Агрегатное состояние вещества с точки зрения химии

В химии, а еще больше в химической экологии, важное значение имеет агрегатное состояние вещества. Раньше считали, что существует три агрегатных состояния: твердое, жидкое и газообразное. Не так давно добавилось четвертое состояние вещества – плазма.

Любое вещество в зависимости от температуры и давления может находиться в том или ином агрегатном состоянии. Как правило, при низких температурах и высоких давлениях вещество находится в твердом агрегатном состоянии, а при высоких температурах и низких давлениях – в газообразном состоянии. При температурах порядка тысяч и миллионов градусов вещество переходит в ионизированный газ – плазму.

При обычных условиях – комнатной температуре и атмосферном давлении – химическое вещество находится в определенном для него, привычном для нас, стандартном агрегатном состоянии, например, Н2О – жидкость, СО2 – газ, СаСО3 – твердое.

Знание особенностей каждого агрегатного состояния вещества необходимо не только химику, но и химику – экологу для понимания механизма процессов взаимодействия веществ.

Нахождение вещества в определенном агрегатном состоянии зависит как от природы, так и от характера взаимодействия частиц (молекул, атомов, ионов), образующих вещество. Следует иметь ввиду, что в обычных условиях атомы и молекулы практически теряют свою индивидуальность: вступая во взаимодействие, дают более высокую организацию вещества, чем индивидуальная молекула, образуя совокупность, названную агрегатным состоянием.

Переход от атомов и молекул к агрегатному состоянию вещества – химический процесс. Природа сил, обуславливающая образование агрегатного состояния, такая же, как и природа химической связи – электростатическая. Хотя переход из одного агрегатного состояния к другому не приводит к изменениям стехиометрического состава вещества, но он связан с определенным изменением его структуры. И поэтому данный процесс относится к химическому. Условие перехода из одного агрегатного состояния вещества в другое зависит от характера связи между частицами. Межагрегатный переход может сопровождаться изменением силового типа связи. Каждое агрегатное состояние характеризуется определенным характером движения частиц относительно друг друга и расстоянием между частицами. Так, если расстояние между частицами в твердом веществе порядка размеров самих частиц, то расстояние между частицами вещества в газообразном состоянии значительно превышают их размеры. Промежуточное положение занимают жидкости.

Смотрите также

Сурьма
Сурьма (лат. Stibium), Sb, химический элемент V группы периодической системы Менделеева; атомный номер 51, атомная масса 121,75; металл серебристо-белого цвета с синеватым оттенка в природе .

Поиск новых фторидофосфатов лития и переходных металлов
Для современной техники очень важны энергоемкие и портативные аккумуляторы. Используемые в них электродные материалы обладают рядом недостатков и поэтому актуален поиск новых материалов. В .

Главная » Все дисциплины » Химия » Агрегатные состояния веществ

Газ – такое агрегатное состояние, в котором частицы не связаны или весьма слабо связаны друг с другом. Кинетическая энергия теплового движения его частиц значительно превосходят его потенциальную энергию взаимодействия между ними. Поэтому частицы движутся почти свободно, заполняют сосуд, в котором находятся и принимают его форму. Любое вещество можно перевести в газообразное изменяя температуру и давление.

Жидкость – агрегатное состояние вещества, промежуточная между твердым и газообразным. Для нее характерна большая подвижность частиц и малое свободное пространство. Это приводит к тому, что жидкость сохраняет свой объем и принимает форму сосуда. Молекулы размещаются очень близко друг к другу, поэтому плотность жидкости гораздо больше плотности газа при нормальном давлении. При нагревании или уменьшении плотности свойства жидкости такие как вязкость, теплопроводность, меняются в сторону движения со свойствами газов. Тепловое движение молекул жидкости состоит из сочетания коллективных колебательных движений и происходящих время от времени скачков молекул из одних положений равновесия в другие. При наличии внешней силы сохраняют свое направление более длительного времени или интервалу между скачками молекул. Эти молекулы перемещаются в направлении внешней силы, то и приводит к текучести жидкости.

Твердые вещества – агрегатное состояние вещества, характеризующееся формой и характером теплового движения. Это движение называется колебанием атомов и ионов. Амплитуда колебания обычно мала по сравнению с межатомным расстоянием. Структура твердых тел разнообразна: кристаллические и аморфные тела. Кристаллы атомов или ионов расположены в пространстве кристаллической решетки и колеблются около них. Строгая периодичность в расположении атомов приводит к сокращению порядка на больших расстояниях. В аморфных телах атомы колеблются около хаотично расположенных точках. Свойства аморфных тел: изотопы не имеют постоянной температуры плавления, обладают текучестью.

Плазма – частично или полностью ионизированный газ, в котором плотность положительных и отрицательных зарядов одинакова. При сильном нагревании любое вещество испаряется и превращается в газ. Если температуру увеличивать и далее, то резко увеличится процесс ионизации и молекулы газа начнут распадаться на составляющие их атомы, которые затем превращаются в ионы. В состоянии плазмы находится подавляющая часть вещества вселенной. Около Земли плазма существует в виде солнечного ветра и ионосферы.

Коллоидная химия

Агрегатные состояния вещества.

В этом разделе мы рассмотрим агрегатные состояния, в которых пребывает окружающая нас материя и силы взаимодействия между частицами вещества, свойственные каждому из агрегатных состояний.

Принято считать, что вещество может находиться в одном из трёх агрегатных состояниях:

1. Состояние твёрдого тела,

2. Жидкое состояние и

3. Газообразное состояние.

Часто выделяют четвёртое агрегатное состояние – плазму.

Иногда, состояние плазмы считают одним из видов газообразного состояния.

Плазма — частично или полностью ионизированный газ, чаще всего существующий при высоких температурах.

Плазма является самым распространённым состоянием вещества во вселенной, поскоьку материя звёд пребывает именно в этом состоянии.

Для каждого агрегатного состояния характерны особенности в характере взаимодействия между частицами вещества, что влияет на его физические и химические свойства.

Каждое вещество может пребывать в разных агрегатных состояниях. При достаточно низких температурах все вещества находятся в твёрдом состоянии. Но по мере нагрева они становятся жидкостями, затем газами. При дальнейшем нагревании они ионизируются (атомы теряют часть своих электронов) и переходят в состояние плазмы.

