Kafli 10 - Svör við æfingum

Svör við æfingum

10.1 Aðdráttarkraftar milli sameinda

Vökvar og föst efni eru lík að því leyti að þau eru efni sem samanstendur af frumeindum, jónum eða sameindum. Þau eru óþjappanleg og hafa svipaðan eðlismassa sem er mun meiri en eðlismassi gasa. Þau eru ólík að því leyti að vökvar hafa ekkert fast form en föst efni eru stíf.

Þeir eru líkir að því leyti að frumeindirnar eða sameindirnar geta færst úr einni stöðu í aðra. Þeir eru ólíkir að því leyti að eindir vökva eru bundnar við lögun ílátsins sem þær eru í. Aftur á móti þenst gas út takmarkalaust til að fylla rýmið sem það er sett í.

Allar frumeindir og sameindir þéttast í vökva eða fast efni þar sem aðdráttarkraftarnir eru meiri en hreyfiorka sameindanna, við nægilega lágt hitastig.

(a) Dreifkraftar verða til þegar frumeind myndar tímabundið tvískaut þegar rafeindir hennar dreifast ósamhverft um kjarnann. Þessi uppbygging er algengari í stórum frumeindum eins og argoni eða radoni. Önnur frumeind getur þá afmyndast við tilkomu tvískautsins í fyrstu frumeindinni. Rafeindir annarrar frumeindarinnar dragast að jákvæða enda þeirrar fyrstu, sem myndar tvískaut í annarri frumeindinni. Nettóárangurinn er ört sveiflandi, tímabundin tvískaut sem dragast hvert að öðru (t.d. Ar). (b) Aðdráttarkraftur milli tvískauta er kraftur sem stafar af rafstöðuaðdráttarkrafti jákvæða enda einnar skautaðrar sameindar og neikvæða enda annarrar skautaðrar sameindar (t.d. ICI-sameindir dragast hver að annarri með víxlverkun milli tvískauta). (c) Vetnistengi myndast þegar vetnisfrumeind er tengd við eina af rafneikvæðari frumeindunum, svo sem flúor-, súrefnis- eða niturfrumeind. Rafstöðuaðdrátturinn milli að hluta til jákvæðrar vetnisfrumeindar í einni sameind og að hluta til neikvæðrar frumeindar í annarri sameind veldur sterkri víxlverkun milli tvískauta sem kallast vetnistengi (t.d. ${\text{HF}\text{⋯}\text{HF}).}$

London-kraftar aukast yfirleitt eftir því sem fjöldi rafeinda eykst.

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

Aðeins frekar litlar víxlverkanir milli tvískauta frá C-H tengjum eru tiltækar til að halda n-bútani í vökvafasa. Klóretan hefur hins vegar frekar stórar víxlverkanir milli tvískauta vegna Cl-C tengisins; víxlverkunin er því sterkari, sem leiðir til hærra suðumarks.

−85 °C. Vatn hefur sterkari vetnistengi, svo það bráðnar við hærra hitastig.

Vetnistengið milli tveggja vetnisflúoríðsameinda er sterkara en það milli tveggja vatnssameinda vegna þess að rafneikvæðni F er meiri en O. Þar af leiðandi er neikvæða hlutahleðslan á F meiri en á O. Vetnistengið milli að hluta til jákvæða H og stærri að hluta til neikvæða F verður sterkara en það sem myndast milli H og O.

Vetnistengi eru aðal millisameindakraftarnir sem halda próteinþráðunum saman. Vetnistengin eru á milli ${\text{N}-\text{H}}$ og ${\text{C}=\text{O}.}$

(a) vetnistengi, aðdráttarkraftar milli tvískauta og dreifingarkraftar; (b) dreifingarkraftar; (c) aðdráttarkraftar milli tvískauta og dreifingarkraftar

10.2 Eiginleikar vökva

Vatnssameindirnar hafa sterka millisameindakrafta vetnistengja. Vatnssameindirnar dragast því sterkt hver að annarri og sýna tiltölulega mikla yfirborðsspennu og mynda eins konar „húð“ á yfirborði sínu. Þessi húð getur borið pöddur eða bréfaklemmu ef þær eru settar varlega á vatnið.

