Взаимодействия между частицами веществ в различных агрегатных состояниях.

Химия изучает взаимодействия частиц веществ, находящихся в различных физических состояниях. Число этих частиц огромно. Например, если в каком-то сосуде содержится всего 0,1 моль вещества, то число частиц достигает астрономических цифр-6·10²² частиц. Это не просто частицы, а система частиц.

Системой называется совокупность находящихся во взаимодействии частиц, мысленно или фактически обособленных от окружающей среды.

Все, что находится вне системы, называется внешней средой. Различают гомогенные и гетерогенные системы. Гомогенные системы состоят из одной фазы, гетерогенные системы - из двух или более фаз.

Фаза-это часть системы, однородная во всех ее точках по химическому составу и свойствам и отделенная от других фаз поверхностью раздела.

Вещества могут находиться в трех агрегатных состояниях: газообразном, жидком и твердом. При очень высоких температурах возникает особая разновидность газообразного состояния – плазма.

Характерные особенности веществ в различных агрегатных состояниях. В газообразном состоянии молекулы находятся друг от друга на значительных расстояниях и соответственно занимают очень малую долю объема. Поэтому при невысоких давлениях и температурах молекулы в газообразном состоянии практически не взаимодействуют друг с другом. Структура вещества в газообразном состоянии не упорядочена.

В жидком состоянии расстояние между частицами значительно меньше, чем в газообразном. Частицы занимают значительную часть объема постоянно соприкасаются друг с другом и притягиваются друг к другу. Наблюдается некоторая упорядоченность частиц (ближний порядок). Частицы подвижны относительно друг друга.

В твердом состоянии частицы настолько сближены друг с другом, что между ними возникают прочные связи. Практически отсутствует движение частиц относительно друг друга и существует высокая упорядоченность структуры.

Соответственно свойства веществ в различных агрегатных состояниях различаются.

Твердые вещества.

Твердые вещества могут находиться в аморфном или кристаллическом состоянии.

Аморфное состояние веществ. Вещества в аморфном состоянии не имеют упорядоченной структуры. Подобно жидкости у аморфных веществ наблюдается только ближний порядок. Из аморфных веществ наиболее известно стекло, поэтому аморфное состояние называют стеклообразным. В аморфном состоянии могут находится многие полимеры, смолы, простые вещества (Se, Si, Aq и др.), оксиды (SiO₂, QeO₂, B₂O₃ и др.), сульфаты, карбонаты.

Некоторые вещества, например, определенные полимеры, в твердом виде могут находиться только в аморфном состоянии. Другие вещества получают в аморфном состоянии под воздействием очень высоких давлений или путем сверхбыстрого охлаждения расплавов.

Аморфные вещества изотропны, т.к. имеют одинаковые свойства во всех направлениях. Кроме того, аморфные вещества плавятся не при определенной температуре, а в некотором интервале температур.

Кристаллическое состояние вещества. Подавляющее большинство твердых тел находится в кристаллическом состоянии.

Кристаллическое состояние характеризуется дальним порядком, т.е. трехмерной периодичностью структуры по всему объему твердого тела. Регулярное расположение частиц в твердом теле изображается в виде решетки, в узлах которой находятся те или иные частицы, соединенные воображаемыми линиями.

Монокристаллы (одиночные кристаллы) характеризуются анизотропностью, т.е. зависимостью свойств от направления в пространстве. Реальные вещества поликристаллические, т.е. состоят из множества кристаллов, ориентированных по разным осям координат, поэтому в поликристаллических телах анизотропия не проявляется.

Кристаллические вещества плавятся при определенной температуре, называемой температурой плавления.

Кристаллы характеризуются энергией и постоянной кристаллической решетки, и координационным числом. Координационным числом обычно называется число частиц, непосредственно примыкающих к данной частице в кристалле. Чем больше координационное число, тем плотнее упаковка кристалла, т.е. тем большую долю объема занимают частицы вещества. Постоянная решетки характеризует расстояние между центрами частиц, занимающих узлы в кристалле, в направлении характеристических осей, которые совпадают с направлениями основных граней.

Энергию кристаллической решетки называют энергию, необходимую для разрушения одного моля кристалла и удаления частиц за пределы их взаимодействия. Если в узлах решетки находятся атомы или молекулы, то энергию решетки называют энергией сублимации. Основной вклад в энергию кристаллической решетки вносит энергия химической связи между частицами в решетке. Единицей измерения энергии решетки, как и энергии химической связи является кДж/моль.

Особую роль играет фазовый состав кристаллов. Физические и химические свойства кристаллического вещества определяются составом и строением фазы, которая является формой существования химического соединения в твердом состоянии.

Кристаллические структуры. Наименьшей структурной единицей кристалла, которая выражает все свойства его симметрии, является элементарная ячейка. При многократном повторении ячейки по трем измерениям получают всю кристаллическую ячейку. Имеется семь основных ячеек, которые различаются постоянными решетки a, b, c и углами между характеристическими осями ά, β, γ. Кроме основных элементарных ячеек имеется еще семь элементарных ячеек, являющихся как производными от основных, например, кубическая гранецентрированная и кубическая объемно центрированная.

Тип кристаллической решетки определяется природой и размерами частиц, видом химической связи между ними и другими факторами. Частицы размещаются в решетке таким образом, чтобы энергия системы была минимальна.

По природе частиц в узлах кристаллической решетки и химической связи между ними можно все кристаллы подразделить на молекулярные, атомно – ковалентные, ионные и металлические. Кроме того, существуют кристаллы с несколькими типами химической связи.

Молекулярные кристаллы. В узлах кристаллических решеток находятся молекулы, между которыми действуют вандерваальсовы силы, имеющие невысокую энергию. Это и определяет свойства молекулярных 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 в узлах

Атомно –ковалентные кристаллы. В узлах кристаллов располагаются атомы, образующие друг с другом прочные ковалентные связи. Это обуславливает высокую энергию решетки и соответственно физические свойства веществ. Из –за направленности ковалентной связи координационные числа и плотность упаковки в атомно- ковалентных кристаллах обычно невелика.

Ионные кристаллы. Структурными единицами кристаллов этого типа являются ионы, между которыми происходит электростатическое взаимодействие, характеризуемое достаточно высокой энергией. Из – за ненаправленности и ненасыщенности связей и сферической формой частиц координационные числа у ионов могут быть высокими. У соединений со сложными ионами форма кристаллической решетки искажается.

Металлические кристаллы и связь. Согласно теории свободных электронов в узлах решетки металла находятся положительно заряженные ионы, которые погружены в электронный газ, распределенный по всему металлу. Электростатическое взаимодействие между ионами и электронным газом обеспечивает устойчивость вещества. Наличие электронов, которые могут свободно перемещаться по объему кристалла, обеспечивают высокие электрическую проводимость и теплопроводность, а также ковкость и пластичность металлов. Металлический блеск обусловлен отражением световых лучей от электронного газа, который несколько выходит за границу положительно заряженных ионов. Из – за ненаправленности связей, сферической формы и одинакового размера ионов металлы кристаллизуются, как правило, в плотноупакованных гексагональных или кубических гранецентрированных структурах.

Кристаллы с несколькими типами связей. Тот или иной тип химической связи или взаимодействия в чистом виде в кристаллах встречается редко. Обычно между частицами существуют сложные взаимодействия, которые можно описать наложением двух или более связей друг на друга.