Az anyagi halmazok, kristályrácsok

Anyagi halmaznak a sok részecskéből álló anyagokat nevezzük. Az atomok egyesével túl parányiak ahhoz, hogy érzékelhessük őket, akárcsak a molekulák, így nincs értelme külön-külön egyesével vett atomokról, molekulákról beszélni. Érzékelhető, mérhető tulajdonságaik csak nagyobb mennyiségben nyilvánulnak meg. Az anyagi halmazokat jellemzi az alkotórészek minősége és az alkotórészek közötti kölcsönhatások is.

Az anyagi halmazoknál már megállapítható az anyagok tömege (m) (leggyakrabban grammban vagy kilogrammban), illetve az anyagmennyiség (n) is, melyet mólban adunk meg. 1 mol anyagmennyiségű annyi részecske, amennyi atom 12 g 12-es tömegszámú szénben van. Az Avogadro-állandó (N_A) ismeretében azt is tudjuk, hogy azonos felépítésű elemek, molekulák 1 mólja 6 * 10²³-on darab atomot/molekulát tartalmaz. A moláris tömeggel (M) 1 mól atom tömegét tudjuk kifejezni.

Ha egyféle anyagból áll a vizsgált anyag, akkor egykomponensűnek nevezzük. Ez lehet egyfázisú (pl.: víz) vagy többfázisú (heterogén) (pl.: jeges víz).

A fázison a rendszer jól meghatározott, egymástól felülettel elhatárolt részeit értjük.

Ha a vizsgált anyag keverék, tehát több, különböző anyagból épül fel, akkor többkomponensű, ami lehet egy- vagy többfázisú diszperz rendszer. Attól függően, hogy hány fázisból áll, lehet homogén vagy heterogén. Homogén rendszerben mikroszkóppal sem állapítható meg határfelület, míg heterogén rendszerben megfigyelhetőek.

Diszperz rendszernek nevezünk minden olyan anyagi rendszert, amelyben egy komponens valamilyen módon egy másikban van szétoszlatva.

Kétkomponensű anyagi rendszer például a víz és alkohol keveréke. Ebben az esetben elegyet kapunk, ugyanis egyfázisú, homogén rendszer jön létre. (A vas- és kénpor keveréke kétkomponensű heterogén rendszer.)

Kolloid rendszer: A homogén és heterogén rendszerek között jellegzetes csoportot képeznek. A homogén keverékekben (pl.: valódi oldatokban) az alkotórészek mérete 1 nanométernél kisebb. Kolloid rendszerek akkor alakulnak ki, ha a részecskék mérete 1 és 500 nm közé esik. A kolloid megnevezés állapotot jelent, nem az anyagok egy bizonyos fajtáját! Kolloid rendszer például a tej, kocsonya, habok.

Azt az anyagot, amelyikben egy másik anyagot szétoszlatunk, közegnek nevezünk.

A szétoszlatott anyagot diszpergált anyagnak nevezzük.

Jellemzően a közeg van jelen nagyobb mennyiségben, és a diszpergált anyagból találunk kevesebbet. Mind a közeg, mind a diszpergált anyag megjelenhet bármely három halmazállapotban. Kolloid oldatot alkotnak olyan részecskék, melyek mérete eléri a kolloid mérethatárt, ilyenek például a fehérjék vagy keményítőmolekulák.

A kolloid részecskék a rájuk eső fényt minden irányban szétszórják, így ha egy kolloid rendszert oldalról megvilágítunk, akkor a fénysugárral merőleges irányból a részecskék szabad szemmel vagy mikroszkóppal láthatóvá válnak. Ezt Tyndall-jelenségnek (vagy Faraday-Tyndall jelenségnek) nevezzük.

A kolloid rendszer lehet szol vagy gél állapotú.

Szol állapotban a hőmozgás legyőzi a kolloid részecskék közötti vonzóerőket, a rendszer folyékony lesz (pl.: tej, vér). Ebben a rendszerben a kolloid részecskék lehetnek makromolekulák (pl.: fehérjék, poliszacharidok) vagy ionok és molekulák halmazai (asszociációs kolloidok, pl.: mosószeroldatok).

Gél állapot jön létre, ha a részecskék közötti vonzás meghaladja a hőmozgás energiáját, ilyenkor a részecskék egymáshoz kapcsolódva egyfajta vázszerkezetet hoznak létre (pl.: kocsonya).

Mivel a kolloidok fajlagos felülete nagy, jól képesek anyagokat megkötni a felületükön, ezt adszorpciónak nevezzük. Ezen megkötött anyagok eltávolítása a deszorpció.

Kristályrácsok:

A szilárd halmazállapotú anyagok részecskéi között lényegesen nagyobb vonzóerők működnek, mint a gázok vagy folyadékok részecskéi között. A részecskék csak rezgőmozgást végezhetnek. A szilárd anyagok alakja és térfogata állandó.

A szilárd anyagokat részecskéik elrendeződése alapján két csoportba sorolhatjuk kristályos anyagok és amorf anyagok.

Amorf anyagok: nem képeznek szabályos rácsot, melegítése során folyamatosan, fokozatosan lágyulnak meg, nincs élesen meghatározott olvadáspontjuk. Amorf anyag például az üveg, a zsír vagy az amorf kén.

Kristályos anyagok: részecskéik szabályos rendben, egy képzeletbeli térháló pontjaiban helyezkednek el. Élesen elhatárolható olvadáspontjuk van. Jellemezhetőek a rácsenergiával, ami 1 mol kristályos anyag gáz halmazállapotú részecskékre történő bontásához szükséges energia, jele E_r, mértékegysége kJ/mol.

A kristályrácsot felépítő részecskék szerint 4 rácstípust különböztetünk meg.

Atomrács:

• rácspontokon atomok helyezkednek el

• kovalens kötésekkel kapcsolódnak

• kemények

• olvadáspontjuk magas

• vízben nem oldódnak

• áramot nem vezetik

• pl.: gyémánt, szilícium, szilícium-dioxid

Fémrács:

• rácspontokon pozitív töltésű fématomok vannak

• közöttük delokalizált elektronfelhő biztosít kapcsolatot

• keménységük, sűrűségük, olvadáspontjuk változó

• jól megmunkálhatóak, jó hővezetők

• áramot vezetik (rendelkeznek elmozdulásra képes, töltéssel rendelkező részecskékkel)
• pl.: Na_, K, Fe, Au, Ag, Al, Mg, Ni, Zn

Ionrács:

• rácspontokban pozitív és negatív töltésű ionok helyezkednek el

• ionkötés tartja össze őket

• kemények, ridegek, olvadáspontjuk magas

• oldataikban és olvadékaikban az elektromos áramot nagyon jól vezetik.

• képletük számarányt fejez ki, mivel nem molekulákról beszélünk
• pl.: NaCl, CaCO₃

Molekularács:

• rácspontokon molekulák vannak

• molekulákon belül az atomok között kovalens kötés, a rácsban a molekulák között másodrendű kötések alakulnak ki (hidrogénkötés, dipol-dipol kölcsönhatás, diszperziós kölcsönhatás)

• lágyak, olvadáspontjuk alacsony

• áramot nem vezetik
• pl.: szerves vegyületek (pl.: szénhidrogének, cukrok, stb.), O₂, N₂, H₂, CO₂

Speciális típus:

Rétegrács:

• grafitra jellemző

• ötvözi az atomrács és a fémrács tulajdonságait

• a C-atomok 3 kötéssel kapcsolódnak, a 4. delokalizálódik a rétegek között

• könnyen elcsúsznak egymáson, puhábbak, áramot vezetik