Starile de agregare ale materiei

Atomii, moleculele, ioni-forme relativ simple de organizare a materiei- nu

exista ac entitati individuale ci fac parte dintr-o organizare superioara a materiei. In

functie de conditiile exterioare (temperatura, presiune), materia exista in diferite stari

de agregare:

gazoasa,

lichida,

solida

plasma

Starile de agregare a materiei sunt determinate atat de natura particulelor cat si

de interactiile care se stabilesc intre particule. Starile de agregare se deosebesc intre

ele prin tipul de miscare al particulelor una fata de alta. Starile de agregare pot trece

una in alta. De exemplu prin racirea unei substante gazoase, aceasta poate trece in

stare lichida iar mai departe, printr-o racire avansata in stare solida, sau invers prin

incalzirea unei substante solide aceasta poate ajunge la o anumita temperatura in stare

lichida sau mai deparete in stare gazoasa.

Starea gazoaza

Daca intre particule nu exista interactiuni puternice iar volumul acestora este

neglijabil in raport cu volumul ocupat, atunci proprietatile macroscopice ale

sistemului dat sunt guvernate de agitatia termica si reprezinta starea de gaz ideal. In

realitate acesta posibilitate nu exista, deorece in gaze exista slabe inetractiuni intre

particule.

Gazele se caracterizeaza prin tendinta de expansiune, pot ocupa tot spatiul pus

la dispozitie. Nu au volum propriu, nici forma proprie, prezinta cea mai mare

expansibilitate dar si cea mai mare compresibilitate.

Fortele de atractie dintre particulele unui gaz sunt slabe, intre particulele de

gaz coeziunea este foarte mica, la fel ca si densitatea.

Daca presiunea unui gaz creste, atunci gazul poate lichefia. Gazele sunt

perfect miscibile, adica se amesteca in orice proportie si au proprietatea de a difuza.

Viteza de difuzie este invers proportionala cu masa particulelor si direct proportionala

1

cu presiunea gazului. Trecerea gazelor prin orificii fixe (pereti porosi) poarta numele

de efuziune.

Legile gazelor ideale

O masa de gaz se caracterizeaza prin trei parametri: temperatura, volum si

presiune. Studiul comportarii gazelor se efectuiaza in functie de acesti trei parametri.

1. Legea lui Boyle-Mariotte- La temperatura constanta produsul dintre volumul

si presiunea unei anumite cantitati de gaz este constant.

Volumul unei mase determinate de gaz este invers proportional cu presiunea sub

care se afla gazul; daca se dubleaza presiunea fata de valoarea initiala, volumul

scade la jumatate. Acest lucru se noteaza:

Se cunoaste ca masa unei substante este egala cu produsul dintre volumul si densitatea

substantei date, . Daca inlocuim volumul in legea de mai sus cu ,

rezulta ca la temperatura constanta densitatea unui gaz este proportionala cu

presiunea.

Pentru doua volume de gaze aflate la aceasi temperatura dar la presiune

diferita legea lui Boyle-Mariotte devine:

p1V1= p2V2

Iar pentru n volume de gaze:

p1V1= p2V2 = .........= pnVn

2. Legea lui Gay-Lussac- Volumul unei anumite cantitati de gaz este direct

proportional cu temperatura absoluta, la presiune constanta.

La presiune constanta volumul unei mase deetrminate de gaz se mareste sau se

micsoreaza pentru fiecare crestere sau scadere de temperatura cu un grad, cu 1/273

din volumul ocupat de gaz la 0 oC. 1/273 = = coeficientul de dilatare.

Daca notam v0 volumul de gaz la zero grade si v1 volumul gazului la 1 grad Celsius,

2

Stiind ca V = M/ρ, putem scrie :

M1 ρ/M ρ1 = T1/T;

masele fiind constante, raportul celor doua este tot o constanta, deci k ρ/ ρ1 = T1/T

deci

ρT = ρ1T1 = ...= ρnTn

adica densitatea unui gaz este proportionala cu temperatura absoluta a gazului

3. Legea lui Charles- Presiunea unei anumite cantitati de gaz este direct

proportional cu temperatura absoluta, la volum constant.

ceea ce inseamna ca la presiune constanta volumul unei mase de gaz variaza direct

proportional cu temperatura (in Kelvin). Presiunea unei mase de gaz creste su scade

pentru fiecare crestere cu un grad, cu 1/273 din presiunea pe care o are gazul la 0 oC.

1/273 = =coeficientul de crestere a presiunii la volum constant.

