4 агрегатні стани речовини у фізиці. Властивості речовин у різних агрегатних станах. Порівняльна характеристика аморфних та кристалічних речовин
Агрегатні стани. Рідини. Фази у термодинаміці. Фазові переходи.
Лекція 1.16
Усі речовини можуть існувати у трьох агрегатних станах - твердому, рідкомуі газоподібному. Переходи між ними супроводжуються стрибкоподібною зміною низки фізичних властивостей (щільності, теплопровідності та ін.).
Агрегатний стан залежить від фізичних умов, у яких міститься речовина. Існування у речовини кількох агрегатних станів обумовлено відмінностями в тепловому русі його молекул (атомів) та їх взаємодії за різних умов.
Газ- агрегатний стан речовини, у якому частки не пов'язані чи дуже слабко пов'язані силами взаємодії; кінетична енергія теплового руху його частинок (молекул, атомів) значно перевершує потенційну енергію взаємодій між ними, тому частинки рухаються майже вільно, повністю заповнюючи посудину, в якій знаходяться, і набувають його форми. У газоподібному стані речовина не має власного обсягу, ні власної форми. Будь-яку речовину можна перевести в газоподібну, змінюючи тиск та температуру.
Рідина- агрегатний стан речовини, проміжний між твердим і газоподібним. Для неї характерна велика рухливість частинок та мале вільне простір між ними. Це призводить до того, що рідини зберігають свій об'єм і набувають форми судини. У рідини молекули розміщуються дуже близько одна до одної. Тому щільність рідини набагато більша за щільність газів (при нормальному тиску). Властивості рідини в усіх напрямках однакові (ізотропні) крім рідких кристалів. При нагріванні чи зменшенні щільності властивості рідини, теплопровідність, в'язкість змінюються, зазвичай, у бік зближення з властивостями газів.
Тепловий рух молекул рідини складається з поєднання колективних коливальних рухів і що відбуваються іноді стрибків молекул з одних положень рівноваги до інших.
Тверді (кристалічні) тіла- агрегатний стан речовини, що характеризується стабільністю форми та характером теплового руху атомів. Цей рух є коливаннями атомів (або іонів), з яких складається тверде тіло. Амплітуда коливань зазвичай мала порівняно з міжатомними відстанями.
Властивості рідин.
Молекули речовини в рідкому стані розташовані майже впритул один до одного. На відміну від твердих кристалічних тіл, в яких молекули утворюють упорядковані структури у всьому обсязі кристала і можуть здійснювати теплові коливання біля фіксованих центрів, молекули рідини мають більшу свободу. Кожна молекула рідини, так само як і в твердому тілі, «затиснута» з усіх боків сусідніми молекулами і здійснює теплові коливання близько певного положення рівноваги. Однак, іноді будь-яка молекула може переміститися в сусіднє вакантне місце. Такі перескоки у рідинах відбуваються досить часто; тому молекули не прив'язані до певних центрів, як у кристалах, і можуть переміщатися по всьому об'єму рідини. Цим пояснюється плинність рідин. Через сильну взаємодію між близько розташованими молекулами вони можуть утворювати локальні (нестійкі) упорядковані групи, що містять кілька молекул. Це явище називається ближнім порядком.
Внаслідок щільної упаковки молекул стисливість рідин, тобто зміна об'єму при зміні тиску, дуже мала; вона у десятки та сотні тисяч разів менша, ніж у газах. Наприклад, зміни обсягу води на 1 % потрібно збільшити тиск приблизно 200 раз. Таке збільшення тиску в порівнянні з атмосферним досягається на глибині близько 2 км.
Рідини, як і тверді тіла, змінюють об'єм при зміні температури. Для невеликих інтервалів температур відносна зміна об'єму Δ V / V 0 пропорційно до зміни температури Δ T:
| |
Коефіцієнт β називають температурним коефіцієнтом об'ємного розширення. Цей коефіцієнт у рідин у десятки разів більший, ніж у твердих тіл. У води, наприклад, при температурі 20 °С ? 6 До -1.
Теплове розширення води має цікаву та важливу для життя на Землі аномалію. За температури нижче 4 °С вода розширюється при зниженні температури (β< 0). Максимум плотности ρ в = 10 3 кг/м 3 вода имеет при температуре 4 °С.
При замерзанні вода розширюється, тому лід залишається плавати на поверхні замерзаючої водойми. Температура води, що замерзає, під льодом дорівнює 0 °С. У щільніших шарах води біля дна водоймища температура виявляється близько 4 °С. Завдяки цьому життя може існувати у воді замерзаючих водойм.
Найцікавішою особливістю рідин є наявність вільної поверхні. Рідина, на відміну від газів, не заповнює весь обсяг посудини, в яку вона налита. Між рідиною та газом (або парою) утворюється межа розділу, яка знаходиться в особливих умовах у порівнянні з рештою маси рідини. Молекули у прикордонному шарі рідини, на відміну молекул у її глибині, оточені іншими молекулами тієї ж рідини не з усіх боків. Сили міжмолекулярної взаємодії, що діють одну з молекул всередині рідини з боку сусідніх молекул, в середньому взаємно компенсовані. Будь-яка молекула в прикордонному шарі притягується молекулами, що знаходяться всередині рідини (силами, що діють на цю молекулу рідини з боку молекул газу (або пари) можна знехтувати). Внаслідок цього з'являється деяка рівнодіюча сила, спрямована вглиб рідини. Поверхневі молекули силами міжмолекулярного тяжіння втягуються усередину рідини. Але всі молекули, у тому числі молекули прикордонного шару, повинні бути в стані рівноваги. Ця рівновага досягається за рахунок деякого зменшення відстані між молекулами поверхневого шару та їх найближчими сусідами усередині рідини. При зменшенні відстані між молекулами з'являються сили відштовхування. Якщо середня відстань між молекулами всередині рідини дорівнює r 0 , то молекули поверхневого шару упаковані трохи щільніше, а тому вони мають додатковий запас потенційної енергії в порівнянні з внутрішніми молекулами. Слід мати на увазі, що внаслідок вкрай низької стисливості наявність більш щільно упакованого поверхневого шару не призводить до помітної зміни обсягу рідини. Якщо молекула переміститься з поверхні всередину рідини, сили міжмолекулярної взаємодії зроблять позитивну роботу. Навпаки, щоб витягнути деяку кількість молекул із глибини рідини на поверхню (тобто збільшити площу поверхні рідини), зовнішні силиповинні здійснити позитивну роботу Aзовніш, пропорційну зміні Δ Sплощі поверхні:
| Aзовніш = σΔ S. |
Коефіцієнт називається коефіцієнтом поверхневого натягу (σ > 0). Таким чином, коефіцієнт поверхневого натягу дорівнює роботі, необхідної збільшення площі поверхні рідини при постійній температурі на одиницю.
У СІ коефіцієнт поверхневого натягу вимірюється в джоулях на метрквадратний (Дж/м 2 ) або ньютонах на метр (1 Н/м = 1 Дж/м 2).
Отже, молекули поверхневого шару рідини мають надмірну порівняно з молекулами всередині рідини потенційною енергією. Потенціальна енергія Eр поверхні рідини пропорційна її площі: 
(1.16.1)
З механіки відомо, що рівноважним станам системи відповідає мінімальне значення потенційної енергії. Звідси випливає, що вільна поверхня рідини прагне скоротити свою площу. З цієї причини вільна крапля рідини набуває кулястої форми. Рідина веде себе так, ніби по дотичній до її поверхні діють сили, що скорочують (стягують) цю поверхню. Ці сили називаються силами поверхневого натягу.
Наявність сил поверхневого натягу робить поверхню рідини схожою на пружну розтягнуту плівку, з тією різницею, що пружні сили в плівці залежать від площі її поверхні (тобто від того, як плівка деформована), а сили поверхневого натягу не залежать від площі поверхні рідини.
