РІДКИЙ СТАН РЕЧОВИНИ.

⇐ Предыдущая 1 2 345 6 7 8 9 10 Следующая ⇒

За своїми властивостями рідини займають проміжне положення між газами та твердими речовинами. Поблизу критичної температури вони проявляють подібність до газів і парів, а при критичній температурі властивості рідин і газів практично співпадають. При температурах, близьких до температур затвердіння, рідини виявляють велику подібність до твердих тіл. В них створюються зачатки кристалічної структури.

Застосування рентгенологічного аналізу дозволило відкрити, що в рідинах при кімнатній температурі може спостерігатись деяка упорядкованість в розташуванні молекул, що виражається в тому, що в окремих ультрамікроскопічних ділянках об’єму молекули утворюють ніби то незначно малі за розміром кристали. Однак, коли у твердих тіл має місце чергування часток у всьому об’ємі кристалу, тобто “дальній порядок”, то у рідин воно спостерігається тільки лише по сусідству з обраною часткою – “ближній порядок”, а далі упорядкованість порушується в результаті хаотичного теплового руху часток. Саме з цієї причини рідини не зберігають форму і володіють плинністю. Розглянемо, якими ж властивостями відрізняються рідини від газів.

Відмінність рідин від газів:

1. молекули знаходяться на більш близькій відстані;

2. сили зчеплення більше і обумовлюють більшу величину внутрішнього тиску;

3. рідини практично не стискуються (при збільшені тиску у 500 разів об’єм води зменшується тільки у 1,022 рази);

4. не підкоряються законам ідеальних газів.

Теоретичне рівняння для рідин, подібне рівнянню Ван-дер-Ваальса, поки ще не виведено. Кожна рідина характеризується рядом специфічних особливостей: щільністю, температурою замерзання, температурою кипіння, критичною температурою, коефіцієнтом переломлення, діелектричною проникністю, коефіцієнтом поверхневого натягу, в’язкістю, тощо.

При малій відстані між молекулами виявляється не тільки їх загальний об’єм, але й геометрична форма, і не тільки взаємодія між цілими молекулами, але й взаємодія між окремими частинами різних молекул. У багатьох рідин ця взаємодія призводить до з’єднання молекул у більші утворення (комплекси) з двох, трьох та більше молекул. Такі комплекси називаються асоціатами, явище – асоціацією, а рідини – асоційованими. До них належать вода, спирт, оцтова кислота, тощо. Ступінь асоціації буває різною. Сильно асоційовані рідини відрізняються від нормальних. У них вища теплота випару, менша летючість рідин. З підвищенням температури ступінь асоціації зменшується. У деяких випадках асоціації настільки сильні, що зберігаються і в газоподібному стані.

Поверхневий шар рідини, що граничить з іншим середовищем, відрізняється від шарів, що знаходяться в об’ємі. Внаслідок неврівноваженості сил міжмолекулярного притягання, в поверхневому шарі будь-якої рідини діють сили, прагнучі гранично скоротити її поверхню. Це сили поверхневого натягу.

Роздивимось дві молекули: одну усередині рідини, іншу – в поверхневому шарі. Навкруги кожної молекули опишемо сферу дії сил міжмолекулярного притягання. Перша молекула оточена великою кількістю таких самих молекул. Тому загальна результуюча всіх сил дорівнює нулю. Іншими словами, вона знаходиться в урівноваженому стані. Інша молекула притягається як молекулами пара, так і молекулами рідини. Але сили притягання з боку молекул рідини більші, ніж з боку молекул пара.

Загальна рівнодіюча всіх сил направлена усередину і прагне нібито втягнути молекулу усередину рідини. Такому впливу піддані всі молекули поверхневого шару, внаслідок чого з’являється натяг і поверхня намагається скоротитись. Цим обумовлена сферична форма крапель. Щоб збільшити поверхню рідини, треба зробити роботу проти сил поверхневого натягу. Ця робота перетворюється в потенціальну енергію поверхневого шару. Тобто кожна молекула поверхневого шару володіє деяким надлишком енергії у порівнянні з молекулами глибинних шарів. Чим більша величина поверхні рідини, тим більше її поверхнева енергія. Поверхнева енергія рідини на межі з даним середовищем кількісно характеризується величиною питомої поверхневої енергії, або коефіцієнтом поверхневого натягу s і виражається величиною роботи в джоулях, яку необхідно затратити при утворенні 1 м² нової поверхні, або в одиницях сили, що діє на одиницю довжини поверхні (Н/м) та прагне гранично скоротити поверхню рідини: (Н/м, Дж,м²).

Величину поверхневого натягу приходиться враховувати на практиці. Від неї залежить розмір пузирів газу, що проходить крізь шар рідини, форма поверхні, розмір крапель, тощо. Речовини, що зменшують поверхневий натяг, називаються поверхнево-активними.

