ogólny wstęp do chemii fizycznej.pdf

(958 KB) Pobierz
Skok do
strony tytułowej
serwisu
Z serwisu korzystało już
82201
osób
Chemia dla Ciebie
do strony tytułowej
Ogólne wprowadzenie
|
mikro i makro
|
wyobraźnia
|
nowe spojrzenie
|
termodynamika
|
nie wszystko na raz
|
co los nam zdarzy
|
podsumowanie
|
download
linki
Na czym polega trudność w studiowaniu chemii fizycznej?
Moim zdaniem, nie na trudności w zrozumieniu fizykochemicznego opisu zjawisk, lecz na niewłaściwym sposobie podania tej
wiedzy. Zrozumienie zjawisk fizykochemicznych, dość często złożonych i wymagających zazwyczaj znajomości matematyki,
przy klarownym wywodzie i logicznym powiązaniu przyczyn i skutków, co najwyżej może wymagać większej ilości czasu
i zwiększonego wysiłku intelektualnego. Problem polega głównie na tym, że ucząc chemii w XXI wieku, wiedząc, że
prawdziwych przyczyn makroskopowych skutków zjawisk szukać trzeba na poziomie cząsteczkowym (świat mikro), ciągle nie
potrafimy zerwać z podziałami i podejściem do zjawisk rodem z XIX wieku (głównie opis świata w skali makro). Ponadto
wykładowcy, autorzy podręczników i twórcy programów studiów (tzw. treści programowych) nie mogą się zdecydować, jak
traktować obiekt swoich działań, czyli studenta pierwszych lat studiów. Z jednej strony zakładają (niestety dość słusznie)
poziom wiedzy, każący tłumaczyć budowę materii na poziomie wywodów Daltona, ale za chwilę przechodzą do omawiania
równania Schrödingera w sposób, jakby to było prawo Pitagorasa czy Talesa. Chcąc wyłożyć chemię fizyczną przy założeniu
rzeczywistego poziomu wiedzy studiujących, trzeba by poświecić na to trzy-czterokrotnie więcej czasu niż dotychczas (co jest
mało realne). Sensownym zabiegiem byłoby włączenie fizykochemicznego opisu zjawisk do nauki różnych dziedzin chemii
(ogólnej, organicznej, nieorganicznej itp.) kosztem zredukowania objętości ich części opisowej. Wówczas przedmiot "chemia
fizyczna" należałoby potraktować jako uporządkowanie i pogłębienie wiedzy zdobytej wcześniej w trakcie nauki tych "innych
chemii". Także powiązanie konsekwentnego tłumaczenia wszelkich zjawisk zasadami termodynamiki z opisem prostych
modeli "makroskopowych" danych zjawisk, byłoby dla studiujących dużym ułatwieniem w percepcji wykładanego materiału.
Z całym szacunkiem dla przeszłości trzeba stworzyć nowy model wykładu chemii fizycznej, pozwalający uczynić z przedmiotu
rzeczywisty fundament wszelkich dziedzin chemii. A ponieważ prawdopodobieństwo wpływu mojego zdania na decyzje tych,
którzy rzeczywiście kształtują proces dydaktyczny, jest mniejsze od szansy trafienia szóstki w totka, niniejsza witrynka ma być
"protezą" ułatwiającą (przynajmniej niektórym) zrozumienie chemii fizycznej, w pewnym stopniu bazującą na powyższych
założeniach. Będzie to swoisty przewodnik po meandrach myślowych autorów podręczników do chemii fizycznej.
A oto dla przykładu krótki cytat z podręcznika akademickiego do chemii fizycznej (jednego z lepszych, moim zdaniem):
... operujemy często pojęciem orbitalu (rozumiejąc je ściśle, jako część kątową funkcji falowej
elektronu).
Orbital traktujemy często jako stan określony trzema liczbami kwantowymi n, l, m, który pomieścić może
maksymalnie dwa elektrony z przeciwnymi spinami
Zapamiętałem więc, że orbital to funkcja (tu już mam wątpliwości, czy chodzi o funkcję w pojęciu ogólnym, czy
o funkcję matematyczną), stan, który może pomieścić (niezbyt to szczęśliwe sformułowanie) elektrony. A już
kawałeczek dalej czytam:
Wszystkie powłoki elektronowe, złożone z poszczególnych orbitali stanowią w atomie tzw. osłonę
elektronową.
(...) Rozpatrzmy teraz ważny przypadek, gdy następuje przeskok elektronów z wyższych powłok
elektronowych na (...) orbital wewnętrznej powłoki ...
