Skupenské přeměny: Příklady v přírodě

Látky se v přírodě vyskytují ve třech základních skupenstvích: pevném, kapalném a plynném. Tyto skupenství se označují symboly: pevné látky - (s) z angl. solid (lat. solidus), kapaliny - (\(\ell\)) z angl. liquid (lat. liquidus), plyny - (\(\ce{g}\)) z angl. gas (lat. gass).

Plynné skupenství

Plyn je soustava velmi řídce rozptýlených volně pohyblivých částic v prostoru. Typickou vlastností plynů je, že jejich molekuly jsou daleko od sebe, rychle se pohybují a vzájemně se jen málo ovlivňují. Charakteristickou vlastností plynů je tlak, působící rovnoměrně na stěny nádoby.

Společných vlastností pak vytváříme tzv. modely, představy o „ideálním“ chování látek. Ideální plyn v přírodě neexistuje, je to pouze model. Mluvíme o ideálním plynu, ideálním roztoku, ideálním krystalu, apod. Reálných plynů blíží vlastnostem plynu ideálního.

Ve směsi více ideálních plynů se molekuly navzájem neovlivňují, tzn. využití tzv. parciálních veličin. \(\mathrm{p_i}\)parciální tlak i-tého plynu, tj. tlak, který by plyn vyvíjel, kdyby zaujímal sám celý objem. \(\mathrm{V_i}\)parciální objem i-tého plynu, tj. objem, který by plyn zaujímal, kdyby byl sám za daného tlaku.

Čím více se jeho chování blíží definici ideálního plynu, tj. jeho molekuly jsou co nejmenší: např. \(\ce{He}\), molekuly se co nejméně silově ovlivňují; např. \(\ce{H2O\,(g)}\), protože u \(\ce{H2O}\) se více uplatňují přitažlivé síly (vodíkové můstky).

Čtěte také: Zpracování bioodpadu anaerobně

Zákony pro ideální plyn (kdysi přibližně odpozorované a nyní pro zjednodušení používané) nepopisují reálné chování plynů dostatečně přesně. Podmínce nezkapalnitelnosti nelze u reálných plynů vyhovět. Mají velmi nízkou kritickou teplotu (např. \(\ce{He}\)), zkapalňují se proto obtížně. Zkapalňování plynů se týká pouze plynů reálných.

Při další kompresi za konstantního tlaku postupně zkapalňují další podíly plynu, až plynná fáze úplně vymizí. Vzniklé kapalné fáze je možné jen za cenu vysokých tlaků. Komprese plynu za teploty vyšší, než je teplota kritická, nevede k vytvoření kapalné fáze. Ke zkapalnění je nutné dosáhnout teplotu nižší než je teplota kritická (např. \(\MR{\ce{N2}\!:\ -146,9\ ^{\circ}C;\ \ce{CO}\!:\ -140,1\ ^{\circ}C;\ \ce{Ne}\!:\ -228,75\ ^{\circ}C;\ \ce{H2}\!:\ - 239,91\ ^{\circ}C}\), apod.). Pokud teploty nebylo možno dříve dosáhnout, nebylo možno plyn zkapalnit.

Kapalné skupenství

Částice kondenzované fáze (pevné či kapalné) se neustále uvolňují a v menším či větším množství molekuly, které přecházejí do plynné fáze. Rovnováha mezi kondenzovanou fází a její párou je dynamická. Dané látky průběžně přecházejí z kondenzované fáze do plynné a naopak. Se vzrůstající teplotou tenze páry roste a v případě rovnováhy kapalina-plyn začne kapalina vřít. Teplota varu je teplota, při níž tenze par nad kapalinou dosáhne vnějšího tlaku.

Vytvoříme-li směs kapalin, bude každá ze složek vzniklého roztoku přispívat k výsledné tenzi par svým parciálním tlakem \(\ce{p_{i}}\). Pro tenzi par složek roztoku platí Raoultův zákon.

