Тема: Агрегатные состояния вещества

Химия С-12

 

1.Изучить материал

2. Выполнить задания

 

Тема: Агрегатные состояния вещества

Ато­мы, мо­ле­ку­лы, ио­ны в обыч­ных усло­ви­ях не су­ще­ству­ют са­ми по се­бе, они обя­за­тель­но вхо­дят в со­став ка­ко­го-ли­бо ве­ще­ства, ко­то­рое мо­жет участ­во­вать в фи­зи­че­ских или хи­ми­че­ских про­цес­сах (пре­вра­ще­ни­ях). В за­ви­си­мо­сти от рас­сто­я­ния меж­ду ука­зан­ны­ми ча­сти­ца­ми и ха­рак­те­ра вза­и­мо­дей­ствия меж­ду ни­ми ве­ще­ство мо­жет на­хо­дить­ся в трех ос­нов­ных аг­ре­гат­ных со­сто­я­ни­ях.

1. Га­зо­об­раз­ное со­сто­я­ние. Га­зо­об­раз­ные ве­ще­ства (га­зы) — это в ос­нов­ном ве­ще­ства мо­ле­ку­ляр­но­го стро­е­ния. Рас­сто­я­ния меж­ду мо­ле­ку­ла­ми в га­зах во мно­го раз боль­ше раз­ме­ра са­мих мо­ле­кул. Из-за та­ких боль­ших рас­сто­я­ний вза­и­мо­дей­ствие меж­ду мо­ле­ку­ла­ми сла­бое, и они мо­гут сво­бод­но пе­ре­ме­щать­ся. Мо­ле­ку­лы в га­зах дви­жут­ся бес­по­ря­доч­но, не­за­ви­си­мо друг от дру­га. Га­зы за­ни­ма­ют весь предо­став­ля­е­мый им объ­ем; они не име­ют фор­мы.

2. Твер­дое (кри­стал­ли­че­ское) со­сто­я­ние. Рас­сто­я­ния меж­ду ча­сти­ца­ми в кри­стал­лах на­мно­го мень­ше, чем в га­зах, и при­мер­но рав­ны раз­ме­ру са­мих ча­стиц. Вза­и­мо­дей­ствие меж­ду ча­сти­ца­ми очень силь­ное. Дви­же­ние ча­стиц, со­став­ля­ю­щих кри­сталл, огра­ни­че­но; они лишь слег­ка ко­леб­лют­ся око­ло по­ло­же­ния рав­но­ве­сия. По­это­му твер­дые те­ла име­ют соб­ствен­ную фор­му и соб­ствен­ный объ­ем.

В кри­стал­лах ча­сти­цы рас­по­ла­га­ют­ся в стро­го опре­де­лен­ном по­ряд­ке, об­ра­зуя кри­стал­ли­че­скую ре­шет­ку, т. е. про­стран­ствен­ный кар­кас в ви­де пе­ре­се­ка­ю­щих­ся ли­ний. В точ­ках пе­ре­се­че­ния этих ли­ний — уз­лах ре­шет­ки ле­жат ча­сти­цы (ато­мы, мо­ле­ку­лы, ио­ны), об­ра­зу­ю­щие кри­сталл. В за­ви­си­мо­сти от то­го, ка­кие ча­сти­цы на­хо­дят­ся в уз­лах ре­шет­ки и ка­кой при­ро­ды свя­зи меж­ду ни­ми об­ра­зу­ют­ся, вы­де­ля­ют атом­ную ко­ва­лент­ную, атом­ную ме­тал­ли­че­скую, мо­ле­ку­ляр­ную и ион­ную кри­стал­ли­че­ские ре­шет­ки.

Стро­е­ние кри­стал­ла (ре­шет­ки) опре­де­ля­ет фи­зи­че­ские и хи­ми­че­ские свой­ства ве­ществ. Наи­бо­лее проч­ны­ми яв­ля­ют­ся ион­ные (NaCl, KOH, Na₂CO₃) и атом­ные ко­ва­лент­ные (ал­маз C, SiO₂, SiC) кри­стал­ли­че­ские ре­шет­ки. По­это­му ве­ще­ства, кри­стал­лы ко­то­рых име­ют та­кое стро­е­ние, не­ле­ту­чи, об­ла­да­ют вы­со­кой твер­до­стью и вы­со­ки­ми тем­пе­ра­ту­ра­ми плав­ле­ния. На­про­тив, ве­ще­ства с мо­ле­ку­ляр­ной кри­стал­ли­че­ской ре­шет­кой (в твер­дом со­сто­я­нии га­зы H₂, O₂, O₃, CO₂, кри­стал­ли­че­ский иод, бе­лый фос­фор), меж­ду уз­ла­ми ко­то­рой ре­а­ли­зу­ют­ся сла­бые меж­мо­ле­ку­ляр­ные вза­и­мо­дей­ствия, ле­ту­чи и име­ют низ­кие тем­пе­ра­ту­ры ки­пе­ния.

