05..0. Kémia Anyagi halmazok alak térfogat részecskék helye részecskék kölcsönhatása részecskék mozgása gáz folyadék szilárd nem határozott alakú, a tárolóedényét eszi fel kitölti az edényt rendezetlen, táoli gyakorlatilag nincs határozott, saját alak határozott, saját térfogat rendezetlen, közeli erős rögzített, nagyon közeli nagyon erős nagyon gyors közepes nagyon lassú Kinetikus gázelmélet a molekulák között nincs onzó és taszító hatás saját térfogatuk elhanyagolható a rendelkezésre álló tér mellett a molekulák állandó rendezetlen mozgásban annak ütközéseik rugalmasak átlagos sebességük hőmérséklettől függő sebességeloszlás: axwell-boltzmann-féle Kinetikus gázelmélet A gázmolekulák kinetikus energiája mozgó test kinetikus energiája O E k 3 m Ek R T A gázok mozgásának átlagos sebessége függ a moláris tömegüktől átlag 3RT Gáztörények Nyomás térfogat összefüggés (áll. hőmérsékleten): Boyle 66 p V k A gázok térfogata tehát fordítottan arányos a nyomással Ha csökken a gáz térfogata, a molekulák kinetikus energiája nem áltozik, iszont többször ütköznek egymással és az edény faláal nő a nyomás p V p V Gáztörények Térfogat hőmérséklet összefüggés (áll. nyomáson): Charles 787, Gay-Lussac 80 V k't gázok térfogata egyenesen arányos a hőmérséklettel a hőmérséklet emelkedése nöeli a molekulák kinetikus energiáját, kitágul a gáz nő a térfogat Kelin abszolút hőmérsékleti skála T t + 73,5 V V T T Gáztörények Aogadro 8: gázok egyenlő térfogataiban egyenlő a molekulák száma (p, T állandó) V k''n Boyle, Charles, Aogadro törényének egyesítéséel: n T V R p p V n R T p V p V n T n T ideális gáztörény R egyetemes gázállandó R 8,34 J/K mol
05..0. Gáz halmazállapot gázok moláris tömege m R T p V gázok sűrűsége két gáz relatí sűrűsége p V n R T p V ρ m V m R T p R T ρ ρ Gázelegyek Dalton törénye: a gázkeerék nyomása a komponensek parciális nyomásainak összege anyagi minőségtől független p p a + p b + p c + p i p i V n i RT parciális nyomás az a nyomás amit a gázkeerék adott összeteője kifejtene, ha önállóan töltené be a teret Gáz halmazállapot A gázmolekulák rendezetlen mozgása és ütközése réén spontán módón keerednek egymással diffúzió Graham törénye: a diffúzió sebessége fordítottan arányos a gázok sűrűségének négyzetgyökéel ρ ρ a molekulák sebessége fordítottan arányos a moláris tömegük négyzetgyökéel Reális gázok Van der Waals egyenlet n a p + ) ( V nb) n R T V ( intermolekuláris kölcsönhatás a gázmolekulák saját térfogata xenon és neon Folyadék halmazállapot 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 annak a szilárd anyagokhoz nagy a sűrűségük Folyadék halmazállapotban a részecskék között számotteő onzóerők hatnak - kohézió és adhézió a részecskék egymástól megfelelő táolságra egyensúly a onzó és taszítóerők között a részecskék kinetikus energiája az abszolút hőmérséklettel arányos térfogat iszonylag állandó nagy erőbehatásra is csak kismértékű áltozás jellemző: diffúzió, párolgás, alakáltozás
05..0. Adhézió: különböző, homogén testek közötti összetartó erő ragasztóanyag faanyag; beonat faanyag Kohézió: homogén anyag molekulái, részecskéi közötti összetartó erő elsőrendű kémiai kötések másodlagos kölcsönhatások Folyadékok tulajdonságai iszkozitás: a folyadékrétegek közötti belső súrlódás - a külső alakáltoztató erőel szembeni ellenállás jele: η, mértékegysége Pa s meghatározó a kohéziós erők nagysága A iszkozitás és a sűrűség különbözősége! íz 0,998 g/cm 3,005 mpas glicerin,60 g/cm 3,5 Pas higany 3,546 g/cm 3,6 mpas - Newton-egyenlet (tiszta, egykomponensű folyadékra): d F η A η A l l dl - Nyírófeszültség: a felületegységre ható erő (Pa) τ F A - Sebesség-gradiens: a rétegek sebesség és táolságkülönbségének hányadosa (/s) d D dl - Viszkozitás, konzisztencia (Pa s) d F η A η A l l dl τ η D τ η D nem Newton-féle (anomális) folyadékok: Viszkozitásuk nem anyagi állandó τ n η D Folyásgörbék: a kolloid rendszerek nyírófeszültsége nem lineárisan áltozik a sebesség-gradienssel Tixotópia: az anyag mechanikai hatásra rázásra, keerésre elfolyósodik, majd a behatás megszűnte után ismét megszilárdul A folyásgörbe két szakaszból áll a hiszterézishurok területének nagysága ~ a szerkezet összetöréséhez szükséges munka Az erősen tixotróp ragasztó- és beonó-anyagok terülése rossz Nem tixotróp anyag pedig megfolyik a felületen A iszkozitás áltozása - ismerete alapető a helyes technológiai megoldásokhoz alkalmazott nyírófeszültség a felhasználás, izsgálat hőmérséklete lg η /T τ η D η A e E RT 3
