§ 4. Агрегатные состояния вещества

В двух предыдущих разделах мы рассматривали закономерности, определяющие строение и свойства отдельных, не взаимодействующих друг с другом атомов или молекул. Однако на практике приходится иметь дело не с изолированной частицей, а с большим числом частиц. Совокупность большого числа частиц (атомов, молекул или ионов) называется веществом.

Вследствие того, что частицы вещества взаимодействуют между собой, вещества имеют сложное строение. В зависимости от характера взаимодействия частиц, образующих вещество, различают четыре агрегатных состояния: твердое, жидкое, газообразное и плазменное.

Если вещество находится при очень низкой температуре, частицы его обычно образуют правильную геометрическую структуру, в таком случае энергии связей частиц больше энергии тепловых колебаний, которые не нарушают образовавшуюся структуру, — вещество существует в твердом состоянии.

При повышении температуры энергия тепловых колебаний частиц возрастает, и для каждого вещества имеется температура, начиная с которой энергия тепловых колебаний превышает энергию связей. Связи между частицами постоянно разрушаются и вновь образуются. Частицы могут совершать различные движения (колебательные, вращательные и т.д.), смещаясь относительно друг друга. Однако они еще остаются в контакте, хотя правильная геометрическая структура частиц нарушается — вещество существует в жидком состоянии.

При дальнейшем повышении температуры тепловые колебания увеличиваются, в результате частицы становятся практически не связанными друг с другом. Вещество переходит в газообразное состояние. В «идеальном» газе частицы свободно перемещаются во всех направлениях.

Следовательно, при повышении температуры вещества переходят из упорядоченного состояния (твердое) в неупорядоченное состояние (газообразное); жидкое состояние является промежуточным.

Четвертым состоянием вещества является плазма, которая представляет собой газ, состоящий из смеси нейтральных и ионизованных молекул и электронов. Изучением плазмы занимается специальная область химии — плазмохимия, однако химикам все же намного больше приходится иметь дело с веществами в твердом, жидком и газообразном состояниях.

Диаграммы состояния.

Различные агрегатные состояния вещества определяются, прежде всего, температурой и давлением: если давление мало, температура достаточно высока, то вещество будет находиться в газообразном состоянии, при низкой температуре вещество будет твердым, при умеренных (промежуточных) температурах — жидким. В соответствии с этим, для количественной характеристики агрегатных состояний вещества часто используется очень наглядная фазовая диаграмма вещества, которая показывает зависимость агрегатного состояния от давления и температуры. Примером может служить диаграмма состояния некоторого абстрактного вещества, представленная на рис. 4.1.

Рис. 4.1. Пример диаграммы состояния

Диаграмма состоит из трех областей, отвечающих кристаллическому (К), жидкому (Ж) и газообразному (парообразному) (Г) состояниям. Эти области отделены друг от друга кривыми: плавление кристаллизация ОЪ, кипение конденсация и сублимация «± десублимация . Точка пересечения этих кривых О называется тройной точкой: при вещество может сосуществовать в трех агрегатных состояниях, причем жидкость и твердое вещество имеют одинаковое давление пара. Координаты тройной точки — это единственная пара значений давления и температуры, при которых одновременно могут сосуществовать три фазы. Например, на диаграмме состояния воды этой точке соответствуют давление 4,58 мм рт.ст. (0,61 кПа) и температура 273 К (0 °С).

При температуре выше критической (на диаграмме ей соответствует точка k) кинетическая энергия частиц становится больше энергии их взаимодействия, и поэтому вещество существует в газообразном состоянии при любом давлении.

На рис. 4.1 видно, что при давлении, большем нагревание твердого вещества приводит к его плавлению (например, при плавление происходит в точке d). После того как все вещество расплавится, дальнейшее повышение давления приводит к повышению соответствующих температур кипения (например, при давлении кипение жидкости происходит в точке при температуре ). При давлении, меньшем (например, при ), нагревание твердого вещества приводит к переходу из кристаллического состояния непосредственно в газообразное (в точке ), т.е. к сублимации. Для большинства веществ Лишь для немногих веществ и нагревание кристаллов приводит к их сублимации — примерами таких веществ являются иод и «сухой лед — твердый диоксид углерода.