Struktura a vlastnosti látek Část 1, úvod, skupenství a fáze Struktura a vlastnosti látek Našim tématem nebude struktura jádra atomu, atomů ani molekul, budeme se věnovat makroskopickým systémům složeným počtu atomů přibližně řádově rovno Avogadrovu číslu. strukturu látek (na všech úrovních) určují vazebné interakce (budeme jim věnovat samostatnou kapitolu). Energie vazeb: nukleony v jádře 1 (H) – 9 (Fe) MeV/částici elektrony v atomu 4 – 25 eV chemická vazba v molekule 3 – 4 eV (iontová nebo kovalentní vazba) vazba mezi molekulami 0,01 – 0,1 eV (van der Waalsovy síly) kinetická energie částice při pokojové teplotě 0,03 eV tedy tepelný pohyb za pokojové teploty: nerozbije jádro, neionizuje atom, nerozloží molekulu ale může narušit mezimolekulární interakce, (nebo slabé meziatomární interakce – rtuť). podle kvantitativního vztahu mezi vazebnými energiemi a energií tepelného pohybu se makroskopický systém látky vyskytuje v některém z tzv. skupenství látky: pevné kapalné plynné (plazma) Například za pokojové teploty (a vhodného tlaku) mohou být kapaliny látky s rigidními molekulami a slabými mezimolekulárními vazbami (voda) nebo se slabou vazbou mezi atomy (rtuť – pseudoinertní plyn). Pozn. 1. Rtuť má zaplněny všechny orbitaly až do 6s. Plynná rtuť netvoří dvouatomové molekuly (jako například sousední zlato) a zůstává jako jednoatomární plyn, podobně jako inertní plyny. Pozn. 2. Atomy hélia se přitahují velmi slabými van der Waalsovými silami. Za nulového tlaku helium neexistuje v pevném skupenství za žádné teploty Pozn. 3. Někdy se pojem skupenství zaměňuje s pojmem fáze. Fáze je však obecnější. Např. různé krystalografické modifikace jsou různé fáze téže látky, ovšem vždy pevného skupenství. kondenzované systémy tekutiny pevné látky atomy (molekuly) mají pevnou střední polohu v prostoru, pohyb se omezuje na kmitání kolem rovnovážných poloh (a pomalou difúzi) Příklady: pevný krystal křemíku: atomy jsou pevně vázány směrovými kovalentními vazbami krystal NaCl: pevná iontová vazba, nejsou zde identifikovatelné molekuly jako entity hexagonální krystal ledu: rigidní molekuly vody jsou vázány relativně silnými vodíkovými vazbami http://hgf10.vsb.cz/546/Ekologicke%20aspekty/voda/fyzikalni/vazba_images/image007.jpg http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/e/eb/Sodium_chloride_crystal.png/200px-Sodium_c hloride_crystal.png http://www.xray.cz/kryst/obr/obr7-8.gif pevné látky mají téměř stálý tvar a objem (velké moduly pružnosti) kapaliny molekuly (voda) nebo atomy (rtuť) jsou vázány relativně slabými silami (srovnatelnými s energií tepelného pohybu) molekuly (atomy) nejsou vůči sobě fixovány do neměnných poloh, ale pouze do přibližně konstantních vzdáleností. kapaliny mají téměř stálý objem, ale nestálý tvar. Jsou málo stlačitelné (moduly objemové pružnosti jsou srovnatelné s pevnými látkami) kapaliny mají větší koeficient teplotní roztažnosti než pevné látky, slabší interakce, větší posuv střední mezimolekulární (atomové) vzdálenosti než u pevných látek. model ideální kapaliny: dokonale nestlačitelná, bez vnitřního tření (nulová viskozita) plyny velmi slabá interakce mezi molekulami (atomy) dobrá stlačitelnost, nestálý objem ani tvar model ideálního plynu: neinteragující molekuly (s výjimkou pružných srážek) stavová rovnice ideálního plynu stavová rovnice reálného plynu – van der Waalsova rovnice Změny skupenství, fázový (pT) diagram wpe1.jpg (16466 bytes) wpe2.jpg (16178 bytes) obvyklá látka voda fázový diagram vody nejvyšší tlak kapalné vody ~12 GPa při 373.946°C kritický bod 647.096 K, 22.064 MPa, 322 kg m-3 wpe1.jpg (16466 bytes) nejnižší teplota kapalné vody -22°C při 207.5 MPa nejvyšší teplota kapalné vody 373.946°C, >22.064 MPa nejnižší tlak kapalné vody 611.657 Pa při 0.01°C trojný bod vody 0.01°C (273.16 K přesně definitoricky), 611.657 Pa, kritický bod