Væsker, fast stoff og gasser

Et stoff kan skifte tilstand fra en fysisk fase til en annen. Stoff kan gå fra væskefase til gassfase ved fordampning og fra fast stoff til gassfase ved sublimasjon.

Jo svakere de intermolekylære kreftene er i stoffet, desto raskere skjer fordampning. Stoff som beveger seg fra gassfase til væskefase kalles kondensasjon. Molekylene spretter rundt og kolliderer med hverandre og omgivelsene. Molekylene i en væske lager et damptrykk. Væsker med høyt damptrykk er flyktige og fordamper lett. Når et fast stoff varmes til det smelter når det smeltepunktet.

Væsker

Når et fast stoff eller væske varmes opp utvider det seg. De fleste væsker får mindre volum når de fryser, men vann utvider seg når det fryser. Radiatoren på bilen kan fryse istykker og gi sprekk i motorblokka, og glassflasker med vann i fryseboksen vil sprekke. Kokepunktet for vann minsker med økende høyde over havet. Egget må kokes litt lenger i høyfjellet enn i lavlandet for at plommen skal være like hard. Viskositeten til væsker, motstanden mot å flyte, minsker ved lavere temperatur. Derfor benyttes høyviskøs motorolje om sommeren og lavviskøs motorolje om vinteren. Hvis oljen blir for tynn får den dårlige smøreegenskaper og kan brenne opp i forbrenningskammeret.

En gass består mesteparten av tomt rom. Derfor kan gasser presses i sammen slik at de opptar et mindre volum. I væske og fast form er molekylene pakket tett sammen og kan ikke ytterligere presses isammen. Bremsevæske i en bil overfører trykket på bremsepedalen over til bremseklossene på bremseskivene. Bremsevæske og hydraulikkolje i hydrauliske maskiner baserer seg på at væsker ikke kan presses sammen, og brukes til å overføre krefter til å løfte eller bevege. Kommer det luft i bremsevæsken vil ikke bremsene virke.

De fysiske egenskapene til faste stoffer, væske og gass påvirkes av intermolekylære interaksjoner, noe som gir større effekt i fast form og væsker enn for gasser fordi kreftene synker med avstand. Interaksjonene mellom molekyler (intermolekylære krefter) er svakere enn interaksjoner innen molekyler.  Magnetkraften minsker raskt med avstanden fra magneten, og elektriske krefter minsker også raskt med avstand. Når avstanden dobles blir kraften redusert til en fjerdedel.

Vannmolekylet er et polart molekyl med en negativ ladning ved oksygen og to positive ladninger ved hvert sitt hydrogen. Tiltrekning mellom vannmolekyler kalles dipol-dipol tiltrekninger og er mye svakere enn kovalente bindinger.Ved dipol-dipol tiltrekning organiseres molekylene slik at motsatte ladninger ligger nær hverandre.  Hydrogenbindingene er generelt mye sterkere enn andre dipol-dipol bindinger. Hydrogenbindinger i vann brytes og dannes kontinuerlig.  På grunn av forskjellig elektronegativitet blir både O-H og N-H bindinger polare, og begge er vanlige i biologiske molekyler. Når vann fryser kan ikke vannmolekylene lenger bevege seg fritt omkring og molekylene må finne  faste plasser. Vann utvider seg når det fryser. Tetthet=masse/volum og når volumet øker i en konstant masse så minsker tettheten.

Tettheten er masse dividert på volum, og når volumet øker på den samme mengden masse så må tettheten minske og isen flyter derved på vannet.

I molekyler uten noen fast dipol kan det oppstå midlertidige og momentane elektronforflytninger i et molekyl som induserer dipoltiltrekninger i nabomolekyler kalt London-krefter etter den tyske fysikeren Fritz London. Londonkreftene avhenger av størrelsen på elektronskyen og antall atomer i molekylet. Store elektronskyer gjør at de ytre elektronene blir lettere påvirkelig. Elektroner langt unna kjernen påvirkes mer og lager flere kortlevete dipoler, enn de nærmere kjernen.  Elektroner i to molekyler frastøter hverandre og holder seg lengst mulig unna hverandre. Elektrontettheten til en partikkel blir derved usymmetrisk, med mer negativ ladning på den ene siden enn den andre, og dette induserer en midlertidig dipol i nærliggende molekyler, og gir London-krefter. Dipolen dannes og forsvinner, og gjendannes osv.

