Кристаллическое состояние вещества. Агрегатные состояния вещества

Агрегатные состояния вещества

Агрегатные состояния вещества (от лат. “aggrego” означает “присоединяю”, “связываю”) – это состояния одного и того же вещества в твердом, жидком и газообразном виде.

При переходе из одного состояния в другое наблюдается скачкообразное изменение энергии, энтропии, плотности и прочих свойств вещества.

Твердые и жидкие тела

Твердые тела – это тела, которые отличаются постоянством своей формы и объема.

В твердых телах межмолекулярные расстояния маленькие, а потенциальную энергию молекул можно сравнить с кинетической.

Твёрдые тела подразделяются на 2 вида:

В состоянии термодинамического равновесия находятся только лишь кристаллические тела. Аморфные же тела по факту представляют собой метастабильные состояния, которые по строению схожи с неравновесными, медленно кристаллизующимися жидкостями. В аморфном теле происходит чересчур медленный процесс кристаллизации, процесс постепенного преобразования вещества в кристаллическую фазу. Разница кристалла от аморфного твердого тела состоит, в первую очередь, в анизотропии его свойств. Свойства кристаллического тела определяются в зависимости от направления в пространстве. Разнообразные процессы (например, теплопроводность, электропроводность, свет, звук) распространяются в разных направлениях твердого тела по-разному. А вот аморфные тела (например, стекло, смолы, пластмассы) изотропные, как и жидкости. Разница аморфных тел от жидкостей заключается лишь только в том, что последние текучие, в них не происходят статические деформации сдвига.

У кристаллических тел правильное молекулярное строение. Именно за счет правильного строения кристалл имеет анизотропные свойства. Правильное расположение атомов кристалла создает так называемую кристаллическую решетку. В разных направлениях месторасположение атомов в решетке различное, что и приводит к анизотропии. Атомы (ионы либо целые молекулы) в кристаллической решетке совершают беспорядочное колебательное движение возле средних положений, которые и рассматриваются в качестве узлов кристаллической решетки. Чем выше температура, тем выше энергия колебаний, а значит, и средняя амплитуда колебаний. В зависимости от амплитуды колебаний определяется размер кристалла. Увеличение амплитуды колебаний приводит к увеличению размеров тела. Таким образом, объясняется тепловое расширение твердых тел.

Жидкие тела – это тела, имеющие определенный объем, но не имеющие упругой формы.

Для вещества в жидком состоянии характерно сильное межмолекулярное взаимодействие и малая сжимаемость. Жидкость занимает промежуточное положение между твердым телом и газом. Жидкости, также как и газы, обладают изотpопными свойствами. Помимо этого, жидкость обладает свойством текучести. В ней, как и в газах, нет касательного напряжения (напряжения на сдвиг) тел. Жидкости тяжелые, то есть их удельные веса можно сравнить с удельными весами твердых тел. Вблизи температур кристаллизации их теплоемкости и прочие тепловые свойства близки к соответствующим свойствам твердых тел. В жидкостях наблюдается до заданной степени правильное расположение атомов, но только лишь в маленьких областях. Здесь атомы также проделывают колебательное движение около узлов квазикристаллической ячейки, однако в отличие от атомов твердого тела они периодически перескакивают от одного узла к другому. В итоге движение атомов будет весьма сложное: колебательное, но вместе с тем центр колебаний перемещается в пространстве.

Газ, испарение, конденсация и плавление

Газ – это такое состояние вещества, при котором расстояния между молекулами огромны.

Силами взаимодействия между молекулами при небольших давлениях можно пренебречь. Частицы газа заполоняют весь объем, который предоставлен для газа. Газы рассматривают как сильно перегретые либо ненасыщенные пары. Особый вид газа – плазма (частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов почти одинаковые). То есть плазма – это газ из заряженных частиц, взаимодействующих между собой при помощи электрических сил на большом расстоянии, но не имеющих ближнего и дальнего расположения частиц.

Как известно, вещества способны переходить из одного агрегатного состояния в другое.

Испарение – это процесс изменения агрегатного состояния вещества, при котором с поверхности жидкости либо твердого тела вылетают молекулы, кинетическая энергия которых преобразовывает потенциальную энергию взаимодействия молекул.

Испарение является фазовым переходом. При испарении часть жидкости или твердого тела преобразуется в пар.

Вещество в газообразном состоянии, которое находится в динамическом равновесии с жидкостью, называется насыщенным паром. При этом изменение внутренней энергии тела равняется:

где m – это масса тела, r – это удельная теплота парообразования ( Д ж / к г ) .

Конденсация представляет собой процесс, обратный парообразованию.

