4. Struktura látek

Sylabus

Struktura látek: Atomová struktura látek. Typy vazeb. Skupenství látek. Brownův pohyb. (Vazba v pevných látkách. Krystalová struktura.)

Státní závěrečná zkouška

Atomová struktura látek.

Jak všichni jistě víme, všechny látky kolem nás se skládají z atomů. Jedna konkrétní látka může nabývat různých skupenství (neboli fáze). Jednotlivé atomy při sobě drží pomocí chemických vazeb. V pevném skupenství látky nabývají krystalové struktury nebo jsou amorfní.

Amorfní látky přecházejí do kapalného skupenství pozvolna - po kouskách odtávají, tedy nečekají na latentní teplo k přechodu do jiné fáze jako látky krystalické a odtávají v celém intervalu teploty.

Krystalické látky odtávají při konstantní teplotě a při přechodu do jiné fáze musejí přijmout latentní teplo. Je to dáno jejich krystalovou strukturou. Krystalová mříž si předává energii vždy do celého objemu - celkem rychle lokálně dodané teplo (na povrchu látky) roznese do celého objemu. Až toto dodané teplo dosáhne latentního tepla, tak se začne celá látka rozpouštět.

Krystalová struktura

• Geometrická mříž - periodicky se opakující soustava bodů (uzlů) v 2D nebo v 3D
• Hmotná báze - něco, co se dá vložit do uzlu geometrické mříže. Obvykle atom nebo molekula
• Krystalová mříž je geometrická mříž vyplněná hmotnou bází.

Geometrická mříž má nějakou danou symetrii (osy rotace, roviny zrcadlení apod.). Krystalová mříž tedy vlivem dosazením hmotné báze může některé prvky symetrie ztratit.

Asi nejotřepanějšími elementárními buňkami jsou FCC (face centered cube) a BCC (base centered cube) více naleznete na ukázky elementárních buňek

Typy vazeb

Existují dva základní typy chemických vazeb:

• Vazba iontová
• Vazba kovalentní

(je možné se setkat s i s pojmem vodíková vazba)

Vazba iontová Vyznačuje se tím, že jeden nebo více elektronů s elektronového obalu jednoho atomu přejde do elektronového obalu druhého atomu. Např.: $ \rm NaCl $ - zde existuje opravdu vazba mezi ionty $ \rm Na^+ $ a $ \rm Cl^- $, nikoli mezi atomy $ \rm Na $ a $ \rm Cl $ .

Vazba kovalentní Jedna nebo více dvojic elektronů patří oběma atomům společně. Jinak řečeno tyto elektrony kolují mezi atomy a tráví na cestách daleko více času než v atomech, čímž vznikne přitažlivá síla. Např.: $ \rm H_{2} $

Typy vazeb podle elektronegativity reaktantů:

• Nepolární vazba - mezi atomy stejného prvku nebo mezi atomy s velmi malým rozdílem elektronegativit (v intervalu 0 - 0,4), např. $ \rm H-H $, $ \rm Cl-Cl $.
• Polární vazba - mezi atomy, které mají rozdíl elektronegativit v intervalu 0,4 - 1,7 $ \rm (H-O,H-Cl) $
• Iontová vazba - velmi polární vazba mezi atomy, které mají rozdíl elektronegativit větší než 1,7. V tomto případě se ve vazbě uplatňují především elektrostatické interakce.
• Kovová vazba je specifická vazba mezi atomy kovů, kde valenční elektrony sdílí všechny ionty mříže (kov není nic jiného než hromada iontů narovnaných do mříže a vyplněná elektronovým plynem). Na tomto principu je možné vysvětlit dobrou elektrickou (i tepelnou) vodivost kovů.

Zpracované typy vazeb byly na brejlovcovi, ale ten server už neběží. Poučení pro příští generace - líp vybírat to, co poběží ještě léta.

Skupenství látek.

Fázový diagram

Základní typy skupenství jsou:

• Pevná látka
• Kapalina
• Plyn

Jsou možné všechny přechody

• Pevná látka <=> plyn - sublimace/desublimace
• Kapalina <=> plyn - vypařování/zkapalňování (kondenzace)
• Pevná látka <=> kapalina - tání/tuhnutí

Aby látka věděla jaké skupenství má zrovna mít, rozhlédne se po podmínkách sytému jako je teplota, tlak, svůj objem. Z termodynamiky víme, že jenom dva parametry jsou nezávislé. Vybereme si tlak a teplotu a vyneseme tzv. fázový diagram (viz obr.).

Více naleznete na cs wiki

Brownův pohyb.

Tenkrát Mr. Robert Brown pozoroval neuspořádaný pohyb pylového zrnka na kapičce vodního roztoku (asi tuž). Tento pohyb lze vysvětlit kinetickou teorií částic. Prostě částice v roztoku narážejí na malinké zrnko. Protože zrnko je malinké, tak se všechny srážky v daném infinitesimálním časovém okolí nevyruší a pylová částice začne viditelně fluktuovat.

Upřesnění: Pylová zrnka jsou příliš velká na to, aby na nich mohl být pozorován Brownův pohyb. Brown pozoroval drobné částice ve vakuolách pylových zrnek.

Zajímavější je Einsteinův vztah

Nechť platí pro průmět středního kvadratického posunutí do zvoleného směru vztah: $ X^2 = A t $, pak lze experimentálně ukázat, že $ A = \frac{RT}{\pi \eta r N_{A}} $, kde $ \eta $ je dynamická viskozita kapaliny, $ T $ je teplota, $ r $ je poloměr částice, $ N_{A} $ je Avogadrova konstanta a $ R $ molární plynová konstanta.

Státní závěrečná zkouška