Плазменное состояние вещества

При очень высоких температурах (от 10⁴ К) газ переходит в особое состояние - плазменное, которое рассматривается как четвертое состояние вещества, поскольку сильно отличается по свойствам от остальных состояний. Это динамическое состояние, в котором непрерывно происходят процессы ионизации атомов и молекул (образование из них при отрыве электрона положительно заряженных ионов) и обратные процессы их рекомбинации из ионов и электронов, например:

N₂ - 1 e^- ↔ N₂⁺ Ar - 1 e^- ↔ Ar⁺

Т.е. плазма представляет собой газ, состоящий из смеси нейтральных и ионизованных молекул (атомов) и электронов. Для плазмы характерны высокая энергия частиц и ионно-электронная проводимость.

В плазменном состоянии находится основная часть вещества Вселенной (Солнце и другие звезды). Плазма существует и в верхних слоях атмосферы Земли. Искусственно ее получают в плазмотронах под действием высоких энергий.

Жидкое состояние вещества

При обычных условиях в жидком состоянии могут находиться вещества, как правило, с ковалентными связями (например, вода, бензол) и, как исключения, с ионной (хлорная кислота HClO₄) и металлической связями (ртуть Hg).

Характерные свойства жидкостей:

1. Не имеют собственной формы, но имеют собственный объем. Сжимаемость их очень мала.

2. Текучесть. Сопротивление текучести - вязкость. Вязкость жидкости тем больше, чем больше энергия взаимодействия частиц, и зависит от структуры молекул. При повышении температуры вязкость уменьшается.

3. Способность к ассоциации молекул. Ван-дер-ваальсовы взаимодействия между молекулами приводят к их объединению в ассоциаты (кластеры). Упорядоченность структуры жидкостей повышается с увеличением полярности молекул, т.е. с увеличением ван-дер-ваальсовых сил и, особенно, при образовании водородных связей. У жидкостей с водородными связями (например, воды. фтороводорода) проявляются "аномальные" свойства.

Некоторые жидкости, имеющие высокую степень упорядоченности структуры, называют жидкими кристаллами. Их молекулы имеют обычно удлиненную форму. Например, азосоединения, производные 3-фенилпропеновой (коричной) кислоты, стероиды. По упорядоченности структуры они занимают промежуточное положение между жидким и твердым состоянием. Структура их меняется под действием электромагнитных полей и механических воздействий. Применяются для изготовления экранов компьютеров, калькуляторов, часов, измерительных приборов.

4. Непрерывное, хаотическое (броуновское) движение молекул из-за непрочности связей между ними. Скорости и энергии отдельных молекул различаются. Для жидкостей также применимо распределение молекул по скоростям и энергиям Максвелла-Больцмана.

5. Склонность к испарению - летучесть. Над любой жидкостью всегда есть ее пар. Вследствие непрерывного движения молекулы, обладающие высокой энергией, могут вырываться из жидкости и переходить в газообразное состояние (процесс испарения). Чем меньше силы межмолекулярного взаимодействия, тем больше летучесть.

В результате испарения растет парциальное давление пара над жидкостью и ускоряется обратный процесс - захват молекул пара жидкостью - конденсация пара. Такое парциальное давление, при котором скорости испарения и конденсации равны, называется давлением насыщенного пара (или давлением насыщенных паров) жидкости. Оно тем меньше, чем больше силы взаимодействия между молекулами (особенно у жидкостей с водородными связями).

Давление насыщенных паров растет с увеличением температуры по экспоненциальному закону:

р = А ^. е ^{- В / RT} , где А и В константы для данной жидкости.

Когда оно становится равным атмосферному давлению, начинается кипение жидкости. Температура кипения выше у тех жидкостей, у которых больше энергия взаимодействия молекул, например, "аномально" высокая - 100 ◦С - у воды, что обусловлено необходимостью разрыва водородных связей между молекулами при испарении.

Температура кипения возрастает с увеличением давления (поэтому, например, скорость приготовления пищи выше в закрытых сосудах, а в горах ниже, чем на равнине).

6. Поверхностное натяжение. Молекулы на поверхности жидкости (на поверхности раздела фаз) отличаются от молекул в глубине жидкости. Молекулы внутри жидкости окружены со всех сторон такими же молекулами. Силы, действующие на них со всех сторон, одинаковы, равнодействующая этих сил равна нулю.

Силы взаимодействия молекул на поверхности жидкости не уравновешены со стороны пара (молекулы удалены, взаимодействия практически нет). Результирующая сила взаимодействия направлена вглубь жидкости. Под действием этой силы жидкость стремится к сокращению площади своей поверхности. Наименьшую площадь поверхности имеет сфера, поэтому капли жидкости принимают сферическую форму. На поверхность жидкости выходят молекулы, обладающие высоким значением энергии, способные преодолеть действие этой силы. Возникает поверхностный слой молекул с избыточной поверхностной энергией.

Т.о., вещество в жидком состоянии обладает поверхностной энергией (это понятие применимо к границе раздела фаз). Ее количественная характеристика - поверхностное натяжение σ (удельная поверхностная энергия) - энергия, необходимая для образования 1 м² новой поверхности (измеряется в Дж/м²). Оно тем больше, чем больше межмолекулярное взаимодействие в жидкости, например: σ(Н₂О) = 72,8 мДж/м², σ(СН₃ОН) = 22,6 мДж/м². С увеличением температуры поверхностное натяжение уменьшается линейно: σ = σ₀ - k_σ T , где σ₀ и k_σ - константы для данной жидкости.