Агрегатные состояния вещества: твердое, жидкое и газообразное. Кристаллическое и аморфное состояния. Кристаллические решетки

Вследствие того, что частицы вещества взаимодействуют между собой, вещества имеют сложное строение. В зависимости от характера взаимодействия частиц, образующих вещество, различают четыре агрегатных состояния: твердое, жидкое, газообразное и плазменное.

Если вещество находится при очень низкой температуре, частицы его обычно образуют правильную геометрическую структуру, в таком случае энергии связей частиц больше энергий тепловых колебаний, которые не нарушают образовавшуюся структуру, — вещество существует в твердом состоянии.

При повышении температуры энергия тепловых колебаний частиц возрастает, и для каждого вещества имеется температура, начиная с которой энергия тепловых колебаний превышает энергию связей. Связи между частицами постоянно разрушаются и вновь образуются. Частицы могут совершать различные движения (колебательные, вращательные и т. д.), смещаясь относительно друг друга. Однако они еще остаются в контакте, хотя правильная геометрическая структура частиц нарушается — вещество существует в жидком состоянии.

При дальнейшем повышении температуры тепловые колебания увеличиваются, в результате частицы становятся практически не связанными друг с другом. Вещество переходит в газообразное состояние. В “идеальном” газе частицы свободно перемещаются во всех направлениях.

Следовательно, при повышении температуры вещества переходят из упорядоченного состояния (твердое) в неупорядоченное состояние (газообразное); жидкое состояние является промежуточным.

Четвертым состоянием вещества является плазма, которая представляет собой газ, состоящий из смеси нейтральных и ионизованных молекул и электронов. Изучением плазмы занимается специальная область химии — плазмохимия, однако, химикам все же намного больше приходится иметь дело с веществами в твердом, жидком и газообразном состояниях.

Наиболее характерным свойством газов является их сжимаемость и способность расширяться. Газы не имеют собственной формы и расширяются до тех пор, пока не заполнят весь сосуд, принимая его форму. По той же причине газы не имеют собственного объема, объем газа определяется объемом сосуда, в котором он находится. Газ оказывает на стенки сосуда постоянное давление, одинаковое во всех направлениях. Характерным свойством газов является также то, что они способны смешиваться друг с другом в любых соотношениях.

Жидкости. В жидком состоянии (при обычных условиях) могут находиться металлические (например, ртуть) или ковалентные соединения (вода, бензол, этиловый спирт и т. д.). Подобно газам, жидкости не имеют собственной формы и принимают форму того сосуда, в котором они находятся, однако, в отличие от газов, жидкости имеют вполне определенный собственный объем. Сжимаемость жидкостей, в отличие от газов, очень мала, и для того, чтобы заметно сжать жидкость, необходимо очень высокое давление.

Твердые вещества. В твердом состоянии могут находиться соединения с металлическими, ионными или ковалентными связями. Твердые тела отличаются от газов и жидкостей наличием собственной формы и собственного объема. Даже при очень высоких давлениях сжимаемость твердых тел чрезвычайно мала.

Газы. Газовые законы. Если энергия притяжения между молекулами меньше их кинетической энергии, то совокупность таких молекул будет существовать в виде газа. Индивидуальное вещество в газообразном состоянии характеризуется следующими величинами: Р — давлением; Т или t — температурой, измеряемой в градусах Кельвина или Цельсия; V — объемом; m — массой всего газа; М — молярной массой. Газовые законы устанавливают взаимосвязь между этими величинами. При этом используется простейшая модель газообразного состояния веществ — идеальный газ, которая основана на следующих допущениях: 1) между частицами газа отсутствуют силы взаимодействия;2) сами частицы представляют собой материальные точки.

Вначале были установлены газовые законы, справедливые для постоянной массы данного газа (т. е. m = const и М = const), и, кроме того, одна из оставшихся величин (Р, V, Т ) также поддерживается постоянной.

1. T = const (изотермический процесс).

Взаимосвязь между изменением Р и V выражается законом Бойля—Мариотта:

2. Р = const (изобарический процесс).

Взаимосвязь между изменением V и t выражается законом Гей-Люссака:

где a — коэффициент удельного объемного расширения, равный для всех газов 1/273 град- ¹. Если это значение подставить в уравнение и температуру выразить в шкале Кельвина, то закон Гей-Люссака запишется так:

3. V = const (изохорический процесс).

Взаимосвязь между Р и t выражается законом Шарля:

где a = 1/273 град- ¹. В более удобной форме закон Шарля можно записать так:

На основе трех частных законов можно легко вывести объединенный газовый закон, который выглядит следующим образом:

Объединенный газовый закон, как и частные законы, справедлив только для постоянной массы данного газа.

Уравнение Клапейрона—Менделеева. После того как было установлено экспериментально, что 1 моль любого газа при нормальных условиях (Р = 1 атм = 1,013 × 10⁵ Па; t = 0°С или T = 273 К) занимает объем 22,4 л, объединенный газовый закон для одного моля любого газа стали записывать так:

где R — универсальная газовая постоянная.

