Вся материя может существовать в одном из четырех видов. Каждый из них — это определенное агрегатное состояние вещества. В природе Земли только одно представлено сразу в трех из них. Это вода. Ее легко увидеть и испаренную, и расплавленную, и отвердевшую. То есть пар, воду и лед. Ученые научились проводить изменение агрегатных состояний вещества. Самую большую сложность для них составляет только плазма. Для этого состояния нужны особенные условия.
Что это такое, от чего зависит и как характеризуется?
Если тело перешло в другое агрегатное состояние вещества, то это не значит, что появилось что-то другое. Вещество остается прежним. Если у жидкости были молекулы воды, то такие же они будут и у пара со льдом. Изменится только их расположение, скорость движения и силы взаимодействия друг с другом.
При изучении темы «Агрегатные состояния (8 класс)» рассматриваются только три из них. Это жидкость, газ и твердое тело. Их проявления зависят от физических условий окружающей среды. Характеристики этих состояний представлены в таблице.
| Название агрегатного состояния | твердое тело | жидкость | газ |
| Его свойства | сохраняет форму с объемом | имеет постоянный объем, принимает форму сосуда | не имеет постоянных объема и формы |
| Расположение молекул | в узлах кристаллической решетки | беспорядочное | хаотичное |
| Расстояние между ними | сравнимо с размерами молекул | приблизительно равно размерам молекул | существенно больше их размеров |
| Как двигаются молекулы | колеблются около узла решетки | не перемещаются от места равновесия, но иногда совершают большие скачки | беспорядочное с редкими столкновениями |
| Как они взаимодействуют | сильно притягиваются | сильно притягиваются друг к другу | не притягиваются, силы отталкивания проявляются при ударах |
Первое состояние: твердое тело
Его принципиальное отличие от других в том, что молекулы имеют строго определенное место. Когда говорят про твердое агрегатное состояние, то чаще всего имеют в виду кристаллы. В них структура решетки симметричная и строго периодичная. Поэтому она сохраняется всегда, как далеко не распространялось бы тело. Колебательного движения молекул вещества недостаточно для того, чтобы разрушить эту решетку.
Но существуют еще и аморфные тела. В них отсутствует строгая структура в расположении атомов. Они могут быть где угодно. Но это место так же стабильно, как и в кристаллическом теле. Отличие аморфных веществ от кристаллических в том, что у них нет определенной температуры плавления (отвердевания) и им свойственна текучесть. Яркие примеры таких веществ: стекло и пластмасса.
Второе состояние: жидкость
Это агрегатное состояние вещества представляет собой нечто среднее между твердым телом и газом. Поэтому сочетает в себе некоторые свойства от первого и второго. Так, расстояние между частицами и их взаимодействие похоже на то, что было в случае с кристаллами. Но вот расположение и движение ближе к газу. Поэтому и форму жидкость не сохраняет, а растекается по сосуду, в который налита.
Третье состояние: газ
Для науки под названием «физика» агрегатное состояние в виде газа стоит не на последнем месте. Ведь она изучает окружающий мир, а воздух в нем очень распространен.
Особенности этого состояния заключаются в том, что силы взаимодействия между молекулами практически отсутствуют. Этим объясняется их свободное движение. Из-за которого газообразное вещество заполняет весь объем, предоставленный ему. Причем в это состояние можно перевести все, нужно только увеличить температуру на нужную величину.
Четвертое состояние: плазма
Это агрегатное состояние вещества представляет собой газ, который полностью или частично ионизирован. Это значит, что в нем число отрицательно и положительно заряженных частиц практически одинаковое. Возникает такая ситуация при нагревании газа. Тогда происходит резкое ускорение процесса термической ионизации. Оно заключается в том, что молекулы делятся на атомы. Последние потом превращаются в ионы.
В рамках Вселенной такое состояние очень распространено. Потому что в нем находятся все звезды и среда между ними. В границах Земной поверхности оно возникает крайне редко. Если не считать ионосферы и солнечного ветра, плазма возможна только во время грозы. Во вспышках молнии создаются такие условия, в которых газы атмосферы переходят в четвертое состояние вещества.
Но это не означает, что плазму не создали в лаборатории. Первое, что удалось воспроизвести — это газовый разряд. Теперь плазма заполняет лампы дневного света и неоновую рекламу.
Как осуществляется переход между состояниями?
Для этого нужно создать определенные условия: постоянное давление и конкретную температуру. При этом изменение агрегатных состояний вещества сопровождается выделением или поглощением энергии. Причем этот переход не происходит молниеносно, а требует определенных временных затрат. В течение всего этого времени условия должны быть неизменными. Переход происходит при одновременном существовании вещества в двух ипостасях, которые поддерживают тепловое равновесие.
Первые три состояния вещества могут взаимно переходить одно в другое. Существуют прямые процессы и обратные. Они имеют такие названия:
- плавление (из твердого в жидкое) и кристаллизация , например, таяние льда и отвердевание воды;
- парообразование (из жидкого в газообразное) и конденсация , примером является испарение воды и получение ее из пара;
- сублимация (из твердого в газообразное) и десублимация , к примеру, испарение сухого ароматизатора для первого из них и морозные узоры на стекле ко второму.
Физика плавления и кристаллизации
Если твердое тело нагревать, то при определенной температуре, называемой температурой плавления конкретного вещества, начнется изменение агрегатного состояния, которое называется плавление. Этот процесс идет с поглощением энергии, которая называется количеством теплоты и обозначается буквой Q . Для ее расчета потребуется знать удельную теплоту плавления , которая обозначается λ . И формула принимает такое выражение:
Q = λ * m , где m — масса вещества, которое задействовано в плавлении.
Если происходит обратный процесс, то есть кристаллизация жидкости, то условия повторяются. Отличие только в том, что энергия выделяется, и в формуле появляется знак «минус».
Физика парообразования и конденсации
При продолжении нагревания вещества, оно постепенно приблизится к температуре, при которой начнется его интенсивное испарение. Этот процесс называется парообразованием. Оно опять же характеризуется поглощением энергии. Только для его вычисления требуется знать удельную теплоту парообразования r . А формула будет такой:
Q = r * m .
Обратный процесс или конденсация происходят с выделением того же количества теплоты. Поэтому в формуле опять появляется минус.
Агрегатное состояние - это состояние вещества в определенном интервале температур и давлений, характеризуется свойствами: способностью (твердое тело) или неспособностью (жидкость, газ) сохранять объем и форму; наличием или отсутствием дальнего (твердое тело) или ближнего (жидкость) порядка и другими свойствами.
Вещество может находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком или газообразном, в настоящее время выделяют дополнительно плазменное (ионное) состояние.
В газообразном состоянии расстояние между атомами и молекулами вещества велико, силы взаимодействия малы и частицы, хаотично перемещаясь в пространстве, обладают большой кинетической энергией , превышающей потенциальную энергию. Материал в газообразном состоянии не имеет ни своей формы, ни объема. Газ заполняет все доступное пространство. Это состояние свойственно для веществ с малой плотностью.
В жидком состоянии сохраняется лишь ближний порядок атомов или молекул , когда в объеме вещества периодически возникают отдельные участки с упорядоченным расположением атомов, однако взаимная ориентация этих участков также отсутствует. Ближний порядок неустойчив и под действием тепловых колебаний атомов может либо исчезать, либо возникать вновь. Молекулы жидкости не имеют определенного положения, и в то же время им недоступна полная свобода перемещения. Материал в жидком состоянии своей формы не имеет, сохраняет лишь объем. Жидкость может занимать только часть объема сосуда, но свободно перетекать по всей поверхности сосуда. Жидкое состояние обычно считают промежуточным между твердым телом и газом.
В твердом веществе порядок расположения атомов становится строго определенным, закономерно упорядоченным, силы взаимодействия частиц взаимно уравновешены, поэтому тела сохраняют свою форму и объем. Закономерно упорядоченное расположение атомов в пространстве характеризует кристаллическое состояние, атомы образуют кристаллическую решетку.
Твердые тела имеют аморфное или кристаллическое строение. Для аморфных тел характерен только ближний порядок в расположении атомов или молекул, хаотичное расположение атомов, молекул или ионов в пространстве. Примерами аморфных тел являются стекло, пек, вар, внешне находящиеся в твердом состоянии, хотя на самом деле они медленно текут, подобно жидкости. Определенной температуры плавления у аморфных тел, в отличие от кристаллических, нет. Аморфные тела занимают промежуточное положение между кристаллическими твердыми телами и жидкостями.
Большинство твердых тел имеет кристаллическое строение, которое отличается упорядоченным расположением атомов или молекул в пространстве. Для кристаллической структуры свойственен дальний порядок, когда элементы структуры периодически повторяются; при ближнем порядке такое правильное повторение отсутствует. Характерной особенностью кристаллического тела является способность сохранять форму. Признаком идеального кристалла, моделью которого служит пространственная решетка, является свойство симметрии. Под симметрией понимается теоретическая способность кристаллической решетки твердого тела совмещаться самой с собой при зеркальном отражении ее точек от некоторой плоскости, называемой плоскостью симметрии. Симметрия внешней формы отражает симметрию внутренней структуры кристалла. Кристаллическую структуру имеют, например, все металлы, для которых характерны два типа симметрии: кубическая и гексагональная.
В аморфных структурах с неупорядоченным распределением атомов свойства вещества в разных направлениях одинаковы, т. е стеклообразные (аморфные) вещества изотропны.
Для всех кристаллов характерна анизотропия . В кристаллах расстояния между атомами упорядочены, но в разных направлениях степень упорядоченности может быть неодинаковой, что приводит к различию свойств вещества кристалла в разных направлениях. Зависимость свойств вещества кристалла от направления в его решетке называют анизотропией свойств. Анизотропия проявляется при измерении как физических, так и механических и других характеристик. Существуют свойства (плотность, теплоемкость), не зависящие от направления в кристалле. Большинство же характеристик зависит от выбора направления.
Измерить свойства возможно у объектов, имеющих определенный материальный объем: размеры - от нескольких миллиметров до десятков сантиметров. Эти объекты со строением, идентичным кристаллической ячейке, называются монокристаллами.
Анизотропия свойств проявляется в монокристаллах и практически отсутствует в поликристаллическом веществе, состоящем из множества мелких хаотично ориентированных кристаллов. Поэтому поликристаллические вещества называют квазиизотропными.
Кристаллизация полимеров, молекулы которых могут располагаться упорядоченно с образованием надмолекулярных структур в виде пачек, клубков (глобул), фибрилл и пр., происходит в определенном интервале температур. Сложное строение молекул и их агрегатов определяет специфику поведения полимеров при нагреве. Они не могут перейти в жидкое состояние с низкой вязкостью, не имеют газообразного состояния. В твердом виде полимеры могут находиться в стеклообразном, высокоэластическом и вязкотекучем состояниях. Полимеры с линейными или разветвленными молекулами при изменении температуры могут переходить из одного состояния в другое, что проявляется в процессе деформации полимера. На рис. 9 приведена зависимость деформации от температуры.
