W przeciwieństwie do gazów, pomiędzy cząsteczkami cieczy działają dość duże siły wzajemnego przyciągania, co determinuje wyjątkowy charakter ruchu molekularnego. Ruch termiczny cząsteczki cieczy obejmuje ruch wibracyjny i translacyjny. Każda cząsteczka oscyluje przez pewien czas wokół pewnego punktu równowagi, po czym porusza się i ponownie przyjmuje nowe położenie równowagi. To decyduje o jego płynności. Siły przyciągania międzycząsteczkowego uniemożliwiają cząsteczkom oddalanie się od siebie podczas ruchu. Ogólny efekt przyciągania cząsteczek można przedstawić jako ciśnienie wewnętrzne cieczy, które osiąga bardzo wysokie wartości. Wyjaśnia to stałość objętości i praktyczną nieściśliwość cieczy, chociaż łatwo przyjmują one dowolny kształt.
Właściwości cieczy zależą również od objętości cząsteczek, ich kształtu i polarności. Jeśli cząsteczki cieczy są polarne, wówczas następuje połączenie (połączenie) dwóch lub więcej cząsteczek w złożony kompleks. Takie płyny nazywane są powiązany płyny. Powiązane ciecze (woda, aceton, alkohole) mają wyższą temperaturę wrzenia, są mniej lotne i mają wyższą stałą dielektryczną. Na przykład alkohol etylowy i eter dimetylowy mają ten sam wzór cząsteczkowy (C2H6O). Alkohol jest cieczą towarzyszącą i wrze w wyższej temperaturze niż eter dimetylowy, który jest cieczą niezwiązaną.
Stan ciekły charakteryzuje się takimi właściwościami fizycznymi jak gęstość, lepkość, napięcie powierzchniowe.
Napięcie powierzchniowe.
Stan cząsteczek znajdujących się w warstwie powierzchniowej różni się znacznie od stanu cząsteczek znajdujących się głęboko w cieczy. Rozważmy prosty przypadek - ciecz - para (ryc. 2).
Ryż. 2.
Na ryc. 2 cząsteczka (a) znajduje się wewnątrz cieczy, cząsteczka (b) znajduje się w warstwie powierzchniowej. Kule wokół nich to odległości, na które rozciągają się siły przyciągania międzycząsteczkowego otaczających cząsteczek.
Na cząsteczkę (a) działają równomiernie siły międzycząsteczkowe pochodzące od otaczających ją cząsteczek, dlatego siły oddziaływania międzycząsteczkowego są kompensowane, a wypadkowa tych sił wynosi zero (f = 0).
Gęstość pary jest znacznie mniejsza niż gęstość cieczy, ponieważ cząsteczki znajdują się w dużych odległościach od siebie. Dlatego cząsteczki znajdujące się w warstwie powierzchniowej nie doświadczają prawie żadnej siły przyciągania ze strony tych cząsteczek. Wypadkowa wszystkich tych sił zostanie skierowana do cieczy prostopadle do jej powierzchni. Zatem cząsteczki powierzchniowe cieczy znajdują się zawsze pod wpływem siły, która wciąga je do wewnątrz, a tym samym zmniejsza powierzchnię cieczy.
Aby zwiększyć interfejs cieczy, należy wykonać pracę A (J). Praca wymagana do zwiększenia powierzchni styku S o 1 m 2 jest miarą energii powierzchniowej lub napięcie powierzchniowe.
Zatem napięcie powierzchniowe d (J/m 2 = Nm/m 2 = N/m) jest wynikiem nieskompensowanych sił międzycząsteczkowych w warstwie powierzchniowej:
d = F/S (F – energia powierzchniowa) (2.3)
Istnieje wiele metod określania napięcia powierzchniowego. Do najpopularniejszych należą metoda stalagmometryczna (metoda liczenia kropli) oraz metoda maksymalnego ciśnienia pęcherzyków gazu.
Stosując metody analizy dyfrakcji promieni rentgenowskich ustalono, że w cieczach występuje pewien porządek w przestrzennym rozmieszczeniu cząsteczek w poszczególnych mikroobjętościach. W pobliżu każdej cząsteczki obserwuje się tzw. porządek krótkiego zasięgu. Oddalając się od niego na pewną odległość, ten wzór zostaje naruszony. A w całej objętości cieczy nie ma porządku w ułożeniu cząstek.
Ryż. 3.
Lepkość z (Pa s) - właściwość stawiania oporu ruchowi jednej części cieczy względem drugiej. W życiu praktycznym człowiek ma do czynienia z dużą różnorodnością układów płynnych, których lepkość jest różna - woda, mleko, oleje roślinne, śmietana, miód, soki, melasa itp.
Lepkość cieczy wynika z sił międzycząsteczkowych, które ograniczają ruchliwość cząsteczek. Zależy to od rodzaju cieczy, temperatury, ciśnienia.
