Аморфні тверді речовини це досить цікава підгрупа добре відомого твердого стану. У звичайному твердому об'єкті молекули добре організовані і особливо мають простір для руху. Це дає твердій речовині високу в'язкість, що є мірою опору плинності. Рідини, з іншого боку, мають неорганізовану молекулярну структуру, що дозволяє їм текти, розтікатися, змінювати форму та набувати форми судини, в якій вони знаходяться. Аморфні тверді речовини знаходяться між цими двома станами. В процесі вітрифікації рідини остигають і їх в'язкість збільшується до моменту, коли речовина вже не тече подібно до рідини, але його молекули залишаються невпорядкованими і не приймають кристалічну структуру, як звичайні тверді речовини.
Найбільш поширеним прикладом аморфної твердої речовини є скло. Протягом тисяч років люди робили скло із діоксиду кремнію. Коли склороби охолоджують кремнезем з рідкого стану, він насправді не твердне, коли опускається нижче за точку плавлення. Коли температура падає, в'язкість зростає, речовина здається твердішою. Однак його молекули, як і раніше, залишаються невпорядкованими. І тоді скло стає аморфним та твердим одночасно. Цей перехідний процес дозволив ремісникам створювати гарні та сюрреалістичні скляні структури.
Яка ж функціональна різниця між аморфними твердими речовинами та звичайним твердим станом? У повсякденному житті воно не особливо помітне. Скло здається абсолютно твердим, доки ви не вивчите його на молекулярному рівні. І міф про те, що скло стікає з плином часу, не коштує ламаного гроша. Найчастіше цей міф підкріплюється доказами про те, що старе скло в церквах здається товщим у нижній частині, але обумовлено це недосконалістю склодувного процесу на момент створення цього скла. Втім, вивчати аморфні тверді речовини на кшталт скла цікаво з наукової точки зору для дослідження фазових переходів та молекулярної структури.
Надкритичні рідини (флюїди)
Більшість фазових переходів відбувається за певної температури і тиску. Загальновідомо, що підвищення температури зрештою перетворює рідину на газ. Проте коли тиск збільшується разом із температурою, рідина здійснює стрибок у царство надкритичних рідин, які мають властивості як газу, і рідини. Наприклад, надкритичні рідини можуть проходити через тверді тіла як газ, але також можуть виступати як розчинник, як рідина. Цікаво, що надкритичну рідину можна зробити більше схожою на газ або рідину, залежно від комбінації тиску і температури. Це дозволило вченим знайти безліч застосувань для надкритичних рідин.
Хоча надкритичні рідини не такі поширені, як аморфні тверді речовини, ви, ймовірно, взаємодієте з ними так само часто, як зі склом. Надкритичний діоксид вуглецю люблять пивоварні компанії за його здатність виступати як розчинник при взаємодії з хмелем, а кава-компанії використовують його для виробництва кращої кави без кофеїну. Надкритичні рідини також використовувалися для більш ефективного гідролізу та щоб електростанції працювали при більш високих температурах. Загалом ви, ймовірно, використовуєте побічні продукти надкритичних рідин щодня.
Вироджений газ
Хоча аморфні тверді речовини хоча зустрічаються на планеті Земля, вироджена речовина зустрічається лише у певних типах зірок. Вироджений газ існує, коли зовнішній тиск речовини визначається не температурою як на Землі, а складними квантовими принципами, зокрема принципом Паулі. Через це зовнішній тиск виродженої речовини зберігатиметься, навіть якщо температура речовини впаде до абсолютного нуля. Відомі два основних типи виродженої речовини: електронно-вироджена та нейтронно-вироджена речовина.
