Svojstva tvari kao posljedica međudjelovanja čestica

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).

Molekulski i atomski (kovalentni) kristali

Primjer kemijskog elementa koji gradi atomske i molekulske kristale jest ugljik. 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.

Alotropija jest pojava gdje se dva ili više oblika istog kemijskog elementa razlikuju po načinu međusobnog povezivanja. Takvi oblici međusobno se razlikuju i po određenim fizikalno-kemijskim svojstvima. Dobar primjer tome jesu upravo grafit i dijamant.
Unutar same kristalne strukture grafita, atomi ugljika povezani su u šesteročlane prstene koji su povezani u slojeve. Atomi su povezani međusobno kovalentnim vezama, dok su prsteni međusobno povezanim van der Waalstovim silama. Zbog te slojevite građe, grafit je mastan i mekan. Pri sobnoj temperaturi nalazi se u čvrstom stanju te ima visoko talište i vrelište. Topljiv je isključivo u tekućim metalimate je dobar vodič električne struje zato što se unutar prstenova nalaze delokalizirani elektroni.
S druge strane, unutar kristalne strukture dijamanta atomi ugljika međusobno su povezani isključivo kovalentnim vezama zbog čega imaju više talište i vrelište u odnosu na grafit. Također su u čvrstom stanju pri sobnoj temperaturi te su tvrdi. Netopljivi su u praktički svim otapalima te su izolatori (nemaju slobodne elektrone).

Bijeli fosfor, sumpor i jod ubrajamo u kemijske elemente koji grade molekulske kristale.

Kristali metala

Unutar kristalne strukture metala, atomi metala povezani su metalnom vezom. Njihova tališta i vrelis̆ta vrlo su različita (galij ima nisko, volfram ima visoko), baš kao i tvrdoće iako su uglavnom kovki. Na sobnoj temperaturi nalaze se u čvrstom stanju, osim žive koja je tekuća. Topljivi samo u tekućim metalima. Dobri su vodiči električne struje u čvrstom i tekućem stanju jer su elektroni u kristalu metala pokretni. Većina metala tvori guste slagaline. Takve su plošno centrirana kubična slagalina, heksagonska slagalina i nešto manje gusta volumno centrirana kubična slagalina.

Jednostavna (primitivna) kubična rešetka

Unutar primitivne kubične rešetke atomi metala smješteni su u vrhove kocke.

Dva se atoma u jednostavnoj kubičnoj rešetci dodiruju upravo na bridovima kocke. Udaljenost dvaju središta odgovara udaljenosti a, pri čemu se na toj udaljenosti nalaze dva radijusa r. Pomoću tih informacija lako je izračunati povezanost između radijusa atoma i duljine brida jednostavne kubične rešetke.

Kako se na svakoj vrhu kocke nalazi po 1 atom metala, oni nisu svojim cijelim volumenom u jednostavnoj kubičnoj rešetki. Naime, 1 atom koji se nalazi u vrhu kocke, pripada toj kocki svojom jednom osminom. Prema tome može se izračunati koliko se atoma ukupno nalazi u jednoj primitivnoj kubičnoj rešetci.

Općenito, ukoliko se atom nalazi unutar kocke, tada on cijelim svojim volumenom pripada toj kocki. Ukoliko se nalazi na plohi kocke, tada je on unutar kocke prisutan svojom polovinom. Ako je atom na bridu, unutar kocke prisutan je svojom četvrtinom, a ako je u vrhu kocke, tada je prisutan svojom osminom.

Za svaku rešetku lako se izračunava koeficijent popunjenosti, koji govori u kojem postotku atomi popunjavaju pojedinu kristalnu rešetku.

Tako ga je moguće izračunati i za primitivnu kubičnu rešetku, pri čemu iznosi 52 %.

Prostorno centrirana kubična rešetka

Unutar prostorno centrirane kubične rešetke atomi metala smješteni su u vrhove kocke te je jedan atom smješten u središte kocke.

Dva se atoma u prostorno centriranoj kubičnoj rešetci dodiruju na prostornoj dijagonali kocke. Na prostornoj dijagonali nalazi se ukupno 4 radijusa atoma, a duljina te dijagonale iznosi a \sqrt{3}. Pomoću tih informacija lako je izračunati povezanost između radijusa atoma i duljine brida jednostavne kubične rešetke.