Do pomiaru lepkości stosuje się przyrządy zwane wiskozymetrami. Wybór wiskozymetru i metody wyznaczania lepkości zależy od stanu badanego układu i jego stężenia.
W przypadku cieczy o małej lepkości lub niskim stężeniu powszechnie stosuje się wiskozymetry kapilarne.
W przyrodzie woda występuje w trzech stanach:
- stan stały (śnieg, grad, lód);
- stan ciekły (woda, mgła, rosa i deszcz);
- stan gazowy (para).
Już od najmłodszych lat, już w szkole, badają różne stany fizyczne wody: mgłę, opady deszczu, grad, śnieg, lód itp. Jest taki, który jest szczegółowo studiowany w szkole. Spotykają nas każdego dnia i wpływają na nasze życie. – jest to stan wody o określonej temperaturze i ciśnieniu, który charakteryzuje się w określonym przedziale.
Należy wyjaśnić podstawowe pojęcia stanu wody, że stan mgły i stan zachmurzenia nie mają związku z tworzeniem się gazów. Pojawiają się podczas kondensacji. Jest to wyjątkowa właściwość wody, która może znajdować się w trzech różnych stanach skupienia. Trzy stany wody są niezbędne dla planety; tworzą one cykl hydrologiczny i zapewniają proces obiegu wody w przyrodzie. W szkole pokazują różne eksperymenty dotyczące parowania i. W każdym zakątku natury woda jest uważana za źródło życia. Jest czwarty stan, nie mniej ważny - woda Deryagin (wersja rosyjska) lub jak to się obecnie powszechnie nazywa - woda nanorurkowa (wersja amerykańska).
Stan stały wody
Kształt i objętość zostają zachowane. W niskich temperaturach substancja zamarza i zamienia się w ciało stałe. Jeśli ciśnienie jest wysokie, wymagana jest wyższa temperatura krzepnięcia. Ciało stałe może być krystaliczne lub amorficzne. W krysztale położenie atomu jest ściśle uporządkowane. Kształty kryształów są naturalne i przypominają wielościan. W ciele amorficznym punkty są rozmieszczone chaotycznie i oscylują; zachowany jest w nich jedynie porządek bliskiego zasięgu.
Stan ciekły wody
W stanie ciekłym woda zachowuje swoją objętość, ale nie zachowuje swojego kształtu. Rozumiemy przez to, że ciecz zajmuje tylko część objętości i może przepływać po całej powierzchni. Studiując w szkole zagadnienia stanu ciekłego należy pamiętać, że jest to stan pośredni pomiędzy ośrodkiem stałym a gazowym. Ciecze dzielą się na stany czyste i mieszaniny. Niektóre mieszaniny są bardzo ważne dla życia, jak na przykład krew lub woda morska. Ciecze mogą działać jak rozpuszczalniki.
Stan gazu
Kształt i objętość nie są zachowane. Inaczej stan gazowy, którego uczy się w szkole, nazywa się parą wodną. Doświadczenia wyraźnie pokazują, że para jest niewidoczna, rozpuszcza się w powietrzu i wykazuje wilgotność względną. Rozpuszczalność zależy od temperatury i ciśnienia. Para nasycona i punkt rosy są wskaźnikami maksymalnego stężenia. Para i mgła to różne stany skupienia.
Czwartym stanem agregacji jest plazma
Badanie plazmy i nowoczesne eksperymenty zaczęto rozważać nieco później. Plazma jest gazem całkowicie lub częściowo zjonizowanym, występuje w stanie równowagi w wysokiej temperaturze. W warunkach gruntowych powstaje wyładowanie gazowe. Właściwości plazmy determinują jej stan gazowy, z tym że elektrodynamika odgrywa w tym wszystkim ogromną rolę. Spośród stanów skupionych najpowszechniejszą we Wszechświecie jest plazma. Badanie gwiazd i przestrzeni międzyplanetarnej wykazało, że substancje znajdują się w stanie plazmy.
Jak zmieniają się stany skupienia?
Zmiana procesu przejścia z jednego stanu do drugiego:
- ciecz - para (parowanie i gotowanie);
- para - ciecz (kondensacja);
- ciecz - lód (krystalizacja);
- lód - ciecz (topnienie);
- lód - para (sublimacja);
- para - lód, powstawanie szronu (desublimacja).
Wodę nazwano interesującym naturalnym minerałem ziemnym. Pytania te są złożone i wymagają ciągłych badań. Stan fizyczny w szkole potwierdzają przeprowadzone eksperymenty, a jeśli pojawiają się pytania, eksperymenty wyraźnie pozwalają zrozumieć materiał nauczany na lekcji. Po odparowaniu ciecz zamienia się w proces można rozpocząć od zera stopni. Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta. Intensywność tego potwierdzają eksperymenty z gotowaniem w temperaturze 100 stopni. Na pytania dotyczące parowania odpowiada parowanie z powierzchni jezior, rzek, a nawet z lądu. Po ochłodzeniu następuje odwrotny proces przemiany, gdy z gazu tworzy się ciecz. Proces ten nazywa się kondensacją, gdy z pary wodnej zawartej w powietrzu tworzą się małe kropelki chmur.
