States of matter · ⁨Агрегатные состояния вещества⁩

Все вокруг вас состоит из крошечных частиц — это могут быть атомы, молекулы или ионы. Кинетическая теория частиц гласит, что эти частицы постоянно движутся. То, насколько близко расположены частицы, как они упорядочены и как двигаются, определяет, является ли вещество твердым, жидким или газообразным.

Свойства, которые можно наблюдать

Вам не нужен микроскоп, чтобы различить три состояния. Они ведут себя по-разному:

• Твердое тело имеет постоянную форму и постоянный объем. Оно не течет, и его нельзя сжать (уменьшить размер).
• Жидкость имеет постоянный объем, но не имеет постоянной формы. Она течет и принимает форму своего сосуда. Сжать ее почти невозможно.
• Газ не имеет ни постоянной формы, ни постоянного объема. Он течет и распространяется, заполняя весь сосуд. Газ легко сжимается.

Нижеприведенная таблица обобщает эти свойства. Плотность означает, сколько массы упаковано в данном объеме.

Частичная модель

Кинетическая теория частиц объясняет эти свойства через рассмотрение трех вещей: расстояния между частицами (насколько они удалены друг от друга), их упорядочения (паттерна) и их движения (как они двигаются).

Сильные силы притяжения удерживают частицы вместе. В твердом теле эти силы достаточно сильны, чтобы удерживать каждую частицу на месте, поэтому твердое тело сохраняет свою форму. В жидкости силы слабее, поэтому частицы могут перемещаться. В газе частицы движутся настолько быстро, что силы притяжения действуют едва ли вообще, поэтому газ расширяется.

При нагревании или охлаждении вещество может переходить из одного состояния в другое. Вы должны знать название каждого перехода.

Чистое твердое тело плавится при одной постоянной температуре — точке плавления. Чистая жидкость кипит при одной постоянной температуре — точке кипения. То же самое вещество замерзает при своей точке плавления и конденсируется при своей точке кипения.

Некоторые вещества переходят напрямую из твердого состояния в газообразное, минуя плавление. Это называется сублимацией. На фотографии ниже нагретый твердый йод в колбе превращается непосредственно в фиолетовый газ; затем газ охлаждается на круглой колбе со льдом сверху и снова превращается в твердое тело.

Объяснение переходов состояния с помощью кинетической теории

Каждый переход состояния на самом деле является изменением энергии частиц.

• При нагревании твердого тела частицы получают энергию и колеблются быстрее. При точке плавления частицы имеют достаточно энергии, чтобы освободиться от своих фиксированных мест и начать скользить — твердое тело плавится.
• При нагревании жидкости частицы движутся быстрее. При точке кипения они имеют достаточно энергии, чтобы полностью преодолеть силы притяжения и стать газом.
• Охлаждение делает обратное. Частицы теряют энергию, движутся медленнее, и силы притяжения стягивают их обратно вместе.

Во время перехода состояния энергия расходуется на разрыв сил притяжения, а не на то, чтобы заставить частицы двигаться быстрее. Вот почему температура остается неизменной, пока вещество плавится или кипит.

Кривые нагревания и охлаждения

Кривая нагревания — это график зависимости температуры от времени при равномерном нагревании вещества. Кривая охлаждения — тот же график, но при охлаждении вещества.

На кривой нагревания есть две горизонтальные (плоские) участка:

• Первая горизонтальная часть графика соответствует температуре плавления. Здесь одновременно присутствуют твердое и жидкое вещества. Тепловая энергия разрывает силы, удерживающие частицы в твердом состоянии, поэтому температура не повышается.
• Вторая горизонтальная часть графика соответствует температуре кипения. Здесь одновременно присутствуют жидкость и газ, и температура снова остается постоянной.

График охлаждения является обратным процессом. Он имеет горизонтальный участок при температуре кипения (конденсация газа) и горизонтальный участок при температуре плавления (замерзание жидкости). По мере замедления движения частиц тепловая энергия выделяется в окружающую среду.

Газ давит на стенки своего сосуда. Это давление, распределенное по площади стенки, называется давлением газа. Давление возникает из-за ударов частиц газа о стенки.

Влияние температуры

Если нагреть фиксированную массу газа, сохраняя давление неизменным, его объем увеличится.

С точки зрения частицкой теории: нагревание сообщает частицам больше кинетической энергии, они начинают двигаться быстрее. Они ударяются о стенки сильнее и чаще. Чтобы сохранить давление неизменным, газ должен занять больше пространства, поэтому объем увеличивается.

Если же объем фиксирован (герметичный жесткий сосуд), нагревание газа приводит к росту давления, потому что более быстрые частицы ударяются о стенки сильнее и чаще.

Влияние давления

Если увеличить давление на фиксированную массу газа, сохраняя температуру неизменной, его объем уменьшится. Сжатие газа в меньшем пространстве означает, что частицы ударяются о стенки чаще, что и есть повышение давления.

Диффузия — это распространение частиц из области, где они расположены густо, в область, где они расположены редко, то есть из зоны высокой концентрации в зону низкой концентрации. Она происходит потому, что частицы постоянно движутся в случайных направлениях.

Диффузия объясняет, почему можно почувствовать запах еды из другой комнаты: частицы запаха двигаются и смешиваются с воздухом, достигая ваших рецепторов. Диффузия происходит в газах и жидкостях, но не в твердых телах, так как частицы твердого тела не могут перемещаться от одного места к другому.

Скорость диффузии и молекулярная масса

Более легкие частицы газа движутся быстрее, чем тяжелые, при той же температуре. Поэтому газ с меньшей относительной молекулярной массой (меньшей массой каждой молекулы) имеет более высокую скорость диффузии.

Классический опыт это демонстрирует. Хлопок, смоченный в аммиаке ($\text{NH}_3$), помещают в один конец длинной стеклянной трубки. Хлопок, смоченный в хлороводороде ($\text{HCl}$), помещают в другой конец. Оба газа диффундируют вдоль трубки и встречаются, образуя белое кольцо хлорида аммония ($\text{NH}_4\text{Cl}$).

Аммиак имеет $M_r = 17$, а хлороводород — $M_r = 36.5$. Аммиак легче, поэтому он диффундирует быстрее и проходит большее расстояние по трубке. Белое кольцо образуется ближе к концу с хлороводородом.

Разобранный пример. Бром ($M_r = 160$) и аммиак ($M_r = 17$) выпускают одновременно с противоположных концов длинной трубки. Какой газ пройдет большее расстояние до встречи? Сравните относительные молекулярные массы. Относительная молекулярная масса аммиака ($M_r$) значительно меньше, поэтому его молекулы движутся быстрее при той же температуре и диффундируют быстрее. Следовательно, аммиак проходит большее расстояние, и два газа встречаются ближе к концу с бромом. Правило всегда гласит: «легче = быстрее» — аргументируйте, опираясь на $M_r$, а не на размер формулы на бумаге.

• Во время плавления и кипения температура остается постоянной (горизонтальные участки графика нагревания), поскольку энергия расходуется на разрыв связей между частицами, а не на увеличение их скорости.
• Испарение происходит только на поверхности и при любой температуре; кипение происходит во всем объеме жидкости при одной фиксированной температуре.
• Объясните поведение газов с помощью частицкой теории: нагревание газа при постоянном объеме повышает давление, так как частицы ударяются о стенки сильнее и чаще — сами частицы при этом не увеличиваются.
• Диффузия протекает быстрее для легких частиц (меньшая $M_r$) и не может происходить в твердых телах. В опыте с аммиаком и хлороводородом более легкий аммиак проходит большее расстояние, поэтому белое кольцо образуется ближе к концу с HCl.