Действительно, объединенный газовый закон для любой постоянной массы газа (а значит, и для одного моля газа) имеет вышеприведенный вид, но и для одного моля газа constимеет одно и то же значение для всех реальных газов при таких условиях, при которых они ведут себя как идеальный газ. Обозначив эту постоянную R мы и получим последнее уравнение.

Газовая постоянная равна работе расширения 1 моля идеального газа при нагревании на 1 К при постоянном давлении.

Чтобы найти численное значение R, необходимо знать, какой объем занимает газ при каких-либо определенных значениях Р и T. Проще всего считать условия нормальными, тогда

и в единицах СИ R = 8,3144 Дж/(моль × К).

Как будут меняться левая и правая части объединенного газового закона для одного моля газа, если у нас будет не один, а n молей? Левая часть уравнения увеличивается в n раз, так как n молей займут в n раз больший объем, а правая часть не изменится (R — постоянная величина, а T не зависит от числа молей), тогда, Чтобы уравнение было справедливо для n молей, надо умножить правую часть на n:

где n = m/М - число молей равно общей массе газа, деленной на молярную массу. Подставляя это значение в уравнение, получим:

Уравнение идеального газа в форме двух последних уравнений и называется уравнением Клапейрона-Менделеева, оно выражает взаимосвязь между всеми величинами, характеризующими газ, а поэтому является наиболее общим в приближении модели идеального газа.

Из уравнения Клапейрона—Менделеева можно вывести ряд простых, но важных следствий.

1) Многие газовые реакции происходят при постоянных температуре и давлении. При этих условиях

Это уравнение есть не что иное, как закон Авогадро, который утверждает, что в равных объемах газов при постоянных температуре и давлении содержится одинаковое число молекул.

2) Другое интересное следствие касается плотности газов. Из уравнения Клейперона - Менделеева следует, что

при постоянных P и T. Это означает, что при этих условиях плотность газа определяется только его молярной массой. Такой результат позволяет ввести понятие относительной плотности одного газа по другому:

Эта величина показывает, во сколько раз первый газ тяжелее второго при одинаковых условиях.

3) Если реакция происходит в замкнутом сосуде (V =const) при постоянной температуре, то

Это соотношение означает, что в замкнутом сосуде при заданных условиях давление зависит только от общего числа молекул газов.

Рассмотрим важное для многих задач понятие средней молярной массы смеси газов. Напомним, что для одного вещества молярная масса равна отношению массы к числу молей:

Точно такое же соотношение справедливо для смеси газов:

Поскольку газы в смеси всегда находятся при одинаковых условиях, то к ним применим закон Авогадро и определение средней молярной массы можно переписать, заменив число молей на объем:

Переходы между агрегатными состояниями вещества в зависимости от температуры и давления. Диаграммы состояния. Различные агрегатные состояния вещества определяются, прежде всего, температурой и давлением: если давление мало, температура достаточно высока, то вещество будет находиться в газообразном состоянии, при низкой температуре вещество будет твердым, при умеренных (промежуточных) температурах — жидким. В соответствии с этим для количественной характеристики агрегатных состояний вещества часто используется очень наглядная фазовая диаграмма вещества, которая показывает зависимость агрегатного состояния от давления и температуры (см. рисунок).

Диаграмма состоит из трех областей, отвечающих кристаллическому (К), жидкому (Ж) и газообразному (парообразному) (Г) состояниям. Эти области отделены друг от друга кривыми: плавление «кристаллизация Ob, кипение «конденсация Ok и сублимация «десублимация Оа. Точка пересечения этих кривых О называется тройной точкой: при Р = Р₀ и Т = Т₀ вещество может сосуществовать в трех агрегатных состояниях, причем жидкость и твердое вещество имеют одинаковое давление пара. Координаты Р = Р₀ и T = Т₀тройной точки — это единственная пара значений давления и температуры, при которых одновременно могут сосуществовать три фазы. Пример: на диаграмме состояния воды этой точке соответствуют давление 4,58 мм рт. ст. (0,61 кПа) и температура 273 К (0 °С).

При температуре выше критической (на диаграмме ей соответствует точка k) кинетическая энергия частиц становится больше энергии их взаимодействия, и поэтому вещество существует в газообразном состоянии при любом давлении.

На рисунке видно, что при давлении, большем Р₀, нагревание твердого вещества приводит к его плавлению (при Р₁ плавление происходит в точке d).После того как все вещество расплавится, дальнейшее повышение давления приводит к повышению соответствующих температур кипения (при давлении Р₁ кипение жидкости происходит в точке е при температуре T₁). При давлении, меньшем Р₀ (при Р₂)нагревание твердого вещества приводит к переходу из кристаллического состояния непосредственно в газообразное (в точкеg), т. е. к сублимации. Для большинства веществ Р₀ < Р_{насыщ. паров}. Лишь для немногих веществ р₀ > Р_{насыщ. паров}, и нагревание кристаллов приводит к их сублимации — примерами таких веществ являются иод и “ сухой лед” — твердый диоксид углерода.

Аморфное состояние

(от греч. а — отрицательная частица и morphē — форма)

твёрдое состояние вещества, обладающее двумя особенностями: его свойства (механические, тепловые, электрические и т. д.) в естественных условиях не зависят от направления в веществе (изотропия); при повышении температуры вещество, размягчаясь, переходит в жидкое состояние постепенно, т. е. в А. с. отсутствует определённая точка плавления.

Эти особенности обусловлены отсутствием в А. с. дальнего порядка — характерной для кристаллов (См. Кристаллы) строгой повторяемости во всех направлениях одного и того же элемента структуры (атома, группы атомов, молекулы и т. п.) на протяжении сотен и тысяч периодов. В то же время у вещества в А. с. существует ближний порядок — согласованность в расположении соседних частиц, т. е. порядок, соблюдаемый на расстояниях, сравнимых с размерами молекул (рис.). С расстоянием эта согласованность уменьшается и через 0,5—1 нм исчезает (см. Дальний порядок (См. Дальний порядок и ближний порядок) и Ближний порядок).

Ближний порядок характерен и для жидкостей (См. Жидкость), но в жидкости происходит интенсивный обмен местами между соседними частицами, затрудняющийся по мере возрастания вязкости (См. Вязкость), поэтому, с одной стороны, твердое тело в А. с. принято рассматривать как переохлаждённую жидкость с очень высоким коэффициентом вязкости. С другой стороны, в само понятие «А. с.» включают жидкость.

Изотропия свойств характерна так же для поликристаллического состояния (см. Поликристаллы), но последнее характеризуется строго определённой температурой плавления, что позволяет отличать его от А. с. Отличие структуры А. с. от кристаллического легко обнаруживается с помощью рентгенограмм (См. Рентгенограмма). Монохроматические рентгеновские лучи, рассеиваясь на кристаллах, образуют дифракционную картину в виде отчётливых линий или пятен (см. Дифракция рентгеновских лучей). Для А.с. это не характерно.

Устойчивым твёрдым состоянием вещества при низких температурах является кристаллическое состояние. Однако в зависимости от свойств молекул, Кристаллизация может потребовать больше или меньше времени — молекулы должны успеть при охлаждении вещества выстроиться в кристаллический порядок. Иногда это время бывает очень большим, так что кристаллическое состояние практически не реализуется. В др. случаях А. с. получается путём убыстрения процесса охлаждения. Например, расплавляя кристаллический Кварц и затем быстро охлаждая расплав, получают аморфное кварцевое стекло. Таким же образом ведут себя многие Силикаты, которые при охлаждении дают обычное стекло. Поэтому А. с. часто называют стеклообразным состоянием (См. Стеклообразное состояние). Однако чаще всего даже самое быстрое охлаждение недостаточно быстро для того, чтобы помешать образованию кристаллов. В результате этого большинство веществ получить в А. с. невозможно. В природе А. с. менее распространено, чем кристаллическое. В А. с. находятся: Опал, Обсидиан,Янтарь, Смолы природные, Битумы.

В А. с. могут находиться не только вещества, состоящие из отдельных атомов и обычных молекул, как стекла и жидкости (низкомолекулярные соединения), но и вещества, состоящие из длинноцепочечных макромолекул (См. Макромолекула) — высокомолекулярные соединения, или Полимеры.

Структура аморфных полимеров характеризуется ближним порядком в расположении звеньев или сегментов макромолекул, быстро исчезающим по мере их удаления друг от друга. Молекулы полимеров как бы образуют «рои», время жизни которых очень велико из-за огромной вязкости полимеров и больших размеров молекул. Поэтому в ряде случаев такие рои остаются практически неизменными.

Аморфные полимеры в зависимости от температуры могут находиться в трёх состояниях, отличающихся характером теплового движения: стеклообразном, высоко-эластическом и жидком (вязко-текучем). При низких температурах сегменты молекул не обладают подвижностью и полимер ведёт себя как обычное твёрдое тело в А. с. При достаточно высоких температурах энергия теплового движения становится достаточной для того, чтобы вызвать перемещение сегментов молекулы, но ещё недостаточной для приведения в движение молекулы в целом. Возникает высокоэластическое состояние, характеризующееся способностью полимера легко растягиваться и сжиматься. Переход из высокоэластического состояния в стеклообразное называется стеклованием. В вязко-текучем состоянии могут перемещаться не только сегменты, но и вся макромолекула. Полимеры приобретают способность течь, но, в отличие от обычной жидкости, их течение всегда сопровождается развитием высокоэластической деформации.

Лит.: Китайгородский А. И., Порядок и беспорядок в мире атомов, М., 1966; Кобеко П. П., Аморфные вещества, М.— Л., 1952; Китайгородский А. И., Рентгеноструктурный анализ мелкокристаллических и аморфных тел, М.— Л., 1952. См. также лит. при ст. Полимеры.

Строение кварца SiO₂: а — кристаллического; б — аморфного; чёрные кружки — атомы Si, белые — атомы O.