Uderzającym przykładem jest termometr rtęciowy, w którym rtęć występuje w stanie ciekłym w temperaturze -39 stopni rtęć staje się ciałem stałym; Można zmienić stan ciała stałego, ale będzie to wymagało dodatkowego wysiłku, np. przy zginaniu gwoździa. Często uczniowie zadają pytania dotyczące tego, w jaki sposób nadawany jest kształt ciału stałemu. Odbywa się to w fabrykach i specjalistycznych warsztatach przy użyciu specjalnego sprzętu. Absolutnie każda substancja może występować w trzech stanach, w tym w wodzie, zależy to od warunków fizycznych. Kiedy woda przechodzi z jednego stanu do drugiego, zmienia się układ molekularny i ruch, ale skład cząsteczki się nie zmienia. Zadania eksperymentalne pomogą Ci zaobserwować takie interesujące stany.
Płyny to substancje, które w normalnych warunkach występują w stanie ciekłym, po skupieniu. Według znaków zewnętrznych stan ten charakteryzuje się obecnością stałej objętości dla danej porcji cieczy, płynnością i zdolnością do stopniowego odparowywania. Właściwą formą cieczy jest kula (kropla), która pod wpływem napięcia powierzchniowego tworzy ciecz. Jest to możliwe przy braku grawitacji. Krople powstają podczas swobodnego opadania cieczy, a w przestrzeni statku kosmicznego, w warunkach nieważkości, znaczna objętość cieczy może przyjąć kształt kuli. W stanie spokojnym ciecz rozprzestrzenia się po powierzchni lub wypełnia objętość dowolnego naczynia. Do substancji nieorganicznych do cieczy zalicza się wodę, brom, rtęć i kilka stabilnych kwasów bezwodnych (siarkowy, fluorowodorowy itp.). Wśród związków organicznych jest dużo cieczy: węglowodory, alkohole, kwasy itp. Prawie wszystkie homologiczne serie związków organicznych zawierają ciecze. Po ochłodzeniu gazy przechodzą w stan ciekły, a po podgrzaniu metale, stabilne sole i tlenki metali.
Ciecze można podzielić ze względu na charakter cząstek składowych na atomowe (skroplone gazy szlachetne), molekularne (większość zwykłych cieczy), metaliczne (stopione metale) i jonowe (stopione sole, tlenki metali). Oprócz pojedynczych substancji w stanie ciekłym występują mieszaniny cieczy i roztwory szerokiej gamy substancji w cieczach. Spośród cieczy największe znaczenie praktyczne ma woda, co wynika z jej wyjątkowej roli jako rozpuszczalnika biologicznego. W chemii i dziedzinach stosowanych ciecze, obok gazów, są najważniejszym medium, w którym przeprowadzane są różne procesy przemian substancji. Ciecze wykorzystuje się także do przenoszenia ciepła rurami, w urządzeniach hydraulicznych – jako płyn roboczy oraz jako smar do ruchomych części maszyn.
W stanie ciekłym cząstki znajdują się w odległościach bliskich sumie ich promieni van der Waalsa. Energia potencjalna cząsteczek staje się ujemna w stosunku do ich energii w gazie. Aby go pokonać podczas przejścia w stan gazowy, cząsteczki potrzebują energii kinetycznej w przybliżeniu równej energii potencjalnej. Zatem substancja znajduje się w stanie ciekłym w zakresie temperatur, w którym średnia energia kinetyczna jest w przybliżeniu równa lub niższa od energii potencjalnej oddziaływania, ale nie spada do zera.
Wśród cząsteczek zarówno gazu, jak i cieczy znajdują się zarówno cząsteczki szybsze, jak i wolniejsze w stosunku do średniej prędkości ich ruchu. Szybkie cząsteczki pokonują przyciąganie i w obecności wolnej objętości wchodzą w fazę gazową. Podczas parowania ciecz ochładza się z powodu utraty szybszych cząsteczek. Nad powierzchnią cieczy w zamkniętej objętości ustala się określone ciśnienie pary, w zależności od rodzaju cieczy i temperatury. Zależność wyraża się równaniem wykładniczym
Gdzie e- podstawa logarytmów naturalnych; R- uniwersalna stała gazowa; DA ISP – ciepło molowe parowania cieczy; L - stała w zależności od właściwości cieczy.
