Газообразное состояние вещества

К основному газовому закону относится уравнение состояния газа Менделеева-Клайперона pV = nRT, где n – число молей газа, R – постоянная, равная 8,314 Дж/(К×моль) или (л×кПа)/(К×моль). Газ, который подчиняется этому закону, называется идеальным.

Закон Авогадро гласит: в равных объемах всех газов при одинаковых давлении и температуре содержится одинаковое число молекул. В одном моле содержится 6,022×10²³ молекул. При стандартных условиях моль газа занимает объем 22,4 л.

Предполагается, что существование идеального газа возможно при следующих условиях: газ состоит из большого числа молекул, находящихся в непрерывном движении; молекулы газа не притягиваются друг к другу; время столкновения молекул друг с другом очень мало по сравнению со временем между столкновениями; средняя кинетическая энергия газа пропорциональна абсолютной температуре.

Вследствие непрерывного движения молекулы газа стремятся распространиться по всему объему. Такое распространение называется диффузией, скорость этого процесса обратно пропорциональна корню квадратному из плотности газа.

Поведение реальных газов отклоняется от законов, определенных для идеальных газов. Причиной таких отклонений является межмолекулярное взаимодействие, а также то, что каждая молекула имеет свой собственный объем. Ван-дер-Ваальсом было предложено уравнение состояния газа, учитывающее эти факторы: (p + an² / V²)×(V – nb) = nRT.

Здесь постоянная а учитывает межмолекулярные взаимодействия, и ее значение растет с увеличением энергии ван-дер-ваальсовского взаимодействия, а постоянная в учитывает объем молекул, и ее значение увеличивается с увеличением размера молекул.

Жидкое состояние вещества

При повышении давления расстояние между частицами газа уменьшается и все больше проявляются силы притяжения молекул. При некотором давлении, зависящем от природы вещества и температуры, происходит превращение газа в жидкость – конденсация газа.

Согласно молекулярно-кинетической теории расстояния между частицами жидкости намного меньше, чем в газах, поэтому между ними возникают ван-дер-ваальсовы взаимодействия: дисперсионные, диполь-дипольные и индукционные. Эти взаимодействия удерживают молекулы друг около друга и приводят к их некоторому упорядочиванию или объединению частиц. Небольшие группы частиц, объединенных теми или иными силами, получили название кластеров. В случае одинаковых частиц кластеры в жидкости называются ассоциатами.

Степень упорядоченности повышается с увеличением полярности молекул, так как при этом растут ван-дер-ваальсовы силы. Особенно значительно упорядочение при образовании водородных связей между молекулами. Однако даже водородные связи, и тем более ван-дер-ваальсовы силы, относительно непрочны, поэтому молекулы в жидком состоянии находятся в непрерывном движении, получившем название броуновского движения.

Вследствие непрерывного движения отдельные молекулы могут вырываться из жидкости и переходить в газообразное состояние. Этот процесс называется испарением жидкости. Склонность жидкости к испарению называется летучестью. Вследствие испарения растет парциальное давление пара данной жидкости в газовой фазе над жидкостью, т.е. конденсация пара. При некотором парциальном давлении скорости испарения и конденсации пара становятся равными, и такое давление называется давлением насыщенных паров жидкости.

При парциальном давлении насыщенных паров жидкости, равном атмосферному давлению, образуются пузырьки газа жидкости, и начинается кипение. Температура, при которой достигается это состояние, называется температурой кипения жидкости.

Жидкости обладают текучестью. Сопротивление жидкости текучести носит название вязкости. Вязкость растет с увеличением энергии взаимодействия частиц и зависит от структуры молекул. С увеличением температуры вязкость уменьшается.

Силы молекулярного взаимодействия молекул, находящихся на поверхности, не уравновешены, поэтому результирующая сила направлена в глубь жидкости. Под действием этой силы жидкость стремится к сокращению своей поверхности. Наименьшую поверхность при одинаковом объеме имеет сфера, поэтому капля жидкости принимает форму сферы.

Для образования новой поверхности требуется дополнительная энергия, которая получила название поверхностного натяжения s, Дж/м².

Твердые вещества

При охлаждении жидкости происходит дальнейшее снижение кинетической энергии частиц. При некоторой температуре или интервале температур жидкость переходит в твердое состояние, в котором частицы практически утрачивают поступательное движение и сохраняют в основном колебания около своего положения. В отличие от газов носителями свойств жидкости являются молекулы, носителем свойств твердого тела является фаза. Твердые вещества могут находиться в аморфном или кристаллическом состояниях.

Подавляющее большинство твердых тел (в том числе все без исключения металлы) находятся в кристаллическом состоянии, поэтому характеризуются дальним порядком, т.е. трехмерной периодичностью по всему объему твердого тела. Регулярное расположение частиц в твердом теле изображается в виде решетки , в узлах которой находятся те или иные частицы.

