Агрегатные состояния вещества и их превращения

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Сургутский филиал

Реферат

На тему: "Агрегатные состояния вещества и их превращения"

Выполнил: Терещенко С.В.

Проверил: Михайлов А.Г.

Сургут - 2013

Агрегатные состояния вещества

Современные научные представления о структурных уровнях материи были выработаны в результате критического переосмысливания основных положений классической физики, созданной трудами Галилея, Ньютона, Гюйгенса, Френеля, Фарадея, Максвелла и многих других ученых. Классическая теория применяется к объектам макроуровня, масштабы которого 10^-6-10⁷ см.

Основные положения механики, лежащие в основе классической физики, уже рассмотрены в данном пособии выше. Остановимся на трактовке представлений об агрегатных состояниях вещества.

Как известно, вещество может находиться в жидком, твердом и газообразном состояниях, каждое из которых имеет свои особенности. Учение о свойствах вещества в различных агрегатных состояниях основывается на представлениях об атомно-молекулярном строении материального мира. В основе молекулярно-кинетической теории строения вещества (МКТ) лежат три основных положения:

· все вещества состоят из мельчайших частиц (молекул, атомов, элементарных частиц), между которыми есть промежутки;

· частицы находятся в непрерывном тепловом движении;

· между частицами вещества существуют силы взаимодействия (притяжения и отталкивания); природа этих сил электромагнитная.

Экспериментальным подтверждением существования отдельных, разделенных промежутками частиц могут служить проницаемость, сжимаемость, растворимость веществ. Наблюдения броуновского движения и диффузии показали, что атомы и молекулы находятся в непрерывном движении, а наличие прочности и упругости тел, смачиваемости, прилипания, поверхностного натяжения в жидкостях доказывает существование сил взаимодействия между молекулами.

Тепловое движение - хаотическое (беспорядочное) движение атомов, молекул и ионов в газах, жидкостях и твердых телах.

Броуновское движение - непрерывное хаотическое движение взвешенных в жидкости мельчайших твердых частиц (например, частичек краски).

Диффузия - явление самопроизвольного проникновения молекул одного вещества в межмолекулярные промежутки другого вещества при их соприкосновении.

Силы межмолекулярного взаимодействия - силы притяжения и силы отталкивания - проявляются на расстояниях ? 10^-9 м и быстро убывают по мере увеличения расстояния между молекулами. Причем силы притяжения и силы отталкивания существуют одновременно, в противном случае тела не были бы устойчивы: образующие их частицы либо разлетались бы в разные стороны, либо "слипались" бы.

Силы межмолекулярного взаимодействия имеют электромагнитную природу, хотя в целом молекула электрически нейтральна (суммы положительных и отрицательных зарядов составляющих ее частиц равны). Электрическое поле молекулы на расстоянии, большем 2-3 ее диаметров, можно считать равным нулю. При сближении молекул возникает взаимодействие электрических зарядов ядер и электронных оболочек молекул; разноименные заряды притягиваются, одноименные отталкиваются; между молекулами возникают силы притяжения. Когда молекулы "соприкоснутся" своими электронными оболочками, дальнейшее сближение станет невозможным, и возникнут большие силы отталкивания.

Критерием различных агрегатных состояний вещества является соотношение между W_min и kT. W_min - это минимальная потенциальная энергия взаимодействия молекул, которая определяет работу против сил притяжения, совершаемую для того, чтобы разъединить молекулы, находящиеся в положении равновесия. Величина kT равна удвоенной средней энергии, приходящейся на одну степень свободы теплового движения молекул. Если W_min << kT, то вещество находится в газообразном состоянии, потому что интенсивное тепловое движение препятствует соединению молекул. Если W_min >> kT, то вещество находится в твердом состоянии, так как энергии теплового движения недостаточно для разъединения молекул; молекулы не могут удалиться на значительные расстояния и колеблются около положения равновесия. Если W_min ? kT, то вещество находится в жидком состоянии, так как вследствие теплового движения молекулы перемещаются в пространстве, обмениваются местами, но не расходятся на расстояние большее чем равновесное.

