Anyagi halmazok jellemzıi. 5. hét. Kinetikus gázelmélet. Kinetikus gázelmélet

Átírás

1 Anyagi halmazok jellemzıi 5. hét alak térfogat gáz kitölti az edényt folyadék nem határozott alakú, a tárolóedényét veszi fel szilárd határozott, saját alak határozott, saját térfogat részecskék helye részecskék kölcsönhatása részecskék mozgása rendezetlen, távoli gyakorlatilag nincs nagyon gyors rendezetlen, közeli erıs közees rögzített, nagyon közeli nagyon erıs nagyon lassú Kinetikus gázelmélet 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 hımérséklettıl függı sebességeloszlás: axwell-boltzmann-féle Kinetikus gázelmélet A gázmolekulák kinetikus energiája mozgó test kinetikus energiája O E k 3 m v Ek R A gázok mozgásának átlagos sebessége függ a moláris tömegüktıl v átlag 3R

2 Gáztörvények Nyomás térfogat összefüggés (áll. hımérsékleten): Boyle 66 k 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 nı a nyomás Gáztörvények érfogat hımérséklet összefüggés (áll. nyomáson): Charles 787, Gay-Lussac 80 k' gázok térfogata egyenesen arányos a hımérséklettel a hımérséklet emelkedése növeli a molekulák kinetikus energiáját, ütközésük növelné a nyomást, kitágul a gáz nı a térfogat Kelvin abszolút hımérsékleti skála t + 73,5 Gáztörvények együlı gázok térfogatának viszonyai Gay-Lussac 808: a gázok kis térfogatai kis egész számok arányában reagálnak Avogadro 8: gázok egyenlı térfogataiban egyenlı a molekulák száma (, állandó) k''n

3 3 Ideális gáztörvény Boyle, Charles, Avogadro törvényének egyesítésével: n R n R általános gáztörvény R egyetemes gázállandó R 8,34 J/K mol n n Gáz halmazállaot gázok moláris tömege gázok sőrősége két gáz relatív sőrősége R n R m R m ρ ρ ρ R m Gáz halmazállaot Diffúzió elkeveredés Graham törvénye: a diffúzió sebessége fordítottan arányos a gázok sőrőségének 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 a + b + c +..+ i i n i R arciális nyomás az a nyomás amit a gázkeverék adott összetevıje 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 erı kohéziós erı hasonlítanak a gázokhoz nincs állandósult alakjuk a részecskék állandó, rendezetlen mozgásban vannak a szilárd anyagokhoz nagy a sőrőségük 4

5 Folyadék halmazállaotban a részecskék között számottevı vonzóerık hatnak - kohézió és adhézió a részecskék egymástól megfelelı távolságra egyensúly a vonzó és taszítóerık között a részecskék kinetikus energiája az abszolút hımérséklettel arányos térfogat viszonylag állandó nagy erıbehatásra is csak kismértékő változás jellemzı: 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 vonzóerık London-féle erık London-féle erık hidrogénkötés elektrosztatikus kölcsönhatás fémes kötés Folyadékok tulajdonságai viszkozitás: a folyadékrétegek közötti belsı súrlódás - a külsı alakváltoztató erıvel szembeni ellenállás jele: η, mértékegysége Pa s meghatározó a kohéziós erık nagysága A viszkozitás és a sőrőség különbözısége! víz glicerin higany 0,998 g/cm 3,60 g/cm 3 3,546 g/cm 3,005 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 Folyadékok tulajdonságai diffúzió: hımozgás hatására bekövetkezı elkeveredés (gázokhoz kéest nagyon lassú) lyukak a folyadékban hımérséklet (egyenes arányosság) méret és viszkozitás (fordított arányosság) részecskék közötti kohéziós és adhéziós erık Folyadék szilárd halmazállaot A hımérséklet 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 rendezıdés nem tud teljes mértékben végbemenni 6

