Глава 8. Строение вещества.

Глава 8. Строение вещества
8.1. Агрегатные состояния вещества

Химики изучают превращения веществ, находящихся в трех агрегатных состояниях – газообразном (газы), жидком (жидкости) и твердом (твердые аморфные тела либо кристаллы) (табл. 8.1).

8.2. Газы

Газообразному состоянию присущи две особенности:

1) расстояние между молекулами обычно в несколько раз превышает их размеры;

2) газы способны занимать весь объем предоставленного им пространства.

Газы в отличие от жидкостей и твердых тел могут сравнительно легко сжиматься. Для того чтобы хорошо понимать особенности строения газообразного вещества, нужно знать, чему равен молярный объем газа, какова взаимосвязь между занимаемым газом объемом и количеством вещества, температурой и давлением, как определить среднее расстояние между молекулами газа и как оно зависит от его давления, с какой скоростью двигаются молекулы газообразного вещества и от чего эта скорость зависит.

Молярный объем газа – постоянная величина, поскольку она мало зависит от природы вещества. Молярный объем при давлении 1 атм (101,3 кПа) и температуре 0 °С (273 K) по закону Авогадро равен 22,4 л. Газ, строго подчиняющийся закону Авогадро, принято называть идеальным.

Выбранные условия (1 атм, 0 °С) названы нормальными (н.у.). В школьных курсах химии и физики незначительными отклонениями свойств реальных газов от вытекающих из закона Авогадро для идеального газа пренебрегают. Естественно, что молярный объем газа зависит от температуры и давления. При 25 °С и давлении 1 атм (эти условия названы стандартными) молярный объем идеального газа равен уже 24,4 л.

Молярные объемы реальных газов при одних и тех же условиях несколько отличаются от молярного объема идеального газа (табл. 8.2).

Поясним понятие молярного объема на примере следующего мысленного эксперимента. В цилиндрический сосуд, разделенный на две равные части резиновой мембраной, помещены равные количества веществ хлора и водорода (рис. 8.1) (газы считать идеальными). Произойдет ли выдавливание резиновой мембраны, разделяющей сосуд, в сторону одного из газов?

Рис. 8.1.
Сравнение давлений, создаваемых
равными количествами веществ
хлора и водорода

При ответе на поставленный вопрос необходимо иметь в виду, что давление газа создается за счет ударов его молекул о стенки сосуда. Поскольку количества молекул с обеих сторон мембраны равны, а масса молекулы хлора почти в 35,5 раза больше массы молекулы водорода, можно предположить, что молекулы хлора создадут большее давление и перегородка выдавится в сторону водорода.

Однако этот ответ неверен, потому что не учтено различие в скоростях движения молекул хлора и водорода. Молекулы водорода двигаются быстрее. Увеличение массы молекулы газа компенсируется уменьшением скорости ее движения. Поэтому давления, создаваемые различными газами, в итоге окажутся равными. Формулировку закона Авогадро в связи с вышеизложенным можно изменить: газы при одинаковых условиях занимают равные объемы, а значит, создают равные давления.

Скорость движения молекул газов. Очевидно, что молекулы газа в один и тот же момент времени движутся с разными скоростями. В расчетах скоростей движения молекул воздуха при 20 °С были получены данные, представленные в табл. 8.3.

Легко рассчитать среднюю квадратичную скорость движения молекул газа, зная зависимость скорости движения молекулы от ее массы и температуры:

Результаты расчетов для ряда молекул приведены в табл. 8.4.

Рис. 8.2.
Зависимость объема газа
от давления при постоянной температуре

Средние расстояния между частицами газов. Определим в качестве примера среднее расстояние между атомами гелия при температуре 0 °С и атмосферном давлении. Один моль атомов гелия в этих условиях займет объем 22,4 л. Найдем объем, приходящийся на один атом гелия. С этой целью объем 22,4 л разделим на количество находящихся в нем атомов (6,02•1023). На один атом приходится объем 3,72•10–23 л.

Если принять, что каждый атом гелия расположен в центре кубика такого объема (рис. 8.3), то ближайшее расстояние между атомами примерно равно корню кубическому из этого объема:

Рис. 8.3.
Геометрический способ оценки среднего расстояния
между молекулами газообразного вещества

8.3. Жидкости

Жидкости занимают промежуточное положение между твердыми веществами и газами (табл. 8.5). Например, силы притяжения между частицами (атомы, ионы, молекулы) в жидкостях слабее, чем в твердых веществах, но больше, чем в газах. Поэтому частицы жидкостей все же удерживаются вместе в каком-либо объеме. Однако в отличие от твердых веществ в жидкостях силы притяжения недостаточны, чтобы соединить частицы в упорядоченные структуры. Поэтому жидкости не имеют определенной формы. Тем не менее некоторые экспериментальные данные свидетельствуют о том, что частицы в жидкостях все же способны упорядочиваться, образуя небольшие и малоустойчивые кластеры. Образование кластеров более характерно для полярных жидкостей, чем для неполярных.

