Химия. no коэффициент перед окислителем равен Выберите один ответ
 Скачать 0.51 Mb.
|
|
Тема 5. Фазовые состояния веществ. Межмолекулярные взаимодействия изучаемой теме рассмотрим агрегатные или фазовые состояния веществ, а также межмолекулярные виды взаимодействий, которые характерны для веществ, находящихся в разных агрегатных состояниях. Химические вещества могут находиться в одном из трех фазовых состояний: газообразном, жидком и твердом. Каждому из этих состояний присущи характерные свойства, которые показаны в таблице 5.1 на слайде. Большая часть газов – простые вещества или ковалентные соединения. Характерные свойства газов – это их сжимаемость и способность к расширению. Газы не имеют собственной формы, они расширяются до тех пор, пока равномерно не заполнят весь сосуд, куда их поместили. Газы не имеют собственного объема. Объем газа определяется объемом сосуда, в котором он находится. Газ оказывает постоянное давление на стенки сосуда, одинаковое во всех направлениях. Газы способны смешиваться друг с другом в любых соотношениях. Термин «газ» происходит от греческого слова «хаос», означающего бесформенную массу первичных элементов, из которых, по представлениям древних ученых, был создан мир. При определенных температурах и давлениях газы могут превращаться в жидкости, то есть происходит сжижение газа. Слайд 88 жидком состоянии могут находиться металлические, ионные, ковалентные соединения. Как и газы, жидкости не имеют своей формы и принимают форму сосуда, в который их помещают. Но жидкости, в отличие от газа, имеют определенный объем. Сжимаемость жидкости очень мала. Чтобы ее сжать, нужны большие давления. Жидкости, в зависимости от строения молекул, могут и смешиваться, и не смешиваться друг с другом. При определенных давлениях и температурах жидкости могут переходить в газообразное состояние при испарении, кипении или превращаться в твердые вещества при замерзании, кристаллизации. В твердом состоянии могут находиться металлические, ионные, ковалентные соединения. Твердые тела, в отличие от жидкостей и газов, имеют собственную форму и определенный объем. Их сжимаемость очень мала даже при высоких давлениях. При определенных условиях твердые вещества могут, при плавлении, переходить в жидкое состояние или, при возгонке, – сразу в газ. Слайд 89 Подробнее рассмотрим каждое из агрегатных состояний вещества. газообразном состоянии молекулы находятся друг от друга на значительных расстояниях и, соответственно, занимают очень малую долю объема. Поэтому при невысоких давлениях и температурах молекулы в газообразном состоянии практически не взаимодействуют друг с другом. Структура вещества в газообразном состоянии не упорядочена. К основному газовому закону относится уравнение Менделе́ева-Клапейро́на, представленное на слайде формулой 5.1 и подробно рассмотренное ранее в основных законах химии. Газ, который подчиняется этому уравнению, называется идеальным газом. Для идеального газа разработана модель его поведения. Она позволяет объяснить газовые законы. При ее создании использовались следующие предположения: – газ состоит из большого числа молекул, которые находятся в непрерывном движении; – молекулы газа занимают пренебрежительно малую долю объема и не притягиваются друг к другу; – время столкновения молекул друг с другом очень мало́ по сравнению со временем между столкновениями; – средняя кинетическая энергия газа пропорциональна абсолютной температуре. На основании этих предположений выведено уравнение 5.2. Средняя кинетическая энергия молекул газа определяется по формуле 5.3. Исходя из выражений 5.2 и 5.3 получаем, что средняя скорость молекул газа рассчитывается по формуле 5.4. То есть при одной и той же температуре среднеквадратичная скорость молекул газа определяется его молярной массой. Например, среднеквадратичная скорость при 273 К молекул углекислого газа с молярной массой 44 г/моль составляет 410 м/с . Для водорода с молярной массой 2 г/моль она равна 1930 м/с . Слайд 90 Однако скорости отдельных молекул значительно различаются. Распределение молекул по скоростям называется распределением Ма́ксвелла – Бо́льцмана. Джеймс Клерк Ма́ксвелл – британский физик, математик и механик. В 1859 году он вывел кинетическое уравнение распределения молекул газа при отсутствии на него внешнего воздействия. Лю́двиг Бо́льцман – австрийский физик-теоретик. В 1871 году он обобщил распределение Ма́ксвелла на случай, когда на газ действуют внешние силы. Формула бо́льцмановского распределения легла в основу классической статистической физики, а распределение молекул газа