Газообразное состояние (от нидерл. gas, восходит к др.-греч. Χάος) характеризующееся очень слабыми связями между составляющими его частицами.

Образующие газ молекулы или атомы хаотически движутся и при этом преобладающую часть времени находятся на больших (в сравнении с их размерами) растояниях друг от друга. Вследствие этого силы взаимодействия между частицами газа пренебрежимо малы.

Основной особенностью газа является то, что он заполняет все доступное пространство, не образуя поверхности. Газы всегда смешиваются. Газ — изотропное вещество, то есть его свойства не зависят от направления.

При отсутствии сил тяготения давление во всех точках газа одинаково. В поле сил тяготения плотность и давление не одинаковы в каждой точке, уменьшаясь с высотой. Соответственно, в поле сил тяжести смесь газов становится неоднородной. Тяжелые газы имеют тенденцию оседать ниже, а более легкие — подниматься вверх.

Газ имеет высокую сжимаемость — при увеличении давления возрастает его плотность. При повышении температуры расширяются.

При сжатии газ может перейти в жидкость, но конденсация происходит не при любой температуре, а при температуре, ниже критической температуры. Критическая температура является характеристикой конкретного газа и зависит от сил взаимодействия между его молекулами. Так, например, газ гелий можно ожижить только при температуре, ниже от 4,2 К.

Существуют газы, которые при охлаждении переходят в твердое тело, минуя жидкую фазу. Превращения жидкости в газ называется испарением, а непосредственное превращение твердого тела в газ — сублимацией.

Твёрдое тело

Состояние твёрдого тела в сравнении с другими агрегатными состояниями характеризуется стабильностью формы.

Различают кристаллические и аморфные твёрдые тела.

Кристаллическое состояние вещества

Стабильность формы твёрдых тел связана с тем, что большинство, находящихся в твёрдом состоянии имеет кристалическое строение.

В этом случае расстояния между частицами вещества малы, а силы взаимодействия между ними велики, что и определяет стабильность формы.

В кристаллическом строении многих твёрдых тел легко убедиться, расколов кусок вещества и рассмотрев полученный излом. Обычно на изломе (например, у сахара, серы, металлов и пр.) хорошо заметны расположенные под разными углами мелкие грани кристаллов, поблескивающие вследствии различного отражения ими света.

В тех случаях, когда кристаллы очень малы, кристаллическое строение вещества можно установить при помощи микроскопа.

Каждое вещество образует кристаллы совершенно определённой формы.

Разнообразие кристаллических форм может быть сведено к семи группам:

1. Триклинная (параллелепипед),

2. Моноклинная (призма с параллелограммом в основании),

3. Ромбическая (прямоугольный параллелепипед),

4. Тетрагональная (прямоугольный параллелепипед с квадратом в основании),

6. Гексагональная (призма с основанием правильного центрированного шестиугольника),

7. Кубическая (куб).

Многие вещества, в частности железо, медь, алмаз, хлорид натрия кристализуются в кубической системе. Простейшими формами этой системы являются куб, октаэдр, тетраэдр.

Магний, цинк, лёд, кварц кристализуются в гексагональной системе. Основные формы этой системы – шестигранные призмы и бипирамида.

Природные кристаллы, а также кристаллы, получаемые искусственным путём, редко в точности соответствуют теоретическим формам. Обычно при затвердевании расплавленного вещества кристаллы срастаются вместе и потому форма каждого из них оказывается не вполне правильной.

Однако как бы неравномерно не происходило развитие кристалла, как бы ни была искажена его форма, углы, под которыми сходятся грани кристалла у одного и того же вещества остаются постоянными.

Особенности кристаллических тел не ограничиваются только формой кристаллов. Хотя вещество в кристалле совершенно однородно, многие из его физических свойств – прочность, теплопроводность, отношение к свету и др. – не всегда одинаковы по различным направлениям внутри кристалла. Эта важная особенность кристаллических веществ называется анизотропией.

Внутреннее строение кристаллов. Кристаллические решётки.

Внешняя форма кристалла отражает его внутреннее строение и обусловлена правильным расположением частиц, составляющих кристалл, — молекул, атомов или ионов.

Это расположение можно представить в виде кристаллической решётки – пространственного каркаса, образованного пересекающимися прямыми линиями. В точках пересечения линий – узлах решётки – лежат центры частиц.

В зависимости от природы частиц, находящихся в узлах кристаллической решётки, и от того, какие силы взаимодействия между ними преобладают в данном кристалле, различают следующие виды кристаллических решёток:

Молекулярные и атомные решётки присущи веществам с ковалентной связью, ионные – ионным соединениям, металические – металам и их сплавам.

Атомные кристаллические решётки

В узлах атомных решёток находятся атомы. Они связаны друг с другом ковалентной связью.

Веществ, обладающих атомными решётками, сравнительно мало. К ним принадлежат алмаз, кремний и некоторые неорганические соединения.

Эти вещества характеризуются высокой твёрдостью, они тугоплавки и нерастворимы практически ни в каких растворителях. Такие их свойства объясняются прочностью ковалентной связи.

Молекулярные кристаллические решётки

В узлах молекулярных решёток находятся молекулы. Они связаны друг с другом межмолекулярными силами.

Веществ с молекулярной решёткой очень много. К ним принадлежат неметаллы, за исключением углерода и кремния, все органические соединения с неионной связью и многие неорганические соединения.

Силы межмолекулярного взаимодействия значительно слабее сил ковалентной связи, поэтому молекулярные кристаллы имеют небольшую твёрдость, легкоплавки и летучи.

Ионные кристаллические решётки

В узлах ионных решёток располагаются, чередуясь положительно и отрицательно заряженные ионы. Они связаны друг с другом силами электростатического притяжения.

К соединениям с ионной связью, образующим ионные решётки, относится большинство солей и небольшое число оксидов.

По прочности ионные решётки уступают атомным, но превышают молекулярные.

Ионные соединения имеют сравнительно высокие температуры плавления. Летучесть их в большинстве случаев не велика.

Металлические кристаллические решётки

В узлах металлических решёток находятся атомы металла, между которыми свободно движутся общие для этих атомов электроны.

Наличием свободных электронов в кристаллических решётках металлов можно объяснить их многие свойства: пластичность, ковкость, металлический блеск, высокую электро- и теплопроводность

Существуют вещества, в кристаллах которых значительную роль играют два рода взаимодействия между частицами. Так, в графите атомы углерода связаны друг с другом в одних направлениях ковалентной связью, а в других – металлической. Поэтому решётку графита можно рассматривать и как атомную, и как металлическую.