Analiza równania pokazuje, że prężność pary cieczy szybko rośnie wraz ze wzrostem temperatury, ponieważ temperatura jest w mianowniku wykładnika ujemnego. Równanie (7.13) jest spełnione dość dokładnie, jeśli temperatura jest znacznie niższa od krytycznej temperatury pary danej substancji.
Po osiągnięciu temperatury, w której prężność pary cieczy staje się równa ciśnieniu atmosferycznemu, ciecz wrze. Zakłada się, że nad powierzchnią cieczy znajduje się powietrze. Jeśli zamkniemy ciecz w zamkniętym naczyniu, np. w cylindrze, z tłokiem wytwarzającym ciśnienie równe ciśnieniu atmosferycznemu (101,3 kPa), to po ogrzaniu cieczy do temperatury wrzenia nad cieczą nie utworzy się jeszcze para . Po przekroczeniu temperatury wrzenia pojawi się para, tj. fazę gazową, a tłok zacznie się unosić w miarę dodawania ciepła i wzrostu objętości pary (ryc. 7.4).
Ryż. 7.4.
Zwykle nazywa się ciecze, które wrzą w temperaturze niższej od temperatury wrzenia wody lotny. Z otwartego naczynia odparowują dość szybko. W temperaturze wrzenia wynoszącej 20–22 °C substancja faktycznie wydaje się być na granicy lotnej cieczy i łatwo skroplonego gazu. Przykładami takich substancji są aldehyd octowy CH3CHO (8 wz = 21°C) i fluorowodór HF (8 wz = 19,4°C).
Praktycznie ważne właściwości fizyczne cieczy, oprócz temperatury wrzenia, to temperatura zamarzania, kolor, gęstość, współczynnik lepkości i współczynnik załamania światła. W przypadku mediów jednorodnych, takich jak ciecze, współczynnik załamania światła można łatwo zmierzyć i służy do identyfikacji cieczy. Niektóre stałe cieczy podano w tabeli. 7.3.
Równowaga pomiędzy fazą ciekłą, stałą i gazową danej substancji jest przedstawiona jako diagramy stanu. Na ryc. Rysunek 7.5 przedstawia diagram stanu wody. Diagram fazowy to wykres przedstawiający zależność prężności pary nasyconej od temperatury ciekłej wody i lodu (krzywe OA I OV) oraz zależność temperatury topnienia wody od ciśnienia (krzywa system operacyjny). Obecność niewielkiej prężności pary nad lodem (krzywa OV) oznacza, że lód może odparować (sublimować), jeśli ciśnienie pary wodnej w powietrzu jest niższe niż ciśnienie równowagowe nad lodem. Linia przerywana kontynuująca krzywą OA na lewo od punktu O, odpowiada prężności pary nad przechłodzoną wodą. Ciśnienie to przewyższa ciśnienie pary nad lodem w tej samej temperaturze. Dlatego przechłodzona woda jest niestabilna i może samoistnie zamienić się w lód. Czasami przy zimnej pogodzie występuje zjawisko padania deszczu, którego krople zamieniają się w lód po uderzeniu w twardą powierzchnię. Na powierzchni pojawia się skorupa lodowa. Należy zauważyć, że inne ciecze mogą znajdować się w niestabilnym stanie przechłodzenia.
Kilka praktycznie ważnych płynów
|
Nazwa |
Gęstość p, g/cm 3 (20°C) |
Współczynnik załamania światła, u(20°C, |
|||
|
Fluorowodór |
|||||
|
Kwas Siarkowy |
godz. 2 więc 4 |
||||
|
Mrówka |
wkrótce |
||||
|
Kwas octowy |
dc 3 szop |
||||
|
Glicerol |
od 3 do 8 0 3 |
||||
|
od 6 do 14 |
|||||
|
Tstrachlorek węgiel |
|||||
|
Chloroform |
|||||
|
Nitrobenzen |
c g ii 5 nie 2 |
Ryż. 75.
Krzywe dzielą diagram na trzy pola - wodę, lód i parę. Każdy punkt na diagramie reprezentuje konkretny stan systemu. Punkty wewnątrz pól odpowiadają istnieniu wody tylko w jednej z trzech faz. Na przykład w temperaturze 60°C i ciśnieniu 50 k11a woda występuje tylko w stanie ciekłym. Punkty leżące na krzywych OA, OV I system operacyjny, odpowiadają równowadze pomiędzy dwiema fazami. Na przykład w temperaturach i ciśnieniach wzdłuż krzywej OA Woda i para są w równowadze. Punkt przecięcia O trzech krzywych o współrzędnych 0,61 kPa i 0,01°C odpowiada równowadze pomiędzy trzema fazami wody – lodem, wodą w stanie ciekłym i jej parą. Jest to tzw punkt potrójny wody. Wskazana temperatura jest o 0,01°C wyższa od normalnej temperatury zamarzania wody wynoszącej 0°C, w odniesieniu do ciśnienia 101,3 kPa. Wynika z tego, że wraz ze wzrostem ciśnienia zewnętrznego temperatura zamarzania wody maleje. Podajmy jeszcze jeden punkt: przy ciśnieniu 615 atm (6,23-10 4 kPa) temperatura zamarzania wody spada do -5 ° C.
Ciecze różnią się znacznie od gazów zdolnością do mieszania się ze sobą. W cieczach, w przeciwieństwie do gazów, ważną rolę odgrywają oddziaływania międzycząsteczkowe. Dlatego tylko te ciecze, które mają wystarczająco bliską energię oddziaływania międzycząsteczkowego, mieszają się ze sobą w dowolnym stosunku. Na przykład między cząsteczkami wody nie tylko działają siły Waiderwaalsa, ale także powstają wiązania wodorowe. Dlatego z wodą miesza się różne ciecze, których cząsteczki mogą również tworzyć wiązania wodorowe z wodą: fluorowodór, wiele kwasów zawierających tlen, niżsi członkowie homologicznej serii alkoholi, aceton itp. Ciecze, które nie tworzą wiązań wodorowych lub zapobiegają tworzeniu się takich wiązań między cząsteczkami wody. Nie mieszają się z wodą, ale w takim czy innym stopniu mogą, tj. ograniczony, rozpuścić. Zatem alkohole z rodnikami składającymi się z czterech lub więcej atomów węgla są w ograniczonym stopniu rozpuszczalne w wodzie, ponieważ rodniki, znajdując się pomiędzy cząsteczkami wody, zakłócają tworzenie się wiązań wodorowych i są wypychane z objętości wody.
Wewnętrzną strukturę cieczy charakteryzuje zarówno stosunkowo swobodny wzajemny ruch cząsteczek, jak i pojawienie się struktury przybliżającej ciecz do stanu stałego. Powyżej powiedziano, że w kryształach promienie X są rozproszone na uporządkowanych atomach. Maksymalna intensywność rozpraszania występuje przy określonych kątach padania wiązki początkowej na płaszczyznę utworzoną przez atomy wewnątrz kryształu. Rozpraszanie promieni rentgenowskich występuje również w cieczach. Przy małym kącie padania, odpowiadającym rozproszeniu na blisko rozmieszczonych atomach, pojawia się maksimum, wskazujące na obecność porządku w bezpośrednim otoczeniu atomu. Jednak wraz ze wzrostem kąta padania maksima szybko zanikają, wskazując na brak regularnego ułożenia odległych atomów. Zatem możemy powiedzieć o płynach, które zawierają zamknięcie porządku, Bez zamówienie dalekiego zasięgu.
Strukturę cieczy odkrywa się badając różne właściwości fizyczne. Wiadomo na przykład, że woda po ochłodzeniu do 4°C staje się gęstsza, a po dalszym ochłodzeniu zaczyna ponownie się rozszerzać. Wyjaśnia to utworzenie bardziej otwartej struktury, odpowiadającej kierunkowi wiązań wodorowych między cząsteczkami. Po zamrożeniu wiązania te ulegają ostatecznej stabilizacji, co wynika ze zmniejszenia gęstości lodu.
W stanie ciekłym odległość między cząstkami jest znacznie mniejsza niż w stanie gazowym. Cząsteczki zajmują większość objętości, stale stykając się ze sobą i przyciągając. Obserwuje się pewne uporządkowanie cząstek (porządek krótkiego zasięgu). Cząsteczki są względem siebie ruchome.
W cieczach między cząsteczkami zachodzą oddziaływania van der Waalsa: dyspersja, orientacja i indukcja. Nazywa się małe grupy cząstek połączone pewnymi siłami klastry. W przypadku identycznych cząstek nazywane są skupiskami w cieczy współpracownicy
W cieczach tworzenie wiązań wodorowych zwiększa uporządkowanie cząstek. Wiązania wodorowe i siły van der Waalsa są jednak kruche – cząsteczki w stanie ciekłym znajdują się w ciągłym, chaotycznym ruchu, co nazywa się Ruch Browna.
Dla stanu ciekłego obowiązuje rozkład cząsteczek Maxwella-Boltzmanna ze względu na prędkość i energię.
Teoria cieczy jest znacznie mniej rozwinięta niż teoria gazów, ponieważ właściwości cieczy zależą od geometrii i polarności wzajemnie blisko położonych cząsteczek. Dodatkowo brak określonej budowy cieczy utrudnia ich formalny opis – w większości podręczników cieczom poświęca się znacznie mniej miejsca niż gazom i ciałom krystalicznym.