Przeskok elektronu (...) prowadzi do emisji dużego kwantu energii
Teraz zaczynam wątpić, czy to, co przed chwila zapamiętałem nie kłóci się z następnymi zdaniami, z których wynika,
że orbitale to fizyczne miejsca, przestrzeń, pomiędzy którymi mogą przemieszczać się elektrony i które stanowią
składniki większej struktury - powłoki. Ponadto mowa o wyższych powłokach, bez wyjaśnienia co to znaczy (wyższe od
czego?). W następnym miejscu czytamy:
Zapełnianie orbitali następuje kolejno według wzrastającej energii.
i kawałek dalej:
Elektrony mając do dyspozycji równocenne energetycznie orbitale ...
Czy to orbitale mają energię, czy chodzi o energię elektronów znajdujących się na tych orbitalach?
Tak oto dobry podręcznik "wyjaśnił" mi pojęcie orbitali i ich energii. Jak mam później zrozumieć nakładanie się orbitali,
tworzenie orbitali cząsteczkowych, orbitale wiążące i antywiążące, hybrydyzację itp. A wystarczyłoby parę zdań więcej
by sprawę uczynić łatwiejszą do zrozumienia.
Dla kogoś, kto ma już jakąś wiedzę na temat elektronów, orbitali, kwantowania energii itp. tego typu skróty myślowe
i brak precyzji sformułowań nie ma większego znaczenia. Taki styl wywodu jest nawet pożądany, bowiem pozwala
uprościć argumentację, dzięki czemu cały wywód staje się bardziej klarowny. Jeśli jednak czyta to ktoś, kto styka się
z tą problematyką po raz pierwszy - szybko nabierze przekonania, że chemia fizyczna to wiedza tak hermetyczna
i zagmatwana, że "uciec" od niej trzeba jak najszybciej.
A ponieważ nie da się "uciec" od chemii fizycznej i chemii w ogóle, bo to przecież opis tego, co dzieje się w nas i wokół
nas - postaram się w następnych podrozdziałach dotyczących energii i materii wyjaśnić, lub może raczej przybliżyć
problem i ułatwić zrozumienie tych pozornych niespójności w podręcznikach. Zapewne i mnie nie do końca uda się
uciec od niekontrolowanych skrótów myślowych i uproszczeń - przepraszam. Obiecuję jednak, że będę się starał, by
było ich jak najmniej.
Aby dobrze zrozumieć chemię (a chemię fizyczną przede wszystkim) trzeba pamiętać o kilku zasadniczych sprawach,
które teraz tylko krótko zasygnalizuję, a w kolejnych podrozdziałach postaram się rozwinąć myśli zawarte w poniższych
podpunktach.
Zjawiska obserwowane i omawiane w skali makro (czyli w ilościach dostępnych naszym zmysłom: zlewka z roztworem,
kryształek soli widzialny gołym okiem itp.) są średnią statystyczną, wypadkową, zjawisk mikro (dziejących się na
poziomie cząsteczek i atomów). [rozwinięcie
tematu]
Wielu pojęć dotyczących mikroświata nie da się zrozumieć, wyobrazić, bowiem nie mają one odpowiedników w znanym
nam makroświecie, a rzeczy, których nie poznaliśmy zmysłami nie potrafimy sobie wyobrazić. Stosujemy wówczas dość
ułomne porównania (np. elektron jako kuleczka) i branie tych porównań za "dobrą monetę" może prowadzić do wielu
nieporozumień. [rozwinięcie
tematu]
Starajmy się patrzeć na świat, na zjawiska fizykochemiczne świeżym okiem. Wiele pojęć i określeń przyjęliśmy w szkole
"na wiarę" i z czasem podświadomie uznaliśmy je za oczywiste i więcej się nad nimi nie zastanawiamy - a szkoda.