Во многих неорганических соединениях, например, в BeO, ZnS, CuCl, связь между частицами, находящимися в узлах решётки, является частично ионной, а частично ковалентной. Поэтому решётки подобных соединений можно рассматривать как промежуточные между ионными и атомными.

Аморфное состояние вещества

Свойства аморфных веществ

Среди твёрдых тел встречаются такие, в изломе которых нельзя обнаружить никаких признаков кристаллов. Например, если расколоть кусок обыкновенного стекла, то его излом окажется гладким и, в отличие от изломов кристаллов, ограничен не плоскими, а овальными поверхностями.

Подобная же картина наблюдается при раскалывании кусков смолы, клея и некоторых других веществ. Такое состояние вещества называется аморфным.

Различие между кристаллическими и аморфными телами особенно резко проявляется в их отношении к нагреванию.

В то время как кристаллы каждого вещества плавятся при строго определённой температуре и при той же температуре происходит переход из жидкого состояния в твёрдое, аморфные тела не имеют постоянной температуры плавления. При нагревании аморфное тело постепенно размягчается, начинает растекаться и, наконец, становится совсем жидким. При охлаждении оно также постепенно затвердевает.

В связи с отсутствием определённой температуры плавления аморфные тела обладают другой способностью: многие из них подобно жидкостям текучи, т.е. при длительном действии сравнительно небольших сил они постепенно изменяют свою форму. Например, кусок смолы, положенный на плоскую поверхность, в теплом помещении на несколько недель растекается, принимая форму диска.

Строение аморфных веществ

Различие между кристаллическим и аморфным состоянием вещества состоит в следующем.

Упорядоченное расположение частиц в кристалле, отражаемое элементарной ячейкой, сохраняется на больших участках кристаллов, а в случае хорошо образованных кристаллов – во всём их объёме.

В аморфных телах упорядоченность в расположении частиц наблюдается только на очень малых участках. Кроме того, в ряде аморфных тел даже эта местная упорядоченность носит лишь приблизительный характер.

Это различие можно коротко сформулировать следующим образом:

• структура кристаллов характеризуется дальним порядком,
• структура аморфных тел – ближним.

Примеры аморфных веществ.

К стабильно-аморфным веществам принадлежат стекла (искусственные и вулканические), естественные и искусственные смолы, клеи, парафин, воск и др.

Переход из аморфного состояния в кристаллическое.

Некоторые вещества могут находиться как в кристаллическом, так и в аморфном состоянии. Диоксид кремния SiO₂ встречается в природе в виде хорошо образованных кристаллов кварца, а также в аморфном состоянии (минерал кремень).

При этом кристаллическое состояние всегда более устойчиво. Поэтому самопроизвольный переход из кристаллического вещества в аморфное невозможен, а обратное превращение – самопроизвольный переход из аморфного состояния в кристаллическое – возможно и иногда наблюдается.

Примером такого превращения служит расстеклование – самопроизволная кристаллизация стекла при повышенных температурах, сопровождающаяся его разрушением.

Аморфное состояние многих веществ получается при высокой скорости затвердевания (остывания) жидкого расплава.

У металлов и сплавов аморфное состояние формируется, как правило, если расплав охлаждается за время порядка долей-десятков миллисекунд. Для стёкол достаточно намного меньшей скорости охлаждения.

Кварц (SiO₂) также имеет низкую скорость кристаллизации. Поэтому отлитые из него изделия получаются аморфными. Однако природный кварц, имевший сотни и тысячи лет для кристаллизации при остывании земной коры или глубинных слоёв вулканов, имеет крупнокристаллическое строение, в отличие от вулканического стекла, застывшего на поверхности и поэтому аморфного.

Жидкость – промежуточное состояние между твёрдым телом и газом.

Жидкое состояние является промежуточным между газообразным и кристаллическим. По одним свойствам жидкости близки к газам, по другим – к твёрдым телам.

С газами жидкости сближает, прежде всего, их изотропность и текучесть. Последняя обуславливает способность жидкости легко изменять свою форму.

Однако высокая плотность и малая сжимаемость жидкостей приближает их к твёрдым телам.

Способность жидкостей легко изменять свою форму говорит об отсутствии в них жёстких сил межмолекулярного взаимодействия.

В то же время низкая сжимаемость жидкостей, обусловливающая способность сохранять постоянный при данной температуре объём, указывает на присутствие хотя и не жёстких, но всё же значительных сил взаимодействия между частицами.

Соотношение потенциальной и кинетической энергии.

Для каждого агрегатного состояния характерно своё соотношение между потенциальной и кинетической энергиями частиц вещества.

У твёрдых тел средняя потенциальная энергия частиц больше их средней кинетической энергии. Поэтому в твёрдых телах частицы занимают определённые положения друг относительно друга и лишь колеблются относительно этих положений.

Для газов соотношение энергий обратное, вследствии чего молекулы газов всегда находятся в состоянии хаотического движения и силы сцепления между молекулами практически отсутствуют, так что газ всегда занимает весь предоставленный ему объём.

В случае жидкостей кинетическая и потенциальная энергия частиц приблизительно одинаковы, т.е. частицы связаны друг с другом, но не жёстко. Поэтому жидкости текучи, но имеют постоянный при данной температуре объём.

Стуктуры жидкостей и аморфных тел схожи.

В результате применения к жидкостям методов структурного анализа установлено, что по структуре жидкости подобны аморфным телам. В большинстве жидкостей наблюдается ближний порядок – число ближайших соседей у каждой молекулы и их взаимное расположение приблизительно одинаковы во всём объёме жидкости.

Степень упорядоченности частиц у различных жидкостей различна. Кроме того, она изменяется при изменении температуры.

При низких температурах, незначительно превышающих температуру плавления данного вещества, степень упорядоченности расположения частиц данной жидкости велика.

С ростом температуры она падает и по мере нагревания свойства жидкости всё больше и больше приближаются к свойствам газа. При достижении критической температуры различие между жидкостью и газом исчезает.

Вследствии сходства во внутренней структуре жидкостей и аморфных тел последние часто рассматриваются как жидкости с очень высокой вязкостью, а к твёрдым телам относят только вещества в кристаллическом состоянии.

