Агрегатные состояния вещества химия реферат

Обновлено: 04.07.2024

Вы можете заказать написание любой учебной работы на любую тему.

* Данная работа не является научным трудом, не является выпускной квалификационной работой и представляет собой результат обработки, структурирования и форматирования собранной информации, предназначенной для использования в качестве источника материала при самостоятельной подготовки учебных работ.

Агрегатные состоя н ия в ещества. Агрегатные Состоя н ия в ещества , состояния о дного и того же вещества, переходы между которыми сопровождаются скачкообразным и з мен е ни ем е го свободной энерг и и, энтропи и , плот н ост и и других физических свойств. Все вещества (за н екоторым и сключ е ни е м) могут существовать в тр ёх агрегатных состояниях - твёрдом, жидком и газообразном. Так, вод а пр и нормально м давлении p = 1 0 l 325 Па = 760 мм ртутного столба и при тем пературе t =00 С. кристаллизуется в лёд, а п ри 100° С кипит и превращается в пар. Ч е твёртым агрега тным состоя н ием вещества часто считают плазму. В отлич и е от других агрегатных состоя н ий вещества плазма предст авляет собой газ заряженных частиц (, электронов), которые электрически взаимо действуют друг с другом на больших расстояниях. Что так ое плазма? ПЛАЗМА - частично и ли полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и от рицательных зарядов практически одинаковы. В лабораторных условиях пл азма образуется в электрическом разряде в газе, в процессах горения и вз рыва . Термин “плазма” в физи ке был введен в 1929 американскими учеными И.Ленгм юром и Л. Тонксом. Вещество, разогретое до температуры в сотни т ысяч и миллионы градусов, уже не может состоять из обычных нейтральных а томов. При столь высоких температурах атомы сталкиваются друг с другом с такой силой, что не могут сохраниться в целостности. При ударе атомы разд еляются на более мелкие составляющие - атомные ядра и электроны. Эти част ицы наделены электрическими зарядами: электроны - отрицательным, а ядра - положительным. Смесь этих частиц, называемая плазма представляет собой своеобразное состояние вещества, которое очень сильно отличается от от носительно холодного газа по свойствам. Под плазмой в физике понимают га з, состоящий из электрически заряженных и нейтральных частиц, в котором суммарный электрический заряд равен нулю, то есть, выполнено условие квазинейтральности . Средние кинетические эн ергии различных типов частиц, составляющих плазму, могут быть разными. Поэтому в общем случае плазму характеризу ют не одним значением температуры, а несколькими – различают электронн ую температуру Т е , ионную температуру Т i и температуру нейтральных атомов Т а . Плазму с ионной температурой Т i 10 6 К – высок отемпературной. Высокотемпературная плазма является основным объе ктом исследования по УТС . Низкотемператур ная плазма находит применение в газоразрядных источника х света, газовых лазерах. Несколько свойств плазмы. v Степ ень ионизации Степень ионизации определяется как отношение числа ионизованных частиц к общему числу частиц. Для низкотемпературных плаз м характерны малые степени ионизации (

Целью данной работы является - рассмотреть существующие агрегатные состояния вещества, выявить все их достоинства и недостатки.
Для этого необходимо выполнить и рассмотреть следующие агрегатные состояния:
1. газ
2. жидкости
3. твердые вещества
4. плазма

Содержание

• Введение
• 1. Агрегатное состояние вещества - газ
• 2. Агрегатное состояние вещества - жидкость
• 3. Агрегатное состояние вещества - твердое тело
• 4. Четвертое состояние вещества - плазма
• Заключение
• Список использованной литературы

Прикрепленные файлы: 1 файл

Агрегатное состояние вещества.docx

Агрегатное состояние вещества

Введение
1. Агрегатное состояние вещества - газ
2. Агрегатное состояние вещества - жидкость
3. Агрегатное состояние вещества - твердое тело
4. Четвертое состояние вещества - плазма
Заключение
Список использованной литературы

Как известно, многие вещества в природе могут находиться в трех состояниях: твердом, жидком и газообразном.

Сильнее всего проявляется взаимодействие частиц вещества в твердом состоянии. Расстояние между молекулами примерно равно их собственным размерам. Это приводит к достаточно сильному взаимодействию, что практически лишает частицы возможности двигаться: они колеблются около некоторого положения равновесия. Они сохраняют форму и объем.

