Krutine ili čvrste tvari
Krutine ili čvrste tvari su kemijske tvari (supstancije) stalnog oblika i obujma (volumena). Čine ju čestice međusobno tako povezane da jedna u odnosu prema drugoj ne može mijenjati svoj položaj. Zato tvar u čvrstom agregacijskom stanju (za razliku od tekućeg i plinovitog) pruža otpor svakomu pokušaju promjene oblika i volumena. Sve tvari u određenim uvjetima (na određenoj temperaturi i pod određenim tlakom) mogu prijeći u čvrsto stanje.
Čvrste tvari mogu biti kristalne i amorfne.
Kristalne tvari prelaze u tekućine na određenoj temperaturi (talište), a amorfne se povišenjem temperature postupno smekšavaju i tale.
Prema rasporedu čestica od kojih su građene, čvrste tvari mogu imati ionsku, atomsku, molekularnu i metalnu strukturu (kemijske veze).
Ionski kristali
Jakost privlačnih sila između iona u ionskome kristalu ovisi o veličini naboja iona i o udaljenosti između njih. Sila je jača među ionima manjeg polumjera, a većeg naboja npr. jača je u MgO nego u NaCl pa je i talište MgO više nego talište NaCl.
Coulombov zakon
F – sila privlačenja
Q1, Q2 – naboji iona
r – zbroj ionskih polumjera (kationa i aniona)
k – konstanta
Molekulski i atomski (kovalentni) kristali
Ugljikovi atomi u prirodi ne dolaze pojedinačno, nego se na tisuće atoma udružuje stvarajući kristale. U pravilnoj kristalnoj građi ugljik se može naći u trima alotropskim modifikacijama: kao dijamant, grafit i fuleren. Grafit i dijamant primjeri su atomskih kristala, a fuleren je primjer molekulskoga kristala. Bijeli fosfor, sumpor i jod ubrajamo u molekulske kristale.
Kristali metala
Većina metala tvori guste slagaline. Takve su plošno centrirana kubična slagalina, heksagonska slagalina i nešto manje gusta volumno centrirana kubična slagalina.
N= broj atoma koji pripadju samo jednoj slagalini
r= polumjer atoma; a=duljina brida kocke;
Ks= gustoća slagaline;
d= plošna dijagonala
TEKUĆINE
Tekućine su tvari koje su pri sobnoj temperaturi u tekućem agregacijskom stanju. Umjesto uobičajenoga naziva tekućina za tvar u tekućem agegacijskom stanju rabi se i naziv kapljevina, a takvo agregacijsko stanje naziva se kapljevitim. Naziv tekućina (engl. fluid) tada ima šire značenje i obuhvaća: kapljevine (engl. liquid) i plinove (engl. gas).
Svojstva po kojima tekućine možemo razlikovati su primjerice:
- gustoća
- viskoznost
- napetost površine i
- tlak pare
Gustoća
Gustoću mjerimo eksperimentalno pomoću menzure i vage, aerometrom i piknometrom.
Viskoznost
Viskoznost je karakteristično svojstvo tekućina, definira se kao unutarnje trenje između slojeva u tekućinama. Unutarnje trenje posljedica je međumolekulskih sila (vodikove veze, van der Waalsove sile ). Jakost privlačnih sila ovisi o obliku molekula kao i o njihovoj veličini.
Ulje je viskoznija tekućina od vode, jer su ulja (jestiva ili motorna) građena od dugačkih nepolarnih ugljikovodičnih lanaca, a molekule vode su vrlo male i kuglastog oblika.
Oznaka za viskoznost je grčko slovo η (čitati eta), a mjerna jedinica SI sustava je Pa s.
Najsporije će istjecati sloj uz stijenku cijevi, a najbrže sloj koji je najudaljeniji od stijenke – sloj koji istječe kroz sredinu cijevi. Različite brzine istjecanja slojeva tekućine posljedica su trenja tekućine sa stijenkama cijevi i trenja između slojeva tekućine koji se međusobno dodoruju i gibaju.
Viskoznost ima važnu ulogu u različitim područjima ljudske djelatnosti npr. u proizvodnji složenih motornih ulja (ljetna i zimska ulja), tekstilnoj industriji, proizvodnji različitih uljnih boja i dr.
Površinska napetost
Površinska napetost je sila koja nastaje zbog različitog okruženja čestica na površini i u unutrašnjosti tekućine. Svaka čestica u unutrašnjosti tekućine u cijelosti je okružena s istovrsnim česticama. Nasuprot tome, čestica na površini s jedne strane je u dodiru s istovrsnim česticama, a s druge strane je u dodiru sa česticama zraka. U vodi, sile između molekula u unutrašnjosti su jake vodikove veze.
