Агрегатний стан речовини

Хімія - наука про речовини та їх перетворення. Насправді маються на увазі лише хімічні перетворення. Людина може спостерігати у звичайному житті та інші перетворення речовин: кипить вода в чайнику, з носика чайника виривається струмінь пари, ми "бачимо" водяну пару, тому що частина її, конденсуючись у холоднішому повітрі, створює туман, який знову випаровується. Майже кожна людина спостерігала, як із наближенням зими в калюжах то замерзає вода, то тане лід. Усі ці перетворення називаються агрегатними перетвореннями. На малюнку представлена ​​спрощена діаграма стану води у досить великому інтервалі температур та тисків.

const

Лінії OA, OB та вісь р виділяють ту область на діаграмі стану води, де існує лід. Лінії OA, OC і вісь t виділяють сферу існування водяної пари - лід і рідка вода можуть випаровуватися і при кімнатній температурі. У метеозведення часто повідомляють про величину відносної вологості повітря. Деякі речовини на повітрі піддаються гідролізу, тому що в повітрі завжди міститься водяна пара. Лінії OB та OC обмежують область існування води у вигляді рідини. Лінія OB відповідає тим температурам і тискам, за яких можуть одночасно співіснувати лід та вода. Лінія OC характеризує залежність температури кипіння від зовнішнього тиску. Лінія OA дозволяє описати сублімацію льоду. Точка O - потрійна точка (t = 0.00760 С, p = 4.7 мм.рт.ст.), в якій скільки завгодно довго в рівновазі можуть знаходитися лід, вода та водяна пара. Точка C – критична точка (t = 374o C, p = 218 атм). При температурах вище критичної водяної пари поводиться як газ, який ніяким підвищенням тиску не можна перевести в конденсований стан. Майже кожної речовини можна навести свою діаграму стану.

Газоподібний стан речовини

У газоподібному стані речовина характеризується величинами: p – тиском, t (або Т) – температурою, V – об'ємом, m – масою, M – молекулярною масою. Взаємозв'язок між цими величинами виражає рівняння Менделєєва-Клапейрона:

для одного молячи речовини : pV = RT ,

стан

для n молей речовини: pV = n RT, для маси m: pV = (m/M)RT.

Тут R - універсальна постійна газова, рівна 8.31441 Дж/(моль·K). Насправді спочатку встановлювалися приватні закони (Бойля-Маріотта, Гей-Люссака, Шарля, Об'єднаний газовий закон, Рівняння Клапейрона) і лише наприкінці з'явилося рівняння Менделєєва-Клапейрона. Але можна зробити навпаки і вивести із загального рівняння приватні закони.

Для цієї маси (m = const) цього газу (M = const) отримаємо Об'єднаний газовий закон:

pV/T = const або p1V1/T1 = p2V2/T2.

Якщо, крім того:

T = const, pv = const або p1V1 = p2V2 (Закон Бойля-Маріотта); p = const, то V/T = const або V1/T1 = V2/T2 (Закон Гей-Люссака); V = const, p/T = const або p1/T1 = p2/T2 (Закон Шарля).

При норамальних умовах (p = 1 атм. = 1.01325 · 105 Па та t = 0o C або T = 273.15 K) моль будь-якого газу займає об'єм 22.4 л.

При вирішенні хімічних завдань іноді не вдається використовувати рівняння Менделєєва-Клапейрона (якщо в умовах завдання немає необхідних даних), а доводиться застосовувати приватні закони.

У моделі ідеального газу (саме у цьому випадку справедливі газові закони) передбачається, що власний обсяг молекул мізерно малий порівняно з об'ємом, що займає газ, і що між молекулами газу не діють сили взаємного тяжіння (тому ідеальний газ ні за яких умов не може перетворитися у рідину). У реальних газахміжмолекулярна взаємодія додатково стискає газ (до зовнішнього тиску p додається доданок a/V2). Крім того, всі реальні речовини в рідкому і твердому стані мають певний об'єм і під дією зовнішнього тиску дуже мало стискаються. Тож можна оцінити власний обсяг моля молекул - позначимо його b. Рівняння Менделєєва-Клапейрона (pV = RT) для моля реального газу переходить до рівняння Ван-дер-Ваальса:

Рідкий стан

У рідкому стані молекули дуже близько розташовані одна до одної і тому досить великі сили міжмолекулярної взаємодії. Разом з тим тепловий рух молекул призводить до їхнього хаотичного руху і цим рідина нагадує газ. Якщо між молекулами рідини можуть утворюватися водневі зв'язки, то поряд з мономерними молекулами рідини можу з'явитися димерні, тримерні і т.д. Величину міжмолекулярної взаємодії в рідкому стані можна оцінити за тією енергією (теплотою випаровування), яку потрібно витратити, щоб 1 моль рідини перевести в пару. За температурою кипіння та величиною мольної теплоти випаровування можна судити і про величину водневих зв'язків, якщо для молекул даної речовини вони можливі.

Твердий стан

Розрізняють аморфний та кристалічний стан твердої речовини. Прикладом аморфних речовин є скло, смола, багато полімерів. Більшість речовин у твердому стані мають строго впорядковану структуру та їх молекули утворюють у просторі правильні кристалічні грати.