Рис. 9 Термомеханическая кривая аморфного полимера : t c , t т, t р - температуры стеклования, текучести и начала химического разложения соответственно; I - III - зоны стеклообразного, высокоэластического и вязкотекучего состояния соответственно; Δl - деформация.
Пространственная структура расположения молекул определяет только стеклообразное состояние полимера. При низких температурах все полимеры деформируются упруго (рис. 9, зона I ). Выше температуры стеклования t c аморфный полимер с линейной структурой переходит в высокоэластическое состояние (зона II ), и его деформация в стеклообразном и высокоэластическом состояниях обратима. Нагрев выше температуры текучести t т переводит полимер в вязкотекучее состояние (зона III ). Деформация полимера в вязкотекучем состоянии необратима. Аморфный полимер с пространственной (сетчатой, сшитой) структурой не имеет вязкотекучего состояния, температурная область высокоэластического состояния расширяется до температуры разложения полимера t р. Такое поведение характерно для материалов типа резин.
Температура вещества в любом агрегатном состоянии характеризует среднюю кинетическую энергию его частиц (атомов и молекул). Эти частицы в телах обладают в основном кинетической энергией колебательных движений относительно центра равновесия, где энергия минимальна. При достижении некоторой критической температуры твердый материал теряет свою прочность (устойчивость) и расплавляется, а жидкость превращается в пар: кипит и испаряется. Этими критическими температурами являются температуры плавления и кипения.
При нагреве кристаллического материала при определенной температуре молекулы двигаются настолько энергично, что жесткие связи в полимере нарушаются и кристаллы разрушаются - переходят в жидкое состояние. Температура, при которой кристаллы и жидкость находятся в равновесии, называется точкой плавления кристалла, или точкой затвердевания жидкости. Для иода эта температура равна 114 о С.
Каждый химический элемент обладает индивидуальной температурой плавления t пл, разделяющей существование твердого тела и жидкости, и температурой кипения t кип, соответствующей переходу жидкости в газ. При этих температурах вещества находятся в термодинамическом равновесии. Изменение агрегатного состояния может сопровождаться скачкообразным изменением свободной энергии, энтропии, плотности и других физических величин.
Для описания различных состояний в физике используется более широкое понятие термодинамической фазы. Явления, описывающие переходы из одной фазы в другую, называют критическими.
При нагревании вещества претерпевают фазовые превращения. Медь при плавлении (1083 о С) превращается в жидкость, в которой атомы имеют только ближний порядок. При давлении 1 атм медь кипит при 2310 о С и превращается в газообразную медь с беспорядочно расположенными атомами меди. В точке плавления давления насыщенного пара кристалла и жидкости равны.
Материал в целом представляет собой систему.
Система - группа веществ, объединенных физическими, химическими или механическими взаимодействиями. Фазой называют однородную часть системы, отделенную от других частей физическими границами раздела (в чугуне: графит + зерна железа; в воде со льдом: лед + вода). Составные части системы - это различные фазы, образующие данную систему. Компоненты системы - это вещества, образующие все фазы (составные части) данной системы.
Материалы, состоящие из двух и более фаз, представляют собой дисперсные системы . Дисперсныесистемы разделяют на золи, поведение которых напоминает поведение жидкостей, и гели с характерными свойствами твердых тел. В золях дисперсионной средой, в которой распределено вещество, является жидкость, в гелях преобладает твердая фаза. Гелями являются полукристаллический металл, бетон, раствор желатина в воде при низкой температуре (при высокой температуре желатин переходит в золь). Гидрозолем называют дисперсию в воде, аэрозолем - дисперсию в воздухе.
Диаграммы состояния.
В термодинамической системе каждая фаза характеризуется такими параметрами, как температура Т , концентрация с и давление Р . Для описания фазовых превращений используется единая энергетическая характеристика - свободная энергия Гиббса ΔG (термодинамический потенциал).
Термодинамика при описании превращений ограничивается рассмотрением состояния равновесия. Равновесное состояние термодинамической системы характеризуется неизменностью термодинамических параметров (температуры и концентрации, так как в технологических обработках Р = const) во времени и отсутствием в ней потоков энергии и вещества - при постоянстве внешних условий. Фазовое равновесие - равновесное состояние термодинамической системы, состоящей из двух или большего числа фаз.
Для математического описания условий равновесия системы существует правило фаз , выведенное Гиббсом. Оно связывает число фаз (Ф) и компонентов (К) в равновесной системе с вариантностью системы, т. е. числом термодинамических степеней свободы (С).
Число термодинамических степеней свободы (вариантность) системы - это число независимых переменных как внутренних (химический состав фаз), так и внешних (температура), которым можно придавать различные произвольные (в некотором интервале) значения так, чтобы не появились новые и не исчезли старые фазы.
Уравнение правила фаз Гиббса:
С = К - Ф + 1.
В соответствии с этим правилом в системе из двух компонентов (К = 2) возможны следующие варианты степеней свободы:
Для однофазного состояния (Ф = 1) С = 2, т. е. можно менять температуру и концентрацию;
Для двухфазного состояния (Ф = 2) С = 1, т. е. можно менять только один внешний параметр (например, температуру);
Для трехфазного состояния число степеней свободы равно нулю, т. е. нельзя менять температуру без нарушения равновесия в системе (система нонвариантна).
Например, для чистого металла (К = 1) во время кристаллизации, когда имеются две фазы (Ф = 2), число степеней свободы равно нулю. Это означает, что температура кристаллизации не может быть изменена, пока не закончится процесс и не останется одна фаза - твердый кристалл. После окончания кристаллизации (Ф = 1) число степеней свободы равно 1, поэтому можно менять температуру, т. е. охлаждать твердое вещество, не нарушая равновесия.
Поведение систем в зависимости от температуры и концентрации описывается диаграммой состояния. Диаграмма состояния воды — система с одним компонентом H 2 O, поэтому наибольшее число фаз, которые одновременно могут находиться в равновесии, равно трем (рис. 10). Эти три фазы — жидкость, лед, пар. Число степеней свободы в этом случае равно нулю, т.е. нельзя изменить ни давление, ни температуру, чтобы не исчезла ни одна из фаз. Обычный лед, жидкая вода и водяной пар могут существовать в равновесии одновременно только при давлении 0,61 кПа и температуре 0,0075°С. Точка сосуществования трех фаз называется тройной точкой (O ).
Кривая ОС разделяет области пара и жидкости и представляет собой зависимость давления насыщенного водяного пара от температуры. Кривая ОС показывает те взаимосвязанные значения температуры и давления, при которых жидкая вода и водяной пар находятся в равновесии друг с другом, поэтому она называется кривой равновесия жидкость — пар или кривой кипения.
Рис 10 Диаграмма состояния воды
Кривая ОВ отделяет область жидкости от области льда. Она является кривой равновесия твердое состояние — жидкость и называется кривой плавления. Эта кривая показывает те взаимосвязанные пары значений температуры и давления, при которых лед и жидкая вода находятся в равновесии.
Кривая OA называется кривой сублимации и показывает взаимосвязанные пары значений давления и температуры, при которых в равновесии находятся лед и водяной пар.
Диаграмма состояния — наглядный способ представления областей существования различных фаз в зависимости от внешних условий, например от давления и температуры. Диаграммы состояния активно используются в материаловедении на разных технологических этапах получения изделия.
Жидкость отличается от твердого кристаллического тела малыми значениями вязкости (внутреннего трения молекул) и высокими значениями текучести (величина, обратная вязкости). Жидкость состоит из множества агрегатов молекул, внутри которых частицы расположены в определенном порядке, подобно порядку в кристаллах. Природа структурных единиц и межчастичного взаимодействия определяет свойства жидкости. Различают жидкости: моноатомные (сжиженные благородные газы), молекулярные (вода), ионные (расплавленные соли), металлические (расплавленные металлы), жидкие полупроводники. В большинстве случаев жидкость является не только агрегатным состоянием, но и термодинамической (жидкой) фазой.
Жидкие вещества чаще всего представляет собой растворы. Раствор однороден, но не является химически чистым веществом, состоит из растворенного вещества и растворителя (примеры растворителя - вода или органические растворители: дихлорэтан, спирт, четыреххлористый углерод и др.), поэтому представляет собой смесь веществ. Пример - раствор спирта в воде. Однако растворами также являются смеси газообразных (например, воздух) или твердых (сплавы металлов) веществ.
При охлаждении в условиях малой скорости образования центров кристаллизации и сильного увеличения вязкости может возникнуть стеклообразное состояние. Стекла - это изотропные твердые материалы, получаемые переохлаждением расплавленных неорганических и органических соединений.
Известно много веществ, переход которых из кристаллического состояния в изотропное жидкое осуществляется через промежуточное жидкокристаллическое состояние. Оно характерно для веществ, молекулы которых имеют форму длинных стержней (палочек) с асимметричным строением. Такие фазовые переходы, сопровождаемые тепловыми эффектами, вызывают скачкообразное изменение механических, оптических, диэлектрических и других свойств.
Жидкие кристаллы , подобно жидкости, могут принимать форму удлиненной капли или форму сосуда, обладают высокой текучестью, способны к слиянию. Они получили широкое применение в разных областях науки и техники. Их оптические свойства сильно зависят от небольших изменений внешних условий. Эта особенность используется в электрооптических устройствах. В частности, жидкие кристаллы применяют при изготовлении электронных наручных часов, визуальной аппаратуры и др.
К числу основных агрегатных состояний относится плазма - частично или полностью ионизированный газ. По способу образования различают два вида плазмы: термическую, возникающую при нагревании газа до высоких температур, и газообразную, образующуюся при электрических разрядах в газовой среде.
Плазмохимические процессы заняли прочное место в ряде отраслей техники. Они применяются для резки и сварки тугоплавких металлов, синтеза разных веществ, широко используют плазменные источники света, перспективно применение плазмы в термоядерных энергетических установках и пр.
В этом разделе мы рассмотрим агрегатные состояния , в которых пребывает окружающая нас материя и силы взаимодействия между частицами вещества, свойственные каждому из агрегатных состояний.
1. Состояние твёрдого тела ,
2. Жидкое состояние и
3. Газообразное состояние .
Часто выделяют четвёртое агрегатное состояние – плазму .
Иногда, состояние плазмы считают одним из видов газообразного состояния.
Плазма - частично или полностью ионизированный газ , чаще всего существующий при высоких температурах.
Плазма является самым распространённым состоянием вещества во вселенной, поскоьку материя звёд пребывает именно в этом состоянии.
Для каждого агрегатного состояния характерны особенности в характере взаимодействия между частицами вещества, что влияет на его физические и химические свойства.
Каждое вещество может пребывать в разных агрегатных состояниях. При достаточно низких температурах все вещества находятся в твёрдом состоянии . Но по мере нагрева они становятся жидкостями , затем газами . При дальнейшем нагревании они ионизируются (атомы теряют часть своих электронов) и переходят в состояние плазмы .
Газ
Газообразное состояние (от нидерл. gas, восходит к др.-греч. Χάος ) характеризующееся очень слабыми связями между составляющими его частицами.
Образующие газ молекулы или атомы хаотически движутся и при этом преобладающую часть времени находятся на больших (в сравнении с их размерами) растояниях друг от друга. Вследствие этого силы взаимодействия между частицами газа пренебрежимо малы .
Основной особенностью газа является то, что он заполняет все доступное пространство, не образуя поверхности. Газы всегда смешиваются. Газ - изотропное вещество , то есть его свойства не зависят от направления.
При отсутствии сил тяготения давление во всех точках газа одинаково. В поле сил тяготения плотность и давление не одинаковы в каждой точке, уменьшаясь с высотой. Соответственно, в поле сил тяжести смесь газов становится неоднородной. Тяжелые газы имеют тенденцию оседать ниже, а более легкие - подниматься вверх.
Газ имеет высокую сжимаемость - при увеличении давления возрастает его плотность. При повышении температуры расширяются.
При сжатии газ может перейти в жидкость , но конденсация происходит не при любой температуре, а при температуре, ниже критической температуры. Критическая температура является характеристикой конкретного газа и зависит от сил взаимодействия между его молекулами. Так, например, газ гелий можно ожижить только при температуре, ниже от 4,2 К .
Существуют газы, которые при охлаждении переходят в твердое тело, минуя жидкую фазу. Превращения жидкости в газ называется испарением, а непосредственное превращение твердого тела в газ - сублимацией .
Твёрдое тело
Состояние твёрдого тела в сравнении с другими агрегатными состояниями характеризуется стабильностью формы .
Различают кристаллические и аморфные твёрдые тела .
Кристаллическое состояние вещества
Стабильность формы твёрдых тел связана с тем, что большинство, находящихся в твёрдом состоянии имеет кристалическое строение .
В этом случае расстояния между частицами вещества малы, а силы взаимодействия между ними велики, что и определяет стабильность формы .
В кристаллическом строении многих твёрдых тел легко убедиться, расколов кусок вещества и рассмотрев полученный излом. Обычно на изломе (например, у сахара, серы, металлов и пр.) хорошо заметны расположенные под разными углами мелкие грани кристаллов, поблескивающие вследствии различного отражения ими света.
В тех случаях, когда кристаллы очень малы, кристаллическое строение вещества можно установить при помощи микроскопа.
Формы кристаллов
Каждое вещество образует кристаллы совершенно определённой формы.
Разнообразие кристаллических форм может быть сведено к семи группам:
1. Триклинная (параллелепипед),
2. Моноклинная (призма с параллелограммом в основании),
3. Ромбическая (прямоугольный параллелепипед),
4. Тетрагональная (прямоугольный параллелепипед с квадратом в основании),
5. Тригональная ,
6. Гексагональная
(призма с основанием правильного центрированного
шестиугольника),
7. Кубическая (куб).
Многие вещества, в частности железо, медь, алмаз, хлорид натрия кристализуются в кубической системе . Простейшими формами этой системы являются куб, октаэдр, тетраэдр .
Магний, цинк, лёд, кварц кристализуются в гексагональной системе . Основные формы этой системы – шестигранные призмы и бипирамида .
Природные кристаллы, а также кристаллы, получаемые искусственным путём, редко в точности соответствуют теоретическим формам. Обычно при затвердевании расплавленного вещества кристаллы срастаются вместе и потому форма каждого из них оказывается не вполне правильной.
Однако как бы неравномерно не происходило развитие кристалла, как бы ни была искажена его форма, углы, под которыми сходятся грани кристалла у одного и того же вещества остаются постоянными.
Анизотропия
Особенности кристаллических тел не ограничиваются только формой кристаллов. Хотя вещество в кристалле совершенно однородно, многие из его физических свойств – прочность, теплопроводность, отношение к свету и др. – не всегда одинаковы по различным направлениям внутри кристалла. Эта важная особенность кристаллических веществ называется анизотропией .
Внутреннее строение кристаллов. Кристаллические решётки.
Внешняя форма кристалла отражает его внутреннее строение и обусловлена правильным расположением частиц, составляющих кристалл, - молекул, атомов или ионов.
Это расположение можно представить в виде кристаллической решётки – пространственного каркаса, образованного пересекающимися прямыми линиями. В точках пересечения линий – узлах решётки – лежат центры частиц.
В зависимости от природы частиц, находящихся в узлах кристаллической решётки, и от того, какие силы взаимодействия между ними преобладают в данном кристалле, различают следующие виды кристаллических решёток :
1. молекулярные ,
2. атомные ,
3. ионные и
4. металлические .
Молекулярные и атомные решётки присущи веществам с ковалентной связью, ионные – ионным соединениям, металические – металам и их сплавам.
В узлах атомных решёток находятся атомы . Они связаны друг с другом ковалентной связью .
Веществ, обладающих атомными решётками, сравнительно мало. К ним принадлежат алмаз, кремний и некоторые неорганические соединения.
Эти вещества характеризуются высокой твёрдостью, они тугоплавки и нерастворимы практически ни в каких растворителях. Такие их свойства объясняются прочностью ковалентной связи .
В узлах молекулярных решёток находятся молекулы . Они связаны друг с другом межмолекулярными силами .
Веществ с молекулярной решёткой очень много. К ним принадлежат неметаллы , за исключением углерода и кремния, все органические соединения с неионной связью и многие неорганические соединения .