Przemyślmy jeszcze raz te "oczywistości" (np. materia i energia czy ładunek elektryczny). [więcej
na ten temat]
Rozpatrując różne zjawiska zachodzące w przyrodzie miejmy ciągle na uwadze, że w czasie ich trwania ścierają się
zazwyczaj dwie tendencje - spadek energii wewnętrznej, któremu przeciwstawia się spadek wartości entropii
("uporządkowanie" układu) lub w innym przypadku wzrost entropii (układ dąży do rozproszenia), któremu towarzyszy
zazwyczaj będący w opozycji wzrost energii wewnętrznej [rozwinięcie
tematu]
Panta rei
(wszystko płynie) - tę prawdę znali już starożytni. Nie zapominajmy, że materia nigdy nie trwa w idealnym
bezruchu. Oznacza to między innymi, że w czasie, gdy rozpatrujemy zjawisko czy proces
A
dzieją się jednocześnie
i wpływają wzajemnie na swój przebieg także zjawiska
B, C, D
... itd. Ta równoległość wzajemnie zależnych zjawisk
powoduje, że ich pełny opis byłby tak skomplikowany (jeśli w ogóle możliwy), że niczego by nie wyjaśniał. Ograniczamy
się więc zazwyczaj do opisu interesującego nas zjawiska, abstrahując od innych, dziejących się równolegle zjawisk,
chyba, że wpływają one na zjawisko obserwowane w stopniu na tyle znacznym, że pominąć ich się nie da. Ponieważ
jednak w różnych warunkach to samo zjawisko współdziała w sposób istotny z różnymi zjawiskami równoległymi, to co
jest prawidłowym opisem w jednej sytuacji, traci na aktualności w innej (np. dysocjacja substancji w roztworze o bardzo
małym stężeniu i w sytuacji wysokiego stężenia) [rozwinięcie
tematu]
To samo zjawisko opisywane w skali makro i w skali mikro (atom - cząsteczka - kilka cząsteczek) będzie wyglądać
inaczej, co może sprawiać wrażenie, że są to różne rzeczywistości. Nigdy nie zapominajmy, że rzeczywistość jest jedna,
jest jaka jest (w naszym makroskopowym ujęciu świata), a tylko nasze punkty widzenia i związane z tym opisy się
różnią. [więcej
na ten temat]
Powyższa wyliczanka ani nie wyczerpuje tematu, ani kolejność tematów nie ma nic wspólnego z ich ciężarem gatunkowym. O istnieniu tych problemów (i innych też) pamiętać
trzeba zawsze, co nie znaczy, że zawsze wszystkie trzeba brać pod uwagę w rozpatrywaniu konkretnego zjawiska. Szczególnie ważne, by przypominać sobie o tych sprawach
wtedy, gdy "coś nam nie gra" w opisie zjawiska. Myślowe rozszerzenie zakresu interpretacji powinno pomóc w zrozumieniu odstępstw od reguły czy spodziewanego zachowania.
Innymi słowy, krótko można to ująć, że w przyrodzie
nie ma wyjątków,
prawa są niezmienne, tylko skutki mogą być różne w różnych sytuacjach (wpływ innych, równoległych
zjawisk).
Mikro i makro
Pierwotnym poznaniem i opisem zjawiska było poznanie i opis układu makroskopowego, dostępnego bezpośrednio naszym
zmysłom. Właściwości poszczególnych stanów skupienia, przejścia między nimi (topnienie, rozpuszczanie, parowanie itp.)
i reakcje chemiczne obserwowaliśmy na poziomie makro i z tych obserwacji powstawały pierwsze sformułowania reguł i praw
rządzących przyrodą. Dopiero później nauka odkryła atomową budowę materii i te same zjawiska zaczęły być rozpatrywane
na poziomie mikrozjawisk, zachodzących w skali mikro - między pojedynczymi cząsteczkami czy atomami. Ten opis zjawiska
na poziomie mikro pokazywał, jak złożonym był proces, który w skali makro wydawał się prostym (np. parowanie czy
rozpuszczanie). Pokazywał jednocześnie, że proces w skali makro nie jest sumą identycznych składowych mikro, lecz średnią
statystyczną, często dość różnych zjawisk elementarnych. Można powiedzieć, że ludzkość odkryła nie tylko fakt, że z pozoru
ciągły kawałek materii zbudowany jest z atomów, ale i że z pozoru proste zjawisko fizykochemiczne "zbudowane" jest z
różniących się między sobą zjawisk elementarnych. Tak więc chcąc zrozumieć np. dyfuzję, musimy sobie uświadomić
zjawisko bezładnych ruchów termicznych cząsteczek, zjawisko przypadkowości zderzeń tych cząsteczek, rozkładu ich energii
translacji (szybkości poruszania się) oraz rolę przypadku, rządzącego w tym świecie mikrozjawisk. Ze "statystycznego"
zsumowania tych wszystkich elementów powstaje zjawisko w skali makro, które często daje się opisać dość prostą zależnością
(cząsteczki z obszaru o większym stężeniu samoistnie przesuwają się do obszaru o stężeniu mniejszym aż do wyrównania
stężenia w całej objętości).
Ponieważ zjawisko makro jest "statystyczną sumą" wielkiej ilości dość różnorodnych zjawisk w skali mikro, jego przebieg
będzie zależał od ilości i rodzaju zjawisk elementarnych, a te z kolei będą zależeć od różnych parametrów zjawiska
(np. temperatury, stężenia, ciśnienia itp.). Przypomina to np. zjawisko mieszania barw. Poniżej zmieszano ze sobą kolor żółty z
czerwonym, uzyskując różne efekty, zależne od ilości jednego i drugiego składnika w mieszaninie. Pola skrajne różnią się
zasadniczo, środkowe są bardziej do siebie zbliżone, ale mało podobne do skrajnych.
