chemia_dobra.docx

I. Struktura i charakterystyka ogólna tworzyw budowlanych.

1. struktura i ogólna charakterystyka stanu stałego: stan stały (krystaliczny) – atomy, jony

lub cząsteczki są przestrzennie uporządkowane i tworzą sieć krystaliczną. W zależności od

kształtu komórki elementarnej wyróżnia się 7 układów krystalograficznych. Budowę

krystaliczną materiału charakteryzuje się przez podanie układu krystalograficznego, sposobu

rozmieszczenia ścian kryształu w stosunku do osi krystalograficznej oraz liczby

koordynacyjnej określającej liczbę jednakowych jonów lub atomów otaczających w tej

samej odległości atom lub jon przyjęty za centralny. Liczba ta odpowiada liczbie

wierzchołków wielościanu lub wieloboku, utworzonego przez jony lub atomy wokół

elementu centralnego.

1.1. Rodzaje ciał stałych: krystaliczne, amorficzne (bezpostaciowe) i polikrystaliczne

1.2. Energia każdej cząsteczki ciała krystalicznego jest minimalna, gdy otoczenie każdej

cząsteczki jest identyczne.

1.3. Izomorfizm (równopostaciowość) – niektóre substancje o tym samym typie wzoru

chemicznego np. CaO i MgO mogą odznaczać się tą samą postacią krystalograficzną, o

bardzo zbliżonych kątach między krawędziami i ich atomy i jony mogą się zastępować –

nazywamy to diadochią.

1.4. Polimorfizm – zjawisko występowania różnych odmian krystalograficznych tej samej

substancji np. węgiel, węglan wapniowy, dwusiarczek żelaza

własności ciał krystalicznych

2. ciała stałe:

2.1. Faza – jednolita fizycznie część układu, oddzielona od pozostałych części wyraźną

granicą, na której następuje skokowa, wyraźna zmiana właściwości

2.2. Układy jednorodne (jednofazowe, homogeniczne) – wszystkie substancje w jednym

stanie skupienia, roztwory i mieszaniny gazów – szkliwa i kryształy

2.3. Układy niejednorodne (wielofazowe, heterogeniczne) – faza ciągła z rozproszoną w

niej inną fazą - koloidy i kompozyty

3. siły spójności:

3.1. Kohezyjne – jest to siła stawiania oporu przez ciała fizyczne, poddawane rozdzieleniu

na części. Źródłem jej są oddziaływania międzycząsteczkowe i wynika z sił działających

wewnątrz ciała. Jest zależna od wielu czynników np. stanu skupienia (największa w

kryształach)

3.2. Adhezyjne – łączenie się ze sobą powierzchniowych warstw ciał fizycznych lub faz.

Występuje w wyniku oddziaływań międzycząsteczkowych stykających się substancji –

występuje np. przy klejeniu i malowaniu

3.3. Zniszczenie kohezyjne – następuje, gdy siły wiązań międzycząsteczkowych ustępują

siłom obciążenia zewnętrznego

3.4. Zniszczenie adhezyjne – następuje, gdy siły adhezji ustępują siłom obciążenia

zewnętrznego (słynny sernik)

4. ciała krystaliczne:

4.1. Definicja – rodzaj ciała stałego, w którym atomy nie mają pełnej swobody

przemieszczania się w objętości ciała i zajmują ściśle określone miejsca w sieci

przestrzennej, mogą jedynie drgać wokół położenia równowagi. Istnieje bardzo wiele

ciał krystalicznych – 100 pierwiastków, 4950 związków dwuskładnikowych, 16170

trójskładnikowych...

4.2. Ciało bezpostaciowe (amorficzne) – jest to ciało w stanie stałym, ale tworzące je

cząsteczki są ułożone w sposób chaotyczny, bardziej zbliżony do tego spotykanego w

cieczach.

4.3. Komórka (Wignera-Seitza) – teoretyczna konstrukcja przestrzenna, opisująca

fragment sieci krystalicznej, której środek stanowi dowolny węzeł sieci, a jej zasięg

zawsze spełnia definicję, że każdy zawarty w niej punkt, bliższy jest węzłowi

stanowiącemu jej środek, niż dowolnemu innemu węzłowi sieci krystalicznej

4.4. Sieć krystaliczna – sposób wypełnienia atomami przestrzeni tak, że pewna

konfiguracja atomów, zwana komórką elementarną, jest wielokrotnie powtarzana.

