kalcit, aragonit)

Izomorfie – různé látky mají stejnou krystalovou strukturu lišící se absolutními hodnotami geometrických parametrů (kamence)

Látky submikrokrystalické – drobné krystalky s různou orientací ve všech směrech – IZOTROPIE

Látky amorfní (beztvaré) – vlastnosti mezi podchlazenou kapalnou fází a tuhou krystalickou fází

Podle typu stavebních částic rozlišujeme:

a) iontové krystaly

- pravidelné střídání kationtů a aniontů, mezi nimiž působí elektrostatické

síly. Tyto síly nejsou prostorově orientovány, na každý ion působí stejnou

silou všechny ionty, které jej obklopují. Není možné rozhodnout, které

částice tvoří jednu molekulu. Iontový krystal představuje makromolekulu.

Mřížková energie ( = práce potřebná k rozrušení mřížky a oddálení iontů do

nekonečna) - u iontových krystalů vysoká, vysoké body tání, tvrdost (ale

křehkost). V pevném stavu nevodivé, ale taveniny a roztoky vedou

elektrický proud (elektrolyty). Např. soli.

b) atomové krystaly

Jednotlivé atomy v krystalické mřížce spojeny kovalentními vazbami (krystal =

makromolekula). Všechny vazby stejně pevné, velká tvrdost, lesk, málo

odolné vůči rázům, vysoké teploty tání, prakticky nerozpustné (ve vodě ani

jiných rozpouštědlech). Např. diamant, křemík, karbidy, silicidy.

c) molekulové krystaly

Molekuly vázány jen mezimolekulárními silami ( van der Waalsovy síly,

vodíkové vazby), krystaly málo pevné, měkké, nízké body tání. Např. voda

(led), organické látky nízkomolekulární i makromolekulární.

d) kovové krystaly

V krystalické mřížce jsou poměrně těsně uspořádány kationty kovu a jejich

soudržnost zprostředkovávají relativně volně pohyblivé delokalizované

elektrony. Charakteristickou vlastností je tepelná a elektrická vodivost,

lesk, řada dalších vlastností (tvrdost, body tání závisí na počtu

delokalizovaných elektronů (tj. počtu valenčních elektronů, které mohou

atomy kovu pro vazbu poskytnout). Z dalších mechanických vlastností je

pro řadu kovů typická kujnost a tažnost.

e) vrstevnaté krystaly

U těchto krystalů se uplatňují dva typy soudržných sil. Jednak jsou to

kovalentní vazby, kterými jsou spojeny atomy tvořící vrstvu a dále

nevazebné interakce (mezimolekulární síly ), které se uplatňují mezi

vrstvami. Vlastnosti těchto látek vyplývají z toho, že tyto soudržné síly

jsou nesouměřitelné, takže jednotlivé vrstvy je možné snadno oddělovat.

Např. grafit.