Свойства жидкостей также объясняются их строением. Частицы вещества в жидкостях взаимодействуют менее интенсивно, чем в твердых телах, и поэтому могут скачками менять свое местоположение - жидкости не сохраняют свою форму - они текучи.

Газ представляет собой собрание молекул, беспорядочно движущихся по всем направлениям независимо друг от друга. Газы не имеют собственной формы, занимают весь предоставляемый им объем и легко сжимаются.

Существует еще одно состояние вещества - плазма.

Целью данной работы является - рассмотреть существующие агрегатные состояния вещества, выявить все их достоинства и недостатки.

Для этого необходимо выполнить и рассмотреть следующие агрегатные сотояния:

3. твердые вещества

1.
Агрегатное состояние вещества - газ

Газы (французское gaz; название предложено голланским учёным Я. Б. Гельмонтом), агрегатное состояние вещества, в котором его частицы не связаны или весьма слабо связаны силами взаимодействия и движутся свободно, заполняя весь предоставленный им объём. Вещество в газообразном состоянии широко распространено в природе. Газы образуют атмосферу Земли, в значительных количествах содержатся в твёрдых земных породах, растворены в воде океанов, морей и рек. Солнце, звёзды, облака межзвёздного вещества состоят из газов - нейтральных или ионизованных (плазмы). Встречающиеся в природных условиях газы представляют собой, как правило, смеси химически индивидуальных газов.

Обладают рядом характерных свойств. Они полностью заполняют сосуд, в котором находятся, и принимают его форму. В отличие от твёрдых тел и жидкостей, объём газов существенно зависит от давления и температуры. Коэффициент объёмного расширения газов в обычных условиях (0-100°С) на два порядка выше, чем у жидкостей, и составляет в среднем 0,003663 град-1.

Любое вещество можно перевести в газообразное состояние надлежащим подбором давления и температуры. Поэтому возможную область существования газообразного состояния графически удобно изобразить в переменных: давление - р, температура - Т. При температурах ниже критической Тк эта область ограничена кривыми сублимации (возгонки)/парообразования. Это означает, что при любом давлении ниже критического рк существует температура Т, определяемая кривой сублимации или парообразования, выше которой вещество становится газообразным. Газ в этих состояниях обычно называют паром вещества.

При температурах ниже Тк можно сконденсировать газы - перевести его в другое агрегатное состояние (твёрдое или жидкое). При этом фазовое превращение газа в жидкость или твёрдое тело происходит скачкообразно: весьма малое изменение давления приводит к конечному изменению ряда свойств вещества (например, плотности, энтальпии, теплоёмкости и др.). Процессы конденсации газов, особенно сжижение газов, имеют важное техническое значение.

В связи с тем, что область газового состояния очень обширна, свойства газов при изменении температуры и давления могут меняться в широких пределах. Так, в нормальных условиях (при 0°С и атмосферном давлении) плотность газов примерно в 1000 раз меньше плотности того же вещества в твёрдом или жидком состоянии. При комнатной температуре, но давлении, в 1017 раз меньшем атмосферного (предел, достигнутый современной вакуумной техникой), плотность газов составляет около 10-20г/см3. В космических условиях плотность газов может быть ещё на 10 порядков меньше (~10-30/см3).

С другой стороны, при высоких давлениях вещество, которое при сверхкритических температурах можно считать газом, обладает огромной плотностью (например, в центре некоторых звёзд ~109 г/см3). В зависимости от условий в широких пределах изменяются и другие свойства газов - теплопроводность, вязкость и т. д.

Молекулярно-кинетическая теория газов. Молекулярно- кинетическая теория рассматривает газы как совокупность слабо взаимодействующих частиц (молекул или атомов), находящихся в непрерывном хаотическом (тепловом) движении. На основе этих простых представлений кинетической теории удаётся объяснить основные физические свойства газов, особенно полно - свойства разреженных газов.

У достаточно разреженных газов средние расстояния между молекулами оказываются значительно больше радиуса действия межмолекулярных сил. Так, например, при нормальных условиях в 1см3 газа находится 1019 молекул и среднее расстояние между ними составляет ~ 10-6 см.

2. Агрегатное состояние вещества - жидкость

Жидкость, агрегатное состояние вещества, промежуточное между твёрдым и газообразным состояниями. Ж., сохраняя отдельные черты как твёрдого тела, так и газа, обладает, однако, рядом только ей присущих особенностей, из которых наиболее характерная - текучесть. Подобно твёрдому телу, Ж. сохраняет свой объём, имеет свободную поверхность, обладает определённой прочностью на разрыв при всестороннем растяжении и т. д. С другой стороны, взятая в достаточном количестве Ж. принимает форму сосуда, в котором находится. Принципиальная возможность непрерывного перехода Ж. в газ также свидетельствует о близости жидкого и газообразного состояний.