   Kokepunktet blir høyere ved økt størrelse, f.eks. kokepunktet ved 1 atmosfære for metan (CH4) = -161.5oC, etan (C2H6) har kokepunkt -88.6oC og propan (C3H8) har kokepunkt -42.1oC, og dette skyldes London-krefter som øker med størrelsen og antall atomer i molekylene. 

Overflatespenning

Overflatespenningen som er kontakten mellom væsken og dens egen gassfase eller luft gjør at væsken forsøker å få så lite overflateareal som mulig. Det minste overflatearealet for et gitt volum er kuleformen. Regndråper danner små kuler. Overflatespenningen gjør at det er mulig å fylle et glass med vann over kanten av glasset. Overflatespenningen virker tilsynelatende som en tynn "hud" omkring væsken. Skjenkes glasset for fullt blir gravitasjonskreftene for dominerende og det renner over. Det er forskjell i tiltrekninger mellom molekyler inne i væsken og ved overflaten av væsken. Molekyler inne i væsken blir tiltrukket jevnt i alle retninger, men molekylene ved overflaten tiltrekkes sterkere mot det indre av væsken. Størrelsen på overflatespenningen er relatert til intermolekylære krefter. Et system blir mest stabilt når den potensielle energien er lavest, og lavest energi dvs. mest stabilt er det når overflaten er så liten som mulig. En av egenskapene ved vann er vannets evne til å fukte overflater som rent glass med silisiumoksidbindinger, men vann fukter ikke fettet glass.  Bensin og parafin har lav overflatespenning, svake intermolekylære krefter og sprer seg lett utover og fukter en vannflate ved å spre seg utover som en tynn hinne.

Detergenter med overflateaktive stoffer (surfaktanter) senker overflatespenningen til vann.

Viskositet (dynamisk viskositet og kinematisk viskositet) er motstand mot å endre form. Viskositet skyldes intermolekyler tiltrekninger (dipol-dipol og Londonkrefter) og jo sterkere disse tiltrekningene er desto mer viskøst er stoffet.  Viskositet er en intern friksjon i materialet. Fast stoff som glass kan være viskøst. Olivenolje består av store upolare molekyler. Viskositeten avhenger av temperatur f.eks. sirup. 

Tørris er fast karbondioksid og den smelter ikke, men sublimerer og går direkte over til karbondioksid. Når en væske fordamper gir den avkjøling. Fordampning skjer fra hud eller lunger og gir avkjøling.

Evaporasjon

Evaporasjon kan skje fra både fast stoff og væsker. Evaporasjon gir avkjøling på hud og i lunger hvor det fordamper vann, eller avkjøling av et blad. Kombinasjonen transpirasjon og evaporasjon kalles evapotranspirasjon.  Man kan kjøle en suppetallerken eller kaffe ved å blåse på den, noe som gir økt evaporasjon, og samtidig bringes mer varm væske til overflaten som avkjøles. En kald flaske innpakket i en våt avis holder bedre på den lave temperaturen.  Evaporasjon fra fast stoff kalles sublimasjon. Tørris er fast karbondioksid og smelter ikke, men sublimerer. Det samme skjer når stivfrosset vannholdig tøy kan tørke ved kuldegrader.  Fordampning skjer med forskjellig hastighet og er bl.a. av overflatearealet til væsken. Temperatur påvirker og det fordamper mer fra en varm væske enn fra en kald. Økt temperatur øker antallet molekylet som får nok kinetisk energi til å kunne forlate væskefasen og unnslippe tiltrekningen fra nabomolekyler. Minimum kinetisk energi for å unnslippe er høyere enn gjennomsnitts kinetisk energi. Styrken på intermolekylære tiltrekninger avgjør også hvor mye som fordamper fra en væske. Jo svakere intermolekylær tiltrekning, desto raskere fordampning, jfr. rask fordampning av aceton. Væske kan kondenseres fra gassfase tilbake til væskefase. Ved smeltepunktet er det en dynamisk likevekt mellom væskefase og fast fase. Når molekyler fordamper fra en væske gir det et damptrykk, for vann et vanndamptrykk. Vanndamptrykk øker med økende temperatur, for eksempel vanndamptrykk for vann.

Varme- og kjølekurver for et stoff når varme tilføres eller fjernes med konstant hastighet. Hvis en væske fortsetter å avkjøles under frysepunktet kalles det underkjøling.