Тепловое движение частиц и свойства веществ в различных агрегатных состояниях имеют свои особенности. Газы легко сжимаются, обладают способностью неограниченно расширяться и занимать весь предоставленный им объем. Объясняется это тем, что в газах молекулы находятся на расстояниях, намного больших размеров молекул, поэтому силы взаимодействия между атомами и молекулами практически отсутствуют. Газ, в котором пренебрегают силами взаимодействия и собственным объемом молекул, называют идеальным газом. Это модель реального газа, имеющего достаточно высокую температуру и низкое давление. Такие газы как водород, кислород, азот, гелий уже при нормальных условиях (t = 0 °С, р = 101,3 кПа) можно считать идеальными. Силы отталкивания в идеальном газе проявляются только при столкновении молекул между собой и со стенками сосуда. Молекулы представляются упругими шариками, их движение подчиняется законам Ньютона. Основное уравнение МКТ имеет вид:

,

где р - давление; - масса молекулы; n - концентрация молекул;

- средняя квадратичная скорость движения молекул.

Это уравнение часто записывают в другом виде:

,

где V - объем газа, - средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул.

Из основного уравнения МКТ вытекают два важных следствия:

, (1)

где n - концентрация частиц; - постоянная Больцмана, ; Т - абсолютная температура (температура по шкале Кельвина);

, (2)

где - средняя кинетическая энергия поступательного движения одной молекулы. Следовательно, температура является мерой средней кинетической энергии движения молекул.

Любое состояние идеального газа можно описать с помощью уравнения состояния (уравнения Менделеева-Клапейрона):

,

где m - масса газа; M - молярная масса (масса одного моля газа);

R - молярная газовая постоянная, .

В реальных газах необходимо учитывать объем молекул и их взаимодействие, поэтому описывать поведение таких газов с помощью уравнения Менделеева-Клапейрона уже нельзя. В 1873 г. голландский физик Ван-дер-Ваальс вывел уравнение состояния реального газа. Для того, чтобы учесть собственный объем молекул и силы межмолекулярного взаимодействия, он ввел в уравнение Менделеева-Клапейрона две поправки и . Поправка характеризует силы межмолекулярного притяжения. Действие сил притяжения приводит к появлению дополнительного давления на газ, называемого внутренним давлением. Внутреннее давление вычисляют по формуле:

,

где - молярный объем (объем одного моля газа).

Наличие сил отталкивания, препятствующих проникновению в занятый молекулой объем других молекул, приводит к тому, что фактический свободный объем, в котором могут двигаться молекулы реального газа будет не , а , где b - объем, занимаемый самими молекулами, равный учетверенному собственному объему молекул.

С учетом поправок уравнение Ван-дер-Ваальса (для одного моля газа) будет иметь вид:

.

Для произвольного количества газа:

,

уравнение состояния реального газа принимает следующий вид:

.

Уравнение Ван-дер-Ваальса также весьма приближенно описывает реальные газы, хотя и лучше согласуется с опытом, чем уравнение Менделеева-Клапейрона.

По своим свойствам жидкости занимают промежуточное положение между газами и твердыми телами. В жидкостях расстояние между молекулами меньше, чем в газах, силы взаимодействия между молекулами велики. Как показали исследования, молекулы жидкости некоторое время (время оседлой жизни) колеблются около положения равновесия, а по истечении этого времени перескакивают в новое положение равновесия и колеблются около него. Именно такое поведение молекул объясняет текучесть жидкостей, т. е. способность изменять свою форму под действием внешних сил. Жидкости принимают форму того сосуда, в который помещены. Характер расположения частиц жидкости промежуточный между газом и твердым телом. Для жидкостей характерен так называемый ближний порядок (в отличие от дальнего порядка в твердых телах), т. е. взаимное расположение соседних молекул в определенной степени упорядоченно, но на больших расстояниях (больше, чем межатомное) этот порядок нарушается. Жидкости малосжимаемы, так как при сжатии возрастают силы отталкивания, сохраняют свой объем и имеют свободную поверхность. Свойства жидкости одинаковы по всем направлениям, т. е. жидкость изотропна. При высоких температурах жидкости по своим свойствам близки к газам. При критической и более высоких температурах плотность жидкости и ее насыщенного пара практически не отличаются, коэффициент поверхностного натяжения близок к нулю. Жидкость и газ по своим свойствам становятся неразличимы.

