Часть первая. Физическая химия
1 Агрегатные состояния вещества
В зависимости от внешних условий почти каждое вещество может находиться в одном из трех агрегатных состояний: твердом, жидком и газообразном.
Важнейшими параметрами, определяющими агрегатные состояния веществ, являются величины сил межмолекулярных взаимодействий и размеры молекул. Чем больше эти величины, тем больше вероятность того, что вещество будет находиться в твердом состоянии.
1.1 Межмолекулярные взаимодействия
Межмолекулярные взаимодействия – это взаимодействия молекул между собой, которые не приводят к разрыву или образованию химических связей. От величины сил межмолекулярных взаимодействий зависят многие структурные, спектральные, термодинамические, теплофизические и другие свойства веществ. Уравнение состояния, учитывающее межмолекулярные взаимодействия и позволяющее объяснять свойства реальных газов и жидкостей, было предложено в 1873 году нидерландским физиком Й.Д.Ван-дер-Ваальсом. Поэтому силы межмолекулярного взаимодействия часто называют ван-дер-ваальсовыми.
Виды межмолекулярных взаимодействий. Основу этих взаимодействий составляют кулоновские силы, которые возникают между электронами и ядрами одной молекулы и ядрами и электронами другой молекулы.
Ориентационные силы характеризуются наибольшей величиной. Они проявляются при взаимодействии полярных молекул или ионов и обусловлены наличием у них дипольных моментов.
Индукционные силы возникают при контакте полярных молекул или ионов с неполярными молекулами. В этом случае у последних может индуцироваться дипольный момент, и взаимодействие также сводится к электростатическому взаимодействию. Однако проявляющиеся при этом силы будут значительно слабее.
Дисперсионные силы возникают между неполярными молекула-ми за счет образования «мгновенных диполей». Эти силы значительно слабее рассмотренных ранее индукционных и ориентационных сил.
1.2 Твердое состояние
Твердое вещество имеет определенную форму и оказывает сопротивление всякому действию, направленную на изменение его формы. Они могут быть кристаллическими и аморфными.
Аморфные вещества характеризуются:
- изотропностью – постоянством свойств (теплопроводности, электропроводности, механических свойств и другие) по всем направлениям внутри вещества;
- отсутствием определенного значения температуры плавления и наличием интервала размягчения (Ттв – Тж), который может иметь значение порядка десятков и даже сотен градусов.
Кристаллические тела имеют:
- анизотропию свойств, то есть свойства вещества в объеме в различных направлениях неодинаковы;
- строго определенную температуру плавления;
- определенную внешнюю геометрическую форму, зависящую от типа кристаллической решетки.
Известно, что многие аморфные вещества можно получить в кристаллической форме и наоборот. Поэтому говорят не о кристаллических и аморфных веществах, а об аморфном и кристаллическом состоянии вещества.
1.3 Жидкое состояние
По своим свойствам жидкости занимают промежуточное положение между твердыми телами и газами. Как и твердые тела, они имеют высокую плотность и малую сжимаемость. Например, чтобы уменьшить объем воды на 1% требуется давление около 200 атм. Но, подобно газам, жидкости текучи и однородны по своим свойствам по всем направлениям, то есть изотропны. Силы межмолекулярного взаимодействия хотя и велики, но все же недостаточны, чтобы удерживать молекулы в определенных точках пространства. Поэтому молекулы ее совершают частые столкновения с ближайшими соседями и относительно более редкие перемещения, приводящие к смене окружения, чем в газах.
Если силы межмолекулярного взаимодействия соизмеримы с силами, обуславливающими тепловые колебания, то в жидкости могут образоваться ассоциаты – комплексы, содержащие несколько молекул. К ассоциированным жидкостям относятся вода, спирты, жидкий аммиак, ацетон и другие. Возникновению ассоциатов способствует образование водородных связей между молекулами. Энергия водородной связи составляет от 20 до 42 кДж/моль, что значительно ниже энергии химических связей (140-560 кДж/моль для одинарных связей), но выше энергии ван-дер-ваальсовых сил. Наличием водородной связи объясняется ряд особенностей веществ: повышение температур кипения и плавления, отклонения в растворимости, особенности в спектрах и другие.
Из физических свойств жидкостей для химии наибольшее значение имеют поверхностное натяжение, вязкость и давление насыщен-ного пара.
Поверхностное натяжение. Поверхностный слой жидкости по своим физико-химическим свойствам отличается от внутренних сло-ев. Силовое поле каждой молекулы внутри жидкости симметрично насыщено. В ином положении оказываются молекулы поверхностного слоя. На них действуют силы притяжения только молекул нижней полусферы. Равнодействующая межмолекулярных сил в этом случае не равна нулю и направлена вниз – в сторону объема жидкости. Поэтому молекулы поверхности находятся всегда под действием сил, стремящихся втянуть их внутрь жидкости. По этой причине поверхность жидкости всегда стремится сократиться.
Некомпенсированные
межмолекулярные силы, возникающие на
поверхности, обуславливают появление
свободной
поверхностной
энергии.
Величина этой энергии количественно
характеризуется поверхностным
натяжением
(
).
Оно выражается величиной работы А
в джоулях, которую необходимо затратить
для образования 1 м2
новой поверхности, или в единицах силы,
действующей на единицу длины поверхности
(Н/м2):
=
А/S
= Дж/м2 =(
Н∙ м)/м2
= Н/м
Поверхностное натяжение растворов зависит от природы растворенного вещества и от концентрации раствора. Вещества, снижающие поверхностное натяжение данной жидкости, называются поверхностно-активными (спирты, мыла, белки и другие). Добавление в воду таких веществ облегчает вспенивание. Вещества, повышающие поверхностное натяжение жидкости, называются поверхностно-неактивными (минеральные кислоты, щелочи, некоторые соли и другие).
Вязкость жидкостей. Вязкость – это свойство жидкостей оказывать сопротивление перемещению одних слоев относительно других. Сила сопротивления направлена перпендикулярно направлению движения жидкости. Количественная характеристика этой силы выражается законом Ньютона:
F
=
S
,
где F
– сила трения, Н;
- коэффициент трения,(Н∙с)/м2
или П (пуаз); S
– площадь контакта двух слоев, м2;
v
– разность скоростей v2
и v1
этих слоев,
м/с; l
– расстояние между слоями,м.
Вязкость жидкостей зависит от температуры: с повышением температуры вязкость жидкостей понижается. На вязкость также сильно влияет давление. Примерно до 2000 атм вязкость жидкостей растет линейно, а выше – возрастает в геометрической прогрессии.
Вязкостные характеристики растворов имеют значение при изучении свойств белков, углеводов и жиров. Вязкость растворов необходимо учитывать во многих технологических расчетах.