4.5. Węzły sieciowe – zbiór punktów mających takie samo otoczenie

4.6. Rodzaje kryształów:

a) molekularne – kryształ, który jest dość nietrwały mechanicznie, topiący się w

niskich temperaturach (<300oc), nie przewodzący elektryczności, zbudowany z

odrębnych, niepołączonych ze sobą wiązaniami chemicznymi atomami lub

cząsteczkami, siły tworzące wiązania są dosyć słabe (siły Van der Waalsa), należy

do nich większość związków organicznych np. lód, suchy lód.

b) jonowe – kryształy związków nieorganicznych elektrolitów, są to makrocząsteczki,

gdzie kation otoczony jest odpowiednią liczbą anionów, które wokół siebie mają

kationy. Ich konfiguracja jest najbliższa gazom szlachetnym. Mają wysoką

temperaturę topnienia i mogą być zwilżane.

c) metaliczne – tworzą metale i ich stopy, wykazują duże przewodnictwo cieplne i

elektryczne, co spowodowane jest występowaniem tzw. gazu elektronowego

d) kowalencyjne – zbudowane z atomów połączonych kowalencyjne (np. diament), są

bardzo trwale mechanicznie, odporne chemicznie, wysokiej temperaturze topnienia i

szczególnych właściwościach optycznych.

4.7. Defekty sieci krystalicznej – niedoskonałości kryształów polegające na punktowym

lub warstwowym zerwaniu regularności sieci. Występuje we wszystkich rzeczywistych

kryształach i wynika z natury procesu krystalizacji.

4.8. Właściwości kryształów: topią się w niskich temperaturach, są wytrzymałe na

ściskanie, mogą rozpuszczać się w wodzie i być zwilżane, przewodzą cieplnie i

elektrycznie

4.9. Układ krystalograficzny – to system klasyfikacji kryształów, ze względu na układ

wewnętrzny cząsteczek w sieci krystalicznej. Wyróżnia on 7 układów, a w nich 32

klasy.

4.10. Izotropia – brak różnic właściwości fizyczny materiałów, takich jak rozszerzalność

termiczna, czy przewodnictwo elektryczne, niezależnie od kierunku w jakim są one

mierzone. Jest to cecha ciał amorficznych i kryształów regularnych

4.11. Anizotropia – wykazywanie różnic w zależności od kierunku. Wyróżniamy np.

anizotropię sprężystości i prędkości, którą wykazują wszystkie kryształy. Konsekwencją

anizotropii prędkości wzrostu w warunkach swobodnego narastania jest samorzutne

tworzenie się prawidłowych postaci wielościennych

II. Siły spójności w tworzywach budowlanych

1. Rodzaje wiązań:

1.1. Wiązania atomowe (kowalencyjne, homeopolarne) – polegają na utworzeniu wspólnej

pary elektronowej z dwóch atomów tego samego pierwiastka. Biorą w nim udział

elektrony walencyjne, następuje nakładanie się dwóch orbitali i gęstość elektronowa

wzrasta. Podstawowym warunkiem tworzenia tego wiązania są niesparowane elektrony

o przeciwnych spinach. Prowadzą one do dużej oporności cieplnej i elektrycznej, braku

plastyczności, dużej twardości i temperatury topnienia np. diament. Są to wiązania

ukierunkowane, symetryczne o energii wiązań 250-1000 kJ/mol

1.2. Wiązania jonowe (elektrowalejcyjne, heteropolarne) – powstają między atomami

różnych pierwiastków różniących się elektroujemnością. Polegają one na tym, że atom

pierwiastka elektrododatniego oddaje elektron lub elektrony z powłoki walencyjnej,

natomiast atom pierwiastka elektroujemnego przyjmuje te uwolnione elektrony na swoją

powłokę. Materiały z tego typu wiązaniem są bardzo twarde, mają wysokie temperatury

topnienia i wrzenia, są złymi przewodnikami elektryczności i ciepła, dobrze

rozpuszczają się w rozpuszczalnikach o dużej polarności takich jak woda. Są to wiązania

bezkierunkowe o energii wiązań około 400-800 kJ/mol.

