Агрегатний стан речовини

  1. газоподібний стан
  2. Рідкий стан речовини
  3. Будова і властивості твердих речовин

У повсякденній практиці доводиться мати справу не окремо з індивідуальними атомами, молекулами і іонами, а з реальними речовинами - сукупністю великої кількості частинок. Залежно від характеру їх взаємодії розрізняють чотири види агрегатного стану: тверде, рідке, газоподібне і плазмове. Речовина може перетворюватися з одного агрегатного стану в інше в результаті відповідного фазового переходу.

Перебування речовини в тому або іншому агрегатному стані обумовлено силами, що діють між частинками, відстанню між ними та особливостями їх руху. Кожне агрегатний стан характеризується сукупністю певних властивостей.

Властивості речовин в залежності від агрегатного стану:

станвластивістьгазоподібне
  1. Здатність займати весь обсяг і приймати форму посудини;
  2. стисливість;
  3. Швидка дифузія в результаті хаотичного руху молекул;
  4. Значне перевищення кінетичної енергії частинок над потенційною, Е кинетич. > Е потенц.
рідке
  1. Здатність приймати форму тієї частини посудини, яку займає речовина;
  2. Неможливість розширюватися до заповнення всієї ємності;
  3. Невелика стисливість;
  4. Повільна дифузія;
  5. Плинність;
  6. Соизмеримость потенційної і кінетичної енергії частинок, Е кинетич. ≈ Е потенц.
тверде
  1. Здатність зберігати власні форму і об'єм;
  2. Дуже незначна стисливість (під великим тиском)
  3. Дуже повільна дифузія за рахунок коливального руху частинок;
  4. Відсутність плинності;
  5. Значне перевищення потенційної енергії частинок над кінетичної, Е кинетич. <Е потенц.

Відповідно до ступеня впорядкованості в системі для кожного агрегатного стану характерно власне співвідношення між кінетичної і потенційної енергіями частинок. У твердих тілах потенційна енергія переважає над кінетичної, так як частинки займають певні положення і тільки коливаються навколо них. Для газів спостерігається зворотне співвідношення між потенційною і кінетичної енергіями, як наслідок того, що молекули газу завжди хаотично рухаються, а сили зчеплення між ними майже відсутні, тому газ займає весь об'єм. У разі рідин кінетична і потенційна енергії частинок приблизно однакові, між частинками діє нежесткая зв'язок, тому рідин притаманні плинність і постійний при даній температурі обсяг.

Коли частинки речовини утворюють правильну геометричну структуру, а енергія зв'язків між ними більше енергії теплових коливань, що запобігає руйнуванню сформованої структури - значить, речовина знаходиться в твердому стані. Але починаючи з деякої температури, енергія теплових коливань перевищує енергію зв'язків між частинками. При цьому частинки, хоча і залишаються в контакті, переміщаються один щодо одного. В результаті геометрична структура порушується і речовина переходить в рідкий стан. Якщо теплові коливання настільки зростають, що між частинками практично втрачається зв'язок, речовина набуває газоподібний стан. У «ідеальному» газі частинки вільно переміщаються в усіх напрямках.

При підвищенні температури речовина переходить з упорядкованого стану (тверде) в невпорядкований стан (газоподібне) рідкий стан є проміжним по упорядкованості частинок.

Четвертим агрегатним станом називають плазму - газ, що складається з суміші нейтральних і іонізованих частинок і електронів. Плазма утворюється при надвисоких температурах (105 -107 0С) за рахунок значної енергії зіткнення частинок, які мають максимальну невпорядкованість руху. Обов'язковою ознакою плазми, як і інших станів речовини, є її електронейтральність. Але в результаті невпорядкованості руху частинок в плазмі можуть виникати окремі заряджені мікрозонах, завдяки чому вона стає джерелом електромагнітного випромінювання. У плазмовому стані існує речовина на сонце , Зірках, інші космічні об'єкти, а також при термоядерних процесах.

Кожне агрегатний стан визначається, перш за все, інтервалом температур і тисків, тому для наочної кількісної характеристики використовують фазову діаграму речовини, яка показує залежність агрегатного стану від тиску і температури.