Kapalina se snaží stáhnout povrch kapaliny na co nejmenší velikost. Důsledkem je vznik povrchového napětí. Kapka kapaliny má kulový tvar, protože koule má při daném objemu nejmenší povrch.

Čtěte také: Organismy a jejich interakce

Viskozita je míra neochoty tekutiny téci - např. med má větší viskozitu než voda. Viskozita je důsledkem smykových napětí v reálné kapalině, vnitřní tření v kapalině, které se vůči sobě pohybují. Molekuly uvnitř nádoby se pohybují nejrychleji. Viskozita je míra odporu, který tekutina klade pohybujícím se tělesům. Viskozita kapalin s rostoucí teplotou klesá (toto známe např. od motorových olejů).

Pevné skupenství

V pevném skupenství jsou atomy, ionty a molekuly rozmístěny tak, že vytvářejí pravidelnou krystalovou mřížku. Uspořádání molekul nebo atomů je pravidelné. Látky s pravidelnou vnitřní strukturou nazýváme krystalické látky. V krystalické struktuře atomy, ionty, resp. atomové či iontové skupiny kmitají.

Pevné látky bez pravidelné struktury nazýváme amorfní látky. Jejich struktura se podobá struktuře kapalin, v kterých ustal tepelný pohyb molekul. Amorfní látky se někdy považují za podchlazené kapaliny s velmi vysokou viskozitou. Mohou vzniknout např. rychlém ochlazení kapalné fáze pod tzv. teplotu skelného přechodu.

Přechod mezi pevnými a kapalnými látkami tvoří tzv. tekuté (kapalné) krystaly. Jsou to látky mající charakter kapaliny (např. tekou), ale současně vykazují uspořádání molekul typické pro krystalické látky. Molekuly tyčinkovitého tvaru se seskupují paralelně do vrstev tvořících dobře definované roviny. Roviny po sobě dobře kloužou, což se projevuje tokem. V případě jde o uspořádání smektické. Nemají-li tyčinkovité molekuly bočné interakce, nevytvářejí vrstvy, ale orientace molekul zůstává zachována; tvoří větší svazky, které se mohou podélně pohybovat. V případě jde o uspořádání nematické.

Uspořádáním vnějších krystalových ploch se zabývá krystalografie. Stejný typ krystalové mřížky a soustavy pro obě látky, např. izomorfní sloučeniny, mají podobné chemické složení, stejný charakter vazby, např. izodimorfní sloučeniny. Ionty podobného typu, se mohou ve svých krystalech zastupovat. Vznikají přitom tzv. смешанные кристаллы.

Čtěte také: Příklady světelného znečištění

Pro stanovení polohy atomů v krystalu (kromě vodíku) se využívá tzv. strukturní analýza. Základní metodou je tzv. rentgenová difrakce. Pro výpočet se používá tzv. Braggova rovnice.

V klíčových bodech elementární buňky jsou ionty. Mezi ionty působí všesměrové elektrostatické síly a díky nim drží iontové krystaly pohromadě. Příkladem iontového krystalu s víceatomovými anionty je \(\ce{BaSO4}\). V klíčových bodech jsou ionty \(\ce{Ba^{2+}}\) a \(\ce{SO_4^{2-}}\). U iontových krystalů s více prvky se řídíme pravidlem, že do krystalové struktury malé ionty umisťujeme do mezer mezi dotýkající se větší ionty.

V klíčových bodech buňky jsou celé molekuly. Molekulové krystaly drží pohromadě pomocí vodíkových můstků a slabých vazebných interakcí.

V klíčových bodech buňky jsou atomy. Jednotlivé atomy vázány kovalentními vazbami. Atomové krystaly se vyznačují tvrdostí a pevností. Atomové krystaly tvoří např. diamant, křemík, karbid křemíku.