Podobnie rzecz wygląda z procesem fizykochemicznym. Jeżeli składają się na niego procesy "czerwony" i "żółty", to
w warunkach, w których decydującą rolę gra mikroproces "czerwony", proces makro będzie przebiegał zdecydowanie inaczej,
niż gdy przewagę, ze względu na zmianę parametrów, uzyska proces elementarny "żółty". W przypadku prowadzenia procesu
w warunkach, gdy udział "żółtego" i "czerwonego" będą podobne, uzyskamy jeszcze inny przebieg procesu.
Jeżeli będziemy uczyć się o tym procesie "na pamięć", jak to ma miejsce w zdecydowanej większości przypadków, trudno
nam będzie zapamiętać, jak taka czy inna zmiana któregoś z parametrów procesu wpływa na jego przebieg. Szczególne,
że parametrów istotnych dla tego przebiegu jest zazwyczaj kilka. Jeżeli zrozumiemy i zapamiętamy podstawowy mechanizm
procesu - wpływ poszczególnych parametrów będzie logiczny i konsekwencje ich zmian oczywiste.
Rozpuszczalność a temperatura
do strony
tytułowej
do góry
strony
Badając zależność rozpuszczalności od temperatury, znajdujemy, że ciała stałe na ogół lepiej się rozpuszczają w wyższej
temperaturze (ale są wyjątki!), gazy w wyższej temperaturze rozpuszczają się gorzej, za to wpływ na ich rozpuszczalność ma
ciśnienie (ze wzrostem ciśnienia rozpuszczalność rośnie), zaś rozpuszczalność cieczy w innej cieczy czasem rośnie
z temperaturą, czasem maleje, a czasem najpierw rośnie a potem maleje. Niektóre ciecze mieszają się ze sobą w sposób
niczym nie ograniczony. I jak to wszystko spamiętać, nie pomylić się na egzaminie, skąd wiedzieć czy dana substancja to nie
"wyjątek" - głowa boli, choć problem (w skali całej chemii fizycznej) stosunkowo niewielki.
Zastanówmy się zatem, co to znaczy "rozpuszczać się" i jaki jest mechanizm cząsteczkowy takiego procesu. Przejdźmy od
procesu w skali makro do składowych mikroprocesów. Rozpatrzmy na początek sytuacje wyjściowe głównych elementów
naszego procesu, czyli cieczy, gazu i ciała stałego w danej temperaturze.
Cząsteczki cieczy (rozpuszczalnika) poruszają się bezładnymi ruchami z różną prędkością i w różnych kierunkach,
przekazując sobie nawzajem energię kinetyczną (translacji) w procesach zderzeń. Ponadto na cząsteczki te działa siła
grawitacji (ziemskie pole grawitacyjne) i siły oddziaływań innych cząsteczek, głównie siły elektrostatyczne. Te ostatnie siły
mają bardzo duże znaczenie w cieczach polarnych (woda, alkohole) a minimalne w niepolarnych np. węglowodorach.
O sile grawitacji bardzo często zapominamy przy rozpatrywaniu zjawisk zachodzących z udziałem cieczy, a zawdzięczamy jej
istnienie ciśnienia hydrostatycznego.
Gaz - tu rodzaje oddziaływań są analogiczne, z tym, że grawitacja nie odgrywa tu większej roli (stosunkowo małe masy
cząsteczek gazu), a także oddziaływania międzycząsteczkowe, ze względu na duże odległości między cząsteczkami, są nikłe
i można nie zwracać na nie uwagi. Cząsteczki gazu zderzając się ze ścianami naczynia, w którym są zamknięte powodują
powstanie zjawiska ciśnienia, jednakowego we wszystkich kierunkach.
Ciało stałe, to cząsteczki o silnych oddziaływaniach międzycząsteczkowych, drgające w węzłach sieci krystalicznej
(energia kinetyczna) o rozkładzie energii drgań podobnym do rozkładu szybkości poruszania się cząsteczek cieczy.
Jak przebiega proces przechodzenia cząsteczek ciała stałego do roztworu
(to oczywiście bardzo skrócony i uproszczony opis).
Krystaliczne ciało stałe symbolizują niebieskie kółka powiązane siłami sieci
krystalicznej (przerywane niebieskie linie). Cząsteczki cieczy symbolizują
czerwone punkty, powiązane siłami oddziaływań międzycząsteczkowych
(przerywane czerwone linie).
