Газоподібний стан речовини. Рівняння Клапейрона-Менделєєва

РОЗДІЛ 6

АГРЕГАТНІ СТАНИ РЕЧОВИНИ

Агрегатний стан речовини є функцією температури і тиску. Але ж це не означає, що, змінюючи температуру і тиск, можливо реалізувати для будь-якої речовини усі три агрегатні стани. Так, для кальцій карбонату можливий лише твердий стан, для сахарози, білкових речовин та інших – недосяжний газоподібний стан: при нагріванні вони розкладаються. З іншого боку, при певній температурі і певному тиску речовини можуть одночасно перебувати у всіх трьох агрегатних станах. Так, при 0, 0076 °С співіснують, знаходяться в рівновазі тверда вода (лід), рідка вода і газоподібна вода у вигляді насиченої пари з тиском 4, 579 мм рт. ст.

Газоподібний стан речовини. Рівняння Клапейрона-Менделєєва

Головна риса газового стану – мала густина речовини, значна відстань між молекулами, малі сили зчеплення, в результаті чого газ прагне зайняти максимальний об’єм.

Закони ідеальних газів Бойля-Маріотта, Авогадро, Шарля і Гей-Люссака були встановлені дослідним шляхом і узагальнені в рівнянні Менделєєва-Клапейрона:

Р V = RT,

(58)

де P – тиск; V – об’єм; Т – абсолютна температура.

Для будь-якого довільного числа n молів газу рівняння набуває вигляду:

Р V = n RT.

(59)

Ці рівняння дають для різних температур кількісний зв’язок між об’ємом і тиском; їх називають рівняннями стану.

Константа R бере участь у багатьох фізико-хімічних залежностях і називається універсально ю газово ю стало ю (R = 8, 314 Дж/ моль × К)).Оскільки R =P D V / D Т, то вона має певний фізичний зміст: це робота ізобарного розширення моля ідеального газу при підвищенні температури на один градус.

Рідинний стан

Рідинний стан вивчено менш повно, ніж газоподібний або твердий. Тому доцільно порівняти рідинний стан з твердим і газоподібним станами. У рідини, як і у газу, немає власної форми, але є власний об’єм, у той час як молекули газу займають увесь наданий їм об’єм. У рідинному стані текучі речовини набувають форми посудини, в яку вони розміщені. Речовини, які знаходяться в рідинному стані при 298 К і більш низькій температурі, називають рідинами. Якщо ж речовина переходить у рідинний стан при температурах, які перевищують 298 К, тоді такий стан називають розплавленим або розплавом.

Рідинний стан речовини обумовлено особливим характером розташування часток і особливим характером зв’язку, на відміну від газів у рідинах і розплавах частки знаходяться на відстанях того ж порядку, що і розміри самих часток.

У рідинах сили тяжіння співмірні з силами, які обумовлюють теплові коливання молекул. Частки можуть коливатися, переміщуватися і обертатися. Якщо сила, яка обумовлює теплові коливання частки, перевершує силу її зв’язку з іншою часткою, то вона може переміститися на відстань порядку її діаметра й утворити новий зв’язок з іншою часткою.

Стисливість рідин мала, їх густина близька до густини твердих тіл, але більш чутлива до змін температури.

При зниженні температури при постійному тиску речовини переходять із газоподібного стану, який характеризується відсутністю зв’язку між частками і формою, в рідинний стан, де частки взаємопов’язані, але форма не визначена, а потім у твердий стан із правильною фіксованою структурою. Однак, при зниженні температури рідина може заморожуватися без упорядкування структури. Тоді утворюється аморфна речовина, структура якої наближається до структури рідини.

Наявність у рідині просторового упорядкування молекул підтверджується експериментальними даними по розсіюванню світла, дифракції рентгенівсь-кого випромінювання нейтронів і електронів. Рентгеноструктурні досліджен-ня показали, що в рідинах, які складаються із багатоатомних молекул, спосте-рігається не тільки упорядковане розташування молекул, але й відома зако-номірність у взаємній орієнтації часток. Ця орієнтація посилюється для поляр-них молекул й при формуванні водневого зв’язку. Але, як показано на рис. 28, лише поблизу даної частки спостерігається закономірне розташування су-сідніх часток.

