2. Kafli - Gerð og uppbygging efna
Allir eiginleikar efna byggja á gerð þeirra og uppbyggingu, sérstaklega gildir að styrkur, stífleiki, rafleiðni og ending eru beint háðir grunnuppbyggingu þeirra.
2.1. Frumeindir (e. atom)
Byggðar upp úr þremur tegundum einda; jákvætt hlaðin róteind (e. proton), óhlaðin nifteind (e. neutron) og neikvætt hlaðin rafeind (e. electron). Kjarninn (e. nucleus) er iðulega samsettur úr jafnmörgum róteindum (fjöldi; Z) og nifteindum (fjöldi; N) – vetni og mismunandi ísótópar eru undantekning frá þessu. Í frumeind sem er óhlaðin útávið þá er fjöldi rafeinda sá sami og róteinda (Z). Í módeli Bohr’s er gert ráð fyrir að rafeindirnar raðist á sammiðja hvel (e. electron shell) um kjarnann. Hvert rafeindahvel getur innihaldið mest \(2\cdot n^2\) rafeindir, þar sem \(n\) er númer hvels innanfrá.
Hver nr. (n) |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
---|---|---|---|---|---|---|---|
Heiti |
K |
L |
M |
N |
O |
P |
Q |
Ysta hvelið hverju sinni (valenshvelið) getur þó mest haft 8 rafeindir, og er einungis stöðugt ef það er fullsetið. \(\require{\mhchem}\)
2.1.1. Frumeinda massi, mól og Avogadros-talan
Frumeind vegur mjög lítið, eða stærðargráðan \(10^{-27}\) kg, því er til einföldunar iðulega notaður hlutfallslegur frumeindamassi, \(A_r\); \(\require{\mhchem}\)
þar sem
\(m\) |
frumeindamassi |
kg |
\(m_u\) |
frumeinda-massa-einingin (atomic mass unit) = 1/12 af massa \(\ce{C12}\) frumeindar, eða \(m_u = 1,6605 \cdot 10^{-27} \textrm{kg}\) |
massi frumeinda er iðulega gefinn upp í fjölda frumeinda-massa-eininga, \(u\), \(1u = m_u\)
Mól er það efnismagn sem hefur jafnmargar grunneiningar eins og eru í 12 g af \(\ce{C12}\) frumeindum, þessi tala er nefnd Avogadros-talan; \(N_A = 6,022 \cdot 10^{23} \textrm{einingar}\).
Vísbending
Athuga skal að uppgefinn hlutfallslegur frumeindamassi efnis, \(A_r\), fyrir eitt mól af efninu er jafngildir mólmassa í einingunni g/mól.
Til að finna massa frumefnis í grömmum þegar massinn er gefinn í frumeinda-massaeiningum (u), þá gildir
Lotukerfið (skipting þess í svið og upplýsingar um eiginleika). Í góðri töflu má finna ýmis konar efnisupplýsingar.
2.1.2. Innskot: Hvað má sjá smáa hluti ? (eða stækkun í mismunandi gerðum af smásjám).
Stærðargráður „smárra“ eininga;
Algeng frumefni hafa frumefnaradía á bilinu 0,5-2 Å (1 Ångström = \(10^{-10}\) m) eða 50-200 pm.
Stærð vatnssameindar (sjá t.d. Wikipedia; water);
Mannshár er með þvermál á bilinu 17-181 \(\mu \textrm{m}\) (1 \(\mu \textrm{m}\) = \(10^{-6}\) m), eða 0,017-0,181 mm. (http://hypertextbook.com/facts/1999/BrianLey.shtml).
Uppleysni; minnsta stærð sem greina má
Með berum augum getur maður með venjulega sjón greint á milli grófgerðs hárs og fíngerðs hárs, uppleysni augans gæti því verið um 0,02 mm?
Ljóssmásjá (Holland 1590 – 1608);
Stækkun allt að 1 000 X, og uppleysni þá allt að 0,2 \(\mu\) m. Stafræn ljóssmásjá (sjá t.d. www.lsw.com), dæmigerð stækkun 400 X, uppleysni allt að 0,5 \(\mu\) m.
Rafeindasmásjá (e: scanning electron microscope, SEM); Stækkun 1 000 – 1 000 000 X, og uppleysni allt að 10 nm (100 Å)
Dæmi (2.3 í bókinni)
Dæmi (2.3 í bókinni): Ákvarðið sameindamassann (molekylmassen) fyrir gifs (“calciumsulfat, dihydrat”) \(\ce{CaSO4, 2H2O}\)
Lausn: Ekki ljóst hvort beðið er um mólmassa eða massa á einni sameind (sbr. Dæmi 2.4!); reikna bæði:
Mólmassinn fæst þegar lagður er saman hlutfallslegur frumeindamassi (atomvægt)- tafla 15, fyrir allar einingarnar.
Sameindamassinn = mólmassi/Avogadrostalan,
Frumefni |
Massi/mól [g/mól] |
Fjöldi móla |
Alls [g] |
---|---|---|---|
Ca |
40,08 |
1 |
40,08 |
S |
32,064 |
1 |
30,064 |
O |
16 |
6 |
96 |
H |
1,008 |
4 |
4,032 |
mólmassi = |
172,176 |
\(\text{sameindamassi} = \frac{\text{mólmassi}}{N_A} = \frac{172,176 \text{g/mól}}{6,02\cdot10^{23}\text{eindir}/\text{mól}} = 2,86\cdot10^{-22}\text{g}/\text{eind}\)
2.2. Orka í bindingum og kraftar milli frumeinda
Lennard- Jones (Breti, setti tilgátuna fram 1931) ;
Orkan er
Krafturinn
Jafnframt gildir (almennt);
Efni með háa bindiorku (\(\Phi_0\)) hafa hátt bræðsluhitastig, og mynda fast efni við stofuhita..
Fjaðurstuðull \(E_{mod}=\frac{\delta F_r}{\delta r}\), .. því dýpri og krappari sem “dældin” á \(\Phi-r\) línuritinu er, því stífara er efnið..
2.3. Efnafræðilegir bindingar (myndun sameinda)
Jónabindingar
Kóvalentbindingar
Málmbindingar
van der Waal bindingar
Vetnisbindingar
Yfirlit yfir efnabindingar
2.4. Kristallar
Frumeindir geta tengst þannig að þær myndi reglulega, samfellda kristalla og er innbyrðis röðun þeirra þá með ýmsu móti. Í þessum tilvikum er efninu lýst með minnsta “kerfinu” sem lýsir heildinni;
BCC (“Body center cubic”) eining (myndin fengin úr Callister, 2003)
Kristallagerð er iðulega lýst með samtals fjölda frumeinda sem eru í einingunni, fyrir BCC einingu er talan n=8*1/8 +1=2. Útfrá frumeindaradíus má reikna kantstærðir einingar og þannig reikna út m.a. þéttleika efnis byggt á grunnuppbyggingu þess. Kristallauppbyggingin er sjaldnast gallalaus;
Útfrá kristalgerð efnis má reikna út “op” í kristalnum og þannig sjá hvaða innskotsefni geta komist fyrir án þess að valda spennu í efninu. Línu- og “skrúfu” gallar í efni valda innri spennu, sem gerir að verkum að efnið gefur sig frekar útfrá slíkum göllum;
Áraun á efni sem er byggt upp sem kristall; áraun eftir kristallaplani og formbreyting; veikasta plan er þéttsetnasta planið (stystir bindingar í plani), þ.e. efni formbreytist helst samsíða slíku plani….
Það ber síðan að hafa í huga að þegar efni, jafnvel krystallað, er samsett úr mismunandi frumefnum (eða sama frumefni með mismunandi krystallagerð) þá er efnið ekki endilega eins krystallað í heild sinni;
Smásjármynd af steypujárni með mismunandi uppbyggingu (myndin tekin úr : W. D. Callister (2003) Materials Science and Engineering – an Introduction)
2.5. Efni sem ekki mynda kristalla
Lífræn efni eru uppbyggð úr fjölliðum
Hver fjölliða er keðja af frumefnum, en fjölliður tengjast innbyrðis lauslega og óreglulega með t.d. vetnisbindingum.
Dæmi:
Timbur
Plastefni
Gúmmí
Blandefni (disperse material) og þeytur (kolloider)
Efni geta verið uppbyggð sem blanda tveggja eða fleiri ólíkra efna sem ekki tengjast einhverju af áður nefndum efnafræðilegum böndum heldur fremur eðlisfræðilega (“læsast” saman), blandefni, eða að fast efni er hrært upp í leysiefni (þeyta) Í þessum tilvikum er iðulega aðeins eitt efni sem myndar samfelldan fasa (dispersionsmidlet) og hin efnin eru dreifð, (dispergeret) í samfellda fasanum.
Dæmi:
Trefjaplast (plast; samfelldi fasinn + trefjar)
Steypa (Hörðnuð; hörðnuð sementsefja; samfelldi fasinn + fylliefni)
Málning (blaut; leysiefni; samfelldi fasinn + fylliefni)
Gel
Sambland vökva og fasts efnis, þar sem bæði efnin mynda samfelldan fasa (kerfisuppbygging eins og í vatnsfylltum svampi). Gelið getur tekið upp vökva og eykur þá rúmmál sitt, en rýrnar á ný við vökvatap.
Dæmi;
Alkalí-kísil gel