Przypadkowe, co do kierunku i siły, drgania cząsteczek w sieci krystalicznej
(niebieskie strzałki) spowodowały "wypchnięcie" cząsteczki ciała stałego z sieci
krystalicznej. Żeby wniknąć pomiędzy cząsteczki cieczy cząsteczka ta musi mieć
energię wystarczającą nie tylko do pokonania sił spójności sieci krystalicznej ale
także do pokonania sił spójności cieczy, a ponadto, po wniknięciu do roztworu
musi się w nim utrzymać. To ostatnie będzie możliwe, jeśli siły oddziaływań między cząsteczkami cieczy, siły oddziaływań
cząsteczek cieczy z cząsteczkami substancji rozpuszczonej oraz siły przyciągania i wiązania cząsteczek w sieć krystaliczną
będą względem siebie odpowiednio równoważone.
Jeżeli teraz zastanawiamy się, jak zależeć będzie od temperatury proces rozpuszczania w skali makro, to rozważyć musimy, jak
zmienią się te trzy siły i jak zmienią się relacje ilościowe między nimi, bo to od nich zależy makroskopowy efekt
rozpuszczania. Najczęściej bywa tak, że podwyższenie temperatury zwiększa energie drgań cząsteczek w sieci (łatwiej się od
niej odrywają), zmniejsza siły oddziaływań międzycząsteczkowych cieczy (łatwiej wniknąć pomiędzy nie) ale zmniejsza
również solwatacje. W końcowym efekcie, tam gdzie proces solwatacji nie jest bardzo istotny, wzrost temperatury zwiększa
rozpuszczalność. Tam jednak gdzie solwatacja odgrywa zasadniczą lub nawet główną rolę - wzrost temperatury będzie
rozpuszczalność osłabiał.
Na podstawie procesu rozpuszczania ciała stałego w cieczy, dość prostego z pozoru i przedstawionego w uproszczony sposób,
wykazaliśmy, jak trudno przewidzieć przebieg procesu makroskopowego, jeśli nie zna się jego mechanizmu na poziomie
mikroświata. A trzeba pamiętać, że zazwyczaj dołączają tu zjawiska dysocjacji, asocjacji i sprawa komplikuje się jeszcze
bardziej. Uczenie się wszystkich przypadków na pamięć jest pozbawione sensu i w praktyce niewykonalne. Zapamiętanie
podstawowych mechanizmów procesu w powiązaniu z innymi wiadomościami (solwatacja, oddziaływania elektrostatyczne
miedzy jonami czy dipolami cząsteczkowymi, energia sieci krystalicznej itp.) pozwala nam dość swobodnie przewidywać
przebieg zjawiska w różnych układach, jeśli tylko znamy konieczne do tego parametry układu w którym proces przebiega.
Prześledźmy teraz w podobny sposób zjawisko rozpuszczania się gazu w cieczy.
Gaz styka się z cieczą na granicy faz. Cząsteczki gazu (czerwone kropki) będące
w pobliżu tej granicy faz i zdążające w jej kierunku, mogą (jeśli posiadają
odpowiednią energię kinetyczną) pokonać siły napięcia powierzchniowego
(oddziaływań wiążących warstwę powierzchniową cząsteczek cieczy) i wniknąć
do wnętrza cieczy (niebieskie kropki). Tam, albo zostaną związane siłami
solwatacji przez cząsteczki cieczy, albo poprzez zderzenia z cząsteczkami ponownie
"wyrzucone" nad powierzchnię. Im więcej cząsteczek gazu w cieczy, tym więcej
z nich będzie z niej usuwanych (większe prawdopodobieństwo zderzeń). Po
pewnym czasie wytworzy się równowaga - tyle samo cząsteczek będzie się
rozpuszczać (wnikać do wnętrza cieczy) co opuszczać roztwór. Procesowi opuszczania cieczy przez cząsteczki gazu sprzyja
też ich stosunkowo mała masa, co w połączeniu z ruchliwością powoduje, że siła grawitacji ziemskiej nie ma tu praktycznie
znaczenia. Parametry tego stanu równowagi będą zależały od trzech czynników:
zagęszczenia cząsteczek gazu nad cieczą (ciśnienia gazu) - im większe, tym więcej cząsteczek będzie wnikać do wnętrza
roztworu;
powinowactwa gazu do cieczy (siły solwatacji) - im silniejsze, tym więcej cząsteczek gazu będzie tworzyć asocjaty
z cząsteczkami cieczy, co utrudnia opuszczenie roztworu;
ruchliwości cząsteczek gazu (temperatura) - im wyższa temperatura, tym większa ruchliwość cząsteczek gazu (co sprzyja
ruchowi w obu kierunkach), słabsze wiązanie cząsteczek gazu w cieczy (słabsza solwatacja, ułatwia opuszczanie cieczy
przez gaz) i większa ruchliwość cząsteczek cieczy, co też sprzyja "wyrzucaniu" gazu z roztworu. Ponieważ zmiana
temperatury wpływa jednocześnie na trzy procesy, efekt wypadkowy nie zawsze da się przewidzieć. Ponieważ jednak
siły solwatacji są zazwyczaj niewielkie a "zysk energetyczny" cząsteczek cieczy jest zazwyczaj większy niż cząsteczek
gazu, efekt końcowy to zazwyczaj zmniejszanie rozpuszczalności w miarę podwyższania temperatury.
