Kafli 10

Vökvar og föst efni eru svipuð að því leyti að þau eru efni sem samanstanda af atómum, jónum eða sameindum. Þau eru lítt þjappanleg og hafa svipaðan eðlismassa sem er mun meiri en eðlismassi lofttegunda. Þau eru hins vegar ólík að því leyti að vökvar hafa ekkert fast form en föst efni eru stíf.

Þau eru svipuð að því leyti að atómin eða sameindirnar geta hreyfst frjálst úr einum stað í annan. Þau eru ólík að því leyti að agnir vökva takmarkast við lögun þess íláts sem þær eru í. Aftur á móti þenst gas út án takmarkana til að fylla það rými sem það er í.

Við nægilega lágt hitastig þéttast öll atóm og sameindir í vökva eða fast efni þar sem aðdráttarkraftarnir eru meiri en hreyfiorka sameindanna.

(a) London-dreifingarkraftar myndast þegar atóm fær tímabundið tvískautsvægi vegna ósamhverfrar dreifingar rafeinda umhverfis kjarnann. Þessi bygging er algengari í stórum atómum eins og argoni eða radoni. Annað atóm getur þá aflagast vegna tvískautsins í fyrsta atóminu. Rafeindir seinna atómsins dragast að jákvæða enda þess fyrra, sem skapar tvískaut í seinna atóminu. Útkoman er hratt sveiflandi, tímabundin tvískaut sem dragast hvert að öðru (t.d. Ar). (b) Tvískauts-tvískauts aðdráttur er kraftur sem stafar af rafstöðueiginleikum þar sem jákvæði endi einnar skautaðrar sameindar dregst að neikvæða enda annarrar (t.d. ICl-sameindir dragast hver að annarri með tvískauts-tvískauts víxlverkun). (c) Vetnistengi myndast þegar vetnisatóm er tengt við mjög rafneikvætt atóm, svo sem flúor, súrefni eða köfnunarefni, og dregst að öðru slíku atómi í nálægri sameind.

London-dreifingarkraftar aukast venjulega eftir því sem rafeindum fjölgar.

(a) SiH₄ < HCl < H₂O; (b) F₂ < Cl₂ < Br₂; (c) CH₄ < C₂H₆ < C₃H₈; (d) N₂ < O₂ < NO

Aðeins fremur veikar tvískauts-tvískauts víxlverkanir frá C-H tengjum halda n-bútani í vökvaformi. Klóretan hefur hins vegar nokkuð sterkar tvískautsvíxlverkanir vegna Cl-C tengisins. Víxlverkunin er því sterkari, sem leiðir til hærra suðumarks.

−85 °C. Vatn hefur sterkari vetnistengi og bráðnar því við hærra hitastig.

Vetnistengið milli tveggja vetnisflúoríðsameinda er sterkara en milli tveggja vatnssameinda vegna þess að rafneikvæðni F er meiri en O. Þar af leiðandi er hlutahleðslan á F meira neikvæð en á O. Vetnistengið milli H, sem er að hluta til jákvætt, og F, sem er meira neikvætt, verður sterkara en það sem myndast milli H og O.

Vetnistengi eru helstu millisameindakraftarnir sem halda próteinþráðunum saman. Vetnistengin eru á milli N-H og C=O.

(a) vetnistengi, tvískauts-tvískauts aðdráttur og dreifikraftar; (b) dreifikraftar; (c) tvískauts-tvískauts aðdráttur og dreifikraftar

Vatnssameindirnar hafa sterka millisameindakrafta vegna vetnistengja. Vatnssameindirnar dragast því mjög að hver annarri og sýna tiltölulega mikla yfirborðsspennu, sem myndar eins konar „húð“ á yfirborðinu. Þessi húð getur borið skordýr eða bréfaklemmu ef því er komið varlega fyrir á vatninu.

Hitastig hefur áhrif á millisameindakrafta. Því hærra sem hitastigið er, þeim mun meiri er hreyfiorka sameindanna. Þá yfirvinnast millisameindakraftarnir í meira mæli og vökvinn verður þjáll (minna seigfljótandi). Því lægra sem hitastigið er, þeim mun minna yfirvinnast millisameindakraftarnir og vökvinn verður minna seigfljótandi.

(a) Þegar vatnið nær hærra hitastigi er aukin hreyfiorka sameindanna skilvirkari við að yfirvinna vetnistengi og því minnkar yfirborðsspennan. Yfirborðsspenna og millisameindakraftar eru beint tengd. (b) Sama tilhneiging sést í seigju og í yfirborðsspennu, og af sömu ástæðu.

1,7 × 10⁻⁴ m

Ísinn dregur í sig varmann, sem veitir þá orku sem þarf til að yfirvinna að hluta aðdráttarkrafta milli sameinda í fasta efninu og veldur fasaskiptum yfir í fljótandi vatn. Lausnin helst við 0 °C þar til allur ísinn er bráðnaður. Aðeins magn vatns á formi íss breytist þar til ísinn hverfur. Eftir það getur hitastig vatnsins hækkað.

Við getum séð magn vökva í opnu íláti minnka og við getum fundið lykt af gufu sumra vökva.

Gufuþrýstingur vökva lækkar eftir því sem styrkur millisameindakrafta hans eykst.

Þegar hitastig hækkar eykst meðalhreyfiorka bensínsameindanna. Því hefur stærra hlutfall sameinda nægilega orku til að sleppa úr vökvanum en við lægra hitastig.