Изменение внутренней энергии рассчитывается по формуле ( 1 ) .

Плавление – это процесс преобразования вещества из твердого состояния в жидкое, процесс изменения агрегатного состояния вещества.

При нагревании вещества растет его внутренняя энергия, поэтому увеличивается скорость теплового движения молекул. При достижении веществом своей температуры плавления кристаллическая решетка твердого тела разрушается. Связи между частицами также разрушаются, растет энергия взаимодействия между частицами. Теплота, которая передается телу, идет на увеличение внутренней энергии данного тела, и часть энергии расходуется на совершение работы по изменению объема тела при его плавлении. У многих кристаллических тел объем увеличивается при плавлении, однако есть исключения (к примеру, лед, чугун). Аморфные тела не обладают определенной температурой плавления. Плавление представляет собой фазовый переход, который характеризуется скачкообразным изменением теплоемкости при температуре плавления. Температура плавления зависит от вещества и она остается неизменной в ходе процесса. Тогда изменение внутренней энергии тела равняется:

где λ – это удельная теплота плавления ( Д ж / к г ) .

Кристаллизация представляет собой процесс, обратный плавлению.

Изменение внутренней энергии рассчитывается по формуле ( 2 ) .

Изменение внутренней энергии каждого тела системы при нагревании или охлаждении вычисляется по формуле:

где c – это удельная теплоемкость вещества, Д ж к г К , △ T – это изменение температуры тела.

При рассматривании преобразований веществ из одних агрегатных состояний в другие нельзя обойтись без так называемого уравнения теплового баланса: суммарное количество теплоты, выделяемое в теплоизолированной системе, равняется количеству теплоты (суммарному), которое в данной системе поглощается.

Q 1 + Q 2 + Q 3 + . . . + Q n = Q ‘ 1 + Q ‘ 2 + Q ‘ 3 + . . . + Q ‘ k .

По сути, уравнение теплового баланса – это закон сохранения энергии для процессов теплообмена в термоизолированных системах.

В теплоизолированном сосуде находятся вода и лед с температурой t i = 0 ° C . Масса воды m υ и льда m i соответственно равняется 0 , 5 к г и 60 г . В воду впускают водяной пар массой m p = 10 г при температуре t p = 100 ° C . Какой будет температура воды в сосуде после того, как установится тепловое равновесие? При этом теплоемкость сосуда учитывать не нужно.

Определим, какие процессы осуществляются в системе, какие агрегатные состояния вещества мы наблюдали и какие получили.

Водяной пар конденсируется, отдавая при этом тепло.

Тепловая энергия идет на плавление льда и, может быть, нагревание имеющейся и полученной изо льда воды.

Прежде всего, проверим, сколько теплоты выделяется при конденсации имеющейся массы пара:

Q p = – r m p ; Q p = 2 , 26 · 10 6 · 10 – 2 = 2 , 26 · 10 4 ( Д ж ) ,

здесь из справочных материалов у нас есть r = 2 , 26 · 10 6 Д ж к г – удельная теплота парообразования (применяется и для конденсации).

Для плавления льда понадобится следующее количество тепла:

Q i = λ m i Q i = 6 · 10 – 2 · 3 , 3 · 10 5 ≈ 2 · 10 4 ( Д ж ) ,

здесь из справочных материалов у нас есть λ = 3 , 3 · 10 5 Д ж к г – удельная теплота плавления льда.

Выходит, что пар отдает тепла больше, чем необходимо, только для расплавления имеющегося льда, значит, уравнение теплового баланса запишем следующим образом:

r m p + c m p ( T p – T ) = λ m i + c ( m υ + m i ) ( T – T i ) .

Теплота выделяется при конденсации пара массой m p и остывании воды, образуемой из пара от температуры T p до искомой T . Теплота поглощается при плавлении льда массой m i и нагревании воды массой m υ + m i от температуры T i до T . Обозначим T – T i = ∆ T для разности T p – T получаем:

T p – T = T p – T i – ∆ T = 100 – ∆ T .

Уравнение теплового баланса будет иметь вид:

r m p + c m p ( 100 – ∆ T ) = λ m i + c ( m υ + m i ) ∆ T ; c ( m υ + m i + m p ) ∆ T = r m p + c m p 100 – λ m i ; ∆ T = r m p + c m p 100 – λ m i c m υ + m i + m p .