Частицы жидкости, подобно частицам газа, находятся в состоянии непрерывного движения. Впервые это экспериментально обнаружил английский ботаник Роберт Броун в 1827 г. Он наблюдал в микроскоп за крохотными зернышками, плавающими на поверхности воды, и заметил, что они непрерывно совершают хаотические зигзагообразные движения. Это так называемое броуновское движение объясняется столкновениями частиц жидкости с зернышками.

Рассмотрим некоторые свойства, присущие жидкостям.

Испарение. С открытой поверхности жидкости некоторые ее частицы постепенно улетают в газовую фазу. Этот процесс называется испарением. Скорость испарения возрастает при хотя бы одном из следующих условий: увеличении площади поверхности жидкости, повышении температуры, уменьшении внешнего давления. Давление, создаваемое вылетающими из жидкости частицами, называется давлением пара данной жидкости.

Кипение. Жидкость начинает кипеть, когда давление ее пара достигает внешнего давления. Температура, при которой это происходит, называется температурой (точкой) кипения. При кипении жидкости внутри нее образуются пузырьки пара, и это вызывает ее бурление. Температуру кипения жидкости можно понизить, если уменьшить внешнее давление. При постоянном давлении температура кипящей жидкости остается неизменной до ее полного выкипания.

Замерзание. Частицы жидкости двигаются с достаточно большими скоростями, что препятствует образованию кристаллической решетки под действием сил притяжения между ними. Однако при охлаждении жидкости силы притяжения все больше ограничивают движение частиц с невысокой кинетической энергией. В результате такие частицы удерживаются в фиксированных положениях, как в кристаллической решетке. Температура, при которой наступает равновесие между жидким и твердым состояниями вещества, называется температурой (точкой) замерзания жидкости.

Текучесть и вязкость. Подобно газам жидкости могут течь, и это их свойство называется текучестью. Сопротивляемость течению называется вязкостью. На текучесть и вязкость влияет целый ряд факторов. Наиболее важными из них являются силы притяжения между молекулами жидкости, а также форма, структура и относительная молекулярная масса этих молекул. Текучесть жидкости, состоящей из больших молекул, ниже, чем жидкости, состоящей из малых молекул. Вязкости жидкостей в среднем в 100 раз выше вязкостей газов.

Поверхностное натяжение. На молекулу, находящуюся в глубине жидкости, со всех сторон равномерно действуют силы межмолекулярного притяжения. На поверхности жидкости эти силы оказываются несбалансированными. Вследствие этого поверхностные молекулы испытывают действие результирующей силы, направленной внутрь жидкости. Поэтому поверхность жидкости оказывается в состоянии натяжения: она все время стремится сократиться. Поверхностное натяжение жидкости – это минимальная сила, которая необходима, чтобы преодолеть устремление частиц жидкости внутрь и тем самым удержать ее поверхность от сокращения. Существованием поверхностного натяжения объясняется сферическая форма свободно падающих капель жидкости.

Диффузия. Так называется процесс переноса вещества из области с высокой концентрацией или высоким давлением в область с меньшей концентрацией или меньшим давлением. Диффузия в жидкостях осуществляется гораздо медленнее, чем в газах, потому что частицы жидкости упакованы гораздо плотнее, чем частицы газа. Частица, диффундирующая в жидкости, подвергается частым столкновениям и потому продвигается с трудом. В газах между частицами много свободного пространства, и они могут перемещаться значительно быстрее. Диффузия осуществляется между взаимно растворимыми или смешивающимися жидкостями. Она не происходит между несмешивающимися жидкостями. В отличие от жидкостей все газы смешиваются друг с другом, и поэтому диффузия одного в другой протекает легко.

8.4. Твердые вещества

Твердые вещества состоят из плотноупакованных частиц. Этими частицами могут быть атомы, молекулы или ионы. Большинство твердых веществ находится в кристаллической форме. Это означает, что образующие их частицы предельно упорядочены в регулярной пространственной структуре.

Существуют, однако, и такие твердые вещества, в которых частицы не настолько упорядочены, чтобы образовать регулярную кристаллическую структуру. Такие твердые вещества называют аморфными. Примером аморфного вещества является стекло, в котором частицы расположены беспорядочно. К аморфным веществам относится большинство полимеров. Полимерные молекулы имеют неодинаковые размеры и поэтому не способны плотно упаковаться с образованием упорядоченной структуры.

Одно время считалось, что древесный уголь, кокс и сажа (разные формы углерода) являются аморфными веществами. Однако рентгеноструктурный анализ показал, что все эти формы углерода состоят из мелких графитоподобных кристаллов.

Рассмотрим некоторые свойства, присущие твердым веществам.

По сравнению с двумя другими состояниями (газообразное и жидкое) твердые вещества имеют наибольшую упорядоченность. Именно этой высокой упорядоченностью объясняются многие физические свойства твердых веществ.