Kako se na svakoj vrhu kocke nalazi po 1 atom metala, oni nisu svojim cijelim volumenom u jednostavnoj kubičnoj rešetki. Naime, 1 atom koji se nalazi u vrhu kocke, pripada toj kocki svojom jednom osminom. Također, 1 atom nalazi se svojim cijelim volumenom unutar kocke. Prema tome može se izračunati koliko se atoma ukupno nalazi u jednoj primitivnoj kubičnoj rešetci.

Koeficijent popunjenosti prostorno centrirane kubične rešetke iznosi 68%, što ima smisla samim time što se u jednoj kocki nalazi 1 atom više nego u primitivnoj.

Plošno centrirana kubična rešetka

Unutar prostorno centrirane kubične rešetke atomi metala smješteni su u vrhove kocke te se na svakoj plohi nalazi po jedan atom također.

Dva se atoma u prostorno centriranoj kubičnoj rešetci dodiruju na plošnoj dijagonali kocke. Na plošnoj dijagonali nalazi se ukupno 4 radijusa atoma, a duljina te dijagonale iznosi a \sqrt{2}. Pomoću tih informacija lako je izračunati povezanost između radijusa atoma i duljine brida jednostavne kubične rešetke.

Kako se na svakoj vrhu kocke nalazi po 1 atom metala, oni nisu svojim cijelim volumenom u jednostavnoj kubičnoj rešetki. Naime, 1 atom koji se nalazi u vrhu kocke, pripada toj kocki svojom jednom osminom. Također, na svakoj plohi nalazi se po 1 atom svojom polovicom volumena unutar kocke. Prema tome može se izračunati koliko se atoma ukupno nalazi u jednoj primitivnoj kubičnoj rešetci.

Koeficijent popunjenosti prostorno centrirane kubične rešetke iznosi 74%.

Ionski kristali

Primjer ionskog kristala jest kristal natrijeva klorida. Unutar ionskih kristala, kationi i anioni međusobno su povezani elektrostatskim interakcijama koje nazivamo ionskim vezama. Ionski kristali imaju visoko talište i vrelište, tvrdi su i krti te se kalaju. Na sobnoj temperaturi nalaze se u čvrstom stanju te su dobro topljivi u vodi i drugim polarnim otapalima. Pokretni ioni u talini i otopini provode elektric̄nu struju.

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. Razlog tomu jest to što se jakost ionske veze može prikazati Columbovim zakonom koji definira silu privlačenja:

U tom izrazu, F je sila privlačenja, Q₁, Q₂ su količine naboja iona, r je zbroj ionskih polumjera (kationa i aniona), a k je konstanta.

Kristalna struktura natrijeva klorida opisuje se istoimenom strukturom. Struktura natrijeva klorida definirana je tako da se u vrhove i na plohe kocke stavi po jedan ion ili natrija ili klora. Na bridove i u središte kocke stavi se po jedan ion koji nije korišten u prethodnom koraku.

Prema udjelu pojedinih iona u kristalnoj rešetci, moguće je izražunati koliko se formulskih jedinki NaCl nalazi u jednoj jediničnoj ćeliji.

Koordinacijski broj označava broj čestica poredanih oko središnje čestice u kristalnoj rešetki. Pa tako je moguće proširiti rešetku u jednu dimenziju i vidjeti da se i oko 1 iona natrija i oko 1 iona klora nalazi 8 iona suprotnog naboja. To znači da je koordinacijski broj oba iona jednak 8.

Tekućine

Tekućine su tvari koje su pri sobnoj temperaturi u tekućem agregacijskom stanju. Umjesto uobičajenoga naziva tekućina za tvar u tekućem agregacijskom 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

Gustoća je fizikalna veličina koja je karakteristična za svaku tvar. Od ranije znamo da se gustoća računa prema formuli:

Prilikom iskazivanja gustoće koriste se mnoge mjerne jedinice. Tako je dobro poznavati predmetke koji opisuju koliko je neka veličina puta veća ili manja od one osnovne.

Prilikom preračunavanja gustoće iz jedne mjerne jedinice u drugu, potrebno je pažljivo i točno koristiti navedene vrijednosti predmetaka.

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 N m^-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, meniskus, savijen prema gore, ploha je konkavna.
Kod žive je međutim meniskus 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.