Za razliku od njih, u površinskom sloju djeluju vrlo slabe sile između molekula vode i molekula zraka. Time što molekule iz unutrašnjosti nastoje privući molekule s površine, površina se ponaša kao elastična opna koja nastoji smanjiti površinu tekućine. Površinska napetost je naziv za silu koja održava ovu elastičnu opnu.
Oznaka za napetost površine je grčko slovo σ (čitati sigma), a mjerna jedinica je Nm-1.
Napetost površine ovisi o jakosti privlačnih sila između molekula i o temperaturi.
Voda u staklenoj epruveti prijanja uz staklo zbog sila adhezije (sile između raznovrsnih čestica) između vode i stakla, koje su jače od sila kohezije (sile između istovrsnih čestica) između molekula vode. Gornja površina vode, menisk, savijen prema gore, ploha je konkavna.
Kod žive je međutim menisk savijen prema dolje, gdje živa dodiruje staklo, pa je ploha konveksna. U ovom slučaju sile kohezije između atoma žive puno su jače od sila adhezije između žive i stakla.
Površinska napetost vode može se osim povišenjem temperature smanjiti i dodavanjem površinski aktivnih tvari (tenzidi) primjerice, sapuna ili deterdženta.
Djelovanje sapuna i deterdženta može se objasniti građom njihovih molekula.
Navedena građa sapuna omogućuje uklanjanje masnih mrlja pri pranju tako da nepolarni ugljikovodični repovi okružuju nepolarne kapljice masti, a polarna glava se okreće prema polarnim molekulama vode. Na taj način nastaju micele čija je površina polarne građe, što omogućuje njihovo raspršivanje u vodi i na taj način ispiranje nečistoća.
Tlak para
Poznato je da je znojenje tjelesni mehanizam za hlađenje tijela kada smo izloženi visokim temperaturama. Molekule tekućine u dodiru s kožom apsorbiraju toplinu koja prelazi u kinetičku energiju i omogućava isparavanje koje je povezano s utroškom topline pa zato imamo osjećaj hlađenja.
Tekućine na zraku isparavaju, tj. spontano prelaze iz tekućeg u plinovito agregacijsko stanje. Prema tome, iznad tekućine se uvijek nalazi neki broj molekula u pari što uzrokuje tlak pare tekućine.
Lako hlapljive tekućine i plinovi imaju visok tlak para,dok krutine imaju vrlo nizak tlak para.
Brzina isparavanja tekućina povećava se s porastom temperature jer pri višim temperaturama veći broj molekula ima dovoljnu kinetičku energiju za napuštanje tekućine. Dakle, pri višoj temperaturi veća je brzina isparavanja i veći tlak pare tekućine.
Na početku isparavanja u pari je malo čestica koje se sudarima mogu vratiti u tekućinu – kondenzirati, no zagrijavanjem je sve veći broj čestica u pari kao i onih koje se kondenzacijom vraćaju u tekućinu.
Kada se broj čestica koje isparavanjem izlaze iz tekućine izjednači s brojem čestica koje se kondenzacijom vraćaju u tekućinu kaže se da je uspostavljena dinamička ravnoteža. Dinamička se ravnoteža može postići samo u zatvorenom sustavu.
Tlak pare iznad tekućine u stanju dinamičke ravnoteže naziva se ravnotežnim tlakom pare. Vrijednost ravnotežnog tlaka pare pokazatelj je relativne jakosti međumolekulskih interakcija u tekućinama, a osim o prirodi tvari ovisi i o temperaturi.
Kada se tlak pare u tekućini izjednači s vanjskim tlakom, tekućina vrije. Temperaturu pri kojoj je tlak para tekućine jednak vanjskom tlaku nazivamo vrelištem. Vrelište čiste vode pri normalnom atmosferskom tlaku od 101 325 Pa je 100 °C.
U ekspres loncu hrana se kuha pod povećanim tlakom. Ekspres lonci pod tlakom su zatvoreni i dopuštaju pari da iziđe samo kad prijeđe određeni tlak. Tlak iznad vode u loncu čine atmosferski tlak i tlak pare. Stoga, voda vrije iznad 100 stupnjeva celzijusa i hrana u takvom loncu će biti izložena višoj temperaturi i brže će se skuhati.