Сили поверхневого натягу прагнуть скоротити поверхню плівки. Тому можна записати: (1.16.2)
Таким чином, коефіцієнт поверхневого натягу σ може бути визначений як модуль сили поверхневого натягу, що діє наодинці довжини лінії, що обмежує поверхню ( l- Довжина цієї лінії).
Через дії сил поверхневого натягу в краплях рідини та всередині мильних бульбашок виникає надлишковий тиск Δ p. Якщо подумки розрізати сферичну краплю радіусу Rна дві половинки, кожна з них повинна знаходитися в рівновазі під дією сил поверхневого натягу, прикладених до межі розрізу довжиною 2π Rі сил надлишкового тиску, що діють на площу R 2 перерізи (рис.1.16.1). Умова рівноваги записується як
Поблизу межі між рідиною, твердим тілом та газом форма вільної поверхні рідини залежить від сил взаємодії молекул рідини з молекулами твердого тіла (взаємодія з молекулами газу (або пари) можна знехтувати). Якщо ці сили більші за сили взаємодії між молекулами самої рідини, то рідина змочуєПоверхня твердого тіла. В цьому випадку рідина підходить до поверхні твердого тіла під деяким гострим кутом θ, характерним для цієї пари рідина – тверде тіло. Кут θ називається крайовим кутом. Якщо сили взаємодії між молекулами рідини перевершують сили їхньої взаємодії з молекулами твердого тіла, то крайовий кут θ виявляється тупим (рис.1.16.2(2)). У цьому випадку кажуть, що рідина не змочуєПоверхня твердого тіла. В іншому випадку (кут - гострий) рідина змочуєповерхню (рис.1.16.2 (1)). При повному змочуванніθ = 0, при повному незмочуванніθ = 180 °.
Капілярними явищаминазивають підйом чи опускання рідини в трубках малого діаметра – капілярах. Змочують рідини піднімаються по капілярах, незмочують - опускаються.
На рис.1.16.3 зображено капілярну трубку деякого радіусу r, опущена нижнім кінцем у змочуючу рідину щільності ρ. Верхній кінець капіляра відкрито. Підйом рідини в капілярі триває доти, доки сила тяжіння, що діє на стовп рідини в капілярі, не стане рівною за модулем, що результує. Fн сил поверхневого натягу, що діють уздовж межі зіткнення рідини з поверхнею капіляра: Fт = Fн, де Fт = mg = ρ hπ r 2 g, Fн = σ2π r cos θ.
Звідси випливає: 
При повному змочуванні θ = 0, cos θ = 1. У цьому випадку
При повному незмочуванні θ = 180 ° cos θ = -1 і, отже, h < 0. Уровень несмачивающей жидкости в капилляре опускается ниже уровня жидкости в сосуде, в которую опущен капилляр.
Вода майже повністю змочує чисту поверхню скла. Навпаки, ртуть не змочує скляну поверхню. Тому рівень ртуті у скляному капілярі опускається нижче за рівень у посудині.
Найбільш поширене знання про три агрегатні стани: рідкий, твердий, газоподібний, іноді згадують про плазмовий, рідше рідкокристалічний. Останнім часом в інтернеті поширився перелік 17 фаз речовини, взятий із відомої Стівена Фрая. Тому розповімо про них докладніше, т.к. про матерію слід знати трохи більше хоча б для того, щоб краще розуміти процеси, що відбуваються у Всесвіті.
Наведений нижче список агрегатних станів речовини зростає від найхолодніших станів до гарячих і т.ч. може бути продовжено. Одночасно слід розуміти, що від газоподібного стану (№11), самого «розтисненого», в обидва боки списку ступінь стиснення речовини та її тиск (з деякими застереженнями для таких невивчених гіпотетичних станів, як квантовий, променевий або слабосиметричний) зростають. наведено наочний графік фазових переходів матерії.
1. Квантове- Агрегатний стан речовини, що досягається при зниженні температури до абсолютного нуля, внаслідок чого зникають внутрішні зв'язки та матерія розсипається на вільні кварки.
2. Конденсат Бозе-Ейнштейна- агрегатний стан матерії, основу якої складають бозони, охолоджені до температур, близьких до абсолютного нуля (менше мільйонної частки градуса вище за абсолютного нуля). У такому сильно охолодженому стані досить велика кількість атомів виявляється у своїх мінімально можливих квантових станах, і квантові ефекти починають проявлятися на макроскопічному рівні. Конденсат Бозе-Ейнштейна (який часто називають «бозе-конденсат», або просто «бек») виникає, коли ви охолоджуєте той чи інший хімічний елемент до надзвичайно низьких температур (як правило, до температури трохи вище за абсолютний нуль, мінус 273 градуси за Цельсієм) , - Теоретична температура, при якій все перестає рухатися).
Ось тут із речовиною починають відбуватися зовсім дивні речі. Процеси, які зазвичай спостерігаються лише на рівні атомів, тепер протікають у масштабах, досить великих для спостереження неозброєним оком. Наприклад, якщо помістити «бек» в лабораторну склянку і забезпечити потрібний температурний режим, речовина почне повзти вгору по стінці і, зрештою, сама вибереться назовні.
Зважаючи на все, тут ми маємо справу з марною спробою речовини знизити власну енергію (яка і так знаходиться на найнижчому з усіх можливих рівнів).
Уповільнення атомів з використанням охолоджувальної апаратури дозволяє отримати сингулярний квантовий стан, відомий як конденсат Бозе, або Бозе Ейнштейна. Це явище було передбачено в 1925 році А. Ейнштейном, як результат узагальнення роботи Ш. Бозе, де будувалася статистична механіка для частинок, починаючи від безмасових фотоно до володіють масою атомів (рукопис Ейнштейна, яка вважалася втраченою, була виявлена в бібліотеці Лейден0 ). Результатом зусиль Бозе та Ейнштейна стала концепція Бозе газу, що підпорядковується статистиці Бозе - Ейнштейна, яка описує статистичний розподіл тотожних частинок з цілим спином, які називають бозонами. Бозони, якими є, наприклад, окремі елементарні частинки — фотони, і цілі атоми, можуть бути один з одним у однакових квантових станах. Ейнштейн припустив, що охолодження атомів бозонів до дуже низьких температур змусить їх перейти (або, по-іншому, сконденсуватися) в найнижчий можливий квантовий стан. Результатом такої конденсації стане поява нової форми речовини.
Цей перехід виникає нижче критичної температури, яка для однорідного тривимірного газу, що складається з частинок, що невзаємодіють, без будь-яких внутрішніх ступенів свободи.
3. Ферміонний конденсат- Агрегатний стан речовини, схоже з беком, але відрізняється за будовою. При наближенні до абсолютного нуля атоми поводяться по-різному залежно від величини свого моменту кількості руху (спина). У бозонів спини мають цілі значення, а у ферміонів - кратні 1/2 (1/2, 3/2, 5/2). Ферміони підпорядковуються принципу заборони Паулі, згідно з яким два ферміони не можуть мати один і той же квантовий стан. Для бозонів такої заборони немає, і тому вони мають можливість існувати в одному квантовому стані і утворювати тим самим так званий конденсат Бозе-Ейнштейна. Процес утворення цього конденсату відповідає за перехід у надпровідний стан.
Електрони мають спін 1/2 і, отже, відносяться до ферміонів. Вони поєднуються в пари (так звані пари Купера), які потім утворюють Бозе-конденсат.
Американські вчені спробували отримати свого роду молекули з атомів-ферміонів при глибокому охолодженні. Відмінність від справжніх молекул полягала в тому, що між атомами не було хімічного зв'язку- просто вони рухалися разом, корельованим чином. Зв'язок між атомами виявився навіть міцнішим, ніж між електронами в куперівських парах. У освічених пар ферміонів сумарний спин уже не кратен 1/2, отже, вони вже поводяться як бозони і можуть утворювати бозе-конденсат з єдиним квантовим станом. У ході експерименту охолоджували газ з атомів калію-40 до 300 нанокельвінів, при цьому газ полягав у так званій оптичній пастці. Потім наклали зовнішнє магнітне поле, за допомогою якого вдалося змінити природу взаємодій між атомами – замість сильного відштовхування стало спостерігатися сильне тяжіння. При аналізі впливу магнітного поля вдалося знайти таке його значення, у якому атоми стали поводитися, як куперовские пари електронів. На наступному етапі експерименту вчені мають на увазі отримати ефекти надпровідності для ферміонного конденсату.
4. Надплинна речовина- стан, при якому у речовини фактично відсутня в'язкість, а при перебігу він не відчуває тертя з твердою поверхнею. Наслідком цього є, наприклад, такий цікавий ефект, як повне мимовільне «виповзання» надплинного гелію з судини на його стінки проти сили тяжіння. Порушення закону збереження енергії тут, звісно ж, немає. За відсутності сил тертя на гелій діють лише сили тяжіння, сили міжатомної взаємодії між гелієм та стінками судини та між атомами гелію. Так ось, сили міжатомної взаємодії перевищують решту всіх сил разом узятих. В результаті гелій прагне розтечитися якнайсильніше по всіх можливих поверхнях, тому і «подорожує» по стінках судини. У 1938 році радянський учений Петро Капіца довів, що гелій може існувати у надплинному стані.
Варто відзначити, що багато незвичайних властивостей гелію відомі вже досить давно. Однак і останніми роками цей хімічний елемент «балує» нас цікавими та несподіваними ефектами. Так, у 2004 році Мозес Чань та Еун-Сьонг Кім з Університету Пенсільванії заінтригували науковий світ заявою про те, що їм вдалося отримати абсолютно новий стан гелію – надплинну тверду речовину. У цьому стані одні атоми гелію в кристалічній решітці можуть обтікати інші, і таким чином гелій може текти сам через себе. Ефект «надтвердості» теоретично було передбачено ще 1969 року. І ось 2004 року — начебто й експериментальне підтвердження. Проте пізніші і дуже цікаві експерименти показали, що все так просто, і, можливо, така інтерпретація явища, яке до цього бралося за надплинність твердого гелію, неправильна.
Експеримент вчених під керівництвом Хемфрі Маріса з Університету Брауна в США був простим і витонченим. Вчені поміщали перегорнуту вгору дном пробірку в замкнутий резервуар з рідким гелієм. Частину гелію в пробірці та в резервуарі вони заморожували таким чином, щоб межа між рідким і твердим усередині пробірки була вищою, ніж у резервуарі. Іншими словами, у верхній частині пробірки був рідкий гелій, у нижній — твердий, він плавно переходив у тверду фазу резервуара, над якою було налито трохи рідкого гелію — нижче рівня рідини в пробірці. Якби рідкий гелій став просочуватися через твердий, то різниця рівнів зменшилася б, і тоді можна говорити про тверду надплинну гелію. І в принципі, у трьох із 13 експериментів різниця рівнів справді зменшувалася.
5. Надтверда речовина- Агрегатний стан при якому матерія прозора і може "текти", як рідина, але фактично вона позбавлена в'язкості. Такі рідини відомі багато років, їх називають суперфлюїдами. Справа в тому, що якщо суперрідина розмішати, вона циркулюватиме мало не вічно, тоді як нормальна рідина в кінцевому рахунку заспокоїться. Перші два суперфлюїди були створені дослідниками з використанням гелію-4 та гелію-3. Вони були охолоджені майже до абсолютного нуля — мінус 273 градусів Цельсія. А з гелію-4 американським вченим вдалося отримати надтверде тіло. Заморожений гелій вони стиснули тиском більш ніж у 60 разів, а потім заповнений речовиною склянку встановили на диск, що обертається. За температури 0,175 градусів Цельсія диск раптово почав обертатися вільніше, що, на думку вчених, свідчить про те, що гелій став супертілом.
6. Тверде- Агрегатний стан речовини, що відрізняється стабільністю форми і характером теплового руху атомів, які здійснюють малі коливання навколо положень рівноваги. Стійким станом твердих тіл є кристалічний. Розрізняють тверді тіла з іонною, ковалентною, металевою та ін. типами зв'язку між атомами, що зумовлює різноманітність їх фізичних властивостей. Електричні та деякі інші властивості твердих тіл в основному визначаються характером руху зовнішніх електронів його атомів. За електричними властивостями тверді тіла діляться на діелектрики, напівпровідники та метали, за магнітними - на діамагнетики, парамагнетики та тіла з упорядкованою магнітною структурою. Дослідження властивостей твердих тіл об'єдналися у велику галузь - фізику твердого тіла, розвиток якої стимулюється потребами техніки.
7. Аморфне тверде- Конденсований агрегатний стан речовини, що характеризується ізотропією фізичних властивостей, обумовленої невпорядкованим розташуванням атомів і молекул. В аморфних твердих тілах атоми коливаються у хаотично розташованих точок. На відміну від кристалічного стану перехід з твердого аморфного рідке відбувається поступово. У аморфному стані перебувають різні речовини: скла, смоли, пластмаси тощо.
8. Рідкокристалічний- Це специфічний агрегатний стан речовини, в якому воно виявляє одночасно властивості кристала і рідини. Відразу треба зазначити, що далеко не всі речовини можуть перебувати в рідкокристалічному стані. Однак, деякі органічні речовини, що володіють складними молекулами, можуть утворювати специфічний агрегатний стан - рідкокристалічний. Цей стан здійснюється при плавленні кристалів деяких речовин. При їх плавленні утворюється рідкокристалічна фаза, що відрізняється від звичайних рідин. Ця фаза існує в інтервалі від температури плавлення кристала до деякої вищої температури, при нагріванні до якої рідкий кристал перетворюється на звичайну рідину.
Чим же рідкий кристал відрізняється від рідини та звичайного кристала і чим схожий на них? Подібно до звичайної рідини, рідкий кристал має плинність і набуває форми судини, в яку він поміщений. Цим він відрізняється від відомих усім кристалів. Однак, незважаючи на цю властивість, що об'єднує його з рідкістю, він має властивість, характерну для кристалів. Це - впорядкування у просторі молекул, що утворюють кристал. Правда, це впорядкування не таке повне, як у звичайних кристалах, але, тим не менш, воно істотно впливає на властивості рідких кристалів, чим і відрізняє їх від звичайних рідин. Неповне просторове впорядкування молекул, що утворюють рідкий кристал, проявляється в тому, що в рідких кристалах немає повного порядку в просторовому розташуванні центрів тяжкості молекул, хоча частковий порядок може бути. Це означає, що у них немає жорсткої кристалічної решітки. Тому рідкі кристали, подібно до звичайних рідин, мають властивість плинності.
Обов'язковою властивістюрідких кристалів, що зближує їх зі звичайними кристалами, є наявність порядку просторової орієнтації молекул. Такий порядок в орієнтації може виявлятися, наприклад, у тому, що всі довгі осі молекул в рідкокристалічному зразку орієнтовані однаково. Ці молекули повинні мати витягнутою формою. Крім найпростішого названого впорядкування осей молекул, в рідкому кристалі може здійснюватися складніший орієнтаційний порядок молекул.
Залежно від виду впорядкування осей молекул рідкі кристали поділяються на три різновиди: нематичні, смектичні та холестеричні.
Дослідження з фізики рідких кристалів та їх застосуванням в даний час ведуться широким фронтом у всіх найбільш розвинених країнах світу. Вітчизняні дослідження зосереджені як в академічних, так і галузевих науково-дослідних установах і мають давні традиції. Широку популярність і визнання здобули виконані ще в тридцяті роки в Ленінграді роботи В.К. Фредерікса до В.М. Цвіткова. В останні роки бурхливого вивчення рідких кристалів вітчизняні дослідники також роблять вагомий внесок у розвиток вчення про рідкі кристали в цілому і, зокрема, про оптику рідких кристалів. Так, роботи І.Г. Чистякова, А.П. Капустіна, С.А. Бразовського, С.А. Пікіна, Л.М. Блінова та багатьох інших радянських дослідників широко відомі наукової громадськості і є фундаментом низки ефективних технічних додатків рідких кристалів.
Існування рідких кристалів було встановлено дуже давно, саме у 1888 року, тобто майже століття тому. Хоча вчені і до 1888 року стикалися з цим станом речовини, але офіційно його відкрили пізніше.
Першим, хто виявив рідкі кристали, був австрійський вчений-ботанік Рейнітцер. Досліджуючи нову синтезовану ним речовину холестерилбензоат, він виявив, що при температурі 145 ° С кристали цієї речовини плавляться, утворюючи каламутну сильно розсіює світло рідина. При продовженні нагріву після досягнення температури 179°С рідина просвітлюється, т. е. починає поводитися в оптичному відношенні, як звичайна рідина, наприклад вода. Несподівані властивості холестерілбензоат виявляв у каламутній фазі. Розглядаючи цю фазу під поляризаційним мікроскопом, Рей-нітцер виявив, що вона має двозаломлення. Це означає, що показник заломлення світла, тобто швидкість світла в цій фазі, залежить від поляризації.
9. Рідке- Агрегатний стан речовини, що поєднує в собі риси твердого стану (збереження обсягу, певна міцність на розрив) і газоподібного (мінливість форми). Для рідини характерні ближній порядок у розташуванні частинок (молекул, атомів) та мала відмінність у кінетичній енергії теплового руху молекул та їх потенційної енергії взаємодії. Тепловий рух молекул рідини складається з коливань близько положень рівноваги та порівняно рідкісних перескоків з одного рівноважного положення до іншого, з цим пов'язана плинність рідини.
10. Надкритичний флюїд(СКФ) - агрегатний стан речовини, при якому зникає різницю між рідкою та газовою фазою. Будь-яка речовина, що знаходиться при температурі та тиску вище критичної точки, є надкритичним флюїдом. Властивості речовини у надкритичному стані проміжні між його властивостями у газовій та рідкій фазі. Так, СКФ має високу щільність, близьку до рідини, і низьку в'язкість, як і гази. Коефіцієнт дифузії при цьому має проміжне між рідиною та газом значення. Речовини у надкритичному стані можуть застосовуватися як замінники органічних розчинників у лабораторних та промислових процесах. Найбільший інтерес та поширення у зв'язку з певними властивостями отримали надкритична вода та надкритичний діоксид вуглецю.
Одна з найважливіших властивостей надкритичного стану - це здатність до розчинення речовин. Змінюючи температуру або тиск флюїду, можна змінювати його властивості в широкому діапазоні. Так, можна отримати флюїд, за властивостями близький або рідини, або газу. Так, розчинна здатність флюїду збільшується зі збільшенням густини (при постійній температурі). Оскільки щільність зростає при збільшенні тиску, змінюючи тиск можна впливати на розчинну здатність флюїду (при постійній температурі). У випадку з температурою заздрість властивостей флюїду дещо складніша - при постійній щільності розчинна здатність флюїду також зростає, проте поблизу критичної точки незначне збільшення температури може призвести до різкого падіння щільності, і, відповідно, розчиняючої здатності. Надкритичні флюїди необмежено змішуються один з одним, тому при досягненні критичної точки суміші система завжди буде однофазною. Приблизна критична температура бінарної суміші може бути розрахована як середня арифмітична від критичних параметрів речовин Tc(mix) = (мольна частка A) x TcA + (мольна частка B) x TcB.
11. Газоподібне- (франц. gaz, від грец. chaos - хаос), агрегатний стан речовини, в якому кінетична енергія теплового руху його частинок (молекул, атомів, іонів) значно перевершує потенційну енергію взаємодій між ними, у зв'язку з чим частки рухаються вільно, рівномірно заповнюючи відсутність зовнішніх полів весь наданий їм обсяг.
12. Плазма- (Від грец. Plasma - виліплений, оформлений), стан речовини, що являє собою іонізований газ, в якому концентрації позитивних і негативних зарядів рівні (квазінейтральність). У стані плазми знаходиться переважна частина речовини Всесвіту: зірки, галактичні туманності та міжзоряне середовище. Біля Землі плазма існує у вигляді сонячного вітру, магнітосфери та іоносфери. Високотемпературна плазма (Т ~ 106 - 108К) із суміші дейтерію та тритію досліджується з метою здійснення керованого термоядерного синтезу. Низькотемпературна плазма (Т ? .
13. Вироджена речовина- є проміжною стадією між плазмою та нейтроніумом. Воно спостерігається у білих карликах, відіграє важливу роль в еволюції зірок. Коли атоми перебувають у умовах надзвичайно високих температур і тисків, вони втрачають електрони (вони перетворюються на електронний газ). Іншими словами, вони повністю іонізовані (плазма). Тиск такого газу (плазми) визначається тиском електронів. Якщо щільність дуже висока, всі частки змушені наближатися один до одного. Електрони можуть бути в станах з певними енергіями, причому два електрони не можуть мати однакову енергію (якщо тільки їх спини не протилежні). Таким чином, у щільному газі усі нижні рівні енергії виявляються заповненими електронами. Такий газ називається виродженим. У цьому стані електрони виявляють вироджений електронний тиск, який протидіє силам гравітації.
14. Нейтроніум- агрегатний стан, в який речовина переходить при надвисокому тиску, недосяжному поки що в лабораторії, але існуючому всередині нейтронних зірок. При переході в нейтронний стан електрони речовини взаємодіють із протонами і перетворюються на нейтрони. В результаті речовина в нейтронному стані повністю складається з нейтронів і має щільність ядерного порядку. Температура речовини при цьому не повинна бути надто високою (в енергетичному еквіваленті не більше сотні МеВ).
При сильному підвищенні температури (сотні МеВ і вище) у нейтронному стані починають народжуватися та анігілювати різноманітні мезони. При подальшому підвищенні температури відбувається деконфайнмент, і речовина перетворюється на стан кварк-глюонної плазми. Воно складається вже не з адронів, а з кварків і глюонів, що постійно народжуються і зникають.
15. Кварк-глюонна плазма(хромоплазма) - агрегатний стан речовини у фізиці високих енергій та фізиці елементарних частинок, при якому адронна речовина переходить у стан, аналогічний стану, в якому знаходяться електрони та іони у звичайній плазмі.
Зазвичай речовина в адронах знаходиться в так званому безбарвному стані. Тобто кварки різних кольорів компенсують один одного. Аналогічний стан є і у звичайної речовини — коли всі атоми є електрично нейтральними, тобто,
позитивні заряди у яких компенсовані негативними. При високих температурах може відбуватися іонізація атомів, у своїй заряди поділяються, і речовина стає, як кажуть, «квазінейтральним». Тобто, нейтральною залишається вся хмара речовини в цілому, а окремі її частки нейтральними перестають. Так само, мабуть, може відбуватися і з адронною речовиною — при дуже високих енергіях, колір виходить на волю і робить речовину «квазібезбарвною».
Імовірно, речовина Всесвіту перебувала у стані кварк-глюонної плазми у перші миті після Великого Вибуху. Зараз кварк-глюонна плазма може на короткий час утворюватися при зіткненнях часток дуже високих енергій.
Кварк-глюонну плазму було отримано експериментально на прискорювачі RHIC Брукхейвенської національної лабораторії у 2005 році. Максимальна температура плазми 4 трильйони градусів Цельсія була отримана там же в лютому 2010 року.
16. Дивна речовина- Агрегатний стан, при якому матерія стискається до граничних значень щільності, воно може існувати у вигляді "кваркового супу". Кубічний сантиметр речовини у цьому стані важитиме мільярди тонн; до того ж він буде перетворювати будь-яку нормальну речовину, з якою стикається, на ту ж "дивну" форму з викидом значної кількості енергії.
Енергія, яка може виділитися при перетворенні речовини ядра зірки на "дивну речовину", призведе до надпотужного вибуху "кваркової нової", - і, на думку Ліхи та Уйєда, саме його астрономи у вересні 2006 року і спостерігали.
Процес утворення цієї речовини почався із звичайною надновою, до якої звернулася масивна зірка. Внаслідок першого вибуху утворилася нейтронна зірка. Але, на думку Лихи і Уйеда, проіснувала вона дуже недовго, - у міру того, як її обертання здавалося загальмувалося її власним магнітним полем, вона почала стискатися ще сильніше, з утворенням згустку "дивної речовини", що призвело до ще більш потужного, ніж при звичайному вибуху наднової, викиду енергії і зовнішніх шарів речовини колишньої нейтронної зірки, що розліталися в навколишній простір зі швидкістю, близькою до швидкості світла.
17. Сильно симетрична речовина— це речовина, стиснута настільки, коли мікрочастинки всередині нього нашаровуються друг на друга, а саме тіло колапсує в чорну дірку. Термін «симетрія» пояснюється наступним: Візьмемо відомі всім зі шкільної лави агрегатні стани речовини – тверді, рідкі, газоподібні. Для певності як тверду речовину розглянемо ідеальний нескінченний кристал. У ньому існує певна, так звана дискретна симетрія щодо перенесення. Це означає, що якщо зрушити кристалічну решітку на відстань, рівну інтервалу між двома атомами, в ній нічого не зміниться - кристал збігається сам з собою. Якщо ж кристал розплавити, то симетрія рідини, що вийшла з нього, буде іншою: вона зросте. У кристалі рівноцінними були лише точки, віддалені друг від друга певні відстані, звані вузли кристалічної решітки, у яких знаходилися однакові атоми.
Рідина однорідна по всьому обсягу, всі її точки не відрізняються одна від одної. Це означає, що рідини можна зміщуватися на будь-які довільні відстані (а не тільки на якісь дискретні, як у кристалі) або повертатися на будь-які довільні кути (чого в кристалах робити не можна взагалі) і вона співпадатиме сама з собою. Ступінь її симетрії вищий. Газ ще більш симетричний: рідина займає певний обсяг у посудині та спостерігається асиметрія всередині судини, де рідина є, та точки, де її немає. Газ же займає весь наданий йому обсяг, і в цьому сенсі всі її точки не відрізняються одна від одної. Все ж тут було б правильніше говорити не про точки, а про малі, але макроскопічні елементи, тому що на мікроскопічному рівні відмінності все-таки є. В одних точках зараз є атоми або молекули, а в інших немає. Симетрія спостерігається тільки в середньому, або за деякими макроскопічними параметрами об'єму, або за часом.
Але миттєвої симетрії на мікроскопічному рівні тут, як і раніше, ще немає. Якщо ж речовину стискати дуже сильно, до тисків які в побуті неприпустимі, стискати так, що атоми були роздавлені, їх оболонки проникли один в одного, а ядра почали стикатися, виникає симетрія і на мікроскопічному рівні. Всі ядра однакові і притиснуті один до одного, немає не тільки міжатомних, а й міжядерних відстаней і речовина стає однорідною (дивна речовина).
Але є ще субмікроскопічний рівень. Ядра складаються з протонів та нейтронів, які рухаються всередині ядра. Між ними також є якийсь простір. Якщо продовжувати стискати так, що будуть розчавлені ядра, нуклони щільно притиснуться один до одного. Тоді і на субмікроскопічному рівні з'явиться симетрія, якої немає навіть усередині звичайних ядер.
Зі сказаного можна побачити цілком певну тенденцію: що вище температура і більше тиск, то більш симетричним стає речовина. Виходячи з цих міркувань стисло до максимуму речовина називається сильно симетричним.
18. Слабо симетрична речовина— стан, протилежний сильно симетричній речовині за своїми властивостями, що був у дуже ранньому Всесвіті при температурі близькому до планківського, можливо, через 10-12 секунд після Великого Вибуху, коли сильні, слабкі та електромагнітні сили являли собою єдину суперсилу. У цьому стані речовина стиснута настільки, що його маса переходить в енергію, яка починає інфлуювати, тобто необмежено розширюватися. Досягти енергій для експериментального отримання суперсили та переведення речовини в цю фазу в земних умовах поки що неможливо, хоча такі спроби робилися на Великому Адронному Колайдері з метою вивчення раннього всесвіту. Зважаючи на відсутність у складі суперсили, що утворює цю речовину, гравітаційної взаємодії, суперсила є мало симетричною в порівнянні з суперсиметричною силою, що містить всі 4 види взаємодій. Тому цей агрегатний стан і отримав таку назву.
19. Променева речовина— це, насправді, вже зовсім не речовина, а в чистому вигляді енергія. Однак саме цей гіпотетичний агрегатний стан прийме тіло, що досягло швидкості світла. Також його можна отримати, розігрівши тіло до планківської температури (1032К), тобто розігнавши молекули речовини до швидкості світла. Як випливає з теорії відносності, при досягненні швидкості більше 0,99 с, маса тіла починає рости набагато швидше, ніж при "звичайному" прискоренні, крім того, тіло подовжується, розігрівається, тобто починає випромінювати в інфрачервоному спектрі. При перетині порога 0,999, тіло кардинально видозмінюється і починає стрімкий фазовий перехід аж до променевого стану. Як випливає з формули Ейнштейна, взятої в повному вигляді, маса підсумкової речовини складається з мас, що відокремлюються від тіла у вигляді теплового, рентгенівського, оптичного та інших випромінювань, енергія кожного з яких описується наступним членом у формулі. Таким чином, тіло, що наблизилося до швидкості світла, почне випромінювати у всіх спектрах, рости в довжину і сповільнюватися в часі, потоншаючи до планківської довжини, тобто після досягнення швидкості с, тіло перетвориться на нескінченно довгий і тонкий промінь, що рухається зі швидкістю світла і складається з фотонів, які мають довжини, яке нескінченна маса повністю перейде в енергію. Тому така речовина і називається променевою.
Агрегатний стан речовини
Речовина- реально існуюча сукупність частинок, пов'язаних між собою хімічними зв'язками і які знаходяться за певних умов в одному з агрегатних станів. Будь-яка речовина складається з сукупності дуже великої кількості частинок: атомів, молекул, іонів, які можуть об'єднуватися між собою в асоціати, які називають також агрегатами або кластерами. Залежно від температури та поведінки частинок в асоціатах (взаємне розташування частинок, їх число та взаємодія в асоціаті, а також розподіл асоціатів у просторі та їх взаємодії між собою) речовина може перебувати у двох основних агрегатних станах – кристалічному (твердому) або газоподібному,та в перехідних агрегатних станах – аморфному (твердому), рідкокристалічному, рідкому та пароподібному.Твердий, рідкокристалічний та рідкий агрегатні стани є конденсованими, а пароподібний та газоподібний – сильно розрядженими.
Фаза– це сукупність однорідних мікрообластей, що характеризуються однаковою впорядкованістю та концентрацією частинок та ув'язнених у макроскопічному обсязі речовини, обмеженому поверхнею розділу. У цьому розумінні фаза характерна лише речовин, що у кристалічному і газоподібному станах, т.к. це однорідні агрегатні стани.
Метафаза– це сукупність різнорідних мікрообластей, що відрізняються одна від одної ступенем упорядкованості частинок або їх концентрацією та укладені в макроскопічному обсязі речовини, обмеженому поверхнею розділу. У такому розумінні метафаза характерна лише для речовин, що перебувають у неоднорідних перехідних агрегатних станах. Різні фази та метафази можуть змішуватися між один з одним, утворюючи один агрегатний стан, і тоді між ними немає поверхні розділу.
Зазвичай не поділяють поняття «основний» та «перехідний» агрегатні стани. Поняття «агрегатний стан», «фаза» та «мезофаза» часто використовують як синоніми. Доцільно розглядати стану речовин п'ять можливих агрегатних станів: тверде, рідкокристалічне, рідке, пароподібне, газоподібне.Перехід однієї фази в іншу фазу називають фазовим переходом першого та другого роду. Фазові переходи першого роду характеризуються:
Стрибкоподібною зміною фізичних велич, що описують стан речовини (обсяг, щільність, в'язкість тощо);
Певною температурою, за якої відбувається даний фазовий перехід
Певною теплотою, що характеризує цей перехід, т.к. рвуться міжмолекулярні зв'язки.
Фазові переходи першого роду спостерігаються під час переходу з одного агрегатного стану до іншого агрегатного стану. Фазові переходи другого роду спостерігаються при зміні впорядкованості частинок у межах одного агрегатного стану, що характеризуються:
Поступова зміна фізичних властивостей речовини;
Зміна впорядкованості частинок речовини під дією градієнта зовнішніх полів або за певної температури, званої температурою фазового переходу;
Теплота фазових переходів другого роду дорівнює та близька до нуля.
Головна відмінність фазових переходів першого та другого роду полягає в тому, що при переходах першого роду насамперед змінюється енергія частинок системи, а у разі переходів другого роду – упорядкованість частинок системи.
Перехід речовини з твердого стану в рідке називається плавленнямта характеризується температурою плавлення. Перехід речовини з рідкого в пароподібний стан називається випаровуваннямта характеризується температурою кипіння. Для деяких речовин з невеликою молекулярною масою та слабкою міжмолекулярною взаємодією можливий безпосередній перехід із твердого стану в пароподібний, минаючи рідкий. Такий перехід називається сублімацією.Всі перелічені процеси можуть протікати і у зворотному напрямку: тоді їх називають замерзанням, конденсацією, десублімацією.
Речовини, що не розкладаються при плавленні та кипінні, можуть залежати від температури і тиску у всіх чотирьох агрегатних станах.
Твердий стан
При досить низькій температурі практично всі речовини знаходяться у твердому стані. У цьому стані відстань між частинками речовини можна порівняти з розмірами самих частинок, що забезпечує їх сильну взаємодію та значне перевищення у них потенційної енергії над кінетичною енергією. . Це призводить до внутрішньої впорядкованості розташування частинок. Тому для твердих тіл характерна власна форма, механічна міцність, постійний обсяг (вони практично стисливі). Залежно від ступеня впорядкованості частинок тверді речовини поділяються на кристалічні та аморфні.
Кристалічні речовини характеризуються наявністю порядку розташування всіх частинок. Тверда фаза кристалічних речовин складається з частинок, які утворюють однорідну структуру, що характеризується строгою повторюваністю однієї і тієї ж елементарної комірки у всіх напрямках. Елементарна осередок кристала характеризує тривимірну періодичність розташування частинок, тобто. його кристалічну решітку. Кристалічні грати класифікуються залежно від типу частинок, що становлять кристал, і зажадав від природи сил тяжіння з-поміж них.
Багато кристалічних речовин залежно від умов (температура, тиск) можуть мати різну кристалічну структуру. Це явище називається поліморфізм.Загальновідомі поліморфні модифікації вуглецю: графіт, фулерен, алмаз, карбін.
Аморфні (безформні) речовини.Цей стан притаманний полімерів. Довгі молекули легко згинаються і переплітаються з іншими молекулами, що призводить до нерегулярності розташування частинок.
Відмінність аморфних частинок від кристалічних:
ізотропія – однаковість фізичних і хімічних властивостей тіла чи середовища у всіх напрямах, тобто. незалежність властивостей від спрямування;
відсутність фіксованої температури плавлення.
Аморфну структуру мають скло, плавлений кварц, багато полімерів. Аморфні речовини менш стійкі, ніж кристалічні, і тому будь-яке аморфне тіло з часом може перейти в енергетично стійкіший стан – кристалічний.
Рідкий стан
При підвищенні температури енергія теплових коливань частинок зростає, і для кожної речовини є температура, з якої енергія теплових коливань перевищує енергію зв'язків. Частинки можуть здійснювати різні рухи, зміщуючи один одного. Вони ще залишаються у контакті, хоча правильна геометрична структура частинок порушується – речовина існує у рідкому стані. Внаслідок рухливості частинок для рідкого стану характерні броунівський рух, дифузія та летючість частинок. Важливою властивістю рідини є в'язкість, що характеризує міжасоціатні сили, що перешкоджають вільному перебігу рідини.
Рідини займають проміжне положення між газоподібним та твердим станом речовин. Більше впорядкова структура, ніж газ, але менш ніж тверда речовина.
Паро - і газоподібний стан
Паро-газоподібний стан зазвичай не розрізняють.
Газ - це сильно розряджена однорідна система, що з окремих молекул, далеко віддалених друг від друга, яку можна як єдину динамічну фазу.
Пар - це сильно розряджена неоднорідна система, що є сумішшю молекул і нестійких невеликих асоціатів, що складаються з цих молекул.
Молекулярно-кінетична теорія пояснює властивості ідеального газу, спираючись на такі положення: молекули здійснюють безперервний безладний рух; об'єм молекул газу зневажливо малий у порівнянні з міжмолекулярними відстанями; між молекулами газу не діють сили тяжіння чи відштовхування; середня кінетична енергія молекул газу пропорційна його абсолютній температурі. Внаслідок незначності сил міжмолекулярної взаємодії та наявності великого вільного обсягу для газів характерні: висока швидкість теплового руху та молекулярної дифузії, прагнення молекул зайняти якомога більший обсяг, а також велика стисливість.
Ізольована газофазна система характеризується чотирма параметрами: тиском, температурою, об'ємом, кількістю речовини. Зв'язок між цими параметрами описується рівнянням стану ідеального газу:
R = 8,31 кДж/моль – універсальна газова стала.
У цьому розділі ми розглянемо агрегатні стани, В яких перебуває навколишня нас матерія і сили взаємодії між частинками речовини, властиві кожному з агрегатних станів.
1. Стан твердого тіла,
2. Рідкий стані
3. Газоподібний стан.
Часто виділяють четвертий агрегатний стан. плазму.
Іноді, стан плазми вважають одним із видів газоподібного стану.
Плазма - частково або повністю іонізований газ, Найчастіше існуючий при високих температурах.
Плазмає найпоширенішим станом речовини у всесвіті, оскільки матерія зірок перебуває саме в цьому стані.
Для кожного агрегатного станухарактерні особливості у характері взаємодії між частинками речовини, що впливає на його фізичні та хімічні властивості.
Кожна речовина може перебувати у різних агрегатних станах. При досить низьких температурах всі речовини знаходяться в твердому стані. Але в міру нагрівання вони стають рідинами, потім газами. При подальшому нагріванні вони іонізуються (атоми втрачають частину своїх електронів) і переходять у стан плазми.
Газ
Газоподібний стан(від нідерл. gas, перегукується з др.-греч. Χάος ) характеризується дуже слабкими зв'язками між складовими його частинками.
Утворюючі газ молекули або атоми хаотично рухаються і при цьому переважну частину часу знаходяться на великих (порівняно з їх розмірами) відстанях один від одного. Внаслідок цього сили взаємодії між частинками газу незначно малі.
Основною особливістю газує те, що він заповнює весь доступний простір, не утворюючи поверхні. Гази завжди поєднуються. Газ - ізотропна речовина, тобто його властивості не залежать від спрямування.
За відсутності сил тяжіння тиску всіх точках газу однаково. У полі сил тяжіння щільність і тиск не однакові у кожній точці, зменшуючись із висотою. Відповідно, у полі сил тяжіння суміш газів стає неоднорідною. Важкі газимають тенденцію осідати нижче, а більше легені- підніматися нагору.
Газ має високу стисливість- зі збільшенням тиску зростає його щільність. У разі підвищення температури розширюються.
При стисканні газ може перейти у рідину, Але конденсація відбувається не за будь-якої температури, а при температурі, нижче критичної температури. Критична температура є характеристикою конкретного газу та залежить від сил взаємодії між його молекулами. Так, наприклад, газ гелійможна зріджувати тільки при температурі, нижче від 4,2 К.
Існують гази, які при охолодженні переходять у тверде тіло, минаючи рідку фазу. Перетворення рідини на газ називається випаром, а безпосереднє перетворення твердого тіла на газ - сублімацією.
Тверде тіло
Стан твердого тілау порівнянні з іншими агрегатними станами характеризується стабільністю форми.
Розрізняють кристалічніі аморфні тверді тіла.
Кристалічний стан речовини
Стабільність форми твердих тіл пов'язана з тим, що більшість, що перебувають у твердому стані кристалічна будова.
І тут відстані між частинками речовини малі, а сили взаємодії з-поміж них великі, як і визначає стабільність форми .
У кристалічній будові багатьох твердих тіл легко переконатися, розколовши шматок речовини та розглянувши отриманий злам. Зазвичай на зламі (наприклад, у цукру, сірки, металів тощо) добре помітні розташовані під різними кутами дрібні грані кристалів, що поблискують внаслідок різного відбиття ними світла.
У тих випадках, коли кристали дуже малі, кристалічну будову речовини можна встановити мікроскопом.
Форми кристалів
Кожна речовина утворює кристалицілком певної форми.
Різноманітність кристалічних форм може бути зведена до семи груп:
1. Триклінна(паралелепіпед),
2.Моноклінна(призму з паралелограмом на підставі),
3. Ромбічна(прямокутний паралелепіпед),
4. Тетрагональна(прямокутний паралелепіпед з квадратом у підставі),
5. Тригональна,
6. Гексагональна(призму з основою правильного центрованого
шестикутника),
7. Кубічна(Куб).
Багато речовин, зокрема залізо, мідь, алмаз, хлорид натрію кристалізуються в кубічній системі. Найпростішими формами цієї системи є куб, октаедр, тетраедр.
Магній, цинк, лід, кварц кристалізуються в гексагональної системи. Основні форми цієї системи – шестигранні призми та біпіраміда.
Природні кристали, і навіть кристали, одержувані штучним шляхом, рідко точно відповідають теоретичним формам. Зазвичай при затвердінні розплавленої речовини кристали зростаються разом і тому форма кожного з них не є цілком правильною.
Проте як би нерівномірно не відбувалося розвиток кристала, хоч би якою була спотворена його форма, кути, під якими сходяться грані кристала в однієї й тієї ж речовини залишаються постійними.
Анізотропія
Особливості кристалічних тіл не обмежуються лише формою кристалів. Хоча речовина в кристалі абсолютно однорідно, багато хто з його фізичних властивостей – міцність, теплопровідність, ставлення до світла та ін – не завжди однакові за різними напрямками всередині кристала. Ця важлива особливість кристалічних речовин називається анізотропією.
Внутрішня будова кристалів. Кристалічні ґрати.
Зовнішня форма кристала відбиває його внутрішню будову та зумовлена правильним розташуванням частинок, що становлять кристал, - молекул, атомів чи іонів.
Це розташування можна у вигляді кристалічних ґрат- Просторового каркаса, утвореного прямими лініями, що перетинаються. У точках перетину ліній – вузлах ґрат- лежать центри частинок.
Залежно від природи частинок, що у вузлах кристалічної решітки, і зажадав від того, які сили взаємодії з-поміж них переважають у цьому кристалі, розрізняють такі види кристалічних ґрат:
1. молекулярні,
2. атомні,
3. іонніі
4. металеві.
Молекулярні та атомні ґрати притаманні речовинам з ковалентним зв'язком, іонні – іонним сполукам, металеві – металам та їх сплавам.
У вузлах атомних ґрат знаходяться атоми. Вони пов'язані один з одним ковалентним зв'язком.
Речовин, які мають атомні ґрати, порівняно мало. До них належать алмаз, кремнійта деякі неорганічні сполуки.
Ці речовини характеризуються високою твердістю, вони тугоплавки і нерозчинні практично у яких розчинниках. Такі їхні властивості пояснюються міцністю ковалентного зв'язку.
У вузлах молекулярних ґрат знаходяться молекули. Вони пов'язані один з одним міжмолекулярними силами.
Речовин з молекулярними гратами дуже багато. До них належать неметали, за винятком вуглецю та кремнію, все органічні сполукиз неіонним зв'язком та багато неорганічних сполук.
Сили міжмолекулярної взаємодії значно слабші від сил ковалентного зв'язку, тому молекулярні кристали мають невелику твердість, легкоплавки та летючі.
У вузлах іонних ґрат розташовуються, чергуючись позитивно і негативно заряджені іони. Вони пов'язані один з одним силами електростатичного тяжіння.
До з'єднань з іонним зв'язком, що утворює іонні ґрати, відноситься більшість солей та невелика кількість оксидів.
За міцністю іонні ґратипоступаються атомним, але перевищують молекулярні.
Іонні сполуки мають порівняно високі температури плавлення. Леткість їх здебільшого не велика.
У вузлах металевих ґрат знаходяться атоми металу, між якими вільно рухаються загальні для цих атомів електрони .
Наявністю вільних електронів у кристалічних ґратах металів можна пояснити їх багато властивостей: пластичність, ковкість, металевий блиск, високу електро- та теплопровідність
Існують речовини, у кристалах яких значну роль грають два роду взаємодії між частинками. Так, у графіті атоми вуглецю пов'язані один з одним в одних напрямках ковалентним зв'язком, а в інших – металевою. Тому ґрати графіту можна розглядати і як атомну, і як металеву.
У багатьох неорганічних сполуках, наприклад, BeO, ZnS, CuCl, зв'язок між частинками, що знаходяться у вузлах ґрат, є частково іонної, а частково ковалентної. Тому ґрати подібних з'єднань можна розглядати як проміжні між іоннимиі атомними.
Аморфний стан речовини
Властивості аморфних речовин
Серед твердих тіл зустрічаються такі, у зламі яких не можна виявити жодних ознак кристалів. Наприклад, якщо розколоти шматок звичайного скла, його злам виявиться гладким і, на відміну від зламів кристалів, обмежений не плоскими, а овальними поверхнями.
Подібна картина спостерігається при розколюванні шматків смоли, клею та деяких інших речовин. Такий стан речовини називається аморфним.
Різниця між кристалічнимиі аморфнимитілами особливо різко проявляється у їхньому відношенні до нагрівання.
У той час як кристали кожної речовини плавляться при строго певній температурі і при тій же температурі відбувається перехід з рідкого стану в твердий, аморфні тіла не мають постійної температури плавлення. При нагріванні аморфне тіло поступово розм'якшується, починає розтікатися і стає зовсім рідким. При охолодженні воно також поступово твердне.
У зв'язку з відсутністю певної температури плавлення аморфні тіла мають іншу здатність: багато з них подібно до рідин текучи, тобто. при тривалому дії порівняно невеликих сил поступово змінюють свою форму. Наприклад, шматок смоли, покладений на плоску поверхню, у теплому приміщенні на кілька тижнів розтікається, набуваючи форми диска.
Будова аморфних речовин
Різниця між кристалічним та аморфнимстаном речовини полягає в наступному.
Упорядковане розташування частинок у кристалі, що відбивається елементарним осередком, зберігається великих ділянках кристалів, а разі добре освічених кристалів – у всьому їх обсязі.
В аморфних тілахупорядкованість у розташуванні частинок спостерігається тільки на дуже малих ділянках. Крім того, у ряді аморфних тіл навіть ця місцева впорядкованість має лише приблизний характер.
Цю різницю можна коротко сформулювати так:
- структура кристалів характеризується далеким порядком,
- структура аморфних тіл – ближнім.
Приклади аморфних речовин.
До стабільно-аморфних речовин належать скло(штучні та вулканічні), природні та штучні смоли, клеї, парафін, віскта ін.
Перехід з аморфного стану кристалічний.
Деякі речовини можуть бути як в кристалічному, так і в аморфному стані. Діоксид кремнію SiO 2зустрічається у природі у вигляді добре освічених кристалів кварцу, а також в аморфному стані ( мінерал кремінь).
При цьому кристалічний стан завжди більш стійкий. Тому мимовільний перехід із кристалічної речовини в аморфне неможливий, а зворотне перетворення – мимовільний перехід з аморфного стану на кристалічний – можливо і іноді спостерігається.
Прикладом такого перетворення є розсклювання- мимовільна кристалізація скла при підвищених температурах, що супроводжується його руйнуванням.
Аморфний станбагатьох речовин виходить за високої швидкості затвердіння (остигання) рідкого розплаву.
У металів та сплавів аморфний станформується, як правило, якщо розплав охолоджується за час порядку часток-десятків мілісекунд. Для стекол досить набагато меншу швидкість охолодження.
Кварц (SiO 2) також має низьку швидкість кристалізації. Тому відлиті із нього вироби виходять аморфними. Однак природний кварц, що мав сотні і тисячі років для кристалізації при остиганні земної кори або глибинних шарів вулканів, має великокристалічна будова, на відміну від вулканічного скла, застиглого на поверхні і тому аморфного.
Рідини
Рідина – проміжний стан між твердим тілом та газом.
Рідкий станє проміжним між газоподібним та кристалічним. За одними властивостями рідини близькі до газам, за іншими – до твердим тілам.
З газами рідини зближує, перш за все, їх ізотропністьі плинність. Остання зумовлює здатність рідини легко змінювати форму.
Проте висока щільністьі мала стисливістьрідин наближає їх до твердим тілам.
Здатність рідин легко змінювати свою форму говорить про відсутність у них жорстких сил міжмолекулярної взаємодії.
У той же час низька стисливість рідин, що обумовлює здатність зберігати постійний при даній температурі обсяг, вказує на присутність хоч і не жорстких, але все ж таки значних сил взаємодії між частинками.
Співвідношення потенційної та кінетичної енергії.
Для кожного агрегатного стану характерне своє співвідношення між потенційною та кінетичною енергіями частинок речовини.
У твердих тіл середня потенційна енергія частинок більша за їх середню кінетичну енергію.Тому в твердих тілах частинки займають певні положення один щодо одного і лише коливаються щодо цих положень.
Для газів співвідношення енергій зворотне, внаслідок чого молекули газів завжди перебувають у стані хаотичного руху та сили зчеплення між молекулами практично відсутні, тому газ завжди займає весь наданий йому обсяг.
У разі рідин кінетична та потенційна енергія частинок приблизно однакові, тобто. частинки пов'язані одна з одною, але не жорстко. Тому рідини текучі, але мають постійний при цій температурі обсяг.
Стуктури рідин та аморфних тіл схожі.
Внаслідок застосування до рідин методів структурного аналізу встановлено, що за структурою рідини подібні до аморфних тіл. У більшості рідин спостерігається ближній порядок- Число найближчих сусідів у кожної молекули та їх взаємне розташування приблизно однакові у всьому обсязі рідини.
Ступінь упорядкованості частинок у різних рідин різна. Крім того, вона змінюється за зміни температури.
При низьких температурах, що трохи перевищують температуру плавлення даної речовини, ступінь упорядкованості розташування частинок даної рідини велика.
Зі зростанням температури вона падає і у міру нагрівання властивості рідини дедалі більше наближаються до властивостей газу. При досягненні критичної температури різниця між рідиною та газом зникає.
Внаслідок подібності у внутрішній структурі рідин та аморфних тіл останні часто розглядаються як рідини з дуже високою в'язкістю, а до твердих тіл відносять лише речовини у кристалічному стані.
Уподібнюючи аморфні тіларідинам, слід, проте, пам'ятати, що у аморфних тілах на відміну звичайних рідин частки мають незначну рухливість – таку ж як і кристалах.
Агрегатні стани речовини(від латинського aggrego – приєдную, зв'язую) – це стани однієї й тієї ж речовини, переходам між якими відповідають стрибкоподібні зміни вільної енергії, щільності та інших фізичних параметрів речовини.
Газ (французьке gaz, що походить від грецького chaos - хаос)- це агрегатний стан речовини, У якому сили взаємодії його частинок, що заповнюють весь наданий ним обсяг, зневажливо малі. У газах міжмолекулярні відстані великі та молекули рухаються практично вільно.
Гази можна розглядати як значно перегріті або малонасичені пари. Над поверхнею кожної рідини внаслідок знаходиться пара. При підвищенні тиску пари до певної межі, що називається тиском насиченої пари, випаровування рідини припиняється, так як рідини стає однаковим. Зменшення обсягу насиченої пари викликає частини пари, а не підвищення тиску. Тому тиск пари не може бути вищим. Стан насичення характеризується масою насичення, що міститься в 1м масою насиченої пари, яка залежить від температури. Насичений парможе стати ненасиченим, якщо збільшувати його обсяг чи підвищувати температуру. Якщо температура пари набагато вища за точку , що відповідає даному тиску, пара називається перегрітою.
Плазмою називається частково чи повністю іонізований газ, у якому щільності позитивних та негативних зарядів практично однакові. Сонце, зірки, хмари міжзоряної речовини складаються з газів – нейтральних або іонізованих (плазми). На відміну від інших агрегатних станів плазма є газом заряджених частинок (іонів, електронів), які електрично взаємодіють один з одним на великих відстанях, але не мають ні ближніх, ні далеких порядків у розташуванні частинок.
Рідина- це агрегатний стан речовини, проміжний між твердим і газоподібним. Рідинам притаманні деякі риси твердої речовини (зберігає свій об'єм, утворює поверхню, має певну міцність на розрив) і газу (набуває форми судини, в якій знаходиться). Тепловий рух молекул (атомів) рідини є поєднанням малих коливань біля положень рівноваги і частих перескоків з одного положення рівноваги в інше. Одночасно відбуваються повільні переміщення молекул та їх коливання всередині малих обсягів, часті перескоки молекул порушують далекий порядок розташування частинок і зумовлюють плинність рідин, а малі коливання біля положень рівноваги обумовлюють існування у рідинах ближнього порядку.Рідини і тверді речовини, на відміну газів, можна як високо конденсовані середовища. Вони молекули (атоми) розташовані значно ближче друг до друга і сили взаємодії кілька порядків більше, ніж у газах. Тому рідини та тверді речовини мають суттєво обмежені можливостідля розширення, свідомо що неспроможні зайняти довільний обсяг, а при постійних зберігають свій обсяг, у якому обсязі їх розміщували. Переходи з більш упорядкованого структурою агрегатного стану менш упорядковане можуть відбуватися і безперервно. У зв'язку з цим замість поняття агрегатного стану доцільно скористатися ширшим поняттям - поняттям фази.
Фазоюназивається сукупність всіх частин системи, що мають однаковий хімічним складомта тих, хто перебуває в однаковому стані. Це виправдано одночасним існуванням термодинамічно рівноважних фаз у багатофазній системі: рідини зі своєю насиченою парою; води та льоду при температурі плавлення; двох рідин, що не змішуються (суміш води з триетиламіном), що відрізняються концентраціями; існуванням аморфних твердих речовин, які зберігають структуру рідини (аморфний стан).
Аморфний твердий стан речовиниє різновидом переохолодженого стану рідини і відрізняється від звичайних рідин істотно більшою в'язкістю і чисельними значеннямикінетичних показників.
Кристалічний твердий стан речовини- Це агрегатний стан, що характеризується великими силами взаємодії між частинками речовини (атомами, молекулами, іонами). Частинки твердих тіл здійснюють коливання близько середніх рівноважних положень, званих вузлами кристалічних ґрат; структура цих речовин характеризується високим ступенем упорядкованості (далеким та ближнім порядком) - упорядкованістю в розташуванні (координаційний порядок), в орієнтації (орієнтаційний порядок) структурних частинок, або впорядкованістю фізичних властивостей (наприклад, в орієнтації магнітних моментів або електричних дипольних моментів). Область існування нормальної рідкої фази для чистих рідин, рідких та рідких кристалів обмежена з боку низьких температур фазовими переходамивідповідно в твердий (кристалізацією), надплинний і рідко-анізотропний стан.