Уподобляя аморфные тела жидкостям, следует, однако, помнить, что в аморфных телах в отличие от обычных жидкостей частицы имеют незначительную подвижность – такую же как в кристаллах.

Химическая связь и агрегатные состояния вещества

Лекция № 3

1. Определение и основные типы химической связи

2. Понятие о координационных соединениях

3. Межмолекулярное взаимодействие

4. Агрегатные состояния вещества

1. Определение и основные типы химической связи. Химическая связь – это явление взаимодействия атомов, обусловленное перекрыванием электронных облаков связывающихся частиц, которое сопровождается уменьшением полной энергии системы. Важнейшей энергетической характеристикой служит энергия химической связи, определяющая её прочность; её величина определяется работой, необходимой для разрушения связи, или выигрышем в энергии при образовании вещества из отдельных атомов. К геометрическим параметрам относятся длина связи, валентный угол. Длина связи – это расстояние между центрами ядер атомов в молекуле, когда силы притяжения уравновешены силами отталкивания и энергия системы минимальна. Валентный угол – угол между связями в молекуле.

Химическое взаимодействие едино по своей природе, поэтому деление химических связей на типы носит условный характер, но оно необходимо для выделения важнейших характерных особенностей взаимодействия в данном веществе. Химическая связь описывается тремя основными типами: ковалентной, ионной и металлической.

Ковалентная связь – это взаимодействие между двумя атомами, несильно отличающихся по ЭО (например, между атомами двух неметаллов), при котором атомы обобществляют свои валентные электроны путем образования общих электронных пар. Одна общая электронная пара соответствует одной ковалентной связи. При взаимодействии атомов, одинаковых по ЭО, образуется неполярная ковалентная связь, а разных – полярная.

Образование ковалентной связи может осуществляться двумя способами: а) по обменному механизму (каждый из атомов предоставляет по одному электрону); б) по донорно-акцепторному (донор предоставляет электронную пару, а акцептор – пустую валентную орбиталь).

Главными отличительными особенностями ковалентной связи от других типов является её направленность (в сторону максимального перекрывания электронных облаков), поляризуемость и насыщаемость.

Кратные связи – ковалентные связи, осуществляемые более чем одной парой электронов. При перекрывании валентные орбитали могут подвергаться гибридизации – смешению орбиталей, сопровождающемуся изменением формы электронного облака.

Ионная связь – это взаимодействие между атомом металла и неметалла, в результате которого атомы «стремятся» приобрести электронную конфигурацию благородного газа. Металл отдает свои валентные электроны неметаллу, в результате чего появляются катион и анион. Образовавшиеся противоионы электростатически притягиваются друг к другу, что и обуславливает химическую (ионную) связь между ними.

Следует отметить, что 100% -ной ионной вязи в природе не существует, можно лишь говорить о преобладании ионной компоненты в некоторых веществах, состоящих из частиц, которые резко отличаются по ЭО. Ионная связь ненасыщенная и ненаправленная.

Металлическая связь реализуется в жидких и твердых металлах. Атомы металлов характеризуются значительным дефицитом электронов на внешнем уровне. Перекрывание внешних валентных орбиталей при взаимодействии атомов металлов друг с другом приводит к появлению особого типа химической связи – металлической, которая представляет собой случай предельной делокализации химической связи. Электроны металлической связи не принадлежат какому-либо одному атому или группе атомов, они относительно свободно перемещаются во всем объеме металла. Металлическая связь сходна с ковалентной тем, что основана на обобществлении электронов. Особые свойства металлической связи (ненаправленность, ненасыщенность, многоэлектронность и многоцентровость) определяет ряд специфических физических свойств металлов и их сплавов: высокие значения тепло- и электропроводности, большую пластичность и т. д.

2. Понятие о комплексных соединениях. Это устойчивые химические соединения сложного состава, в которых обязательно имеется хотя бы одна связь, возникшая по донорно-акцепторному механизму.

Комплексные соединения состоят из комплексообразователя и лигандов, образующих внутреннюю сферу, и внешней сферы, состоящей из ионов, которые компенсируют заряд внутренней сферы.

Комплексообразователь (центральный атом, ядро комплекса) – это атом или ион, который является акцептором электронных пар, предоставляя свободные АО, и занимает центральное положение в комплексном соединении. Чаще всего роль комплексообразователей играют ионы d-металлов. Если в комплексном соединении один комплексообразователь, то оно называется моноядерным, если несколько – полиядерным.

Лиганды – молекулы или ионы, которые являются донорами электронных пар и непосредственно связаны с комплексообразователем. В качестве лигандов выступают молекулы воды, аммиака, галогенид-ионы и многие другие. Если лиганд связан с комплексообразователем одной связью его называют монодентатным, если несколькими – полидентатным.

Число связей, которые образует комплексообразователь с лигандами, называется координационным числом.

Внутренняя сфера (комплекс, комплексный ион) – совокупность центрального атома и лигандов. В химических формулах заключается в квадратные скобки.

В зависимости от заряда комплексного иона различают катионные, анионные и нейтральные комплексные соединения. Например, K₃[Fe(CN)₆], [Ag(NH₃)₂]Cl, [Pt (NH₃)₃Cl₂].

Внешняя сфера – положительно или отрицательно заряженные ионы, нейтрализующие заряд комплексного иона и связанные с ним ионной связью.

3. Межмолекулярные взаимодействия и агрегатные состояния вещества. Внутри молекул – прочные ковалентные связи. Но и между молекулами есть притяжение, только более слабое. Если бы его не было, то все молекулярные вещества при всех температурах были бы газами. Возможность существования веществ в твердом и жидком состоянии свидетельствует о том, что между молекулами этих веществ действуют силы притяжения, которые называют межмолекулярными связями или взаимодействиями (силами).

В зависимости от природы частиц осуществляются различные виды взаимодействия. Рассмотрим их в порядке убывания энергии взаимодействия.

Водородная связь. Водородная связь возникает за счет притяжения положительно поляризованного атома водорода одной молекулы (части молекулы) с электроотрицательным атомом другой молекулы (другой части молекулы). В соответствии с этим различают межмолекулярные и внутримолекулярные водородные связи. Водородные связи существуют в HF, NH₃, H₂O и во многих других веществах.

