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".

Obecná charakteristika skupenských stavů 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 plynné Soudržnost částic zanedbatelná, částice se pohybují relativně nezávisle a neuspořádaně v prostoru. Hustota plynu je velmi malá, plyny jsou snadno stlačitelné. Skupenství kapalné Částice jsou ve stálém kontaktu, ale mají určitou volnost pohybu (pohyb translační). Kapaliny mají stálý objem, ale proměnný tvar. Skupenství pevné Částice 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 Model ideálního plynu 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.

p . V = n . R . T Stavová rovnice ideálního plynu Zákon Gay-Lussacův pro isobarický děj (p=konst.) Vt = V0 (1 + a . t) V/T = konst. – koeficient teplotní roztažnosti plynu V0 – objem při 0°C t – 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 plynu R – 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 Avogadrův Objem 1 molu ideálního plynu při norm. podmínkách je 22,414 . 10-3 m3.

parciální tlak i-té složky – pi pi = ni . R . T / Vi 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 Tenze par nad kapalinou 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 – h 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) h [Pa.s] b) kinematická viskozita n = h/r [m2 .s-1] , kde r 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 – g 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 látky Mají 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 - a ≠ b ≠ g Jednoklonná (monoklinická) - a ≠ b ≠ c - b = g = 90° ≠ a Šesterečná (hexagonální) - a = b ≠ c - a = b = 90°; g = 120° Klencová (trigonální) - a = b = c - a = b = g ≠ 90°

Kosočtverečná (orthorombická) - a ≠ b ≠ c - a = b = g = 90° Čtverečná (tetragonální) - a = b ≠ c - a = b = g = 90° Krychlová (kubická) - a = b = b - a = b = g = 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.