По химическому составу различают однокомпонентные, или чистые. Ж. и двух- или многокомпонентные жидкие смеси (растворы). По физической природе Ж. делятся на нормальные (обычные), жидкие кристаллы с сильно выраженной анизотропией (зависимостью свойств от направления) и квантовые жидкости - жидкие 4He, 3He и их смеси - со специфическими квантовыми свойствами при очень низких температурах. Нормальные чистые Ж. имеют только одну жидкую фазу (т. е. существует один единственный вид каждой нормальной Ж.). Гелий 4He может находиться в двух жидких фазах - нормальной и сверхтекучей, а жидкокристаллические вещества - в нормальной и одной или даже двух анизотропных фазах.

Общим для всех нормальных Ж., в том числе и для смесей, является их макроскопическую однородность и изотропность при отсутствии внешних воздействий. Эти свойства сближают Ж. с газами, но резко отличают их от анизотропных кристаллических твёрдых тел. Аморфные твёрдые тела (например, стекла), с современной точки зрения, являются переохлажденными Ж. и отличаются от обычных Ж. только численными значениями кинетических характеристик (существенно большей вязкостью и др.). Область существования нормальной жидкой фазы ограничена со стороны низких температур фазовым переходом в твёрдое состояние - кристаллизацией или (в зависимости от величины приложенного давления) фазовым переходом в сверхтекучее состояние для 4He и в жидко-анизотропное состояние для жидких кристаллов. При давлениях ниже критического давления рк нормальная жидкая фаза ограничена со стороны высоких температур фазовым переходом в газообразное состояние - испарением. При давлениях р > рк фазовый переход отсутствует и по своим физическим свойствам Ж. в этой области неотличима от плотного газа. Наивысшая температура Tk,при которой ещё возможен фазовый переход Ж. - газ, называется критической. Значения pk ?и Tk определяют критическую точку чистой Ж., в которой свойства Ж. и газа становятся тождественными. Наличие критической точки для фазового перехода Ж. - газ позволяет осуществить непрерывный переход из жидкого состояния в газообразное, минуя область, где газ и Ж. сосуществуют. Таким образом, при нагревании или уменьшении плотности свойства Ж. (теплопроводность, вязкость, самодиффузия и др.), как правило, меняются в сторону сближения со свойствами газов. Вблизи же температуры кристаллизации большинство свойств нормальных Ж. (плотность, сжимаемость, теплоёмкость, электропроводность и т. д.) близки к таким же свойствам соответствующих твёрдых тел. В табл. приведены значения теплоёмкости при постоянном давлении (Ср) ряда веществ в твёрдом и жидком состояниях при температуре кристаллизации. Малое различие этих теплоёмкостей показывает, что тепловое движение в Ж. и твёрдых телах вблизи температуры кристаллизации имеет примерно одинаковый характер.

Молекулярная теория жидкости. По своей природе силы межмолекулярного взаимодействия в Ж. и кристаллах одинаковы и имеют примерно одинаковые величины. Наличие в Ж. сильного межмолекулярного взаимодействия обусловливает, в частности, существование поверхностного натяжения на границе Ж. с любой др. средой. Благодаря поверхностному натяжению Ж. стремится принять такую форму, при которой её поверхность (при данном объёме) минимальна. Небольшие объёмы Ж. имеют обычно характерную форму капли. В отсутствии внешних сил, когда действуют только межмолекулярные силы (например, в условиях невесомости), Ж. приобретает форму шара. Влияние поверхностного натяжения на равновесие и движение свободной поверхности Ж., границ Ж. с твёрдыми телами или границ между несмешивающимися Ж. относится к области капиллярных явлений.

3. Агрегатное состояние вещества - твердое тело

Твёрдое тело, одно из четырёх агрегатных состояний вещества, отличающееся от др. агрегатных состояний (жидкости, газов, плазмы) стабильностью формы и характером теплового движения атомов, совершающих малые колебания около положений равновесия. Наряду с кристаллическим состоянием Т. т. существует аморфное состояние, в том числе стеклообразное состояние. Кристаллы характеризуются дальним порядком в расположении атомов. В аморфных телах дальний порядок отсутствует .