Энергия водородной связи значительно меньше энергии обычной ковалентной связи. Однако ее достаточно, чтобы вызвать ассоциацию молекул. Именно ассоциация молекул служит причиной аномально высоких температур плавления и кипения таких веществ, как фтороводород, вода, аммиак. Водородная связь в значительной мере определяет свойства и таких биологически важных веществ, как белки и нуклеиновые кислоты.

Ион-дипольное взаимодействие. Осуществляется в растворах между полярными молекулами растворителя и ионами растворенного вещества, играют важную роль во многих биологических системах.

Силы Ван-дер-Ваальса. Различают три типа этих сил. Ориентационное (диполь-дипольное) взаимодействие: полярные молекулы, то есть диполи ориентируются друг к другу противоположно заряженными концами и притягиваются (но не так сильно, как при водородной связи). Индукционное взаимодействие – притяжение дипольной молекулы к наведенному ею (индуцированному) диполю в молекуле, которая сама по себе неполярна. Дисперсионное взаимодействие – притяжение мгновенных диполей, которые образуются в любом атоме, ионе, молекуле из-за флуктуаций электронной плотности. Дисперсионные силы – общие для всех веществ (молекулярных и немолекулярных, с полярной и неполярной связью), но в чистом виде они наблюдаются между неполярными молекулами.

Агрега́тное состоя́ние – состояние вещества, характеризующееся определёнными качественными свойствами – способностью или неспособностью сохранять объём и форму, наличием или отсутствием дальнего и ближнего порядка и другими. Ближний порядок – это упорядоченность во взаимном расположении соседних атомов или молекул в веществе, которая повторяется лишь на расстояниях, соизмеримых с расстояниями между атомами. Дальний порядок – это упорядоченность во взаимном расположении атомов или молекул в веществе, которая повторяется на неограниченно больших расстояниях.

В современной физике выделяют следующие агрегатные состояния: твёрдое тело, жидкость, газ, плазма (полностью или частично ионизированный газ).

Твёрдое и жидкое состояния вещества относятся к конденсированным состояниям – атомы или молекулы вещества в них находятся настолько близко друг к другу, что неспособны свободно двигаться. Для твердых тел характерны собственная форма, механическая прочность, постоянный объем. В зависимости от степени упорядоченности частиц твердые вещества разделяются на кристаллические и аморфные. Твердая фаза кристаллических веществ состоит из частиц (атомов, молекул, ионов), которые образуют однородную структуру, характеризующуюся строгой повторяемостью одной и той же элементарной ячейки во всех направлениях, то есть дальним порядком.

Элементарная ячейка кристалла – часть кристаллической решетки, параллельные переносы которой в трех измерениях позволяют построить всю кристаллическую решетку. Кристаллические решетки классифицируют по типу частиц их образующих на ионные, атомные и молекулярные.

К особенностям твердого вещества относятся: 1) анизотропия – неодинаковость всех или нескольких физических и химических свойств вещества по разным направлениям, то есть зависимость свойств от направления; 2) полиморфизм – явление существования вещества в зависимости от условий (температуры и давления) в разных кристаллических структурах; 3) изоморфизм: если вещества имеют сходные формулу и тип кристаллической решетки, то они могут образовывать твердые растворы и называются изоморфными.

В аморфном состоянии наблюдается только ближний порядок расположения частиц. Аморфные вещества – изотропны, то есть свойства их не зависят от направления.

Для жидкого состояния характерны текучесть и изотропность. Жидкости имеют промежуточную природу между твердыми веществами и газами. В них наблюдается ближний порядок расположения молекул. Для жидкого состояния характерны броуновское движение, диффузия и летучесть частиц, вязкость (сопротивление текучести), поверхностное натяжение. Состояние вещества, характеризующееся наличием одновременно свойств и жидкости (текучесть) и кристалла (анизатропность), называется жидкокристаллическим состоянием.

Газ (от греч. хаос) – агрегатное состояние вещества, характеризующееся очень слабыми связями между составляющими его частицами, (молекулами, атомами или ионами), а также их большой подвижностью.

Газообразное состояние вещества в условиях, когда возможно существование устойчивой жидкой или твёрдой фазы этого же вещества, обычно называется паром. Подобно жидкостям, газы обладают текучестью и сопротивляются деформации. В отличие от жидкостей, газы не имеют фиксированного объёма и не образуют свободной поверхности, а стремятся заполнить весь доступный объём (например, сосуда). Газообразное состояние – самое распространённое состояние вещества Вселенной.

АГРЕГАТНЫЕ СОСТОЯНИЯ ВЕЩЕСТВА

Освоение изложенного материала позволит:

знать структуру агрегатного состояния вещества — газового, жидкого и твердого, которое определяется характером взаимодействия частиц (атомов, молекул, ионов). В газообразном состоянии структура не упорядочена, в жидком состоянии наблюдается ближний порядок, в твердом состоянии существует высокая упорядоченность структур. Знать следует уравнение Клапейрона — Менделеева, расчеты парциального давления газов, уравнение распределения Максвелла — Больцмана, отличие так называемых идеальных газов от реальных по поведению в химических процессах (уравнение Ван-дер-Ваальса с определенными поправками) для газовых смесей, иметь понятие о коэффициенте сжимаемости, образовании кластерных соединений, или ассоциатов, иметь представление о процессах конденсации паров и о природе жидкого состояния вещества. Знать определение критических точек и критические параметры, современную теорию жидкого состояния (уравнение Камерлинг — Оннеса);

уметь определять текучесть и вязкость жидкостей, иметь представление о стеклообразном состоянии, температуре кристаллизации веществ, в том числе ситаллов;

владеть применением теоретических воззрений при создании кристаллических фазовых структур (стекол, ситаллов, стеклянных волокон для средств связи и т.д.). Применительно к твердым кристаллам владеть законами кристаллографии, зная координационное число, постоянную решетки, энергию кристаллической решетки и ее параметры, геометрию кристаллов, в том числе приводить примеры гексагональной, кубической, гранецентрированной и кубической объемно-центрированной решеток кристаллов. Иметь примеры полиморфного состояния кристаллов. По типам кристаллических структур различать молекулярные, атомно-ковалентные, ионные и металлические химические связи.

Природа химической связи между атомами вещества определяет его химические свойства, но не объясняет причин его агрегатного состояния — газового, жидкого или твердого, а при очень высоких температурах — плазменного.