При віддаленні від розглянутої частки А на відстань порядку 10 атомних відстаней закономірне розташування часток порушується. Таким чином, рідкий стан характеризується закономірним розташуванням часток у невеликих об’ємах і неупорядкованим – по всьому об’єму. Таку структурну влас-тивість рідкого стану виражають термінами “ближ-ній порядок” і “дальній порядок” і говорять, що в рідинах і в розплавах є ближній порядок і відсут-ній дальній порядок.

Рис. 2 8. Розташування часток у рідині

Таблиця 10. В’язкість деяких рідин при 293 К

Рідина	В’язкість, МПа × с	Рідина	В’язкість, МПа × с
Вода	1, 005	Хлороформ	0, 570
Бензол	0, 649	Гліцерин	1, 490
Етанол	1, 190	Тетрахлорометан	0, 969

О.І. Бачинський встановив, що в’язкість багатьох рідин виражається формулою

або

(62)

де С – стала величина; V_пит_.– питомий об’єм; V_вл. – власний об’єм, який займають частки рідини; j – текучість.

В’язкість рідини зменшується з підвищенням температури, оскільки при цьому збільшується середня відстань між молекулами рідини, послаблюється взаємне тяжіння між ними, і, отже, зменшується сила тертя між рухомими шарами.

Для багатьох рідин залежність в’язкості від T підлягає рівнянню де Гузмана:

= A ×

(63)

де 1/ h – текучість; Е – енергія активації текучості.

Для вимірювання в’язкості користуються прила-дами, які називаються віскозиметрами. Широко роз-повсюджені капілярні візкозиметри, в яких в’язкість визначається за часом витікання певного об’єму рідини через капіляр. Один із капілярних віскозиметрів показаний на рис. 29. При роботі з віскозиметром цього типу визначають час витоку рідини, яка знаходиться в об’ємі між мітками 1 і 2. Для розрахунку в’язкості використовують формулу Пуазейля:

Рис. 29. Кап і лярний віскозиметр

, (64)

де r – радіус капіляра; l – довжина капіляра; V – об’єм рідини, яка витікає; р – тиск, під яким рідина протікає через капіляр; t – час витікання.

На практиці звичайно визначають відносну в’язкість, тобто відношення в’язкості випробовуваної рідини до в’язкості іншої рідини. Для одного й того ж віскозиметра із рівнянь Пуазейля можна отримати відношення:

(65)

Якщо обидві рідини протікають через капіляр під тиском власної ваги, тоді відношення р/р_о можна замінити відношенням їх густин r / r _о:

h / h _о = r t/ r ₀ t₀.

(66)

Звідки:

(67)

Природні води

Вода вкриває близько 3/4 поверхні нашої планети. Вона в природі зустрі-чається у дуже великій кількості у трьох агрегатних станах: у вигляді пари (в атмосфері); у рідкому стані (води річок, озер, морів та океанів); у твердому стані (лід та сніг на вершинах високих гір та полярних широтах, полюсах); ґрунтові води (у ґрунтах на різній глибині); кристалізаційна вода (у складі кристалів та мінералів); у рослинних та тваринних організмах. Найчистішою природною водою є дощова вода. У незначній мірі вона містить у собі розчинені гази та речовини, які утворюються в атмосфері при дії грозових розрядів – О₂, N₂, СО₂ і навіть нітроген оксиди, які утворюються при взаємодії азоту з киснем при грозових розрядах. Над промисловими районами дощова вода може містити і сульфур оксиди, які утворюються при спалюванні вугілля на теплових електростанціях, котельнях, промисловий пил, що виділяється при роботі металургійних комплексів та хімічних підприємств. Попадаючи на ґрунт, дощова вода просочується через нього разом із розчиненими мінералами ґрунту та тими речовинами, які взаємодіють із розчином карбонатної кислоти (результат розчинення карбон(IV) оксиду у воді).

Природні води містять у собі домішки тих мінералів, з якими вода вступає у контакт. Як правило, це натрій-, кальцій-, магній хлориди, сульфати, кар-бонати та гідрогенкарбонати та ін. Солі калію зустрічаються рідше, бо Калій знаходиться у ґрунті у вигляді менш розчинних у воді мінералів.

Окрім солей і газів, у природній воді є гумусові речовини – органічні спо-луки, продукти розкладу рослинних і тваринних тканин.

Склад мінеральних вод, які знаходяться на великій глибині під землею, залежить від мінералів даної місцевості. Морська вода містить у собі переважно натрій хлорид (близько 2, 9%) та калій хлорид (у кількості < 0, 1%). Вода оке-анів містить близько 3, 6% солей, переважну кількість з яких складає натрій хлорид. Вміст солей у морській воді залежить від багатоводності річок, які в них впадають, і коливається в межах від 0, 5 до 3, 9%. Наприклад: вміст солей у Середземному морі – 3, 5%, у Чорному – 1, 8, у Балтійському – 0, 5%.

У вологому повітрі усі речовини більш або менш міцно утримують воду своєю поверхнею або порами. Таку воду називають гігроскопічною, вона не пов’язана з речовинами хімічно.

Зв ’ язана вода значною мірою позбавлена тієї рухливості, яка властива звичайній воді. Багато білкових драглів при вмісті дуже малої кількості сухої речовини мають напівтвердий характер і здатні зберігати свою форму. Так, медузи, тіло яких містить лише 1% сухої речовини і близько 99% води, усе ж таки зберігають і форму і достатню життєву стійкість.

Вважається встановленим, що одна із причин старіння організму криється у втраті здатності його тканин утримувати зв’язану воду на нормальному рівні. Як правило, молоді організми містять значно більше зв’язаної води, ніж старі.

Особливий вид старіння, наприклад, спостерігається у процесі черствіння хліба. У свіжому пшеничному борошні зв’язаної води міститься приблизно 44% від її загального вмісту, в тісті кількість її досягає вже 53%, а в свіжовипеченому хлібі – 83%. Але вже через п’ять діб у хлібі залишається 67% зв’язаної води. Таким чином, процес черствіння хліба обумовлений втратою води і є, по суті, незворотним процесом старіння. Ось чому намагання зберегти хліб свіжим шляхом зберігання його в герметичній упаковці, наприклад, у целофанових пакетах не дає позитивних результатів.

Важка вода, її застосування

Природна вода разом зі звичайними молекулами Н₂О містить домішки важкої води D₂O. При тривалому електролізі природної води розкладаються переважно молекули Н₂О і залишок збагачується молекулами D₂O. Із нього отримують чисту важку воду, яка за властивостями відрізняється від звичай-ної води (табл. 11). Встановлено, що в присутності важкої води уповільню-ються деякі хімічні реакції; вона погано розчиняє солі; шкідлива для рослин і тварин (риби не живуть у важкій воді).

Таблиця 11. Деякі відмінні властивості важкої води

Властивості	Звичайна вода Н₂О	Важка вода D₂O
Відносна молекулярна маса	18	20
Температура кристалізації, К	273	276, 81
Температура кипіння, К	373	374, 43
Густина при 293 К, г/см³	0, 9982	1, 106
Температура максимальної густини, К	277	283, 6
Розчинність NaCl при 298 К (в г на 100 г води)	35, 92	30, 56

Оскільки важка вода має здатність поглинати нейтрони, її (з графітом і звичайною водою) застосовують в атомних реакторах для уповільнення нейтронів, тобто регулювання ланцюгової реакції атомного розкладу важких елементів. З важкої води отримують Дейтерій.

Біологічна роль води

Вода є однією із найважливіших складових частин організму і відіграє важливу роль у житті людини. Життя без води неможливе. Без їжі можна зна-ходитись значно довше, ніж без води. Організми тварин і рослин містять від 50 до 90 мас. % води. Наприклад, тіло людини масою 70 кг містить 49 кг води, або 70 мас. %. У дорослих органах та тканинах вміст води неоднаковий, від 20 % в кістках до 85 % – в тканинах головного мозку. У біологічних рідинах вміст води також різний: у шлунковому сокові – 99, 5 %, у слині – 99, 4 %, у плазмі крові – 92 %, у лімфі – 90 %, у сечі – 83 %. Добова потреба дорослих у воді складає в середньому 3 л.

Вода, що надходить в організм у вигляді питного і в складі харчових продуктів, називається екзогенною; вода, яка утворюється в процесі обміну речовин (при окисному розкладі в організмі білків, жирів, вуглеводів) – ендогенною. В нормальних умовах в організмі дорослої людини потреба води і її виділення знаходяться у стані динамічної рівноваги (за добу із організму виділяється нирками 1, 2-1, 5 л, шкірою – близько 0, 5 л, легенями – 0, 2-0, 3 л).

