4.tétel

Az anyagi halmazok szerkezete, a halmazok állapota, a kristályos szerkezet fajtái

A nagyon sok részecskéből felépülő anyagi rendszereket halmazoknak nevezzük. A halmazokat alkotó részecskék lehetnek atomok, ionok, molekulák.

A legtöbb kémiai anyag – a hőmérséklettől és a nyomástól függően – három, klasszikusan értelmezett halmazállapotban lehet stabilis állapotú: légnemű, folyékony és szilárd. Elméletileg minden anyag mindhárom halmazállapotban előfordulhat, a gyakorlatban viszont sok szilárd anyag elbomlik, vagy átalakul az olvadáspontjánál kisebb hőmérsékleten, azaz inkongruens olvadáspontja van. Ugyanilyen okok miatt sok anyagnak nem létezik légnemű halmazállapota, vagyis már a forráspontjánál kisebb hőmérsékleten termikusan elbomlik. A fenti három halmazállapoton kívül létezik az anyagok negyedik halmazállapota is, amely már a 20. század közepén fontossá vált: ez a plazmaállapot.

Szilárd halmazállapot:

A szilárd halmazállapotnak két formája ismeretes: kristályos (pl: gyémánt, jég, NaCl, Cu) és alaktalan vagy amorf (pl: zsír, viasz, kaucsuk). Ebben az állapotban a molekulák ill. az atomok energiaszintje olyan alacsony, hogy adott helyzetükből nem tudnak kiszabadulni. Kristályos anyag esetén azok a kristályrács által meghatározott egyensúlyi helyzetben vannak rögzítve, és ekörül végeznek rezgőmozgást. Szilárd anyagoknak (vagy testeknek) meghatározott alakjuk és térfogatuk van, de a térfogat általában a hőmérséklet emelésével kiterjed. A kiterjedés mértékét a hőtágulási együttható fejezi ki, ami az anyagok jellemző tulajdonsága. A szilárd anyagok ellenállást fejtenek ki az alak- és térfogat-változtatással szemben, ennek megfelelően több tulajdonságuk összefügg ezzel az ellenállással: keménység, szilárdság, rugalmasság, hőtágulás. Melegítés hatására általában csökken a szilárdságuk és az olvadáspontjukon (általánosabban a likvidusz hőmérsékleten) folyékonnyá válnak.

Folyékony halmazállapot:

A folyékony anyagok, vagyis folyadékok térfogata állandó, ám alakja változó. A nehézségi erő hatására képesek felvenni a tároló edény alakját. Erőtérmentes környezetben viszont gömb alakúak a felületi feszültség következtében. A folyadékokban a molekulák közötti összetartó erő lényegesen kisebb mint a szilárd anyagoknál, és noha az anyaghalmazt összetartja, de lehetővé teszi a molekulák egymáshoz képest történő makroszkopikus, szabad mozgását. Ennek következtében a viszkozitásuk a szilárd testek viszkozitásához képest kicsi, de az összenyomhatóságuk (kompresszibilitásuk) azokhoz közel állóan kicsi.

Az anyag felületi feszültsége a kritikus hőmérsékletéhez közeledve nullára csökken, azt elérve, illetve nagyobb hőmérsékleten a folyadék gázzá változik. Zárt térben a folyadékok sűrűsége csökken a légtérben pedig növekszik. A kritikus hőmérsékleten a két fázis sűrűsége egyenlővé válik. Az anyagok a kritikus hőmérséklet alatt gőz, a felett gáz halmazállapotúak. A kritikus hőmérsékletnél nagyobb hőmérsékleten a légnemű anyag semmilyen nagy nyomáson sem cseppfolyósítható, mert ilyen körülmények között már nem gőzként, hanem gázként viselkedik.

Légnemű halmazállapot:

A légnemű anyagoknak nincs sem meghatározott alakjuk, sem meghatározott térfogatuk, a rendelkezésre álló térfogat egyenletes kitöltésére törekszenek. Az elemi állapotú anyagok nagy többsége légnemű állapotban – tehát gőz és gáz állapotban – színtelenek, aminek az az oka, hogy a látható színképtartományban nincs fényabszorpció. Ez alól kivételt a kén és a halogén elemek gőzei képeznek.

A reális gázok esetében a molekulák között viszonylag kicsi az összetartó erő, a forgó, rezgő és az egyenes vonalú, egyenletes mozgás miatt egymással ütköznek és távolodni igyekszenek egymástól, ezért töltenek be minden rendelkezésre álló teret. Ez csak akkor igaz, ha a gázra nem hatnak külső erők. A földi nehézségi erőtér hatására például a légkör sűrűsége felfelé exponenciális függvény szerint csökken. Kis magasságkülönbség esetén azonban az eltérés figyelmen kívül hagyható.

A légnemű anyagok alakja és térfogata viszonylag kis erővel megváltoztatható, mert kicsi a viszkozitásuk, és nagy a kompresszibilitásuk a folyadékokéhoz, vagy a szilárd testekéhez képest.

Plazma halmazállapot:

Plazma a gáz-halmazállapotból keletkezik az atomok ill. molekulák ionizációja révén. Nagyon nagy hőmérsékleten, sugárzás vagy elektromos kisülés hatására az atomokból elektronok szakadnak le. A plazma állapotban szabadon mozgó pozitív ionok és negatív elektronok vannak olyan arányban, hogy az egész rendszer elektromosan semleges. A szabadon mozgó részecskék miatt a plazma jól vezeti az elektromos áramot.