Електронно-вироджена речовина існує в основному у білих карликах. Воно утворюється в ядрі зірки, коли маса речовини довкола ядра намагається стиснути електрони ядра до нижчого енергетичного стану. Однак відповідно до принципу Паулі дві однакові частинки не можуть бути в одному енергетичному стані. Таким чином, частинки відштовхують речовину навколо ядра, створюючи тиск. Це можливо тільки якщо маса зірки менша за 1,44 маси Сонця. Коли зірка перевищує цю межу (відомий як межу Чандрасекара), вона просто колапсує в нейтронну зірку або чорну дірку.
Коли зірка колапсує і стає нейтронною зіркою, вона більше не має електронно-виродженої речовини, вона складається з нейтронно-виродженої речовини. Оскільки нейтронна зірка важка, електрони зливаються з протонами у її ядрі, утворюючи нейтрони. Вільні нейтрони (нейтрони не пов'язані в атомному ядрі) мають період напіврозпаду 10,3 хвилини. Але в ядрі нейтронної зірки маса зірки дозволяє нейтронам існувати за межами ядер, утворюючи нейтронно-вироджену речовину.
Інші екзотичні форми виродженої речовини також можуть існувати, у тому числі і дивна матерія, яка може існувати в рідкісній формі зірок - кваркових зірок. Кваркові зірки – це стадія між нейтронною зіркою та чорною діркою, де кварки в ядрі розв'язані та утворюють бульйон із вільних кварків. Ми поки що не спостерігали такий тип зірок, але фізики допускають їхнє існування.
Надплинність
Повернемося на Землю, щоб обговорити надплинні рідини. Надплинність - це стан речовини, що існує у певних ізотопів гелію, рубідії та літію, охолоджених до майже абсолютного нуля. Цей стан схожий на конденсат Бозе-Ейнштейна (бозе-ейнштейнівський конденсат, БЕК), за кількома відмінностями. Деякі БЕК надплинні, а деякі надплинні стани є БЕК, але не всі вони ідентичні.
Рідкий гелій відомий своєю надплинністю. Коли гелій охолоджений до «точки лямбда» -270 градусів за Цельсієм, частина рідини стає надплинною. Якщо охолодити більшу частину речовин до певної точки, тяжіння між атомами перевершує теплові вібрації речовини, дозволяючи їм утворити тверду структуру. Але атоми гелію взаємодіють між собою так слабко, що можуть залишатися рідкими за температури майже абсолютного нуля. Виходить, за такої температури характеристики окремих атомів перекриваються, породжуючи дивні властивості надплинності.
У надплинних речовин немає внутрішньої в'язкості. Надплинні речовини, поміщені в пробірку, починають повзти вгору з обох боків пробірки, здавалося б, порушуючи закони гравітації та поверхневого натягу. Рідкий гелій легко витікає, оскільки може прослизнути навіть через мікроскопічні отвори. Надплинність також має дивні термодинамічні властивості. У такому стані речовини мають нульову термодинамічну ентропію і нескінченну теплопровідність. Це означає, що дві надплинні речовини не можуть бути термально різні. Якщо додати до надплинної речовини тепла, вона проведе його так швидко, що утворюються теплові хвилі, не властиві для звичайних рідин.
Конденсат Бозе - Ейнштейна.
Конденсат Бозе - Ейнштейна - це, мабуть, одна з найвідоміших незрозумілих форм матерії. По-перше, нам потрібно зрозуміти, що таке бозони та ферміони. Ферміон - це частка з напівцілим спином (наприклад, електрон) або композитна частка (на зразок протона). Ці частки підпорядковуються принципу Паулі, що дозволяє існувати електронно-виродженої матерії. Бозон, однак, має повний цілий спин, і один квантовий стан можуть займати кілька бозонів. Бозони включають будь-які частинки-переносники сили (на зразок фотонів), а також деякі атоми, включаючи гелій-4 та інші гази. Елементи у цій категорії відомі як бозонні атоми.
Говорячи про останній стан речовини у цьому списку, розглянемо стан, з якого все почалося: кварк-глюонна плазма. У ранньому Всесвіті стан матерії суттєво відрізнявся від класичного. Для початку трохи передісторії.