Сделаем вычисления с учетом того, что теплоемкость воды табличная

c = 4 , 2 · 10 3 Д ж к г К , T p = t p + 273 = 373 К , T i = t i + 273 = 273 К : ∆ T = 2 , 26 · 10 6 · 10 – 2 + 4 , 2 · 10 3 · 10 – 2 · 10 2 – 6 · 10 – 2 · 3 , 3 · 10 5 4 , 2 · 10 3 · 5 , 7 · 10 – 1 ≈ 3 ( К ) ,

тогда T = 273 + 3 = 276 К

Ответ: Температура воды в сосуде после установления теплового равновесия будет равняться 276 К .

На рисунке 2 изображен участок изотермы, который отвечает переходу вещества из кристаллического в жидкое состояние. Что соответствует данному участку на диаграмме p , T ?

Ответ: Вся совокупность состояний, которые изображены на диаграмме p , V горизонтальным отрезком прямой на диаграмме p , T показано одной точкой, которая определяет значения p и T , при которых происходит преобразование из одного агрегатного состояния в другое.

Агрегатные состояния вещества

Агрегатные состояния вещества (от латинского aggrego — присоединяю, связываю) — это состояния одного и того же вещества, переходам между которыми соответствуют скачкообразные изменения свободной энергии, энтропии, плотности и других физических параметров вещества.
Газ (французское gaz, происшедшее от греческого chaos — хаос) — это агрегатное состояние вещества, в котором силы взаимодействия его частиц, заполняющих весь предоставленный им объем, пренебрежимо малы. В газах межмолекулярные расстояния велики и молекулы движутся практически свободно.

Газы можно рассматривать как значительно перегретые или малонасыщенные пары. Над поверхностью каждой жидкости вследствие испарения находится пар. При повышении давления пара до определенного предела, называемого давлением насыщенного пара, испарение жидкости прекращается, так как давление пара и жидкости становится одинаковым. Уменьшение объема насыщенного пара вызывает конденсацию части пара, а не повышение давления. Поэтому давление пара не может быть выше давления насыщенного пара. Состояние насыщения характеризуется массой насыщения, содержащейся в 1м массой насыщенного пара, которая зависит от температуры. Насыщенный пар может стать ненасыщенным, если увеличивать его объем или повышать температуру. Если температура пара много выше точки кипения, соответствующей данному давлению, пар называется перегретым.

Плазмой называется частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы. Солнце, звезды, облака межзвездного вещества состоят из газов — нейтральных или ионизованных (плазмы). В отличие от других агрегатных состояний плазма представляет собой газ заряженных частиц (ионов, электронов), которые электрически взаимодействуют друг с другом на больших расстояниях, но не обладают ни ближним, ни дальним порядками в расположении частиц.

Жидкость – это агрегатное состояние вещества, промежуточное между твердым и газообразным. Жидкостям присущи некоторые черты твердого вещества (сохраняет свой объем, образует поверхность, обладает определенной прочностью на разрыв) и газа (принимает форму сосуда, в котором находится). Тепловое движение молекул (атомов) жидкости представляет собой сочетание малых колебаний около положений равновесия и частых перескоков из одного положения равновесия в другое. Одновременно происходят медленные перемещения молекул и их колебания внутри малых объемов, частые перескоки молекул нарушают дальний порядок в расположении частиц и обусловливают текучесть жидкостей, а малые колебания около положений равновесия обусловливают существование в жидкостях ближнего порядка.

Жидкости и твердые вещества, в отличие от газов, можно рассматривать как высоко конденсированные среды. В них молекулы (атомы) расположены значительно ближе друг к другу и силы взаимодействия на несколько порядков больше, чем в газах. Поэтому жидкости и твердые вещества имеют существенно ограниченные возможности для расширения, заведомо не могут занять произвольный объем, а при постоянных давлении и температуре сохраняют свой объем, в каком бы объеме их не размещали. Переходы из более упорядоченного по структуре агрегатного состояния в менее упорядоченное могут происходить и непрерывно. В связи с этим вместо понятия агрегатного состояния целесообразно пользоваться более широким понятием — понятием фазы.

Фазой называется совокупность всех частей системы, обладающих одинаковым химическим составом и находящихся в одинаковом состоянии. Это оправдано одновременным существованием термодинамически равновесных фаз в многофазной системе: жидкости со своим насыщенным паром; воды и льда при температуре плавления; двух несмешивающихся жидкостей (смесь воды с триэтиламином), отличающихся концентрациями; существованием аморфных твердых веществ, сохраняющих структуру жидкости (аморфное состояние).