Þeir eru jafnir þegar þrýstingur gassins ofan við vökvann er nákvæmlega 1 atm.

um það bil 95 °C

(a) Í 5000 feta hæð er loftþrýstingurinn lægri en við sjávarmál og vatn sýður því við lægra hitastig. Þetta lægra hitastig veldur því að þær eðlis- og efnabreytingar sem eiga sér stað við suðu eggsins ganga hægar fyrir sig og það tekur lengri tíma að fullsjóða eggið. (b) Svo lengi sem loftið umhverfis líkamann inniheldur minni vatnsgufu en það hámark sem loftið getur borið við það hitastig, mun sviti gufa upp. Þetta kælir líkamann með því að fjarlægja þann uppgufunarvarma sem þarf til að láta vatnið gufa upp.

Dreifikraftar aukast með sameindamassa eða stærð. Eftir því sem fjöldi atóma í sameindum þessarar samstæðu raðar eykst, eykst einnig umfang millisameindaaðdráttar vegna dreifikrafta. Þar af leiðandi eykst sú orka sem þarf til að yfirvinna þessa krafta og láta vökvana gufa upp.

Suðumark CS₂ er hærra en suðumark CO₂ að hluta til vegna hærri sameindamassa CS₂; þar af leiðandi eru aðdráttarkraftarnir sterkari í CS₂. Því mætti búast við að uppgufunarvarminn væri meiri en 9,8 kJ/mol fyrir CO₂. Gildið 28 kJ/mol virðist sanngjarnt. Gildið −8,4 kJ/mol myndi gefa til kynna orkulosun við uppgufun, sem er augljóslega óraunhæft.

Varmaorkan (varminn) sem þarf til að láta vökvann gufa upp er tekin úr húðinni.

1125 kJ

(a) 13,0 kJ; (b) Líklegt er að uppgufunarvarminn sé meiri að stærð þar sem við uppgufun þarf að yfirvinna millisameindakraftana að fullu, en við bráðnun veikjast eða rofna aðeins sumir þeirra.

Við lágan þrýsting og 0,005 °C er vatnið gas. Þegar þrýstingurinn eykst í 4,6 torr verður vatnið að föstu efni; þegar þrýstingurinn eykst enn frekar verður það að vökva. Við 40 °C er vatn við lágan þrýsting gufa; við þrýsting sem er hærri en um 75 torr breytist það í vökva. Við −40 °C breytist vatn úr gasi í fast efni þegar þrýstingurinn eykst upp fyrir mjög lág gildi.

(a) gas; (b) gas; (c) gas; (d) gas; (e) fast efni; (f) gas

Já, ís þurrgufar, þótt það geti tekið nokkra daga. Ís hefur lítinn gufuþrýsting og sumar íssameindir mynda gas og sleppa úr ískristöllunum. Þegar frá líður breytist æ meira af fasta efninu í gas þar til fötin eru loksins orðin þurr.

(a)

(b)

(c)

(d)

(e) vökvafasi (f) þurrgufun

(e) sameindakristallar

Ís hefur kristalbyggingu sem er stöðguð með vetnistengjum. Þessir millisameindakraftar eru af sambærilegum styrk og því þarf jafn mikla orku til að yfirvinna þá. Þar af leiðandi bráðnar ís við eitt ákveðið hitastig en ekki á hitastigsbili. Hinar ýmsu og mjög stóru sameindir sem smjör samanstendur af verða fyrir mismunandi van der Waals-kröftum af ýmsum styrkleika sem yfirvinnast við mismunandi hitastig, og því á bráðnunin sér stað á breiðu hitastigsbili.

(a) jóna; (b) samgilt net; (c) sameinda; (d) málm; (e) samgilt net; (f) sameinda; (g) sameinda; (h) jóna; (i) jóna

X = jóna; Y = málm; Z = samgilt net

(b) fast málmefni

Bygging þessa lághitaforms járns (undir 910 °C) er rúmmiðjuð teningsgrind. Einn áttundi hluti atóms er í hverju af átta hornum teningsins og eitt atóm er í miðju hans.

átta

12

(a) 1,370 Å; (b) 19,26 g/cm³

(a) 2,176 Å; (b) 3,595 g/cm³

Kristalbygging Si sýnir að efnið er minna þéttpakkað (tengitala 4) í föstu formi en Al (tengitala 12).

Í þéttpakkaðri grind eru tvær fjórflötungsholur fyrir hverja anjón. Ef aðeins helmingur fjórflötungsholanna er setinn, er fjöldi anjóna og katjóna jafn. Formúla kadmíumsúlfíðs er CdS.

Co₃O₄

Í einfaldri teningsgrind getur aðeins ein teningshola verið setin af katjón fyrir hverja anjón í grindinni. Hlutfall þallíums og joðíðs hlýtur að vera 1:1; þess vegna er formúla þallíums TlI.

59,95%; Oxunartala títans er +4.

Báðar jónirnar eru svipaðar að stærð: Mg, 0,65; Li, 0,60. Þessi líkindi gera það að verkum að þær geta auðveldlega komið í stað hvor annarrar. Hleðslumunurinn er yfirleitt jafnaður út með því að skipta Si⁴⁺ út fyrir Al³⁺.

Mn₂O₃

1,48 Å

2,874 Å

20,2°

1,74 × 10⁴ eV