Состояние вещества определяется структурой и характером взаимодействия между его частицами (атомами, молекулами, ионами), что позволяет объяснить все механические, многие физические и некоторые физико-химические свойства реально существующих материалов.

При газообразном состоянии вещества молекулы находятся друг от друга на значительных расстояниях и поэтому при обычных давлениях и температурах практически не взаимодействуют друг с другом. Таким образом, структура вещества в газообразном состоянии не упорядочена.

При жидком состоянии вещества расстояния между частицами значительно меньше, чем у веществ в газообразном состоянии. Частицы соприкасаются между собой, испытывают постоянное взаимное воздействие, т.е. наблюдается некоторая упорядоченность их расположения (ближний порядок), хотя частицы и подвижны относительно друг друга.

При твердом состоянии вещества частицы настолько сближены друг с другом, что между ними могут возникать прочные связи. В твердых веществах практически отсутствует движение частиц относительно друг друга и существует высокая упорядоченность структур.

В связи с этим свойства веществ в различных агрегатных состояниях, некоторые из которых представлены в табл. 4.1, существенно различаются.

Основные свойства веществ в различных агрегатных состояниях

Тема 1.4. Агрегатные состояния вещества+

Агрегатное состояние вещества

Вещество – реально существующая совокупность частиц, связанных между собой химическими связями и находящихся при определенных условиях в одном из агрегатных состояний. Любое вещество состоит из совокупности очень большого числа частиц: атомов, молекул, ионов, которые могут объединяться между собой в ассоциаты, называемые также агрегатами или кластерами. В зависимости от температуры и поведения частиц в ассоциатах (взаимное расположение частиц, их число и взаимодействие в ассоциате, а также распределение ассоциатов в пространстве и их взаимодействии между собой) вещество может находиться в двух основных агрегатных состояниях – кристаллическом (твердом) или газообразном, и в переходных агрегатных состояниях – аморфном (твердом), жидкокристаллическом, жидком и парообразном. Твердое, жидкокристаллическое и жидкое агрегатные состояния являются конденсированными, а парообразное и газообразное – сильно разряженными.

Фаза – это совокупность однородных микрообластей, характеризующихся одинаковой упорядоченностью и концентрацией частиц и заключенных в макроскопическом объеме вещества, ограниченном поверхностью раздела. В таком понимании фаза характерна только для веществ, находящихся в кристаллическом и газообразном состояниях, т.к. это однородные агрегатные состояния.

Метафаза – это совокупность разнородных микрообластей, отличающихся друг от друга степенью упорядоченности частиц или их концентрацией и заключенных в макроскопическом объеме вещества, ограниченном поверхностью раздела. В таком понимании метафаза характерна только для веществ, находящихся в неоднородных переходных агрегатных состояний. Разные фазы и метафазы могут смешиваться между друг с другом, образуя одно агрегатное состояние, и тогда между ними нет поверхности раздела .

Обычно не разделяют понятия «основное» и «переходное» агрегатные состояния. Понятия «агрегатное состояние», «фаза» и «мезофаза» часто используют как синонимы. Целесообразно рассматривать для состояния веществ пять возможных агрегатных состояний: твердое, жидкокристаллическое, жидкое, парообразное, газообразное. Переход одной фазы в другую фазу называют фазовым переходом первого и второго рода. Фазовые переходы первого рода характеризуются:

— скачкообразным изменением физических величие, описывающих состояние вещества ( объем, плотность, вязкость и т.д.);

— определенной температурой, при которой совершается данный фазовый переход

— определенной теплотой, характеризующий данный переход, т.к. рвутся межмолекулярные связи.

Фазовые переходы первого рода наблюдаются при переходе из одного агрегатного состояния в другое агрегатное состояние. Фазовые переходы второго рода наблюдаются при изменении упорядоченности частиц в пределах одного агрегатного состояния, характеризуются:

— постепенное изменение физических свойств вещества;

— изменение упорядоченности частиц вещества под действием градиента внешних полей или при определенной температуры, называемой температурой фазового перехода;

— теплота фазовых переходов второго рода равна и близка к нулю.

Главное различие фазовых переходов первого и второго рода заключается в том, что при переходах первого рода, прежде всего, изменяется энергия частиц системы, а в случае переходов второго рода – упорядоченность частиц системы.

Переход вещества из твердого состояния в жидкое называется плавлением и характеризуется температурой плавления. Переход вещества из жидкого в парообразное состояние называется испарением и характеризуется температурой кипения. Для некоторых веществ с небольшой молекулярной массой и слабым межмолекулярным взаимодействием возможен непосредственный переход из твердого состояния в парообразное, минуя жидкое. Такой переход называется сублимацией. Все перечисленные процессы могут протекать и в обратном направлении: тогда их называют замерзанием, конденсацией, десублимацией.

Вещества, не разлагающиеся при плавлении и кипении, могут находиться в зависимости от температуры и давления во всех четырех агрегатных состояниях.

При достаточно низкой температуре практически все вещества находятся в твердом состоянии. В этом состоянии расстояние между частицами вещества сопоставимы с размерами самих частиц, что обеспечивает их сильное взаимодействие и значительное превышение у них потенциальной энергии над кинетической энергией.. Движение частиц твердого вещества ограничено только незначительными колебаниями и вращениями относительно занимаемого положения, а поступательное движение у них отсутствует. Это приводит к внутренней упорядоченности в расположении частиц. Поэтому для твердых тел характерна собственная форма, механическая прочность, постоянный объем (они практически несжимаемы). В зависимости от степени упорядоченности частиц твердые вещества разделяются на кристаллические и аморфные.

Кристаллические вещества характеризуются наличием порядка в расположении всех частиц. Твердая фаза кристаллических веществ состоит из частиц, которые образуют однородную структуру, характеризующуюся строгой повторяемостью одной и той же элементарной ячейки во всех направлениях. Элементарная ячейка кристалла характеризует трехмерную периодичность в расположении частиц, т.е. его кристаллическую решетку. Кристаллические решетки классифицируются в зависимости от типа частиц, составляющих кристалл, и от природы сил притяжения между ними.

Многие кристаллические вещества в зависимости от условий (температура, давление) могут иметь разную кристаллическую структуру. Это явление называется полиморфизмом. Общеизвестные полиморфные модификации углерода: графит, фуллерен, алмаз, карбин.