Кожне агрегатний стан визначається, перш за все, інтервалом температур і тисків, тому для наочної кількісної характеристики використовують фазову діаграму речовини, яка показує залежність агрегатного стану від тиску і температури

Діаграма стану речовини з кривими фазових переходів: 1 - плавлення-кристалізації, 2 - кипіння-конденсації, 3 - сублімації-десублімації

Діаграма стану складається з трьох основних областей, які відповідають кристалічному, рідкому і газоподібному станах. Окремі області поділяються кривими, що відображають фазові переходи:

  1. твердого стану в рідке і, навпаки, рідкого у твердий (крива плавлення-кристалізації - пунктирний зелений графік)
  2. рідкого в газоподібний і зворотного перетворення газу в рідину (крива кипіння-конденсації - синій графік)
  3. твердого стану в газоподібний і газоподібного в твердий (крива сублімації-десублімації - червоний графік).

Координати перетину цих кривих називаються потрійною точкою, в якій в умовах певного тиску Р = Рм і певної температури Т = Tв речовина може співіснувати відразу в трьох агрегатних станах, причому рідкий і твердий стан мають однаковий тиск пара. Координати Рм і Тв - це єдині значення тиску і температури, при яких можуть одночасно співіснувати всі три фази.

Точці До на фазовій діаграмі стану відповідає температура Тк - так звана критична температура, при якій кінетична енергія частинок перевищує енергію їх взаємодії і тому стирається грань поділу між рідкою і газовою фазами, а речовина існує в газоподібному стані за будь-яким тиском.

З аналізу фазової діаграми слід, що при високому тиску, більшому ніж в потрійній точці (Рм), нагрів твердої речовини закінчується його плавленням, наприклад, при Р1 плавлення відбувається в точці d. Подальше підвищення температури від Тd до Ті призводить до кипіння речовини при даному тиску Р1. При тиску Р2, меншому, ніж тиск в потрійній точці Рм, нагрів речовини призводить до його переходу безпосередньо з кристалічного в газоподібний стан (точка q), тобто до сублімації. Для більшості речовин тиск в потрійній точці нижче, ніж тиск насиченої пари (Р в <Pнасищ.пара). Тільки для деяких речовин Ро> Рнасищ.пара, тому при нагріванні кристалів таких речовин вони не плавляться, а випаровуються, тобто піддаються сублімації. Наприклад, так поводяться кристали йоду або «сухий лід» (твердий СО2).

Наприклад, так поводяться кристали йоду або «сухий лід» (твердий СО2)

Аналіз діаграми стану речовини

газоподібний стан

При нормальних умовах (273 К, 101325 Па) в газоподібному стані можуть перебувати як прості речовини, молекули яких складаються з одного атома (Не, Ne, Ar) або з декількох нескладних атомів (Н2, N2, O2), так і складні речовини з малою молярною масою (СН4, HCl, C2H6).

Оскільки кінетична енергія частинок газу перевищує їх потенційну енергію, то молекули в газоподібному стані безперервно хаотично рухаються. Завдяки великим відстаням між частинками сили міжмолекулярної взаємодії в газах настільки незначні, що їх не вистачає для залучення частинок один до одного і утримання їх разом. Саме з цієї причини гази не мають власної форми і характеризуються малою щільністю і високою здатністю до стиснення і до розширення. Тому газ постійно тисне на стінки посудини, в якому він знаходиться, однаково в усіх напрямках.

Для вивчення взаємозв'язку між найважливішими параметрами газу (тиск Р, температура Т, кількість речовини n, молярна маса М, маса m) використовується найпростіша модель газоподібного стану речовини - ідеальний газ, яка базується на наступних припущеннях:

  • взаємодією між частинками газу можна знехтувати;
  • самі частинки є матеріальними точками, які не мають власного розміру.

Найбільш загальним рівнянням, що описує модель ідеального газу, вважається рівняння Менделєєва-Клапейрона для одного благаючи речовини:

Проте поведінка реального газу відрізняється, як правило, від ідеального. Це пояснюється, по-перше, тим, що між молекулами реального газу все ж діють незначні сили взаємного тяжіння, які в певній мірі стискають газ. З урахуванням цього загальний тиск газу зростає на величину a / V2, яка враховує додаткове внутрішнє тиск, обумовлене взаємним тяжінням молекул. В результаті загальний тиск газу виражається сумою Р + а / V2. По-друге, молекули реального газу мають хоч і малий, але цілком певний обсяг b, тому дійсний обсяг усього газу в просторі становить V - b. При підстановці розглянутих значень в рівняння Менделєєва-Клапейрона отримуємо рівняння стану реального газу, яке називається рівнянням Ван-дер-Ваальса:

де а і b - емпіричні коефіцієнти, які визначаються на практиці для кожного реального газу. Встановлено, що коефіцієнт a має велику величину для газів, які легко сжижаются (наприклад, СО2, NH3), а коефіцієнт b - навпаки, тим вище за величиною, чим більше розміри мають молекули газу (наприклад, газоподібні вуглеводні).

Рівняння Ван-дер-Ваальса набагато точніше описує поведінку реального газу, ніж рівняння Менделєєва-Клапейрона, яке тим не менш, завдяки наочному фізичним змістом широко використовується в практичних розрахунках. Хоча ідеальний стан газу є граничним, уявним випадком, проте простота законів, які йому відповідають, можливість їх застосування для опису властивостей багатьох газів в умовах низьких тисків і високих температур робить модель ідеального газу дуже зручною.

Рідкий стан речовини

Рідкий стан будь-якого конкретного речовини є термодинамічно стійким в певному інтервалі температур і тисків, характерних для природи (складу) даної речовини. Верхній температурний межа рідкого стану - температура кипіння, вище якої речовина в умовах сталого тиску знаходиться в газоподібному стані. Нижня межа стійкого стану існування рідини - температура кристалізації (затвердіння). Температури кипіння і кристалізації, виміряні при тиску 101,3 кПа, називаються нормальними.

Для звичайних рідин властива изотропность - однаковість фізичних властивостей у всіх напрямках всередині речовини. Іноді для изотропности вживають і інші терміни: інваріантність, симетрія щодо вибору напрямку.

У формуванні поглядів на природу рідкого стану важливе значення має уявлення про критичний стан, який був відкритий Менделєєвим (1860 р):

Критичний стан - це рівноважний стан, при якому межа поділу між рідиною і її парою зникає, оскільки рідина і її насичена пара набувають однакові фізичні властивості.

У критичному стані значення як щільності, так і питомих об'ємів рідини і її насиченої пари стають однаковими.

Рідкий стан речовини є проміжним між газоподібним і твердим. Деякі властивості наближають рідкий стан до твердого. Якщо для твердих речовин характерна жорстка впорядкованість частинок, яка поширюється на відстань до сотень тисяч міжатомних або міжмолекулярних радіусів, то в рідкому стані спостерігається, як правило, не більше декількох десятків упорядкованих частинок. Пояснюється це тим, що впорядкованість між частинками в різних місцях рідкої речовини швидко виникає, і так само швидко знову «розмивається» тепловим коливанням частинок. Разом з тим загальна щільність «упаковки» частинок мало відрізняється від твердої речовини, тому щільність рідин не сильно відрізняється від щільності більшості твердих тіл. До того ж здатність рідин до стиснення майже така ж мала, що і в твердих тіл (приблизно в 20000 разів менше, ніж у газів).

Структурний аналіз підтвердив, що в рідинах спостерігається так званий ближній порядок, який означає, що число найближчих «сусідів» кожної молекули і їх взаємне розташування приблизно однакові по всьому об'єму.

Відносно невелика кількість різних за складом часток, з'єднаних силами міжмолекулярної взаємодії, називається кластером. Якщо всі частинки в рідині однакові, то такий кластер називається асоціатів. Саме в кластерах і асоціатів спостерігається ближній порядок.

Ступінь впорядкованості в різних рідинах залежить від температури. При низьких температурах, трохи перевищують температуру плавлення, ступінь впорядкованості розміщення частинок дуже велика. З підвищенням температури вона зменшується і в міру нагрівання властивості рідини все більше наближаються до властивостей газів, а після досягнення критичної температури різниця між рідким і газоподібним станом зникає.

