Свойства веществ в различных состояниях
Общие сведения
В физической химии и естествознании фундаментальное значение имеет изучение агрегатных состояний вещества, определяющих его макроскопические физико-химические характеристики. Принципиально выделяют четыре основных агрегатных состояния: твердое, жидкое, газообразное и плазменное. При этом в природе отсутствуют абсолютно резкие границы между данными состояниями, а фазовые переходы часто носят длительный характер и происходят в определенном температурном диапазоне. Так, процесс кипения воды и переход из жидкого в газообразное состояние протекает с постепенным поглощением теплоты. Наряду с основными состояниями существуют промежуточные формы организации материи, такие как жидкие кристаллы.
С точки зрения космологии и астрофизики, газообразное состояние является наиболее распространенным во Вселенной. Бесконечные космические пространства заполнены межзвездным газом, преимущественно водородом, находящимся в крайне разреженном состоянии. Плазменное состояние также представляет собой макроскопическую основу Вселенной, поскольку именно в виде плазмы существует материя внутри звезд. Жидкое состояние, напротив, в макромасштабах встречается значительно реже и представлено в основном замерзшими или открытыми водоемами на поверхности некоторых планет. Свойства каждого агрегатного состояния определяются соотношением кинетической энергии хаотического движения микрочастиц и потенциальной энергии их межмолекулярного взаимодействия.
Классификация
Классификация состояний вещества базируется на степени упорядоченности структуры и характере взаимодействия частиц. Газообразное состояние характеризуется отсутствием дальнего и ближнего порядка. В идеальном газе взаимодействие между частицами условно принимается равным нулю, а кинетическая энергия молекул достигает максимальных значений. Реальные газы отличаются наличием определенного межмолекулярного взаимодействия и собственного объема молекул.
Плазменное состояние представляет собой частично или полностью ионизированный газ. В зависимости от энергии системы выделяют высокотемпературную плазму (вещество звезд) и низкотемпературную плазму (например, огонь в земных условиях). В плазме молекулы и атомы теряют свою нейтральность, образуя сложную смесь ионов, электронов и специфических заряженных частиц.
Жидкое состояние занимает промежуточное положение, характеризуясь наличием ближнего порядка. Молекулы в жидкостях находятся на близком расстоянии друг от друга, что обуславливает развитие значительных сил межмолекулярного взаимодействия. Специфической формой организации материи выступает жидкокристаллическое состояние, свойственное преимущественно органическим веществам. Жидкие кристаллы подразделяются на два основных типа в зависимости от пространственной ориентации молекул: нитевидные (нематические), где молекулы ориентированы параллельно друг другу подобно нитям, и слоистые (смектические), характеризующиеся упорядоченным расположением частиц в параллельных слоях.
Твердое состояние подразделяется на кристаллическое и аморфное. В кристаллических веществах микрочастицы строго регулярно расположены в трехмерном пространстве, образуя кристаллическую решетку с дальним порядком. В зависимости от строения выделяют монокристаллы (с единой непрерывной решеткой) и поликристаллы (состоящие из множества зерен). Аморфные твердые тела, к которым относятся стекла, а также специфические состояния серы, селена, углерода и фосфора, не имеют строгой пространственной структуры решетки и по своему внутреннему строению ближе к переохлажденным жидкостям.
Способы получения
Перевод вещества из одного агрегатного состояния в другое осуществляется путем целенаправленного изменения термодинамических параметров системы, прежде всего температуры и давления. Газообразное состояние переходит в жидкое при охлаждении, когда кинетическая энергия молекул снижается до уровня, при котором силы межмолекулярного взаимодействия становятся доминирующими и способны удерживать частицы в едином объеме.
Получение плазменного состояния достигается приложением к газу колоссальной тепловой энергии (нагрев до десятков тысяч градусов) или электромагнитного воздействия, что приводит к ионизации нейтральных молекул. В условиях низкотемпературной плазмы возможно получение химически экзотических ионизированных молекул и комплексов, таких как трехатомный водород или двухатомный гелий, существование которых в стандартных условиях невозможно из-за их нестабильности.
Твердые аморфные состояния традиционно получают путем быстрого охлаждения расплавов, препятствующего формированию правильной кристаллической решетки. Во второй половине двадцатого века были разработаны технологические методы перевода в аморфное (стеклообразное) состояние металлов. Получение таких металлических стекол требует сверхвысоких скоростей охлаждения.
Образование жидкокристаллических структур в природе часто происходит спонтанно при растворении определенных органических веществ. Характерным примером является растворение жиров в воде, что ведет к образованию упорядоченных жидкокристаллических фаз, играющих критически важную роль в формировании клеточных мембран и иных биологических структур.
Свойства
В газообразном состоянии вещество обладает способностью полностью заполнять весь предоставленный объем и принимать форму содержащего его сосуда. Газы отличаются высокой сжимаемостью и способностью к образованию абсолютно однородных смесей. Физические характеристики идеальных газов описываются уравнением Менделеева-Клапейрона и законом Гей-Люссака, устанавливающим прямую пропорциональную зависимость между объемом и температурой. Для описания свойств реальных газов применяются более сложные математические модели, такие как уравнение Ван-дер-Ваальса, учитывающие собственный объем микрочастиц и силы их взаимного притяжения.
Жидкости характеризуются текучестью и способностью принимать форму той части сосуда, которую они заполняют. В условиях невесомости жидкости стремятся принять форму шара из-за сил поверхностного натяжения. Важнейшим свойством жидкостей является их изотропность — полная идентичность физических свойств в любой точке и по любому выбранному направлению. Жидкости практически несжимаемы, так как доля свободного объема между молекулами крайне мала.
Жидкие кристаллы объединяют текучесть жидкостей с анизотропией твердых кристаллов. Их физические, оптические и электрические свойства существенно различаются в зависимости от направления измерения (вдоль или поперек ориентации молекулярных нитей или слоев). Структура жидких кристаллов отличается высокой чувствительностью и обратимо изменяется под воздействием нагревания, механических напряжений, а также при наложении внешних электрических или магнитных полей.
Твердые тела характеризуются сохранением собственной формы, отсутствием текучести, высокой механической прочностью и практически нулевой сжимаемостью. В кристаллах средние расстояния между частицами равны размерам самих частиц, а энергия связи многократно превышает кинетическую энергию их теплового движения. Частицы совершают лишь тепловые колебания вокруг фиксированных положений равновесия. Кристаллические вещества обладают строгой температурой плавления: при достижении этой точки твердое тело моментально переходит в жидкое состояние. Аморфные твердые тела лишены точной температуры плавления и при нагревании постепенно размягчаются в широком температурном диапазоне, переходя в вязкотекучее состояние.
Применение
Сложные уравнения состояния реальных газов находят широчайшее практическое применение в нефтегазодобывающей отрасли. При расчете параметров добычи, транспортировки и переработки природного газа используются многоэтажные математические модели, обеспечивающие точное предсказание поведения газовых смесей при различных давлениях и температурах.
Специфические электромагнитные свойства плазмы позволяют эффективно управлять ее потоками с помощью внешних магнитных полей. Этот принцип, основанный на воздействии магнитного поля на заряженные частицы ионов и электронов, используется в современных технологиях удержания плазмы в термоядерных реакторах и плазменных двигателях.
Способность жидких кристаллов изменять свою пространственную структуру и оптические характеристики под действием слабых электрических импульсов стала фундаментом для развития современной оптоэлектроники. Данные материалы массово применяются при производстве дисплеев, компьютерных мониторов, буквенно-цифровых индикаторов и электронных термометров. Металлические стекла (аморфные металлы), благодаря отсутствию кристаллических дефектов и границ зерен, обладают уникальными механическими свойствами и повышенной устойчивостью к химической коррозии, что делает их перспективными материалами для агрессивных сред.
См. также
Свойства д-элементов 1 и 2 групп Свойства и применение полимеров