Монокристаллы характеризуются анизотропностью, т.е. зависимостью свойств от направления в пространстве. Однако следует заметить, что реальные твердые вещества (металлы в том числе) поликристаллические, т.е. состоят из множества кристаллов, ориентированных по разным осям координат, поэтому в поликристаллических телах анизотропия не проявляется.

Кристаллические тела плавятся при определенной температуре, называемой температурой плавления. Кристаллы характеризуются энергией постоянной кристаллической решетки и координационным числом (числом частиц, непосредственно примыкающих к данной частице в кристалле). Постоянная решетки характеризует расстояния между центрами частиц, занимающих узлы в кристалле в направлении осей, совпадающих с направлениями основных граней. Энергией кристаллической решетки называют энергию, необходимую для разрушения одного моля кристалла и удаления частиц за пределы их взаимодействия. Основной вклад в энергию вносит энергия химической связи между частицами в решетке, кДж/моль.

Наименьшей структурной единицей кристалла, которая выражает все свойства его симметрии, является элементарная ячейка. При многократном повторении ячейки по трем измерениям получают всю кристаллическую решетку. Для металлов характерны два типа кристаллической решетки – кубическая и гексагональная (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Типы элементарных ячеек

кристаллической решетки металлов:

а – гексагональная; б – кубическая;

в – кубическая центрированная

Многие вещества могут существовать в двух и более кристаллических структурах. Такое явление называется полиформизмом. Так, а-железо имеет объемноцентрированную кубическую ячейку, а g-железо – гранецентрированную и т.д.

По природе частиц в узлах кристаллической решетки и химических связей между ними все кристаллы можно разделить на молекулярные, атомно-ковалентные, ионные и металлические. Кроме того, существуют кристаллы со смешанными химическими связями.

В молекулярных кристаллах в узлах решеток находятся молекулы, между которыми действуют ван-дер-ваальсовы силы, имеющие высокую энергию и определяющие свойства этих кристаллов. Вещества с молекулами сферической формы имеют структуру плотной упаковки. Кристаллы с полярными молекулами в узлах имеют более высокую прочность и температуру плавления, чем кристаллы с неполярными молекулами. Значительное упрочнение кристаллов обусловливают водородные связи.

В атомно-ковалентных кристаллах в узлах располагаются атомы, образующие друг с другом прочные ковалентные связи. Это обусловливает высокую энергию решетки и соответственно физические свойства веществ. Из-за направленности ковалентных связей координационные числа и плотность упаковки в атомно-ковалентных кристаллах невелики.

В ионных кристаллах структурными единицами являются положительно и отрицательно заряженные ионы, между которыми происходит электростатическое взаимодействие, характеризуемое достаточно высокой энергией. Этим объясняются свойства веществ с ионными кристаллами. Из-за ненаправленности и ненасыщенности связей и сферической формы частиц координационные числа у ионов могут быть высокими. У соединений со сложными ионами форма кристаллической решетки искажается.

Металлические кристаллы характеризуются рядом особых свойств: высокими электрической проводимостью, теплопроводностью, ковкостью, пластичностью, металлическим блеском и высокой отражательной способностью. Эти специфические свойства металлов объясняются особым типом химической связи, получившей название металлической.

У большинства металлов на внешней электронной оболочке имеется значительное число вакантных орбиталей и малое число электронов, поэтому энергетически более выгодно, чтобы электроны не были локализованы, а принадлежали всему металлу. Между положительно заряженными ионами металла и нелокализованными электронами существует электростатическое взаимодействие, обеспечивающее устойчивость вещества. Энергия этого взаимодействия является промежуточной между энергиями ковалентных и молекулярных кристаллов. Наличие электронов, которые могут свободно перемещаться по объему кристалла, обеспечивает высокие электрическую проводимость и теплопроводность, а также ковкость и пластичность металлов.

Тот или иной вид химической связи или взаимодействия в чистом виде в кристаллах встречается редко. Обычно между частицами существуют сложные взаимодействия, которые описываются наложением двух или более видов связей друг на друга. Это так называемые кристаллы со смешанными связями. Так, в некоторых кристаллах наряду с ван-дер-ваальсовыми силами возникают водородные связи, значительно упрочняющие кристаллы. Ионная связь в чистом виде практически отсутствует, так как между частицами в ионных кристаллах также действует ковалентная связь. У a- или f-металлов наряду с нелокализованной металлической связью могут действовать ковалентные связи между соседними атомами. В атомных кристаллах наряду с ковалентной связью могут существовать ван-дер-ваальсовы силы с образованием двумерных плоских (слоистых) структур. Такие соединения называют интеркалятами. Особенно это характерно для кристаллов с включением графита.

Слоистые соединения являются разновидностью особого класса соединений, называемых клатратами или соединениями включения, которые образованы включением молекул «гостей» в полости кристаллического каркаса, состоящего из частиц другого вида – «хозяев».

При перекачке углеводородных газов под давлением образуются твердые газовые клатраты, которые, осаждаясь на внутренних поверхностях трубопроводов и арматуры, забивают их и тем самым нарушают процесс перекачки.