Skupenské stavy látek Disperzní soustavy

Skupenské stavy látek: Všechny látky jsou tvořeny atomy, molekulami, nebo ionty, které jsou v neustálém pohybu a které na sebe působí soudržnými silami, závislými na vnějších podmínkách. Existují čtyři známá skupenství látek – tuhé, kapalné, plynné a plazma. Skupenské stavy se od sebe liší stupněm uspořádanosti základních částic a velikostí soudržných sil mezi nimi. Velikost soudržných sil Stupeň uspořádanosti neuspořádaný stav uspořádaný stav nízká plyny střední kapaliny tekuté krystaly vysoká skla, amorfní látky krystalické látky

CHARAKTERISTIKA SKUPENSKÝCH STAVŮ Plynné skupenství velké vzdálenosti mezi částicemi, prakticky se neuplatňuje silové působení. částice se pohybují rychle (řádově stovky m.s-1) a chaoticky. Důsledek snadná stlačitelnost plynů směs plynů, které spolu nereagují, je vždy homogenní (ideální roztok), plyn vyplňuje celý prostor, který má k dispozici,

povrchové napětí a viskozita, malá stlačitelnost kapalin, Kapalné skupenství tvoří přechod mezi tuhým a plynným skupenstvím, částice jsou poměrně blízko u sebe, jsou k sobě vázány přitažlivými silami značné velikosti, tyto síly však nebrání postupnému pohybu. Důsledek povrchové napětí a viskozita, malá stlačitelnost kapalin, malá tepelná roztažnost kapalin, kapalina zachovává svůj objem, ale nedrží tvar.

Pevné skupenství částice jsou blízko u sebe, jsou k sobě vázány velkými přitažlivými silami, tyto síly umožňují jen vibrační pohyb částic Důsledek Tuhé látky jen obtížně mění objem a tvar, nejsou stlačitelné, mají krystalickou nebo amorfní strukturu

Skupenské přeměny plyn sublimace vypařování kondenzace ±DHV kondenzace ±DHS tání kapalina tuhá látka tuhnutí ±DHT DH [kJ.mol-1] - teplo potřebné k přeměně skupenství - skupenské teplo (tání, vypařování, sublimace). Je vždy shodné s teplem, které se uvolní při opačné skupenské přeměně – liší se pouze znaménkem.

Fázové diagramy Fázový diagram jednosložkové soustavy (voda). p (Pa) Znázornění rovnovážných stavů mezi jednotlivými skupenskými stavy dané látky. Fázový diagram jednosložkové soustavy (voda). p (Pa) (s) – pevná fáze (f) (l) K (l) – kapalná fáze (s) (g) – plynná fáze p2 (f) – fluidní oblast T (T) – trojný bod p1 (g) (K) – kritický bod (tt) – teplota tání ts tt tv t (°C) (tv) – teplota varu T – trojný bod : 0°C; 610 Pa (ts) – teplota sublimace K – kritický bod: 374°C; 22,13 MPa

Plynné skupenství Ideální plyn Fyzikální popis stavu plynu – tzv. stavové veličiny – tlak, objem, teplota. Jednoduché vztahy mezi stavovými veličinami bylo možno odvodit jen pro zjednodušený model - ideální plyn. Ideální plyn molekuly mají zanedbatelný objem, mezi molekulami nepůsobí žádné přitažlivé síly, při srážkách se molekuly chovají jako dokonale pružné koule Reálné plyny – ideálnímu modelu se blíží tím více, čím jsou zředěnější, čím je jejich teplota vyšší, a čím méně objemnými molekulami jsou tvořeny.