Т. т. - основной материал, используемый человеком. От кремнёвых орудий неандертальца до современных машин и механизмов - во всех технических приспособлениях, созданных человеком, используются различные свойства Т. т. Если на ранних ступенях развития цивилизации использовались механические свойства Т. т., которые непосредственно ощутимы человеком (твёрдость, масса, пластичность, упругость, хрупкость и т. п.), и Т. т. применялось лишь как конструкционный материал, то в современном обществе используется огромный арсенал физических свойств Т. т. (электрических, магнитных, тепловых и др.), как правило, не доступных непосредственному человеческому восприятию и обнаруживаемых только при лабораторных исследованиях.

Механические свойства Т. т. (реакции на внешние механические воздействия - сжатие, растяжение, изгиб, удар и т. д.) определяются силами связи между его структурными частицами. Многообразие этих сил приводит к разнообразию механических свойств: одни Т. т. пластичны, другие хрупки. Обычно металлы, в которых силы связи определяются коллективным действием электронов проводимости, более пластичны, чем диэлектрики; например, деформация Cu при комнатной температуре в момент разрыва достигает нескольких десятков %, а NaCI разрушается почти без деформации (хрупкость). Механические характеристики изменяются с температурой, например с повышением температуры пластичность обычно увеличивается. У большинства Т. т. реакция на внешнее механическое воздействие зависит от его темпа: хрупкое при ударе Т. т. может выдержать значительно большую статическую нагрузку.

При небольших статических нагрузках у всех Т. т. наблюдается линейное соотношение между напряжением и деформацией (Гука закон). Такая деформация называется упругой. Упругая деформация обратима: при снятии напряжения она исчезает. Для идеального монокристалла (без дефектов) область обратимой деформации наблюдалась бы вплоть до разрушения, причём предел прочности должен был бы соответствовать силам связи между атомами. При больших нагрузках реакция реального Т. т. существенно зависит от дефектности образца (от наличия или отсутствия дислокаций, от размеров кристаллических зёрен и т. п.) - разрушение начинается в самых слабых местах. Дислокация - наиболее подвижный дефект кристалла, поэтому именно дислокации в большинстве случаев определяют его пластичность. Появление (рождение) и перемещение дислокации - элементарные акты пластичности.

Тепловые свойства Т. т. У большинства Т. т. теплоёмкость С при комнатных температурах приближённо подчиняется Дюлонга и Пти закону: С = 3R кал/моль (R - газовая постоянная). Закон Дюлонга и Пти - следствие того, что за тепловые свойства Т. т. при высоких температурах ответственны колебательные движения атомов, подчиняющиеся закону равнораспределения (средняя энергия, приходящаяся на одну колебательную степень свободы, равна kT). Наблюдаемые при высоких температурах отклонения от закона Дюлонга и Пти объясняются повышением роли ангармонизма колебаний. Понижение температуры приводит к уменьшению теплоёмкости; благодаря квантовому "замораживанию" средняя энергия колебания Ek, определяемая выражением: , меньше kT. При самых низких температурах часть теплоёмкости, обусловленная колебаниями решётки, С ~ T3. Колебательная часть теплоёмкости Т. т. может быть представлена как теплоёмкость газа фононов.

Теплопроводность зависит от типа Т. т. Металлы обладают значительно большей теплопроводностью, чем диэлектрики, что связано с участием электронов проводимости в переносе тепла (см. ниже). Теплопроводность - структурно чувствительное свойство. Коэффициент теплопроводности зависит от кристаллического состояния (моно- или поликристалл), наличия или отсутствия дефектов и т. п. Явление теплопроводности удобно описывать, используя концепцию квазичастиц. Все квазичастицы (прежде всего фононы) переносят тепло, причём, согласно кинетической теории газов, вклад каждого из газов квазичастиц в коэффициент теплопроводности можно записать в виде: , где g - численный множитель, С - теплоёмкость, ?- средняя тепловая скорость, l - длина свободного пробега квазичастиц. Величина l определяется рассеянием квазичастиц, которое в случае фонон-фононных столкновений - следствие ангармоничности колебаний.

Как известно, многие вещества в природе могут находиться в трех состояниях: твердом, жидком и газообразном. А также некоторые могут находиться еще и в четвертом - плазматическом состоянии Мы выбрали данную тему потому что многие вещества используются в жизни и в разных агрегатных состояниях. Целью данной работы является – рассмотреть существующие агрегатные состояния вещества, выявить все их достоинства и недостатки.