Krystalové mřížky kovů tvoří atomy s delokalizovanými vazbami. Mezi atomy se pohybují valenční elektrony všech atomů kovu. Atomy kovů mají tendenci mít tvar koule a snaží se uspořádat co nejtěsněji k sobě, vrstvy se skládají nad sebe.

Zeolity jsou hlinitokřemičitany alkalických kovů a kovů alkalických zemin s trojrozměrnou krystalovou strukturou. V klíčových bodech elementární buňky jsou těžiště molekul. Mohou obsahovat molekuly vody (tzv. zeolitická voda). Klíčové body elementární buňky jsou obsazeny atomy, mezi nimi jsou kovalentní vazby.

Vrstevné silikáty - atomy uspořádány do vrstev. Mezi vrstvami působí van der Waalsovy síly (vazba velmi slabá). Jsou podél vrstev štípatelné a otírají se. Příkladem je grafit.

Interkalátové sloučeniny mají nestechiometrické složení. Interkalátové sloučeniny mohou existovat i v roztoku. Grafit + atomy alkalických kovů (\(\ce{K}\), \(\ce{Rb}\), \(\ce{Cs}\)) - tyto krystaly jsou různě zbarvené látky: \(\ce{C8M}\) (červená), \(\ce{C24M}\) (modrá), \(\ce{C64Na}\) (fialová). Pozor, barevná náplň pastelek je tvořená zcela jinými materiály.

Mnoho solí krystalizuje z vodných roztoků v podobě dobře definovaných hydrátů. Voda je zabudována do krystalové mřížky a její podíl ve složkami krystalu je téměř plynulý. Neobvyklý způsob, vyskytuje se však u \(\ce{CuSO4\cdot 5H2O}\). Jedna molekula vody ve skalici je vázána pevněji než zbývající čtyři. Zbývající čtyři jsou vázány k atomu mědi a dalším molekulám vody.

Fázové přechody

Fázový přechod, příp. fázová přeměna. Fázové přeměny 1. druhu (skokové) - skupenské přeměny, tání, var, sublimace. Fázové přeměny 2. druhu (spojité) - změna feromagnetických vlastností, např. změna uspořádání v kovech.

Počet složek je minimální počet čistých látek, jimiž lze danou soustavu realizovat. Např. \(\ce{CaCO3}\) je jednosložková soustava, protože \(\ce{CaO}\) a \(\ce{CO2}\) lze získat rozkladem \(\ce{CaCO3}\). Soustava led-voda je jednosložková. Vodný roztok chloridu amonného je dvousložková soustava. Vzduch je vícesložková soustava (kyslík, dusík, argon, oxid uhličitý, atd.).

Pojem trojný bod se používá jen u čistých látek. Stav soustavy v trojném bodě je neměnný (nemá žádné stupně volnosti), což plyne z Gibbsova fázového zákona.

Existují různé typy fázových diagramů. Máme pak fázové diagramy pro soustavu jednosložkovou, dvousložkovou a třísložkovou. Pro dvousložkové soustavy se obvykle jedna stavová veličina (buď teplota, nebo tlak) konstantní. Volnosti soustavy se pak liší o jedničku. Protože žádné složky nemůže být méně než 0 % a více než 100 % (molární zlomek se pohybuje mezi hodnotami 0 a 1), mají fázové diagramy dvousložkových soustav tvar vaničky.

Pro znázornění fázového chování takovýchto soustav se využívá např. tzv. trojúhelník (znázornění složení soustavy pro danou teplotu a tlak). Ve vrcholech trojúhelníku se nachází 100 % dané složky, na protilehlé straně je vynášen obsah jedné z látek ve směsi.

tags: #skupenske #premeny #priklady #v #prirode

Oblíbené příspěvky:

• Význam Cartagenského protokolu
• Test leštěnek na dřevo
• Emise oxidu uhelnatého v ČR
• Ochrana přírody v ČR
• Udržitelná móda