Kapalné skupenství. newtonovské viskozita závisí pouze na teplotě nenewtonovské viskozita závisí i na gradientu rychlosti

Transkript

1 Kapalné skupenství

2 Kapalné skupenství nestálé atraktivní interakce (kohezní síly) mezi molekulami umožňující neuspořádaný translační pohyb tvarodpovídajícítvarunádoby (majíhladinu) částice blízko sebe, nejsou vázany na místě, mohou se pohybovat v celém objemu obtížně stlačitelné vytvářejí kapky

3 Kapalné skupenství ideální kapalina nestlačitelná, bez vnitřního tření (má nulovou viskozitu součinitel vnitřního tření) neideální má vnitřní tření (vzájemné silové působení částic), mírně stlačitelné newtonovské viskozita závisí pouze na teplotě nenewtonovské viskozita závisí i na gradientu rychlosti s časovou závislostí (nátěrové hmoty )

4 Kapalné skupenství

5 Viskozita (vazkost) Snižuje průtok kapaliny Rychlost v protékaném průřezu není konstantní u krajů je minimální uprostřed je maximální S teplotou se mění vyšší teplota znamená v různé míře nižší viskozitu (mazacíoleje )

6 Viskozita Charakterizuje vnitřní tření Závisí především na přitažlivých silách mezi částicemi (kapaliny s větší přitažlivou silou mezi částicemi mají větší viskozitu) Větší viskozita znamená větší brzdění pohybu kapalin nebo těles v kapalině Ideální kapalina = nulová viskozita (supertekutina)

7 Viskozita Dynamická viskozita h míra odporu tečení Převrácená hodnota tekutost Kinematická viskozita viskozita vztažená na hustotu

8 Výtokové viskozimetry Viskozita Měření viskozity: Kapalina se pohybuje přístrojem a nebo část přístroje (kulička, rotační část) kapalinou Kuličkové viskozimetry Kapilární viskozimetry

9 Supratekutost Helium při teplotách blízkých absolutní nule Behavior-of-Superfluid-Helium-Explained shtml#sgal_0

10 Kapalné skupenství uspořádání (krátkodosahové) blízké amorfním látkám (závislé na teplotě) Radiální distribuční funkce

11 Kapalné skupenství Kapalné/tekuté krystaly Mezomorfní, parakrystalický stav Krystaly organické látky, které vytvářejí přechod mezi pevnými látkami a kapalinami Jsou kapalné jako kapaliny, ale jejich molekuly jsou pravidelně uspořádány jako v pevných látkách Organická látka po rozpuštění ve vodním roztoku v němž se molekuly látky uspořádají do pravidelné struktury, vytvoří homogenní roztok chovající se jako krystal

12 Kapalné skupenství Kapalné/tekuté krystaly citlivé na změnu fyzikálních polí (včetně gravitačního), teploty, chemické látky změnu struktury lze indikovat opticky měření malých změn teploty kůže konstrukce displejů a obrazovek měření přítomnosti malého množství různých látek (kokain) Chování odpovídá tvaru molekul rozpuštěné látky Struktura tekutých krystalů smektické tekuté krystaly nematické tekuté krystaly cholesterické tekuté krystaly diskotické tekuté krystaly

13 Kapalné skupenství Tekuté krystaly Smektické krystaly (rovinatá struktura, smega=mýdlo) orientace a uspořádání do ekvidistantních rovin opticky aktivní uspořádány ve vrstvách

14 Kapalné skupenství Tekuté krystaly Nematické krystaly (vláknitá struktura, nema=nit) orientace bez ekvidistantních rovin uspořádány v jednom směru. Díky tepelnému pohybu jsou ze svého směru stále vychylovány

15 Kapalné skupenství Tekuté krystaly Cholesterické krystaly uspořádány v rovinách opticky aktivní

16 Kapalné skupenství kapalné skupenství je z jedné strany ohraničeno skupenstvím pevným a z druhé strany skupenstvím plynným. hustota se nepříliš liší od pevných látek částice vykonávají pohyb kočovníka poskočí, chvíli kmitá na místě a zase poskočí

17 Kapalné skupenství částice uvnitř kapaliny výslednice meziatomových sil je nulová částice blízko povrchu a na povrchu výslednice směřuje dovnitř kapaliny na povrchu tenká elestická blanka snažící se co nejvíc zmenšit svůj objem

18 Kapalné skupenství Povrchová energie minimalizace energie minimalizace plochy povrchu v beztížném stavu kulovitý tvar v gravitačním poli Země kapkovitý tvar Povrchové napětí s se rovná podílu velikosti povrchové síly F a délky l okraje povrchové blány, na který povrchová síla působí kolmo v povrchu kapaliny. S rostoucí teplotou povrchové napětí klesá. [Jm -2 =Nm -1 ]