Nie ma ostrej granicy pomiędzy cieczą i gazem – ona całkowicie zanika punkt krytyczny. Dla każdego gazu istnieje znana temperatura, powyżej której nie może on przejść w stan ciekły pod żadnym ciśnieniem; z tym krytyczny temperatury zanika granica (menisk) pomiędzy cieczą a jej nasyconą parą. Istnienie temperatury krytycznej („absolutnej temperatury wrzenia”) ustalił D.I. Mendelejew w 1860 roku
Tabela 7.2 - Parametry krytyczne (t k, p k, V k) niektórych substancji
| Substancja | t k, o C | p k, atm | Vc, cm3/mol | t topić się o C | t kip o C |
| On | -267,9 | 2,26 | 57,8 | -271,4 | -268,94 |
| H 2 | -239,9 | 12,8 | 65,0 | -259,2 | -252,77 |
| N 2 2 | -147,0 | 33,54 | 90,1 | -210,01 | -195,82 |
| O 2 2 | -118,4 | 50,1 | -218,76 | -182,97 | |
| CH 4 | -82,1 | 45,8 | 99,0 | -182,49 | -161,58 |
| CO2 | +31,0 | 72,9 | 94,0 | -56,16 | -78,48(sub) |
| NH 3 | 132,3 | 111,3 | 72,5 | -77,76 | -33,43 |
| Cl2 | 144,0 | 76,1 | -101,0 | -34,06 | |
| TAK 2 | 157,5 | 77,8 | -75,48 | -10,02 | |
| H2O | 374,2 | 218,1 | 0,0 | 100,0 |
Ciśnienie pary nasyconej– ciśnienie cząstkowe, przy którym szybkości parowania i skraplania pary są równe:
gdzie A i B są stałymi.
Temperatura wrzenia– temperatura, w której ciśnienie pary nasyconej cieczy jest równe ciśnieniu atmosferycznemu.
Płyny mają płynność– zdolność do przemieszczania się pod wpływem małych sił ścinających; ciecz zajmuje objętość, w której jest umieszczona.
Nazywa się oporem płynu na płynność lepkość,[Rocznie. Z].
Napięcie powierzchniowe[J/m 2 ] – praca potrzebna do wytworzenia jednostki powierzchni.
Stan ciekłokrystaliczny– substancje w stanie ciekłym, które charakteryzują się wysokim stopniem uporządkowania, zajmują pozycję pośrednią pomiędzy kryształami a cieczą. Mają płynność, ale jednocześnie porządek dalekiego zasięgu. Na przykład pochodne kwasu brunatnego, azolityny i steroidy.
Temperatura usuwania– temperatura, w której ciekłe kryształy (LC) przechodzą w normalny stan ciekły.
7,5 Substancje stałe
W stanie stałym cząstki zbliżają się do siebie na tyle, że powstają między nimi silne wiązania, nie ma ruchu translacyjnego i pozostają wibracje wokół ich położenia. Substancje stałe mogą występować w stanie amorficznym lub krystalicznym.
7.5.1 Substancje w stanie amorficznym
W stanie amorficznym substancje nie mają uporządkowanej struktury.
Szklisty stan - stały stan amorficzny substancji powstający w wyniku głębokiego przechłodzenia cieczy. Stan ten nie jest w równowadze, ale okulary mogą istnieć przez długi czas. Zmiękczanie szkła następuje w pewnym zakresie temperatur - zakresie zeszklenia, którego granice zależą od szybkości chłodzenia. Wraz ze wzrostem szybkości chłodzenia cieczy lub pary wzrasta prawdopodobieństwo otrzymania tej substancji w stanie szklistym.
Pod koniec lat 60-tych XX wieku uzyskano metale amorficzne (szkła metaliczne) - w tym celu konieczne było chłodzenie roztopionego metalu z szybkością 10 6 - 10 8 st./s. Większość metali i stopów amorficznych krystalizuje po podgrzaniu powyżej 300 o C. Jednym z najważniejszych zastosowań jest mikroelektronika (bariery dyfuzyjne na granicy faz metal-półprzewodnik) i magnetyczne urządzenia magazynujące (głowice LCD). To ostatnie wynika z wyjątkowej miękkości magnetycznej (anizotropia magnetyczna jest o dwa rzędy wielkości mniejsza niż w konwencjonalnych stopach).
Substancje amorficzne izotropowy, tj. mają te same właściwości we wszystkich kierunkach.
7.5.2 Substancje w stanie krystalicznym
Stały krystaliczny Substancje mają uporządkowaną strukturę z powtarzającymi się pierwiastkami, co pozwala na badanie ich metodą dyfrakcji promieni rentgenowskich (metoda dyfrakcji promieni rentgenowskich stosowana od 1912 r.).
Monokryształy (pojedyncze związki) charakteryzują się anizotropią - zależnością właściwości od kierunku w przestrzeni.
Regularny układ cząstek w ciele stałym jest przedstawiany jako sieć krystaliczna. Substancje krystaliczne topią się w określonej temperaturze, tzw temperatura topnienia.
Kryształy charakteryzują się energią, stałą sieciową i liczbą koordynacyjną.