Вимірюють поверхневий натяг за допомогою сталагмометру методом рахування крапель. Цей метод називається сталагмометричним. При цьому рахують краплі, що вийшли з об’єму, обмеженого метками на сталагмометрі.

Спочатку рахують краплі дистильованої води, а потім – досліджуваної рідині і за формулою визначають поверхневий натяг.

Найбільший поверхневий натяг має ртуть, найменший - спирт, ацетон та інші органічні речовини, ПАР, спирти, білки, мила, тощо.

Поверхневий натяг залежить від: природи речовини, концентрації, температури, від того, на межі з яким розчинником він виміряється.

Д. І. Менделєєв прийшов до висновку, що для кожної речовини існує температура, при якій поверхневий натяг дорівнює нулю. Ця температура - точка абсолютного кипіння, або критична температура, вище за яку речовина не може існувати в рідкому стані.

Інше важлива властивість рідин – в’язкість.

В’язкістю, або внутрішнім тертям, називається властивість текучих тіл оказувати опір переміщенню одних шарів стосовно інших. Основний закон в’язкої течії було встановлено І. Ньютоном.

Розрізняють в’язкість динамічну h та кінематичну n= h/r.

В’язкість рідин та газів залежить від: їх природи, температури, тиску, концентрації. У газів в’язкість невеличка. З рідин найбільшу в’язкість мають гліцерин, касторове масло, розплавлене скло, тощо. Вода, бензол, діетиловий ефір мають малу в’язкість.

Величина, зворотна в’язкості, називається текучістю.

МКТ розглядає в’язкість як наслідок руху і взаємодії молекул. Так як в першу чергу в’язкість обумовлена силами міжмолекулярної взаємодії, тобто молекулярним рухом, обмеженим рухом молекул, то з підвищенням температури в’язкість рідини зменшується, а з підвищенням тиску – зростає. Особливі властивості мають рідкий гелій. При температурах, близьких до абсолютного нулю, він переходить до надтекучого стану, коли в’язкість дорівнює нулю. Із зростанням молекулярної маси в гомологічних рядах в’язкість збільшується.

Дві хімічно не взаємодіючи рідини з різною в’язкістю при змішуванні мають середнє значення в’язкості. У випадку ж хімічної взаємодії, в’язкість може бути у багато разів більша, ніж у взятих рідин. На цьому засновані методи ФХМА.

В’язкість розчинів залежить від концентрації. Із її ростом вона збільшується. В’язкість виміряють за допомогою віскозиметра – віскозиметричний метод.

Віскозіметр

Для цього визначають час витоку рідини з верхньої до нижньої мітки, спочатку – дистильованої води, потім – досліджуваної рідини, і вираховують в’язкість за формулою:

Рисунок 2 – Розподіл швидкості поблизу поверхні, що обтікається рідиною

Можна виміряти і відносну в’язкість рідин відносно одна одної.

Від в’язкості залежить якість мастильних матеріалів. В’язкість прагнуть знизити при виробництві скла, виплавці металів, та інших процесах.

Випар рідини – це перехід речовини з рідкого стану в газоподібний. Випар спостерігається при будь – яких температурах і відбувається з поверхні рідини. З точки зору МКТ, процес випару пояснюється тим, що молекули, рухаючись, попадають в поверхневий шар. Ті з них, які, володіючи достатньою кінетичною енергією, відриваються від поверхні речовини і переходять в пар, переборюючи поверхневий натяг.

Із зниженням температури кінетична енергія часток рідин та їх швидкість руху поступово зменшується, і при певні температурі речовина стає твердою. Молекули при цьому втрачають свободу руху, їх тепловий рух є лише тільки в коливаннях коло певних положень рівноваги. Основна відміна твердого стану від рідкого та газоподібного є в тому, що молекули, атоми чи іони, з яких складаються кристали, розташовані в певному порядку та утворюють так звану просторову кристалічну гратку. Перехід до кристалічного стану характеризується появленням певної структури. Деякі речовини, хоча є твердими, не мають внутрішньої структури. Вони відрізняються за багатьма властивостями і їх називають аморфними речовинами. Це, наприклад, скло або каніфоль. Їх можна розглядати як переохолоджені рідини.

Ознаки твердих тіл:

1. Різко виражені температури плавлення;

2. Правильність зовнішніх геометричних форм;

3. Анізотропність властивостей.

Анізотропія пояснюється в тому, що фізичні властивості різні по різним напрямам. Гази та рідини ізотропні, на відміну від твердих тіл.

Всі кристали можуть бути поодинокими (монокристали), так і складатися із багатьох невпорядковано орієнтованих кристалів (полікристали).

Рідини, при зменшенні температур, твердішають, частки в них закріплюються жорстко, знаходячись у вузлах кристалічної гратки.

На сьогодні відомо 230 типів кристалічних граток та їх комбінацій, які розбивають на 32 класи та 7 систем. В основі кожної системи лежить елементарна кристалічна гратка, послідовне та багатократне повторення якої в об’ємі утворює просторову кристалічну гратку. Форми кристалу залежать від того, за яким законом побудована гратка.

За характером часток та природі сил, що діють між ними, розрізняють 4 типи кристалічних граток:

· іонні – в просторі чергуються різнойменно заряджені фони (наприклад, NaCl, CaSO₄, тощо);

· атомні – певним чином розташовані атоми, пов’язані між собою ковалентним зв’язком (наприклад, алмаз, графіт, сірка);

· молекулярні –чередуються нейтральні молекули речовини, між якими діють порівняно слабкі сили міжмолекулярного при тяжіння (наприклад, бензол, нафталін, глюкоза);

· металічні – їх складають позитивно заряджені іони металу, між якими рухається електронний газ (метали).

Частки кристалічної гратки рухаються у вузлах, завдяки чому над поверхнею твердого тіла утворюються пар. Явище випаровування твердих речовин можна спостерігати і при низьких температурах (наприклад, лід, нафталін). Перехід твердої речовини у пароподібний стан поза рідкого називається возгонкою, або сублімацією. Під теплотою сублімації розуміють ту теплоту, яку необхідно затратити на вихід часток з простору кристалічної гратки на нескінченно велику відстань.

Перехід речовини з одного агрегатного стану до іншого називається: Т-Р – плавлення, Р – Т – кристалізація, або твердіння; Г – Р – конденсація, Р – Г – випар, а коли він йде з усіх шарів при високій температурі – кипіння; Т-Г – возгонка, або сублімація, Г – Р – десублімація.

Плазма – будь-який об’єкт, в якому хаотично рухаються електрично заряджені частки – електрони та позитивно заряджені ядра атомів, або іони. Плазмовий стан виникає при дії на речовину в газоподібному стані будь-яких іонізуючих факторів (високої температури, електричного заряду, електромагнітних випромінювань високих енергій).

Відрізняють два види плазми: ізотермічну та газорозрядну.

Ізотермічна плазма утворюється під впливом високих температур (термічна дисоціація атомів речовини). Ізотермічна плазма стійка, може існувати необмежено довго. Вона відіграє суттєву роль в космічних процесах. З такого виду плазми, наприклад, складаються всі зірки. Плазмою є шарова блискавка. Особливий різновид плазми представляє іоносфера Землі. Іонізація трапляється тут здебільше під впливом ультрафіолетового випромінювання Сонця. Таким чином, в масштабах космічного простору домінуючим є плазмовий стан речовини, всі три інші агрегатні стани є виключенням.

Газорозрядна плазма утворюється при електричних розрядах, наприклад, в газосвітних трубках. Вона стійка тільки при наявності електричного поля. При припиненні дії зовнішнього поля газорозрядна плазма швидко зникає (протягом 10-5 – 10-4 с) внаслідок утворення нейтральних атомів та іонів з електронів. В плазмі може бути досягнута температура порядку декількох десятків тисяч та навіть мільйонів градусів, однак з причини високого розрідження речовини концентрація енергії невелика і нагрівання стінок судини частками плазми незначне. Так, наприклад, стінки газосвітних трубок лише злегка теплі. Чудовою властивістю плазми є її висока електропровідність. Через плазму можна пропускати електричний струм в сотні тисяч та більше ампер. Електропровідність плазми зростає з підвищенням температури. Плазма взаємодіє з електричними та магнітними полями. Дією магнітного поля плазму можна відтіснити від стінок судини, внаслідок чого вимоги до жароміцності матеріалу різко знижуються.

Плазмохімія – один з найбільш перспективних та багатообіцяючих напрямків в фізико-хімічній науці та промисловості. В низькотемпературній плазмі (з температурою порядка декількох десятків тисяч градусів), яка складається з іонів, електронів та збуджених молекул, набагато легше, ніж у звичайних умовах, розвиваються різні хімічні процеси. В теперішній час проведено низку плазмохімічних реакцій (наприклад, отримання ацетилену плазмохімічним розпадом метану, реакція отримання азоту (ІІ) в плазменому струмені з азоту та кисню та багато інших).

Питання для самоперевірки

1. Дайте порівняльну характеристику агрегатних станів речовини.

2. Чим відрізняється ідеальний газ від реального?

3. Охарактеризуйте критичний стан речовини.

4. Як виникає та як виміряється поверхневий натяг та в’язкість рідин?

5. Які властивості проявляють тверді тіла?

6. Наведіть приклади використання газів, рідин, твердих тіл.

⇐ Предыдущая 1 2 345 6 7 8 9 10 Следующая ⇒

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском:

vikidalka.ru - 2015-2024 год. Все права принадлежат их авторам! Нарушение авторских прав | Нарушение персональных данных