19 Kapalné skupenství Rozhraní kapalina/pevná látka smáčení/nesmáčení stěny stykový úhel smáčení stěny meniskus (zdvih hladiny) nesmáčení vypouklý povrch F 1 přitažlivá síla částic stěny nádoby F 2 přitažlivá síla molekul kapaliny (směřuje dovnitř kapaliny) F výslednice směřuje ven z kapaliny (povrch kapaliny je dutý) F výslednice směřuje dovnitř kapaliny, je povrch vypuklý

20 Kapalné skupenství Kapilární jevy nastávají u trubic s velmi malým průměrem způsobené kapilárním tlakem kapilární elevace kapalina smáčí vnitřní povrch kapiláry Kapalina s nízkým povrchovým napětím voda kapilární deprese kapalina smáčí vnitřní povrch kapiláry rtuť ς hustota kapaliny σ povrchové napět R vnitřní poloměr kapiláry g grav. zrychlení

21 Kapalné skupenství Kapilární jevy Spojeny s existencí kapilárního tlaku vznikajícího díky zakřivění povrchu Těsně pod dutým povrchem je vnitřní tlak menší než těsně pod rovinným povrchem kapaliny v okolí kapiláry, a to o kapilární tlak. Kapalina vystoupí do takové výšky h, aby hydrostatický tlak odpovídající tomuto sloupci kapaliny vyrovnal rozdíl vnitřních tlaků (elevace) U kapilární deprese těsně pod vypouklým povrchemv kapiláře je vnitřní tlak větší něž těsně pod rovinným povrchem v okolí kapiláry (o kapilární tlak). Dojde k poklesu kapaliny o takovou výšku, aby byl kapilární tlak kompenzován.

22 Kapalné skupenství Kapilární jevy Bublina s větším poloměrem roste a menší se smrskává, až nakonec zanikne. Svědčí to o tom, že na počátku děje je větší kapilární tlak v menší bublině a tím také větší tlak vzduchu v bublině.

23 Povrchové napětí kapalin Využití podstata celých odvětví chemie koloidní chemie, chromatografie katalyzátory jevy související s činností buněk, kapilární jevy v rostlinách mytí, praní... smáčivost povrchů (studená voda má vysoké povrchové napětí) aplikace herbicidů a insekticidů (úprava povrchového napětí) flotace oddělení hlušiny od těžené látky (železo, zlato...) pohyb drobného hmyzu po hladině, nesmáčivost peří elektrický výboj při bouřce, vznik krup

24 Povrchové napětí kapalin Měřenípovrchového napětí přímá metoda do měřené kapaliny ponoříme tělísko definovaného tvaru o známé délce a měříme sílu, potřebnou k vytažení tělíska z kapaliny

25 Povrchové napětí kapalin Měřenípovrchového napětí vzestup v kapiláře síla povrchového napětí je v rovnováze tíhou sloupce kapaliny (nutné změřit hustotu kapaliny a poloměr kapiláry) Kapilární elevace a deprese voda smáčí stěnu kapiláry, rtuť ne

26 Povrchové napětí kapalin Měřenípovrchového napětí kapková metoda kapka odkápne pokud je síla tíhová rovna síle povrchového napětí působící na obvodu kapiláry. Kapka neodkapne celá relativní metoda (srovnáváme s kapalinou o známém povrchovém napětí)

27 Vypařování kapalin opačný proces zkapalnění uzavřená nádoba: tlak nad kapalinou roste, část molekul přechází znovu do kapalné fáze na rozhraní obousměrný přechod (vypařování a kondenzace) ustanovení rovnovážného stavu charakterizovaného tlakem nasycených par (nezávisí na množství kapaliny) jakmile tlak nasycené páry dané kapaliny dosáhne tlaku plynu v okolí, nastává var (teplota varu) var a teplota varu závisí na vnějším tlaku normální teplota varu (teplota za kpa)

28 Vypařování kapalin Závislost teploty varu na tlaku

29 Raoultův zákon závislost tlaku syté páry nad kapalným roztokem na množství rozpuštěné látky Parciální tlak syté páry i-té složky nad roztokem je vzhledem k tlaku syté páry nad kapalinou tvořenou pouze touto složkou nižší v poměru rovném molárnímu zlomku i-té složky v roztoku. Tenze par čisté látky za standardních podmínek.

30 Raoultův zákon Dvousložkový roztok netěkavé látky Relativní snížení tlaku syté páry nad roztokem netěkavé látky je rovno molárnímu zlomku této látky v roztoku.

