Kapitel 10. Vätskor och fasta faser

Kapitel 10 Vätskor och fasta faser

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

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

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

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

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).

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

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

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

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).

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

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

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

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

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

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

Avsnitt 10.4 Struktur och bindningar i metaller Olika slags legeringar

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

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

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

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

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 2-4 - tetraedrar som delar syreatomer.

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

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

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 = 8.3145 J/K mol T = absolut temperatur (i Kelvin) Copyright Cengage Learning. All rights reserved 47

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

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

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

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

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

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

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