Кварки - це елементарні частинки, які ми знаходимо всередині адронів (наприклад, протонів та нейтронів). Адрони складаються або з трьох кварків, або з одного кварку та одного антикварка. Кварки мають дробові заряди та скріплюються глюонами, які є частинками обміну сильної ядерної взаємодії.
Ми не бачимо вільні кварки в природі, але відразу після Великого Вибуху протягом мілісекунди вільні кварки та глюони існували. Протягом цього часу температура Всесвіту була настільки високою, що кварки та глюони рухалися майже зі швидкістю світла. Під час цього періоду Всесвіт складався цілком і повністю із цієї гарячої кварк-глюонної плазми. Через іншу частку секунди Всесвіт охолонув достатньо, щоб утворилися важкі частинки на кшталт адронів, а кварки почали взаємодіяти між собою та глюонами. З цього моменту почалося утворення відомого нам Всесвіту, і адрони почали зв'язуватися з електронами, створюючи примітивні атоми.
Вже у сучасному Всесвіті вчені намагалися відтворити кварк-глюонну плазму у великих прискорювачах частинок. У цих експериментів важкі частинки на кшталт адронів зіштовхувалися друг з одним, створюючи температуру, коли кварки відокремлювалися короткий час. В процесі цих експериментів ми дізналися багато нового про властивості кварк-глюонної плазми, в якій було відсутнє тертя і яка була більше схожа на рідину, ніж звичайна плазма. Експерименти з екзотичним станом матерії дозволяють нам дізнаватися багато нового про те, як і чому наш Всесвіт утворився таким, яким ми його знаємо.
За матеріалами listverse.com
На запитання Приклади рідких речовин. заданий автором Ніна Булатованайкраща відповідь це Н2О – вода, Рідкий метал – ртуть! Рідкий стан зазвичай вважають проміжним між твердим тілом та газом: газ не зберігає ні об'єм, ні форму, а тверде тіло зберігає і те, й інше.
Форма рідких тіл може повністю або частково визначатися тим, що їхня поверхня поводиться як пружна мембрана. Так, вода може збиратися у краплі. Але рідина здатна текти навіть під своєю нерухомою поверхнею, і це теж означає незбереження форми (внутрішніх частин рідкого тіла).
Молекули рідини немає певного становища, але водночас їм недоступна повна свобода переміщень. Між ними існує тяжіння, достатньо сильне, щоб утримати їх на близькій відстані.
Речовина у рідкому стані існує у певному інтервалі температур, нижче якого перетворюється на жорсткий стан (відбувається кристалізація чи перетворення на твердотільне аморфний стан - скло) , вище - в газоподібне (відбувається випаровування). Межі цього інтервалу залежить від тиску.
Як правило, речовина в рідкому стані має лише одну модифікацію. (Найважливіші винятки - це квантові рідини та рідкі кристали.) Тому в більшості випадків рідина є не тільки агрегатним станом, а й термодинамічною фазою (рідка фаза).
Усі рідини прийнято ділити на чисті рідини та суміші. Деякі суміші рідин мають велике значення для життя: кров, морська вода та ін. Рідини можуть виконувати функцію розчинників.
[ред.]
Фізичні властивості рідин
Плинність
Основною властивістю рідин є плинність. Якщо до ділянки рідини, що у рівновазі, докласти зовнішню силу, виникає потік частинок рідини у тому напрямі, у якому ця сила прикладена: рідина тече. Таким чином, під дією неврівноважених зовнішніх сил рідина не зберігає форму і відносне розташування частин, і тому набуває форми судини, в якій знаходиться.
На відміну від пластичних твердих тіл, рідина не має межі плинності: достатньо прикласти як завгодно малу зовнішню силу, щоб рідина потекла.
Збереження обсягу
Однією з характерних властивостей рідини і те, що вона має певний обсяг (за постійних зовнішніх умов). Рідина надзвичайно важко стиснути механічно, оскільки, на відміну газу, між молекулами дуже мало вільного простору. Тиск, що виробляється на рідину, укладену в посудину, передається без зміни до кожної точки обсягу цієї рідини (закон Паскаля, справедливий також і для газів). Ця особливість поряд з дуже малою стисливістю використовується в гідравлічних машинах.
Рідини зазвичай збільшують об'єм (розширюються) при нагріванні та зменшують об'єм (стискаються) при охолодженні. Втім, трапляються і винятки, наприклад, вода стискається при нагріванні, нормальному тиску і температурі від 0 °C до приблизно 4 °C.
В'язкість
Крім того, рідини (як і гази) характеризуються в'язкістю. Вона визначається як здатність чинити опір переміщенню однієї з частин щодо іншої – тобто як внутрішнє тертя.
Коли сусідні шари рідини рухаються щодо один одного, неминуче відбувається зіткнення молекул додатково до того, що обумовлено тепловим рухом. Виникають сили, які загальмовують упорядкований рух. У цьому кінетична енергія впорядкованого руху перетворюється на теплову - енергію хаотичного руху молекул.
Рідина в посудині, наведена в рух і надана собі, поступово зупиниться, але її температура підвищиться.
Рідини займають проміжне положення між газоподібними та твердими речовинами. При температурах, близьких до температур кипіння, властивості рідини наближаються до властивостей газів; при температурах, близьких до температур плавлення, властивості рідини наближаються до властивостей твердих речовин. Якщо для твердих речовин характерна строга впорядкованість частинок, що поширюється на відстані до сотень тисяч міжатомних або міжмолекулярних радіусів, то в рідкій речовині зазвичай буває не більше кількох десятків упорядкованих частинок — це пояснюється тим, що впорядкованість між частинками в різних місцях рідкої речовини так само швидко виникає , Як і знову «розмивається» тепловим коливанням частинок. Разом з тим, загальна щільність упаковки частинок рідкої речовини мало відрізняється від твердої речовини, тому їх щільність близька до щільності твердих тіл, а стисливість дуже мала. Наприклад, щоб зменшити об'єм, зайнятий рідкою водою, на 1%, потрібно прикласти тиск ~ 200 атм, тоді як для такого ж зменшення обсягу газів потрібен тиск порядку 0,01 атм. Отже, стисливість рідин приблизно 200: 0,01 = 20000 разів менше стисливості газів.
Вище зазначалося, що рідини мають певний власний об'єм і набувають форми судини, в якій знаходяться; ці їх властивості значно ближчі до властивостей твердої, ніж газоподібної речовини. Велика близькість рідкого стану до твердого підтверджується також даними за стандартними ентальпіями випаровування ∆Н° ісп та стандартними ентальпіями плавлення ∆Н° пл. Стандартною ентальпією випаровуванняназивають кількість теплоти, необхідне перетворення 1 моль рідини на пару при 1 атм (101,3 кПа). Та ж кількість теплоти виділяється при конденсації 1 моль пари рідина при 1 атм. Кількість теплоти, що витрачається на перетворення 1 моль твердого тіла на рідину при 1 атм, називають стандартною ентальпією плавлення(та сама кількість теплоти вивільняється при «замерзанні» («затвердінні») 1 моль рідини при 1 атм). Відомо, що ∆Н° пл набагато менше відповідних значень ∆Н° ісп, що легко зрозуміти, оскільки перехід із твердого стану в рідке супроводжується меншим порушенням міжмолекулярного тяжіння, ніж перехід з рідкого в газоподібний стан.
Ряд інших важливих властивостей рідини більше нагадує властивості газів. Так, подібно до газів рідини можуть текти — ця їхня властивість називається плинністю. Опірність течії визначається в'язкістю. На плинність і в'язкість впливають сили тяжіння між молекулами рідини, їх відносна молекулярна маса, а також низку інших факторів. В'язкість рідин ~ у 100 разів більша, ніж у газів. Так само, як і гази, рідини здатні дифундувати, хоч і набагато повільніше, оскільки частинки рідини упаковані набагато щільніше, ніж частинки газу.
Одна з найважливіших властивостей саме рідини – її поверхневий натяг(Ця властивість не властива ні газам, ні твердим речовинам). На молекулу, що у рідини, з усіх боків поступово діють міжмолекулярні сили. Однак на поверхні рідини баланс цих сил порушується, і внаслідок цього "поверхневі" молекули виявляються під дією певної результуючої сили, спрямованої всередину рідини. З цієї причини поверхня рідини виявляється у стані натягу. Поверхневий натяг- це мінімальна сила, що стримує рух частинок рідини в глибину рідини і тим самим утримує поверхню рідини від скорочення. Саме поверхневим натягом пояснюється «крапкоподібна» форма часток рідини, що вільно падають.
Як відомо, речовина в рідкому стані зберігає свій об'єм, але набуває форми судини, в якій вона знаходиться. З'ясуємо, як це пояснює молекулярно-кінетична теорія.
Збереження обсягу рідини доводить, що між її молекулами діють сили тяжіння. Отже, відстані між молекулами рідини повинні бути меншими за радіус молекулярної дії. Отже, якщо навколо молекули рідини описати сферу молекулярної дії, то всередині цієї сфери виявляться центри багатьох інших молекул, які взаємодіятимуть із нашою молекулою.
Ці сили взаємодії утримують молекулу рідини біля тимчасового положення рівноваги приблизно протягом 10 -12 -10 -10 с, після чого вона перескакує в нове тимчасове положення рівноваги приблизно на відстань свого діаметра. Молекули рідини між перескоками здійснюють коливальний рух біля тимчасового положення рівноваги. Час між двома перескоками молекули з одного положення до іншого називається часом осілого життя. Цей час залежить від виду рідини та від температури. При нагріванні рідини середній час осілого життя молекул зменшується.
Протягом часу осілого життя (порядку 10 -11 с) більшість молекул рідини утримується у своїх положеннях рівноваги, і лише невелика частина встигає за цей час перейти в нові положення рівноваги. За більш тривалий час більшість молекул рідини встигне змінити своє місцезнаходження.Тому рідина має плинність і набуває форми судини, в якій вона знаходиться.
Оскільки молекули рідини розташованімайже впритул один до одного, то, отримавши досить велику кінетичну енергію, вони хоч і можуть подолати тяжіння своїх найближчих сусідів і вийти зі сфери їхньої дії, але потраплять у сферу дії інших молекул і опиняться в новому тимчасовому стані рівноваги. Тільки молекули, що знаходяться на вільній поверхні рідини, можуть вилетіти за межі рідини, чим і пояснюється процес її випаровування.
Отже, якщо в рідині виділити дуже малий об'єм, то протягом часу осілого життя в ньому існує впорядковане розташування молекул, подібне до їх розташування в кристалічній решітці твердого тіла. Потім воно розпадається, але виникає у іншому місці. Таким чином, весь простір, зайнятий рідиною, ніби складається з безлічі зародків кристалів, які, однак, нестійкі, тобто розпадаються в одних місцях, але знову виникають в інших.
Отже, у невеликому обсязі рідини спостерігається впорядковане розташування її молекул, а великому обсязі воно виявляється хаотичним. У цьому сенсі кажуть, що в рідині існує ближній порядок розташування молекул і відсутня далекий порядок.Таку будову рідини називають квазікристалічним(Кристалоподібним). Зазначимо, що при досить сильному нагріванні час осілого життя стає дуже маленьким і ближній порядок у рідині практично зникає.
Рідина може виявляти механічні властивості, властиві твердому тілу. Якщо час дії сили на рідину замало, то рідина виявляє пружні властивості. Наприклад, при різкому ударі ціпком об поверхню води палиця може вилетіти з руки або зламатися; камінь можна кинути так, що він при ударі об поверхню води відскакує від неї, і лише здійснивши кілька стрибків, тоне у воді.Якщо ж час впливу на рідину велике, то замість пружності проявляється плинністьрідини. Наприклад, рука легко проникає усередину води.
При короткочасній дії сили на струмінь рідини остання виявляє крихкість. Міцність рідини на розрив хоча й менша, ніж у твердих речовин, але мало поступається їм за величиною. Для води вона становить 2,5*107 Па. Стисненістьрідини теж дуже мала, хоча вона й більша, ніж у цих же речовин у твердому стані. Наприклад, зі збільшенням тиску на 1 атм об'єм води зменшується на 50 мільйонних часток.
Розриви всередині рідини, в якій немає сторонніх речовин, наприклад повітря, можуть виходити тільки при інтенсивному впливі на рідину, наприклад, при обертанні гребних гвинтів у воді, при поширенні в рідині ультразвукових хвиль. Такі порожнечі всередині рідини довго існувати що неспроможні і різко захлопываются, т. е. зникають.Це явище називають кавітацією(Від грецького "кавітас" - порожнину). Воно спричиняє швидке зношування гребних гвинтів.
Отже, рідини мають багато властивостей, загальних з властивостями твердих тіл. Однак, чим вище стає температура рідини, тим більше її властивості наближаються до властивостей щільних газів і більше відрізняються від властивостей твердих тіл.Це означає, що рідкий стан є проміжним між твердим та газоподібним станами речовини.
Відзначимо ще, що при переході речовини з твердого стану в рідкий відбувається менш різка зміна властивостей, ніж при переході з рідкого в газоподібний. Це означає, що, взагалі кажучи, властивості рідкого стану речовини ближчі до властивостей твердого стану, ніж до властивостей газоподібного.
Рідинаминазивають речовини, що у рідкому агрегатному стані за звичайних умов. За зовнішніми ознаками цей стан характеризується наявністю постійного обсягу даної порції рідини, плинністю, здатністю поступово випаровуватися. Власною формою рідини є куля (крапля), яка утворює рідину під дією сили поверхневого натягу. Це можливо за відсутності сили тяжіння. Краплі утворюються при вільному падінні рідини, а в просторі космічного корабля, в умовах невагомості, форму кулі може набути значного обсягу рідини. У спокійному стані рідина розтікається на поверхні або заповнює об'єм будь-якої судини. Серед неорганічних речовин до рідин відносяться вода, бром, ртуть, нечисленні стійкі безводні кислоти (сірчана, фтороводородна та ін.). Дуже багато рідин серед органічних сполук: вуглеводні, спирти, кислоти тощо. Практично у всіх гомологічних рядах органічних сполук є рідини. При охолодженні рідкий стан переходять гази, а при нагріванні - метали, стійкі солі, оксиди металів.
Рідини можна класифікувати за природою частинок, що їх складають, на атомні (зріджені благородні гази), молекулярні (більшість звичайних рідин), металеві (розплавлені метали), іонні (розплавлені солі, оксиди металів). Крім індивідуальних речовин, у рідкому стані знаходяться суміші рідин та розчини найрізноманітніших речовин у рідинах. Найбільше практичного значення серед рідин має вода, що визначається її унікальною роллю як біологічного розчинника. У хімії та прикладних областях рідини поряд з газами найбільш важливі як середовище для проведення різноманітних процесів перетворення речовин. Рідини використовуються також для передачі тепла по трубах, в гідравлічних пристроях - як робоче тіло, як мастило деталей машин, що рухаються.
У рідкому стані речовини частинки знаходяться на відстанях, близьких до суми вандерваальсових радіусів. Потенційна енергія молекул стає негативною по відношенню до їхньої енергії в газі. Для її подолання під час переходу в газоподібний стан молекулам необхідна кінетична енергія, приблизно рівна потенційній енергії. Тому речовина знаходиться в рідкому стані в такому температурному інтервалі, в якому середня кінетична енергія приблизно дорівнює потенційній енергії взаємодії або нижче за неї, але не падає до нуля.
Серед молекул як газу, так і рідини є як більш швидкі, так і повільніші молекули щодо середньої швидкості руху. Швидкі молекули долають тяжіння і переходять у газову фазу за наявності вільного обсягу. При випаровуванні за рахунок втрати швидших молекул рідина охолоджується. Над поверхнею рідини в замкнутому обсязі встановлюється певний тиск її пари, що залежить від природи рідини та температури. Залежність виражається експоненціальним рівнянням
де е -основа натуральних логарифмів; R -універсальна газова постійна; ДЯ ІСП – молярна теплота випаровування рідини; Л -постійна, що залежить від властивостей рідини.
Аналіз рівняння показує, що тиск пари рідини швидко зростає з підвищенням температури, оскільки температура знаходиться в знаменнику негативного показника ступеня. Рівняння (7.13) досить точно виконується за умови, що температура значно нижча від критичної температури пари даної речовини.
При досягненні температури, при якій тиск пари рідини стає рівним атмосферному тиску, рідина закипає. При цьому мається на увазі, що поверхню рідини знаходиться повітря. Якщо ж укласти рідину в закриту посудину, наприклад в циліндр, з поршнем, що робить тиск, що дорівнює атмосферному (101,3 кПа), то при нагріванні рідини до температури кипіння пар над рідиною ще не утворюється. За перевищення температури кипіння з'явиться пара, тобто. газова фаза, і поршень почне підніматися у міру підведення теплоти та збільшення об'єму пари (рис. 7.4).
Мал. 7.4.
Рідини, що киплять при температурі нижче температури кипіння води, зазвичай називають летючими.З відкритої судини вони досить швидко випаровуються. При температурі кипіння 20-22 °С речовина фактично виявляється прикордонним між летючою рідиною і газом, що легко зріджується. Прикладами таких речовин є ацетальдегід СН 3 СНТ (? кип = 21 ° С) і фтороводород HF (? кип = 19,4 ° С).
Практично важливими фізичними характеристиками рідин, крім температури кипіння є температура замерзання, колір, щільність, коефіцієнт в'язкості, показник заломлення. Для однорідних середовищ, якими є рідини, показник заломлення легко вимірюється та служить для ідентифікації рідини. Деякі константи рідин наведені у табл. 7.3.
Рівнавага між рідкою, твердою та газоподібною фазами даної речовини зображується у вигляді діаграми стану.На рис. 7.5 показано діаграму стану води. Діаграма стану являє собою графік, на якому завдано залежності тиску насиченої пари від температури для рідкої води та льоду (криві ОАі ВВ)та залежність температури плавлення води від тиску (крива ОС).Наявність невеликого тиску пари над льодом (крива ВВ)означає, що лід може випаровуватися (сублімувати), якщо тиск парів води в повітрі менше рівноважного тиску над льодом. Пунктир, що продовжує криву ОАвліво від точки, відповідає тиску пари над переохолодженою водою. Цей тиск перевищує тиск пари над льодом за тієї ж температури. Тому переохолоджена вода нестійка і може спонтанно перетворитися на кригу. Іноді в холодну погоду спостерігається явище випадання дощу, краплі якого перетворюються на кригу при ударі об тверду поверхню. На поверхні з'являється крижана кірка. Слід зазначити, що інші рідини можуть перебувати в нестійкому переохолодженому стані.
Деякі практично важливі рідини
|
Назва |
Щільність р, г/см3 (20°С) |
Коефіцієнт заломлення, (20°С, |
|||
|
Фтороводород |
|||||
|
Сірчана кислота |
h 2 so 4 |
||||
|
Мурашина |
нсоон |
||||
|
Оцтова кислота |
сн 3 соон |
||||
|
Гліцерин |
з 3 н 8 0 3 |
||||
|
з 6 н 14 |
|||||
|
Тстрахлорид вуглецю |
|||||
|
Хлороформ |
|||||
|
Нітробензол |
c g ii 5 no 2 |
Мал. 75.
Криві ділять діаграму на три поля – води, льоду та пари. Кожна точка на діаграмі означає певний стан системи. Крапки всередині полів відповідають існуванню води лише в одній із трьох фаз. Наприклад, при 60 °С та тиску 50 к11а вода існує тільки в рідкому стані. Крапки, що лежать на кривих ОА, ВВі ОС,відповідають рівновазі між двома фазами. Наприклад, при температурах і тисках вздовж кривої ОАу рівновазі знаходяться вода та пара. Точка перетину Про три криві з координатами 0,61 кПа та 0,01 °С відповідає рівновазі між трьома фазами води - льодом, рідкою водою та її парою. Це так звана потрійна точка води. Вказана температура на 0,01 °С вище, ніж нормальна температура замерзання води 0 °С, що відноситься до тиску 101,3 кПа. З цього випливає, що при підвищенні зовнішнього тиску температура замерзання води знижується. Наведемо ще одну точку: при тиску 615 атм (6,23-104 кПа) температура замерзання води знижується до -5 °С.
За здатністю змішуватись між собою рідини різко відрізняються від газів. У рідинах, на противагу газам, важливу роль відіграє міжмолекулярна взаємодія. Тому змішуються між собою у будь-яких співвідношеннях лише такі рідини, які досить близькі за енергією міжмолекулярної взаємодії. Наприклад, між молекулами води не тільки діють ваідерваальсові сили, а й утворюються водневі зв'язки. Тому змішуються з водою різні рідини, молекули яких також можуть давати з водою водневі зв'язки: фтороводород, багато кисневмісних кислот, нижчі члени гомологічного ряду спиртів, ацетон та ін. Рідини, що не утворюють водневі зв'язки або перешкоджають утворенню таких зв'язків між молекулами води, з водою не змішуються, але можуть тією чи іншою мірою, тобто. обмежено,розчинятися. Так, спирти з радикалами, які з чотирьох і більше атомів вуглецю, обмежено розчинні у питній воді, оскільки радикали, опиняючись між молекулами води, заважають утворенню водневих зв'язків і виштовхуються з обсягу води.
Внутрішнє будова рідин характеризується як щодо вільним взаємним переміщенням молекул, і виникненням структури, що зближує рідина з твердим станом. Вище говорилося у тому, що у кристалах на впорядковано розташованих атомах відбувається розсіяння рентгенівських променів. Максимуми інтенсивності розсіювання виникають за певних кутах падіння вихідного променя на площині, утворені атомами всередині кристала. У рідинах відбувається розсіювання рентгенівського випромінювання. При невеликому вугіллі падіння, що відповідає розсіюванню на близько розташованих атомах, виникає максимум, що вказує на наявність упорядкованості в найближчому оточенні атома. Але при збільшенні кута падіння максимуми швидко згасають, що вказує на відсутність закономірного розташування для віддалених атомів. Таким чином, про рідини можна сказати, що в них виявляється ближній порядок,за відсутності далекого ладу.
Структурування рідин виявляється щодо різних фізичних властивостей. Відомо, наприклад, вода при охолодженні до 4°С ущільнюється, а при подальшому охолодженні знову починає розширюватися. Це пояснюється утворенням більш ажурної структури, що відповідає спрямованості водневих зв'язків між молекулами. Після замерзання ці зв'язки остаточно стабілізуються, що з зменшення щільності льоду.