Вложение	Размер
agregatnye_sostoyaniya_veshchestva.rar	997.64 КБ

Предварительный просмотр:

МБОУ Михейковская СШ

Выполнили ученицы 7 класса:

Агрегатные состояния вещества

2. Агрегатное состояние вещества

3. Агрегатное состояние вещества – газ

4. Агрегатное состояние вещества – жидкость

5. Агрегатное состояние вещества – твердое тело

6. Четвертое состояние вещества – плазма

7. Опыт: изменение агрегатного состояния воды

Агрегатные состояния вещества

Взаимное расположение, характер движения и взаимодействия молекул одного и того же вещества существенно зависящие от внешних условий (температура, давление), характеризуют его агрегатное состояние. Различают четыре агрегатных состояния вещества: твердое, жидкое, газообразное, плазменное. Фазовый переход – переход системы из одного агрегатного состояния в другое. При фазовом переходе скачкообразно изменяется какая-либо физическая величина (например, плотность, внутренняя энергия) или симметрия системы. Переход вещества из твердого состояния в жидкое называется плавлением, а температуру, при которой это происходит – температурой плавления. Переход вещества из жидкого состояния в твердое называется кристаллизацией, а температуру перехода – температурой кристаллизации. Переход вещества из жидкого состояния в газообразное называется парообразованием. Переход вещества из газообразного состояния в жидкое называется конденсацией. Реализация того или иного агрегатного состояния вещества зависит от соотношения кинетической и потенциальной энергии молекул, входящих в его состав. Потенциальная энергия молекулы характеризует степень ее связи с другими частицами. Между любыми двумя молекулами вещества на расстоянии, большем диаметра молекул, действуют силы притяжения электромагнитного происхождения. Эти силы стремятся связать молекулы в единое целое. Кинетическая энергия молекул препятствует этой тенденции сцепления их между собой.

При сжатии газа уменьшается среднее расстояние между его молекулами. Однако силы взаимного отталкивания молекул на этом расстоянии невелики и практически не препятствуют сжатию.

Жидкость — вещество, находящееся в жидком агрегатном состоянии, занимающем промежуточное положение между твёрдым и газообразным состояниями. Вещество находится в жидком агрегатном состоянии, если средняя кинетическая энергия молекул соизмерима со средней потенциальной энергией их притяжения. Основным свойством жидкости, отличающим её от веществ, находящихся в других агрегатных состояниях, является способность неограниченно менять форму под действием касательных механических напряжений, даже сколь угодно малых, практически сохраняя при этом объём. При нагревании твердого тела средняя кинетическая энергия молекул, колеблющихся около положений равновесия, возрастает. Рост кинетической энергии молекул приводит к увеличению амплитуды ее колебаний. Уменьшение энергии связи при нагревании позволяет молекулам перескакивать из одного положения равновесия в другое. В результате нарушается правильное расположение частиц, характерное для кристаллической решетки твердого тела. Происходит фазовый переход вещества из твердого состояния в жидкое. Молекулы в жидкости упакованы так же плотно, как и в твердом теле, так как плотность жидкости и твердого тела примерно одинакова. При упаковке частиц в жидкости, так же как и в твердых телах, упорядоченное расположение частиц наблюдается лишь в пределах двух-трех слоев. Это означает, что при фазовом переходе твердое тело - жидкость происходит нарушение симметрии системы. Относительные положения молекул в жидкости не фиксированы. Под действием внешней силы жидкость течет, сохраняя свой объем, и принимая форму сосуда. Текучесть жидкости объясняется тем, что перескоки молекул из одного положения равновесия в другое происходят преимущественно в направлении действия внешней силы. Вещество в жидком состоянии существует в определённом интервале температур, ниже которого переходит в твердое состояние (происходит кристаллизация либо превращение в твердотельное аморфное состояние - стекло), выше – в газообразное (происходит испарение). Границы этого интервала зависят от давления. Как правило, вещество в жидком состоянии имеет только одну модификацию. Все жидкости принято делить на чистые жидкости и смеси. Некоторые смеси жидкостей имеют большое значение для жизни: кровь, морская вода и др. Жидкости могут выполнять функцию растворителей. Жидкость чрезвычайно трудно сжать механически, поскольку, в отличие от газа, между молекулами очень мало свободного пространства. Давление, производимое на жидкость, заключенную в сосуд, передаётся без изменения в каждую точку объёма этой жидкости. Эта особенность, наряду с очень малой сжимаемостью, используется в гидравлических машинах.

