Состояния вещества: макромир и микромир;Сегодня — лед, завтра — вода: вещество меняем состояния
Посмотрите вокруг. Все, что вы видите, — стул, на котором сидите, вода, которую пьете, бумага, на которой напечатана книга, — это вещество. Вещество — это материальная часть Вселенной, т.е. все то, что имеет массу и объем. (Далее в главе я познакомлю вас с энергией — другой частью Вселенной.) Вещество может находиться в одном из трех состояний: твердом, жидком или газообразном.
Твердые тела
В макромире, который мы непосредственно наблюдаем с помощью органов чувств, твердое тело имеет определенную форму и занимает определенный объем. Представьте себе ку-
бик льда в стакане — он является твердым телом; его можно легко взвесить и измерить его объем. В микромире предметы настолько малы, что люди не могут их непосредственно наблюдать: частицы, из которых состоит лед, находятся очень близко друг к другу и не могут свободно перемещаться (рис. 2.1, а).
Частицы, из которых состоит лед (они также называются молекулами), прочно связаны между собой и малоподвижны, поскольку (как и многие твердые тела) объединены в жестко организованную конструкцию, которая имеет повторяющуюся структуру, называемую кристаллической решеткой. Частицы, находящиеся в кристаллической решетке, сохраняют взаимное расположение, совершая колебания около центров равновесия. Кристаллические решетки могут иметь разную форму.
Жидкости
Когда кубик льда тает, он превращается в жидкость. В отличие от твердых тел, жидкость не имеет определенной формы, однако, подобно твердым телам, имеет определенный объем. Например, если чашку воды вылить в высокий тонкий стакан или на плоское блюдце, то можно заметить, что форма жидкости будет разной, хотя в обоих случаях объем воды одинаков — одна чашка. Почему так происходит? В жидкостях частицы находятся на большем расстоянии друг от друга, чем в твердых телах, и двигаются они намного активнее (см. рис. 2.1, б).
Поскольку в жидкостях частицы располагаются менее плотно, силы взаимного притяжения недостаточно, чтобы образовать кристаллическую решетку, как в твердых телах; поэтому жидкости не имеют определенной формы. Впрочем, в небольших количествах жидкость способна сохранять форму капли. Однако сила притяжения все же достаточно велика, чтобы вещество могло обладать определенным объемом, а не занимать все свободное пространство.
Газы
Нагревая воду, можно превратить ее в пар — газообразную форму воды. Газ не имеет определенной формы и определенного объема: частицы находятся на больших расстояниях друг от друга по сравнению с твердыми телами или жидкостями (см. рис. 2.1, в) и в постоянном хаотическом движении. Это объясняет способность газов равномерно заполнять весь предоставленный объем (именно потому у них нет определенной формы).
Переход вещества из одного состояния в другое называется изменением состояния. Этот процесс характеризуется весьма интересными особенностями.
Ой, я плавлюсь!
Рассмотрим следующий пример. Возьмите большой кусок льда из морозильника, положите его в большую кастрюлю и поставьте на плиту. Предварительно измерив температуру льда, вы получите примерно -5 °C (т.е. -5° по шкале Цельсия). Периодически измеряя температуру льда во время нагревания, вы заметите, что она начала повышаться. Это происходит потому, что при нагревании частички льда начинают вибрировать в кристаллической решетке все быстрее и быстрее. Какое-то время спустя некоторые частицы начинают двигаться настолько быстро, что откалываются от кристаллической решетки, а это, в свою очередь, приводит к полному ее разрушению. Твердое тело начинает переходить в жидкое состояние. Этот процесс называется плавлением. Температура, при которой происходит плавление, называется точкой плавления вещества. Например, точка плавления льда равна 0 °C, или 32 °F (т.е. 32° по шкале Фаренгейта).
Наблюдая за температурой плавящегося льда, вы заметите, что до тех пор, пока лед полностью не расплавится, она будет удерживаться на отметке 0 °C. Во время изменений состояния (или фазовых изменении) температура остается постоянной, несмотря на то что вода обладает большей энергией, чем лед. (Как уже отмечалось в предыдущем разделе, частицы жидкостей двигаются быстрее, чем частицы твердых тел, поэтому и энергия их больше.)
Точка кипения
Когда вы нагреваете кастрюлю с холодной водой (или продолжаете нагревать кастрюлю с расплавленными кубиками льда, о которых шла речь в предыдущем разделе), температура воды повышается и движение частиц под действием тепла все более ускоряется. Это происходит до тех пор, пока вода не достигнет точки следующего изменения состояния — кипения. При повышении температуры частицы двигаются все быстрее, преодолевая силы притяжения друг к другу, и наконец их движение становится свободным, а значит, вода превращается в пар, т. е. переходит в газообразное состояние. Процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное называется кипением. Температура, при которой жидкость начинает кипеть, называется точкой кипения. Точка кипения зависит от атмосферного давления, но для воды при давлении 760 мм рт. ст. она составляет 100 °C (212 °F). Следует отметить, что температура кипения воды будет оставаться постоянной, пока вся вода не превратится в пар.
При температуре 100 °C вода может находиться одновременно в двух состояниях — в газообразном (в виде пара) и в жидком. Их температура будет одинаковой, но энергии у пара будет намного больше (ведь частицы двигаются хаотично и довольно быстро). Поскольку энергия пара больше, ожоги от него обычно намного сильнее, чем от кипящей воды, — ведь его действие на кожу оказывается более интенсивным. В этом я удостоверился в одно отнюдь не прекрасное утро, когда пытался прямо на себе выгладить мятую рубашку. Так вот, моя кожа и я можем засвидетельствовать: энергия пара очень велика!
Процесс перехода воды из твердого состояния в газообразное можно представить следующим образом:
лед — вода — пар.
Поскольку основной частицей льда, воды и пара является молекула воды (H2O), то этот же процесс можно представить иначе.
Н20(т) — Н20(ж) — Н20(г)
Здесь «т» означает твердое тело, «ж» — жидкость, а «г» — газ.
Для описания перехода веществ из одного агрегатного состояния в другое лучше использовать второй вариант, поскольку большинство химических веществ, в отличие от H2O, не имеют отдельных названий для твердой, жидкой и газообразной формы.
Точка замерзания: ледяные кубики
При охлаждении газообразного вещества можно наблюдать происходящие с ним фазовые изменения. К ним относятся:
I * конденсация — превращение газа в жидкость;
I * замерзание — превращение жидкости в твердое тело.
Частицы газа обладают большим количеством энергии, но по мере охлаждения эта энергия уменьшается. Движение частиц становится более медленным и менее хаотичным, увеличиваются силы взаимного притяжения частиц, и постепенно вещество из газообразного состояния переходит в жидкое. Этот процесс называется конденсацией. Частицы теперь находятся в группах (что характерно для частиц в жидком состоянии), однако при дальнейшем уменьшении энергии в результате охлаждения частицы начинают строиться в шеренги, образуя твердое тело. Этот процесс называется замерзанием. Температура, при которой жидкость переходит в твердое состояние, называется точкой замерзания вещества.
Точка замерзания и точка кипения относятся к важным характеристикам жидкостей и свидетельствуют о начале фазовых изменений вещества, т. е. переходе в твердое или газообразное состояние соответственно.
Превращение воды из газообразного состояния в твердое можно описать приведенной ниже формулой.
Н20(г) — Н20(ж) — Н20(т)
Сублимируйте это!
Многие вещества при нагревании последовательно переходят от твердого тела через жидкость к газу, а при охлаждении этот процесс проходит в обратном порядке. Однако существует ряд веществ, которые из твердого состояния сразу переходят в газообразное, минуя жидкое состояние. Этот процесс называется сублимацией или возгонкой. В качестве примера можно привести двуокись углерода (его формула — С02(т)), т.е. сухой лед, находящийся в твердом состоянии. При обычных условиях можно видеть, как кусочки сухого льда становятся все меньше — твердое тело превращается в газообразное, однако во время этого фазового изменения не образуется никакой жидкости. (Если вам приходилось видеть сухой лед, то вы вспомните, что его обычно окружает белое облако. Благодаря этому сухой лед часто используют для создания эффекта клубящегося дыма или тумана при съемке фильмов или постановке театрализованных шоу. Впрочем, белое облако, которое вы обычно видите, не является газом двуокиси углерода, поскольку он бесцветный. Белое облако образует содержащийся в воздухе водяной пар, сконденсированный под действием сухого льда.)
Формула, описывающая процесс сублимации, приведена ниже.
С02(т) — С02(г)
Кроме сухого льда, сублимация еще происходит с нафталиновыми или камфарными шариками, а также некоторыми твердыми освежителями воздуха. Процесс, обратный сублимации, — переход из газообразного состояния в твердое без образования жидкого состояния — называется десублимацией.