Повна версія

Головна arrow Природознавство arrow ЗАГАЛЬНА ХІМІЯ

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   ЗМІСТ   >>

ГАЗИ І РІДИНИ

Вивчивши зміст глави 7, студенти повинні: знати

  • • уявлення про агрегатних станах речовини і їх взаємних переходах;
  • • методи розділення і очищення рідин;
  • • характеристику і закони газоподібного стану речовини;
  • • склад і властивості повітря як головного компонента середовища проживання людини;
  • • характеристики рідкого стану речовини;
  • • поняття про рідинно-кристалічному стані речовини; вміти
  • • проводити розрахунки за законами ідеального газу;
  • • характеризувати зміни стану газу при зміні тиску і температури;
  • • пояснювати діаграму стану рідини на прикладі води; володіти
  • • навичками вирішення завдань на властивості і фазові переходи рідин і газів.

Агрегатні стани речовини

Крім хімічних перетворень, що зазнають речовинами при їх взаємодії, а іноді і при зміні температури, речовинам властиві переходи між агрегатними станами. Тверде, рідке і газоподібне агрегатні стани речовини називаються також фазовими станами. Відповідно переходи між ними називають фазовими перетвореннями.

Фазою називається сукупність однакових але складом і властивостями частин системи, що мають поверхню зіткнення з іншими частинами або частиною системи.

Система [1] , що складається з двох або декількох фаз, називається гетерогенною. Система, що складається з однієї фази, називається гомогенною.

Деяка кількість рідкої води являє собою гомогенну (однофазну) систему. Якщо вода починає замерзати і на її поверхні утворюється шар льоду, то система стає гетерогенною. Система стала б гетерогенної і в тому випадку, якщо в воду кинути кубик льоду, шматочки льоду або кілька снігу (рис. 7.1). При О ° С між фазами було б стан рівноваги. Якщо ж температура води вище нуля, наприклад +3 ° С, то лід тане, тобто вода переходить з фази льоду в фазу рідини.

Система «рідка вода, лід і повітря»

Мал. 7.1. Система «рідка вода, лід і повітря»

Вибір системи диктується розв'язуваної завданням. Якби ми розглядали не тільки танення і замерзання води, але і випаровування, то до складу системи довелося б включити газову фазу - повітря над поверхнею рідкої води або певний обсяг, заповнений тільки парами води.

Найбільш звичайні три агрегатних стани - тверде (кристалічна), рідке і газоподібне. Відомо також аморфне, або склоподібного, стан, що має ознаки як рідкого, так і твердої речовини. При дуже високій температурі виникає ще одне стан речовини - плазма, по ряду ознак близьке до газу, але характеризується наявністю в гарячій суміші не тільки атомів, але і заряджених частинок - електронів і іонів. При надзвичайно високій температурі в центральних частинах зірок плазма складається з електронів і атомних ядер.

При зміні температури і тиску між агрегатними станами спостерігаються переходи, представлені на наступній схемі.

Перехід з кристалічного стану в рідке характеризується температурою плавлення, а зворотний перехід - температурою затвердіння. Це одна і та ж температура, при якій встановлюється рівновага між рідиною і кристалічною речовиною. Ця температура не дуже сильно залежить від тиску.

Не всі речовини можуть перебувати в будь-якому з трьох агрегатних станів. При нагріванні твердої речовини може початися розкладання перш досягнення температури плавлення, а іноді в процесі плавлення. Більшість гідроксидів металів, карбонатів і ряд інших солей з оксоаніонів розкладаються до оксидів, що не плавлячи. Гідроксид кальцію починає втрачати воду, не плавлячи, при 580 ° С. Утворився твердий оксид кальцію плавиться при 2898 ° С. Сахароза плавиться з одночасним розкладанням при 185,5 ° С. Деякі речовини можна розплавити лише під тиском. Миш'як сублімує при 614 ° С, але під тиском 30 атм плавиться при 817 ° С. Ясно, що можна навести ще більше прикладів речовин, які внаслідок своєї термічної нестійкості не можуть бути переведені в газоподібний стан.

У рідини немає певної температури переходу в газоподібний стан. Якщо над поверхнею знаходиться газ (повітря), то йде випаровування рідини, і її пар домішується до повітря. При підвищенні температури випаровування посилюється і концентрація пари підвищується. Рідина закипає, коли тиск її пари стає рівним зовнішньому тиску. Відповідна температура називається температурою кипіння. У довідкових таблицях зазвичай наводиться температура кипіння при нормальному атмосферному тиску. Газ починає перетворюватися в рідину, коли його тиск перевищує власне тиск пара рідкої фази речовини. Це відбувається при стисненні газу і (або) при зниженні температури.

Фазові перетворення мають величезне практичне значення. Безумовно, найважливішим перетворенням такого роду є випаровування води з поверхні всіх водних басейнів і перенесення її в атмосфері з подальшою конденсацією і випаданням у вигляді дощів, снігу та ін. Тільки цей процес забезпечує все живе на земній поверхні прісною водою. Крім випаровування води з водних поверхонь, відбувається і сублімація з поверхонь полярних і гірських льодовиків, снігового покриву взимку. Серед важливих технологічних процесів слід згадати лиття металів. Зріджений повітря і вуглекислий газ в твердому стані застосовуються в якості засобів охолодження.

Фазові переходи застосовуються для розділення і очищення речовин. З суміші рідин при нагріванні в першу чергу випаровується більш летюча складова частина. Тому сконденсований пар містить велику частку летючої рідини, ніж вихідна суміш. Процес випаровування і наступної конденсації рідини називається перегонкою . На рис. 7.2 представлений лабораторний апарат для перегонки. Багаторазова перегонка дозволяє досягти високого ступеня поділу рідин. При перегонці відбувається також очищення рідини від нелетких розчинених речовин.

У XX ст. до методу очищення речовин перегонкою додався метод зонного плавлення , за допомогою якого досягається глибоке очищення речовини (отримання речовини кваліфікації осч). Принципова схема установки для зонної плавки представлена на рис. 7.3. У циліндричному злитку речовини піддається плавлення тонка зона за допомогою особливого кільцевого нагрівача, повільно переміщається уздовж зливка. По фронту переміщення речовина плавиться, а з тильного боку кристалізується. У процесі кристалізації домішки переважно витісняються в рідку фазу, що призводить до їх переміщення разом з розплавленої зоною до кінця злитка. Після багаторазового проходження нагрівача в одному і тому ж напрямку вздовж зливка велика частина домішок концентрується в тій частині злитка, до якої переміщується розплавлена зона. Очищена частина речовини відділяється і використовується для виробництва виробів.

Лабораторний апарат для перегонки рідині

Мал. 7.2. Лабораторний апарат для перегонки рідині:

  • 1 - колба для вихідної рідини; 2 - водяний холодильник;
  • 3 - аллонж; 4 - приймач для конденсату (очищеної рідини)
Схема апарату для зонного плавлення (в розрізі)

Мал. 7.3. Схема апарату для зонного плавлення (в розрізі):

1 - контейнер; 2 - очищається матеріал; 3 - фронт плавлення; 4 - межа затвердіння; 5 - переміщається кільцевої нагрівач

  • [1] Поняття «система» докладніше буде розглянуто в гл. 9.
 
<<   ЗМІСТ   >>