etheru anomálie vody led má menší hustotu než kapalná voda hustota ledu při 0 ºC: 916,7 kg/m3 ledová bomba levitace tajícího ledu anomálie vody voda má největší hustotu pro teplotu 4ºC hustota vody při 3,984 ºC: 999,972 kg/m3 anomalie-vody 55m anomálie vody v oblasti 0 – 4ºC má voda záporný koeficient teplotní roztažnosti, pro T= 4ºC je koef. teplotní roztažnosti nulový kondenzované fáze vody s největší a nejmenší hustotou jsou od sebe vzdáleny 4ºC anomálie vody zvyšování tlaku snižuje bod tání – regelace ledu wpe1.jpg (16466 bytes) File:Phase diagram of germanium (1975).png I jiné látky vykazují anomální vlastnosti Phase_diagram_of_gallium_%281975%29 bismut Phase_diagram_of_plutonium_%281975%29 ale je jich jen málo http://www.stranypotapecske.cz/teorie/voda1.jpg fázový diagram vody: mnoho fází v pevném skupenství fázový diagram CO2 005-Chang487-CO2 Oxid uhličitý neexistuje za normálního tlaku v kapalném skupenství. Proč led klouže? 1) Pod bruslemi za vyššího tlaku taje. Tři hypotézy: fázový diagram vody http://www.btinternet.com/~martin.chaplin/images/phasexp.gif Otázka: Na výše uvedeném diagramu chybí plynná fáze. Jak je to možné? Úkol: S pomocí fázového diagramu vody odhadněte snížení teploty tání pod noži bruslaře. Je možné vysvětlit klouzavost ledu tímto efektem? 2) Třením se ohřívá a taje. Proč led klouže? 3) Na povrchu ledu je (vždy) tenká vrstva vody. Proč led klouže? kluzky led 1 kluzky led 2 Tloušťka kapalné vrstvy vody v závislosti na teplotě určená různými experimentálními metodami: proton backscattering (červená), rtg rozptyl (obě černé), AFM (hvězdy) a regelace ledu (modrá). Povrch ledu s kapalnou vrstvou při teplotě – 20ºC, simulace molekulární dynamiky. bruslit lze i při – 30ºC Tuto vlastnost nemá jen led, ale i řada jiných látek v blízkosti teploty tání (10 - 100 ºC pod touto teplotou) : olovo, cín, zinek, kadmium,. Povrchové napětí povrch kapaliny se chová tak, jako by byl potažen pružnou blánou. http://stribrujari.hustej.net/image/200612021956_pn3.jpg http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/4/47/Blue_droplets.jpg/220px-Blue_droplets.jpg http://jerzyfoto.wu.cz/stranky/fotky//bruslarka_obecna_(gerris_lacustris).jpg Soubor:SilaMolekulyNaPovrchu.png Schéma přitažlivých sil působící na částici (molekulu nebo atom) v povrchové vrstvě. Odpudivé síly nejsou znázorněny! Povrchové napětí je důsledkem mezimolekulární interakce povrchove napeti z ucebnice obvyklý učebnicový výklad je však diskutabilní a nevysvětluje přítomnost povrchové síly v rovině povrchu! z učebnice fyziky pro gymnázia: výslednice sil nemůže mířit dovnitř kapaliny, protože podle 2.NZ by molekula tímto směrem musela zrychlovat! Wikipedie: vazebna energie Chemie pro gymnázia 1, str. 35 alternativní výklad povrchového napětí příčina vzniku: interakce mezi molekulami vytvoření každé vazby – snížení energie výhodnější konfigurace vazebná energie povrch kapaliny rozhraní kapalina – stěna nádoby snaha zmenšit energii = snaha zmenšit povrch povrchové napětí => povrchová energie látka σ [J/m2] voda 76 · 10-3 etanol 22 · 10-3 rtuť 476 · 10-3 Jak vysvětlíme existenci síly rovnoběžné s povrchem kapaliny? Povrchovou energii lze zmenšit pouze zmenšením plochy. Jaký směr musí mít síla, jejíž působením dojde ke zmenšení plochy povrchu? takový! Vztah mezi povrchovým napětím a silou povrchového napětí působením vnější síly zvětšujeme plochu povrchu vykonaná práce je rovna nárůstu potenciální povrchové energie Tvar vodní kapky? Výsledek obrázku pro water drop Výsledek obrázku pro water drop Výsledek obrázku pro water drop Výsledek obrázku pro water drop Výsledek obrázku pro ferda mravenec Ondřej Sekora http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/0/07/Water_drop_animation.gif/450px-Water_drop_ animation.gif http://www-isis.u-strasbg.fr/lbc/Images/Movies/Splash.gif Rain Drops are not