Ха­рак­тер­ная осо­бен­ность кри­стал­ли­че­ских тел — ани­зо­тро­пия — обу­слов­ле­на их стро­е­ни­ем и про­яв­ля­ет­ся в том, что ме­ха­ни­че­ские, элек­три­че­ские и дру­гие свой­ства тел за­ви­сят от на­прав­ле­ния в кри­стал­ле. На­при­мер, в слу­чае гра­фи­та в од­ном на­прав­ле­нии кри­стал­ла на­блю­да­ет­ся вы­со­кая элек­три­че­ская про­во­ди­мость, в дру­гом на­прав­ле­нии — про­во­ди­мость от­сут­ству­ет.

3. Жид­кое со­сто­я­ние. Мож­но ска­зать, что жид­кое со­сто­я­ние яв­ля­ет­ся про­ме­жу­точ­ным меж­ду твер­дым и га­зо­об­раз­ным. В жид­ко­стях ча­сти­цы рас­по­ло­же­ны при­мер­но на та­ком же рас­сто­я­нии друг от дру­га, как в твер­дых те­лах, од­на­ко они мо­гут пе­ре­ме­щать­ся на не­ко­то­рое рас­сто­я­ние от по­ло­же­ния рав­но­ве­сия. Это опре­де­ля­ет та­кое ха­рак­тер­ное свой­ство жид­ко­стей, как те­ку­честь. По срав­не­нию с га­за­ми свя­зи меж­ду ча­сти­ца­ми в жид­ко­стях го­раз­до проч­нее, а упо­ря­до­чен­ность рас­по­ло­же­ния ча­стиц на­мно­го вы­ше. Од­на­ко упо­ря­до­чен­ная струк­ту­ра, как в кри­стал­лах, в жид­ко­стях от­сут­ству­ет. Для жид­ко­стей ха­рак­тер­но на­ли­чие опре­де­лен­но­го объ­е­ма, как для твер­дых тел, и в то же вре­мя от­сут­ствие опре­де­лен­ной фор­мы, как в слу­чае га­зов. Для жид­ко­го и твер­до­го со­сто­я­ний ино­гда ис­поль­зу­ют об­щий тер­мин — кон­ден­си­ро­ван­ное со­сто­я­ние.

Про­ме­жу­точ­ное по­ло­же­ние меж­ду кри­стал­ли­че­ским со­сто­я­ни­ем и жид­ким за­ни­ма­ют жид­кие кри­стал­лы. Это в ос­нов­ном слож­ные ор­га­ни­че­ские со­еди­не­ния, как пра­ви­ло, по­ли­мер­но­го стро­е­ния. Их мо­ле­ку­лы об­ла­да­ют стерж­не­об­раз­ной или дис­ко­об­раз­ной фор­мой и рас­по­ла­га­ют­ся па­рал­лель­но друг дру­гу. Как и жид­ко­сти, эти ве­ще­ства об­ла­да­ют те­ку­че­стью, и, как твер­дые те­ла, они ха­рак­те­ри­зу­ют­ся упо­ря­до­чен­ным рас­по­ло­же­ни­ем ча­стиц и ани­зо­тро­пи­ей оп­ти­че­ских, элек­три­че­ских или маг­нит­ных свойств.

Жид­кие кри­стал­лы пред­став­ля­ют огром­ный ин­те­рес для тех­ни­ки. На их ос­но­ве по­лу­ча­ют стек­ла, плен­ки, по­кры­тия, во­лок­на с за­дан­ны­ми свой­ства­ми, ко­то­рые ис­поль­зу­ют при из­го­тов­ле­нии бук­вен­но-циф­ро­вых ин­ди­ка­то­ров (дис­пле­ев, плос­ких те­ле­ви­зи­он­ных экра­нов, элек­трон­ных ча­сов, мик­ро­каль­ку­ля­то­ров и т. д.).

Услов­но вы­де­ля­ют аморф­ное со­сто­я­ние ве­ще­ства. Аморф­ные ве­ще­ства — это твер­дые ве­ще­ства, в ко­то­рых ча­сти­цы рас­по­ло­же­ны не впол­не упо­ря­до­чен­но, по­это­му от­сут­ству­ет ани­зо­тро­пия свойств.

Аморф­ные ве­ще­ства ха­рак­те­ри­зу­ют­ся изо­троп­но­стью свойств (по­доб­но жид­ко­стям), т. е. в лю­бом на­прав­ле­нии внут­ри ве­ще­ства дан­ное ме­ха­ни­че­ское, оп­ти­че­ское или элек­три­че­ское свой­ство стро­го по­сто­ян­но. У аморф­ных тел нет опре­де­лен­ной тем­пе­ра­ту­ры плав­ле­ния; есть тем­пе­ра­тур­ный ин­тер­вал, при до­сти­же­нии ко­то­ро­го они по­сте­пен­но раз­мяг­ча­ют­ся и ста­но­вят­ся жид­ки­ми. Мно­гие про­стые ве­ще­ства (на­при­мер, се­ра и се­лен) и ок­си­ды (ок­си­ды бо­ра В₂О₃ и крем­ния SiO₂) име­ют аморф­ные и кри­стал­ли­че­ские фор­мы. Ти­пич­ны­ми аморф­ны­ми те­ла­ми яв­ля­ют­ся си­ли­кат­ные стек­ла), т. е. за­стыв­шие без кри­стал­ли­за­ции рас­пла­вы си­ли­ка­тов.

Пе­ре­ход ве­ще­ства из од­но­го аг­ре­гат­но­го со­сто­я­ния в дру­гое. Пе­ре­хо­ды меж­ду аг­ре­гат­ны­ми со­сто­я­ни­я­ми ве­ще­ства — это фи­зи­че­ские про­цес­сы, ко­то­рые про­ис­хо­дят в ре­зуль­та­те внеш­не­го воз­дей­ствия (из­ме­не­ния тем­пе­ра­ту­ры, дав­ле­ния).

При низ­ких тем­пе­ра­ту­рах прак­ти­че­ски все ве­ще­ства на­хо­дят­ся в твер­дом со­сто­я­нии. Ес­ли на­гре­вать твер­дое ве­ще­ство, то при до­сти­же­нии тем­пе­ра­ту­ры плав­ле­ния (t _пл) про­ис­хо­дит его пе­ре­ход из твер­до­го со­сто­я­ния в жид­кое — плав­ле­ние (об­рат­ный про­цесс — пе­ре­ход из жид­ко­го со­сто­я­ния в твер­дое — кри­стал­ли­за­ция). При даль­ней­шем уве­ли­че­нии тем­пе­ра­ту­ры (при тем­пе­ра­ту­ре ки­пе­ния (t _кип)) на­чи­на­ет­ся ис­па­ре­ние — пе­ре­ход из жид­ко­го со­сто­я­ния в га­зо­об­раз­ное (об­рат­ный про­цесс — кон­ден­са­ция). Ес­ли ве­ще­ство, на­хо­дя­ще­е­ся в га­зо­об­раз­ном со­сто­я­ния, на­греть до еще бо­лее вы­со­ких тем­пе­ра­тур, то бу­дет про­ис­хо­дить иони­за­ция га­за, т. е. от ато­мов или мо­ле­кул бу­дут от­ры­вать­ся элек­тро­ны. В ре­зуль­та­те это­го в про­стран­стве, за­ни­ма­е­мом га­зом, бу­дут на­кап­ли­вать­ся по­ло­жи­тель­но и от­ри­ца­тель­но за­ря­жен­ные ча­сти­цы. В та­ком слу­чае го­во­рят, что газ пе­ре­шел в со­сто­я­ние плаз­мы (так на­зы­ва­е­мое чет­вер­тое аг­ре­гат­ное со­сто­я­ние). Су­ще­ству­ют ве­ще­ства (на­при­мер, кри­стал­ли­че­ский иод, наф­та­лин), для ко­то­рых воз­мо­жен пе­ре­ход из твер­до­го со­сто­я­ния в га­зо­об­раз­ное, ми­нуя жид­кое (без плав­ле­ния), — суб­ли­ма­ция (воз­гон­ка). Об­рат­ный про­цесс — пе­ре­ход из га­зо­об­раз­но­го со­сто­я­ния в твер­дое, ми­нуя жид­кое, — на­зы­ва­ют де­суб­ли­ма­ци­ей.

 

Во­про­сы и за­да­ния

1. Дай­те ха­рак­те­ри­сти­ку аг­ре­гат­ных со­сто­я­ний ве­ще­ства.

2. Опи­ши­те, как про­ис­хо­дит пе­ре­ход из од­но­го аг­ре­гат­но­го со­сто­я­ния в дру­гое.

3. Оха­рак­те­ри­зуй­те аморф­ное со­сто­я­ние твер­дых тел.

4. Что вы зна­е­те об ис­поль­зо­ва­нии «су­хо­го льда» (твер­до­го ди­ок­си­да уг­ле­ро­да СО₂)?

5. Как вы ду­ма­е­те, от ка­ких фак­то­ров за­ви­сит тем­пе­ра­ту­ра плав­ле­ния ве­ще­ства?

6. Приведите по пять примеров веществ, имеющих разное агрегатное состояние.