Solidele amorfe sunt un subset destul de interesant al binecunoscutei stări solide. Într-un obiect solid normal, moleculele sunt bine organizate și nu au mult spațiu de mișcare. Acest lucru conferă solidului o vâscozitate ridicată, care este o măsură a rezistenței la curgere. Lichidele, pe de altă parte, au o structură moleculară dezorganizată care le permite să curgă, să se răspândească, să își schimbe forma și să ia forma recipientului în care se află. Solidele amorfe sunt undeva între aceste două stări. În timpul procesului de vitrificare, lichidele se răcesc, iar vâscozitatea lor crește până în punctul în care substanța nu mai curge ca un lichid, dar moleculele sale rămân dezordonate și nu capătă o structură cristalină ca solidele normale.
Cel mai comun exemplu de solid amorf este sticla. De mii de ani, oamenii au făcut sticlă din dioxid de siliciu. Când sticlarii răcesc siliciul din starea sa lichidă, acesta nu se solidifică de fapt când scade sub punctul său de topire. Pe măsură ce temperatura scade, vâscozitatea crește și substanța pare mai dura. Cu toate acestea, moleculele sale rămân încă dezordonate. Și apoi sticla devine amorfă și tare în același timp. Acest proces de tranziție a permis artizanilor să creeze structuri de sticlă frumoase și suprareale.
Care este diferența funcțională dintre solidele amorfe și starea solidă normală? În viața de zi cu zi nu este deosebit de vizibil. Sticla pare complet solidă până când o studiezi la nivel molecular. Iar mitul că sticla se scurge în timp nu merită un ban. Cel mai adesea, acest mit este susținut de argumentul că sticla veche din biserici pare mai groasă în partea de jos, dar acest lucru se datorează imperfecțiunilor procesului de suflare a sticlei la momentul creării sticlei. Cu toate acestea, studierea solidelor amorfe precum sticla este interesantă din punct de vedere științific pentru studierea tranzițiilor de fază și a structurii moleculare.
Fluide supercritice (fluide)
Majoritatea tranzițiilor de fază au loc la o anumită temperatură și presiune. Este cunoscut faptul că creșterea temperaturii va transforma în cele din urmă un lichid într-un gaz. Cu toate acestea, atunci când presiunea crește odată cu temperatura, lichidul face un salt în domeniul fluidelor supercritice, care au proprietățile atât ale unui gaz, cât și ale unui lichid. De exemplu, fluidele supercritice pot trece prin solide ca un gaz, dar pot acționa și ca solvent ca un lichid. Interesant este că un fluid supercritic poate fi făcut mai mult ca un gaz sau mai mult ca un lichid, în funcție de combinația de presiune și temperatură. Acest lucru a permis oamenilor de știință să găsească multe aplicații pentru fluidele supercritice.
Deși fluidele supercritice nu sunt la fel de comune ca solidele amorfe, probabil că interacționați cu ele la fel de des ca și cu sticla. Dioxidul de carbon supercritic este iubit de companiile producătoare de bere pentru capacitatea sa de a acționa ca un solvent atunci când reacționează cu hameiul, iar companiile de cafea îl folosesc pentru a produce cea mai bună cafea decofeinizată. Fluidele supercritice au fost, de asemenea, folosite pentru a face hidroliza mai eficientă și pentru a permite centralelor electrice să funcționeze la temperaturi mai ridicate. În general, probabil că utilizați produse secundare de fluide supercritice în fiecare zi.
Gaz degenerat
În timp ce solidele amorfe se găsesc cel puțin pe planeta Pământ, materia degenerată se găsește doar în anumite tipuri de stele. Un gaz degenerat există atunci când presiunea externă a unei substanțe este determinată nu de temperatură, ca pe Pământ, ci de principii cuantice complexe, în special de principiul Pauli. Din această cauză, presiunea externă a substanței degenerate va fi menținută chiar dacă temperatura substanței scade la zero absolut. Sunt cunoscute două tipuri principale de materie degenerată: materie degenerată prin electroni și materie degenerată prin neutroni.