Силы межмолекулярного взаимодействия значительно слабее сил ковалентной связи, поэтому молекулярные кристаллы имеют небольшую твёрдость, легкоплавки и летучи.
В узлах ионных решёток располагаются, чередуясь положительно и отрицательно заряженные ионы . Они связаны друг с другом силами электростатического притяжения .
К соединениям с ионной связью, образующим ионные решётки, относится большинство солей и небольшое число оксидов .
По прочности ионные решётки уступают атомным, но превышают молекулярные.
Ионные соединения имеют сравнительно высокие температуры плавления. Летучесть их в большинстве случаев не велика.
В узлах металлических решёток находятся атомы металла, между которыми свободно движутся общие для этих атомов электроны .
Наличием свободных электронов в кристаллических решётках металлов можно объяснить их многие свойства: пластичность, ковкость, металлический блеск, высокую электро- и теплопроводность
Существуют вещества, в кристаллах которых значительную роль играют два рода взаимодействия между частицами. Так, в графите атомы углерода связаны друг с другом в одних направлениях ковалентной связью , а в других – металлической . Поэтому решётку графита можно рассматривать и как атомную , и как металлическую .
Во многих неорганических соединениях, например, в BeO, ZnS, CuCl , связь между частицами, находящимися в узлах решётки, является частично ионной , а частично ковалентной . Поэтому решётки подобных соединений можно рассматривать как промежуточные между ионными и атомными .
Аморфное состояние вещества
Свойства аморфных веществ
Среди твёрдых тел встречаются такие, в изломе которых нельзя обнаружить никаких признаков кристаллов. Например, если расколоть кусок обыкновенного стекла, то его излом окажется гладким и, в отличие от изломов кристаллов, ограничен не плоскими, а овальными поверхностями.
Подобная же картина наблюдается при раскалывании кусков смолы, клея и некоторых других веществ. Такое состояние вещества называется аморфным .
Различие между кристаллическими и аморфными телами особенно резко проявляется в их отношении к нагреванию.
В то время как кристаллы каждого вещества плавятся при строго определённой температуре и при той же температуре происходит переход из жидкого состояния в твёрдое, аморфные тела не имеют постоянной температуры плавления . При нагревании аморфное тело постепенно размягчается, начинает растекаться и, наконец, становится совсем жидким. При охлаждении оно также постепенно затвердевает .
В связи с отсутствием определённой температуры плавления аморфные тела обладают другой способностью: многие из них подобно жидкостям текучи , т.е. при длительном действии сравнительно небольших сил они постепенно изменяют свою форму. Например, кусок смолы, положенный на плоскую поверхность, в теплом помещении на несколько недель растекается, принимая форму диска.
Строение аморфных веществ
Различие между кристаллическим и аморфным состоянием вещества состоит в следующем.
Упорядоченное расположение частиц в кристалле , отражаемое элементарной ячейкой, сохраняется на больших участках кристаллов, а в случае хорошо образованных кристаллов – во всём их объёме .
В аморфных телах упорядоченность в расположении частиц наблюдается только на очень малых участках . Кроме того, в ряде аморфных тел даже эта местная упорядоченность носит лишь приблизительный характер.
Это различие можно коротко сформулировать следующим образом:
- структура кристаллов характеризуется дальним порядком ,
- структура аморфных тел – ближним .
Примеры аморфных веществ.
К стабильно-аморфным веществам принадлежат стекла (искусственные и вулканические), естественные и искусственные смолы, клеи, парафин, воск и др.
Переход из аморфного состояния в кристаллическое.
Некоторые вещества могут находиться как в кристаллическом, так и в аморфном состоянии. Диоксид кремния SiO 2 встречается в природе в виде хорошо образованных кристаллов кварца , а также в аморфном состоянии (минерал кремень ).
При этом кристаллическое состояние всегда более устойчиво . Поэтому самопроизвольный переход из кристаллического вещества в аморфное невозможен, а обратное превращение – самопроизвольный переход из аморфного состояния в кристаллическое – возможно и иногда наблюдается.
Примером такого превращения служит расстеклование – самопроизволная кристаллизация стекла при повышенных температурах, сопровождающаяся его разрушением.
Аморфное состояние многих веществ получается при высокой скорости затвердевания (остывания) жидкого расплава.
У металлов и сплавов аморфное состояние формируется, как правило, если расплав охлаждается за время порядка долей-десятков миллисекунд. Для стёкол достаточно намного меньшей скорости охлаждения.
Кварц (SiO 2 ) также имеет низкую скорость кристаллизации. Поэтому отлитые из него изделия получаются аморфными. Однако природный кварц, имевший сотни и тысячи лет для кристаллизации при остывании земной коры или глубинных слоёв вулканов, имеет крупнокристаллическое строение, в отличие от вулканического стекла, застывшего на поверхности и поэтому аморфного.
Жидкости
Жидкость – промежуточное состояние между твёрдым телом и газом.
Жидкое состояние является промежуточным между газообразным и кристаллическим. По одним свойствам жидкости близки к газам , по другим – к твёрдым телам .
С газами жидкости сближает, прежде всего, их изотропность и текучесть . Последняя обуславливает способность жидкости легко изменять свою форму.
Однако высокая плотность и малая сжимаемость жидкостей приближает их к твёрдым телам .
Способность жидкостей легко изменять свою форму говорит об отсутствии в них жёстких сил межмолекулярного взаимодействия.
В то же время низкая сжимаемость жидкостей, обусловливающая способность сохранять постоянный при данной температуре объём, указывает на присутствие хотя и не жёстких, но всё же значительных сил взаимодействия между частицами.