1.3. Wiązanie kowalencyjne spolaryzowane – rodzaj wiązania atomowego, w którym

tworzy się para elektronowa z elektronów walencyjnych atomów dwóch różnych

pierwiastków i jest ona przesunięta do bardziej elektroujemnego pierwiastka, co w

konsekwencji prowadzi do powstania spolaryzowanej elektrycznie cząsteczki, tzn.

dipola. Energia wiązań wynosi 250-300 kJ/mol

1.4. Wiązania koordynacyjne – wiązania atomowe, w których elektrony pochodzą od

jednego atomu – donor - a drugi atom – akceptor – uzupełnia powłokę walencyjną

donora. Energia wiązania to 250-350 kJ/mol

1.5. Wiązania metaliczne – metale przekazują swoje najbardziej zewnętrzne elektrony do

przestrzeni międzywęzłowej siatki krystalicznej metalu, w wyniku czego tworzy się

chmura elektronowa (gaz elektronowy). Wolne elektrony odpowiadają za

przewodnictwo cieplne i elektryczne, powodują dużą wytrzymałość materiału przy

istnieniu defektów struktury, podatność na odkształcenia plastyczne, skłonność do

wykazywania zjawiska fotoelektrycznego i nieprzeźroczystości. Energia wiązań wynosi

250-500 kJ/mol

1.6. Siły Van der Waalsa - charakter tych wiązań wynika z sił przyciągania lub

odpychania elektrostatycznego, występują między atomami lub cząsteczkami wówczas,

gdy podczas zbliżenia ich do siebie tworzą się swoiste dipole w następstwie wzajemnego

oddziaływania chmur elektronowych i ładunków jąder atomowych. Oddziaływanie

pomiędzy powstającymi dipolami prowadzi do postania siły, która jest składową

przyciągającą w wiązaniu Van der Waalsa. Są one tym większe im większa jest zdolność

atomu do polaryzacji. Wzrastają wraz ze wzrostem ciśnienia i maleją wraz ze wzrostem

temperatury. Siły te bardzo szybko maleją wraz ze wzrostem odległości, ale mają za to

charakter addytywny. Kształtują własności kohezyjne materiału np. temperaturę wrzenia

i topnienia, twardość, lepkość i napięcie powierzchniowe. Energia wiązań wynosi 4-25

kJ/mol. Wyróżniamy:

a) siły orientacji (efekt Keesom'a) – wzajemne oddziaływanie stałych dipoli lub jonów i

stałych dipoli (jon - dipol trwały lub dipol trwały - dipol trwały)

b) siły indukcji (efekt Debye'a) – oddziaływanie stałego dipolu i dipolu przez niego

indukowanego (jon – dipol indukowany)

c) siły dyspersji: dipole chwilowe (rezonans elektronowy) i zjawisko statyczne (dipol

trwały – dipol indukowany)

1.7. Wiązania wodorowe (mostki wodorowe) – jest to odmiana sił Van der Waalsa,

również o charakterze elektrostatycznym. Proton jednej z cząsteczek może działać silnie

polaryzująco na elektron atomu elektroujemnego drugiej cząsteczki, przyciągając go do

siebie. Wiązanie występuje wówczas, gdy wodór wiąże się z innym atomem np.

fluorem, azotem lub chlorem, w taki sposób, że wiązanie jest wyraźnie polarne.

Występuje ono w takich substancjach jak amoniak, woda, czy fluorowodór. Substancje

te odznaczają się anormalnie wysokimi temperaturami wrzenia, występuje także

wysokie napięcie powierzchniowe. Występuje tu asocjacja – wiązanie się

pojedynczych cząsteczek w zespoły cząsteczkowe (asocjaty). Energia wiązań wynosi

20-40 kJ/mol. Mostki wodorowe występują też w materiałach polimerowych np.

polietylen i poliamid

1.8. Wiązania addytywne – wiązania, których siły mogą się sumować np. Van der Waalsa

i mostki wodorowe.

1.9. Wiązania nieaddytywne – wiązania, których siły nie mogą się sumować

1.10. Rodzaj występujących wiązań powoduje następujący podział:

a) metale – żelazne i nieżelazne, wyłącznie z wiązaniem metalicznym

b) materiały mineralne – dominuje wiązanie jonowe, bądź jonowo-atomowe

c) materiały organiczne – dominują wiązania atomowe i siły międzycząsteczkowe

(drewno, bitumy, tworzywa sztuczne)

1.11. W polimerach – substancja wielkocząsteczkowych, suma oddziaływań

międzycząsteczkowych jest tak duża, że przewyższa siłę oddziaływań

wewnątrzcząsteczkowych

2. Solwatacja – proces otaczania rozpuszczonego związku chemicznego przez cząsteczki

rozpuszczalnika. Występuje zazwyczaj w rozpuszczalnikach silnie polarnych. Proces polega

na tworzeniu trwałej otoczki – otoczki solwatacyjnej - wokół cząsteczki rozpuszczonego

związku. Powstaje ona na skutek słabych oddziaływań elektrostatycznych.

3. Hydratacja (uwodnienie) – ogól procesów chemicznych, w których woda jest przyłączana

do innych substancji. Jest to szczególna postać solwatacji.