по скоростям носит имя обоих ученых. Оно зависит как от типа газов, так и от температуры и показано на рисунке 5.1 на слайде. Вследствие непрерывного движения молекулы газа стремятся распространиться по всему объему. Такое распространение молекул получило название диффузии. У реальных газов наблюдаются отклонения от параметров, рассчитываемых по уравнениям газовых законов. Эти отклонения растут с увеличением давления и с понижением температуры. Основной причиной таких отклонений является межмолекулярное взаимодействие, или ван-дер-ваа́льсовы силы. Слайд 91 Йоха́ннес Диде́рик Ван дер Ваа́льс – голландский физик, обладатель Нобелевской премии по физике 1910 года. В 1869 году он открыл силы взаимодействия между молекулами, которые впоследствии были названы его именем. Они включают в себя три составляющие: дипо́ль-дипо́льное, индукцио́нное и дисперсио́нное взаимодействия. Дипо́ль-дипо́льное взаимодействие возникает при сближении полярных молекул. Они ориентированы таким образом, чтобы положительная сторона одного дипо́ля была ориентирована к отрицательной стороне другого дипо́ля. Под дипо́лем понимают совокупность двух равных по абсолютной величине разноимённых точечных зарядов, находящихся на некотором расстоянии друг от друга. Полярные молекулы имеют положительный и отрицательный полюса, то есть их рассматривают как дипо́ли, которые изображаются в виде овала. На рисунке 5.2а показано дипо́ль-дипо́льное взаимодействие. Индукцио́нное взаимодействие представляет собой случай, когда дипо́ли воздействуют на неполярные молекулы, превращая их в индуци́рованные дипо́ли, что показано на рисунке 5.2б. Полярные молекулы изображают в виде круга, а индуци́рованные дипо́ли – в виде овала, но меньших размеров, чем при изображении дипо́ля полярной молекулы. Энергия индукцио́нного взаимодействия ниже энергии дипо́ль- дипо́льного взаимодействия. Дисперсио́нное притяжение происходит, если в результате перераспределения электрической плотности возникают мгновенные дипо́ли, которые индуци́руют мгновенные дипо́ли у соседних молекул. На рисунке 5.2в показано дисперсио́нное взаимодействие. Движение мгновенных дипо́лей становится согласованным, их появление распад происходит синхронно. Для неполярных молекул дисперсио́нное взаимодействие является единственной составляющей ван-дер-ваа́льсовых сил. Энергия ван-дер-ваа́льсового взаимодействия молекул в 10 – 100 раз ниже энергии химической связи молекулы. Слайд 92 При температурах выше 10 000 К газ переходит в особое состояние, называемое плазмой. Изображение плазмы показано на рисунке 5.3. Свойства веществ в плазменном состоянии существенно отличаются от свойств веществ в газообразном, жидком и твердом состояниях. Поэтому плазму можно считать четвертым состоянием вещества. состоянии плазмы газ содержит положительно заряженные ионы и электроны и обладает ионно-электронной проводимостью. Появление ионов электронов в плазме обусловлено диссоциацией молекул при очень высоких температурах. Диссоциация азота при переходе в состоянии плазмы показана уравнением 5.5. В плазменном состоянии находится основная часть веществ Вселенной, включая Солнце и другие звезды. Характерной особенностью плазмы является высокий энергетический уровень ее частиц, что позволяет проводить в плазме химические реакции, требующие подвода высоких энергий. Плазма подчиняется газовым законам. Основное ее отличие от обычных газов проявляется при воздействии магнитного и электрического полей, при котором в плазме возникает направленное движение молекул и электронов. Слайд 93 При повышении давления расстояние между частицами газа уменьшается все больше проявляются силы притяжения молекул. При некотором давлении, зависящем от природы вещества и температуры, происходит превращение газа в жидкость, что называют конденсацией газа. Этот процесс показан на слайде. Ван-дер-ваа́льсовы взаимодействия удерживают молекулы около друг друга и приводят к некоторому их упорядочиванию, или объединению частиц. Относительно небольшие группы частиц, объединенных теми или иными силами, получили название кла́стеров. Объединения одинаковых частиц в кла́стеры в жидкости называются ассоциа́тами. Степень упорядоченности в жидкости повышается с увеличением полярности молекул, так как при этом растут ван-дер-ваа́льсовы силы. Особенно значительное упорядочение наблюдается при образовании водородных связей между молекулами. Однако даже водородные связи и тем более ван-дер-ваа́льсовы силы относительно непрочны, поэтому молекулы в жидком состоянии находятся в непрерывном движении. Непрерывное хаотическое движение