Materia degenerată electronic există în principal la piticele albe. Se formează în miezul unei stele atunci când masa de material din jurul nucleului încearcă să comprima electronii nucleului la o stare de energie mai scăzută. Cu toate acestea, conform principiului Pauli, două particule identice nu pot fi în aceeași stare de energie. Astfel, particulele „împing” materia în jurul nucleului, creând presiune. Acest lucru este posibil doar dacă masa stelei este mai mică de 1,44 mase solare. Când o stea depășește această limită (cunoscută sub numele de limită Chandrasekhar), pur și simplu se prăbușește într-o stea neutronică sau o gaură neagră.
Când o stea se prăbușește și devine o stea neutronică, nu mai are materie degenerată prin electroni, este făcută din materie degenerată prin neutroni. Deoarece o stea neutronică este grea, electronii fuzionează cu protonii din miezul ei pentru a forma neutroni. Neutronii liberi (neutronii nelegați în nucleul atomic) au un timp de înjumătățire de 10,3 minute. Dar în miezul unei stele neutronice, masa stelei permite neutronilor să existe în afara nucleelor, formând materie degenerată de neutroni.
Pot exista și alte forme exotice de materie degenerată, inclusiv materia ciudată, care poate exista sub forma stelară rară a stelelor cuarci. Stelele cuarci sunt o etapă între o stea neutronică și o gaură neagră, în care cuarcii din nucleu sunt decuplați și formează o supă de quarci liberi. Nu am observat încă acest tip de stele, dar fizicienii le recunosc existența.
Superfluiditatea
Să ne întoarcem pe Pământ pentru a discuta despre superfluide. Superfluiditatea este o stare a materiei care există în anumiți izotopi de heliu, rubidiu și litiu răcite până aproape de zero absolut. Această stare este similară cu un condensat Bose-Einstein (condens Bose-Einstein, BEC), cu câteva diferențe. Unele BEC sunt superfluide, iar unele superfluide sunt BEC, dar nu toate sunt identice.
Heliul lichid este cunoscut pentru superfluiditatea sa. Când heliul este răcit până la „punctul lambda” de -270 de grade Celsius, o parte din lichid devine superfluid. Dacă răcești majoritatea substanțelor până la un anumit punct, atracția dintre atomi depășește vibrațiile termice din substanță, permițându-le să formeze o structură solidă. Dar atomii de heliu interacționează unii cu alții atât de slab încât pot rămâne lichizi la o temperatură aproape de zero absolut. Se dovedește că la această temperatură caracteristicile atomilor individuali se suprapun, dând naștere la proprietăți ciudate de superfluiditate.
Superfluidele nu au vâscozitate internă. Superfluidele plasate într-o eprubetă încep să se strecoare pe părțile laterale ale eprubetei, sfidând aparent legile gravitației și tensiunii superficiale. Heliul lichid se scurge ușor, deoarece poate aluneca chiar și prin găuri microscopice. Superfluiditatea are și proprietăți termodinamice ciudate. În această stare, substanțele au entropie termodinamică zero și conductivitate termică infinită. Aceasta înseamnă că două superfluide nu pot fi distincte termic. Dacă adăugați căldură unei substanțe superfluide, aceasta o va conduce atât de repede încât se formează valuri de căldură care nu sunt caracteristice lichidelor obișnuite.
Condens Bose-Einstein
Condensul Bose-Einstein este probabil una dintre cele mai faimoase forme obscure de materie. În primul rând, trebuie să înțelegem ce sunt bosonii și fermionii. Un fermion este o particulă cu spin semiîntreg (cum ar fi un electron) sau o particulă compusă (precum un proton). Aceste particule se supun principiului de excludere Pauli, care permite existența materiei degenerate de electroni. Un boson, totuși, are spin întreg și mai mulți bosoni pot ocupa aceeași stare cuantică. Bosonii includ orice particule purtătoare de forță (cum ar fi fotonii), precum și unii atomi, inclusiv heliu-4 și alte gaze. Elementele din această categorie sunt cunoscute ca atomi bosonici.
Vorbind despre ultima stare a materiei de pe această listă, luați în considerare starea care a început totul: plasmă cuarc-gluon. În Universul timpuriu, starea materiei era semnificativ diferită de cea clasică. În primul rând, un mic fundal.
Quarcii sunt particule elementare pe care le găsim în interiorul hadronilor (cum ar fi protonii și neutronii). Hadronii constau fie din trei quarci, fie din un quarc și un antiquarc. Quarcii au sarcini fracționale și sunt ținuți împreună de gluoni, care sunt particule de schimb ale forței nucleare puternice.