Аморфное твердое состояние вещества является разновидностью переохлажденного состояния жидкости и отличается от обычных жидкостей существенно большей вязкостью и численными значениями кинетических характеристик.
Кристаллическое твердое состояние вещества — это агрегатное состояние, которое характеризуется большими силами взаимодействия между частицами вещества (атомами, молекулами, ионами). Частицы твердых тел совершают колебания около средних равновесных положений, называемых узлами кристаллической решетки; структура этих веществ характеризуется высокой степенью упорядоченности (дальним и ближним порядком) — упорядоченностью в расположении (координационный порядок), в ориентации (ориентационный порядок) структурных частиц, или упорядоченностью физических свойств (например, в ориентации магнитных моментов или электрических дипольных моментов). Область существования нормальной жидкой фазы для чистых жидкостей, жидкого и жидких кристаллов ограничена со стороны низких температур фазовыми переходами соответственно в твердое (кристаллизацией), сверхтекучее и жидко-анизотропное состояние.

Кристаллическое состояние вещества

Агрегатные состояния вещества.

В этом разделе мы рассмотрим агрегатные состояния, в которых пребывает окружающая нас материя и силы взаимодействия между частицами вещества, свойственные каждому из агрегатных состояний.

Принято считать, что вещество может находиться в одном из трёх агрегатных состояниях:

1. Состояние твёрдого тела,

2. Жидкое состояние и

Газообразное состояние.

Часто выделяют четвёртое агрегатное состояние – плазму.

Иногда, состояние плазмы считают одним из видов газообразного состояния.

Плазма — частично или полностью ионизированный газ, чаще всего существующий при высоких температурах.

Плазма является самым распространённым состоянием вещества во вселенной, поскоьку материя звёд пребывает именно в этом состоянии.

Для каждого агрегатного состояния характерны особенности в характере взаимодействия между частицами вещества, что влияет на его физические и химические свойства.

Каждое вещество может пребывать в разных агрегатных состояниях. При достаточно низких температурах все вещества находятся в твёрдом состоянии. Но по мере нагрева они становятся жидкостями, затем газами. При дальнейшем нагревании они ионизируются (атомы теряют часть своих электронов) и переходят в состояние плазмы.

Газ

Газообразное состояние (от нидерл. gas, восходит к др.-греч. Χάος) характеризующееся очень слабыми связями между составляющими его частицами.

Образующие газ молекулы или атомы хаотически движутся и при этом преобладающую часть времени находятся на больших (в сравнении с их размерами) растояниях друг от друга. Вследствие этого силы взаимодействия между частицами газа пренебрежимо малы.

Основной особенностью газа является то, что он заполняет все доступное пространство, не образуя поверхности. Газы всегда смешиваются. Газ — изотропное вещество, то есть его свойства не зависят от направления.

При отсутствии сил тяготения давление во всех точках газа одинаково. В поле сил тяготения плотность и давление не одинаковы в каждой точке, уменьшаясь с высотой. Соответственно, в поле сил тяжести смесь газов становится неоднородной. Тяжелые газы имеют тенденцию оседать ниже, а более легкие — подниматься вверх.

Газ имеет высокую сжимаемость — при увеличении давления возрастает его плотность. При повышении температуры расширяются.

При сжатии газ может перейти в жидкость, но конденсация происходит не при любой температуре, а при температуре, ниже критической температуры. Критическая температура является характеристикой конкретного газа и зависит от сил взаимодействия между его молекулами. Так, например, газ гелий можно ожижить только при температуре, ниже от 4,2 К.

Существуют газы, которые при охлаждении переходят в твердое тело, минуя жидкую фазу. Превращения жидкости в газ называется испарением, а непосредственное превращение твердого тела в газ — сублимацией.

Твёрдое тело

Состояние твёрдого тела в сравнении с другими агрегатными состояниямихарактеризуется стабильностью формы.

Различают кристаллические и аморфные твёрдые тела.

Кристаллическое состояние вещества

Стабильность формы твёрдых тел связана с тем, что большинство, находящихся в твёрдом состоянии имеет кристалическое строение.

В этом случае расстояния между частицами вещества малы, а силы взаимодействия между ними велики, что и определяет стабильность формы.

В кристаллическом строении многих твёрдых тел легко убедиться, расколов кусок вещества и рассмотрев полученный излом. Обычно на изломе (например, у сахара, серы, металлов и пр.) хорошо заметны расположенные под разными углами мелкие грани кристаллов, поблескивающие вследствии различного отражения ими света.

В тех случаях, когда кристаллы очень малы, кристаллическое строение вещества можно установить при помощи микроскопа.

Формы кристаллов

Каждое вещество образует кристаллы совершенно определённой формы.