частиц в жидкости получило название бро́уновского движения. Оно показано на слайде. Его открыл британский ботаник Ро́берт Бро́ун в 1827 году. Скорость движения и энергия отдельных молекул в жидкости различаются. Для жидкого состояния также применимо распределение молекул по скоростям и энергиям Ма́ксвелла-Бо́льцмана. Вследствие непрерывного движения отдельные молекулы, обладающие относительно высокой энергией, могут вырываться из жидкости и переходить в газообразное состояние. Этот процесс называется испарением жидкости. Слайд 94 Склонность жидкости к испарению называется летучестью. Чем меньше силы межмолекулярного взаимодействия, тем выше летучесть жидкости. Вследствие испарения растет соответственно парциальное давление пара данной жидкости в газовой фазе над жидкостью. При повышении парциального давления пара ускоряется обратный процесс – захват молекул жидкостью, то есть конденсация пара. При некотором парциальном давлении скорости испарения и конденсации пара становятся равными. Такое давление получило название давления насыщенных паров жидкости. При парциальном давлении насыщенных паров жидкости, равном атмосферному давлению, образуются пузырьки газа в жидкости и начинается кипение. Температура, при которой достигается это состояние, называется температурой кипения жидкости. Она возрастает с увеличением энергии взаимодействия между молекулами и с увеличением давления. Поэтому, например, в закрытых сосудах скорость приготовления пищи выше, чем в открытых. Жидкости обладают текучестью. Сопротивление жидкости текучести называется вязкостью. Вязкость растет с увеличением энергии взаимодействия частиц и зависит от структуры молекул. С увеличением температуры вязкость уменьшается. Силы межмолекулярного взаимодействия молекул, находящихся на поверхности, не уравновешены, так как со стороны газа отсутствуют молекулы данной жидкости. Поэтому результирующая сила взаимодействия поверхностных молекул направлена вглубь жидкости. Под действием этой силы жидкость стремится к сокращению площади поверхности. Так как сфера имеет наименьшую площадь поверхности по сравнению с другими формами частиц одинакового объема, то капли жидкости имеют сферическую форму. Для образования новой поверхности требуется дополнительная энергия, которая получила название поверхностного натяжения σ с единицей измерения Дж/м2. Поверхностное натяжение возрастает с увеличением сил межмолекулярного взаимодействия и уменьшается с увеличением температуры. Слайд 95 Некоторые вещества в жидком состоянии обладают высокой степенью упорядоченности. Как правило, это вещества, молекулы которых имеют удлиненную или дискообразную форму и определённым образом упорядочены во всем объёме этой жидкости. Такие вещества получили название жидких кристаллов. Изображение жидкого кристалла показано на рисунке 5.4. качестве примеров жидкокристаллических веществ можно назвать азосоединения, производные коричной кислоты. По степени упорядоченности и свойствам они занимают промежуточное положение между жидким и твердым состоянием. Жидкие кристаллы обладают текучестью. При некоторой температуре, называемой температурой просветления, они переходят в обычное жидкое состояние и становятся прозрачными. Структура жидких кристаллов изменяется также под воздействием электрических и магнитных полей и механических воздействий. Наличие этих свойств позволило применять жидкие кристаллы для изготовления экранов дисплеев, микрокалькуляторов, циферблатов часов. Слайд 96 При охлаждении жидкости происходит дальнейшее снижение кинетической энергии частиц. При некоторой температуре жидкость переходит в твердое состояние, в котором частицы утрачивают поступательное движение и сохраняют в основном колебания около своего положения. Твердые вещества могут находиться в аморфном или кристаллическом состояниях. Вещества в аморфном состоянии не имеют упорядоченной структуры, поэтому их еще называют переохлажденными жидкостями с аномально высокой вязкостью. Некоторые из них очень медленно текут. Например, при длительном сроке службы оконные стекла внизу толще, чем в верхней части. Из аморфных веществ наиболее известно стекло, поэтому аморфное состояние еще называют стеклообразным. В аморфном состоянии также могут находиться многие полимеры, смолы, простые вещества – кремний, селен, серебро, оксиды кремния, бериллия, сульфаты, карбонаты. Аморфные вещества изотро́пны, то есть имеют одинаковые свойства во всех направлениях. Аморфные тела плавятся в некотором температурном интервале. Слайд 97 кристаллическом состоянии регулярное расположение частиц в