Твёрдое тело - это одно из четырёх агрегатных состояний вещества, отличающееся от других агрегатных состояний (жидкости, газов, плазмы) стабильностью формы и характером теплового движения атомов, совершающих малые колебания около положений равновесия. Вещество находится в твердом состоянии, если средняя потенциальная энергия притяжения молекул много больше их средней кинетической энергии. Различают кристаллические и аморфные твёрдые тела. Аморфные тела – конденсированные вещества, атомная структура которых имеет ближний порядок, и не имеет дальнего порядка, характерного для кристаллических структур. Кристаллические тела – твердые тела, в которых атомы расположены закономерно, образую кристаллическую решетку. Молекулы в твердом теле располагаются упорядоченно. Упаковка молекул в пространстве аналогична заполнению плоскости правильными многоугольниками. Частицы твердого тела, образуя кристаллическую решетку, колеблются около некоторых средних положений равновесия, называемых узлами кристаллической решетки. Колебания молекул возможны по различным направлениям и могут иметь разную амплитуду. Значительная средняя потенциальная энергия взаимодействия препятствует изменению среднего расстояния между ними. Следствиями этого является сохранение твердыми телами формы и объема. В прошлом твёрдое тело применялось как конструкционный материал и в основе употребления лежали непосредственно ощутимые механические свойства как твёрдость, масса, пластичность, упругость, хрупкость. В современном мире применение твёрдого тела основывается на физических свойствах, которые зачастую обнаруживаются только при лабораторных исследованиях.

Искусственно созданная плазма – плазменные ракетные двигатели, плазменные лампы, светящая сфера ядерного взрыва и др.
Земная природная плазма – молния, северное сияние и др.
Космическая плазма – Солнце и другие звезды, космическое пространство и др.

Газ – агрегатное состояние вещества, в котором его частицы не связаны или весьма слабо связаны силами взаимодействия и движутся свободно, заполняя весь предоставленный им объём.

Жидкость – агрегатное состояние вещества, промежуточное между твёрдым и газообразным состояниями. Жидкость, сохраняя отдельные черты как твёрдого тела, так и газа, обладает, однако, рядом только ей присущих особенностей, из которых наиболее характерная - текучесть. Подобно твёрдому телу, жидкость сохраняет свой объём, имеет свободную поверхность.

Твёрдое тело – одно из четырёх агрегатных состояний вещества, отличающееся от других агрегатных состояний стабильностью формы и характером теплового движения атомов, совершающих малые колебания около положений равновесия. Кристаллы характеризуются дальним порядком в расположении атомов. В аморфных телах дальний порядок отсутствует.

Плазма – частично или полностью ионизованный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы.

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.

Твердое состояние вещества является наиболее устойчивым агрегатным состоянием. Твердые тела характеризуются самостоятельной геометрической формой. Они обладают большим сопротивлением сдвигу, растяжению и сжатию. Все это обусловлено внутреннем строением твердого тела. В твердом теле частицы очень прочно связаны друг с другом, их средняя потенциальная энергия намного превышает среднюю кинетическую энергию частиц. Движение частиц в твердом теле очень ограничено, частицы могут совершать лишь незначительные колебания, не приводящие к изменению формы твердого тела.

Различают два вида твердого состояния вещества: кристаллическое и аморфное. Для кристаллического состояния вещества имеется строго упорядоченное расположение частиц и анизотропность свойств, т.е. неодинаковость его механических, электрических и других свойств по различным направлениям в пространстве. Аморфные тела не имеют строгого упорядоченного расположения частиц, их можно уподобить жидкостям с большой вязкостью. Характерной особенностью аморфных тел является одинаковое значение (изотропность) свойств при измерении в равных направлениях.

Подавляющее большинство твердых веществ имеют ту или иную кристаллическую структуру. Каждой кристаллической структуре соответствует своя геометрическая форма расположения частиц в пространстве. Кристаллом вещество обычно называют трехмерное его образование, характеризующееся строгой повторяемостью одного и того же элемента структуры (элементарной ячейки) во всех направлениях. Правильная форма кристалла обусловлена упорядоченным расположением составляющих его частиц – атомов, молекул или ионов. Кристаллическая решетка представляет собой пространственный каркас, образованный пересекающимися линиями соединяющими центры тяжести частиц – узлы решетки.