В твердых телах расстояние между молекулами меньше, чем в жидкостях, силы межмолекулярного взаимодействия значительны, поэтому твердые тела сохраняют не только свой объем, но и форму. Атомы и молекулы в твердых телах совершают хаотические колебания относительно положений равновесия, в которых силы притяжения уравновешивают силы отталкивания. Твердые тела обычно делят на две группы: кристаллические и аморфные. Аморфные тела, к которым относятся стекло, янтарь, воск, смола и др., являются переохлажденными жидкостями (жидкости с большой вязкостью). Их свойства (механические, тепловые, электрические, оптические) по всем направлениям одинаковы, т.е. аморфные тела изотропны. Для аморфных тел, как и для жидкостей, характерен ближний порядок в расположении частиц, но, в отличие от жидкостей, подвижность частиц мала. Характерной особенностью аморфных тел является отсутствие у них определенной точки плавления, т.е. нельзя указать температуру, выше которой будет жидкое состояние, а ниже - твердое. Со временем в аморфных телах происходит кристаллизация, поэтому стекло с течением времени теряет прозрачность, мутнеет. В последнее время очень широкое практическое применение получили органические аморфные тела - полимеры. Молекулы полимеров состоят из большого числа одинаковых длинных молекулярных цепочек, соединенных химическими связями. К полимерам относятся крахмал, белок, каучук, пластмасса, резина, капрон и др. вещества. Полимеры обладают прочностью и эластичностью, некоторые из них могут выдерживать растяжение, превышающее их первоначальную длину в 5-10 раз. агрегатное состояние молекулярная фазовый

Кристаллические твердые тела имеют правильную геометрическую форму, которая является результатом их упорядоченной структуры. Атомы и молекулы в кристаллах располагаются с периодической повторяемостью в трех измерениях по всему кристаллу (дальний порядок). Такие структуры, характеризующиеся регулярным расположением частиц с периодической повторяемостью, называются кристаллической решеткой. Различают монокристаллы и поликристаллы. Монокристаллы - твердые тела, имеющие единую кристаллическую решетку по всему объему. Это крупные одиночные кристаллы, каковыми являются, например, большинство минералов. Такие кристаллы встречаются в природе редко, в основном монокристаллы выращивают искусственно. Большинство твердых тел состоят из множества беспорядочно ориентированных мелких кристалликов. Такие твердые тела называются поликристаллами. Монокристаллы обладают анизотропией, т. е. имеют неодинаковые физические свойства по разным направлениям, поликристаллические тела изотропны. Анизотропия монокристаллов объясняется тем, что расстояния между атомами в кристаллической решетке и силы взаимодействия по разным направлениям различны.

По характеру сил взаимодействия и виду частиц, расположенных в узлах кристаллической решетки, все кристаллы делятся на четыре типа: 1) металлические, 2) ионные, 3) атомные, 4) молекулярные.

Наиболее сильные связи - ионная, ковалентная и металлическая. Ионная связь возникает между атомами, одни из которых (металлы) способны легко отдавать, а другие (галоиды) - легко принимать электроны. При этом атомы превращаются в ионы, которые электрически взаимодействуют своими разноименными зарядами. Типичными ионными кристаллами являются большинство галоидных соединений щелочных металлов (NaCl, CaCl, KBr и др.), оксиды различных элементов (MgO, CaO и т. д.). Твердые тела с ионной связью высокопрочны и тугоплавки, причем это не только соединения металлов с галоидами, но и сульфиды, неорганические окислы и другие материалы.