Fordampning av væske er endoterm og kondensering av en gass er eksoterm. Ved hjelp av dette prinsippet kan man pumpe varme fra et sted til et annet. I et kjøleskap eller fryseskap er det en kompressor som presser sammen gass til et lite volum og gassen blir varm og lagrer varme. Varm gass sirkulerer gjennom rørsystemer på baksiden av kjøleskapet, som man kan kjenne er varme når man tar på dem.  Når gassen avkjøles under trykk går den over til væske når temperaturen går under kritisk temperatur og fordampningsvarmen blir frigitt. Den sammenpressete væsken går tilbake til kjøleskapet hvor den går inn i et område med lavt trykk. Væsken fordamper og tar med seg varme,  og mengden varme som er lik fordampningsvarmen blir absorbert og kjøleskapet blir avkjølt ved at varme blir fraktet fra innside til utside. Før brukte man giftig ammoniakk (NH3) som kjølevæske, men pga giftfaren ble det erstattet med freon, men flere typer freoner ødelegger ozonlaget i stratosfæren.

   Faseovergangene skjer ved konstant trykk og temperatur, og derved kan energiforandringene ved smelting og fordampning uttrykkes som forandringer i entalpi. Molar fordampningsvarme.

Sammenhengen mellom vanndamptrykk og temperatur er koblet til fordampningsvarmen, og denne sammenhengen er ikke lineær.

Ligningen som viser sammenhengen mellom vanndamptrykk (P) og fordampningsvarmen (ΔHfordamp (kJ/mol)) og temperatur kalles Clausius-Clapeyron-ligningen. Navn etter den tyske fysikeren  Rudolf Clausius (1822-1888) og den franske ingeniøren Benoit Clapeyron (1799-1864).

\(\ln P=\frac{\Delta H_{fordampning}}{RT} +C\)

ln P er den naturlige logaritmen til vanndamptrykket, R er gasskonstanten, T er absolutt temperatur , ΔH er fordampningsentalpi og C er en konstant.

Denne ligningen kan omformes til en lineær form (ln P versus 1/T som blir en rett linje) som kan brukes til å bestemme fordampningsvarmen eksperimentelt.

\(\ln P=\frac{\Delta H_{fordampning}}{R} \frac{1}{T}+C\)

Le Châtlier prinsipp, oppkalt etter den franske kjemiker Henry Le Châtlier (1850-1936):

Når et system i dynamisk likevekt forskyves ved forstyrrelser så responderer systemet med forsøke å opprette likevekt med et motreaksjon mot forstyrrelsen. Et eksempel på  Le Châtliers prinsipp er væske-damplikevekten for vann: Når temperaturen stiger blir det mer vanndamp, men trykket øker og motvirker fordampningen.

Et fasediagram viser sammenhengen mellom trykk og temperatur i faselinjene mellom de tre fasene gass, væske og fast fase, hvor de tre faselinjene krysses i et felles punkt.

AB (mellom gass og væske viser vanndamptrykkurven for is. BD viser vanndamptrykkurven for vann. Når vanndamptrykket er lik en atmosfære er temperaturen 100 oC. Når trykket på is øker senkes smeltepunktet. Ifølge Le Châtliers prinsipp motvirkes det økte trykket ved at isen smelter og derved tar mindre plass.

Karbondioksid har et vanndamptrykk på 1 atmosfære ved -78 oC.

Ved kritisk punkt er det en kritisk temperatur og kritisk trykk. Over kritisk temperatur kan ikke vann omdannes til væske ved å øke trykket. Hvis temperaturen økes over kritisk temperatur for karbondioksid har man er superkritisk væske. Superkritisk CO2 kan brukes som løsemiddel og er bl.a. brukt til å fjerne koffein fra kaffe.

Frysetørking av matvarer ved å fryse dem ned og deretter koble til en vakuumpumpe. Hvis trykket i kammeret er lavere enn vanndamptrykket for is vil iskrystallene sublimere. Frysetørket mat er lett, trenger ikke kjøling og siden det ikke inneholder vann blir det ikke utsatt for bakterievekst.

