2.4. Агрегатное состояние вещества

Вещество может находиться в зависимости от температуры и давления в газообразном, жидком, твердом и плазменном состояниях.

В газообразном состоянии вещество существует в виде молекул, находящихся в непрерывном движении, и характеризуется малой величиной межмолекулярного взаимодействия и значительной величиной кинетической энергии.

В жидком состоянии частицы вещества располагаются на более близких расстояниях, чем в газах, и энергия межмолекулярного взаимодействия в нем более значительна и соизмерима с величиной кинетической энергии, поэтому жидкость обладает текучестью.

В твердом состоянии вещества находятся в кристаллическом и аморфном виде, при этом величина энергии межмолекулярных взаимодействий превосходит величину кинетической энергии, поэтому твердые тела обладают определенным объемом и формой. Вещества в аморфном состоянии (например стекло) не имеют упорядоченной структуры, в связи с чем не обладают определенными температурами плавления.

К межмолекулярному взаимодействию относятся силы Вандер-Ваальса и водородная связь. Водородная связь возникает между молекулами, образованными сильно электроотрицательным элементом и атомом водорода.

Например: H⁺ - F^- …. H⁺ - F^-.

Энергия водородной связи меньше энергии ковалентной связи. Но наличие водородной связи в соединении ведет к изменению его свойств, таких как температура плавления, кипения, вязкость и т.п.

Кристаллическое состояние характеризуется регулярным расположением частиц в трехмерном пространстве, что приводит к образованию кристаллических решеток определенной формы (кубической объемно-центрированной, гранецентрированной и т.д.). По типу химической связи кристаллические вещества классифицируются на ионные, металлические, атомные (ковалентные), молекулярные, кристаллы со смешанными связями (табл.1).

Таблица 1

Некоторые свойства веществ, определяемые типом химической связи и кристаллической решетки

Химическая связь	Связываемые частицы	Кристал-лическая решетка	Характер вещества	Примеры
Ионная	атом металла и атом неметалла	ионная	солеобразный	NaCl, CaO, NaOH
Ковалентная	атомы неметаллов (реже атомы металлов)	молеку-лярная атомная	летучий или нелетучий (макромолекуляр-ный) алмазно-подобный	Br2, CO2, C6H6 крахмал, алмаз, Si, SiC
Металлическая	атомы металлов	метал-лическая	металлический	металлы и сплавы

Глава 3. Основные закономерности протекания химических процессов

1. Термодинамика химических процессов

Все химические реакции сопровождаются определёнными энергетическими эффектами: выделением или поглощением теплоты, света и других видов энергии. Энергетические эффекты позволяют количественно охарактеризовать химическую реакционную способность того или иного вещества, его термическую устойчивость, кислотно –основные свойства и окислительно –восстановительные свойства.

Изучением энергетических эффектов химических реакций или систем занимается химическая термодинамика.

Под системой понимают произвольно выбранную часть пространства, содержащую одно или несколько веществ, реально или мысленно отделенных от окружающей среды.

Часть системы, обладающая во всех своих точках одинаковыми физическими и химическими свойствами и отделенная от других частей системы поверхностью раздела, называется фазой.

По количеству фаз системы делятся на гомогенные и гетерогенные.

Гомогенной называется однофазная система, в которой все вещества находятся в одинаковом агрегатном состоянии.

Гетерогенной является многофазная система, в ней содержатся вещества в различных агрегатных состояниях.

Например: 4Fe_(к) + 2H₂O_(ж) + 3O_2(г) = 4FeO(OH)_(к),

где _{(к), (ж), (г)} – обозначения агрегатных состояний веществ.

Термодинамические свойства системы можно выразить с помощью нескольких функций состояния системы, называемых термодинамическими функциями:

• внутренняя энергия, U;

• энтальпия, Н;

• энтропия, S;

• энергия Гиббса, G.

Значит, состояние и свойства системы характеризуются термодинамическими параметрами (давление, температура, концентрация и др.) и термодинамическими функциями (U,H,S,G).

Внутренняя энергия

Каждая система при постоянных физических условиях (температура, давление) обладает определенным запасом энергии, называемым внутренней энергией системы /U/. Эта энергия включает в себя энергию движения и местоположения молекул, атомов, ядер и электронов, а также энергию, обусловленную силами притяжения и отталкивания между ними. Однако внутренняя энергия не включает кинетическую энергию движения системы в целом и потенциальную энергию положения системы в пространстве.

Абсолютное значение внутренней энергии определить невозможно. Для химии, однако, важно не абсолютное значение, а изменение внутренней энергии ΔU = U₂ – U₁,

где U₂ – внутренняя энергия конечного состояния

U₁ – внутренняя энергия начального состояния.