В узлах кристаллической решетки атомных кристаллов располагаются нейтральные атомы. Очевидно, в этом случае невозможно создание ионной связи. Однако валентные электроны обоих атомов могут переходить от одного атома к другому, образуя новое состояние - систему атомов с обобществленными электронами. Такая связь между атомами, имеющая квантово-механическое происхождение, называется ковалентной. Атомными кристаллами являются алмаз и графит, типичные полупроводники - германий и кремний, а также некоторые неорганические соединения, например ZnS, BeO. Твердые тела с ковалентной связью оказываются прочными, с высокой температурой плавления (алмаз, кварц, кремний).

Металлическая связь, характерная для металлов (Cu, Ag, Pt, Au, щелочные металлы Li, Na, K), возникает при обобществлении электронов всех атомов. У этих элементов не может образовываться ковалентная связь из-за недостаточного числа валентных электронов у каждого атома. Атомы металлов, потерявшие свои электроны, становятся ионами, как бы погруженными в "электронный газ" обобществленных электронов, это обеспечивает достаточно прочную связь между атомами. Благодаря такой связи металлы являются достаточно прочными соединениями и, кроме того, обладают хорошей электропроводностью из-за большого количества обобществленных электронов.

Молекулярная связь менее сильная, чем выше перечисленные виды связей. Она появляется во всех твердых телах из-за смещения электронов в электронных оболочках атомов. Силы, которые при этом появляются, называются ван-дер-ваальсовскими, они довольно слабые. Химические соединения, образующиеся при наличие только этих сил (твердые состояния инертных газов, водорода, кислорода, азота), неустойчивы, летучи, имеют низкие температуры плавления. В твердых телах, где определяющими являются другие виды связи, наличие молекулярной связи вносит особенности в структуру и свойства этих тел. Примером может служить графит, кристаллическая решетка которого состоит из ряда параллельных плоскостей, в которых атомы расположены в вершинах правильных шестиугольников. Расстояние между плоскостями более чем в два раза превышает расстояние между атомами шестиугольника. Между атомами в пределах одного слоя осуществляется ковалентная и металлическая связь, а между слоями - молекулярная. Наличие металлической связи объясняет мягкость графита: его слои могут скользить относительно друг друга.

Существует еще одна, достаточно слабая, связь между частицами вещества - водородная. Она возникает в том случае, когда атом водорода оказывается между двумя электроотрицательными атомами (например, кислорода, азота, фтора), с одним из которых он имеет ковалентную связь в молекуле. Водородная связь приводит к дополнительному объединению молекул внутри жидкости, повышению вязкости, увеличению температуры кипения. Именно эта связь обеспечивает существование воды при нормальных условиях: если бы ее не было, то вода кипела бы при атмосферном давлении при температуре - 80 °С, а лед плавился при - 100 °С.

В реальных твердых телах всегда имеется сочетание нескольких типов связей, одна из которых является преобладающей.

Жидкие кристаллы

В настоящее время большой интерес вызывает новый класс веществ - жидкие кристаллы. Молекулы жидких кристаллов не образуют кристаллической решетки, но ввиду своей формы (плоские, нитевидные) могут выстраиваться при незначительном воздействии в определенном порядке. Структура при этом приобретает свойства слоистых или нитевидных кристаллов. Упорядоченное расположение молекул в жидких кристаллах наблюдается лишь по одному направлению. Структура, соответствующая жидким кристаллам, возникает в органических веществах, молекулы которых имеют нитевидную вытянутую форму или же форму плоских пластин. Например, растворенное в воде мыло образует жидкие кристаллы. Молекула мыла имеет форму палочки. Тот конец молекулы, который имеет отрицательный заряд, тяготеет к молекулам воды, это является причиной упорядоченной ориентации молекул мыла по отношению к воде. Мыльный раствор (в воде) состоит из большого числа двойных слоев молекул мыла, разделенных слоем воды. Двойные слои, образующие жидкий кристалл, обладают большой подвижностью, что определяет моющие свойства мыла. Частички грязи и очищаемая поверхность покрываются слоями жидких кристаллов, легко скользящих один относительно другого. При небольшом механическом воздействии частички грязи, обволакиваемые "шубой" жидких кристаллов легко переходят в раствор и уносятся вместе с водой.

