Anyagi halmazok jellemzői. Kinetikus gázelmélet-ideális gázok. Kinetikus gázelmélet-ideális gázok

Átírás

1 Anyagi halmazok jellemzői 5. előadás alak térfogat gáz nem határozott alakú, a tárolóedényét veszi fel kitölti az edényt folyadék szilárd határozott, saját alak határozott, saját térfogat részecskék helye részecskék kölcsönhatása részecskék mozgása rendezetlen, távoli gyakorlatilag nincs nagyon gyors rendezetlen, közeli erős közees rögzített, nagyon közeli nagyon erős nagyon lassú Kinetikus gázelmélet-ideális gázok a molekulák között nincs vonzó és taszító hatás saját térfogatuk elhanyagolható a rendelkezésre álló tér mellett a molekulák állandó rendezetlen mozgásban vannak ütközéseik rugalmasak átlagos sebességük hőmérséklettől függő sebességeloszlás: axwell-boltzmann-féle Kinetikus gázelmélet-ideális gázok A gázmolekulák kinetikus energiája mozgó test kinetikus energiája O E R egyetemes gázállandó R 8,34 J/K mol k 3 m v Ek R A gázok mozgásának átlagos sebessége függ a moláris tömegüktől v átlag 3R

2 Gáztörvények-ideális gázok Nyomás térfogat összefüggés (áll. hőmérsékleten): Boyle 66 konstans A gázok térfogata tehát fordítottan arányos a nyomással Ha csökken a gáz térfogata, a molekulák kinetikus energiája nem változik, viszont többször ütköznek egymással és az edény falával nő a nyomás Gáztörvények-ideális gázok érfogat hőmérséklet összefüggés (áll. nyomáson): Charles 787, Gay-Lussac 80 k' gázok térfogata egyenesen arányos a hőmérséklettel a hőmérséklet emelkedése növeli a molekulák kinetikus energiáját, ütközésük növelné a nyomást, kitágul a gáz nő a térfogat Kelvin abszolút hőmérsékleti skála t + 73,5 Gáztörvények-ideális gázok együlő gázok térfogatának viszonyai Gay-Lussac 808: a gázok kis térfogatai kis egész számok arányában reagálnak Avogadro 8: gázok egyenlő térfogataiban egyenlő a molekulák száma (, állandó) k''n

3 3 Ideális gáztörvény Boyle, Charles, Avogadro törvényének egyesítésével: n R n R általános gáztörvény n n Gáz halmazállaot gázok moláris tömege gázok sűrűsége két gáz relatív sűrűsége R n R m R m ρ ρ ρ R m Gáz halmazállaot Diffúzió elkeveredés Graham törvénye: a diffúzió sebessége fordítottan arányos a gázok sűrűségének négyzetgyökével xenon és neon ρ ρ v v v v a molekulák sebessége fordítottan arányos a moláris tömegük négyzetgyökével

4 Gázelegyek Dalton törvénye: a gázkeverék nyomása a komonensek arciális nyomásainak összege anyagi minőségtől független a + b + c + i i n i R arciális nyomás az a nyomás amit a gázkeverék adott összetevője kifejtene, ha önállóan töltené be a teret Reális gázok an der Waals egyenlet n a + ) ( nb) n R ( intermolekuláris kölcsönhatás a gázmolekulák saját térfogata Folyadék halmazállaot megjelenési formájuk átmenet a gázok és a szilárd testek között kondenzált fázis: a molekulákat összetartó erő kohéziós erő hasonlítanak a gázokhoz nincs állandósult alakjuk a részecskék állandó, rendezetlen mozgásban vannak a szilárd anyagokhoz nagy a sűrűségük 4