Tak więc najczęściej obserwowany spadek rozpuszczalności gazu w cieczy pod wpływem zwiększania temperatury nie jest
żadnym wyjątkiem od reguły, lecz wynikiem zmian w obrębie składowych procesów zjawiska. Także nikła zazwyczaj
rozpuszczalność gazów w cieczach wynika nie z jakichś ich specjalnych właściwości, a głównie z ich małej masy. Sprzyja ona
uzyskiwaniu dużych prędkości przez cząsteczki gazu po zderzeniu z "masywną" cząsteczką cieczy i ułatwiania w ten sposób
opuszczanie roztworu. Także niewielka zazwyczaj polarność cząsteczek gazu nie sprzyja solwatacji, która jest ważnym
czynnikiem utrzymującym gaz w cieczy. Gaz o dużej polarności (np. HCl) rozpuszcza się w polarnych cieczach bardzo dobrze
(HCl
aq
około 35% w wodzie). Warto też zaznaczyć, że niska polarność gazów, to nie specyficzna ich właściwość, a raczej
odwrotnie - stan gazowy jest skutkiem niskiej polarności, bowiem cząsteczki nie wiążąc się ze sobą w asocjaty nie tworzą
elementów o dużej masie. Gdyby cząsteczki wody nie były polarne, woda w warunkach standardowych byłaby gazem o
właściwościach fizycznych zbliżonych do amoniaku bądź metanu.
Zajmijmy się teraz rozpuszczaniem cieczy, a dokładniej mieszaniem się cieczy, bowiem wskazać tu, co jest rozpuszczalnikiem
a co substancją rozpuszczoną, jest dość trudno. Na tym przykładzie można przy okazji zauważyć, jak zwodnicze i mało
precyzyjne są niektóre używane przez nas pojęcia (rozpuszczalnik, rozpuszczanie A w B itp.).
Rysunek po lewej symbolizuje dwie ciecze (cząsteczki "zielone" i
"czerwone"). Mieszanie będzie polegało na wnikaniu cząsteczek
zielonych między czerwone i czerwonych między zielone, aż do uzyskania
jednorodnej mieszaniny (ostatni rysunek).
Jeżeli jedna ciecz jest polarna, z silnymi oddziaływaniami
międzycząsteczkowymi, a druga ciecz jest niepolarna, to mieszanie takich
cieczy jest niemożliwe lub bardzo utrudnione. Mieszaniu się cząsteczek
mogą przeszkadzać siły międzycząsteczkowe, uniemożliwiające
wniknięcie "obcych" cząsteczek pomiędzy silnie przyciągające się
cząsteczki cieczy polarnej (rys. 2).
Jeżeli siły spójności cieczy polarnej pozwolą nawet na wprowadzenie
cieczy niepolarnej (np. przez silne wstrząsanie czy mieszanie), to siły
międzycząsteczkowe polarnych cząsteczek będą tworzyć powiązane
struktury i "wypychać" z nich cząsteczki niepolarne. Polarne cząsteczki,
które wnikną pomiędzy niepolarne, będą na tych samych zasadach
odtwarzać powiązane struktury łącząc się w większe agregaty i po chwili
obie ciecze będą znów rozdzielone.
Przy niezbyt silnych oddziaływaniach międzycząsteczkowych niewielka
część cieczy polarnej rozpuści się w niepolarnej i niewielka część cieczy
niepolarnej rozpuści się w cieczy polarnej. Otrzymamy dwie fazy ciekłe -
nasycony roztwór cieczy polarnej w niepolarnej i nasycony roztwór
cieczy niepolarnej w polarnej.
rys. 2
rys. 1
Jeżeli polarne będą obie ciecze, to mieszanie nastąpi dość łatwo, bowiem
oddziaływanie cząsteczek czerwona-zielona, czerwona-czerwona i
zielona-zielona będą podobne i zastąpienie w strukturach polarnych
cieczy jednych cząsteczek drugimi nie będzie stanowiło problemu
energetycznego.
