Kapitel 10. Vätskor och fasta faser

Transkript

1 Kapitel 10 Vätskor och fasta faser

2 Kapitel 10 Innehåll 10.1 Mellanmolekylära krafter 10.2 Det flytande tillståndet 10.3 En introduktion till olika strukturer i fasta faser 10.4 Struktur och bindning i metaller 10.5 Kol och kisel: makromolekylära nätverk 10.6 Molekylföreningar som fasta faser 10.7 Jonföreningar som fasta faser 10.8 Ångtryck och fasomvandlingar 10.9 Fasdiagram Copyright Cengage Learning. All rights reserved 2

3 Avsnitt 10.1 Mellanmolekylära krafter De tre aggregationstillstånden Copyright Cengage Learning. All rights reserved 3

4 Avsnitt 10.1 Mellanmolekylära krafter Fasomvandlingar Fast till flytande Då energi tillförs ökar molekylernas rörelser varpå dessa lösgör sig från deras relativt fasta positioner. Flytande till gas Då mer energi tillförs uppnås det gasformiga tillståndet där de enskillda molekylerna kommer relativt långt från varandra och påverkar varandra i mindre grad Copyright Cengage Learning. All rights reserved 4

5 Avsnitt 10.1 Mellanmolekylära krafter Densiteter hos vatten Copyright Cengage Learning. All rights reserved 5

6 Avsnitt 10.1 Mellanmolekylära krafter Fasomvandlingar När ett ämne ändrar aggregationstillstånd från t.ex. vätska till gas förblir molekylerna intakta. Förändringen i aggregationstillstång sker p.g.a. förändringar i krafterna mellan molekylerna snarare än inom molekylerna. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 6

7 Avsnitt 10.1 Mellanmolekylära krafter Kokpunkter för olika hydrider Copyright Cengage Learning. All rights reserved 7

8 Avsnitt 10.1 Mellanmolekylära krafter Smält och kokpunkter Generellt gäller att ju högre mellanmolekylära krafter, desto högre smält och kokpunkter. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 8

9 Avsnitt 10.1 Mellanmolekylära krafter Mellanmolekylära krafter Krafter mellan (ej inom) molekyler. dipol-dipolkrafter vätebindningar London-dispersionskrafter Copyright Cengage Learning. All rights reserved 9

10 Avsnitt 10.1 Mellanmolekylära krafter Dipol-dipolkrafter a) Den elektrostatiska interaktionen mellan två polära molekyler. b) Interaktion mellan många dipoler i en kondenserad fas (fast fas eller vätska).

11 Avsnitt 10.1 Mellanmolekylära krafter Vätebindningar De prickade linjerna är mellanmolekylära krafter mellan vattenmolekylerna Copyright Cengage Learning. All rights reserved 11

12 Avsnitt 10.1 Mellanmolekylära krafter London dispersionskrafter Är relativt svaga krafter som existerar mellan opolära molekyler och ädelgasatomer (t.ex. C 8 H 18 och Ar). Orsakas av tillfälliga dipoler, i vilka elektronfördelningen blir assymetrisk. Förmågan hur ett elektronmoln i en atom kan bli förskjuten kallas polariserbarhet. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 12

13 Avsnitt 10.1 Mellanmolekylära krafter Konceptkoll Vilka är starkare, kovalenta bindningar inom molekylerna eller mellanmolekylära bindningar? Hur vet man? Copyright Cengage Learning. All rights reserved 13

14 Avsnitt 10.2 Atomic Det flytande Masses tillståndet Vätskor Ej kompressibel eller fast, med hög densitet. Ytspänning motstånd i en vätska att öka dess ytarea: Vätskor med stora mellanmolekylära krafter tenderar att ha hög ytspänning. Kapillärkraft spontan stigning hos en vätska i ett smalt rör. Viskositet flödesmotstånd (molekyler med stora mellanmolekylära krafter). Copyright Cengage Learning. All rights reserved 14

15 Avsnitt 10.3 The En introduktion Mole till olika slags fasta faser Klassificering av fasta ämnen Tvådimensionella representationer av (a) kvarts (kristallint) (b) kvartsglas (amorft) Kristallina ämnen: Högst regelbunden struktur hos de ingående komponenterna [bordssalt (NaCl), pyrrit (FeS 2 )]. Amorfa ämnen: En uppenbar oordning i strukturen (glas).

16 Avsnitt 10.3 The En introduktion Mole till olika slags fasta faser Representationen av ett kristallint ämne Gitter: Ett 3-dimensionellt system av punkter representerande mittpunkten av komponenterna (atomer, joner, eller molekyler) som utgör ämnet. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 16

17 Avsnitt 10.3 The En introduktion Mole till olika slags fasta faser Representationen av ett kristallint ämne Enhetscell: Den minsta upprepande enheten av ett gitter. enkel kubisk centrerad kubisk ytcentrerad kubisk Copyright Cengage Learning. All rights reserved 17

18 Avsnitt 10.3 The En introduktion Mole till olika slags fasta faser Kubiska enhetsceller

19 Avsnitt 10.3 The En introduktion Mole till olika slags fasta faser Diffraktion av röntgenstrålar i gittret. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 19

20 Avsnitt 10.3 The En introduktion Mole till olika slags fasta faser Braggs ekvation Används för analys av kristallstrukturer genom att mäta avstånden mellan atomlagren i kristallen. Diffraktion uppstår då: nλ = 2d sin θ d = avståndet mellan atomlager n = ett heltal λ = våglängden hos röntgenstrålningen Copyright Cengage Learning. All rights reserved 20

21 Avsnitt 10.3 The En introduktion Mole till olika slags fasta faser Klasser av kristallina ämnen Fasta jonföreningar: Har joner i gitterpunkterna i gittret som beskriver det fasta ämnet (NaCl). Fasta molekylföreningar: Har molekyler i gitterpunkterna i gittret som beskriver det fasta ämnet (socker, is). Fasta atom föreningar: Har atomer i gitterpunkterna i gittret som beskriver det fasta ämnet (diamant, grafit, metaller). Copyright Cengage Learning. All rights reserved 21

22 Avsnitt 10.3 The En introduktion Mole till olika slags fasta faser Tre klasser av kristallina ämnen Atomic Ionic Molecular Copyright Cengage Learning. All rights reserved 22

23 Avsnitt 10.3 The En introduktion Mole till olika slags fasta faser Tre klasser av kristallina ämnen Copyright Cengage Learning. All rights reserved 23

24 Avsnitt 10.4 Struktur och bindningar i metaller Tätpackning av uniforma sfärer: Copyright Cengage Learning. All rights reserved 24

25 Avsnitt 10.4 Struktur och bindningar i metaller aba-tätpackning Copyright Cengage Learning. All rights reserved 25

26 Avsnitt 10.4 Struktur och bindningar i metaller abc-tätpackning Copyright Cengage Learning. All rights reserved 26

27 Avsnitt 10.4 Struktur och bindningar i metaller Antal sfärer i en ytcentrerad kubisk enhetscell. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 27

28 Avsnitt 10.4 Struktur och bindningar i metaller Elektronsjömodellen för metaller tänker man sig katjoner som omges av en sjö av valenselektroner. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 28

29 Avsnitt 10.4 Struktur och bindningar i metaller Legeringar Fasta lösningar av olika metaller (och grundämnen). Substitutionell legering: några metallatomer ersätts av andra av liknande storlek. mässing = Cu/Zn Mellanrumslegeringar: mellanrum (hål) i den tätpackade metallstrukturen upptas av små atomer. stål = Fe + C Båda typer: legerade stål innehåller en blandning av dessa Copyright Cengage Learning. All rights reserved 29

30 Avsnitt 10.4 Struktur och bindningar i metaller Olika slags legeringar

31 Avsnitt 10.4 Struktur och bindningar i metaller 12 grannar Varje atom i tätpackningar har tolv nära grannar. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 31

32 Avsnitt 10.4 Struktur och bindningar i metaller Ytcentrerad enhetscell Copyright Cengage Learning. All rights reserved 32

33 Avsnitt 10.4 Struktur och bindningar i metaller Konceptkoll En metall kristalliserar i en ytcentrerad kubisk enhetscell, dvs abc-tätpackning Bestäm förhållandet mellan radien hos metallatomen och sidlängden på enhetscellen. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 33

34 Avsnitt 10.4 Struktur och bindningar i metaller Konceptkoll Silvermetall kristalliserar i en enhetscell som är ytcentrerad kubisk. Enhetscellens sidlängd är 409 pm. Beräkna silvermetallens densitet. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 34

35 Avsnitt 10.5 Kol och kisel: kovalenta nätverk Makromolekylära nätverk Består av starka riktade kovalenta bindningar och är bäst beskrivna som jätte-molekyler. spröd leder inte värme eller elektricitet kol-, kiselbaserad grafit, diamant, keramik, glas Copyright Cengage Learning. All rights reserved 35

36 Avsnitt 10.5 Kol och kisel: kovalenta nätverk Kol Bindningsstrukturen i diamant och grafit. Det är kovalenta bindningar mellan atomerna i dessa båda ämnen.

37 Avsnitt 10.5 Kol och kisel: kovalenta nätverk Kvarts Bindningsstruktur i kvarts (empirisk formel SiO 2 ). I ämnet finns enbart kovalenta bindningar. Kvarts består av ett nätverk av SiO tetraedrar som delar syreatomer.

38 Avsnitt 10.6 Molekylära fasta faser Copyright Cengage Learning. All rights reserved 38

39 Avsnitt 10.7 Jonföreningar Copyright Cengage Learning. All rights reserved 39

40 Avsnitt 10.8 Ångtryck och fasomvandling Ångtryck Är partialtrycket av ångan ovanför en vätska. Bestäms principiellt av storleken av de mellanmolekylära krafterna i vätskan. Ökar signifikant med temperaturen. Flyktiga vätskor har höga ångtryck. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 40

41 Avsnitt 10.8 Ångtryck och fasomvandling En vätska i en sluten behållare Initialt Efter ett tag Copyright Cengage Learning. All rights reserved 41

42 Avsnitt 10.8 Ångtryck och fasomvandling Vattnets ångtryck vid olika temperaturer Copyright Cengage Learning. All rights reserved 42

43 Avsnitt 10.8 Ångtryck och fasomvandling Konceptkoll Vad är ångtrycket hos vatten vid 100 C? Hur vet du? Copyright Cengage Learning. All rights reserved 43

44 Avsnitt 10.8 Ångtryck och fasomvandling Upphettningskurva för vatten. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 44

45 Avsnitt 10.8 Ångtryck och fasomvandling Kokpunkt Konstant temperatur då energi tillförs för att förånga vätskan. vätskan ångtryck = omgivningens totaltryck (typiskt 1 atm) Copyright Cengage Learning. All rights reserved 45

46 Avsnitt 10.8 Ångtryck och fasomvandling Ångtryck vs temperatur Copyright Cengage Learning. All rights reserved 46

47 Avsnitt 10.8 Ångtryck och fasomvandling Clausius Clapeyroekvationen P Δ vap, T H vap 1 1 P vap, T R T2 T1 1 ln = 2 P vap = ångtryck ΔH vap = förångningsentalpi R = J/K mol T = absolut temperatur (i Kelvin) Copyright Cengage Learning. All rights reserved 47

48 Avsnitt 10.8 Ångtryck och fasomvandling Konceptkoll Ångtrycket hos vatten vid 25 C är 23.8 torr och förångningsentalpin vid 25 C är 43.9 kj/mol. Beräkna vattnets ångtryck vid 65 C. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 48

49 Avsnitt 10.8 Ångtryck och fasomvandling Smältpunkt Beståndsdelarna i den fasta fasen slits loss från gitterpunkterna och ämnet övergår i vätska. (Temperaturen är konstant då smältning sker.) ångtrycket över fast fas = ångtrycket över vätskan Copyright Cengage Learning. All rights reserved 49

50 Avsnitt 10.8 Ångtryck och fasomvandling Den fasta och flytande fasen har här samma ångtryck

51 Avsnitt 10.8 Ångtryck och fasomvandling Konceptkoll Vilken av följande skulle du tro är större för ett givet ämne: ΔH vap eller ΔH fus? Förklara varför. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 51

52 Avsnitt 10.9 Fasdiagram Fasdiagram Ett behändigt sätt att representera de olika faserna hos ett ämne (eller blandningar av ämnen) som funktion av temperatur och tryck: Trippelpunkt Kritisk punkt Linjer för fasjämvikter Copyright Cengage Learning. All rights reserved 52

53 Avsnitt 10.9 Fasdiagram Delar i ett fasdiagram Trippelpunkt: Det tryck och den temperatur vid vilken gas, vätska och fastfas kan existera samtidigt. Kritisk temperatur: Den temperatur över vilken gas ej längre kan komprimeras till vätska. Kritiskt tryck: Trycket som erfordras för att kondensera gasen vid den kritiska temperaturen. Kritisk punkt: Kritisk temperatur och tryck (för vatten, Tc = 374 C och 218 atm). Copyright Cengage Learning. All rights reserved 53

54 Avsnitt 10.9 Fasdiagram Fasdiagram för vatten Copyright Cengage Learning. All rights reserved 54

55 Avsnitt 10.9 Fasdiagram Copyright Cengage Learning. All rights reserved 55

56 Avsnitt 10.9 Fasdiagram Fasdiagram för koldioxid Copyright Cengage Learning. All rights reserved 56

57 Avsnitt 10.9 Fasdiagram Koldioxid i fast form som ångar av i rumstemperatur Copyright Cengage Learning. All rights reserved 57

58 Avsnitt 10.9 Fasdiagram Konceptkoll Då de mellanmolekylära krafterna ökar, vad händer med följande egenskaper? Varför? Kokpunkt Viskositet Ytspänning Smältentalpi Fryspunkt Ångtryck Förångningsentalpi Copyright Cengage Learning. All rights reserved 58