5 Folyadék halmazállaotban a részecskék között számottevő vonzóerők hatnak - kohézió és adhézió a részecskék egymástól megfelelő távolságra egyensúly a vonzó és taszítóerők között a részecskék kinetikus energiája az abszolút hőmérséklettel arányos térfogat viszonylag állandó nagy erőbehatásra is csak kismértékű változás jellemző: diffúzió, árolgás, alakváltozás Folyadékok tíusai tíusok nemesgázok l. Ne, He molekulák l. CCl 4, C 6 H 6, molekulák H-kötéssel l. H O, C H 5 OH sóolvadékok l. NaCl, Na 3 [AlF 6 ] fémolvadékok és Hg részecskék egyedi atomok egyedi molekulák molekula asszociátumok ionok atomok vonzóerők London-féle erők London-féle erők hidrogénkötés elektrosztatikus kölcsönhatás fémes kötés Folyadékok tulajdonságai viszkozitás: a folyadékrétegek közötti belső súrlódás - a külső alakváltoztató erővel szembeni ellenállás jele: η, mértékegysége Pa s meghatározó a kohéziós erők nagysága A viszkozitás és a sűrűség különbözősége! víz glicerin higany sűrűség 0,998 g/cm 3,60 g/cm 3 3,546 g/cm 3 viszkozitás,005 mpas,5 Pas,6 mpas 5

6 Folyadékok tulajdonságai felületi feszültség: a folyadékok felületét csökkenteni igyekszik a felület növeléséhez energiát kell befektetni m új felület létrehozásához szükséges munka jele:γ, mértékegysége: N/m Folyadék szilárd halmazállaot A hőmérséklet csökkenésének hatására a részecskék mozgása lelassul, szilárd halmazállaotban rögzülnek kristálygócok kialakulása - a részecskék rendezett elhelyezkedése valósul meg amorf anyag keletkezése - a folyadék viszkozitása olyan nagy, hogy a rendeződés nem tud teljes mértékben végbemenni Szilárd halmazállaot A szilárd testekben az alkotó részecskéket nagy erők tartják össze - állandó térfogat és állandó alak szerkezetük szerint lehetnek kristályos anyagok - a feléítő részecskék a test egészében szabályosan, rendezetten helyezkednek el amorf anyagok - a feléítő részecskék csak kis körzetekben helyezkednek el rendezett módon (üveg, műanyag) 6

7 Amorf anyagok részleges rendezettség megszilárdult folyadékoknak tekinthetők nincs éles olvadásontjuk (melegítéskor fokozatosan meglágyulnak) izotrook a szerkezetben található szabálytalanságok miatt fizikai tulajdonságaik iránytól függetlenek Kristályos anyagok jellemzői meghatározott olvadásont meghatározott olvadáshő meghatározott kristályszerkezet - a feléítő részecskék szabályos elrendeződése - kimutatása röntgendiffrakcióval anizotro sajátságok: a fizikai tulajdonságok iránytól függően változhatnak - a növekedés sebessége nem azonos l. fénytörés, elektromos vezetőkéesség Kristályrácsok tíusai Kristályrács tíusa Fémrács Ionrács Atomrács olekularács Részecskék a rácsontokban atomok ozitív és negatív ionok atomok molekulák Kölcsönhatás a részecskék között fémes kötés ionkötés kovalens kötés hidrogénkötés London-féle erők Példa fémek és ötvözetek sók, oxidok, szulfidok gyémánt, grafit, kvarc jég, CO kristálycukor 7

8 Elemi cellák néhány tíusa Fémes kötésű kristályok a fémes jelleg: fémfény delokalizált elektronok olvadásont tág határok között uha, nyújtható, jól megmunkálható vagy kemény, rideg jó hő- és elektromos vezetés szerkezetből vízben és közönséges oldószerekben nem oldható Fémrácsban azonos méretű atomok - gömbilleszkedés Ionos kötésű kristályok jellemzői elektrosztatikus összetartó erő rács-ontokban váltakozva ozitív és negatív töltésű ionok jellemző: magas olvadásont nagy keménység kristályaik könnyen hasadnak jól oldódnak oláris oldószerekben (vízben) elektromos vezetés csak olvadékban vagy oldatban 8