Жидкие кристаллы находят широкое практическое применение. Многие вещества в жидкокристаллическом состоянии обладают весьма ценным качеством: некоторые их свойства резко изменяются при незначительном изменении внешних условий (температура, длина волны облучаемого света, электрическое и магнитное поля и т. д.). Оптическую ось в жидких кристаллах можно легко ориентировать электрическим полем. Этот эффект используется при построении жидкокристаллических индикаторов и экранов. На основе жидких кристаллов разработан преобразователь инфракрасного изображения в видимое, применяемый в медицине, военном деле и других отраслях. Некоторые жидкие кристаллы весьма чувствительны к присутствию паров различных химических веществ: при наличии в воздухе ничтожно малой концентрации этих веществ структура жидкого кристалла меняется, что сопровождается изменением его цвета.

Жидкие кристаллы обнаруживаются в важнейших функциональных участках клетки живых организмов. Распространенность жидкокристаллического состояния в живых тканях обусловлена его высокой чувствительностью к окружающей среде, гибкостью структуры и достаточной устойчивостью к внешним воздействиям. Для обмена веществ с окружающей средой (основная особенность живой клетки) жидкие кристаллы являются идеальными образованиями, так как они могут растворять многие вещества, не изменяя своей жидкокристаллической структуры, легко обмениваться молекулами. При соответствующих условиях жидкие кристаллы могут набухать, а затем опять сжиматься, не теряя жидкокристаллического строения, в мышечных волокнах они могут растягиваться и сжиматься, не разрушаясь. Значительная прочность жидкокристаллических волокон необходима для образования опорных тканей.

Фазовые переходы

Вещество может переходить из одного агрегатного состояния в другое. Такие процессы называются фазовыми переходами первого рода (фаза - термодинамическое равновесное состояние вещества, отличающееся по своим физическим свойствам от других возможных равновесных состояний). Примерами фазовых переходов первого рода могут быть плавление и кристаллизация, парообразование и конденсация, сублимация и возгонка. Агрегатные состояния и фазовые переходы определяются внешними условиями: температурой и давлением. При высокой температуре и низком давлении вещество находится в газообразном состоянии; при низкой температуре и высоком давлении - в твердом состоянии. Фазовые переходы всегда связаны с качественными изменениями свойств вещества. Фазовые переходы первого рода сопровождаются выделением (конденсация пара, кристаллизация) или поглощением (плавление, парообразование) энергии. Температура при таких переходах остается неизменной. Например, при плавлении вся подводимая теплота идет на разрыв межатомных связей, а не на нагрев вещества, поэтому в процессе плавления температура не меняется.

Кроме фазовых переходов первого рода, наблюдаются также фазовые переходы второго рода, которые не сопровождаются поглощением или выделением теплоты. Эти переходы связаны с изменением симметрии: выше точки перехода система обладает более высокой симметрией, чем ниже точки перехода. Примерами фазовых переходов второго рода являются: переход металлов при низких температурах в сверхпроводящее состояние, превращение обыкновенного жидкого гелия в другую жидкую модификацию, обладающую сверхтекучестью и т.д.

Из рассмотренного выше следует, что объекты и явления микро- и макромира связаны между собой в единое целое, фундаментальные законы природы проявляются как диалектическое единство дискретного и непрерывного, упорядоченного и неупорядоченного, симметричного и асимметричного.

Размещено на Allbest.ru