Kellően nagy hőmérsékleten minden anyag átvihető plazmaállapotba (termikus ionizáció), legkönnyebben az alkálifémek gázai. Teljes ionizációhoz – a hideg plazma kialakulásához – sok tízezer fokos hőmérséklet szükséges, a forró plazma hőmérséklete több millió fokos. A világegyetem látható anyagának 99%-a (csillagok, csillagközi és bolygóközi anyag) plazma állapotban van.

Földi viszonyok között plazma képződik például a villámban, elektromos szikrában, koronakisülésben, elektromos ívben, gázkisülési csövekben stb.

Halmazállapot-változás:

Az anyagok hőmérsékletének valamint nyomásának bizonyos fokú változása halmazállapot-változást idéz elő. Ez a változás mindig visszafordítható (reverzibilis) folyamat, ha közben termikus bomlási folyamat nem megy végbe.

A halmazállapot-változást melegítés során például akkor következik be, ha a hőmérsékletnövelés olyan mértékű rezgőmozgásra készteti az atomokat, melyet a kohéziós erők nem tudnak kompenzálni, így az atomok az előző állapotához képest szabadabbá válnak. Első lépésben a rácsponti kötőerők szűnnek meg, (szilárd-folyadék fázisátalakulás), majd azok a kohéziós erők, amelyek a folyadék részecskéi között működnek (folyadék-gőz fázisátmenet), végül pedig az atomokon belüli elektrosztatikus vonzóerők ellenére az elektronok egy része vagy teljes mennyisége leszakad az atommagról (gáz-plazma fázisátmenet).

Avogadro törvénye:

Az ideális gázokban a részecskék közötti kölcsönhatás elhanyagolható, ezért érvényes rájuk Avogadro törvénye. Ez kimondja, hogy az azonos térfogatú, azonos hőmérsékletű és nyomású gázok azonos számú részecskét tartalmaznak.
A gázok azonos számú molekulája azonos hőmérsékleten és azonos nyomáson egyenlő térfogatot tölt be és ez a térfogat standard körülmények között (25°C) 0,1 MPa nyomáson 24,5 dm³. A gázok moláris térfogata megadja 1 mol gáz térfogatát jele: V_m = V/n (dm³/mol)

Az anyagok kristályos és amorf szerkezete:

Az ásványok alaktani és fizikai tulajdonságaik alapján kétfélék lehetnek.
- Alaktalanok vagyis amorfok, melyeknek semmiféle jellegzetes alakjuk nincs és fizikai
tulajdonságaik minden irányban megegyeznek, ezek izotrópok. (pl: faopál)
- Kristályosak, (pl: Ametiszt)amelyeknek valamilyen törvényszerű, illetve szimmetrikus alakjuk van, és fizikai
sajátosságaik csak a párhuzamos irányokban azonosak, a különböző irányokban általában
eltérőek, ezek anizotrópok.

Az ásványok zöme anizotróp, vagyis jellemzőjük a kristályszerkezet, az alkotóelemek térbeli elhelyezkedése, vagyis az a kristályrács, ami különböző szimmetriákban nyilvánul meg, és egyes ásványfajtákon belül különböző is lehet.

A kristályrácsok típusai:

A kristályrácsot atomok, ionok, és molekulák is alkothatják. A rácspontokon elhelyezkedő kristályrácsalkotók közötti kötés jellege szerint négy különböző kristályrácstípust ismerünk: atom-, ion-, molekula- és fémrácsot. A kristályrács fölépítése során a rácspontba beépülő elemek energiát adnak le, ezért a kristályrács fölbomlásához energiabefektetés szükséges.

	IONRÁCS	ATOMRÁCS	FÉMRÁCS	MOLEKULARÁCS
Részecskék a rácspontokon:	ellentétes töltésű ionok	atomtörzsek	atomtörzsek	molekulák
Rácsösszetartó erő:	elektrosztatikus vonzóerő (ionkötés)	kovalens kötés	delokalizált elektronok	másodrendű kötőerők (dipólus – dipólus kölcsönhatás, diszperziós kölcsönhatás, hidrogénkötés)
Olvadás- és forráspont:	magas / a nagy rácsenergia miatt/	magas /erős kovalens kötések miatt/	változó /változó erősségű fémes kötés miatt/	alacsony / gyenge másodrendű kötések/
Halmazállapot /szobahőmérsékleten/	szilárd	szilárd	szilárd /a higany kivételével/	lehet gáz, folyadék, szilárd
Keménység:	viszonylag nagy	nagy	változó	kicsi
Vezetőképesség:	szilárd: szigetelő vizes oldatuk: vezető	szigetelő vagy félvezető	jó vezető	szigetelő
Oldhatóság:	vízben általában jól	-	-	polaritástól függ
Példák az elemek közül:	NINCS!	B, C, Si, Ge	kis EN-ú elemek /fémek/	a nagy EN-ú elemek /nemfémek/
Példák a vegyületek közül.	kis EN-ú fémek és a nagy EN-ú nemfémek vegyületei /NaCl, CaO/	B2O3, SiO2	néhány szulfid	nemfém vegyületek, /szárazjég/, szerves vegyületek