В організмах рослин, тварин, людини вода є не лише “універсальним розчинником”, але й активним учасником різноманітних реакцій обміну речовин (гідроліз, гідратація, набухання та ін.). Вона виконує роль транспортної системи – переносить поживні речовини, ензіми, продукти метаболізму, газів, антитіл та ін. За допомогою води підтримується стан гомеостазу (кислотно-лужна, осмотична, гемодинамічна, термічна рівновага). Вода необхідна для утворення секретів та екскретів, а також забезпечення визначеного тургору тканин.

Вода охороняє клітину від різких змін температури; має здатність погли-нати велику кількість теплоти при переході від рідинного стану до пароподіб-ного, що дозволяє організму звільнятись від надлишку теплоти шляхом випарювання води. Крім того, характерна для води висока теплопровідність створює можливість рівномірного розподілу теплоти між тканинами організму.

Таким чином, унікальні властивості води (висока теплоємність, низька в’язкість, високе значення діелектричної проникності, полярність її молекул, утворення водневих зв’язків, відносна легкість протікання процесів гідратації та гідролізу і т.ін.) обумовлюють її участь у всіх біохімічних процесах, що відбуваються в живому організмі.

Таблиця 12. Значення рН для ф і з і олог і чних р і дин

Рідина організму людини	Ймовірне значення рН	Можливі коливання
Шлунковий сік	1, 65	0, 9-2, 0
Сеча	5, 80	5, 0-6, 5
Слина	6, 75	5, 6-7, 9
Кров (плазма)	7, 36	7, 25-7, 44
Сльози	7, 70	7, 60-7, 80
Спинно-мозкова рідина	7, 60	7, 35-7, 80

Таблиця 13. Геометричні характеристики семи кристалічних систем

Система	Довжина між осями	Кути між осями
Кубічна	a = b = c	a = b = g = 90^o
Тетраедрична	a = b ¹ c	a = b = g = 90^o
Гексагональна	a = b ¹ c	a = b = 90^o, g =120^o
Ромбоедрична	a = b = c	a = b = g ¹ 90^o
Орторомбічна	a ¹ b ¹ c	a = b = g = 90^o
Моноклинна	a ¹ b ¹ c	a = g = 90^o; b ¹ 90^o
Триклинна	a ¹ b ¹ c	a ¹ b ¹ g ¹ 90^o

ними від основних, наприклад, кубічна, об’ємно-центрована і кубічна гране-центрована (рис. 33).

Рис. 33. Елементарні комірки: а – простої, б – гранецентрованої і

в – об’ємно-центрованої систем

Металічний зв’язок

У вузлах просторової ґратки типових металів в основному знаходяться по-зитивно заряджені іони (катіони), упаковані густо, а в проміжках між ними – більш або менш вільні електрони, які утворюють своєрідний електронний газ. Така структура є результатом здатності атомів у масі металу зворотно дисоціювати на катіон і електрони, наприклад, у Кальцію:

Са^о	Са²⁺ +	2e^–
електронейтр. атом Кальцію	позитивно заряджений іон	валентні електрони Кальцію

Енергія ґратки металічного кристалу складається із: 1) кінетичної енергії електронів і 2) потенціальних видів енергії: а) взаємодії катіонів з електро-нами, які утворюють електронний газ; б) енергії взаємного електростатичного відштовхування однойменно заряджених катіонів і в) енергії взаємного від-штовхування електронів.

Електрони електронного газу не закріплені на більш або менш тривалий час за окремими катіонами, а знаходяться у взаємодії з ними, електронний газ “омиває” усі катіони, які знаходяться в даній масі металу.

При цьому електрони відіграють роль ніби цементу, який скріплює одно-йменно заряджені іони металу в щільну кристалічну ґратку, надаючи їй властиву металам міцність. Але ці ж електрони, в свою чергу, самі досить міцно утримуються катіонами металу і не можуть вільно покинути ґратку. В цьому полягає характерна особливість металічного зв’язку, який може бути названий катіонно-електронним.

Легка рухомість електронного газу в масі металу і його загальна приналежність одночасно усім його катіонам характерні лише для металічного стану речовини і зовсім невластиві молекулярним, атомним або іонним сполукам. Звідси витікає ряд специфічних властивостей металів, спільних для них. До таких властивостей належать: електро- і теплопровідність, своєрідний (“металічний”) блиск, здатність відбиватися і т.ін., а також характерні для металів їх хімічні властивості.