Каждый маленький объем, являющийся наименьшим объемом кристалла, назван элементарной ячейкой кристалла. Элементарная ячейка любой формы кристалла содержит определенное число частиц вещества и характеризуется параметром ячейки – длиной ребра и значениями углов между ними.

В зависимости от природы частиц, образующих кристалл, и характера связи между ними существует четыре типа кристаллических решеток – атомная, ионная, молекулярная и металлическая.

а). Атомные решетки. В узлах атомной решетки располагаются (находятся) нейтральные атомы. Связь между атомами осуществляется за счет ковалентных сил. Ковалентные связи многовалентных атомов в их соединениях имеют вполне определенную пространственную ориентацию. Та же ориентация атомов сохраняется и в кристаллической решетке. Таким образом, атомный кристалл можно рассматривать как гигантскую молекулу, все атомы которой связаны ковалентно.

Типичной атомной решеткой является решетка алмаза, состоящей из атомов углерода. Углерод 4-х валентен и его валентные электронные облака ориентированы в пространстве так что образуют между собой углы 109°28’’. Каждый атом углерода находится в центре тетраэдра, вершины которого заняты другими четырьмя атомами углерода.

Такая тетраэдрическая структура распространена по всему кристаллу. Ковалентные силы, действующие в атомных решетках очень велики и по этому такие решетки отличаются большой компактностью. Вещества с атомными решетками близкими к решетке алмаза имеют высокую твердость, высокую температуру плавления и малую летучесть.

Решетки типа алмаза имеет не только углерод, а и другие элементы четвертой группы – кремний, германий, серая модификация олова и ряд бинарных соединений, например, сульфиды (ZnS, CdS и др.)

б) Ионные решетки. Ионная решетка характеризуется наличием в узлах пространственной решетки отдельных ионов.

Ионные решетки образуются правильным чередованием противоположно заряженных ионов, связанных между собой электростатическими силами притяжения разноименных зарядов.

Каждый ион, входящий в решетку, находится в совершенно одинаковом отношении ко всем непосредственно окружающим его ионам противоположного знака. Молекулы ионных соединений в результате образования кристаллической решетки теряют свою индивидуальность, весь кристалл ионного соединения представляет собой единую макрочастицу.

Действующие в ионных структурах кулоновские силы обуславливают прочную связь между частицами. Поэтому для ионных кристаллов и температура плавления и твердость значительны. В качестве примера рассмотрим кристаллическую решетку хлорида натрия.

Узлы решетки заняты ионами Na+ и Cl–, причем каждый ион Na+ окружен 6-тью ионами Cl–, а каждый ион Cl– окружен 6-тью ионами Na+.

В кристалле NaCl каждый ион Na+ находится в центре октаэдра, шесть вершин которого заняты ионами хлора, так же и ион Cl– окружен октаэдром из шести ионов Na+.

Ионы удерживаются в решетке электростатическими силами. Расстояние между центрами ионов Na+ и Cl– d=2,814 А°.

По ионному принципу построены решетки почти всех солей многих оксидов и других соединений (MgO, PbS, CdS и др.).

Для количественной характеристики окружения используют понятие “координационное число” (кч). Координационным числом данного атома (иона) называют число ближайших соседей в решетке без учета природы связи между ними. Так координационное число ионов Na+ в решетке NaCl равно 6. Аналогично координационное число ионов Cl– равно тоже 6. В решетке CsJ координационное число ионов Cs+ и J– равно 8.

Важной характеристикой кристаллической решетки является энергия решетки. Энергией кристаллической решетки (Екр.) называют работу, которую необходимо затратить на разрушение решетки и удаление ее составных частей на расстояние, при котором прекращается взаимодействие частиц. Ее относят к одному молю вещества и выражают в кДж/моль.

Энергию кристаллической решетки численно можно получить по формуле Борна.

в). Молекулярные решетки. Молекулярные решетки образуются молекулами. Связь между молекулами осуществляется поляризационными ван-дер-ваальсовыми силами.

Так как ван-дер-ваальсовы силы значительно слабее, чем электростатические или ковалентные, то и соединения с молекулярными кристаллическими решетками менее твердые, характеризуются малой прочностью, более летучи и имеют сравнительно низкие температуры плавления.