Аморфные (бесформенные) вещества. Это состояние характерно для полимеров. Длинные молекулы легко изгибаются и переплетаются с другими молекулами, что приводит к нерегулярности в расположении частиц.

Отличие аморфных частиц от кристаллических:

изотропия – одинаковость физических и химических свойств тела или среды по всем направлениям, т.е. независимость свойств от направления;

отсутствие фиксированной температуры плавления.

Аморфную структуру имеют стекло, плавленый кварц, многие полимеры. Аморфные вещества менее устойчивы, чем кристаллические, и поэтому любое аморфное тело со временем может перейти в энергетически более устойчивое состояние – кристаллическое.

При повышении температуры энергия тепловых колебаний частиц возрастает, и для каждого вещества имеется температура, начиная с которой энергия тепловых колебаний превышает энергию связей. Частицы могут совершать различные движения, смещаясь относительно друг друга. Они еще остаются в контакте, хотя правильная геометрическая структура частиц нарушается – вещество существует в жидком состоянии. Вследствие подвижности частиц для жидкого состояния характерны броуновское движение, диффузия и летучесть частиц. Важным свойством жидкости является вязкость, которая характеризует межассоциатные силы, препятствующие свободному течению жидкости.

Жидкости занимают промежуточное положение между газообразным и твердым состоянием веществ. Более упорядочная структура, чем газ, но менее чем твердое вещество.

Паро – и газообразное состояния

Паро-газообразное состояние обычно не различают.

Газ – это сильно разряженная однородная система, состоящая из отдельных молекул, далеко отстоящих друг от друга, которую можно рассматривать как единую динамическую фазу.

Пар — это сильно разряженная неоднородная система, представляющая собой смесь молекул и неустойчивых небольших ассоциатов, состоящих из этих молекул.

Молекулярно-кинетическая теория объясняет свойства идеального газа, основываясь на следующих положениях: молекулы совершают непрерывное беспорядочное движение; объем молекул газа пренебрежимо мал по сравнению с межмолекулярными расстояниями; между молекулами газа не действуют силы притяжения или отталкивания; средняя кинетическая энергия молекул газа пропорциональна его абсолютной температуре. Вследствие незначительности сил межмолекулярного взаимодействия и наличия большого свободного объема для газов характерны: высокая скорость теплового движения и молекулярной диффузии, стремление молекул занять как можно больший объем, а также большая сжимаемость.

Изолированная газофазная система характеризуется четырьмя параметрами: давлением, температурой, объемом, количеством вещества. Связь между данными параметрами описывается уравнением состояния идеального газа:

R = 8,31 кДж/моль – универсальная газовая постоянная.

Агрегатные состояния вещества

Вещество может пребывать в твердом, жидком или газообразном состояниях, а при особых условиях также в плазменном состоянии.

Любое вещество состоит из молекул, а его физические свойства зависят от того, каким образом упорядочены молекулы и как они взаимодействуют между собой. В обычной жизни мы наблюдаем три агрегатных состояния вещества — твердое, жидкое и газообразное.

Газ расширяется, пока не заполнит весь отведенный ему объем. Если рассмотреть газ на молекулярном уровне, мы увидим беспорядочно мечущиеся и сталкивающиеся между собой и со стенками сосуда молекулы, которые, однако, практически не вступают во взаимодействие друг с другом. Если увеличить или уменьшить объем сосуда, молекулы равномерно перераспределятся в новом объеме. Молекулярно-кинетическая теория связывает молекулярные свойства газа с его макроскопическими свойствами, такими как температура и давление.

В отличие от газа жидкость при заданной температуре занимает фиксированный объем, однако и она принимает форму заполняемого сосуда — но только ниже уровня ее поверхности. На молекулярном уровне жидкость проще всего представить в виде молекул-шариков, которые хотя и находятся в тесном контакте друг с другом, однако имеют свободу перекатываться друг относительно друга, подобно круглым бусинам в банке. Налейте жидкость в сосуд — и молекулы быстро растекутся и заполнят нижнюю часть объема сосуда, в результате жидкость примет его форму, но не распространится в полном объеме сосуда.

Твердое тело имеет собственную форму, не растекается по объему контейнера и не принимает его форму. На микроскопическом уровне атомы прикрепляются друг к другу химическими связями, и их положение друг относительно друга фиксировано. При этом они могут образовывать как жесткие упорядоченные структуры — кристаллические решетки, — так и беспорядочное нагромождение — аморфные тела (именно такова структура полимеров, которые похожи на перепутанные и слипшиеся макароны в миске).

Выше были описаны три классических агрегатных состояния вещества. Имеется, однако, и четвертое состояние, которые физики склонны относить к числу агрегатных. Это плазменное состояние. Плазма характеризуется частичным или полным срывом электронов с их атомных орбит, при этом сами свободные электроны остаются внутри вещества. Таким образом, плазма, будучи ионизированной, в целом остается электрически нейтральной, поскольку число положительных и отрицательных зарядов в ней остается равным. Мы можем наблюдать как холодную и в незначительной степени ионизированную плазму (например, в люминесцентных лампах), так и полностью ионизированную горячую плазму (внутри Солнца, например).

При сверхнизких температурах скорости молекул снижаются настолько, что мы не можем точно определить их местоположение. Это происходит в силу принципа неопределенности Гейзенберга. Когда температура снижается настолько, что степень неопределенности положения атомов оказывается сопоставимой с размерами группы атомов, к которой они принадлежат, вся группа начинает вести себя, как единое целое. Такое состояние вещества называется конденсатом Бозе—Эйнштейна, и его можно считать пятым агрегатным состоянием вещества.

Ну, вот здесь-то зачем идти против практики? Сейчас не тогда, и вообще, — здесь нам не тут!
Мы-то как бы уж точно знаем, что агрегатные состояния не существуют в детерминированном виде. Кстати, это противоречило бы и всем современным теориям.
Так что же оно есть, это агрегатное?

— Не более чем способ объединения атомов в группы. — Не, вру, — более.
Это еще и объединение частиц в атомы. Качественной разницы нет. Механизм един. И он не из таблицы Дмитрия Иваныча, к сожалению.
Единственный интересный момент в таком переходе (от атомов к частицам), как раз в том, что качественной разницы, действительно, нет. Отсюда и закидоны холодного термояда, кстати. Разве не интересный момент, согласитесь. А интересен он еще и тем, что мы заведомо ищем ИНОЕ качество. — Не черная ли кошка в темной комнате?