Krystaller og fast stoff

I molekylforbindelser holdes atomene fast sammen i molekylet, mens det er mindre sterk binding mellom de enkelte molekylene. Molekylstoffer løst i vann leder ikke elektrisk strøm. Vann og stearin har lave smeltepunkt, Krystaller kan være harde som i karbon i diamant, eller myke som  vannmolekyler i snø eller i naftalen. Ionekrystaller er harde med høyt smeltepunkt, men når de smelter ved høy temperatur kan de lede elektrisitet. Natriumkloridkrystalle (NaCl) er kubiske (steinsalt). Krystaller danner et krystallgitter, og kubisk form er vanlig. Snøkrystaller er strukturert pakking av vannmolekyler.  Fasesentrerte krystaller har like partikler i hvert hjørne pluss en i senter  på hver flate i kubusen. En kroppssentrert kubus har en i hvert hjørne og en i midten av kubusen.

Noen ioneforbindelser består av flere grunnstoffer som natriumbikarbonat (natriumhydrogenkarbonat) ( NaHCO3) ingrediensen i bakepulver, natriumhypokloritt (NaOCl) som er det aktive virkestoffet i Klorin løst i 5% NaOH, natriumnitritt (NaNO2) som brukes til matsminke og holdebarhetsmiddel i matvareindustri, samt magnesiumsulfat (Epsonsalt).

Ionekrystaller er stabile fordi ionene ligger stablet tett med motsatte ladninger mot hverandre. Økt temperatur gir økt bevegelse og når bevegelsesenergien blir sterkere enn bindingen mellom ionene vil krystallen smelte. Ofte trengs meget høy temperatur for å smelte krystaller. NaCl smelter ved 801oC, mens aluminiumoksid (Al2O3) smelter ved 2000oC. Bauxitt er en malm som inneholder flere typer aluminiumoksider.

 Ved romtemperatur er ionekrystallene i fast hard form og kan briste ved knusing. I fast fase leder ikke ioneforbindelser elektrisitet fordi elektrisk ledningsevne er avhengig av elektroner som beveger seg. Når ionekrystallene kan imidlertid ionene bevege seg fritt og lede elektrisitet.

En overmettet løsning med natriumacetat krystalliserer umiddelbart ved tilføring av en saltkrystall.

Metaller inngår i ionebinding, spesielt alkalimetallene, men transisjonsmetallene kan i tillegg oppføre seg Lewissyrer og danne komplekse ioner. Toverdig kobber (Cu2+) løst i vann binder seg til fire vannmolekyler som virker som Lewisbase (elektrondonor) og avgir elektroner til  Cu2+ og danner Cu (H2O)42+ med koordinasjonstall 4. Ligander er nøytrale eller anioner som virker som Lewisbaser og kan binde metallioner. EDTA (etylendiamin tetraeddiksyre) med anionet EDTA4- og oksalat er eksempler på ligander som virker som chelater (gr. chele - klo) og har to klør som det kan gripe metaller med. EDTA brukes i næringsmiddelindustri og finnes i vaskemidler. I kunstgjødsel brukes EDTA og lignende til å kompleksbinde blant annet jern.  I disse tilfellene brukes kalsiumdinatrium EDTA for at det ikke skal trekke ut kalsium. EDTA binder metaller som bidrar til oksidasjon av fettsyrer, og finnes i sjampo for å bløtgjøre vann, binder kalsium, magnesium og jern som ellers ville ha ødelagt såpevirkningen. EDTA kan ogå brukes til å binde tungmetaller etter tungmetallforgiftning. I porfyrinkjernen i klorofyll og hem virker fire nitrogenatomer som elektrondonor til henholdsvis magnesium og jern som er chelatert i midten av tetrapyrollringen. I vitamin B12 avgir fire nitrogenatomer elektroner til kobolt i kjernen.

Røntgendiffraksjon av krystaller

Når atomer bestråles med røntgenstråler blir noe av strålingen absorbert og sendt ut igjen. Den røntgenstrålingen som sendes ut igjen kan være i fase eller ut av fase i forhold til hverandre, og gir et interferensmønster kalt diffraksjon. I krystaller er store mengder atomer ordnet i et krystallgitter som gir et diffraksjonsmønster. De britiske fysikerne William Henry Bragg og William Lawrence Bragg oppdaget hva som bestemte diffraksjonsmønsteret (Braggligningen) og fikk nobelprisen i fysikk i 1915 for dette arbeidet. Når røntgenstråling med bølgelengde lambda (λ) treffer krystallen med en vinkel theta (θ) så gir dette et diffraksjonsmønster som sendes ut med samme vinkel theta.

Bragg-ligningen:

\(n \lambda= 2d \sin \theta \)

hvor d er avstanden mellom atomplanene og n er et helt tall.

Rosalind Franklin og Maurice Wilkins gjorde røntgendiffraksjonsstudier av DNA som førte fram til oppdagelsen av DNA-strukturen, men hvor Rosalind Franklin først i etter sin død fikk heder og ære for oppklaring av DNA. . Linus Pauling (1901-1994) undersøkte strukturen til proteiner ved hjelp av røntgendiffraksjon og observerte at protein kunne ha form som α-heliks eller β-foldete plater.

Glass

Kvartssand som inneholder silisium, silisiumdioksid (SiO2),  danner grunnlaget for glass, som er en amorf fast fase. Kvartssand smelter ved 1700 oC, men hvis kvartssand blir blandet med natriumkarbonat (sodaaske) smelter den ved ca. 750-850 oC.

Hvis kalsiumkarbonat tilføres sammen med natriumkarbonat dannes det sodaglass, kjent fra det gamle egypt. Den høye temperaturen gjør at kalsiumkarbonat spaltes til kalsiumoksid (CaO) og karbondioksid, og natriumkarbonat spaltes til Na2O og karbondioksid. Glasset må holdes varmt

Kalsiumkarbonat kan erstattes med magnesiumkarbonat og aluminiumoksid. Kvarts inneholder noe jern og dette gjør at glasset farges grønt, den billigste formen av glass. Hvis man tilfører små mengder av arsen, kobolt eller selen kan den grønne fargen forsvinne. Generelt vil transisjonsmetaller gi forskjellige farger på glass. Kobber eller kobolt gir rødt glass. Kromforbindelser gir grønt glass. Rødfarget glass kommer fra kobberselenid (CuSe) eller kadmiumselenid (CdSe).

Skarpe kanter på soda-lime-silika glass blir avrundet i kanten ved oppvarming i bunsenbrenneren. Sodaglass utvider og trekker seg sammen ved temperaturendringer og dette kan gi spenninger i glasset.

I borsilikatglass byttes noe av natriumkarbonat ut med boroksid (B2O3), og noe av kalsiumkarbonat (CaCO3) erstattes med aluminiumoksid (Al2O3). Pyrex er borsilikatglass og er glass mer større termisk stabilitet, og benyttes blant annet som laboratorieglass.  Stykker med borsilikatglass kan skjøtes sammen ved hjelp av varme.

I krystallglass er natriumkarbonat erstattes med blyoksid (PbO). Krystallglass er glass med høy brytningsindeks, og når det kuttes og poleres får det mange skinnende flater som funkler i lyset. Sikkerhetsglass kan bestå av plast mellom to glasslag. Laminert glass som holdes sammen av plastfilmen hvis det knuser. Mest vanlig sikkerhetsglass i dag ved en spesiell varmebehandling av glasset like under bløtgjøringspunktet. Hvis den knuser blir det masse biter men som ikke sprer seg omkring.

Løsninger og løselighet

En løsning er en homogen blanding av alle partiklene, ioner eller molekyler, med diameter 0.05-0.25 nanometer.  Løsningsmiddel  (solvent) og oppløste stoffer (soluter, entall solut). Større partikler (1-1000 nanometer (nm)) gir kolloidal løsning eller suspensjoner, og det er vanskelig å fjerne partiklene med filtrerpapir. Når olivenolje ristes sammen med eddik blir det oljedråper i en kolloidal suspensjon som kan helles  som dressing over en salat. Pollen i vann spretter rundt, jfr. Brownske bevegelser (Robert Brown 1773-1858). Gravitasjonen vinner etter hvert over de Brownske bevegelser. De forskjellige bølgelengdene av lys brytes forskjellig av kolloidale partikler, og denne lysspredningen kalles Tyndall effekt, oppkalt etter John Tyndall (1820-1893). Sendes lys gjennom melk får melken en blålig farge. En aerosol er partikler i luft, som i tåke og skyer. Når sollys strømmer gjennom en glippe i skogen eller inn i et rom kan man se at det er en stor mengde partikler i luften. En gel er en kolloidal løsning av fast stoff i en væske f.eks. gelatin i en dessert. Gelatin som er protein med lange store molekyler løses i varmt vann, og vannet fanges mellom proteinmolekylene.  En emulsjon er løsning av en væske i en annen. Majones og melk er emulsjoner. Det kan være olje-vann emulsjon eller vann-olje emulsjon. Homogenisert melk inneholder mikropartikler med smørfett dekket av melkeproteinet kasein. Emulgeringsmiddelet lecithin, et fosfolipid isolert fra eggeplomme eller planter, hindrer mikrodråper i å binde seg til hverandre.