Zákony ideálního plynu Boyle-Mariottův zákon – vztah mezi objemem a tlakem plynu při konstantní teplotě (izotermický děj). p.V = konst. p T1 > T2 > T3 T1 p1.V1 = p2.V2 izotermy T2 T3 V Gay-Lussacův zákon – vztah mezi teplotou a objemem plynu při stálém tlaku (izobarický děj). p1 < p2 V p1 p2 izobary T

Charlesův zákon – izochorický děj – tlak plynu je přímo úměrný jeho termodynamické teplotě. V1 < V2 V1 V2 izochory T Tři uvedené zákony lze spojit v jeden, který pak vyjadřuje vztah mezi třemi stavovými veličinami: resp.:

pVm = RT pV = nRT R – molární plynová konstanta Vztažením uvedené rovnice na 1mol (objem Vm) dostaneme stavovou rovnici ideálního plynu ve tvaru: R – molární plynová konstanta pVm = RT popř. Dosazením standardních hodnot tlaku a teploty (p0,T0), se získá hodnota konstanty R : Pro jiné látkové množství, než 1 mol nabývá stavová rovnice tvar: pV = nRT nebo

Plynné směsi Stavová rovnice platí i pro směsi vzájemně nereagujících plynů (plyny A,B,C,…atd.) P.VS = (nA+ nB + nC + …)R.T Vs… objem plynné směsi; P…celkový tlak soustavy Podělením rovnice Vs dostaneme: pA pB pC Z rovnice plyne Daltonův zákon – celkový tlak plynné směsi je dán součtem parciálních tlaků všech jejich složek. P = pA + pB + ...+ pn =  px

Parciální tlak složky plynné směsi je tlak, který by tato složka měla, kdyby sama vyplňovala celý objem směsi. Porovnáme-li parciální tlak některé ze složek s tlakem celkovým: Zjistíme, že je přímo úměrný molárnímu (objemovému) zlomku plynné složky ve směsi pB = xB . P pB = B . P

Reálné plyny Skutečné plyny se zákony ideálního modelu řídí jen přibližně. Nelze zanedbat rozměry molekul, ani silové působení mezi nimi. Odchylky od ideálního chování vystihuje van der Waalsova stavová rovnice: a, b ...... korekční veličiny – pro daný plyn konstantní – pro různé plyny různé - korekce na mezimolekulární síly (tzv. kohezní tlak) (nb) - korekce na vlastní objem molekul

Kapalné skupenství tlak 1 2 3 pok TV1 TV2 TV3 teplota Velká soudržnost molekul nezabraňuje částicím o vyšší energii opustit kapalinu – pára. Nasycená pára – pára, která je v rovnováze s kapalinou. Její tlak se nazývá tenze nasycené páry. Teplotu, při které tenze nasycených par dosáhne tlaku okolního prostředí (pok) nazýváme teplotou varu. tlak 1 2 3 pok TV1 TV2 TV3 teplota

Tuhé skupenství Amorfní látky – mají stálé, ale nepravidelné uspořádání základních částic. Struktura je podobná strukturám podchlazených kapalin, jejichž molekuly ztratily pohyblivost. Příklad: skla, strusky. Ani v čistém stavu nemají přesně definovaný bod tání, jen interval teplot. Křivky tuhnutí: b a) skla teplota b) krystalické látky a čas

Krystalické látky Pravidelná struktura uvnitř krystalu se projevuje jeho tvarem. Krystal má určitou symetrii, vnější plochy odrážejí vnitřní uspořádání. Vyznačují se anizotropií, tj. rozdílnými fyzikálními vlastnostmi v závislosti na směru (index lomu, tepelná a elektrická vodivost). Při přijetí energie se částice rozkmitají, uvolní se z krystalické mřížky a látka taje. Teplota tání je pro čisté látky důležitou fyzikální konstantou Podle symetrie osních křížů se krystaly rozdělují do sedmi krystalografických soustav.