Pewną rolę w mieszaniu się cieczy może odgrywać także wielkość
cząsteczek mieszanych substancji (na podobnej zasadzie, jak to
opisywaliśmy przy rozpuszczaniu gazów w cieczach).
Przy mieszaniu cieczy niepolarnych nie występują silne siły oddziaływań
międzycząsteczkowych i wymieszanie się cząsteczek następuje bez
większych problemów. Generalnie więc, zgodnie z zasadą "podobne
rozpuszcza się w podobnym",
kłopoty z rozpuszczalnością pojawiają się
w miarę zwiększania się różnic między polarnościami mieszanych cieczy.
Wzrost temperatury, osłabiając oddziaływania międzycząsteczkowe,
zazwyczaj zwiększa rozpuszczalność (mieszalność cieczy), o ile nie
wpływa jednocześnie na inne zjawiska zachodzące wraz z rozpuszczaniem
(np. hydrolizę, dysocjację, solwatację itp.).
rys. 3
Tak więc zamiast próbować zapamiętać reguły dotyczące zjawiska rozpuszczania w skali makro, które są różne dla różnych
układów i różnie reagują na zmianę parametrów (np. temperatury), lepiej zastanowić się nad mechanizmem zjawiska (czy też,
jak już wiemy - zjawisk) w skali cząsteczkowej i na tej podstawie zbudować wyobrażenie o istocie procesu. Wówczas dla
każdej konkretnej sytuacji (a w najgorszym razie dla większości sytuacji) będziemy potrafili trafnie przewidzieć efekt makro
na podstawie analizy zjawisk na poziomie cząsteczkowym. Nawet korzystanie z popularnych reguł (np. owe przywołane już
wcześniej "podobne
w podobnym")
staje się bezpieczniejsze jeżeli znamy mechanizm (np. co rozumieć pod pojęciem
"podobne").
"Klasyczna" chemia fizyczna opisuje poruszany wyżej temat roztworów o wiele bardziej jednoznacznie i precyzyjnie
(termodynamiczne funkcje nadmiarowe, entalpie procesów np. solwatacji i rozpuszczania, entropia, roztwory idealne,
regularne, doskonałe, rzeczywiste itp.). Jeśli jednak zaczniemy studiować to "matematycznie doskonałe" ujęcie problematyki
roztworów po wcześniejszym przemyśleniu sprawy w taki uproszczony sposób (jak powyżej), skorzystamy z tego studiowania
o wiele więcej, niż gdy podejdziemy do tego bez "oswojenia" problemu i przygotowania.
Skręcalność płaszczyzny polaryzacji światła spolaryzowanego
do strony
tytułowej
do góry
strony
Izomeria optyczna sprawia zazwyczaj sporo kłopotów. Po pierwsze, dla swobodnego poruszania się wśród zagadnień w niej
omawianych potrzebna jest spora doza wyobraźni przestrzennej, a nie każdy ją posiada, zaś po drugie - nie bardzo wiadomo o
co tam chodzi. Co to za dziwna i tajemnicza cecha tych asymetrycznych cząsteczek, wywołująca skręcenie płaszczyzny drgań
fali światła. Omawianie zjawiska w skali makro sprowadza się do podziału substancji, na takie, które skręcają tę płaszczyznę,
bo mają asymetryczny atom węgla lub same są asymetryczne, oraz na takie, w których są atomy węgla asymetrycznego, ale
płaszczyzny polaryzacji nie skręcają (formy mezo), oraz na takie, które zawierają tyle samo cząsteczek skręcających w lewo
co i w prawo (racematy). Do tego wszystkiego dochodzą rozróżnienia diastereoizomerów i enancjomerów, konfiguracji L i D
oraz R i S, anomeryczne formy α i β ... i mętlik w głowie pełny i obezwładniający. Te ostatnie rozróżnienia, to sprawa
umowna, pewien fachowy język i nie ma wyboru - trzeba się go nauczyć. Jednak na samo zjawisko można spojrzeć nieco
inaczej niż to czyni większość podręczników - i może dla niektórych będzie to spojrzenie rozjaśniające sytuację.
Ostrzegam, że zamieszczone tu "wyjaśnienia" nie należą do oficjalnej nauki, są mocno popularno-naukowe (czasem bardziej
popularne niż naukowe) ale mam nadzieję, że ułatwią zrozumienie istoty zjawiska.
