Вопрос № 3. Строение газов, жидкостей и твердых тел (30 мин.)

 

Все вещества могут находиться в трех агрегатных состояниях: газообразном и конденсированном (жидком или твердом).

 

Свойства газов, жидкостей и твердых веществ

 

Агрегатное состояние	Объем	Форма	Сжимаемость	Плотность
Газы	Совпадает с объемом сосуда; зависит от t0 и р	Принимает форму сосуда	Высокая	Низкая
Жидкости	Фиксированный	Нефиксированная – полностью или частично заполняют сосуд	Малая	От умеренной до большой
Твердые вещества	Фиксированный		Практически отсутствует	Большая

 

Газообразное состояние

 

Большинство газов являются простыми веществами (О₂, Н₂, N₂, Не и т.д.) или ковалентными соединениями (СО₂, NH₃). В газообразном состоянии молекулы или атомы хаотически движутся и при этом большую часть времени находятся на больших расстояниях друг от друга. Силы взаимодействия между ними очень малы.

Термин “газ” был введен в XVI веке датским ученым Дж. Гельмонтом. Сам термин образован от греческого слова “хаос”, означающему бесформенную массу первичных элементов, из которых был создан мир.

Наиболее характерными свойствами газов является их сжимаемость и способность расширяться, а также неограниченная способность смешиваться с другими газами.

 

Жидкое состояние

В жидком состоянии могут находиться металлические, ионные и ковалентные соединения. Единственный жидкий металл при обычных условиях – ртуть, галлий может расплавиться на ладони (температура плавления +28⁰С), при значительно более высоких температурах плавятся все металлы. Органические соединения, например, бензол, толуол, гексан являются ковалентными, а растворы и расплавы некоторых солей – ионными соединениями.

Газы и жидкости обладают общими свойствами, такими как текучесть и для большинства жидкостей изотропность (равенство свойств по всем направлениям).

С твердыми веществами жидкости объединяют малая сжимаемость, а также значительно большая плотность по сравнению с газами.

Жидкокристаллическое состояние может рассматриваться как промежуточное между жидким и твердыми состояниями. Жидкие кристаллы обладают некоторыми свойствами жидкостей, например, текучестью. Вместе с тем они характеризуются упорядоченной структурой кристаллического типа, и, следовательно, обладают анизотропностью, т.е. зависимостью свойств от направления.

Частицы, образующие жидкие кристаллы, могут свободно перемещаться относительно друг друга, но при этом их ориентация сохраняется. Управлять их свойствами можно с помощью слабых внешних воздействий (при нагревании, электрических и магнитных полей, механических напряжений).

Жидкокристаллическое состояние реализуется при растворении в воде ацетата холестерина, олеатов калия и аммония, различных липидов. Все эти молекулы имеют нитеобразную форму.

Жидкие кристаллы широко применяются в цветных дисплеях, термометрах, буквенно-цифровых индикаторах и других устройствах. Впервые свойства жидких кристаллов описал в 1883 году Ф. Рейнитцер.

Твердое состояние

В твердом состоянии, как и в жидком, могут находиться металлические, ионные и ковалентные соединения.

В твердом агрегатном состоянии вещества средние расстояния между образующими его микрочастицами равны размеру частиц. Основным видом движения микрочастиц является их тепловое колебательное движение, поэтому большинство частиц пребывают вблизи фиксированных положений. Это объясняет наличие у твердых тел собственной формы, отсутствие текучести, малую сжимаемость и механическую прочность.

Большинство твердых веществ находятся в кристаллическом состоянии. Частицы, их образующие, упорядочены в регулярной пространственной структуре. В отличие от жидкостей и аморфных веществ в кристаллах реализуется “дальний порядок” расположения частиц. Кристаллы имеют четкую температуру плавления и обладают анизотропными свойствами.

Частицы некоторых твердых веществ не образуют регулярную кристаллическую структуру. Такие вещества называют аморфными. Аморфным веществом является обычное стекло, большинство полимеров. Аморфные вещества обладают так называемым “ближним порядком” расположения молекул, они изотропны, плавятся не при определенной температуре, а некотором температурном интервале.

 

У каждого агрегатного состояния свое соотношение между потенциальной и кинетической энергиями частиц вещества.

1. У твердых тел средняя потенциальная энергия больше средней кинетической Е_пот > Е_кин.

2. У газов обратное соотношение. Е_кин > Е_пот.

3. В жидкостях частицы связаны друг с другом, но не жестко:

Е_кин» Е_пот.