9 Kovalens hálózat atomrácsos kristályok kovalens kötéssel kacsolódó atomok három dimenziós hálózata a kötések térben irányítottak a közvetlen szomszédok száma kicsi C - gyémánt, Si, Ge, SiO jellemző: nagyon magas olvadásont nagy keménység nincs fizikai oldószerük elektromos szigetelő vagy félvezető tulajdonság kvarc olekularácsos kristályok másodlagos kötésekkel kacsolódó molekulák - gyenge kölcsönhatás jellemző: alacsony olvadásont - szublimáció kis keménység nem vezetik az elektromos áramot jól oldódnak hasonló sajátságú oldószerben vizes oldatban a oláris kötésű molekulák elektrolitikus disszociációra hajlamosak Polimorfia - Allotróia Polimorfia: az a jelenség, amikor egy anyag két- vagy több különböző kristályrendszerben kristályosodik Allotróia: a kémiai elemek azon tulajdonsága, hogy különböző kristályszerkezetű vagy molekulatömegű módosulatban fordulnak elő szén: grafit, gyémánt, fullerén foszfor: fehér, vörös és fekete oxigén: O, O 3 9

10 A szén allotró módosulatai a szénatomok között kovalens kötések gyémánt grafit fullerén kacsolódás tetraéderes elrendeződésű atomrács - kovalens hálózat a tér 3 irányába nagy keménység, nem vezető az atomok síkbeli kacsolódása kovalens kötéssel, delokalizált elektronok a rétegek között másodlagos (diszerziós) kötés uha, a rétegek elcsúsznak, elektromos vezető az atomok síkbeli kacsolódása kovalens kötéssel, delokalizált elektronok a molekulán belül a molekulák között másodlagos (diszerziós) kötés Szilárd anyagok elektromos vezetése Elektron vezetés elsőfajú vezetés vezetők, félvezetők, szigetelők Szilárd anyagok elektromos vezetése vezetés ha a vegyértéksávból az elektronok át tudnak léni a vezető sávba az energiaszintbeli különbség áthidalható vezetősáv vegyértéksáv a molekulaályák energiatávolsága 0

11 Szilárd anyagok elektromos vezetése fémes vezetés az elektronok igen kis energiával gerjeszthetők a teljesen betöltött kötő- és az üres lazító ályák energiája folytonos átmenetet kéez l. alkálifémek a kötő és lazító ályák teljesen betöltöttek, de van olyan üres álya, amelynek energiája átfedi a lazító ályák energiasávját l. alkáliföldfémek Szilárd anyagok elektromos vezetése fémes vezetés a gerjesztett elektronok helyén lyuk marad a gerjesztett elektronok igen kis feszültség hatására elmozdulnak a lyuk visszafelé vándorol hőmérséklet növelésével csökken (az atomtörzsek nagyobb amlitúdóval rezegnek) kellően alacsony hőmérsékleten szuravezető állaot ellenállás nulla (Pb, In, Nb; InBi, Nb 3 Sn; kerámiák: YBa Cu 3 O 7 ) Szilárd anyagok elektromos vezetése szigetelők - fajlagos vezetés: S/cm az utolsó betöltött sáv után széles tiltott sáv kritikus térerő mekkora elektromos térerő szükséges, hogy átütés következzen be (gyémánt: /cm) nagy nyomáson az atomok távolsága kisebb, vezetővé

12 Szilárd anyagok elektromos vezetése félvezetők a betöltött és az üres sáv energiaszintje közelebb az elektronok hő- vagy fény hatására megfelelő energia szintre gerjesztődnek vezetővé szennyezéses félvezetők a szennyező anyag újabb energiaszinteket tesz lehetővé iezoelektromosság kis nyomás hatására vezetővé Plazma állaotban az anyag olyan túlhevített gáz, amelyben ionokra bomlott atomok (molekulák) és elektronok olyan arányban vannak, hogy átlagosan az egész rendszer semleges ár tízezer és millió fok hőmérséklet jól vezeti az elektromos áramot és jól mágnesezhető fúziós folyamatokban