Вещества общей химической формулы (например, М Кисл. ост., где М – металл), имеющие кристаллическую решетку одного типа, называются изоморфными. Изоморфизм обнаруживается, например, у нитрата натрия NaNO3 и карбоната кальция СаСО3, находящегося в форме минерала кальцита. Оба этих вещества имеют ромбоэдрическую кристаллическую структуру.

Способность какого-либо соединения (сложного вещества) существовать в двух и более кристаллических формах называют полиморфизмом. Примером полиморфного соединения является кремнезем, или оксид кремния(IV) SiO2. В его каркасной ковалентной структуре каждый атом кремния связан с четырьмя атомами кислорода, образуя тетраэдрическую упаковку. К числу кристаллических форм кремнезема относится кварц, который существует в нескольких полиморфных модификациях. При нагревании гексагональная структура кварца при 870 °С переходит в ромбическую, а затем при 1470 °С в кубическую. При 1710 °С кварц плавится. Температура, при которой одна форма превращается в другую, называется температурой перехода.

Если какой-либо химический элемент может существовать в виде двух или нескольких простых веществ (например, кислород и озон), то считается, что он проявляет аллотропию. Различные формы одного элемента называют аллотропами. Аллотропия может быть обусловлена образованием кристаллов различной модификации (например, алмаз и графит). В этом примере аллотропия – частный случай полиморфизма. Аллотропия известна для приблизительно половины элементов.

Например, углерод существует в виде либо алмаза, либо графита. Сера может находиться в двух кристаллических формах – ромбической и моноклинной – в зависимости от температуры (рис. 8.4).

Рис. 8.4.
Ромбическая (а) и моноклинная (б)
аллотропные модификации серы

Обе кристаллические формы серы являются примерами молекулярных кристаллов. Молекулы в них представляют собой гофрированные циклы, в каждом из которых содержится по восемь ковалентно связанных атомов серы:

Твердая сера может существовать также в третьей аллотропной форме – пластической серы, состоящей из длинных цепочек атомов серы. Эта форма является самой неустойчивой. Уже при комнатной температуре цепочки пластической серы разрушаются, образуя молекулы S8, кристаллизирующиеся в ромбическую структуру серы.

Фосфор также может существовать в трех аллотропных формах. Красный фосфор имеет каркасную кристаллическую структуру, в которой каждый атом ковалентно связан с тремя другими атомами фосфора. Белый фосфор представляет собой молекулярный кристалл, каждая молекула которого содержит четыре атома фосфора, ковалентно связанных в тетраэдрическую структуру. Третий аллотроп – черный фосфор – образуется из белого и красного при высоких давлениях и существует в виде макромолекулярной слоистой структуры.

Сжимаемость твердых веществ практически равна нулю. Все твердые вещества имеют определенный объем. Одним из наиболее известных свойств твердых веществ является их способность сохранять свою форму. В отличие от жидкостей и газов твердые вещества способны выдерживать значительные внешние нагрузки. Плотность каждого вещества в твердом состоянии значительно выше, чем в газообразном, и несколько больше, чем в жидком (исключением является вода, которая обладает большей плотностью, чем лед).

Кристаллические твердые вещества имеют строго определенную температуру плавления. Аморфные вещества, например стекла, размягчаются в интервале температур.

Все твердые вещества характеризуются давлением пара, хотя оно, как правило, очень мало. Особенно мало давление пара у твердых веществ с ионной кристаллической решеткой.

Энтальпии (теплоты) плавления твердых веществ намного меньше, чем энтальпии испарения соответствующих жидкостей.

Твердые вещества могут значительно отличаться друг от друга по своим пластическим свойствам. Некоторые из них, например ионные вещества, обычно раскалываются под большой нагрузкой. Такое свойство называется хрупкостью. Другие, например резина, являются упругими. После удаления внешней нагрузки они приобретают первоначальную форму.

Многие металлы обладают свойствами ковкости и тягучести. Ковкий металл можно сплющить в тонкий лист, а тягучий вытянуть в тонкую проволоку.

Различаются твердые вещества и по способности проводить тепло и электрический ток. Металлы обычно обладают хорошей тепло- и электропроводностью. Неметаллические вещества хуже проводят тепло и являются изоляторами.

Если свойства кристалла зависят от направления в пространстве, то он называется анизотропным. Так, графит проводит электрический ток только вдоль своих слоев. Вещество, свойства которого одинаковы во всех направлениях, называется изотропным.

Физические свойства твердых веществ в значительной степени зависят от типа химической связи и структуры. Наблюдаемые при этом закономерности отражены в табл. 8.6.

Рис. 8.5.
Геометрический способ оценки
межъядерного расстояния
в твердом веществе

Откуда r(Li) = 0,137 нм. Приведенное в справочнике значение радиуса атома лития составляет 0,155 нм.

8.5. Упражнения