Близькість рідкого стану до твердого підтверджується значеннями стандартних ентальпій випаровування DН0іспаренія і плавлення DН0плавленія. Нагадаємо, що величина DН0іспаренія показує кількість теплоти, яка потрібна для перетворення 1 благаючи рідини в пар при 101,3 кПа; така ж кількість теплоти витрачається на конденсацію 1 благаючи пара в рідина при тих же умовах (тобто DН0іспаренія = DН0конденсаціі). Кількість теплоти, що витрачається на перетворення 1 моля твердої речовини в рідину при 101,3 кПа, називається стандартною ентальпією плавлення; така ж кількість теплоти вивільняється при кристалізації 1 благаючи рідини в умовах нормального тиску (DН0плавленія = DН0крісталлізаціі). Відомо, що DН0іспаренія << DН0плавленія, оскільки перехід з твердого стану в рідке супроводжується меншим порушенням міжмолекулярної тяжіння, ніж перехід з рідкого в газоподібний стан.

Однак інші важливі властивості рідин більше нагадують властивості газів. Так, подібно газам, рідини можуть текти - це властивість називається плинністю. Вони можуть чинити опір течією, тобто їм властива в'язкість. На ці властивості впливають сили тяжіння між молекулами, молекулярна маса рідкої речовини та інші фактори. В'язкість рідин приблизно в 100 разів більше, ніж у газів. Так само, як і гази, рідини здатні дифундувати, але набагато повільніше, оскільки частинки рідини упаковані щільніше, ніж частки газу.

Однією з найцікавіших властивостей рідкого стану, яка не характерна ні для газів, ні для твердих речовин, є поверхневий натяг.

Схема поверхневого натягу рідини

На молекулу, що знаходиться в об'ємі рідини, з усіх боків рівномірно діють міжмолекулярні сили. Однак на поверхні рідини баланс цих сил порушується, внаслідок чого поверхневі молекули перебувають під дією деякої результуючої сили, яка спрямована всередину рідини. З цієї причини поверхня рідини знаходиться в стані натягу. Поверхневий натяг - це мінімальна сила, яка утримує частинки рідини всередині і тим самим запобігає скорочення поверхні рідини.

Будова і властивості твердих речовин

Більшість відомих речовин як природного, так і штучного походження при звичайних умовах знаходяться в твердому стані. З усіх відомих на сьогодні з'єднань близько 95% відносяться до твердих речовин, які придбали важливе значення, оскільки є основою не тільки конструкційних, але і функціональних матеріалів.

  • Конструкційні матеріали - це тверді речовини або їх композиції, які використовуються для виготовлення знарядь праці, предметів побуту, і різних інших конструкцій.
  • Функціональні матеріали - це тверді речовини, використання яких зумовлено наявністю в них тих чи інших корисних властивостей.

Наприклад, сталь, алюміній, бетон, кераміка належать до конструкційних матеріалів, а напівпровідники, люмінофори - до функціональних.

У твердому стані відстані між частинками речовини маленькі і мають за величиною такий же порядок, що і самі частинки. Енергії взаємодії між ними досить великі, що запобігає вільний рух частинок - вони можуть тільки коливатися щодо певних рівноважних положень, наприклад, навколо вузлів кристалічної решітки. Нездатність частинок до вільного переміщення призводить до однієї з найбільш характерних особливостей твердих речовин - наявність власної форми і об'єму. Здатність до стиснення у твердих речовин дуже незначна, а щільність висока і мало залежить від зміни температури. Всі процеси, що відбуваються в твердому речовині, відбуваються повільно. Закони стехіометрії для твердих речовин мають інший і, як правило, більш широкий зміст, ніж для газоподібних і рідких речовин.

Детальний опис твердих речовин занадто об'ємно для цього матеріалу і тому розглядається в окремих статтях: Аморфне і кристалічний стан речовини , Кристалічна решітка , Дефекти кристалічної решітки , Основи зонної теорії і Типи твердих тіл .