Stała siatka charakteryzuje odległość pomiędzy środkami cząstek zajmujących węzły w krysztale w kierunku charakterystycznych osi.
Numer koordynacyjny zwykle nazywana liczbą cząstek bezpośrednio przylegających do danej cząstki w krysztale (patrz rysunek 7.2 – liczba koordynacyjna ósma zarówno dla cezu, jak i chloru)
Energia sieci krystalicznej to energia potrzebna do zniszczenia jednego mola kryształu i usunięcia cząstek poza granice ich oddziaływania.
Rysunek 7.2 - Struktura kryształu chlorku cezu CsCl (a) i sześciennej komórki elementarnej tego kryształu skupionej wokół ciała (b)
7.5.3 Struktury krystaliczne
Najmniejszą jednostką strukturalną kryształu, która wyraża wszystkie właściwości jego symetrii, jest komórka elementarna. Kiedy komórki powtarza się wielokrotnie w trzech wymiarach, otrzymuje się sieć krystaliczną.
Istnieje siedem podstawowych komórek: sześcienna, czworościenna, sześciokątna, romboedryczna, orto-romboedryczna, jednoskośna i trójskośna. Istnieje siedem pochodnych podstawowych komórek elementarnych, na przykład centrowana na ciele, sześcienna centrowana na ścianie.
a - komórka elementarna kryształu NaCl; b - gęste, sześcienne upakowanie NaCl skupione na ścianie; c – sześcienne upakowanie kryształu CsCl centrowane na ciele Rysunek 7.3 – Komórka elementarna
Substancje izomorficzne– substancje o podobnym charakterze chemicznym, które tworzą identyczne struktury krystaliczne: CaSiO 4 i MgSiO 4
Wielopostaciowość– związki występujące w dwóch lub więcej strukturach krystalicznych, np. SiO2 (w postaci sześciokątnego kwarcu, rombowego trydymitu i sześciennego krystobalitu).
Modyfikacje alotropowe– polimorficzne modyfikacje prostych substancji, np. węgla: diamentu, grafitu, karbinu, fulerenu.
Ze względu na charakter cząstek w węzłach sieci krystalicznej i wiązania chemiczne między nimi kryształy dzielą się na:
1) molekularny– w węzłach znajdują się cząsteczki, pomiędzy którymi działają niskoenergetyczne siły van der Waalsa: kryształki lodu;
2) atomowo– kryształy kowalencyjne– w węzłach kryształów znajdują się atomy, które tworzą ze sobą silne wiązania kowalencyjne i mają wysoką energię sieci, np. diament (węgiel);
3) kryształy jonowe– jednostkami strukturalnymi kryształów tego typu są jony naładowane dodatnio i ujemnie, pomiędzy którymi zachodzi oddziaływanie elektryczne, charakteryzujące się dość dużą energią, np. NaCL, KCL;
4) kryształy metalu– substancje charakteryzujące się wysoką przewodnością elektryczną, przewodnością cieplną, ciągliwością, ciągliwością, połyskiem metalicznym i wysokim współczynnikiem odbicia światła; wiązanie w kryształach jest metaliczne, energia wiązania metalicznego jest pośrednia między energiami kryształów kowalencyjnych i molekularnych;
5) kryształy o wiązaniu mieszanym– istnieją złożone interakcje pomiędzy cząstkami, które można opisać poprzez superpozycję dwóch lub więcej rodzajów wiązań na sobie, na przykład klatraty (w tym związki) – powstające w wyniku włączenia cząsteczek (gości) do wnęk struktury krystalicznej składającej się cząstek innego rodzaju (gospodarzy): klatraty gazowe CH 4 . 6H 2 O, klatraty mocznika.
Jak wiadomo, substancja w stanie ciekłym zachowuje swoją objętość, ale przybiera kształt naczynia, w którym się znajduje. Dowiedzmy się, jak wyjaśnia to teoria kinetyki molekularnej.
Zasada zachowania objętości cieczy dowodzi, że pomiędzy jej cząsteczkami działają siły przyciągania. W związku z tym odległości między cząsteczkami cieczy muszą być mniejsze niż promień działania molekularnego. Jeśli więc opiszemy sferę działania molekularnego wokół cząsteczki cieczy, to wewnątrz tej kuli znajdą się centra wielu innych cząsteczek, które będą oddziaływać z naszą cząsteczką.
Te siły oddziaływania utrzymują cząsteczkę cieczy w pobliżu jej tymczasowej pozycji równowagi przez około 10 -12 -10 -10 s, po czym przeskakuje ona do nowej tymczasowej pozycji równowagi w przybliżeniu na odległość jej średnicy. Pomiędzy skokami cząsteczki cieczy podlegają ruchowi oscylacyjnemu wokół tymczasowej pozycji równowagi. Nazywa się czas pomiędzy dwoma skokami cząsteczki z jednej pozycji do drugiej czas osiadłego życia. Czas ten zależy od rodzaju cieczy i temperatury. Gdy ciecz jest podgrzewana, średni czas przebywania cząsteczek maleje.