31 Henryho zákon Udává závislost parciálního tlaku dané látky nad roztokem a jejího podílu v tomto roztoku. Pro páry rozpuštěné látky platí úměra mezi tlakem par rozpuštěné látky a molárním zlomkem x I této látky v roztoku K I Henryho konstanta charakteristická pro daný plyn Analogický Raoultově zákonu. Liší se pouze konstantou úměrnosti. Platí pro rozpouštědlo (pro látku v nadbytku)

32 Henryho zákon Závislost rozpustnosti plynu x I v kapalině na jeho tlaku p I nad kapalinou při konstantní teplotě Henryho konstanta závisí na teplotě s rostoucí teplotou roste

33 Teplotní objemová roztažnost kapalin Pro nepříliš velké teplotní rozdíly a za stálého vnějšího tlaku platí: β = teplotní součinitel objemová roztažnosti kapaliny pro větší teplotní rozdíly: využívá se u kapalinových teploměrů se změnou teploty kapaliny se mění také její hustota: ς = ς 1 (1 βδt)

34 Anomálie vody Hustota vody v intervalu 0 C až 4 C roste (a zmenšuje se její objem), při teplotě 4 C dosahuje maxima a pak klesá (objem se zvětšuje).

35 Anomálie vody Led při teplotě 0 C úplně neroztaje, takže ve vodě zůstávají drobné krystalky ledu. V nich jsou molekuly vzdálenější než ve vodě. Při zvětšování teploty od 0 C do 4 C zbytky ledu mizí, tím se zmenšují vzdálenosti mezi molekulami vody a celkový objem klesá, hustota roste Od 4 C se při ohřívání střední vzdálenosti molekul zvětšují, objem roste a hustota klesá Umožňuje život vodních živočichů v zimním období

36 Anomálie vody Bod varu

37 Roztoky Disperzní prostředí (rozpouštědlo) a disperzní podíl (rozpuštěná látka) Homogenní disperzní soustavy o dvou, nebo více složkách. Látky neomezeně mísitelné: vytvářejí spolu roztok jakémkoli poměru (látky chemicky příbuzné) omezeně mísitelné: rozpouštějí se pouze v určitých poměrech do vzniku nasyceného roztoku. Dělení roztoků: plynné (vzduch) kapalné (sůl ve vodě) pevné (slitiny kovů)

38 Roztoky Dielektrická konstanta (permitivita) mixotropní (eluotropická) řada (organických) rozpouštědel podle rostoucí polarity (hodnoty permitivity) Benzen (e r =2.3) Aceton (e r =2 Acetonitril (e r =39) Voda (e r =80) pentan < benzen < diethyleter < chloroform < aceton < dioxan < ethylacetát < pyridin < etanol < metanol < voda podobné se rozpouští v podobném

39 Roztoky Dielektrická konstanta (permitivita) Acidobazické vlastnosti aprotická (nepolární) rozpouštědla benzen, hexan lipofilní látky protická rozpouštědla (polární) rozpouštědla aprotogenní pyridin amfiprotní vyrovnaná voda protofilní aminy protogenní bezvodá kyselina octová

40

41 Vzájemná rozpustnost látek Závisí především na typu látky. Čím jsou látky příbuznější, tím je rozpustnost lepší.

42 Diagram rozpustnosti koncentrace rozpuštěné látky přesycený roztok nasycený roztok nenasycený roztok teplota

43 Roztoky Nasycený roztok roztok, ve kterém se již za dané teploty nerozpustí více látky. Složení takového roztoku udává rozpustnost látky za dané teploty. Rozpustnost maximální množství látky, které se rozpustí určitém množství rozpouštědla (nejčastěji 100g) za daných podmínek (teplota, tlak). v Nenasycený roztok obsahuje méně látky, než odpovídá její rozpustnosti. Rozpuštěnou látku lze dále přidávat do roztoku. Přesycený roztok obsahuje více látky, než odpovídá její rozpustnosti. Lze jej připravit pomalým ochlazováním nasyceného roztoku. Jedná se o nestabilní stav rozpuštěná látka v přebytku má tendenci vykrystalizovat a oddělit se od roztoku.

44 Složení roztoků Sledujeme zastoupení složek (A,B,C,.N) v soustavě S. Např. pro složku A, lze její zastoupení v S vyjádřit jako: Hmotnostní zlomek poměr hmotnosti rozpuštěné látky k hmotnosti celého roztoku w = A m m A S m A hmotnost rozpuštěné látky m S hmotnost roztoku (soustavy) w = <0;1> (x100) = 0-100% hm.

45 Složení roztoků Molární zlomek podíl látkového množství složky n A a součtu látkových množství všech složek směsi Sn X A n n A = X = <0;1> (x100) = 0-100% mol. å S

46 Složení roztoků Objemový zlomek podíl objemu rozpuštěné látky V A a celkového objemu roztoku (soustavy) V S. j A = V V A S φ = <0;1> (x100) = 0-100% obj. Pro jednu a tutéž složku, se mohou její zastoupení v dané soustavě, vyjádřená hmotnostními, objemovými a molárními procenty, vzájemně číselně zcela lišit!!!

47 Složení roztoků Molární koncentrace vyjadřuje látkové množství složky n A rozpuštěné v 1 dm 3 roztoku. c A = n A V S = m A M A.V S (mol.dm -3 )

48 Ředění roztoků Ředění roztoků znamená snižování hmotnostního procenta složky v roztoku přidáním určitého množství rozpouštědla Směšovací pravidlo