Nu vedem quarci liberi în natură, dar imediat după Big Bang, quarcii și gluonii liberi au existat timp de o milisecundă. În acest timp, temperatura Universului a fost atât de ridicată încât quarcii și gluonii s-au mișcat aproape cu viteza luminii. În această perioadă, Universul a constat în întregime din această plasmă fierbinte de quarc-gluoni. După încă o fracțiune de secundă, Universul s-a răcit suficient pentru a se forma particule grele precum hadronii, iar quarcii au început să interacționeze între ei și gluonii. Din acel moment, a început formarea Universului pe care îl cunoaștem, iar hadronii au început să se lege de electroni, creând atomi primitivi.
Deja în Universul modern, oamenii de știință au încercat să recreeze plasmă de quarc-gluoni în acceleratoare mari de particule. În timpul acestor experimente, particulele grele, cum ar fi hadronii, s-au ciocnit între ele, creând o temperatură la care quarcii s-au separat pentru o perioadă scurtă de timp. În cursul acestor experimente, am învățat multe despre proprietățile plasmei cuarc-gluon, care era complet fără frecare și mai asemănătoare cu lichidul decât plasma obișnuită. Experimentele cu stări exotice ale materiei ne permit să învățăm multe despre cum și de ce s-a format Universul așa cum îl cunoaștem.
Pe baza materialelor de pe listverse.com
La întrebarea Exemple de substanțe lichide. dat de autor Nina Bulatova cel mai bun răspuns este H2O - apă, metal lichid - mercur! Starea lichidă este de obicei considerată intermediară între un solid și un gaz: un gaz nu păstrează nici volum, nici formă, dar un solid le păstrează pe ambele.
Forma corpurilor lichide poate fi determinată în întregime sau parțial de faptul că suprafața lor se comportă ca o membrană elastică. Deci, apa se poate acumula în picături. Dar un lichid este capabil să curgă chiar și sub suprafața sa staționară și asta înseamnă, de asemenea, că forma (părțile interne ale corpului lichid) nu este păstrată.
Moleculele lichide nu au o poziție definită, dar în același timp nu au libertate totală de mișcare. Există o atracție între ei, suficient de puternică încât să-i țină aproape.
O substanță în stare lichidă există într-un anumit interval de temperatură, sub care se transformă în stare solidă (se produce cristalizarea sau transformarea într-o stare amorfă în stare solidă - sticlă), deasupra căreia se transformă în stare gazoasă (se produce evaporarea). Limitele acestui interval depind de presiune.
De regulă, o substanță în stare lichidă are o singură modificare. (Cele mai importante excepții sunt lichidele cuantice și cristalele lichide.) Prin urmare, în majoritatea cazurilor, un lichid nu este doar o stare de agregare, ci și o fază termodinamică (fază lichidă).
Toate lichidele sunt de obicei împărțite în lichide pure și amestecuri. Unele amestecuri de lichide sunt de mare importanță pentru viață: sânge, apă de mare etc. Lichidele pot acționa ca solvenți.
[edita]
Proprietățile fizice ale lichidelor
Fluiditate
Principala proprietate a lichidelor este fluiditatea. Dacă se aplică o forță externă unei secțiuni a unui lichid care este în echilibru, atunci apare un flux de particule lichide în direcția în care se aplică această forță: lichidul curge. Astfel, sub influența forțelor externe dezechilibrate, lichidul nu își păstrează forma și dispunerea relativă a părților și, prin urmare, ia forma vasului în care se află.
Spre deosebire de solidele din plastic, un lichid nu are o limită de randament: este suficient să aplicați o forță externă arbitrar mică pentru ca lichidul să curgă.
Conservarea volumului
Una dintre proprietățile caracteristice ale unui lichid este că are un anumit volum (în condiții externe constante). Lichidele sunt extrem de greu de comprimat mecanic deoarece, spre deosebire de gaze, există foarte puțin spațiu liber între molecule. Presiunea exercitată asupra unui lichid închis într-un vas se transmite fără modificare în fiecare punct al volumului acestui lichid (legea lui Pascal este valabilă și pentru gaze). Această caracteristică, împreună cu compresibilitatea foarte scăzută, este utilizată în mașinile hidraulice.