Zacząć trzeba od tego, że fala świetlna to kolejno po sobie
następujące zmiany natężenia pola elektrycznego i pola
magnetycznego (fala elektromagnetyczna). Wektory tych
pól (magnetycznego i elektrycznego) są do siebie
prostopadłe i jednocześnie prostopadłe do kierunku
rozchodzenia się fali. Tak więc patrząc na zbliżającą się do
nas falę elektromagnetyczną "widzimy" wektory tych pól
jako prostopadłe do siebie w płaszczyźnie naszego
widzenia. Promień świetlny wytworzony przez termiczne
źródło światła jest wiązką fal elektromagnetycznych o
bardzo różnych ułożeniach płaszczyzn wektorów
elektrycznych czy magnetycznych. W samej wiązce nie ma
wyróżnionego któregokolwiek kierunku drgań pola
(ułożenia wektora pola).
Jeżeli jednak taki "nieuporządkowany" promień (rysunek
po lewej) przepuścimy przez odpowiedni ośrodek, np.
dwójłomny kryształ szpatu islandzkiego (CaCO
3
), pod
odpowiednim kątem w stosunku do osi sieci krystalicznej,
to promień zostanie rozszczepiony na dwa promienie
o uporządkowanych kierunkach drgań. Każdy z tych
nowych promieni będzie składał się z wiązki fal drgających
w jednej płaszczyźnie (rysunek prawy, polaryzacja
w płaszczyźnie oznaczonej na czerwono, szare promienie
ulegają wygaszeniu). Wiązkę tak drgających fal świetlnych
nazywamy
światłem
spolaryzowanym.
Fala
elektromagnetyczna w wiązce spolaryzowanej nie różni się
niczym od fali w wiązce nieuporządkowanej, natomiast
światło spolaryzowane (wiązka fal o wyróżnionej
płaszczyźnie drgań) uzyskuje nowe właściwości,
wynikające z faktu uporządkowania. A właściwie nie tyle
uzyskuje nowe właściwości, co uzyskuje cechy
pozwalające
zauważyć
te
właściwości.
Jedną
z podstawowych "nowych" cech wiązki światła
spolaryzowanego jest wyróżniona płaszczyzna drgań.
Istnienie takiego wyróżnionego kierunku powoduje, że
wiązka przepuszczana przez ośrodki zawierające elementy
asymetryczności zmienia kierunek (płaszczyznę) drgań -
następuje skręcenie płaszczyzny polaryzacji promienia
spolaryzowanego. Takiemu samemu procesowi skręcenia
ulegają płaszczyzny drgań w wiązce niespolaryzowanej,
tylko wówczas nie ma sposobu by to zjawisko zauważyć.
Właściwości wiązki skręconej niczym nie różnią się od
właściwości tej wiązki przed skręceniem płaszczyzn drgań.
Gdyby na rysunku obok nie wyróżniono kolorem
czerwonym jednej fali, skręcenie całej wiązki o 45°
w prawo byłoby niezauważalne.
Jeżeli zbudujemy układ, w którym wiązka światła zostanie
najpierw spolaryzowana przez polaryzator (np. kryształ
szpatu islandzkiego) a potem przepuszczona przez
analizator (taki sam polaryzator jak pierwszy, tylko pełni w
tym układzie inną rolę) to ilość światła, która przejdzie
przez taki układ zależy od kąta między płaszczyznami
polaryzacji polaryzatora I i polaryzatora II (analizatora).
Jeśli kąt między płaszczyznami jest 0° - przechodzi całe
światło, jeżeli kąt ten wynosi 90° - wiązka zostaje
całkowicie wygaszona, w przypadkach pośrednich
ustawienia płaszczyzn efekt wygaszania jest częściowy.
Innymi słowy możemy powiedzieć, że jeśli spolaryzowana
wiązka światła pada na analizator w taki sposób, że jej
płaszczyzna polaryzacji jest zgodna z płaszczyzną
polaryzacji analizatora - przechodzi przez analizator
praktycznie bez strat. Jeśli wiązka pada tak na analizator,
że kąt między jej płaszczyzną polaryzacji a płaszczyzną
polaryzacji analizatora wynosi 90° - wiązka przez
analizator nie przechodzi (całkowite wygaszenie). Jest to
bardzo uproszczony schemat działania polarymetru, czyli
urządzenia pozwalającego określić wielkość kąta skręcenia
płaszczyzny polaryzacji światła spolaryzowanego.
Na rysunku poniżej zamieszczono schemat działania
polarymetru. Zasada działania tego urządzenia polega na
zniwelowaniu
efektu
osłabienia
wiązki
światła
spolaryzowanego, będącego konsekwencją skręcenia
płaszczyzny polaryzacji tej wiązki przez badany roztwór.
skręcenie płaszczyzn drgań wszystkich fal w promieniu w identyczny sposób
nie powoduje praktycznie żadnej zmiany w postrzeganiu tego promienia (jego
parametrów)

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin