Агрегатные состояния
При изучении любой естественной науки и изучении каких-либо свойств материи мы так или иначе сталкиваемся с важнейшим физическим свойством материи - агрегатным состоянием.
Согласно Википедии и моему познанию мира:
Агрегатное состояние - это некоторое физическое состояние вещества, зависящее от текущих значений температуры и давления внешней среды, то есть непостоянное и может со временем меняться.
Традиционно выделяют четыре агрегатных состояния, из которых в обычной жизни мы сталкиваемся только с тремя:
Рассмотрим в упрощённом виде кусочек какого-то материала, состоящий из множества частиц (например молекул) и как они взаимодействуют друг с другом. В реальной химии и физике корректнее использовать термин фаза, но об этом в другой раз.
Твёрдые тела
На первом рисунке изображено тело, которое обычно описывают как твёрдое: его молекулы расположены близко друг к другу и образуют множество взаимодействий друг с другом. В связи с этим тело имеет постоянную форму (частицы не способны свободно перемещаться относительно друг друга) и постоянный объем (внешнее давление не способно ещё сильнее сблизить частицы).
В определении твёрдого тела не сказано, насколько упорядочены должны быть частицы материи. В идеальном твёрдом теле нет изъянов и все частицы располагаются в соответствии со строгим периодическим порядком (не обязательно в виде кубика!), образуя так называемое кристаллическое твёрдое тело.
Если же в твёрдом теле наблюдается хаотическое расположение его частиц, то его называют аморфным твёрдым телом. Частный случай - стеклообразное тело, которое проявляет как свойства твёрдого, так и жидкого тела.
Из кристалла можно получить аморфное путём перемалывания первого и быстрого сплавления. Обратный процесс, называемый кристаллизацией может быть очень время-, энерго- и трудозатратным.
Для твёрдых тел определяют важную физическую величину плотность (ρ, греческая буква "ро"), которая для каждого твёрдого тела индивидуальна и зависит от количества пустого пространства между частицами вещества и самой природой частиц (их массой).
Жидкости
Тело, в котором между частицами и их группами есть какое-то количество взаимодействий, но остаётся свобода перемещений, называется жидкостью. Отсутствие связи между всеми частицами приводит к тому, что жидкости не имеют постоянную форму (их можно перелить из одного сосуда в другой), однако расстояние между частицами всё ещё небольшое и объём жидкости постоянный (жидкости почти не сжимаемые).
В отличии от твёрдых тел, плотность (ρ) жидкостей не является постоянной и зависит от температуры и давления атмосферы внешней среды.
Как результат, две жидкости могут смешиваться друг с другом, при этом общий объём может почти не меняться (вроде бы даже иногда слегка уменьшиться из-за дополнительного взаимодействия частиц разных материалов друг с другом). Поэтому наиболее правильно измерять массу жидкости, которая является постоянной величиной (спасибо закону постоянства масс), но не объём (нет закона постоянства объёмов).
Газы
Если в материале частицы мало взаимодействуют друг с другом и как результат, могут свободно перемещаться в пространстве, то про него говорят, что это газ. В результате, если дать газу достаточно времени (от пары секунд до нескольких дней), то все его частицы распределятся более-менее равномерно по всему доступному объему. При этом изменение формы сосуда будет приводить к изменению формы и объема этого газа.
Па́ром называют газообразное состояние материала, которое также может быть жидкостью или твёрдым.
Как и жидкости, частицы двух разных газов могут свободно проникать в пустоты, почти не меняя общий объём.
Плазма
Плазма - ионизированный газ, то есть в котором частицы имеют заряженное состояние, обычно из-за повышенной температуры. Если верить физикам, то плазма - самое распространённое агрегатное состояние во Вселенной (куда же без звёзд). Помимо Солнца, мы встречаемся с плазмой в виде полярного сияния, молнии, пламя, а также создаётся искусственно людьми в люминесцентных лампах, сварочных аппаратах, некоторых старых плазменных дисплеях телевизоров и декоративной плазменной лампе.
Переходы между агрегатными состояниями
Как мы рассмотрели выше, различие между агрегатными состояниями зависит от расстояния между частицами материала и наличием взаимодействий между ними. И то и другое можно менять путём изменения кинетической энергии частиц, что почти равносильно изменению скорости перемещения частиц. Самый простой способ - изменение температуры: рост температуры ускоряет колебание частиц, что препятствует их связыванию друг с другом и увеличивает расстояние между ними. И наоборот, при охлаждении системы частиц, они сближаются до оптимальных расстояний и начинают связываться.
Аналогично влияет давление: большее давление сближает частицы, заставляя их "успокоиться" и начать образовывать связи друг с другом. Разреженное давление не мешает частицам "разлетаться".
Поэтому для определения агрегатного состояния (или фазы) конкретного материала при известной температуре и давлении используют фазовую диаграмму типа следующей:
На фазовой диаграмме выше изображены основные переходы между агрегатными состояниями (фазовые переходы первого рода). Данные переходы происходят скачкообразно, то есть температура жидкой воды при постоянном давлении не может подняться выше температуры кипения, дальнейшее повышение температуры возможно только для пара.
Обратите внимание, что при переходе из жидкого в твёрдое часто используется термин кристаллизация, хотя вполне может образовываться аморфное или стеклообразное тело, поэтому корректнее говорить замерзание.
Также внимание привлекает тройная точка - такие условия внешней среды (давление и температура), при которых три основных агрегатных состояния находятся в равновесии и могут сосуществовать.
Например, для идеально чистой воды тройная точка наступает при T = 273,16 К = 0,01°C и p = 611,7 Па (для сравнения атмосферное давление p = 1 атм = 101325 Па), то есть при обычных условиях такое невозможно.
Особые случаи
Сверхкритический флюид
Наравне с тройной точкой на фазовой диаграмме есть так называемые критические точки (да, их может быть несколько), после которых материал перестаёт находиться с одном агрегатном состоянии, а проявляет свойства сразу двух агрегатных состояний (обычно газа и жидкости) и находится в сверхкритическом состоянии (сверхкритический флюид).
Интересно, что тот самый воздух, которым мы дышим и который считаем газом, на самом деле является смесью сверхкритических флюидов (Tкрит (N₂) = 126,25 К = -146,9°C, Tкрит(O₂) = 154,8 К = -120,35°C, Tкрит(Ar) = 150,86К = -122,29°C )!
Важно, что при температуре, выше критической, сверхкритический флюид невозможно перевести в реальную жидкость ни при каком давлении. Поэтому для получения жидкого азота или кислорода их сначала надо охладить ниже критических температур и только потом начать сжижать.
Кстати, в 1860 году всем известный Д.И. Менделеев повторно открыл явление критического состояния (после Шарля Каньяра де Ла-Тура, 1822 год).
Жидкие кристаллы
Жидкие кристаллы - материалы, являющиеся очень вязкими жидкостями, способными проявлять некоторые свойства, характерные твёрдым веществам, а именно анизотропия. Анизотропия - это неодинаковая реакция материала при воздействии на него с разных сторон и характерная из-за особенностей кристаллической упаковки твёрдых материалов.
Обычно жидкие кристаллы образуют вещества, молекулы которых имеют вытянутую или дискообразную форму, упорядоченно расположенных относительно друг друга. И под действием внешнего воздействия (например электрических полей, радиации или температуры) могут поворачиваться. Этот эффект активно используется для создания термических индикаторов в медицине и электротехнике, химических сенсоров, детекторов давления и звука и, конечно, жидкокристаллических дисплеев.
Пока писал эту статью, открыл лично для себя, что основным производителем жидких кристаллов является немецкая компания Merck, которая известна всем учёным-химикам по химическим реагентам (а другая по известности компания Sigma-Aldrich также была куплена компанией Merck!).
Домашнее задание
В качестве простого домашнего задания рекомендую задуматься о переходах между агрегатными состояниями и придумать примеры этих явлений (не только плавления/испарения, но и более специфических сублимации/конденсации).
Что изучают на уроках химии: полный план