Lichidele în general cresc în volum (se extind) când sunt încălzite și scad în volum (se contractă) când sunt răcite. Cu toate acestea, există excepții, de exemplu, apa se contractă atunci când este încălzită, la presiune normală și la temperaturi de la 0 °C până la aproximativ 4 °C.
Viscozitate
În plus, lichidele (cum ar fi gazele) se caracterizează prin vâscozitate. Este definită ca abilitatea de a rezista mișcării unei părți față de alta - adică ca frecare internă.
Când straturile adiacente de lichid se mișcă unul față de celălalt, inevitabil apar ciocniri de molecule în plus față de cea cauzată de mișcarea termică. Apar forțe care inhibă mișcarea ordonată. În acest caz, energia cinetică a mișcării ordonate se transformă în energie termică - energia mișcării haotice a moleculelor.
Lichidul din vas, pus în mișcare și lăsat la dispoziție, se va opri treptat, dar temperatura îi va crește.
Lichidele ocupă o poziţie intermediară între substanţele gazoase şi cele solide. La temperaturi apropiate de punctele de fierbere, proprietățile lichidelor se apropie de cele ale gazelor; la temperaturi apropiate de punctul de topire, proprietățile lichidelor se apropie de proprietățile solidelor. Dacă substanțele solide sunt caracterizate printr-o ordonare strictă a particulelor, extinzându-se pe distanțe de până la sute de mii de raze interatomice sau intermoleculare, atunci într-o substanță lichidă nu există de obicei mai mult de câteva zeci de particule ordonate - acest lucru se explică prin faptul că acea ordine între particulele din diferite locuri ale unei substanțe lichide apare rapid, deoarece din nou „erodată” de vibrația termică a particulelor. În același timp, densitatea generală de ambalare a particulelor unei substanțe lichide diferă puțin de cea a unei substanțe solide - prin urmare, densitatea lor este apropiată de densitatea solidelor, iar compresibilitatea lor este foarte scăzută. De exemplu, pentru a reduce volumul ocupat de apa lichidă cu 1%, este necesară o presiune de ~200 atm, în timp ce pentru aceeași reducere a volumului de gaze, este necesară o presiune de aproximativ 0,01 atm. În consecință, compresibilitatea lichidelor este de aproximativ 200: 0,01 = 20.000 de ori mai mică decât compresibilitatea gazelor.
S-a remarcat mai sus că lichidele au un anumit volum propriu și iau forma vasului în care se află; aceste proprietăți sunt mult mai apropiate de proprietățile unui solid decât ale unei substanțe gazoase. Apropierea stării lichide de starea solidă este confirmată și de datele privind entalpiile standard de evaporare ∆H° eva și entalpiile standard de topire ∆H° pl. Entalpia standard de vaporizare este cantitatea de căldură necesară pentru a transforma 1 mol de lichid în vapori la 1 atm (101,3 kPa). Aceeași cantitate de căldură este eliberată atunci când 1 mol de abur este condensat într-un lichid la 1 atm. Se numește cantitatea de căldură consumată pentru a transforma 1 mol de solid într-un lichid la 1 atm entalpie standard de fuziune(aceeași cantitate de căldură este eliberată atunci când 1 mol de lichid „îngheață” (“se întărește”) la 1 atm). Se știe că ∆Н° pl este mult mai mică decât valorile corespunzătoare ale ∆Н° isp, ceea ce este ușor de înțeles, deoarece trecerea de la starea solidă la starea lichidă este însoțită de o perturbare mai mică a atracției intermoleculare decât tranziția. de la stare lichidă la stare gazoasă.
O serie de alte proprietăți importante ale lichidelor sunt mai asemănătoare cu proprietățile gazelor. Deci, ca și gazele, lichidele pot curge - această proprietate se numește fluiditate. Rezistența la curgere este determinată de vâscozitate. Fluiditatea și vâscozitatea sunt afectate de forțele atractive dintre moleculele lichide, greutatea moleculară relativă a acestora și o serie de alți factori. Vâscozitatea lichidelor este de aproximativ 100 de ori mai mare decât cea a gazelor. La fel ca gazele, lichidele pot difuza, deși mult mai lent, deoarece particulele lichide sunt împachetate mult mai dens decât particulele de gaz.
