Агрегатные состояние вещества
Химия - наука о веществах и их
превращениях. В действительности
имеются в виду лишь химические
превращения. Человек может
наблюдать в обычной жизни и другие
превращения веществ: кипит вода в
чайнике, из носика чайника
вырывается струя пара, мы "видим"
водяной пар, потому что часть его,
конденсируясь в более холодном
воздухе, создает туман, который вновь
испаряется. Почти каждый человек
наблюдал, как с приближением зимы в
лужах то замерзает вода, то тает лед.
Все эти превращения называются
агрегатными превращениями. На
рисунке представлена упрощенная
диаграмма состояния воды в
достаточно большом интервале
температур и давлений.
Линии OA, OB и ось р выделяют ту
область на диаграмме состояния воды,
где существует лед. Линии OA, OC и ось
t выделяют область существования
водяного пара - лед и жидкая вода
могут испаряться и при комнатной
температуре. В метеосводках часто
сообщают о величине относительной
влажности воздуха. Некоторые
вещества на воздухе подвергаются
гидролизу, потому что в воздухе всегда
содержится водяной пар. Линии OB и
OC ограничивают область
существования воды в виде жидкости.
Линия OB отвечает тем температурам и
давлениям, при которых могут
одновременно сосуществовать лед и
вода. Линия OC характеризует
зависимость температуры кипения
жидкости от внешнего давления. Линия
OA позволяет описать возгонку льда.
Точка O - тройная точка (t = 0.00760 С,
p = 4.7 мм.рт.ст.), в которой сколь
угодно долго в равновесии могут
находиться лед, вода и водяной пар.
Точка C - критическая точка (t = 374o
C, p = 218 атм). При температурах
выше критической водяной пар ведет
себя как газ, который никаким
повышением давления нельзя
перевести в конденсированное
состояние. Почти для каждого
вещества можно привести свою
диаграмму состояния.
Газообразное состояние вещества
В газообразном состоянии вещество
характеризуется величинами: p -
давлением, t (или Т) - температурой, V -
объемом, m - массой, M - молекулярной
массой. Взаимосвязь между этими
величинами выражает Уравнение
Менделеева-Клапейрона:
для одного моля вещества : pV = RT ,
для n молей вещества : pV = n RT ,
для массы m : pV = (m/M)RT .
Здесь R - универсальная газовая
постоянная, равная 8.31441
Дж/(моль·K). В действительности
сначала устанавливались частные
законы (Бойля-Мариотта, Гей-Люссака,
Шарля, Объединенный газовый закон,
Уравнение Клапейрона) и лишь в конце
появилось Уравнение
Менделеева-Клапейрона. Но можно
поступить наоборот и вывести из
общего уравнения частные законы.
Для данной массы (m = const) данного
газа (M = const) получим Объединенный
газовый закон:
pV/T = const или p1V1/T1 = p2V2/T2.
Если, кроме того:
T = const, то pV = const или p1V1 = p2V2
(Закон Бойля-Мариотта);
p = const, то V/T = const или V1/T1 =
V2/T2
(Закон Гей-Люссака);
V = const, то p/T = const или p1/T1 =
p2/T2
(Закон Шарля).
При норамальных условиях (p = 1 атм. =
1.01325·105 Па и t = 0o C или T =
273.15 K) моль любого газа занимает
объем 22.4 л.
При решении химических задач иногда
не удается использовать Уравнение
Менделеева-Клапейрона (если в
условиях задачи нет необходимых
данных), а приходится применять
частные законы.
В модели идеального газа (именно в
этом случае справедливы газовые
законы) предполагается, что
собственный объем молекул ничтожно
мал по сравнению с объемом,
занимаемым газом, и что между
молекулами газа не действуют силы
взаимного притяжения (поэтому
идеальный газ ни при каких условиях
не может превратиться в жидкость). В
реальных газах межмолекулярное
взаимодействие как бы дополнительно
сжимает газ (к внешнему давлению p
добавляется слагаемое a/V2). Кроме
того, все реальные вещества в жидком
и твердом состоянии обладают
определенным объемом и под
действием внешнего давления очень
мало сжимаются. Так что можно
оценить собственный объем моля
молекул - обозначим его b. Уравнение
Менделеева-Клапейрона (pV = RT) для
моля реального газа переходит в
Уравнение Ван-дер-Ваальса:
(p + a/V2)·(V-b) = RT.
Жидкое состояние
В жидком состоянии молекулы очень
близко расположены друг к другу и
поэтому достаточно велики силы
межмолекулярного взаимодействия.
Вместе с тем тепловое движение
молекул приводит к их хаотическому
движению и этим жидкость
напоминает газ. Если между
молекулами жидкости могут
образовываться водородные связи, то
наряду с мономерными молекулами в
жидкости могу появиться димерные,
тримерные и т.д. Величину
межмолекулярного взаимодействия в
жидком состоянии можно оценить по
той энергии (теплоте испарения),
которую нужно затратить, чтобы 1
моль жидкости перевести в пар. По
температуре кипения и величине
мольной теплоты испарения можно
судить и о величине водородных
связей, если для молекул данного
вещества они возможны.
Твердое состояние
Различают аморфное и
кристаллическое состояние твердого
вещества. Примером аморфных
веществ являются стекло, смола, многие
полимеры. Большинство веществ в
твердом состоянии имеют строго
упорядоченную структуру и их
молекулы образуют в пространстве
правильные кристаллические решетки
другие статьи:
- Агрегатные состояние вещества
- Строение атома - развитие моделей
- Квантовая механика и строение
атома водорода
- Электронные конфигурации
атомов и периодический закон
- Ядра атомов. Радиоактивность и изотопы
- Строение молекул. Типы химической связи
- Квантовая механика молекул и теория химической связи. Метод молекулярных орбиталей. Теория спин-валентности
- Окислительно-восстановительные реакции
- Химическая термодинамика
- Химическая кинетика и катализ
- Химическое равновесие.
Обратимые и необратимые реакции
- Электрохимия. Свойства электролитов. Электролиз