твердом теле изображается в виде решетки, в узлах которой находятся те или иные частицы, соединенные воображаемыми линиями. Монокристаллы характеризуются анизотро́пностью, то есть зависимостью свойств от направления в пространстве. Однако реальные вещества поликристалличны. Это значит, что они состоят из множества кристаллов, ориентированных в пространстве по разным осям координат, поэтому у них анизотропи́я не проявляется. Кристаллические вещества плавятся при определенной температуре, называемой температурой плавления. Кристаллы характеризуются энергией и постоянной кристаллической решетки, а также координационным числом. Энергией кристаллической решетки называют энергию, необходимую для разрушения одного моля кристалла и удаления частиц за пределы их взаимодействия. Если в узлах решетки находятся атомы или молекулы, то энергия решетки называется энергией сублимации. Постоянная решетки характеризуется расстоянием между центрами частиц по длине, ширине и высоте, занимающим узлы в кристалле. Координационным числом называют число частиц, непосредственно примыкающих к данной частице в кристалле. Чем больше координационное число, тем плотнее упаковка кристалла, то есть тем большую долю объема занимают частицы вещества. Слайд 98 Форму кристаллов изучает кристаллография. Для описания формы кристаллов пользуются системой трех кристаллографических осей, что показано на рисунке 5.5. отличие от обычных координатных осей, эти оси представляют собой конечные отрезки a , b , с , а углы между ними могут быть прямыми и косыми. соответствии с геометрической формой кристаллов возможны следующие системы: кубическая, тетраэдрическая, орторомбическая, ромбоэдрическая, гексагональная, моноклинная и триклинная. Системы кристаллов различаются характером расположения кристаллографических осей α , β , γ и их длиной a , b , с . Тип кристаллической решетки определяется природой и размерами частиц, видом химических связей между ними, температурой и другими факторами. Частицы размещаются в решетке таким образом, чтобы энергия системы была минимальна. Для частиц сферической формы это достигается при максимальном координационном числе, то есть при наиболее плотной упаковке. Некоторые вещества близкой химической природы образуют одинаковые кристаллические структуры. Такие вещества называют изоморфными. В таких структурах частицы могут замещать друг друга, например, ионы магния или кальция в силикатах магния и кальция. Слайд 99 При замещении даже части ионов могут изменяться свойства вещества. Примером является кору́нд, имеющий химическую формулу Al2O3 . Минерологи называют его глинозёмом из-за того, что данное вещество входит в состав глин. При замещении части ионов алюминия в корунде – оксиде алюминия – на ионы трехвалентного хрома прозрачные кристаллы становятся красными. Это рубин. Цветность минерала определяется количеством и составом примесей. Поскольку в природе редки условия, подобные лабораторным, рубиновая окраска различна. Если же ионы алюминия в корунде замещены на ионы трехвалентных титана или железа, то цвет кристалла становится синим. Это сапфир. На рисунке 5.6 представлены указанные выше минералы. Многие соединения могут существовать также в двух или более кристаллических структурах. Такое явление называется полиморфизмом. В качестве примера полиморфизма можно указать существование оксида кремния в виде гексагонального кварца, ромбического тридими́та и кубического кристобалли́та. Слайд 100 По природе частиц в узлах кристаллической решетки и химических связей между ними кристаллы делят на молекулярные, атомно-ковалентные, ионные и металлические. узлах решеток молекулярных кристаллов находятся молекулы, между которыми действуют ван-дер-ваа́льсовы силы, имеющие невысокую энергию. В самих молекулах между атомами действует более прочная ковалентная связь. Типичные молекулярные кристаллы – нафталин, соли органических кислот, азот, галогены – имеют низкие температуры плавления, большие коэффициенты теплового расширения, высокую сжимаемость, малую твёрдость. В обычных условиях большинство молекулярных кристаллов – диэлектрики. Кристаллы с полярными молекулами в узлах имеют более высокую прочность и температуру плавления, чем кристаллы с неполярными молекулами в узлах. Значительное упрочнение кристаллов обусловливают водородные связи. узлах атомно-ковалентных кристаллов располагаются атомы, образующие друг с другом прочные ковалентные связи. Это обусловливает высокую энергию решетки. Из-за направленности ковалентной связи координационные числа и плотность упаковки в атомно-ковалентных кристаллах обычно невелики. Подобные кристаллы, например, образуют кремний, оксид кремния. Слайд 101 Структурными единицами ионных кристаллов являются положительно и отрицательно заряженные ионы, между которыми происходит электростатическое взаимодействие, характеризуемое достаточно высокой энергией. Ионные кристаллы характерны для веществ с ионным типом связи: галогенидам щелочны́х и ще́лочно-земе́льных металлов. узлах кристаллической решетки металлических кристаллов находятся положительно заряженные ионы, которые погружены в «электронный газ», распределенный по всему металлу. Между катионами и нелокализованными электронами существует электростатическое взаимодействие, которое обеспечивает устойчивость вещества. Энергия этого взаимодействия является промежуточной между энергиями ковалентных и молекулярных кристаллов. Металлические кристаллы образуют металлы, находящиеся в твердом агрегатном состоянии. Кристаллические решетки кристаллов рассмотренных видов показаны на рисунке 5.7. Тот или иной вид химической связи или взаимодействия в чистом виде в кристаллах встречаются редко. Обычно между частицами существуют сложные взаимодействия, которые можно описать наложением двух или более видов связей друг на друга. В некоторых молекулярных кристаллах, например, воде, фтороводороде, наряду с ван-дер-ваа́льсовыми силами возникают водородные связи, которые значительно упрочняют кристаллы. Ионная связь в чистом виде практически не существует, так как между частицами в ионных кристаллах также действует ковалентная связь, поэтому можно говорить о той или иной степени ионности. Она возрастает с увеличением разности электроотрицательностей частиц в кристаллах. d- и f-металлов наряду с металлической связью действуют также локализованные ковалентные связи между соседними атомами. При этом возрастает энергия кристаллов, температура плавления и прочность металлов. Слайд 102 Реальные твердые тела не представляют собой идеального монокристалла, простирающегося по всему объему вещества, а состоят из отдельных монокристаллов, называемых кристаллитами. Они срастаются друг с другом и имеют межкристаллитную границу раздела. Отдельные кристаллиты, в свою очередь, имеют несовершенства, называемые дефектами. Различают точечные, линейные и плоские дефекты. Они показаны на рисунке 5.8. Точечные дефекты – это либо отсутствие иона или атома в узлах решетки, либо ионы или атомы, находящиеся между узлами решетки. Линейные дефекты – это нарушение идеального расположения групп частиц, которые можно расположить вдоль воображаемой прямой или кривой. Плоские дефекты – это смещение положения групп частиц, которые можно расположить на какой-либо плоскости. Наибольшее влияние на химические и некоторые физические свойства оказывают точечные дефекты. К основным причинам их возникновения относят тепловое движение частиц, наличие в кристаллах примесей и нестехиоме́трия кристаллов. Частицы в кристалле находятся на расстояниях, при которых энергия системы минимальна. Сами частицы в узлах решетки колеблются около своего положения равновесия. Как и в газах и жидкостях, энергия частиц подчиняется распределению Ма́ксвелла – Бо́льцмана. Частицы, обладающие максимальными уровнями энергии, могут вырваться из узла решетки и перейти в междоузлие на более высокий энергетический уровень. Таким образом, возникают тепловые дефекты, число которых возрастает с увеличением температуры. Примесные дефекты обусловлены теми или иными примесями, попадающими в твердое тело при его кристаллизации. Такие примеси могут вызывать полупроводниковые свойства некоторых твердых тел с ковалентными кристаллами. Слайд 103 Некоторые твердые тела могут иметь переменный химический состав. Например, оксид двухвалентного титана может стабильно существовать при изменении состава от TiO0,6 до TiO1,33 . При этом тип кристаллической решетки остается одинаковым. Такие соединения называются соединениями переменного состава. Из-за появления дефектов может измениться окраска нестехиометри́ческого соединения. Например, окраска вольфрамовой бронзы NaxWO3 изменяется от желтой до сине-зеленой через красный и фиолетовый цвет при изменении х от 0,3 до 1. Некоторые бронзовые изделия показаны на рисунке 5.9. Дефекты в кристаллических решетках позволяют получать материалы с комплексом свойств. Например, можно получить вещества, обладающие повышенной фоточувствительностью или сверхпроводимостью с сопротивлением, равным практически нулю. На этом рассмотрение темы закончено. С целью закрепления пройденного материала предлагаем ответить на вопросы для самоконтроля. Слайд 104 |