Una dintre cele mai importante proprietăți ale unui lichid este sa tensiune superficială(această proprietate nu este inerentă nici gazelor, nici solidelor). O moleculă dintr-un lichid este acționată uniform asupra forțelor intermoleculare din toate părțile. Cu toate acestea, la suprafața lichidului echilibrul acestor forțe este perturbat și, ca urmare, moleculele „de suprafață” se găsesc sub influența unei anumite forțe rezultante îndreptate în lichid. Din acest motiv, suprafața lichidului este în stare de tensiune. Tensiune superficială- aceasta este forța minimă care restricționează mișcarea particulelor lichide în adâncimea lichidului și, prin urmare, împiedică contractarea suprafeței lichidului. Tensiunea superficială este cea care explică forma „în formă de picătură” a particulelor lichide care cad liber.
După cum se știe, o substanță în stare lichidă își păstrează volumul, dar ia forma vasului în care se află.
Să aflăm cum explica teoria cinetică moleculară. Conservarea volumului unui lichid demonstrează că între moleculele sale acţionează forţe atractive. În consecință, distanțele dintre moleculele lichide trebuie să fie mai mici decât raza de acțiune moleculară.
Deci, dacă descriem o sferă de acțiune moleculară în jurul unei molecule lichide, atunci în interiorul acestei sfere vor exista centrele multor alte molecule care vor interacționa cu molecula noastră. Aceste forțe de interacțiune țin molecula lichidă în apropierea poziției sale de echilibru temporar timp de aproximativ 10 -12 -10 -10 s, după care sare într-o nouă poziție temporară de echilibru aproximativ la distanța diametrului său. Între salturi, moleculele lichide suferă mișcări oscilatorii în jurul unei poziții temporare de echilibru. Se numește timpul dintre două sărituri ale unei molecule dintr-o poziție în alta timpul vieții așezate
În timpul vieții sedentare (aproximativ 10 -11 s), majoritatea moleculelor lichide sunt menținute în pozițiile lor de echilibru și doar o mică parte dintre ele reușește să se deplaseze în noi poziții de echilibru în acest timp. Pe o perioadă mai lungă de timp, majoritatea moleculelor lichide vor avea timp să își schimbe locația. Prin urmare, lichidul are fluiditate și ia forma vasului în care se află.
Deoarece moleculele unui lichid sunt localizate Aproape aproape unul de celălalt, atunci, după ce au primit o energie cinetică suficient de mare, deși pot depăși atracția vecinilor lor cei mai apropiați și pot părăsi sfera lor de acțiune, ei vor cădea în sfera de acțiune a altor molecule și se vor găsi într-un noua pozitie temporara de echilibru. Doar moleculele situate pe suprafața liberă a lichidului pot zbura din lichid, ceea ce explică procesul de evaporare a acestuia.
Deci, dacă un volum foarte mic este izolat într-un lichid, atunci în timpul vieții stabilite există un aranjament ordonat al moleculelor în el, similar cu aranjamentul lor în rețeaua cristalină a unui corp solid. Apoi se dezintegrează, dar apare în alt loc. Astfel, întregul spațiu ocupat de lichid pare să fie alcătuit din multe nuclee de cristal, care, totuși, sunt instabile, adică se dezintegrează în unele locuri, dar apar din nou în altele.
Deci, într-un volum mic de lichid există un aranjament ordonat al moleculelor sale, dar într-un volum mare se dovedește a fi haotic. În acest sens ei spun că într-un lichid există ordine pe distanță scurtă în aranjarea moleculelor și nicio ordine pe rază lungă. Această structură lichidă se numește cvasicristalină(asemănător cu cristalul). Rețineți că, cu o încălzire suficient de puternică, timpul de decantare devine foarte scurt și practic dispare în lichidul pe distanță scurtă.
Un lichid poate prezenta proprietăți mecanice inerente unui solid. Dacă timpul de acțiune al forței asupra lichidului este scurt, atunci lichidul prezintă proprietăți elastice. De exemplu, atunci când un băț lovește brusc suprafața apei, bățul poate zbura din mână sau se poate rupe; Se poate arunca o piatra pentru ca atunci cand loveste suprafata apei sa sara de ea si abia dupa ce face cateva sarituri se scufunda in apa. Dacă timpul de expunere la lichid este lung, atunci în loc de elasticitate, fluiditate lichide. De exemplu, mâna pătrunde ușor în apă.
Când o forță este aplicată unui curent de lichid pentru o perioadă scurtă de timp, acesta din urmă detectează fragilitate. Rezistența la tracțiune a unui lichid, deși mai mică decât cea a solidelor, nu este cu mult inferioară acestora ca mărime. Pentru apă este 2,5 * 10 7 Pa. Compresibilitatea lichidul este, de asemenea, foarte mic, deși este mai mare decât cel al acelorași substanțe în stare solidă. De exemplu, când presiunea crește cu 1 atm, volumul de apă scade cu 50 ppm.
Rupele în interiorul unui lichid care nu conține substanțe străine, de exemplu, aerul, pot apărea numai sub influență intensă asupra lichidului, de exemplu, atunci când elicele se rotesc în apă sau când undele ultrasonice se propagă în lichid. Acest tip de gol în interiorul unui lichid nu poate exista mult timp și se prăbușește brusc, adică dispare. Acest fenomen se numește cavitația(din grecescul „cavitas” - cavitate). Acest lucru determină uzura rapidă a elicelor.
Deci, lichidele au multe proprietăți în comun cu proprietățile solidelor. Cu toate acestea, cu cât temperatura unui lichid devine mai mare, cu atât proprietățile acestuia se apropie mai mult de proprietățile gazelor dense și cu atât ele diferă mai mult de proprietățile solidelor. Aceasta înseamnă că starea lichidă este intermediară între starea solidă și starea gazoasă a unei substanțe.
Să observăm, de asemenea, că atunci când o substanță trece de la starea solidă la starea lichidă, are loc o schimbare mai puțin dramatică a proprietăților decât atunci când trece de la starea lichidă la cea gazoasă. Aceasta înseamnă că, în general, proprietățile stării lichide a unei substanțe sunt mai apropiate de proprietățile stării solide decât de proprietățile stării gazoase.
Lichide sunt substanțe care se află în stare lichidă de agregare în condiții normale. Conform semnelor externe, această stare se caracterizează prin prezența unui volum constant pentru o anumită porțiune de lichid, fluiditate și capacitatea de a se evapora treptat. Forma adecvată a unui lichid este o minge (picătură), care formează lichid sub acțiunea tensiunii superficiale. Acest lucru este posibil în absența gravitației. Picăturile se formează în timpul căderii libere a lichidului, iar în spațiul unei nave spațiale, în condiții de imponderabilitate, un volum semnificativ de lichid poate lua forma unei mingi. Într-o stare calmă, lichidul se răspândește pe suprafață sau umple volumul oricărui vas. Printre substanțele anorganice, lichidele includ apa, bromul, mercurul și câțiva acizi anhidri stabili (sulfuric, fluorhidric etc.). Printre compușii organici există o mulțime de lichide: hidrocarburi, alcooli, acizi etc. Aproape toate seriile omoloage de compuși organici conțin lichide. Când sunt răcite, gazele se transformă în stare lichidă, iar când sunt încălzite, metalele, sărurile stabile și oxizii metalici.
Lichidele pot fi clasificate în funcție de natura particulelor lor constitutive în atomice (gaze nobile lichefiate), moleculare (cele mai multe lichide obișnuite), metalice (metale topite), ionice (săruri topite, oxizi metalici). Pe lângă substanțele individuale, amestecurile de lichide și soluțiile dintr-o mare varietate de substanțe din lichide sunt în stare lichidă. Dintre lichide, apa are cea mai mare importanță practică, care este determinată de rolul său unic de solvent biologic. În chimie și în domeniile aplicate, lichidele, împreună cu gazele, sunt cel mai important ca mediu pentru efectuarea diferitelor procese de transformare a substanțelor. Lichidele sunt, de asemenea, folosite pentru a transfera căldura prin țevi, în dispozitivele hidraulice - ca fluid de lucru și ca lubrifiant pentru piesele mobile ale mașinii.
În starea lichidă a materiei, particulele sunt situate la distanțe apropiate de suma razelor lor van der Waals. Energia potențială a moleculelor devine negativă în raport cu energia lor în gaz. Pentru a o depăși în timpul tranziției la starea gazoasă, moleculele au nevoie de energie cinetică aproximativ egală cu energia potențială. Prin urmare, o substanță se află în stare lichidă într-un interval de temperatură în care energia cinetică medie este aproximativ egală sau mai mică decât energia potențială de interacțiune, dar nu scade la zero.
Printre moleculele de gaz și lichid există atât molecule mai rapide, cât și mai lente, în raport cu viteza medie a mișcării lor. Moleculele rapide depășesc atracția și intră în faza gazoasă în prezența volumului liber. În timpul evaporării, lichidul se răcește din cauza pierderii moleculelor mai rapide. O anumită presiune a vaporilor se stabilește deasupra suprafeței unui lichid într-un volum închis, în funcție de natura lichidului și de temperatură. Dependența este exprimată prin ecuația exponențială
Unde e - baza logaritmilor naturali; R- constanta universală a gazului; DA ISP - căldură molară de evaporare a lichidului; L - constantă în funcție de proprietățile lichidului.
Analiza ecuației arată că presiunea de vapori a unui lichid crește rapid odată cu creșterea temperaturii, deoarece temperatura se află la numitorul exponentului negativ. Ecuația (7.13) este satisfăcută destul de precis cu condiția ca temperatura să fie semnificativ mai mică decât temperatura critică a vaporilor unei substanțe date.
Când se atinge temperatura la care presiunea de vapori a lichidului devine egală cu presiunea atmosferică, lichidul fierbe. Aceasta presupune că există aer deasupra suprafeței lichidului. Dacă închideți lichidul într-un vas închis, de exemplu într-un cilindru, cu un piston care produce o presiune egală cu presiunea atmosferică (101,3 kPa), atunci când lichidul este încălzit până la punctul de fierbere, aburul deasupra lichidului nu este încă format. . Când se depășește punctul de fierbere, vor apărea aburi, adică. fază gazoasă, iar pistonul va începe să crească pe măsură ce se adaugă căldură și volumul de abur crește (Fig. 7.4).
Orez. 7.4.
Lichidele care fierb la o temperatură sub punctul de fierbere al apei sunt de obicei numite volatil. Dintr-un vas deschis se evaporă destul de repede. La un punct de fierbere de 20-22 °C, substanța pare să fie de fapt la limita dintre un lichid volatil și un gaz ușor lichefiat. Exemple de astfel de substanţe sunt acetaldehida CH3CHO (a bp = 21°C) şi hidrogen fluorhidric HF (a bp = 19,4°C).
Caracteristicile fizice practic importante ale lichidelor, pe lângă punctul de fierbere, sunt punctul de îngheț, culoarea, densitatea, coeficientul de vâscozitate și indicele de refracție. Pentru mediile omogene, cum ar fi lichidele, indicele de refracție este ușor de măsurat și servește la identificarea lichidului. Unele constante ale lichidelor sunt date în tabel. 7.3.
Echilibrul dintre fazele lichide, solide și gazoase ale unei substanțe date este reprezentat ca diagrame de stare.În fig. Figura 7.5 prezintă o diagramă a stării apei. Diagrama de fază este un grafic care prezintă dependența presiunii vaporilor saturați de temperatură pentru apa lichidă și gheață (curbe OAŞi OV)și dependența temperaturii de topire a apei de presiune (curba OS). Prezența unei mici presiuni de vapori deasupra gheții (curba OV)înseamnă că gheața se poate evapora (sublima) dacă presiunea vaporilor de apă din aer este mai mică decât presiunea de echilibru deasupra gheții. Linie punctată care continuă curba OA la stânga punctului O, corespunde presiunii vaporilor deasupra apei suprarăcite. Această presiune depășește presiunea vaporilor deasupra gheții la aceeași temperatură. Prin urmare, apa suprarăcită este instabilă și se poate transforma spontan în gheață. Uneori, pe vreme rece are loc un fenomen de precipitații, ale căror picături se transformă în gheață atunci când lovesc o suprafață dură. La suprafață apare o crustă de gheață. Trebuie remarcat faptul că alte lichide pot fi într-o stare instabilă de suprarăcire.
Unele lichide practic importante
|
Nume |
Densitatea p, g/cm 3 (20°C) |
Indicele de refracție, u(20°C, |
|||
|
Fluorura de hidrogen |
|||||
|
Acid sulfuric |
h 2 deci 4 |
||||
|
Furnică |
în curând |
||||
|
Acid acetic |
dc 3 coon |
||||
|
Glicerol |
de la 3 la 8 0 3 |
||||
|
de la 6 la 14 |
|||||
|
Tstraclorura carbon |
|||||
|
Cloroform |
|||||
|
Nitrobenzen |
c g ii 5 nr 2 |
Orez. 75.
Curbele împart diagrama în trei câmpuri - apă, gheață și abur. Fiecare punct de pe diagramă reprezintă o stare specifică a sistemului. Punctele din interiorul câmpurilor corespund existenței apei doar în una dintre cele trei faze. De exemplu, la 60 °C și o presiune de 50 k11a, apa există doar în stare lichidă. Puncte situate pe curbe OA, OVŞi OS, corespund echilibrului între două faze. De exemplu, la temperaturi și presiuni de-a lungul curbei OA Apa și aburul sunt în echilibru. Punctul de intersecție O al celor trei curbe cu coordonatele 0,61 kPa și 0,01 °C corespunde echilibrului dintre cele trei faze ale apei - gheață, apă lichidă și vaporii acesteia. Acesta este așa-numitul punct triplu al apei. Temperatura indicată este cu 0,01 °C mai mare decât punctul normal de îngheț al apei de 0 °C, referitor la o presiune de 101,3 kPa. De aici rezultă că pe măsură ce presiunea exterioară crește, punctul de îngheț al apei scade. Să mai dăm un punct: la o presiune de 615 atm (6,23-10 4 kPa), punctul de îngheț al apei scade la -5 ° C.
Lichidele diferă mult de gaze prin capacitatea lor de a se amesteca între ele. În lichide, spre deosebire de gaze, interacțiunile intermoleculare joacă un rol important. Prin urmare, numai acele lichide care sunt suficient de apropiate ca energie de interacțiune intermoleculară sunt amestecate între ele în orice raport. De exemplu, nu numai că forțele Waiderwaals acționează între moleculele de apă, dar se formează și legături de hidrogen. Prin urmare, cu apa sunt amestecate diverse lichide, ale căror molecule pot forma și legături de hidrogen cu apa: fluorură de hidrogen, mulți acizi care conțin oxigen, membrii inferiori ai seriei omoloage de alcooli, acetonă etc. Lichide care nu formează legături de hidrogen sau împiedică formarea unor astfel de legături între moleculele de apă, Ele nu se amestecă cu apa, dar pot într-o măsură sau alta, adică. limitat, dizolva. Astfel, alcoolii cu radicali formați din patru sau mai mulți atomi de carbon sunt solubili limitat în apă, deoarece radicalii, aflându-se între moleculele de apă, interferează cu formarea legăturilor de hidrogen și sunt împinși în afara volumului de apă.
Structura internă a lichidelor se caracterizează atât prin mișcarea reciprocă relativ liberă a moleculelor, cât și prin apariția unei structuri care apropie lichidul de starea solidă. S-a spus mai sus că în cristale razele X sunt împrăștiate pe atomi ordonați. Intensitatea maximă de împrăștiere are loc la anumite unghiuri de incidență a fasciculului inițial pe planul format de atomii din interiorul cristalului. Difuzarea razelor X are loc și în lichide. La un unghi mic de incidență, corespunzător împrăștierii pe atomi distanțați, apare un maxim, indicând prezența ordinii în mediul imediat al atomului. Dar pe măsură ce unghiul de incidență crește, maximele se estompează rapid, ceea ce indică absența unui aranjament regulat pentru atomii îndepărtați. Astfel, putem spune despre lichidele pe care le conțin ordine de inchidere, in lipsa comanda pe raza lunga.
Structurarea lichidelor este descoperită la studierea diferitelor proprietăți fizice. Se știe, de exemplu, că apa devine mai densă atunci când este răcită la 4°C și, la răcirea ulterioară, începe să se extindă din nou. Acest lucru se explică prin formarea unei structuri mai deschise, corespunzătoare direcției legăturilor de hidrogen dintre molecule. După îngheț, aceste legături sunt în cele din urmă stabilizate, ceea ce decurge dintr-o scădere a densității gheții.
