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:

  1. Агрегатные состояние вещества
  2. Строение атома - развитие моделей
  3. Квантовая механика и строение атома водорода
  4. Электронные конфигурации атомов и периодический закон
  5. Ядра атомов. Радиоактивность и изотопы
  6. Строение молекул. Типы химической связи
  7. Квантовая механика молекул и теория химической связи. Метод молекулярных орбиталей. Теория спин-валентности
  8. Окислительно-восстановительные реакции
  9. Химическая термодинамика
  10. Химическая кинетика и катализ
  11. Химическое равновесие. Обратимые и необратимые реакции
  12. Электрохимия. Свойства электролитов. Электролиз