05..0. A iszkozitás áltozása - ismerete alapető a helyes technológiai megoldásokhoz alkalmazott nyírófeszültség a felhasználás, izsgálat hőmérséklete a diszpergált anyag koncentrációja τ η D E RT η A e Ragasztó felitele iszkozitás beállítása szórás 300-000 mpas; görgős henger néhány ezer; kenés 0000 mpas alacsony iszkozitás esetén a ragasztó a rostok közé folyik, nem tud kötni a iszkozitás és az alkalmazott présnyomás is függenek Folyadékok tulajdonságai felületi feszültség: a folyadékok felületét csökkenteni igyekszik a felület nöeléséhez energiát kell befektetni m új felület létrehozásához szükséges munka jele:γ, mértékegysége: N/m nedesítő folyadék a íz és az üeg közötti adhézió nagyobb, mint a ízmolekulák közötti kohézió a ízoszlop magassága kapilláris effektus milyen magasra emelkedik a íz egy kapillárisban? h ρ g γ/r a íz sűrűsége nehézségi gyorsulás kapilláris sugara felületi feszültség Folyadék - szilárd határfelületeken a felületi feszültségek függényében a folyadék szétterülése peremszög: a nedesítés mértéke szilárd folyadék gőz háromfázisú rendszer a peremszög és a felületek energiája Young egyenlet γ s γ sl cosθ γ l A nedesedés mértéke a kohéziós és az adhéziós erők nagyságának iszonyától függ ragasztó agy lakk-csepp θ< 90 θ 90 θ > 90 fafelület nedesítés és spontán szétterülés nedesítés, de nincs szétterülés, besziárgás lehetséges minimális nedesítés, csak erőhatásra an besziárgás 4
05..0. a nedesedést és a besziárgást befolyásolja: a felület előkészítése, alamint ragasztó-feleő képessége a nedesítéshez elegendő anyag felitele, az optimális cseppméret meghatározása (az oldószer és a iszkozitás hatása) Az anyag kémiai sajátsága (kötések kialakulása) Folyadékok tulajdonságai diffúzió: hőmozgás hatására beköetkező elkeeredés (gázokhoz képest nagyon lassú) lyukak a folyadékban hőmérséklet (egyenes arányosság) méret és iszkozitás (fordított arányosság) részecskék közötti kohéziós és adhéziós erők csiszolatlan dura felület kétirányban csiszolt felület négyszeresen csiszolt felület Folyadékok párolgása a részecskék kinetikus energiája különböző, közülük a nagy mozgási energiájú a folyadék felületén kilép a gáztérbe gőz Folyadékok párolgása a gőznyomás az anyagi minőségtől és a hőmérséklettől függ forráspont: az a hőmérséklet ahol a folyadék feletti gőznyomás eléri a külső nyomást desztilláció: forrás és kondenzálás nyitott térben teljesen elpárolog zárt térben a gőztér telítetté álik, egyensúly alakul ki gőznyomás (tenzió): a folyadék felett zárt térben kialakuló egyensúlyi állapotban mért nyomás Desztilláció a folyadékot forráspontján elpárologtatjuk, a gőzöket lehűte külön edényben kondenzáltatjuk tiszta anyagok azonosítása folyadékelegyek elálasztása tisztításra csökkentett nyomáson ákuumdesztilláció bomlékony anyagokra Folyadék szilárd halmazállapot A hőmérséklet csökkenésének hatására a részecskék mozgása lelassul, szilárd halmazállapotban rögzülnek kristálygócok kialakulása - a részecskék rendezett elhelyezkedése alósul meg amorf anyag keletkezése - a folyadék iszkozitása olyan nagy, hogy a rendeződés nem tud teljes mértékben égbemenni 5