    Vann og etanol er blandbare væsker, og vi kan blande dem i et hvilket som helst forhold vi ønsker. Etanol inneholder hydroksylgrupper (-OH) som kan danne hydrogenbindinger med vannmolekylene. Likt løser likt. Upolare organiske stoffer løses ikke i vann.

   Løses ioner i vann legger det seg vannmolekyler rundt ionene. Når salt (NaCl) løses i vann legger den negative delen (-) av H2O seg mot Na+ og den positive delen (+) av H2O legger seg inn mot Cl-, og ionene blir hydratisert. Et fast stoff med polare molekyler e.g. sukrose løses lett i vann. Temperaturen påvirker løselighet. Det skjer energiutbytte mellom løsningsmiddel og omgivelsene.

Løselighet av gasser i væske følger Henrys lov:

\(c = kp \)

hvor c er konsentrasjonen av gass, k er Henrys lov konstant for den spesifikke gassen pg p er partialtrykket.

 Det løses økende  mengder CO2 i vann når partialtrykket og konsentrasjonen av CO2 øker i atmosfæren, men pH i vannfasen påvirker også løseligheten av CO2. I mer basisk løsning blir CO2 bundet som hydrogenkarbonat (HCO3-)  eller karbonat (CO32-).

Karbondioksid (CO2), ammoniakk (NH3) og svoveldioksid (SO2) er mer løselig i vann enn dinitrogen (N2) og dioksygen (O2) på grunn av likevektene:

CO2 + H2O ⇔ H2CO3 ⇔ H+ + HCO3-

NH3 + H2O ⇔ NH4+ + OH-

SO2 + H2O ⇔ H+ + HSO3-

Kolligative egenskaper til løsninger avhenger av populasjonen av partikler i løsningen og ikke av dere kjemiske egenskaper til de oppløste stoffene. Det vil si at det er antall partikler som er avgjørende, ikke type.

Raoults lov oppkalt etter Francois Marie Raoult (1830-1901) angir hvordan damptrykket påvirkes av molfraksjonen eller molbrøken.

\(P_{løsning}=x \cdot p_0\)

hvor x er molbrøken.

Det finnes avvik, og en løsning av aceton i vann gir et negativt avvik fordi aceton og vann bindes til hverandre og gir et lavere partialtrykk over løsningen enn det Raoults lov tilsier.

De kolligative egenskapene til oppløste stoffer gir frysepunktdepresjon og kokepunktforhøyelse i en oppløsning, og antall partikler oppløst stoff er avgjørende.  Ved nedkjøling av en væske vil det bli en kjølekurve som kan gå lavere enn forventet frysepunkt og gi underkjøling. En oppløsning vil ha lavere frysepunkt enn rent vann som fryser ved 0oC.

Frysepunktdepresjon Δt i en oppløsning er:

\(\Delta t = k \cdot m\)

hvor k er frysepunktdepresjonskonstanten, k= 1.86oC m-1 og m er molaliteten. Det vil si at en 1 molal løsning fryser ved -1.86oC.

Molal konsentrasjon er mol oppløst stoff  (solut) per kilo løsningsmiddel (solvent):

\(molalitet = \frac{mol \; solut}{kg \; solvent}\)

0.4 mol sukrose i 1 kg vann gir en 0.4 molal løsning. Molar konsentrasjon er derimot mol oppløst per liter løsningsmiddel, i et volum som målekolben er kalibrert for.

Etylenglykol (HOCH2CH2OH) med molekylvekt 62.1 brukes som frostvæske i radiatorer på biler. Blandes 1 kg etylenglykol med 1 kg vann, gir dette 16.1 molal løsning og den vil gi frysepunktdepresjon 29.9oC, dvs. tåler å avkjøles til nesten -30oC uten å fryse:

\(\Delta t = 1.86 \; ^oC m^{-1} \cdot \; 16.1 \; m= 29.9^oC\)

Det er mulig å beregne molekylær masse ut fra frysepunktdepresjonen for løsningen. Det er mulig å lage ferskvann fra sjøvann ved å fryse sjøvannet, fjerne isen og smelte den. Imidlertid, 1 molal NaCl fryser ved ca. -3.37oC og ikke ved -1.86oC. Dette skyldes at vi har to mol med partikler, kolligative egenskaper, og 2⋅1.86=-3.72oC, men viser at ikke all natriumklorid (NaCl) befinner seg som ioner, men noen ionepar oppfører seg som molekyler.