Pentru doua volume de gaze :

p1/T1 = p2/T2

Daca se noteaza cu p0 presiunea gazului la 0oC si cu p1 presiunea gazului la t1 legea de

mai sus se poate scrie:

p1= p0 + p0 t1 /273= p0[(273+ t1)/273]=po(1+ t)

3

sau

P1=P0(T1/273)

P2=P0(T2/273)

Rezulta

P1/ P0= T1/T0= P2/ P0= T2/T0 deci

P0/T0 = P1/T1 = P2/T2 = constant

4. Ecuatia de stare a gazelor ideale (legea generala a gazelor)-Pentru gazele

ideale

Cum ajunge la relatia care exprima legea generala a gazelor ideale:

Cand cei trei parametri variaza concomitent este valabila relatia:

pV=p0V0(1+αt) (1) unde α = 1/273 si reprezinta coeficientul de dilatare

Daca inlocuim α in relatia (1) rezulta:

PV = p0V0/273(273+t)

Raportul p0V0/273 reprezinta constanta gazelor R, iar 273+t este T in Kelvin.

Prin urmare PV = RT.

Pentru n moli de substanta gazoasa:

R = 1,9872 cal/grad*mol

Numarul de moli fiind dat de raportul dintre masa m a gazului si masa sa moleculara

M ecuatia se poate rescrie:

4

pV = (m/M)RT

Cu ajutorul acestei relatii se poate calcula masa moleculara a unui gaz in anumite

conditii.

Legea presiunilor partiale

Presiunea unui amestec de gaz in care gazele nu reactioneaza chimic intre ele este

egala cu suma presiunilor partiale ale fiecarui gaz in parte din amestecul considerat.

p = p1+p2+p3+ +pn pentru V = const ( legea lui Dalton)

la presiune constanta

V = V1+V2+V3+ +Vn

Rezulta ca presiunea partiala a unui component dintr-un amestec gazos este

proportionala cu fractiunea de volum ocupat de component:

pV = p1V1+p2V2 + +pnVn

Pentru fiecare componenta se poate aplica ecuatia de stare

P1V=n1RT

p2V=n2RT

n = n1+n2+ +n3

notam cu n1/n=x1 fractia molara

p1=x1p

p2=x2p

Calculam nr de moli dintr-un component stiind ca

xi=pi/p = Vi/V

ni=xin

Teoria cinetica a gazelor

Pornim de la pV =nRT si de la formula Ec = mv2/2

Pentru un mol de substanta Ec=Mv2/2 , Mv2=2Ec,

Pe unitatea de suprafata pV = Mv2/3

Din ultimele doua relatii

5

Mv2=3PV

Energia cinetica creste o data cu cresterea temperaturii. In miscarea lor moleculele

ating viteze mari dar parcursul este scurt ca urmare a ciocnirilor suferite de molecule.

Distanta medie parcursa de o molecula intre doua ciocniri succesive se numeste drum

liber mediu τ. Pentru o temperatura data τ~1/p. Suma τ intr-o secunda determina

viteza medie a moleculelor v.

Gazele reale

Comportamentul gazelor reale nu poate fi descris complet cu ajutorul legilor

gazelor ideale. Exista o abatere de la aceste legi.

Pentru un gaz ideal putem scrie PV=nRT=1

In cazul gazelor reale:

Vreal>Videal

Prin urmare

Pvreal=nRT>1

Preal<Pideal

PrealV=nRT<1

Van der Waals propune o relatie care sa descrie contractia gazelor ideale:

unde reprezinta corectia care tine seama de fortele de atractie intermoleculare si

actioneaza ca o presiune care comprima gazul. Acest termen se numeste presiune

interna si este invers proportional cu patratul volumului.

a= constanta legata de atractia moleculara

b= corectia care tine cont de volumul efectiv al moleculelor si de respingerea

dintre ele.

a si b sunt valori specifice pentru fiecare gaz care se gasesc tabelate.

6

De exemplu pentru hidrogen H2, a are valoarea de 0,245x103 atm x cm6x mol2, iar b

are valoarea de 2,67x10 cm3x mol-1.

Fiecare gaz este caracterizat de o temperatura peste care gazul respectiv nu

poate fi lichefiat. Acest prag se numeste temperatura critica Tc. Presiunea minima

necesara pentru lichefierea gazului se numeste presiune critica Pc. Volumul ocupat de

un gaz caracterizat de Tc si Pc se numeste volum critic si se noteaza cu Vc. Toate

aceste marimi sunt constante pentru un gaz dat si definesc punctul critic sau starea

critica a substantei, avand importanta in procesul de lichefiere a gazelor.