Отсутствие свободных ионов в кристаллах с молекулярными решетками объясняет малую растворимость в воде и очень малую электропроводность. Типичными представителями веществ с молекулярной решеткой являются многочисленные органические вещества.

По молекулярному типу построены решетки “замороженных” инертных газов. Все инертные газы (за исключением гелия), кристаллизуются в гранецентрированные кубические молекулярные решетки, а гелий – в плотную гексагональную упаковку.

Кроме инертных газов молекулярные кристаллы при затвердевании образуют и такие органические вещества, как H2, N2, O2, P4, S8, H2O, NH3, HCl, SO2, SiF4 и др.

г). Металлические решетки. Металлическая решетка характерна для всех металлов в их твердом и жидком агрегатном состояниях. В узлах металлической решетки могут одновременно содержаться как нейтральные атомы, так и положительно заряженные ионы. Между узлами решетки свободно перемещаются электроны.

Так как все атомы данного металла одинаковы, каждый из них имеет равные с другими шансы на ионизацию. Иначе говоря, переход электрона от нейтрального атома к ионизированному может происходить без затраты энергии. Как следствие этого, в металлической структуре непрерывно осуществляется подобный обмен электронами и всегда имеется некоторое число электронов свободных, т.е. не принадлежащих в данный момент каким-либо определенным атомам.

Ничтожно малые размеры электронов позволяют им более или менее свободно перемещаться по всему металлическому кристаллу. Такой кристалл можно в связи с этим рассматривать как пространственную решетку из положительно заряженных ионов и нейтральных атомов, находящихся в атмосфере “электронного газа”.

Наличие свободных электронов во всех металлических структурах обуславливает существование общих свойств металлов. Сюда относят прежде всего такие характерные для них внешние признаки, как непрозрачность, металлический блеск и большей частью серый цвет. Со свободой перемещения электронов связана высокая электропроводность металлов и их хорошая теплопроводность.

Все эти особенности отличают металлы от других твердых веществ, в частности от веществ с атомной и ионной структурами.

Структурные типы химических соединений.

Расстояния между центрами атомов, молекул или ионов в кристаллических структурах не всегда одинаковы по длине. По характеру межцентровых расстояний в кристаллах различают следующие структурные типы: островные, слоистые, цепные и координационные. Соответственно этим структурным типам такое же название носят и кристаллические решетки.

Островные решетки. К островным решеткам относят прежде всего ионные решетки, в узлах которых находятся сложные ( комплексные) ионы, чередующиеся с обычными ионами. Так, в кристаллических комплексах, например [Ni(NH3)6]Cl2 или Na2[SiF6], островками, расположенными в узлах решетки, выступают октаэдрические комплексные ионы [Ni(NH3)6]2+ и [SiF6]2–.

Слоистые решетки. Слоистыми могут бать как атомные, так и ионные решетки. Основной идеей слоистых решеток является то, что длина связей между атомами (ионами), расположенными в одной плоскости короче и их прочность больше, чем расстояние между атомами, находящимися в разных плоскостях. Это значит, что связь между атомами, находящимися в одной плоскости имеет ковалентный характер (т.е. прочная). А связь между плоскостями близка по энергии ван-дер-ваальсовым силам.

Примером слоистой атомной решетки является решетка графита (одной из модификаций углерода).

Атомы углерода занимают вершины правильных плоских шестиугольников со стороной 1,42А°. Каждый атом углерода окружен тремя соседними атомами, с которыми связан ковалентными силами, образующими углы 120°.

Расстояние между параллельными плоскостями кристалла равно 3,4А°. Атомы различных плоскостей притягиваются ван-дер-ваальсовыми силами.

Такая структура обеспечивает мягкость графита и его удивительную слойность, что позволяет применять графит для карандашей и в качестве смазочного материала (графитовой смазки).

Цепочные структуры. Как известно, молекулярные решетки имеют место в органической химии. В молекулярных решетках связь между молекулами осуществляется ван-дер-ваальсовыми силами.

Значительный интерес представляют волокнистые строения ряда растительных и животных продуктов (целлюлоза, шелк, мускулы, нервные ткани и др.), сообщающие изделиям из таких продуктов своеобразные механические свойства (ткани, нити, веревки, бумага и т.д.).

Эти волокна образованы нитями, связаны ван-дер-ваальсовыми силами, а сами нити состоят из длинной цепочки, образованной правильным чередованием атомных групп, связанных между собой ковалентными силами. Такие цепочки можно рассматривать как гигантские линейные молекулы.

Читайте также: