Газы и жидкости

Изучив содержание главы 7, студенты должны: знать

• • представления об агрегатных состояниях вещества и их взаимных переходах;
• • методы разделения и очистки жидкостей;
• • характеристику и законы газообразного состояния вещества;
• • состав и свойства воздуха как главного компонента среды обитания человека;
• • характеристики жидкого состояния вещества;
• • понятие о жидко-кристаллическом состоянии вещества; уметь
• • производить расчеты по законам идеального газа;
• • характеризовать изменения состояния газа при изменении давления и температуры;
• • объяснять диаграмму состояния жидкости на примере воды; владеть
• • навыками решения задач на свойства и фазовые переходы жидкостей и газов.

Агрегатные состояния вещества

Кроме химических превращений, претерпеваемых веществами при их взаимодействии, а иногда и при изменении температуры, веществам присущи переходы между агрегатными состояниями. Твердое, жидкое и газообразное агрегатные состояния вещества называются также фазовыми состояниями. Соответственно переходы между ними называют фазовыми превращениями.

Фазой называется совокупность одинаковых, но составу и свойствам частей системы, имеющих поверхность соприкосновения с другими частями или частью системы.

Система^[1], состоящая из двух или нескольких фаз, называется гетерогенной. Система, состоящая из одной фазы, называется гомогенной.

Некоторое количество жидкой воды представляет собой гомогенную (однофазную) систему. Если вода начинает замерзать и на ее поверхности образуется слой льда, то система становится гетерогенной. Система стала бы гетерогенной и в том случае, если в воду бросить кубик льда, кусочки льда или некоторое количество снега (рис. 7.1). При О °С между фазами имелось бы состояние равновесия. Если же температура воды выше нуля, например +3 °С, то лед тает, т. е. вода переходит из фазы льда в фазу жидкости.

Рис. 7.1. Система «жидкая вода, лед и воздух».

Выбор системы диктуется решаемой задачей. Если бы мы рассматривали не только таяние и замерзание воды, но и испарение, то в состав системы пришлось бы включить газовую фазу — воздух над поверхностью жидкой воды или некоторый объем, заполненный только парами воды.

Наиболее обычны три агрегатных состояния — твердое (кристаллическое), жидкое и газообразное. Известно также аморфное, или стеклообразное, состояние, имеющее признаки как жидкого, так и твердого вещества. При очень высокой температуре возникает еще одно состояние вещества — плазма, по ряду признаков близкое к газу, но характеризующееся наличием в горячей смеси не только атомов, но и заряженных частиц — электронов и ионов. При чрезвычайно высокой температуре в центральных частях звезд плазма состоит из электронов и атомных ядер.

При изменении температуры и давления между агрегатными состояниями наблюдаются переходы, представленные на следующей схеме.

Переход из кристаллического состояния в жидкое характеризуется температурой плавления, а обратный переход — температурой затвердевания. Это одна и та же температура, при которой устанавливается равновесие между жидкостью и кристаллическим веществом. Эта температура не очень сильно зависит от давления.

Не все вещества могут находиться в любом из трех агрегатных состояний. При нагревании твердого вещества может начаться разложение прежде достижения температуры плавления, а иногда в процессе плавления. Большинство гидроксидов металлов, карбонатов и ряд других солей с оксоанионами разлагаются до оксидов, не плавясь. Гидроксид кальция начинает терять воду, не плавясь, при 580 °C. Образовавшийся твердый оксид кальция плавится при 2898 °C. Сахароза плавится с одновременным разложением при 185,5 °С. Некоторые вещества можно расплавить только под давлением. Мышьяк сублимирует при 614 °C, но под давлением 30 атм плавится при 817 °C. Ясно, что можно привести еще больше примеров веществ, которые вследствие своей термической неустойчивости не могут быть переведены в газообразное состояние.

У жидкости нет определенной температуры перехода в газообразное состояние. Если над поверхностью находится газ (воздух), то идет испарение жидкости, и ее пар примешивается к воздуху. При повышении температуры испарение усиливается и концентрация пара повышается. Жидкость закипает, когда давление ее пара становится равным внешнему давлению. Соответствующая температура называется температурой кипения. В справочных таблицах обычно приводится температура кипения при нормальном атмосферном давлении. Газ начинает превращаться в жидкость, когда его давление превышает собственное давление пара жидкой фазы вещества. Это происходит при сжатии газа и (или) при понижении температуры.

Фазовые превращения имеют огромное практическое значение. Безусловно, важнейшим превращением такого рода является испарение воды с поверхности всех водных бассейнов и перенос ее в атмосфере с последующей конденсацией и выпадением в виде дождей, снега и др. Только этот процесс обеспечивает все живое на земной поверхности пресной водой. Помимо испарения воды с водных поверхностей, происходит и сублимация с поверхностей полярных и горных ледников, снежного покрова зимой. Среди важных технологических процессов следует упомянуть литье металлов. Сжиженный воздух и углекислый газ в твердом состоянии применяются в качестве средств охлаждения.

Фазовые переходы применяются для разделения и очистки веществ. Из смеси жидкостей при нагревании в первую очередь испаряется более летучая составная часть. Поэтому сконденсированный пар содержит большую долю летучей жидкости, чем исходная смесь. Процесс испарения и последующей конденсации жидкости называется перегонкой. На рис. 7.2 представлен лабораторный аппарат для перегонки. Многократная перегонка позволяет достигнуть высокой степени разделения жидкостей. При перегонке происходит также очистка жидкости от нелетучих растворенных веществ.

В XX в. к методу очистки веществ перегонкой добавился метод зонной плавки, с помощью которого достигается глубокая очистка вещества (получение вещества квалификации осч). Принципиальная схема установки для зонной плавки представлена на рис. 7.3. В цилиндрическом слитке вещества подвергается плавлению тонкая зона с помощью особого кольцевого нагревателя, медленно перемещающегося вдоль слитка. По фронту перемещения вещество плавится, а с тыльной стороны кристаллизуется. В процессе кристаллизации примеси преимущественно вытесняются в жидкую фазу, что приводит к их перемещению вместе с расплавленной зоной к концу слитка. После многократного прохождения нагревателя в одном и том же направлении вдоль слитка большая часть примесей концентрируется в той части слитка, к которой перемещается расплавленная зона. Очищенная часть вещества отделяется и используется для производства изделий.

Рис. 7.2. Лабораторный аппарат для перегонки жидкости:

• 1 — колба для исходной жидкости; 2 — водяной холодильник;
• 3 — аллонж; 4 — приемник для конденсата (очищенной жидкости)

Рис. 7.3. Схема аппарата для зонной плавки (в разрезе):

1 — контейнер; 2 — очищаемый материал; 3 — фронт плавления; 4 — граница затвердевания; 5 — перемещающийся кольцевой нагреватель.

• [1] Понятие «система» подробнее будет рассмотрено в гл. 9.