Соотношение потенциальной и кинетической энергии.
Для каждого агрегатного состояния характерно своё соотношение между потенциальной и кинетической энергиями частиц вещества.
У твёрдых тел средняя потенциальная энергия частиц больше их средней кинетической энергии. Поэтому в твёрдых телах частицы занимают определённые положения друг относительно друга и лишь колеблются относительно этих положений.
Для газов соотношение энергий обратное , вследствии чего молекулы газов всегда находятся в состоянии хаотического движения и силы сцепления между молекулами практически отсутствуют, так что газ всегда занимает весь предоставленный ему объём.
В случае жидкостей кинетическая и потенциальная энергия частиц приблизительно одинаковы , т.е. частицы связаны друг с другом, но не жёстко. Поэтому жидкости текучи, но имеют постоянный при данной температуре объём.
Стуктуры жидкостей и аморфных тел схожи.
В результате применения к жидкостям методов структурного анализа установлено, что по структуре жидкости подобны аморфным телам . В большинстве жидкостей наблюдается ближний порядок – число ближайших соседей у каждой молекулы и их взаимное расположение приблизительно одинаковы во всём объёме жидкости.
Степень упорядоченности частиц у различных жидкостей различна. Кроме того, она изменяется при изменении температуры.
При низких температурах, незначительно превышающих температуру плавления данного вещества, степень упорядоченности расположения частиц данной жидкости велика.
С ростом температуры она падает и по мере нагревания свойства жидкости всё больше и больше приближаются к свойствам газа . При достижении критической температуры различие между жидкостью и газом исчезает.
Вследствии сходства во внутренней структуре жидкостей и аморфных тел последние часто рассматриваются как жидкости с очень высокой вязкостью, а к твёрдым телам относят только вещества в кристаллическом состоянии.
Уподобляя аморфные тела жидкостям, следует, однако, помнить, что в аморфных телах в отличие от обычных жидкостей частицы имеют незначительную подвижность – такую же как в кристаллах.
Любое вещество состоит из молекул, а его физические свойства зависят от того, каким образом упорядочены молекулы и как они взаимодействуют между собой. В обычной жизни мы наблюдаем три агрегатных состояния вещества - твердое, жидкое и газообразное.
Например, вода может находиться в твердом (лед), жидком (вода) и газообразном (пар) состояниях.
Газ расширяется, пока не заполнит весь отведенный ему объем. Если рассмотреть газ на молекулярном уровне, мы увидим беспорядочно мечущиеся и сталкивающиеся между собой и со стенками сосуда молекулы, которые, однако, практически не вступают во взаимодействие друг с другом. Если увеличить или уменьшить объем сосуда, молекулы равномерно перераспределятся в новом объеме.
В отличие от газа при заданной температуре занимает фиксированный объем, однако и она принимает форму заполняемого сосуда - но только ниже уровня ее поверхности. На молекулярном уровне жидкость проще всего представить в виде молекул-шариков, которые хотя и находятся в тесном контакте друг с другом, однако имеют свободу перекатываться друг относительно друга, подобно круглым бусинам в банке. Налейте жидкость в сосуд - и молекулы быстро растекутся и заполнят нижнюю часть объема сосуда, в результате жидкость примет его форму, но не распространится в полном объеме сосуда.
Твердое тело
имеет собственную форму, не растекается по объему контейнера
и не принимает его форму. На микроскопическом уровне атомы прикрепляются друг к другу химическими связями, и их положение друг относительно друга фиксировано. При этом они могут образовывать как жесткие упорядоченные структуры - кристаллические решетки, - так и беспорядочное нагромождение - аморфные тела (именно такова структура полимеров, которые похожи на перепутанные и слипшиеся макароны в миске).
Выше были описаны три классических агрегатных состояния вещества. Имеется, однако, и четвертое состояние, которые физики склонны относить к числу агрегатных. Это плазменное состояние. Плазма характеризуется частичным или полным срывом электронов с их атомных орбит, при этом сами свободные электроны остаются внутри вещества.
Изменение агрегатных состояний вещества мы можем наблюдать воочию в природе. Вода с поверхности водоемов испаряется, и образуются облака. Так жидкость переходит в газ. Зимой вода в водоемах замерзает, переходя в твердое состояние, а весной вновь тает, переходя в обратно в жидкость. Что происходит с молекулами вещества при переходе его из одного состояния в другое? Меняются ли они? Отличаются ли, например, молекулы льда от молекул пара? Ответ однозначный: нет. Молекулы остаются абсолютно теми же. Меняется их кинетическая энергия, а соответственно и свойства вещества.
Энергия молекул пара достаточно велика, чтобы разлетаться в разные стороны, а при охлаждении пар конденсируется в жидкость, и энергии у молекул все еще достаточно для почти свободного перемещения, но уже недостаточно, чтобы оторваться от притяжения других молекул и улететь. При дальнейшем охлаждении вода замерзает, становясь твердым телом, и энергии молекул уже недостаточно даже для свободного перемещения внутри тела. Они колеблются около одного места, удерживаемые силами притяжения других молекул.
Агрегатным состоянием вещества принято называть его способность сохранять свою форму и объем. Дополнительный признак – способы перехода вещества их одного агрегатного состояния в другое. Исходя из этого, выделяют три агрегатных состояния: твердое тело, жидкость и газ. Видимые свойства их таковы:
Твердое тело – сохраняет и форму, и объем. Может переходить как в жидкость путем плавления, так и непосредственно в газ путем сублимации.
