Агрегатные состояния вещества

От рассмотрения состояния отдельных молекул переходим к рассмотрению строения вещества на макроуровне, т. е. на уровне множества частиц. В основе первичной классификации веществ, возникшей еще в глубокой древности, лежит разделение по наиболее общему геометрическому принципу — по способности сохранять объем и форму образуемых ими тел. Такое разделение приводит к трем классам состояний — газообразному, жидкому и твердому. Эти состояния называются агрегатными состояниями вещества. В последнее время к агрегатным состояниям принято причислять также плазму. Это состояние вещества возникает, как правило, при очень высоких температурах, при которых тепловое движение настолько энергично, что разрывает все химические связи и превращает вещество в смесь ионов. В этом состоянии не действует большинство химических законов, и поэтому оно не рассматривается в данном курсе.

Газообразное состояние (газ) — состояние вещества, не способное сохранять ни объем, ни форму. Газообразные тела стараются распространиться на весь свободный объем системы. В лабораторных условиях они заполняют все, даже очень маленькие связанные друг с другом геометрические полости, свободные от жидкостей и твердых тел. Газы проникают через самые мелкие отверстия и в очень узкие поры. В планетарных масштабах единственной силой, которая способна препятствовать их распространению, является гравитация. Достаточно тяжелые молекулы газов (в условиях Земли — начиная с азота) удерживаются у поверхности планеты, образуя ее атмосферу. Но самые легкие преодолевают тяготение и распространяются в космическое пространство. Именно поэтому в составе земной атмосферы нет водорода и гелия — всякая молекула этих газов, попадая в воздух, становится микроскопическим «космическим кораблем» и покидает Землю, становясь компонентом межпланетной среды Солнечной системы.

Жидкое состояние (жидкость) — состояние вещества, способное сохранять свой объем. Жидкости принимают форму сосуда, в котором они находятся, а будучи пролитыми, под действием сил тяготения занимают наинизшую доступную полость, ограниченную твердыми стенками. Теории, описывающие динамические процессы в жидкостях, весьма сложны и составляют предмет гидродинамики.

Твердое состояние (твердое тело) — состояние вещества, способное сохранять свои объем и форму. Твердые тела изменяют форму иод действием внешних сил.

Как связаны эти формы существования веществ в макромасштабах с известными нам законами атомов и молекул на микроуровне?

Прежде всего мы убеждаемся в том, что силы Ван-дер-Ваальса — действительно слабые в наших условиях силы. Убеждает нас в этом существование газов. Межмолекулярные силы не могут удержать и упорядочить частицы газов. Молекулы газа практически свободно движутся в пространстве, чем и объясняются их стремление полностью занять доступный объем, легкая сжимаемость и относительно небольшая плотность. Правда, и среди газов встречаются весьма плотные. Самым тяжелым газом при комнатной температуре является гексафторид вольфрама? Р₆. При температуре 25 °C его плотность в виде газа в 10 раз превышает плотность воздуха и составляет 12,9 г/л, т. е. в нем могут плавать некоторые виды пенопласта, например полистирольиый пенопласт ПСБ-С-15 лайт с плотностью 8—8,5 г/л!

Однако из всего разнообразия реальных индивидуальных веществ газами являются только немногие. Дело в том, что ван-дер-ваальсовские силы — дальнодействующие. И в этом они подобны гравитации. Так же как в гравитационных системах, в системах микрочастиц возникают связанные состояния, которые ограничивают движение в определенном объеме. В гравитационных системах связанные состояния возможны при скоростях, меньших некоторой критической (третья космическая скорость). В системах микрочастиц также существует предельная скорость, выше которой энергия теплового движения превосходит энергию ван-дер-ваальсовских взаимодействий. Эта скорость характеризуется критической температурой. При температурах ниже критической при сближении частиц (увеличении давления) газ конденсируется, и вещество переходит в конденсированное состояние. Так сложились физические условия на нашей планете, что подавляющее число веществ — более 90% по номенклатуре — в естественном состоянии (р = 1 атм и? = 25°С) находятся именно в конденсированном состоянии.

При температурах выше критической возникает особое агрегатное состояние — сверхкритическое (сверхкритические флюиды). Это состояние вещества, при котором исчезает различие между жидкой и газовой фазами. Любое вещество, находящееся при температуре и давлении выше критической точки, является сверхкритическим флюидом. Свойства вещества в сверхкритическом состоянии — промежуточные между его свойствами в газовой и жидкой фазах. В последнее время к этому состоянию проявляется повышенное внимание специалистов, работающих в области экологической химии и нанотехнологии.

Конденсированное состояние обычно разделяют на два класса агрегатных состояний — твердые вещества и жидкости.

Но это деление, вообще говоря, условно. В конденсированном состоянии резкой границы между жидкостями и твердыми телами по их механическим свойствам нет. Например, даже вода на коротком временном интервале проявляет свойства твердого тела (вспомним детскую забаву бросания плоских галек под острым углом к поверхности водоема или гидравлическое резание горных пород тонкими струями воды под давлением 800 атм). В то же время текут огромные соляные пласты — в Каспийской впадине осадочные породы выдавливают из недр пласты соли, которая под действием сил земного тяготения течет со скоростями от нескольких миллиметров до нескольких метров в год, образуя «соляные крышки» нефтяных и газовых месторождений. А к какому агрегатному состоянию отнести воск, тесто, глину?