Kapitel 10 Vätskor och fasta faser Kapitel 10 Innehåll 10.1 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 ar 10.9 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 2 De tre aggregationstillstånden 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 3 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 4 Densiteter hos vatten 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 5 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 6 1
Kokpunkter för olika hydrider Smält och kokpunkter Generellt gäller att ju högre mellanmolekylära krafter, desto högre smält och kokpunkter. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 7 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 8 Krafter mellan (ej inom) molekyler. dipol-dipolkrafter vätebindningar London-dispersionskrafter Dipol-dipolkrafter a) Den elektrostatiska interaktionen mellan två polära molekyler. b) Interaktion mellan många dipoler i en kondenserad fas (fast fas eller vätska). Copyright Cengage Learning. All rights reserved 9 Vätebindningar De prickade linjerna är mellanmolekylära krafter mellan vattenmolekylerna 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 11 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 12 2
Vilka är starkare, kovalenta bindningar inom molekylerna eller mellanmolekylära bindningar? Hur vet man? 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 13 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 14 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). 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 Representationen av ett kristallint ämne Kubiska enhetsceller Enhetscell: Den minsta upprepande enheten av ett gitter. enkel kubisk centrerad kubisk ytcentrerad kubisk Copyright Cengage Learning. All rights reserved 17 3
Diffraktion av röntgenstrålar i gittret. 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 19 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 20 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). Tre klasser av kristallina ämnen Atomic Ionic Molecular Copyright Cengage Learning. All rights reserved 21 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 22 Tre klasser av kristallina ämnen Tätpackning av uniforma sfärer: Copyright Cengage Learning. All rights reserved 23 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 24 4
aba-tätpackning abc-tätpackning Copyright Cengage Learning. All rights reserved 25 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 26 Antal sfärer i en ytcentrerad kubisk enhetscell. Elektronsjömodellen för metaller tänker man sig katjoner som omges av en sjö av valenselektroner. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 27 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 28 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 Olika slags legeringar Copyright Cengage Learning. All rights reserved 29 5
12 grannar Ytcentrerad enhetscell Varje atom i tätpackningar har tolv nära grannar. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 31 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 32 En metall kristalliserar i en ytcentrerad kubisk enhetscell, dvs abc-tätpackning Bestäm förhållandet mellan radien hos metallatomen och sidlängden på enhetscellen. Silvermetall kristalliserar i en enhetscell som är ytcentrerad kubisk. Enhetscellens sidlängd är 409 pm. Beräkna silvermetallens densitet. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 33 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 34 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 Avsnitt 10.5 Kol och kisel: kovalenta nätverk Kol Bindningsstrukturen i diamant och grafit. Det är kovalenta bindningar mellan atomerna i dessa båda ämnen. grafit, diamant, keramik, glas Copyright Cengage Learning. All rights reserved 35 6
Avsnitt 10.5 Kol och kisel: kovalenta nätverk Avsnitt 10.6 Molekylära fasta faser Kvarts Bindningsstruktur i kvarts (empirisk formel SiO 2 ). I ämnet finns enbart kovalenta bindningar. Kvarts består av ett nätverk av SiO 2-4 - tetraedrar som delar syreatomer. Copyright Cengage Learning. All rights reserved 38 Avsnitt 10.7 Jonföreningar 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 39 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 40 En vätska i en sluten behållare Vattnets ångtryck vid olika temperaturer Initialt Efter ett tag Copyright Cengage Learning. All rights reserved 41 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 42 7
Upphettningskurva för vatten. Vad är ångtrycket hos vatten vid 100 C? Hur vet du? Copyright Cengage Learning. All rights reserved 43 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 44 Kokpunkt Konstant temperatur då energi tillförs för att förånga vätskan. vätskan ångtryck = omgivningens totaltryck (typiskt 1 atm) Ångtryck vs temperatur Copyright Cengage Learning. All rights reserved 45 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 46 Clausius Clapeyroekvationen P vap, T Δ H vap 1 1 P vap, T R T2 T1 1 ln = 2 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. P vap = ångtryck ΔH vap = förångningsentalpi R = 8.3145 J/K mol T = absolut temperatur (i Kelvin) Copyright Cengage Learning. All rights reserved 47 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 48 8
Smältpunkt Beståndsdelarna i den fasta fasen slits loss från gitterpunkterna och ämnet övergår i vätska. (Temperaturen är konstant då smältning sker.) Den fasta och flytande fasen har här samma ångtryck ångtrycket över fast fas = ångtrycket över vätskan Copyright Cengage Learning. All rights reserved 49 Vilken av följande skulle du tro är större för ett givet ämne: ΔH vap eller ΔH fus? Förklara varför. 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 51 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 52 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). för vatten Copyright Cengage Learning. All rights reserved 53 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 54 9
för koldioxid Copyright Cengage Learning. All rights reserved 55 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 56 Koldioxid i fast form som ångar av i rumstemperatur Då de mellanmolekylära krafterna ökar, vad händer med följande egenskaper? Varför? Kokpunkt Viskositet Ytspänning Smältentalpi Fryspunkt Ångtryck Förångningsentalpi Copyright Cengage Learning. All rights reserved 57 Copyright Cengage Learning. All rights reserved 58 10