- Жидкость – сохраняет объем, но не форму, то есть обладает текучестью. Пролитая жидкость стремится неограниченно растечься по поверхности, на которую вылита. В твердое тело жидкость может перейти путем кристаллизации, а в газ – путем испарения.
- Газ – не сохраняет ни формы, ни объема. Газ вне какого-нибудь вместилища стремится неограниченно расшириться во все стороны. Помешать ему в этом может только сила тяжести, благодаря чему земная атмосфера не рассеивается в космос. В жидкость газ переходит путем конденсации, а непосредственно в твердое тело может перейти путем осаждения.
Фазовые переходы
Переход вещества из одного агрегатного состояния в другое называется фазовым переходом, так как научный агрегатного состояния – фаза вещества. Например, вода может существовать в твердой фазе (лед), жидкой (обычная вода) и газообразной (водяной пар).
На примере воды также хорошо демонстрируется . Вывешенное во дворе на просушку в морозный безветренный день тут же промерзает, но спустя некоторое время оказывается сухим: лед сублимирует, непосредственно переходя в водяной пар.
Как правило, фазовый переход из твердого тела в жидкость и газ требует нагрева, но температура среды при этом не повышается: тепловая энергия уходит на разрыв внутренних связей в веществе. Это так называемая скрытая теплота . При обратных фазовых переходах (конденсации, кристаллизации) эта теплота выделяется.
Именно поэтому так опасны ожоги паром. Попадая на кожу, он конденсируется. Скрытая теплота испарения/конденсации воды очень велика: вода в этом отношении – аномальное вещество; именно поэтому и возможна жизнь на Земле. При ожоге паром скрытая теплота конденсации воды «прошпаривает» обожженное место очень глубоко, и последствия парового ожога оказываются куда тяжелее, чем от пламени на такой же площади тела.
Псевдофазы
Текучесть жидкой фазы вещества определяется ее вязкостью, а вязкость – характером внутренних связей, которым посвящен следующий раздел. Вязкость жидкости может быть очень высокой, и такая жидкость может течь незаметно для глаза.
Классический пример – стекло. Оно не твердое тело, а очень вязкая жидкость. Обратите внимание, что листы стекла на складах никогда не хранят прислоненными наискось к стене. Уже через несколько дней они прогнутся под собственной тяжестью и окажутся непригодными к употреблению.
Другие примеры псевдотвердых тел – сапожный вар и строительный битум. Если забыть угловатый кусок битума на крыше, за лето он растечется в лепешку и прилипнет к основе. Псевдотвердые тела отличить от настоящих можно по характеру плавления: настоящие при нем либо сохраняют свою форму, пока враз не растекутся (припой при пайке), либо оплывают, пуская лужицы и ручейки (лед). А очень вязкие жидкости постепенно размягчаются, как тот же вар или битум.
Чрезвычайно вязкими жидкостями, текучесть которых не заметна на протяжении многих лет и десятилетий, являются пластики. Высокая их способность сохранять форму обеспечивается огромным молекулярным весом полимеров, во многие тысячи и миллионы атомов водорода.
Структура фаз вещества
В газовой фазе молекулы или атомы вещества отстоят друг от друга очень далеко, во много раз больше, чем расстояние между ними. Взаимодействуют они между собой изредка и нерегулярно, только при столкновениях. Само взаимодействие упругое: столкнулись, как твердые шарики, и тут же разлетелись.
В жидкости молекулы/атомы постоянно «чувствуют» друг друга за счет очень слабых связей химической природы. Эти связи все время рвутся и тут же опять восстанавливаются, молекулы жидкости непрерывно перемещаются относительно друг друга, поэтому жидкость и течет. Но чтобы превратить ее в газ, нужно разорвать все связи сразу, а на это нужно очень много энергии, потому жидкость и сохраняет объем.
Вода в этом отношении отличается от прочих веществ тем, что ее молекулы в жидкости связаны так называемыми водородными связями, довольно прочными. Поэтому вода и может быть жидкостью при нормальной для жизни температуре. Многие вещества с молекулярной массой в десятки и сотни раз больше, чем у воды, в нормальных условиях – газы, как хотя бы обычный бытовой газ.
В твердом теле все его молекулы прочно стоят на своих местах благодаря сильным химическим связям между ними, образуя кристаллическую решетку. Кристаллы правильной формы требуют для своего роста особых условий и потому в природе встречаются редко. Большинство твердых тел представляют собой прочно сцепленные силами механической и электрической природы конгломераты мелких и мельчайших кристалликов – кристаллитов.
Если читателю доводилось видеть, например, треснувшую полуось автомобиля или чугунный колосник, то зерна кристаллитов на сломе там видны простым глазом. А на осколках разбитой фарфоровой или фаянсовой посуды их можно наблюдать под лупой.
Плазма
Физики выделяют и четвертое агрегатное состояние вещества – плазму. В плазме электроны оторваны от атомных ядер, и она представляет собой смесь электрически заряженных частиц. Плазма может быть очень плотной. Например, один кубический сантиметр плазмы из недр звезд – белых карликов, весит десятки и сотни тонн.
Плазму выделяют в отдельное агрегатное состояние потому, что она активно взаимодействует с электромагнитными полями из-за того, что ее частицы заряжены. В свободном пространстве плазма стремится расшириться, остывая и переходя в газ. Но под воздействием электромагнитных полей она может вне сосуда сохранять форму и объем, как твердое тело. Это свойство плазмы используется в термоядерных энергетических реакторах – прообразах энергоустановок будущего.