Ifølge van´t Hoffs ligning (oppkalt etter den nederlandske kjemikeren Jacobus van´t Hoff (1852-1911, nobelpris i kjemi 1901) kan man beregne masse fra osmotisk trykk og vice versa:

\(\psi = m \frac{RT}{V}\)

Vann koker ved konstant temperatur, og i boblene når vann koker er det vanndamp, ikke luft. Vann koker når vanndamptrykket er like stort som lufttrykket. Derfor blir kokepunktet for vann lavere når høyden over havet øker, noe som gir lavere lufttrykk. I en trykk-koker eller autoklav øker trykket slik at kokepunktet stiger. Normalkokepunktet er ved 1 atmosfære. Oppløsninger har høyere kokepunkt enn rent vann. Når tiltrekningskreftene mellom molekylene i en væske er store, blir det det lavt damptrykk ved en gitt temperatur. Hydrogenbindingene i vann gjør at vann er en væske ved romtemperatur og ikke en gass. Temperaturen er fast så lenge som både fastfase eller væskefase finnes.

Kokepunktforhøyelse Δt i en løsning med oppløst stoff er:

\(\Delta t = k_ b \cdot m\)

hvor kb er kokepunktforhøyelseskonstanten kb = 0.51oC m-1.

Det vil si at en 1molal løsning koker ved 100.51oC.

Revers osmose brukes til å få drikkevann fra saltvann hvor det brukes trykk for å presse vann gjennom membraner med celluloseacetat. En kunstig nyremaskin fjerner små molekyler via dialyse av blodet, men lar store proteiner være igjen.

Gasser

Gravitasjonskreftene virker på luftmolekylene og trekker dem mot jordoverflaten og skaper et trykk som er kraft per, kalt  arealenhet, kalt atmosfæretrykk.

1 atmosfære = 101.325 pascal (Pa)

En pascal tilsvarer en newton per kvadratmeter (1Pa = 1 N m-2) .

Den engelske vitenskapsmannen Robert Boyle (1627-1691) oppdaget hvordan volumet til en fast mengde gass varierte med gasstrykket ved en fast temperatur. Boyles lov sier at volumet (V) til en gitt mengde gass ved konstant temperatur varierer inverst med trykket (P). Boyles lov er ikke helt sann for virkelige gasser, men stemmer for ideelle gasser. En virkelig gass ligner mer og mer på en ideell gass når dens trykk minsker og temperaturen øker. Trykk ganger volum er konstant:

\(PV = konstant\)

   Jacques Alexandre César Charles (1746-1823) var fransk matematiker og kjemiker. Han var interessert i varmluftballonger og var den første som fylte en ballong med hydrogen. Charles oppdaget at volumet til en fast mengde gass er proporsjonal med temperaturen angitt i Kelvin når gasstrykket holdes konstant (Charles lov). I en grafisk fremstilling av Charles lov hvor linjer viser hvordan gassvolumet endrer seg med temperaturen i Kelvin ved forskjellige masser av samme gass, vil de ekstrapolerte linjer konvergere ved -273.15 oC = 0K, det absolutte nullpunkt hvor volumet blir lik null.

  Joseph Gay-Lussac fant vha. av Charles oppdagelser at  trykket av en bestemt mengde gass holdt ved konstant volum er proporsjonal med temperaturen i Kelvin.

Disse oppdagelsene kunne kombineres i en generell gasslov om at forholdet PV/T er konstant for en fast mengde gass.

\(\frac{P_1V_1}{T_ 1}=\frac{P_2V_2}{T_ 2}\)

Når  temperaturen T1=T2 får man Boyles lov:

\(P_ 1V_ 1= P_2 V_ 2\)

Når trykket P er konstant får man Charles lov:

\(\frac{V_ 1}{T_ 1}=\frac{V_ 2}{T_ 2}\)

Når volumet V er konstant får man Gay-Lusacs lov:

\(\frac{P_1}{V_ 1}= \frac{P_2}{V_ 2}\)

Den italienske vitenskapsmannen Amedeo Avogadro (1776-1856) fant Avogadros lov:

 like volumer med gass målt ved samme trykk og temperatur inneholder samme antall molekyler. Likt antall molekyler vil si samme antall mol.