W czasie siedzącego trybu życia (około 10-11 s) większość cząsteczek cieczy utrzymuje się w swoich pozycjach równowagi, a tylko niewielka ich część udaje się w tym czasie przejść do nowych pozycji równowagi. W dłuższym okresie czasu większość cząsteczek cieczy będzie miała czas na zmianę swojego położenia. Dlatego ciecz ma płynność i przybiera kształt naczynia, w którym się znajduje.
Ponieważ znajdują się cząsteczki cieczy prawie blisko siebie, zatem po otrzymaniu dostatecznie dużej energii kinetycznej, choć są w stanie pokonać przyciąganie swoich najbliższych sąsiadów i opuścić sferę swojego działania, wpadną w sferę działania innych cząsteczek i znajdą się w nowe tymczasowe położenie równowagi. Z cieczy mogą wylecieć tylko cząsteczki znajdujące się na swobodnej powierzchni cieczy, co wyjaśnia proces jej parowania.
Jeśli więc w cieczy wyizoluje się bardzo małą objętość, to w czasie osiadłego życia panuje w niej uporządkowany układ cząsteczek, podobny do ich ułożenia w sieci krystalicznej ciała stałego. Następnie rozpada się, ale powstaje w innym miejscu. Zatem cała przestrzeń zajmowana przez ciecz wydaje się składać z wielu jąder krystalicznych, które jednak są niestabilne, to znaczy w niektórych miejscach rozpadają się, ale w innych powstają ponownie.
Tak więc w małej objętości cieczy panuje uporządkowany układ jej cząsteczek, ale w dużej objętości okazuje się chaotyczny. W tym sensie tak mówią W cieczy istnieje porządek krótkiego zasięgu w rozmieszczeniu cząsteczek i nie ma porządku dalekiego zasięgu. Ta płynna struktura nazywa się kwazikrystaliczny(podobny do kryształu). Należy pamiętać, że przy odpowiednio mocnym nagrzaniu czas osadzania się życia staje się bardzo krótki, a porządek krótkozasięgowy w cieczy praktycznie zanika.
Ciecz może wykazywać właściwości mechaniczne właściwe dla ciała stałego. Jeżeli czas działania siły na ciecz jest krótki, wówczas ciecz wykazuje właściwości sprężyste. Na przykład, gdy kij gwałtownie uderzy w powierzchnię wody, może wylecieć z dłoni lub złamać się; Kamień można rzucić tak, że uderzając w powierzchnię wody, odbije się od niego i dopiero po wykonaniu kilku skoków zanurzy się w wodzie. Jeśli czas ekspozycji na ciecz jest długi, zamiast elastyczności stosuje się płynność płyny. Na przykład dłoń łatwo przenika do wody.
Kiedy na krótki czas przykładana jest siła do strumienia cieczy, ten ostatni wykrywa kruchość. Wytrzymałość na rozciąganie cieczy, choć mniejsza niż w przypadku ciał stałych, nie jest od nich znacznie gorsza pod względem wielkości. Dla wody jest to 2,5 * 10 7 Pa. Ściśliwość ciecz jest również bardzo mała, chociaż jest większa niż w przypadku tych samych substancji w stanie stałym. Na przykład, gdy ciśnienie wzrasta o 1 atm, objętość wody zmniejsza się o 50 ppm.
Pęknięcia wewnątrz cieczy niezawierającej substancji obcych, np. powietrza, mogą nastąpić jedynie pod wpływem intensywnego oddziaływania na ciecz, np. podczas obracania się śmigieł w wodzie lub gdy w cieczy rozchodzą się fale ultradźwiękowe. Tego rodzaju pustka wewnątrz cieczy nie może długo istnieć i nagle zapada się, to znaczy znika. Zjawisko to nazywa się kawitacja(z greckiego „cavitas” - jama). Powoduje to szybkie zużycie śmigieł.
Zatem ciecze mają wiele właściwości wspólnych z właściwościami ciał stałych. Jednak im wyższa jest temperatura cieczy, tym bardziej jej właściwości zbliżają się do właściwości gęstych gazów i tym bardziej różnią się od właściwości ciał stałych. Oznacza to, że stan ciekły jest pośredni pomiędzy stanem stałym i gazowym substancji.
Zauważmy również, że gdy substancja przechodzi ze stanu stałego do ciekłego, następuje mniej radykalna zmiana jej właściwości niż przy przejściu ze stanu ciekłego do gazowego. Oznacza to, że ogólnie rzecz biorąc, właściwości stanu ciekłego substancji są bliższe właściwościom stanu stałego niż właściwościom stanu gazowego.