05..0. Szilárd halmazállapot A szilárd testekben az alkotó részecskéket nagy erők tartják össze - állandó térfogat és állandó alak szerkezetük szerint lehetnek kristályos anyagok - a felépítő részecskék a test egészében szabályosan, rendezetten helyezkednek el amorf anyagok - a felépítő részecskék csak kis körzetekben helyezkednek el rendezett módon Amorf anyagok részleges rendezettség megszilárdult folyadékoknak tekinthetők nincs éles oladáspontjuk (melegítéskor fokozatosan meglágyulnak) izotropok a szerkezetben található szabálytalanságok miatt fizikai tulajdonságaik iránytól függetlenek Kristályos anyagok jellemzői meghatározott oladáspont meghatározott oladáshő meghatározott kristályszerkezet - a felépítő részecskék szabályos elrendeződése - kimutatása röntgendiffrakcióal anizotrop sajátságok: a fizikai tulajdonságok iránytól függően áltozhatnak - a nöekedés sebessége nem azonos pl. kettőstörő sajátság Kristályrácsok típusai Kristályrács típusa Részecskék a rácspontokban Kölcsönhatás a részecskék között Példa Fémrács atomok fémes kötés fémek és ötözetek Ionrács pozití és negatí ionok ionkötés sók, oxidok, szulfidok Atomrács atomok koalens kötés gyémánt, grafit, karc olekularács molekulák hidrogénkötés London-féle erők jég, CO kristálycukor Fémes kötésű kristályok a fémes jelleg: fémfény delokalizált elektronok oladáspont tág határok között puha, nyújtható, jól megmunkálható agy kemény, rideg jó hő- és elektromos ezetés ízben és közönséges oldószerekben nem oldható Fémrácsban azonos méretű atomok szerkezetből az atomi energiaszintek egybeoladnak, energiasáok alakulnak ki Ötözetek Kristályrácsba idegen atomok beépülése helyettesítéses: hasonló méretű atomok - rácshibák intersticiális: a fématomok közötti lyukakba kisebb atomok (bór, szén, hidrogén) amalgámok acél, bronz, 6
05..0. Ionos kötésű kristályok jellemzői elektrosztatikus összetartó erő rács-pontokban áltakoza pozití és negatí töltésű ionok jellemző: magas oladáspont nagy keménység kristályaik könnyen hasadnak jól oldódnak poláris oldószerekben (ízben) elektromos ezetés csak oladékban agy oldatban Atomrácsos kristályok koalens kötéssel kapcsolódó atomok három dimenziós hálózata a kötések térben irányított C - gyémánt, Si, Ge, SiO karc jellemző: nagyon magas oladáspont nagy keménység nincs fizikai oldószerük elektromos szigetelő agy félezető tulajdonság olekularácsos kristályok másodlagos kötésekkel kapcsolódó molekulák - gyenge kölcsönhatás jellemző: alacsony oladáspont, könnyen párolognak kis keménység nem ezetik az elektromos áramot jól oldódnak hasonló sajátságú oldószerben Átmeneti jellegű kötéstípusok a részecskék réteges elrendeződése jöhet létre leggyakoribb a koalens - fémes átmenet, agy koalens ionos kötés A grafitban három rácstípus jellemző sajátsága fedezhető fel: atomrács: 3 C-atom kapcsolódik közetlenül, azonos síkban egyszeres koalens kötésű hálózatot alkot. fémrács: minden szénatomon marad egy elektron, amely a síkban delokalizálódik. grafit molekularács: a síkokat diszperziós erők tartják össze. Szilárd anyagok elektromos ezetése Elektron ezetés elsőfajú ezetés ezetők, félezetők, szigetelők Szilárd anyagok elektromos ezetése ezetők a egyértéksából az elektronok át tudnak lépni a ezető sába Fajlagos ezetésük 0 4-0 6 Ω - cm - Az üres és a betöltött sá közti folytonosság biztosítja a ezetést a fémekben Vezetők sámodellje 7
05..0. Szilárd anyagok elektromos ezetése szigetelők - fajlagos ezetés: 0-0 -0-0 Ω - cm - az utolsó betöltött sá után széles tiltott sá (az elektronok elmozdulásához nagy energiára lenne szükség) a tiltott sá felett helyezkedik el a ezetési sá Szilárd anyagok elektromos ezetése félezetők a betöltött és az üres sá energiaszintje közelebb az elektronok hő- agy fény hatására megfelelő energia szintre gerjesztődnek ezetőé álnak keesebb elektron áll rendelkezésre, ezért elektromos ezetésük kisebb, mint a fémeké a hőmérséklet nöeléséel az elektromos ezetésük nöekszik (a fémekkel ellentétben) Ionezetők (másodfajú ezetők) Elektrolitok: ionegyületek oladékai agy oldatai az elektromos áramot a könnyen elmozduló ionok ezetik elektromos ezetésük nagyságrendileg kisebb, mint a fémeké elektromos ezetésük a hőmérséklet emeléséel nöekszik Az elektrolitok erősségét, disszociációjuk mértékét a disszociációfokkal (α) jellemezzük Elektrolitok ezetőképessége ezetőképességük az oldatban leő ionok töltésétől, koncentrációjától és mozgékonyságától függ fajlagos ezetőképességet (κ) az egymástól cm-re leő, cm felületű elektródok közötti oldat ellenállásának (a fajlagos ellenállásnak, ρ) reciprokáal definiáljuk: κ l ρ R A [S/cm] 8