Агрегатний стан речовини - малюнок

Агрегатний стан речовини — види, умови переходу



Будь-який хімічний елемент або з’єднання, в залежності від зовнішніх умов, може приймати різні форми, які називаються агрегатним станом речовини.

Оскільки при переході з одного стану в інший змінюються структурні зв’язки між молекулами, атомами або іонами, то цей процес вивчається у фізичній хімії.

Агрегатні стани речовини

Загальні поняття

При нормальних зовнішніх умовах всі речовини знаходяться у своєму звичному стані:

  • кисень — у газоподібному;
  • вода — у рідкому;
  • кристали — у твердому.

Зміна цих умов викликає перехід однієї і тієї ж речовини в різні стани, які називаються агрегатними. Підвищення або зниження температури і/або тиску навколишнього середовища впливає на характер взаємодії між частинками, складовими речовина (молекулами, атомами, іонами), і відстань між ними.

Буває три види агрегатних станів (АС):

  • твердий;
  • рідкий;
  • газоподібний.

Перехід речовини з одного АС в інший називається фазовим і супроводжується стрибкоподібною зміною її фізичних і хімічних властивостей — густини, розчинності, кінетичної і потенційної енергії частинок і ін.

Всього існує шість процесів, що викликають зміну агрегатного стану речовини:

  • Плавлення – перетворення твердого тіла в рідке (танення льоду).
  • Кристалізація або затвердіння (морозні візерунки на склі).
  • Пароутворення – перехід речовини з рідкого АС в газоподібний. Окремі випадки – випаровування відбувається тільки з поверхні рідини; кипіння, при якому рідина перетворюється в пар по всьому об’єму.
  • Конденсація.
  • Сублімація — перехід з твердого АС відразу в газоподібний без рідкої стадії.
  • Десублімація.

До сублімації, так чи інакше, схильні всі тверді тіла, але, в основному, кількість частинок, які залишили тіло, настільки мале, що процес практично непомітний.

Приклади явної сублімації – графіт і сухий лід (оксид вуглецю). Навіть сильне нагрівання не приводить їх в рідкий стан, а поступово перетворює в газ. Запахи твердих тіл теж обумовлені сублімацією – відриваючись від поверхні, молекули накопичуються в парі, що володіє ароматом (камфора, нафталін). Молекули деяких органічних речовин, наприклад, білків, настільки великі, що не дозволяють їм прийняти газоподібну форму.

Агрегатні стани речовини - тверді тіла

Тверде тіло

При нормальних умовах тверді тіла знаходяться в стабільній формі і зберігають свій об’єм. За внутрішньою будовою і властивостями поділяються на кристалічні і аморфні.

Перші відрізняються строго впорядкованим положенням частинок, між якими встановлені сильні взаємозв’язки:

  • ковалентні полярні і неполярні;
  • іонні;
  • металеві.

Тип взаємодії визначає фізичні властивості твердого тіла. Це, як правило, метали і їх оксиди, що володіють хорошою тепло- і електропровідністю, міцні і пружні.

Властивості аморфних тіл близькі до рідинних, оскільки їх молекули пересуваються між хаотично розташованими умовними центрами. До них відносяться різноманітні смоли, пластмаси, скло та інші неметали.

Нагрівання кристалічних речовин призводить до порушення впорядкованого розташування частинок і збільшення відстаней між ними. При певній температурі, яка називається температурою плавлення, перебудова молекул призводить до перетворення твердого тіла в рідину. Кількість теплоти, яке потрібно, щоб розплавити деяку масу речовини, обчислюють за формулою:

Q = km

де

  • k — питома теплота плавлення цієї речовини;
  • m — його маса.

Молекулярна кінетична енергія залишається незмінною, тому подальше нагрівання речовини не призводить до підвищення її температури до тих пір, поки вся вона не перетвориться в рідину. Якщо продовжувати нагрів, то з поверхні розплавленого металу почнеться випаровування — безладний відрив окремих молекул, який є початком переходу в газоподібний стан. При кристалізації, що починається при зниженні температури, тіло, що остигає, саме віддає тепло в атмосферу.

Дослідним шляхом встановлено, що температури плавлення і кристалізації у кожного металу рівні один одному, а їх точно відоме значення відрізняє кристалічні тіла від аморфних. На відміну від металів, аморфні речовини не плавляться, а розм’якшуються. Наприклад, скло при нагріванні спочатку стає м’яким, його легко зігнути або розтягнути.

Подальше підвищення температури призводить до того, що воно під дією сили тяжіння розтікається по посудині. Ця маса, спочатку дуже густа, поступово набуває консистенцію води.

Таким чином процес переходу аморфного тіла в рідке відбувається не при фіксованій температурі, як у кристалічних тіл, а розтягується на весь час нагрівання.

Агрегатні стани речовини - рідини

Рідини

Рідини – це тіла, що займають весь об’єм, в якому знаходяться. Вони утворюють поверхню, але не здатні утримувати пружну форму. Для них властива сильна міжмолекулярна взаємодія і низька стисливість, що визначає їх положення між газоподібним і твердим агрегатним станом.

Рідини ізотропні, текучі і мають питому вагу, порівнянним з аналогічним показником у твердих тіл.

Правильне розташування внутрішніх частинок поширюється на невеликі області – вони не тільки коливаються навколо вузлів так званої квазікристалічної ґратки, але і можуть перескакувати між ними. Утворюється складна траєкторія – коливання навколо центру, що переміщається в просторі. Цим пояснюється текучість тіл в рідкому АС. Якщо знизити температуру до меж кристалізації, то різні теплові властивості рідин наблизяться до показників твердих тіл.

Випаровування2

Процес пароутворення

Деякі молекули рідини можуть подолати сили поверхневого натягу і перейти в пароподібну форму, чим пояснюється явище випаровування, що відбувається при будь-якій температурі. Коли температура підвищується, процес стає інтенсивніше і поширюється на весь об’єм. З’являється все більше бульбашок насиченої пари, що прориваються з глибини на поверхню.

При температурі кипіння, що має певне значення для кожного рідкого тіла, тиск пари всередині бульбашок перевищує атмосферний, і починається інтенсивний перехід рідини в газоподібний АС.

При зниженому атмосферному тиску температура кипіння тієї ж рідини стає нижче.

Динамічна рівновага

Коли рідина знаходиться у відкритій ємності, то її кількість обов’язково зменшиться внаслідок випаровування. Але якщо ємність закрити, то цього не станеться. Спочатку почнеться процес випаровування і продовжиться до тих пір, поки число молекул, що залишили рідину, не стане дорівнювати числу молекул рідини, що повернулися назад.

Можна сказати, що замкнута система прийде в динамічну (рухому) рівновагу, оскільки процес обміну молекул буде тривати і далі, тобто випаровування і конденсація в замкнутій системі відбуваються одночасно і компенсують один одного.

Пар, який знаходиться в такій рівновазі з відповідною рідиною, називається насиченим. Зміна внутрішньої енергії речовини визначається за формулою:

ΔU = ± mr

де

  • m – маса тіла;
  • r – питома теплота пароутворення.

Динамічна рівновага у різних рідин настає при різній густині пари – це залежить від сили міжмолекулярної взаємодії. Якщо вони великі як, наприклад, у ртуті, то тільки незначне число найшвидших молекул може залишати поверхню рідини, а рівновага настає при малій густині пари. У летючих рідин молекули розлітаються дуже швидко, тому потрібна висока густина для настання рівноваги.

Агрегатні стани речовини - гази

Газоподібний стан

При цьому агрегатному стані частинки хімічних елементів і їх сполук пов’язані один з одним слабо або не пов’язані взагалі і заповнюють весь наданий об’єм. Такий стан речовини широко поширений в природі:

  • повітряні маси атмосфери;
  • скупчення газів під землею;
  • газоподібна матерія, розчинена у водах Світового океану.

Всі гази відрізняються наступними властивостями:

  • рівномірно заповнюють весь наданий об’єм, при цьому не створюючи поверхню;
  • мають малу густину при високій швидкості дифузії;
  • порівняно легко стискаються.

Ці характеристики визначаються великими відстанями між молекулами і їх тяжінням один до одного. Газоподібне АС речовин можна розглядати, як перегрітий або ненасичений пар. При надвисоких температурах газ частково або повністю іонізується, при цьому зберігаючи загальну електричну нейтральність, тому що густина негативних і позитивних зарядів знаходяться приблизно на одному рівні.

Так утворюється плазма, яку деякі вчені розглядають, як четвертий вид агрегатного стану речовини. У ній взаємодія відбувається між іонами і вільними електронами за допомогою електричних сил, що діють на великій відстані. Речовини, які при нормальних умовах є газами, мимовільно переходити в рідкий стан не можуть.

Збільшення тиску і зниження температури призводить до зменшення відстаней між молекулами і збільшення сили взаємодії до такої міри, що речовина з газоподібного стану переходить в рідкий, тобто змінює свій агрегатний стан.

Цей процес називається зрідженням і характеризується критичною температурою. Вона визначається в точці, після якої перетворення газу в рідину неможливо ні при якому тиску.

Для кожної газоподібної речовини значення цієї температури своє. Ця температура приблизно дорівнює кімнатній, як у аміаку, хлору і вуглекислого газу, тоді для зрідження досить впливати на газ тільки тиском.

У водню і гелію, наприклад, критична температура набагато нижче кімнатної.

Перед зрідженням їх спочатку охолоджують до температури трохи нижче критичної, а потім доводять до рідкого агрегатного стану підвищеним тиском.

Зміна агрегатного стану речовини

Порівняльна таблиця

Різниця між твердими матеріалами, рідинами і газами пояснюється внутрішніми процесами, що залежать від агрегатного стану речовини. У таблиці нижченаведені характерні для кожного класу.

Стан речовини Розташування і характер руху частинок Енергія взаємодії Фізичні властивості
Твердий Відстані між частинками, що коливаються біля положення рівноваги, порівнянні з їх розмірами. Потенційна енергія перевищує кінетичну. Взаємодія між частинками сильна. Зберігають власну форму і об’єм. Мають точну температуру кристалізації і плавлення. Володіють твердістю, міцністю і пружністю.
Рідкий Частинки розташовані впритул і зберігають близький порядок впорядкованості. Можуть перескакувати з одного положення рівноваги в інший. Модуль кінетичної енергії майже дорівнює потенційній. Зберігають об’єм, але не форму. Закипають при певній температурі. Текучі, майже не піддаються стисненню.
Газоподібний Частинки розташовані хаотично на відстанях, що сильно перевищують їх власні розміри. Хаотичний рух частинок з досить великими швидкостями призводить до постійних зіткнень між ними. Кінетична енергія по модулю набагато перевищує потенційну. Легко заповнюють весь наданий об’єм і стискаються. Приймають форму тих предметів, в яких знаходяться.

Можна відзначити, що перехід речовини з одного АС в інший залежить від співвідношення потенційної і кінетичної енергії його частинок.

Амфорні тіла

Галузь застосування

Здатність металів плавитися і піддаватися обробці в рідкому стані широко застосовується в чорній і кольоровій металургії. У технологіях отримання солі та інших хімічних сполук використовується процес випаровування, при якому потрібна речовина утворюється після випаровування рідини. У різних областях промисловості і техніки поширене застосування рідких газів.

Інертні гази використовуються в освітлювальних приладах, рідкий кисень — в медицині як засіб анестезії та при зварюванні металів в суміші з ацетиленом.

Рідкий водень – це ракетне паливо, а оксид сірки знищує цвіль. У рефрижераторах і промислових холодильниках застосовують рідкий аміак, крім того, зріджені гази зручніше транспортувати.

Leave a Reply

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *