§ 3. Агрегатные состояния веществ

НОРМАЛЬНЫЕ УСЛОВИЯ (Н. У.) И ОТНОСИТЕЛЬНОСТЬ СОСТОЯНИЙ

• Относительность агрегатного состояния: В обиходе принято говорить «вода — это жидкость», а «кислород — это газ». Однако в химии и физике агрегатное состояние вещества не является его неизменным свойством: оно зависит от внешних условий — температуры и давления. При изменении этих параметров любое вещество способно переходить из одного агрегатного состояния в другое.
• Нормальные условия (н. у.): Чтобы точно сравнивать физические величины и свойства веществ (плотность, объём газов), международным сообществом химиков (IUPAC) приняты строгие стандарты:
  • Температура: $0\ ^\circ\text{C}$ (273,15 K);
  • Давление: 101 325 Па (760 мм рт. ст., или $1\ \text{атм}$).
• Превращения кислорода как наглядный пример:
  • При нормальных условиях кислород ($O_2$) — невидимый бесцветный газ без запаха, слаборастворимый в воде;
  • При глубоком охлаждении до $-183\ ^\circ\text{C}$ он сжижается и превращается в прозрачную подвижную жидкость красивого голубого цвета;
  • При дальнейшем охлаждении до $-219\ ^\circ\text{C}$ жидкий кислород замерзает, превращаясь в кристаллы синего цвета, которые обладают удивительным свойством — они втягиваются в магнитное поле (обладают парамагнетизмом).

СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА ГАЗООБРАЗНОГО СОСТОЯНИЯ

• Микромир газов: Расстояния между молекулами газа во много раз превышают размеры самих молекул. На таких расстояниях силы взаимного притяжения между частицами ничтожно малы, поэтому молекулы хаотически носятся по всему доступному пространству со скоростями в сотни метров в секунду, сталкиваясь друг с другом и со стенками сосуда.
• Физические свойства газов:
  • Форма и объём: газы не сохраняют ни собственной формы, ни собственного объёма — они полностью заполняют весь объём сосуда, в котором находятся;
  • Сжимаемость: газы легко сжимаются. Если поршнем уменьшить объём газа в цилиндре, расстояние между молекулами уменьшается, а число соударений частиц о стенки сосуда возрастает — давление газа увеличивается;
  • Тепловое расширение: при нагревании газа кинетическая энергия частиц растёт, они начинают сильнее отталкиваться друг от друга. При постоянном давлении нагревание всегда ведёт к значительному увеличению объёма газа (лабораторный опыт: если опустить газоотводную трубку из колбы в стакан с водой и просто согреть колбу ладонями, из трубки немедленно начинают выходить пузырьки расширяющегося воздуха).

ЖИДКОЕ СОСТОЯНИЕ: СВОЙСТВА И ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ

• Микромир жидкости: Частицы жидкости упакованы достаточно плотно, поэтому силы межмолекулярного притяжения не позволяют им свободно разлетаться на большие расстояния. Однако молекулы сохраняют свободу перескакивать с места на место, меняясь соседями.
• Физические свойства жидкостей:
  • Сохранение объёма и текучесть: жидкости сохраняют свой объём, но не держат постоянную форму, легко принимая форму того сосуда, в который они налиты;
  • Практическая несжимаемость: из-за плотной упаковки молекул жидкости практически невозможно сжать механическим давлением (это свойство используется в гидравлических тормозах и прессах);
  • Форма шара и поверхностное натяжение: силы притяжения стремятся втянуть поверхностные молекулы внутрь жидкости, сокращая площадь её поверхности до минимума. В условиях невесомости, при свободном падении или в виде микрокапель (роса на паутине) жидкость самопроизвольно принимает форму идеального шара.
• Переходы жидкости:
  • Испарение: процесс перехода поверхностных молекул с наибольшей скоростью в газообразную фазу при любой температуре (интенсивность растёт с нагревом);
  • Кипение: бурное парообразование по всему объёму жидкости, происходящее при строго определённой температуре кипения (tкип чистой воды $100\ ^\circ\text{C}$, легкокипящего ацетона $56\ ^\circ\text{C}$, уксусной кислоты $118\ ^\circ\text{C}$);
  • Кристаллизация (затвердевание): при охлаждении движение частиц замедляется, и они выстраиваются в строгий геометрический порядок кристаллической решётки (чистая вода превращается в лёд при $0\ ^\circ\text{C}$).

ТВЁРДОЕ СОСТОЯНИЕ: ПЛАВЛЕНИЕ, СУБЛИМАЦИЯ И ДЕСУБЛИМАЦИЯ

• Микромир твёрдого тела: Частицы твёрдого вещества (поваренная соль, сера, железо, сахар) прочно связаны между собой силами межатомного или межмолекулярного взаимодействия. Они не перемещаются по объёму, а лишь совершают малые тепловые колебания около фиксированных узлов кристаллической решётки.
• Свойства твёрдых тел: сохраняют как постоянный объём, так и устойчивую геометрическую форму.
• Плавление: процесс разрушения кристаллической решётки при нагревании до фиксированной температуры плавления с переходом в жидкое состояние.
• Сублимация (возгонка):
  • Прямой переход вещества из твёрдого агрегатного состояния сразу в газообразное, минуя жидкую фазу;
  • Возгонка кристаллического иода: при лёгком нагревании тёмно-серые кристаллы иода мгновенно превращаются в густой фиолетовый пар без образования жидкости;
  • Возгонка льда в природе и быту: мокрое бельё замерзает на морозе, но спустя время становится сухим — ледяная корка постепенно испаряется в воздух в виде пара, минуя стадию таяния.
• Десублимация:
  • Обратный процесс: прямое превращение газа в твёрдое вещество, минуя жидкое состояние;
  • Образование инея: водяной пар, находящийся в морозном воздухе, при резком соприкосновении с холодными ветвями деревьев и проводами мгновенно кристаллизуется в кружевные ледяные кристаллы инея.

ВЗАИМОСВЯЗЬ АГРЕГАТНЫХ СОСТОЯНИЙ И ФИЗИЧЕСКИЙ ХАРАКТЕР ПРЕВРАЩЕНИЙ

• Единый круговорот фазовых переходов:
  • Твёрдое тело → Жидкость: плавление;
  • Жидкость → Твёрдое тело: кристаллизация;
  • Жидкость → Газ: испарение;
  • Газ → Жидкость: конденсация;
  • Твёрдое тело → Газ: сублимация (возгонка);
  • Газ → Твёрдое тело: десублимация.
• Физическая сущность явлений: Все взаимные фазовые переходы являются физическими явлениями. Ни молекулы воды ($H_2O$), ни молекулы кислорода ($O_2$), ни молекулы иода ($I_2$) при нагревании или охлаждении не разрушаются и не превращаются в другие вещества — меняются лишь расстояния между ними, запас энергии и характер теплового движения.