Gazele permanente au Tc foarte mica (mult sub 00C) si de aceea au fost

considerate pana nu demult nelichefiabile .

Gazele cu Tc in apropierea valorii de 250C lichefiaza usor la presiuni putin

peste presiunea critica Pc.

Starea lichida

Starea de agregare lichida se caracterizeaza prin:

-densitate cuprinsa intre starea gazoasa si cea solida

-mobilitate mai mica decat a gazelor care creste odata cu cresterea temperaturii

-difuzeaza, dar mai lent decat gazele

-se manifesta unele forte de inetractiune interoleculara care duc la aparitia

fenomenului de coeziune

-sunt miscibile dar acesta proprietate depinde de natura lichidelor, de concentratie si

de temperatura

Un lichid care unple partial un recipient inchis se afla in echilibru cu vaporii sai.

Acesti vapori se numesc saturati. La echilibru numarul moleculelor care condenseaza

este egal cu numarul de molecule care se volatilizeaza. Presiunea la care coexista

gazul cu lichidul la o anumita temperatura se numeste presiune de vapori. Este

independenta de volumul gazului in care se afla lichidul.

Procesul prin care lichidul trece in stare de vapori se numeste evaporare. Cand

evaporarea are loc in toata masa lichidului procesul se numeste fierbere. Procesul de

trecere a vaporilor in stare lichida se numeste condensare.

7

Cantitatea de caldura necesara pentru a transfiorma un mol de substanta lichida in

vapori se numeste caldura molara de vaporizare.

Asupra lichidelor se manifesta tensiunea superficiala- forta care se orienteaza dinstre

exteriorul lichidului spre interior si tinde sa micsoreze suprafata lichidului. O alta

forta care se manifesta in lichide este persiunea interna care reprezinta forta de

atractie a moleculelor din stare gazoasa pana la o distanta mai mica decat raza de

actiune a fortelor intermoleculare.

Capilaritatea reprezinta procesul de ridicare a lichidelor in tuburi inguste cu formare

de suprafete curbe numite meniscuri.

In functie de tensiunea de adeziune a lichidului la peretii vasului se formeaza

meniscuri concave si convexe.

meniscuri concave in care lichidul uda peretii vasului

meniscuri convexe in care lichidul nu uda peretii vasului

Curgerea – proprietate specifica lichidelor- stratul din vecinatatea peretelui vasului

ramane stationar, celelalte curg cu viteza crescanda pana la atingerea vitezei maxime.

Deplasarea lichidelor este contracarata de persiunea interna si de vascozitatea

lichidelor. Vascozitatea unui lichid se exprima prin coeficientul de vascozitate care

reprezinta forta de frecare ce se exercita intre doua straturi paralele de lichid in

deplasare relativa pe unitatea de suprafata.

Starea solida

-forte de atractie intre componente

-rezistenta la deformare emcanica si termica

Se impart in

8

Cristaline-caracterizate printr-o distributie ordonata a particulelor

Amorfe-distributie lipsita de regularitate a particulelor

Substantele cristaline

Particulele sunt organizate in retele cristaline. Cristalele sunt limitate de fete si muchii

care se intalnesc in colturi.

Nr fete + nr colturi= nr Muchii + 2.

Cristalochimia

Factori care influenteaza structura cristalina-volumul particuleor-polarizarea-natura fortelor de interactiune –electrovalente

- covalente-legatura metalica-van der Waals-legatura de hidrogen

Pentru constituirea retelei consideram atomii sau ionii constituenti ca fiind particule rigide.

Impachetarea cristalina

Particulele se aranjeaza in asa fel incat sa ocupe complet spatiul pus la dispozitie, rezultand structuri compacte , ceea ce inseamna numar maxim de particule asezate in cel mai mic spatiu posibil.

Structuri din particule cu raza egala Intr-un strat, Fiecare sfera este inconjurata de alte 6 sfere.

Intre doua straturi de particule se formeaza doua randuri de goluri triunghiulare. Centrul sferelor din cel de al treilea strat coincide cu centrul sferelor din primul strat. Intr-o structura tridimensionala compacta de acest tip fiecare sfera este in contact cu alte 12 sfere situate astfel: 6 sfere in acelasi pla, 3 sfere din planul de deasupra si 3 sfere din planul de desupt. Celula elementara pentru acest tip de retea este cub fete centrate.

9

Structuri mai putin compacte apar atunci cand planele se suprapun astfel incat centrul sferei coincide cu cel al golului

Celula elementara in acest caz este de cub centrat intern.

Impachetarea cu sfere iregulate

Rezulta retele ionice, razele sferelor nu sunt egaleEx:Structura clorurii de sodiu NaCl

Reteaua este de tip cub fete centrate Ionii de sodium alterneaza cu cei de Cl. Cubul este format din 4 celule elementare. Ionii de sodiu ocupa colturile cubului si centrul fetelor iar cei de clor sunt dispusii pe muchiile cubului si in centru acestora.Raportul de combinare este 1:1.

Alte retele de acest tip:LiF, LiCl, NaF, KF, KCl, KBr, RbF, AgF, AgCl, MgO, CaO, MnO, MgS

10

Structura TlF

Structura CuO

11

Structuri covalenteNodurile retelei sunt ocupate de atomi legati covalent intre ei. Aranjamentul in retea este dat de tipul de hibridizare al atomilor.

Diamantul-cub cu fete centrate in care jumatate din atomii de carbon formeaza reteaua iar cealalta jumatate ocupa golurile tetraedrice ale reteli primei jumatati.

Alte elemente care adopta acelasi tip de retea Si, Ge, Sn, SiC.

Acestea nu conduc curentul electric, nu se dizolva si prezinta luciu metallic.

Blenda ZnS

adopta o retea de tip cfc ca si la diamante in care jumatate din atomii de carbon, cei care constitue reteaua sunt inlocuiti cu S2-, iar golurile sunt ocupate de Zn2+.

Wurtzita ZnS cu aranjament hexagonal compact

12

Structuri moelculareSunt specifice compusilor moleculari in care predomina legatura covalenta. Intre molecule se stabilesc legaturi van der Waals.

Ex. Reteaua sulfului

Exista forma

1) Alfa-S sau sulful rombic in care moleculele S8 sunt organizate in cicluri

2) Beta –S , monoclinic

Notiuni de cristalografie

Stiinta care se ocupa cu studiul substantelor solide cu structura cristalina se numeste cristalografie.

13

Exista 7 sisteme cristaline de baza; fiecare are cel putin un poliedru de baza caracterizat de raporturile ce exista intre axele cristalografice a, b, si c si unghiurile si

Cele 7 sisteme cristaline sunt : Sistemul cubic Sistemul tetragonal Sistemul hexagonal Sistemul romboiedric Sistemul ortorombic Sistemul monoclinic Sistemul triclinic

Sistemul cubic:a=b=c,

In acest sistem gasim forme cristaline cum ar fi: cubul, octaedru regulat (8 feţe), rombododecaedru (12 feţe), tetrahexaedru (24 feţe) si hexaoctaedru (48 feţe).

cub octaedru dodecaedru

exemple: NaCl, Al2O3, PbS, Cu, Ag, Al, W.

Sistemul tetragonal:a=b≠c,

In acest sistem cristalizeaza forme cum ar fi: prisma, piramida, etc

piramida cuadratica bipiramida patratica piramida cu prisma

MnO2,

Sistemul hexagonal:a=b≠c, , =

Poseda a patra axa cristalografica, diferita de celelalte trei. Forme cristaline care adopta acest sistem sunt: piramidele si prismele hexagonale precum si piramidele simple si duble cu 12 feţe.

14

prisme hexagonale bipiramida hexagonala

ex: SiO2, AgI, CuS, H2O, MoS2, Zn.

Sistemul romboedric:a=b=c, ≠≠≠

Are o axa in plus perpendiculara pe celelalte si care face unghi de 900 cu celelalte axe, asemanator cu sistemul hexagonal.Diferenta apare la planele de simetrie; acestea fac ca in acest sistem sa existe doar 3 componente angulare. Formele cristaline intalnite in acest sistem sunt: prisma si piramida trigonala precum si romboedri.

.

bipiramida trigonala romboedriEx: CaCO3, NiS, Fe2O3, As, Sb.

Sistemul ortorombic:a≠b≠c,

Axele cristalografice sunt paralele cu directiile muchiilor. Sunt perpendiculare unele pe altele.In acest sistem cristalizeaza prisme si piramide simple si duble ortorombice.

15

prisma tetragonala bipiramida patartica prisma

Sistemul monoclinic:a≠b≠c,, ≠

toate cele trei axe sunt inegale. Doua unghiuri sunt drepte, unul diferit de celelate

.

Paralelipiped monoclinic Prisma Clinopinacoida

Ex: CaSO4, KClO4, B, S8

Sistemul triclinic:a≠b≠c≠≠Toate axele si toate unghiurile sunt inegale

16

Prisma Prisma Bipiramida patartica

Ex: CuSO4*5H2O, K2Cr2O7, CaSiO3

17