Volumet av en gass er direkte proporsjonal med antall mol av gassen (Avogadros prinsipp).

Molvolumet for en gass ved standard trykk og temperatur (STP dvs. 1 atmosfære og 273.15K=0 oC)) er lik 22.4 liter. 22.4 L mol-1 kalles standard molart volum.  Et mol gass inntar 22.4 liter.

Den ideelle gassloven er:

\(PV = nRT\)

hvor R er den generelle gasskonstanten.

\(R= \frac{1\;{} atm \; \cdot 22.4 \; L}{1\; mol \cdot 273.15\; K}=0.0821 \; atm \; mol^{-1}\;K^{-1}\)

Daltons lov for partialtrykk sier at det totale trykket for en blanding av gasser som ikke reagerer med hverandre er lik summen av de individuelle partialtrykkene til gassene.

\(P_{total}=p_ 1 +p_ 2+ p_3 + \dots +p_ n\)

Molbrøken XA eller molfraksjon for et stoff i blanding er forholdet mellom antall mol av stoffet  (nA) i forhold til det totale antall mol av alle de andre komponentene (nA til nZ):

\(X_ A= \frac{n_ A}{n_A + n_ B + n_C + \dots +n_ Z }\)

Molfraksjonen av nitrogen og oksygen i atmosfæren er konstant i alle høyder over havet.

Ifølge Grahams lov (Thomas Graham 1805-186) er diffusjonshastigheten (v) omvendt proporsjonal med kvadratroten til massen (m):

\(\frac{v_ 1}{v_2}=\sqrt \frac{m_2}{m_ 1}\)

Ifølge kinetisk gassteori består gasser av et enormt stort antall bittesmå partikler som er i konstant tilfeldig bevegelse. Gasspartiklene selv opptar så lite volum i forholdet til det totale volumet at man kan se bort fra partiklenes volum. Gasslovene forutsetter at partiklene ikke har noe volum. Imidlertid har gasspartiklene et lite volum, slik at volumet å bevege seg på blir mindre enn i en ideell situasjon, og jo flere gasspartikler desto større avvik.  Partiklene kolliderer elastisk med hverandre og veggen i beholderen og skaper et trykk. Gasspartiklene beveger seg i rette linjer mellom kollisjonene og hverken tiltrekker eller frastøter hverandre. En gass består derfor mest av tomt rom. Temperaturen til en gass er proporsjonal med den gjennomsnittlige kinetiske energien til gasspartiklene. Hvis den kinetiske energien til partiklene blir null må også temperaturen være 0 K, det absolutte nullpunkt. En annen forutsetning er at gassmolekylene ikke må tiltrekke hverandre, og trykket blir lavere enn beregnet hvis de gjør dette.

 Hvis man lager en grafisk framstilling av kinetisk energi på x-aksen og andelen av partikler som har en gitt energi på y-aksen så får man en kurve: Maxwell-Boltzmanns fordeling.

    Imidlertid, selv ved det absolutte nullpunkt 0K må det være bevegelse siden Heisenbergs usikkerhetsprinsipp sier at vi ikke samtidig kan bestemme hastighet og posisjon til en partikkel.

   van der Waal (J D van der Waals (1837-1923) utviklet van der Waals ligning for reelle gasser:

\(\left(P + \frac{n^2 a}{V^2}\right)\left(V-nb\right)=nRT\)

hvor a og b er van der Waals konstanter, bestemt ved å måle P, V og T ved forskjellige betingelser, a (L2 atm mol-1) korrigerer trykk-leddet (tiltrekning mellom molekyler), og b (L mol-1) korrigerer volum-leddet (størrelsen av gasspartiklene).    

Diffusjon skjer mye raskere i gasser enn i væsker fordi molekyler kan bevege seg lenger avstander i gassfase før de kolliderer med andre molekyler. I en væske vil det bli en masse kollisjoner når et molekyl skal bevege seg. Diffusjon i fast fase er omtrent ikke-eksisterende ved vanlig temperatur. Høytemperatur fastfasediffusjon brukes for å lage transistorer e.g. når en kontrollert mengde urenheter skal tilføres silisium eller germanium, kalt doping, slik at urenhetene påvirker ledningsevnen.

Tilbake til hovedside

 

Publisert 14. aug. 2019 08:54 - Sist endret 14. aug. 2019 10:31