Плазма, опять же. Это ли не доказательство только что сказанного? Да, действительно, от «между атомов» мы переехали уже к внутри. А все же, — надо было втемяшить «противоречие»!
Можно ли не замечать таких простых вещей? А именно, — единство механизма для атомов, молекул, частиц?
Для микро и макро, короче.

Демокрит (допустим, условно) дал исчерпывающую концепцию атомизма. Потом был еще Максвелл, который мечтал найти ту фабрику, на которой Бог печет эти разные «атомы», так удивительно повторяющие друг друга! . Не нашел. .

А ведь в рамках именно атомизма по Демокриту мы и не можем усмотреть каких-то качественных различий в агрегатных состояниях!
Воистину, концепция гениальна. И она философская, что характерно.
Все остальное, — «около того». В лучшем случае.

Статья в стиле рассказа детям на уроке природоведения.
Характеризовать агрегатное состояние по тому как вещество, находящееся в нем, заполняет предоставленный ему объем можно в рассказе второклассникам.

В жидкости друг относительно друга движутся не молекулы, а их небольшие группы.

Не показана разница между аморфными и твердыми телами.

Не выполнена главная задача любой энциклопедии: точного краткого описания с множеством ссылок на другие статьи, разъясняющих смысл всех специальных слов и понятий, встречающихся в описании, в конце концов приводящих к элементарным законам.

Цитирую исходник :
———————————————————— —
Вещество может пребывать в твердом, жидком или газообразном
состояниях, а при особых условиях также в плазменном состоянии».
———————————————————— —
На «птичьем базаре комментаторов» обнаружил дельное замечание :
«Надо быть точнее в формулировках».

Конструктивно :
———————
Существуют только четыре состояния макровещества,
различимые ОРГАНОЛЕПТИЧЕСКИ :
Г, Ж, Т, высокоэластичное (уловно,’резина’ — Р), —
обычный термин для их состояния — «агрегатное» —
удобное привычностью и мнемоникой прилагательное,
которое не надо воспринимать всерьёз.

Состояния же материи, различимые только измерительными
ПРИБОРАМИ (тоже условный термин), возможно,
неисчислимы (и для «вещества»).

Поэтому и следует называть «Агрегатными состояниями вещества» только
различимые «органолептически» четыре — Г,Ж,Т и Э (эластомеры).

Про «забытое начисто» пятитомником Физической Энциклопедии последнее
см. «Золушка теорфизики» в докладе клубу «Добыча интеллекта homo sapiens»
(аиф добыча интеллекта) или (спгу добыча интеллекта) —
весёлое повествование .

Заставка вольного изложения серьёзной статьи
— по вып.01. «ЖЭ’ТФ, У’ФН и МЗ’ «:
http://samlib.ru/editors/w/wira/zhetfufnimz.shtml .
———————————————————— ——

Младенцы отличают 4 вида веществ:
Г (воздух), Ж (вода), Т (стенка . и лоб тоже) и Э (эластомеры: соска, желе, подушка, . ).

Но про Эластомеры молчат все пять томов Физической Энциклопедии ,
т.к. нет приличной теории, —
. и с кафедр звучит изящное наукообразие .

Движение в настоящий момент остаётся прошлым в изменениях движений других носителей.
[quote=»AnaLog»]Гы-гы-гы.
Какая может быть тонкость там, где всё измеряется одной линейкой? «Тонкость» возникает в одном случае, если в глазах двоится!
Вот пример:
[quote]Противостояния размерностей рождают точку равновесия с [b]двумя сторонами-личиками[/b], а давления в их затылки, в спины, сталкивают за линию равновесия, нарушая её, возбуждая стремление к восстановлению равенства размерных частей пространства и равновесия центробежных (+) и центростремительных (-) движений- сдвигов их размерных частей структурного пространства, что вдоль вертикали действия сил тяжести и антитяжести, как вдоль радиусов, сходящихся к центру кривизны, как к нулевой точке координат, своим нарушением создаёт поступательно-возвратные, откатные движения, гравитационные, которые принимают форму орбит разной геометрической формы-эллипсов. А измеряется размерность пространства линейкой с разными масштабами.[/quote] [quote]«Неуловимое время измеряется уловимым, закольцованным в орбиты разных радиусов, движением. [/quote]Я устал хохотать! А песочных часов вам недостаточно? Для вас песочные часы, это слишком мелко? А орбиты одного радиуса тоже недостаточно? А электронные часы с кварцевым стабилизатором частоты тоже не годятся,но есть же часы, которые считаются эталонными. Ядерные кажется. на ядерном переходе работают. Так нет, вам две орбиты нужны. Выпил наверное, мало 🙁
ладно, возьмите всё, что вам нужно, и проведите измерения, которые можно повторить и в вашем отсутствии и которые докажут существование эээээ
прошлого движения, которое является массой, кажется , нонешней.
Тока не смешите заявлениями о том, что инерция -это тоже прошлое движение.
Пивень, вы пустозвон, который ничего не может доказать, или показать что-либо в научном плане новое, повторяемое.

Начните измерения и окажется, что всё давно измерено и всё давно просчитано!
Прошлое движение, говорите? Возьмите настояшее движение и через мгновение оно станет прошлым! И что изменилось? где новая масса? Блин, все просчитывается известными кинематическими формулами, а вы при этом тут со своей теорией лишний. [/quote]Если Вы не принимаете моё объяснение, то сами объясните, как рождается первичное движение? Как первичное неуловимое движение закольцовывается и в таком состоянии повторяется много раз, как и обращение Земли с повторениями лета и зимы, что мы воспринимаем массой-симбиозом движения и части пространства? Прошлое движение проявляется, материализуется через труд-инерцию, перелетающую на препятствие и изменяющее его форму и направленность движения. Настоящее движение (например, автомобиля, который своим движением перевозит груз с одного места на другое) работой переносится на объект, когда инерцией движение от одного носителя (хозяина) переходит к другому носителю (хозяину). Движения работают в момент настоящего времени, но настоящее время сменяется очередным настоящим временем, а предыдущее настоящее становится прошлым временем и его движением. Если время остановить невозможно, то движения останавливаются там, где затихает их инерция в результате торможения-передачи движения от одного тела другим телам среды.
2.5.2015г. Пивень Григорий.