Межмолекулярные взаимодействия и агрегатные состояния вещества

При изучении свойств различных веществ наряду с внутримолекулярными взаимодействиями необходимо учитывать также взаимодействие между молекулами вещества. Агрегатное состояние вещества - это форма существования вещества, за­висящая от расстояния между его частицами (молекулами, атомами, ионами) и взаи­модействия между ними. В зависимости от условий (температуры, давления) вещества могут находиться в твердом, жидком или газообразном состояниях. Четвертым агрегатным состояни­ем вещества является плазма, которая представляет собой полностью или частично ионизированный газ. Изменение агрегатного состояния вещества, происходящее при изменении температуры и (или) давления, называется фазовым переходом. При мерами фазо­вых переходов являются: плавление (переход твердого вещества в жидкое состоя­ние), кристаллизация (переход из жидкого состояния в твердое), сублимация (пере­ход из твердого состояния в газообразное), испарение (переход из жидкости в газ), конденсация (переход из газа в жидкость или из газа в твердое состояние).

Газ - это состояние вещества, характеризующееся большим расстоянием (много большим размеров самих частиц) и очень слабым взаимодействием между частицами. Средняя кинетическая энергия движения частиц газа значительно больше их средней потенциальной энергии взаимодействия. Газы отличаются малой плотностью и высокой сжимаемостью. Они не сохра­няют ни формы, ни объема и заполняют весь предоставленный им объем. Большин­ство газов - соединения с ковалентным типом связи в молекуле. Для описания состояния реального газа применяется уравнение Ван-дер­-Ваальса: (р + a/V²)(V - b) = RT, где р - давление, V - объем, занимаемый одним молем газа, Т - абсолютная темпе­ратура газа, R - универсальная газовая постоянная, равная 8,31 Дж/(моль*К), а и b - ­постоянные для данного газа величины, определяемые экспериментально.

Если вещество находится в конденсированном состоянии - жидком или твер­дом - то расстояния между частицами малы, а силы взаимодействия между ними значительны. Они приводят к тому, что вещества в конденсированном состоянии имеют, в отличие от газов, постоянный при данной температуре объем.

Жидкость - это состояние вещества, характеризующееся малым расстоянием между молекулами и относительной их подвижностью. Жидкости мало­сжимаемы, но легко изменяют свою форму. Вещества в жидком состоянии характери­зуются ковалентным типом связи в молекулах. В жидкостях средняя кинетическая энергия движения частиц примерно равна их средней потенциальной энергии взаи­модействия. Жидкость обладает определенной структурой. Однако упорядоченность в расположении частиц жидкости наблюдается только на небольших участках. Не­прерывное перемещение молекул жидкости приводит к сильно выраженной текуче­сти.

Твердое вещество - это состояние вещества, характери­зующееся сильным взаимодействием и малыми расстояниями между частицами, а также упорядоченной пространственной структурой. Частицы в твердом веществе находятся в фиксированных положениях, вблизи которых могут совершать неболь­шие колебательные движения. Большинство твердых веществ имеют кристаллическое строение. Расстояния между частицами кристаллического вещества приблизительно равны размерам са­мих частиц. Средняя потенциальная энергия взаимодействия частиц больше их средней кинетической энергии движения. Движение частиц в кристалле ограничено, т.к. силы, действующие между частицами, удерживают их в узлах решетки кристалла. Это приводит к строго определенной ориентации частиц в кристалле. Поэтому кри­сталлические тела обладают формой, объемом, сопротивлением к сдвигу.

Регулярное расположение частиц в кристалле называется кристаллической решеткой. В зависимости от природы составляющих частиц кристаллические решет­ки могут быть ионными, атомными, молекулярными и металлическими. Атомные кристаллические решетки образованы нейтральными атомами, связанными друг с другом ковалентными связями. Веществ, обладающих атомной решеткой, сравнительно немного; к ним относятся, например, алмаз, кремний, соеди­нения элементов с углеродом и кремнием - карбиды и силициды. Так как ковалентные связи отличаются большой прочностью, то вещества, имеющие атомные решетки, являются твердыми, тугоплавкими, малолетучими и практически нерастворимыми в воде. Для них характерны высокие температуры плавления и кипения. Алмаз, например, сублимирует, т.е. не плавится, а сразу пере­ходит в газовую фазу при температурах выше 35000с. Ионные кристаллические решетки состоят из ионов противоположного знака, которые чередуются в узлах и связаны сильным ионным взаимодействием. Ионы мо­гут быть простыми (Na+, СГ) и сложными (NH/, NОз-). Такие решетки характерны для солей и некоторых оксидов. Связи между ионами из-за сил кулоновского взаимодействия - прочные, поэтому ионным соединениям свойственны высокие температуры плавления и кипения, ма­лая летучесть и достаточно большая твердость.

В молекулярных кристаллических решетках в узлах находятся молекулы. Кристаллы такого типа образуют большинство веществ с ковалентной связью. В металлических кристаллических решетках в узлах находятся ионы метал­лов, а внутри кристалла - свободно двигающиеся электроны. Поэтому металлическая связь является нелокализованной. Для металлов наиболее характерны три типа кри­сталлических решеток: кубическая объемноцентрированная (ее имеет железо Fe), кубическая гранецентрированная (характерна для меди Сu) и гексаго­нальная (ее имеет магний Mg). Присутствие в металлических решетках свободных электронов обеспечивает ковкость металлов, их хорошую теплопроводность и элек­тропроводность

Существуют твердые вещества, в которых отсутствуют кристаллические решетки. Например, стекло, смолы, твердый клей и некоторые другие. Такие твердые вещества называются аморфными. Различие между кристаллическим и аморфным веществом проявляется при их нагревании. Кристаллы плавятся при строго определенной температуре. Аморфные вещества при нагревании сначала размягчаются, затем растекаются и лишь при дальнейшем повышении температуры становятся жидкими. Кристаллическое состояние всегда более устойчиво, чем аморфное. Поэтому может происходить самопроизвольный переход из аморфного состояния в кристал­лическое. Кристаллические и аморфные состояния различаются внутренним строением. Структура кристаллов характеризуется дальним порядком, т.е. упорядоченным рас­положением частиц во всем объеме кристалла. Структура аморфных тел характери­зуется ближним порядком, Т.е. упорядоченным расположением частиц только на ма­лых участках.

Четвертым агрегатным состоянием вещества принято считать плазму, ко торая представляет собой ионизированный квазинейтральный газ, образующийся при повышении температуры до тысяч и миллионов градусов. Плазма является сме­сью непрерывно перемещающихся атомов, электронов, положительных ионов и даже атомных ядер. Она обладает электронной и ионной проводимостью. В земных условиях плазма реализуется в молниях и северном сиянии, в элек­трической дуге, в светящихся неоновых и аргоновых лампах …В верхних слоях атмосферы, подверженных интенсивным воздействиям ионизирующих факторов ­ультрафиолетовых и космических лучей, находится ионосфера, представляющая со­бой слабо ионизированную плазму. Ионосфера отражает радиоволны, обеспечивая радиосвязь на больших расстояниях. Во Вселенной плазма - наиболее распространенное состояние вещества. В таком состоянии находятся звезды, туманности, межзвездное вещество и т.д. Огромным сгустком плазмы является Солнце.