Krystalografické soustavy rhombická kubická trigonální síra diamant, měď křemen, korund tetragonální TiO2 - rutil triklinická hexagonální kaolinit monoklinická grafit sádrovec

Alotropie (u prvků) – schopnost látek krystalovat, dle podmínek, Alotropie (u prvků) – schopnost látek krystalovat, dle podmínek, v různých krystalografických soustavách. Příklad: uhlík - grafit (hexagonální) - diamant (kubická) Polymorfie – týž jev u sloučenin. Příklad: CaCO3 - aragonit (rhombická) - kalcit (trigonální) Izomorfie – vzájemné zastupování atomů, iontů a jejich skupin v krystalových mřížkách minerálů. Příklad: MgSO4.7H2O, ZnSO4.7H2O, NiSO4.7H2O

Disperzní soustavy Základní stavba disperzních soustav: Soustavy, jejichž složky jsou velmi jemně rozptýleny (dispergovány) a vzájemně mezi sebou dobře promíseny. Základní stavba disperzních soustav: Disperzní prostředí – tvoří ho jedna ze složek, která je v nadbytku. Je spojitá v celém objemu soustavy. Disperzní podíl - látka rozptýlena (dispergovaná) v disperzním prostředí

Klasifikace disperzních soustav podle velikostí částic Název Velikost částic Charakter částic pravé roztoky 10-10-10-9m (0,1-1 nm) malé molekuly, atomy, ionty koloidní roztoky 10-9-10-7m (1-100 nm) obří molekuly, shluky atomů mikrodisperze 10-7-10-4m (0,1-100 mm) zrnka samostatné fáze makrodisperze > 10-4m (> 0,1mm)

Roztoky Homogenní disperzní soustavy o dvou, nebo více složkách. Disperzní prostředí - rozpouštědlo Disperzní podíl – rozpuštěná látka Látky - neomezeně mísitelné: vytvářejí spolu roztok v jakémkoli poměru (látky chemicky příbuzné). - omezeně mísitelné: rozpouštějí se pouze v určitých poměrech do vzniku nasyceného roztoku. Dělení roztoků: plynné (vzduch), kapalné (sůl ve vodě), pevné (slitiny kovů).

Vzájemná rozpustnost látek Závisí především na typu látky. Čím jsou látky příbuznější, tím je rozpustnost lepší.

koncentrace rozpuštěné látky Diagram rozpustnosti nasycený roztok přesycený roztok koncentrace rozpuštěné látky nenasycený roztok teplota

Nasycený roztok – roztok, ve kterém se již za dané teploty nerozpustí více látky. Složení takového roztoku udává rozpustnost látky za dané teploty. Rozpustnost – maximální množství látky, které se rozpustí v určitém množství rozpouštědla (nejčastěji 100g) za daných podmínek (teplota,tlak). Nenasycený roztok – obsahuje méně látky, než odpovídá její rozpustnosti. Rozpuštěnou látku lze dále přidávat do roztoku. Přesycený roztok – obsahuje více látky, než odpovídá její rozpustnosti. Lze jej připravit pomalým ochlazováním nasyceného roztoku. Jedná se o nestabilní stav – rozpuštěná látka v přebytku má tendenci vykrystalizovat a oddělit se od roztoku.

Vyjadřování složení roztoků Sledujeme zastoupení složek (A,B,C,….N) v soustavě S. Např. pro složku A, lze její zastoupení v S vyjádřit jako: Hmotnostní zlomek – poměr hmotnosti rozpuštěné látky k hmotnosti celého roztoku mA – hmotnost rozpuštěné látky mS – hmotnost roztoku (soustavy) w = <0;1> (x100) = 0-100% hm. Molární zlomek – podíl látkového množství složky nA a součtu látkových množství všech složek směsi Sn X = <0;1> (x100) = 0-100% mol.

φ = <0;1> (x100) = 0-100% obj. Objemový zlomek – podíl objemu rozpuštěné látky VA a celkového objemu roztoku (soustavy) VS. φ = <0;1> (x100) = 0-100% obj. Pozor – pro jednu a tutéž složku, se mohou její zastoupení v dané soustavě, vyjádřená hmotnostními, objemovými a molárními procenty, vzájemně číselně zcela lišit !!! Molární koncentrace – vyjadřuje látkové množství složky nA rozpuštěné v 1dm3 roztoku. (mol.dm-3)