Tear Shaped tlak uvnitř mýdlové bubliny povrchové napětí se snaží zmenšit plochu rozhraní tedy zmenšit velikost bubliny síla povrchového napětí stlačuje plyn uvnitř bubliny V předchozím výkladu vzniku povrchové energie nebylo nikde nezbytné, že se jedná o kapalinu. Stejné argumenty bychom mohli použít i pro pevné látky. Povrchová energie tedy obecně existuje na povrchu kondenzovaných látek. Povrchová energie pevných látek zůstává běžně nepovšimnuta, protože se nedemonstruje takovým způsobem, jako na povrchu kapalin. Existují však jevy, které jsou existencí povrchové energie pevných látek výrazně ovlivněny. Uvedeme si některé příklady: 1) Kapilární elevace (deprese) Výsledek obrázku pro kapilární elevace 2) Depozice tenkých vrstev růst vrstva po vrstvě Pro další atom (molekulu) je energeticky nejvýhodnější doplnit rostoucí rovinu. Vazba s atomy stejného druhu je slabší než vazba se substrátem. ostrůvkovitý růst Pro další atom (molekulu) je energeticky nejvýhodnější doplnit rostoucí ostrůvek. Vazba s atomy stejného druhu je silnější než vazba se substrátem. Volmerův- Weberův Frank-van der Merweův 3) nukleace nové fáze • počátek tuhnutí • počátek varu vznik zárodku = • vznik objemu nové fáze termodynamicky výhodné, vznik nových vazeb – snížení energie • vznik rozhraní dvou fází termodynamicky nevýhodné, vznik povrchu s povrchovou energií Gibbsova energie (konstantní tlak a teplota) tzv. homogenní nukleace přechlazená voda: existence kapalné vody nad teplotou varu Příklady: Jules Verne, Na kometě KAPITOLA XXII končí malým, velmi zajímavým pokusem ze zábavné fyziky Moře přes značný pokles teploty dosud nezamrzlo. Byl to důsledek naprosté nehybnosti hladiny, protože její povrch nečeřil ani nejslabší vánek. A je známo, že za takových okolností může mít voda i několik stupňů pod nulou, aniž by zamrzla. Stačí však prostý náraz a voda náhle ztuhne. ……. Nina se dvakrát třikrát rozmáchla a hodila led do klidné vody….Okamžitě zazněl silný praskot, který se nesl až k obzoru. Galické moře na celém povrchu zamrzlo. teoretický limit přechlazení je cca - 40ºC. Tohoto přechlazení dosahují kapičky vody v oblacích přehřátá voda (utajený var) varný kamínek: heterogenní nukleace zahřívací polštářky vysoké přechlazení octanu sodného http://nahrivaci-polstarky.cz/images/products/01b.jpg další příklady heterogenní nukleace: kondenzace par fabia sterace vznik oblačnosti je vázán na přítomnost prachových částic ve vzduchu article-2407768-1B8BBFDA000005DC-414_964x650 Londýnská mlha 1952 – 12 000 úmrtí Londýnská mlha – hustá mlha její vznik je do značné míry vázán na nečistoty ze smogu ze spalování uhlí. Po zavedení tzv. bezkouřových zón v roce 1956 je londýnská mlha minulostí. Uvolňování rozpuštěného plynu z kapalin „záhadný“ tok bublinek z jednoho místa v nápojích sycených CO2 beer_glass_4E384C3B-F583-E4C6-B0F48D3C2A0F5F21 Jak se dostane voda na vrchol 100m stromu? kapilární elevace http://www.steveshamesphotos.com/images/Sequoia07.jpg radius v μm Hydrostatický tlak uvnitř kmene Záporný tlak kapaliny? Co se stane s kapalinou, když snížíme tlak? začne vřít! wpe1.jpg (16466 bytes) var = „roztržení“ kapaliny pokud zabráníme vzniku varu, kapalina snese i záporný tlak. video přehřátá voda povrchové napětí se snaží zmenšit plochu rozhraní kapalina – pára tedy zmenšit velikost bubliny síla povrchového napětí stlačuje páru uvnitř bubliny tlak uvnitř bubliny Příklad: r = 0,15μm hydrostatický tlak 100m sloupce vody Povrchové napětí zajišťuje sání vody dvěma způsoby: • kapilární vztlak zvedá vodu vzhůru • povrchová energie zabraňuje vzniku varu (v tenkých kapilárách nemůže vzniknout bublinka nadkritické velikosti) Odpar vody z listů sání vody z půdy Proudění vody: File:Phospholipids aqueous solution structures.svg C6_Membrane_3 4) Fosfolipidy povrchové napětí rozhraní je malé povrchové napětí rozhraní je velké