Hitastig hefur áhrif á millisameindakrafta: Því hærra sem hitastigið er, því meiri er hreyfiorka sameindanna og því meira sem millisameindakraftar þeirra eru yfirstignir, og því er vökvinn fljótandi (minni seigja). Því lægra sem hitastigið er, því minna eru millisameindakraftarnir yfirstignir og því er vökvinn seigari.

(a) Þegar vatnið nær hærra hitastigi er aukin hreyfiorka sameinda þess áhrifaríkari við að yfirstíga vetnistengi og því minnkar yfirborðsspenna þess. Yfirborðsspenna og millisameindakraftar eru í beinu sambandi. (b) Sama þróun sést í seigju og í yfirborðsspennu, og af sömu ástæðu.

1,7 $\times$ 10⁻⁴ m

10.3 Fasabreytingar

Varminn frásogast af ísnum og veitir þá orku sem þarf til að yfirstíga aðdráttarkrafta milli sameinda í föstu efninu að hluta til og veldur fasaskiptum yfir í fljótandi vatn. Lausnin helst við 0 °C þar til allur ísinn er bráðnaður. Aðeins magn vatns sem er til sem ís breytist þar til ísinn hverfur. Þá getur hitastig vatnsins hækkað.

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

Gufunarþrýstingur vökva minnkar eftir því sem styrkur millisameindakrafta hans eykst.

Þegar hitastigið hækkar eykst meðalhreyfiorka bensínsameindanna og því hefur stærra hlutfall sameinda næga orku til að sleppa úr vökvanum en við lægra hitastig.

Þau eru jöfn þegar þrýstingur gassins fyrir ofan vökvann er nákvæmlega 1 atm.

um það bil 95 °C

(a) Í 5000 feta hæð er loftþrýstingurinn lægri en við sjávarmál og því sýður vatn við lægra hitastig. Þetta lægra hitastig veldur því að eðlis- og efnabreytingar sem eiga sér stað við suðu eggsins ganga hægar og það tekur lengri tíma að sjóða eggið að fullu. (b) Svo lengi sem loftið í kringum líkamann inniheldur minni vatnsgufu en hámarkið sem loftið getur haldið við það hitastig, mun sviti gufa upp og kæla þannig líkamann með því að fjarlægja gufunarvarmann sem þarf til að gufa upp vatnið.

Dreifikraftar aukast með mólmassa eða stærð. Eftir því sem fjöldi atóma sem mynda sameindirnar í þessari samstæðu röð eykst, eykst umfang millikrafta aðdráttar með dreifikröftum og þar af leiðandi orkan sem þarf til að yfirstíga þessa krafta og gufa upp vökvana.

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

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

1125 kJ

(a) 13,0 kJ; (b) Líklegt er að gufunarverminn hafi hærra gildi þar sem við gufun þarf að yfirstíga millisameindakraftana að fullu, en við bráðnun veikjast eða rofna aðeins sumir þeirra.

10.4 Fasarit

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 hærri en um 75 torr breytist það í vökva. Við −40 °C fer vatn úr gasi yfir í fast efni þegar þrýstingurinn eykst yfir mjög lág gildi.

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

An x-axis is labeled at the left as “Full” and at the right as “Empty.” A y-axis is labeled at the top as “P.” Beneath the x-axis is the label “Amount released.” A horizontal line that then slopes downward is drawn about halfway up the vertical line and labeled on the left as “65 a t m.” About two-thirds of the way across the x-axis, it slopes downward in a straight line to meet the “empty” label on the bottom right of the axis.

Já, ísinn mun þurrgufa, þó það geti tekið nokkra daga. Ís hefur lágan gufunarþrýsting og sumar íssameindir breytast í gas og sleppa úr ískristöllunum. Eftir því sem tíminn líður breytist meira og meira af fasta efninu í gas þar til þvotturinn er að lokum orðinn þurr.

(a)

(b)

(c)

(d)

(e) vökvafasi (f) þurrgufun

This figure shows an x-axis that is labeled, “Temperature ( K ),” and a y-axis labeled, “Pressure ( P a ).” The x-axis is marked off in increments of 2000 starting from 0. The y-axis is marked off at 0, 10 to the 7, ten to the 9, and ten to the 11. There is a slightly negatively sloped line that passes through the x-axis at about 3800. From this line there is a line that curves up and then down to the left to pass through the y-axis at ten to the 9. There is another line that goes up and to the right. The two quadrants to the right are labeled, “Water ( liquid )” and “Water vapor ( gas ).”

