§ III.2. СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВ В РАЗЛИЧНЫХ СОСТОЯНИЯХ

В зависимости от условий окружающей среды и в первую очередь от температуры и давления химические вещества могут находиться в различных агрегатных состояниях. Эти агрегатные состояния отличаются друг от друга величиной и природой сил, действующих между частицами, а также характером движения самих частиц. Различают твердое, жидкое, газообразное и плазменное состояния веществ.

Между четырьмя агрегатными состояниями нет резких границ. В зависимости от природы веществ, образующих систему, а также температуры и давления возможно существование промежуточных или переходных агрегатных состояний.

Газообразное состояние.

В газообразном состоянии вещество заполняет весь объем и принимает форму сосуда, обладает большой сжимаемостью и образует однородные смеси. Эти свойства газов обусловлены тем, что их отдельные молекулы находятся на сравнительно далеком расстоянии друг от друга, поэтому не оказывают значительного взаимного влияния.

Кинетическая энергия молекул в этом состоянии максимальна, а энергия их взаимодействия минимальна. Главным видом движения молекул в газах является поступательное движение. При этом они испытывают огромное число соударений: для одного моля газа более чем соударений в секунду при комнатной температуре. Молекулы в газах движутся хаотически. Они сохраняют свою химическую индивидуальность, поэтому многие физико-химические свойства таких систем могут быть получены по правилу аддитивности: суммированием характеристик образующих их молекул. Так, давление р, объем V и число молей идеального газа связаны между собой уравнением Менделеева — Клапейрона

где — молярная газовая постоянная; Т — термодинамическая температура.

При переходе к реальным газам в уравнение (III.2) необходимо

димо вводить поправки, учитывающие как силы взаимодействия между молекулами, так и собственный их объем:

где — поправка на объем молекул; а — коэффициент пропорциональности, учитывающий энергию их взаимодействия. Формально уравнение может быть применено и к жидкостям. Однако поправочный член будет значительно превышать давление . Уравнение впервые было предложено Ван-дер-Ваальсом и называется его именем. Точные количественные расчеты для газов требуют введения еще и других поправок. К настоящему времени предложено большое число различных уравнений состояния газов, дающих хорошие результаты в том или ином интервале изменения температуры и давления.

Плазменное состояние.

При нагревании разреженных газообразных систем до высоких температур, как правило, превышающих десятки тысяч градусов, происходит ионизация молекул, и газ переходит в специфическое состояние с электронно-ионной проводимостью, называемое плазменным состоянием. Ионы, появившиеся в низкотемпературной плазме в результате отщепления электронов, способны к дальнейшим химическим реакциям, поэтому в плазмах можно обнаружить такие экзотические с точки зрения химии частицы, как иоиы Кинетическая и потенциальная энергия частиц в плазменном состоянии превышает аналогичные параметры газообразных молекул, но наиболее существенные различия между плазмой и газами возникают при наложении электрического и магнитного полей большой напряженности. При этом движение частиц в плазме становится направленным, и придавая ему винтообразную форму, можно до известной степени управлять плазмой.

Конденсированное состояние.

При охлаждении газ конденсируется, превращаясь в жидкость, которая при дальнейшем охлаждении переходит в твердое состояние.

В поведении жидкостей и твердых тел есть много общего: незначительная сжимаемость, медленная диффузия частиц и другие, поэтому жидкое и твердое состояния часто объединяют общим термином «конденсированное состояние вещества».

Жидкое состояние.

Молекулы в жидкости находятся значительно ближе друг к другу, чем в газах, и удерживаются относительно друг друга силами межмолекулярного взаимодействия. Доля свободного объема в жидкости очень невелика, поэтому жидкости обладают незначительной сжимаемостью. Молекулы в жидкости свободно перемещаются относительно друг друга, поэтому жидкости обладают текучестью и способностью принимать форму той части сосуда, которую они занимают, либо форму шара в невесомости. Повышенное тепловое движение частиц в жидкостях и низкая вязкость их приводят, в среднем, к неупорядоченному

размещению частиц. В связи с этим жидкости обладают изотропностью, т. е. идентичностью свойств в любой ее точке, тождественностью свойств по любому из выбранных направлений. В то же время в среднем во времени ближайшие друг к другу частицы в жидкостях располагаются не хаотически, а более или менее упорядоченно, реализуя так называемый «ближний порядок». Согласно теории советского ученого Я. И. Френкеля, частицы, находясь в этом положении, совершают тепловое колебательное движение и лишь изредка осуществляют поступательный скачок за пределы своей группировки. Совершение частицей такого «активированного» скачка требует преодоления некоторого потенциального барьера.

Жидкие кристаллы.

Известно много веществ, которые в жидком состоянии обладают анизотропностью, т. е. зависимостью свойств от направления. Такие вещества называют жидкими кристаллами. Своеобразие структуры жидких кристаллов проявляется в том, что образующие их частицы могут свободно перемещаться друг относительно друга, при этом их ориентация сохраняется. Частицы или располагаются таким образом, что их оси ориентированы нитеобразно в одном направлении, или размещены в параллельных слоях, внутри которых движение частиц разупорядочено. Первый тип жидких кристаллов называют нематическим или нитеобразным, второй — смектическим (смегма — мыло). Жидкокристаллическое состояние реализуется, например, при растворении в воде ацетата холестерина, олеатов калия и аммония, различных липидов, а также других веществ, как правило, органической природы, молекулы которых имеют нитеобразную структуру.

Структура жидких кристаллов легко изменяется при нагревании, воздействии электрических и магнитных полей, механических напряжений и т. д., в результате чего изменяются их физические свойства. Таким образом можно управлять физическими свойствами жидких кристаллов с помощью слабых внешних воздействий. Жидкие кристаллы широко применяются в цветных дисплеях, термометрах, буквенно-цифровых индикаторах и других устройствах записи и хранения информации.

Твердое состояние.

В твердом агрегатном состоянии вещества средние расстояния между образующими его микрочастицами равны размеру частиц, а энергия взаимодействия значительно превышает их среднюю кинетическую энергию. Основным видом движения микрочастиц является их тепловое колебательное движение, поэтому вероятность пребывания частиц вблизи фиксированных равновесных положений максимальна. Это объясняет наличие у твердых тел собственной формы, отсутствие текучести, незначительную сжимаемость и механическую прочность. Твердые вещества могут быть в аморфном и кристаллическом состояниях.

Аморфное состояние. Методом изобарического охлаждения (при постоянном давлении), изотермического сжатия жидкостей

или переохлаждением расплавов можно получить некоторые вещества в аморфном состоянии. Вещество в таком состоянии не имеет дальнего порядка, оно изотропно (т. е. его свойства не зависят от направления), плавится не при определенной фиксированной температуре, а в некотором температурном интервале. Твердое аморфное состояние вещества может рассматриваться как переохлажденная жидкость. Типичными примерами аморфных тел могут служить стекла, поэтому аморфное состояние называют также стеклообразным. В стеклообразном состоянии могут находиться простые вещества (S, Se, As, С, Р), оксиды, некоторые многокомпонентные системы, большинство органических полимеров. В последние годы разработаны методы получения некоторых металлов в стеклообразном состоянии («металлических стекол»). Металлы в стеклообразном состоянии обладают некоторыми специфическими свойствами, например повышенной устойчивостью к химическому воздействию внешней среды.

Кристаллическое состояние.

Большинство твердых тел в окружающем нас мире являются кристаллическими, т. е. образующие их частицы расположены регулярно в трехмерном пространстве. В монокристаллах эта регулярность распространяется на весь объем твердого тела, в поликристаллических образцах имеются регулярные области — зерна, размеры которых значительно превышают расстояния между микрочастицами (на границах между этими областями ориентация регулярной структуры резко меняется). Таким образом, в кристаллических телах реализуется в отличие от жидкостей «дальний порядок».

Регулярное расположение образующих кристалл микрочастиц может быть изображено в виде так называемой кристаллической решетки, представляющей собой сетку из регулярно повторяющихся в пространстве и параллельно размещенных точек, называемых узлами решетки. В узлах располагаются центры частиц, формирующих данный кристалл.

В отличие от аморфных тел монокристаллы обладают анизотропными свойствами, т. е. величина того или иного параметра в кристалле будет различной в направлении разных его осей. Переход из кристаллического твердого в жидкое агрегатное состояние осуществляется скачкообразно при постоянной температуре, называемой температурой плавления.

Высокая степень упорядоченности частиц в кристалле сообщает последним высокую энергетическую устойчивость. С этой точки зрения аморфные тела, в которых частицы размещены менее упорядоченно, находятся и в менее устойчивом состоянии, и при переходе из аморфного состояния тела в кристаллическое должна выделяться энергия. Правда, скорость этого процесса незначительна из-за высокой вязкости системы.