4. Hydrofilowość – skłonność cząsteczki do łączenia się z wodą.

5. Liofilowość – cecha niektórych cząsteczek koloidalnych polegająca na zdolności do

adsorpcji (proces wiązania się atomów na powierzchni lub granicy faz) na ich

powierzchni cząsteczek rozpuszczalnika – zdolność ta zapobiega sklejaniu się cząsteczek

oraz nadaje trwałość układom koloidalnym.

6. Hydrofobowość – skłonność cząsteczek do odpychania cząsteczek wody. Najczęściej są to

cząsteczki nieposiadające momentu dipolowego (apolarne) np. parafina, rtęć, siarka.

7. Liofobowość – cecha niektórych cząsteczek koloidalnych, polegająca na braku skłonności

do adsorpcji cząsteczek rozpuszczalnika. Powoduje to łatwą koagulację (proces polegający

na łączeniu się cząsteczek fazy rozproszonej koloidu w większe agregaty (połączone

mniejsze cząsteczki w większe) tworzące fazę ciągłą o nieregularnej strukturze)

III. Zjawiska powierzchniowe

1. Energia powierzchniowa – na granicy faz występują odmienne właściwości materii, niż

ma to miejsce w głębi faz. Do warstwy powierzchniowej zaliczamy te części każdej ze

stykających się faz, w których przeciętny stan energetyczny cząsteczek, jest różny od

średniego stanu wewnątrz fazy. Siły przyciągania w głębi cieczy równoważą się wzajemnie,

natomiast w miarę zbliżania się do powierzchni występuje asymetria oddziaływań („brak

cząsteczek nad powierzchnią”). Dlatego w rezultacie powstaje siła wypadkowa, skierowana

do wnętrza cieczy. Powstaje swego rodzaju napięta błonka.

2. Ciecz – stan skupienia materii, w którym ciało fizyczne trudno zmienia objętość, a łatwo

zmienia kształt, wskutek czego przyjmuje kształt naczynia, w którym się znajduje. Siły

oddziaływań międzycząsteczkowych nie są duże, ale umożliwiają występowanie napięcia

powierzchniowego. Ciecz po dostarczeniu odpowiedniej ilości energii przechodzi w stan

gazowy, z drugie strony łatwo można ją ochłodzić i doprowadzić do zestalenia.

3. Lepkość – własność płynów związana z oddziaływaniami międzycząsteczkowymi,

nazywamy tak opór, jaki występuje podczas ruchu jednych części ośrodka względem

innych. Zgodnie z prawem Newtona, siła styczna F potrzebna do nadania cieczy o

współczynniku lepkości  gradientu prędkości

dV

dx na powierzchni P równoległej do

kierunku przepływu, wynosi: F=⋅P⋅dV

dx

4. Adsorpcja – najczęściej jest to proces wiązania substancji gazowej na powierzchni cieczy

lub ciała stałego, lub cieczy na stałej. Substancja gromadząca się na powierzchni to

adsorbat, a substancja przyjmująca to adsorbent (jest on bardziej zwarty i ma mniejszą

energię kinetyczną). Adsorpcja na powierzchni ciał stałych jest procesem samorzutnym.

4.1. Centrum (miejsce) adsorpcyjne – umowne określenie obszaru na którym następuje

adsorpcja.

4.2. Cząstki adsorbowane tracą swobodę ruchu Sads0 - ich entropia maleje

4.3. wykorzystanie w praktyce: kataliza, farbiarstwo, odbarwienie roztworów, oczyszczanie

wody, cieczy przemysłowych i ścieków

4.4. adsorpcja fizyczna (właściwa) – dominują oddziaływania typu sił Van der Waalsa

4.5. adsorpcja chemiczna (aktywowana) – występują oddziaływania chemiczne,

powierzchnia adsorbentu może być pokryta co najwyżej monomolekularną warstwą

adsorbatu

4.6. wszystkie procesy adsorpcji są procesami egzotermicznymi

4.7. izotermy adsorpcji – zależność opisująca wpływ ciśnienia na stopień pokrycia

powierzchni

4.8. izoterma Langmuira – adsorpcja jest monowarstwowa, wszystkie centra adsorpcji są

równie cenne, adsorpcja w dowolnym centrum nie zależy od obsadzenia centrów

sąsiadujących

5. Adhezja – łączenie się ze sobą powierzchniowych warstw ciał fizycznych wynikające z

oddziaływań międzycząsteczkowych stykających się substancji. Występuje przy klejeniu,

malowaniu, lakierowaniu oraz jest wykorzystywane przez niektóre zwierzęta do poruszania

się.

...