Разнообразие кристаллических форм может быть сведено к семи группам:

1. Триклинная (параллелепипед),

2.Моноклинная (призма с параллелограммом в основании),

3. Ромбическая (прямоугольный параллелепипед),

4. Тетрагональная (прямоугольный параллелепипед с квадратом в основании),

5. Тригональная,

6. Гексагональная (призма с основанием правильного центрированного
шестиугольника),

7. Кубическая (куб).

Многие вещества, в частности железо, медь, алмаз, хлорид натрия кристализуются вкубической системе. Простейшими формами этой системы являются куб, октаэдр, тетраэдр.

Магний, цинк, лёд, кварц кристализуются в гексагональной системе. Основные формы этой системы – шестигранные призмы и бипирамида.

Природные кристаллы, а также кристаллы, получаемые искусственным путём, редко в точности соответствуют теоретическим формам. Обычно при затвердевании расплавленного вещества кристаллы срастаются вместе и потому форма каждого из них оказывается не вполне правильной.

Однако как бы неравномерно не происходило развитие кристалла, как бы ни была искажена его форма, углы, под которыми сходятся грани кристалла у одного и того же вещества остаются постоянными.

Анизотропия

Особенности кристаллических тел не ограничиваются только формой кристаллов. Хотя вещество в кристалле совершенно однородно, многие из его физических свойств – прочность, теплопроводность, отношение к свету и др. – не всегда одинаковы по различным направлениям внутри кристалла. Эта важная особенность кристаллических веществ называется анизотропией.

Внутреннее строение кристаллов. Кристаллические решётки.

Внешняя форма кристалла отражает его внутреннее строение и обусловлена правильным расположением частиц, составляющих кристалл, – молекул, атомов или ионов.

Это расположение можно представить в виде кристаллической решётки – пространственного каркаса, образованного пересекающимися прямыми линиями. В точках пересечения линий – узлах решётки – лежат центры частиц.

В зависимости от природы частиц, находящихся в узлах кристаллической решётки, и от того, какие силы взаимодействия между ними преобладают в данном кристалле, различают следующие виды кристаллических решёток:

1. молекулярные,

2. атомные,

3. ионные и

4. металлические.

Молекулярные и атомные решётки присущи веществам с ковалентной связью, ионные – ионным соединениям, металические – металам и их сплавам.

· Атомные кристаллические решётки

В узлах атомных решёток находятся атомы. Они связаны друг с другомковалентной связью.

Веществ, обладающих атомными решётками, сравнительно мало. К ним принадлежаталмаз, кремний и некоторые неорганические соединения.

Эти вещества характеризуются высокой твёрдостью, они тугоплавки и нерастворимы практически ни в каких растворителях. Такие их свойства объясняются прочностьюковалентной связи.

· Молекулярные кристаллические решётки

В узлах молекулярных решёток находятся молекулы. Они связаны друг с другоммежмолекулярными силами.

Веществ с молекулярной решёткой очень много. К ним принадлежат неметаллы, за исключением углерода и кремния, все органические соединения с неионной связью имногие неорганические соединения.

Силы межмолекулярного взаимодействия значительно слабее сил ковалентной связи, поэтому молекулярные кристаллы имеют небольшую твёрдость, легкоплавки и летучи.

· Ионные кристаллические решётки

В узлах ионных решёток располагаются, чередуясь положительно и отрицательно заряженные ионы. Они связаны друг с другом силамиэлектростатического притяжения.

К соединениям с ионной связью, образующим ионные решётки, относится большинство солей и небольшое число оксидов.

По прочности ионные решётки уступают атомным, но превышают молекулярные.

Ионные соединения имеют сравнительно высокие температуры плавления. Летучесть их в большинстве случаев не велика.

· Металлические кристаллические решётки

В узлах металлических решёток находятся атомы металла, между которыми свободно движутся общие для этих атомов электроны.

Наличием свободных электронов в кристаллических решётках металлов можно объяснить их многие свойства: пластичность, ковкость, металлический блеск, высокую электро- и теплопроводность

Существуют вещества, в кристаллах которых значительную роль играют два рода взаимодействия между частицами. Так, в графите атомы углерода связаны друг с другом в одних направлениях ковалентной связью, а в других – металлической. Поэтому решётку графита можно рассматривать и как атомную, и как металлическую.

Во многих неорганических соединениях, например, в BeO, ZnS, CuCl, связь между частицами, находящимися в узлах решётки, является частично ионной, а частичноковалентной. Поэтому решётки подобных соединений можно рассматривать как промежуточные между ионными и атомными.

Источники:

http://zaochnik.com/spravochnik/fizika/molekuljarno-kineticheskaja-teorija/agregatnye-sostojanija-veschestva/

http://www.xiron.ru/content/view/191/28/

http://lektsii.org/12-7366.html