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:

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.

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.

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.

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).

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 .