This figure shows an x-axis that is labeled, “Temperature ( K ),” and a y-axis labeled, “Pressure ( P a ).” The x-axis is marked off in increments of 2000 starting from 0. The y-axis is marked off at 0, 10 to the 7, ten to the 9, and ten to the 11. There is a slightly negatively sloped line that passes through the x-axis at about 3800. From this line there is a line that curves up and then down to the left to pass through the y-axis at ten to the 9. There is another line that goes up and to the right. The quadrant to the left is labeled, “Graphite.”

This figure shows an x-axis that is labeled, “Temperature ( K ),” and a y-axis labeled, “Pressure ( P a ).” The x-axis is marked off in increments of 2000 starting from 0. The y-axis is marked off at 0, 10 to the 7, ten to the 9, and ten to the 11. There is a slightly negatively sloped line that passes through the x-axis at about 3800. From this line there is a line that curves up and then down to the left to pass through the y-axis at ten to the 9. There is another line that goes up and to the right. The top quadrant is labeled, “Diamond.”

This figure shows an x-axis that is labeled, “Temperature ( K ),” and a y-axis labeled, “Pressure ( P a ).” The x-axis is marked off in increments of 2000 starting from 0. The y-axis is marked off at 0, 10 to the 7, ten to the 9, and ten to the 11. There is a slightly negatively sloped line that passes through the x-axis at about 3800. From this line there is a line that curves up and then down to the left to pass through the y-axis at ten to the 9. There is another line that goes up and to the right. The four quadrants are labeled, “Diamond” at the top, “Graphite”, to the left, “water ( liquid )” to the top right, and “water vapor ( gas ),” to the bottom right. There is a red circle where the liquid, gas, and graphite lines intersect.

10.5 Fast ástand efnis

(e) sameindakristallar

Ís hefur kristalbyggingu sem er stöðugleiki er viðhaldið með vetnistengjum. Þessir millisameindakraftar eru af sambærilegum styrk og þurfa því sama magn af orku til að yfirstíga. Fyrir vikið bráðnar ís við eitt ákveðið hitastig en ekki yfir hitastigsbil. Hinar ýmsu, mjög stóru sameindir sem mynda smjör verða fyrir mismunandi van der Waals aðdráttarkröftum af ýmsum styrkleikum sem eru yfirstignir við mismunandi hitastig, og því á bræðsluferlið sér stað yfir breitt hitastigsbil.

(a) jónískt; (b) samgilt net; (c) sameindaefni; (d) málmur; (e) samgilt net; (f) sameindaefni; (g) sameindaefni; (h) jónískt; (i) jónískt

X = jónaefni; Y = málmur; Z = samgilt net

(b) málmur

10.6 Grindargerðir í kristalkenndum fastefnum

Bygging þessa lághitaforms járns (undir 910 °C) er miðlæg teningslaga. Það er einn áttundi úr frumeind á hverju af átta hornum teningsins og ein frumeind í miðju teningsins.

átta

12

(a) 1,370 Å; (b) 19,26 g/cm

(a) 2,176 Å; (b) 3,595 g/cm³

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

Í þéttpökkuðu fylki eru tvær ferflötungsholur fyrir hverja anjón. Ef aðeins helmingur ferflötungsholanna er fylltur er fjöldi anjóna og katjóna jafn. Formúlan fyrir kadmínsúlfíð er CdS.

Co₃O₄

Í einföldu teningslaga fylki getur aðeins ein teningshola verið fyllt af katjón fyrir hverja anjón í fylkinu. Hlutfall þallíns og joðíðs verður að vera 1:1; því er formúlan fyrir þallín 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 skiptst á frekar auðveldlega. Mismunurinn á hleðslu er yfirleitt jafnaður með því að Si⁴⁺ skiptir um sæti við Al³⁺.

Mn₂O₃

1,48 Å

2,874 Å

20,2°

1,74 $\times$ 10⁴ eV