Главная страница «Первого сентября»Главная страница журнала «Химия»Содержание №17/2003

УЧЕБНАЯ КНИГА ПО ХИМИИ

ДЛЯ УЧИТЕЛЕЙ СРЕДНИХ ШКОЛ,
СТУДЕНТОВ ПЕДАГОГИЧЕСКИХ ВУЗОВ И ШКОЛЬНИКОВ 9–10 КЛАССОВ,
РЕШИВШИХ ПОСВЯТИТЬ СЕБЯ ХИМИИ И ЕСТЕСТВОЗНАНИЮ

УЧЕБНИКЗАДАЧНИКЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМНАУЧНЫЕ РАССКАЗЫ ДЛЯ ЧТЕНИЯ

Продолжение. См. № 4–14, 16–28, 30–34, 37–44, 47, 48/2002;
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 13, 14, 15, 16/2003

Глава 5.
Фазовые состояния вещества

Кому из вас и зачем понадобится этот материал? Нужно ли лишний раз доказывать, что все общие знания из естественных наук необходимы? Каким был состав атмосферы миллионы лет назад и несколько веков назад? Каким было атмосферное давление в эпоху динозавров? Пузырьки воздуха с древнейших времен сохранились в янтаре, во льдах. Состав воздуха позволяет сделать выводы о климате давно прошедших времен, о функционировании организмов, живших в то время, о многих других явлениях природы.
Почему лед плавится и вода кипит при строго определенных постоянных температурах?
Как определить температуру плавления и температуру кипения вещества?
Почему жизнь зародилась в жидкой воде, а не во льду? На этот вопрос вы не получите ответа в этой главе, но сможете построить некоторые научно обоснованные предположения, если ее прочитаете.

§ 5.1. Три основных фазовых состояния вещества

По ощущениям, которые вызывают различные вещества (тела из веществ) у органов чувств человека, все они могут быть разделены на три главные группы: газообразные, жидкие и кристаллические (твердые).
Газы не имеют собственной поверхности и собственного объема. Они полностью занимают тот сосуд, в котором находятся. Газы обладают неограниченной способностью к расширению при повышении температуры и понижении давления.
Расстояния между молекулами в газах во много раз больше размеров самих молекул, а взаимодействия между ними, так называемые межмолекулярные взаимодействия, слабы, и молекулы в газе движутся практически независимо друг от друга. Расположение частиц в газе почти полностью беспорядочное (хаотичное).
Кристаллы, как и все твердые тела, имеют поверхность, отделяющую их от других твердых тел, и соотносящийся с ней объем, которые не изменяются (точнее, изменяются очень незначительно) в поле тяготения. Расстояния между частицами в кристаллах значительно меньше, чем в газах, а межмолекулярные или межатомные (если кристалл построен из атомов одного элемента) взаимодействия намного сильнее, чем в газах и жидкостях.
Частицы в кристалле распределены в некотором довольно строгом закономерном порядке, образуя кристаллическую решетку. Частицы, составляющие кристаллическую решетку, сравнительно прочно закреплены на своих местах. Отличительной особенностью кристаллов является то, что их свойства неодинаковы в различных направлениях. Это явление называется анизотропией свойств.
Жидкости сочетают многие свойства газообразного и кристаллического состояний. Они имеют поверхность и объем, на которые влияют изменения положения сосуда с жидкостью в поле тяготения. Жидкость в поле тяготения занимает нижнюю часть сосуда, в котором она находится.
Молекулы в жидком веществе связаны между собой значительно более прочными межмолекулярными силами, чем в газе. Упорядоченность в расположении частиц у жидких веществ также намного выше, чем у газов. В некоторых жидкостях, например в воде, отдельные очень небольшие объемы имеют упорядоченность, близкую к упорядоченности в кристаллах.
Существование вещества в том или ином состоянии (в науке пользуются термином «фазовое состояние», раньше говорили «агрегатное состояние») зависит от температуры и давления. Повышение температуры почти всегда приводит к фазовым переходам: кристалл жидкость газ.
Известны вещества, например сера, которые при нагревании, перейдя в жидкое состояние, снова переходят в твердое. Дальнейшее повышение температуры снова переводит их в жидкое, а затем – в газообразное состояние.
Увеличение давления чаще всего оказывает на вещество обратное действие, т. е. осуществляется последовательность превращений: газ жидкость кристалл. Однако лед при повышении давления начинает плавиться.
Выделяют еще одно состояние вещества – аморфное, в котором его свойства не зависят от направления в пространстве (отсутствует анизотропия) и оно при нагревании постепенно размягчается и без определенной температуры плавления переходит в жидкость.
Иногда, чаще всего в физике, говорят о плазменном состоянии вещества. В это состояние вещество переходит из газового состояния при таких высоких температурах, что от атомов отрываются электроны и образуются ионы – заряженные частицы. Плазма – это газ из ионов и электронов.

Список новых и забытых понятий и слов

Газ, кристалл, жидкость;
межмолекулярные взаимодействия;
кристаллическая решетка;
анизотропия;
упорядоченность;
фазовое состояние, агрегатное состояние;
фазовый переход;
аморфное состояние;
плазменное состояние.

ЗАДАЧИ И ВОПРОСЫ

1. У веществ в различных фазовых (агрегатных) состояниях в расположении частиц существует ближний и дальний порядок. Ближний порядок – это порядок, соблюдаемый на малых расстояниях, сравнимых с размерами самих частиц. При дальнем порядке существует строгая повторяемость в расположении частиц на расстояниях сотен и более размеров самих частиц. Опишите газы, жидкости и кристаллы с точки зрения ближнего и дальнего порядков расположения частиц.

2. Укажите общие признаки, характерные для алмаза и льда.

3. Что общего между бензолом и графитом? Почему бензол не проводит электрический ток, а графит проводит его так же хорошо, как и металл? Можно ли на этом основании говорить, что в графите проявляется металлическая связь?

4. Энтропия воды в различных фазовых (агрегатных) состояниях равна, в Дж/(к•моль):

Кристалл (лед) 48,1
Жидкость 70,1
Газ (пар) 188,7

Рассчитайте изменение энтропии в процессах:

Н2О (кр.) = Н2О (ж.),
Н2О (ж.) = Н2О (г.),
Н2О (кр.) = Н2О (г.).

Назовите эти процессы.
Объясните, почему энтропии льда и жидкой воды не так сильно различаются по сравнению с энтропией пара.
Докажите, что изменение энтропии может быть вычислено так же, как и изменение энтальпии по закону Гесса.

5. Переведите на русский язык.

Gases are characterized by their ability to fill uniformly any volume placed at their disposal. This property of gases is due to the extraordinary mobility of their particles. That the particles of gases are at great distances from one another is confirmed by the high compressibility of gases. Under such conditions the mutual attraction between particles is very small and does not keep them from flying in all directions. The particles move so swiftly and unorderly that any regular arrangement is out of the question.
Liquids differ from gases in that they occupy a definite volume at any given temperature. The very slight compressibility of all liquids shows that their particles are much more crowded than those of gases. Therefore, the mutual attraction between the particles is much more manifest and keeps them from flying apart. This accounts for the constancy of the volume of liquids. However, these forces are not large enough to keep the particles fixed. Liquids spread under the influence of gravity and thus have no shape of their own, always taking the shape of the vessel they occupy. Due to their incessant motion the mutual arrangement of the particles of a liquid is always changing and is generally just as unorderly as in a gas.
Solids, contrary to liquids and gases, have a definite, independent shape and retain it regardless of their position. The particles of a solid are so rigidly connected to one another that they cannot move from place to place. True, even in solids the particles retain some motion, but in this case it is of the character of minute vibrations about definite points.

О.С.ЗАЙЦЕВ