7 Szilárd halmazállaot A szilárd testekben az alkotó részecskéket nagy erık tartják össze - állandó térfogat és állandó alak szerkezetük szerint lehetnek kristályos anyagok - a feléítı részecskék a test egészében szabályosan, rendezetten helyezkednek el amorf anyagok - a feléítı részecskék csak kis körzetekben helyezkednek el rendezett módon Amorf anyagok részleges rendezettség megszilárdult folyadékoknak tekinthetık nincs éles olvadásontjuk (melegítéskor fokozatosan meglágyulnak) izotrook a szerkezetben található szabálytalanságok miatt fizikai tulajdonságaik iránytól függetlenek Kristályos anyagok jellemzıi meghatározott olvadásont meghatározott olvadáshı meghatározott kristályszerkezet - a feléítı részecskék szabályos elrendezıdése - kimutatása röntgendiffrakcióval anizotro sajátságok: a fizikai tulajdonságok iránytól függıen változhatnak - a növekedés sebessége nem azonos l. kettıstörı sajátság 7

8 Kristályrácsok tíusai Kristályrács tíusa Részecskék a rácsontokban Kölcsönhatás a részecskék között Példa Fémrács atomok fémes kötés fémek és ötvözetek Ionrács ozitív és negatív ionok ionkötés sók, oxidok, szulfidok Atomrács atomok kovalens kötés gyémánt, grafit, kvarc olekularács molekulák hidrogénkötés London-féle erık jég, CO kristálycukor Fémes kötéső kristályok a fémes jelleg: fémfény delokalizált elektronok olvadásont tág határok között uha, nyújtható, jól megmunkálható vagy kemény, rideg jó hı- és elektromos vezetés szerkezetbıl vízben és közönséges oldószerekben nem oldható Fémrácsban azonos mérető atomok - gömbilleszkedés Ionos kötéső kristályok jellemzıi elektrosztatikus összetartó erı rács-ontokban váltakozva ozitív és negatív töltéső ionok jellemzı: 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 jellemzı: nagyon magas olvadásont nagy keménység nincs fizikai oldószerük elektromos szigetelı vagy félvezetı tulajdonság kvarc olekularácsos kristályok másodlagos kötésekkel kacsolódó molekulák - gyenge kölcsönhatás jellemzı: alacsony olvadásont - szublimáció kis keménység nem vezetik az elektromos áramot jól oldódnak hasonló sajátságú oldószerben vizes oldatban a oláris kötéső molekulák elektrolitikus disszociációra hajlamosak Polimorfia - Allotróia Polimorfia: az a jelenség, amikor egy anyag két- vagy több különbözı kristályrendszerben kristályosodik Allotróia: a kémiai elemek azon tulajdonsága, hogy különbözı kristályszerkezető vagy molekulatömegő módosulatban fordulnak elı 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 elrendezıdéső atomrács - kovalens hálózat a tér 3 irányába nagy keménység, nem vezetı az atomok síkbeli kacsolódása kovalens kötéssel, delokalizált elektronok a rétegek között másodlagos (diszerziós) kötés uha, a rétegek elcsúsznak, elektromos vezetı az atomok síkbeli kacsolódása kovalens kötéssel, delokalizált elektronok a molekulán belül a molekulák között másodlagos (diszerziós) kötés Szilárd anyagok elektromos vezetése vezetés ha a vegyértéksávból az elektronok át tudnak léni a vezetı sávba az energiaszintbeli különbség áthidalható vezetısáv vegyértéksáv a molekulaályák energiatávolsága Szilárd anyagok elektromos vezetése fémes vezetés az elektronok igen kis energiával gerjeszthetık a gerjesztett elektronok helyén lyuk marad a gerjesztett elektronok igen kis feszültség hatására elmozdulnak a lyuk visszafelé vándorol hımérséklet növelésével csökken (az atomtörzsek nagyobb amlitúdóval rezegnek) kellıen alacsony hımérsékleten szuravezetı állaot ellenállás nulla (Pb, In, Nb; InBi, Nb 3 Sn; kerámiák: YBa Cu 3 O 7 ) 0

11 Szilárd anyagok elektromos vezetése szigetelık - fajlagos vezetés: S/cm az utolsó betöltött sáv után széles tiltott sáv kritikus térerı mekkora elektromos térerı szükséges, hogy átütés következzen be (gyémánt: /cm) félvezetık a betöltött és az üres sáv energiaszintje közelebb az elektronok hı- vagy fény hatására megfelelı energia szintre gerjesztıdnek vezetıvé szennyezéses félvezetık: a szennyezı anyag újabb energiaszinteket tesz lehetıvé 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 hımérséklet jól vezeti az elektromos áramot és jól mágnesezhetı fúziós folyamatokban